摘　要：绿色开采是煤炭开采的发展方向,对提高煤炭采出率、保护生态环境和实现煤矿可持续发展都具有十分重要的意义。深入分析了我国煤炭开采的现存问题，总结分析了绿色开采技术，调查研究了相关保障技术的研究现状和发展趋势，对科学采矿具有一定的指导意义。
关键词:工艺发展；绿色开采;保水开采;煤与瓦斯共采;充填开采;煤炭地下气化

一、序言：
    煤炭开采造成岩层移动破坏,引起岩层中水与瓦斯的流动,导致煤矿瓦斯事故与井下突水事故;煤炭开采引起岩层移动,进而造成地表沉陷,导致农田、建筑设施的损坏;煤炭开采形成的大量堆积在地面的矸石,既占用良田,又造成环境污染;随着我国矿井开采深度的不断增加,矿山压力显现及冲击地压等动力灾害发生的频次增加,强度增大,危及矿井的安全生产。上述问题若得不到有效解决,在未来几十年内,随着能源总需求和煤炭产量的不断增长,煤炭资源开采所带来的矿区安全和生态环境问题将更为严重,人类的生存和社会发展环境将受到严重威胁。根据我国的能源资源状况,煤炭作为我国最重要的一次性能源,在未来20年内,其在能源构成中的主体地位将不会改变。2020年我国煤炭消费量将达到40亿t。届时,煤炭产量很可能无法满足工业需求。不能再单纯地通过提高煤炭的产量缓解煤炭供应的压力,而应该综合考虑发展煤炭循环经济,减少煤炭开采对环境的破坏,而且也应该把“发展煤炭循环经济,实现煤炭绿色开采”作为理念,大力发展绿色的采煤技术。
   （一）、当前中国煤炭开采的现状
    煤炭在我国能源结构中约占75%，在国民经济和社会发展中具有重要的地位和作用。开采煤炭过程中，地下水系统被人为强制性改变，一些可开发的地下水源不复存在，大部分矿井水没有被处理而排放，引起地表环境的污染，我国煤矿区水资源普遍缺乏，煤炭开采对地下水资源的破坏也相当惊人，当前全国煤矿外排矿井水达22亿t，选煤水0.28亿t，其它工业废水0.3亿t，生活污水4亿t；北方矿区平均吨煤破坏地下水资源约10m3，使生态环境恶化。特别是煤炭选洗加工及其他附属工厂排出的工业污水，其危害更为严重，渗透流入农田，引起减产；排入河流、湖泊，会淤塞河道，抑制鱼类生长甚至引起死亡，渗入地下污染饮用水源，尤其是洗煤水中的浮选药剂及聚丙烯胺药剂具有毒性，并可诱发多种疾病，对人体健康造成极大这些问题已经成为我国乃至世界各国政府和科技界共同关注的热点问题。并且这些问题已不再是单一的环境要素问题，而成为影响我国社会、经济和区域生态环境发展的综合性制约因素的系统问题 ，因此对于新时期的大工业建设，环保节约型煤矿开采势在必行。
   （二）研究的方法和目的
    采用收集资料的方式，对目前中国煤矿开采过程中存在的环境问题问题进行论述，探讨具体治理环境问题的对策以及实行以ISO14000环境管理标准为基础的矿区生态环境管理体系和开发绿色开采技术的重要性。
二、煤矿开采工艺的发展
   （一）我国煤矿开采技术的发展历程
    采煤方法是煤炭工业的关键工艺技术，是建设现代化矿井的基础，走依靠科学技术进步的发展之路，是我国煤炭工业发展的重要方针。采煤方法改革的根本出路在于发展机械化、自动化、工艺操作程序化，从而达到安全、高产、高效、资源损失少的目的，并努力达成或接近国际先进水平。
    建国初期，绝大多数煤矿设施极为简陋，采煤方法多采用无支护的穿硐式和高落式。在三年经济恢复时期（1949-1952）推行了以壁式体系为主的采煤方法。1950年开始对顶板进行分类，并采用了全部垮落法管理顶板。1952年，国营煤矿采用以长壁式为主的正规采煤方法，其煤炭出产量比重已由1949年的12.51%迅速增长到72.4%。
    第一个五年计划期间（1953-1957），继续开展采煤方法改革。1953年双鸭山岭西煤矿在长壁工作面上首次使用了框式联合采煤机.1957年，全国采煤机械化程度达到12.75%，以长壁为主的正规采煤方法所占的产量比重已达92.27%，并创造性的发展了一批适合中国国情的采煤方法。1964年，我国首次在鸡山矿务局小恒山矿使用了浅截式滚筒采煤机，对发挥长壁采煤法的优越性起了重要的作用。1965年以后，煤炭工业部组织推广了一次多放炮、爆破装煤、滚筒式采煤机采煤、使用金属摩擦支柱和铰接顶梁等12项先进经验，使采煤方法得到进一步的完善和发展。1974年开始采用采用综合机械化采煤技术设备，从此我国的采煤方法走上了现代化发展的道路。第五个五年计划期间（1976-1980），1977年煤炭工业部召开了全国采煤方法工作会议，确定了采煤方法的发展方向。在大力推广走向长壁采煤法机械化采煤的同时，因地制宜地积极推广倾斜长壁采煤法、柔性掩护支架采煤法、对拉工作面采煤、无煤柱护巷，水力采煤等。80年代以后，我国出现了十余种新采煤方法和采煤工艺，采煤方法得到了迅速的发展。
回顾我国50年来采煤方法的沿革，总结正反两方面的经验教训，使我们认识到，采煤方法的改革必须结合中国的国情来进行。当代中国由于采煤而带来的环境问题日益严重，对周围城镇的居民生活造成了极大的影响，要实现新世纪中国现代化 “以人为本”的建设目标，环保型煤矿开采方法和系统管理模式的发展是势在必行。
   （二）、我国采煤技术的发展方向
     1、采煤工艺的高新技术应用
    继续消化和吸收国外的先进采煤设备的技术，在采煤机、刮板输送机的大功率、高可靠性、智能控制等方面开展深入研究，对采煤机滚筒的煤炭分界面的自动识别技术、液压支架的电液控制技术及三机的自动控制技术深入研究并投入工业运行。以上技术的发展， 最终为实现无人采煤工作面打下基础，从而极大地提高煤矿效率。
    研究放顶煤开采技术中的难点问题，使其成为真正的高产、高效、高回收率、高安全的开采方法。目前对于放顶煤条件下顶煤的破碎规律，破碎后顶煤与顶板相互作用的移动规律的认识仍不是特别清楚，从而导致支架架型的设计、回采工艺的选择不合理、放煤率不高。所以，首先要开展进一步的基础理论研究，在此基础上，运用新技术研制新型的放煤支架，完善探测顶煤放出率的相关技术，提高回收率。另外，对于高瓦斯矿井、坚硬顶煤及顶板矿井的放顶煤实践需进一步探讨，合理地确定放顶煤的运用条件， 以及提高顶煤回收率的其它辅助方法。
    在煤层条件适宜的条件下使用大采高的开采技术。大采高开采技术一般指厚度大于3.8 m 的一次采全高综采技术，目前，我国最高已采到5m，大采高开采技术的高产、高效、高回收率正受到越来越多的关注。采用大采高开采技术，由于设备大型化，支架高度大，因而使用新技术对大采高工作面的监测监控显得尤为必要，否则，也不能充分发挥其潜力。采高大，采煤机的重量大，其自身的平衡与稳定对机械制造及设备配套提出新的要求。支架的高度加大，重心提高，也极易出现失稳，因而必须对支架的设计，特别是支架与上覆岩层的相关关系及支架的三维稳定性进入深入研究。另外，大采高技术的发展对回采工作面的运输巷及回风巷的支护与掘进提出了新的要求。目前， 我国大采高的回采巷道高度一般在3m～4m ，采用锚杆、锚索等支护方式。一般情况下， 回采工作面与回采巷道之间出现一台阶，不仅浪费了煤炭资源，而且对回采工作面支架的稳定性及回采工艺造成了很大影响。因而，研究回采巷道高度在4 m 以上的巷道支护方式及掘进工艺，对于大采高技术的推广应用无疑是非常重要的。
    2、基于环保问题的采矿技术发展
    深入研究长壁采煤法对岩层及地表的破坏规律，特别是对水资源的破坏规律。在这方面的研究，以前主要着眼于煤矿的安全问题，而现在应主要考虑环保问题。采用长壁全部垮落法后， 岩层产生大范围的破坏移动， 如何控制这种破坏与移动以及它们与地下水破坏内在规律的研究是有实际意义的。从这一点考虑， 在选择采煤方法时， 应充分利用新的理论方法，在开采顺序、开采方法、工艺形成上进行分析比较。
    发展开采过程中的瓦斯处理技术。瓦斯排放是煤矿的另外一个主要污染源，它加剧了温室效应，破坏臭氧层，给煤矿安全造成了严重的隐患。我国有多个煤炭企业有抽放瓦斯、变害为宝的实际经验。但抽放率较低，这与抽放设备、抽放技术工艺有关， 特别和开采过程中对瓦斯的运移规律认识不清有关。因此，对于高瓦斯矿井的开采技术选择应同时考虑瓦斯抽放技术的应用。随着对开采过程中瓦斯逸出及运移规律的逐步认识，以及大孔径、长距离抽放技术的成熟，开采中将从实体煤中抽出高纯度的瓦斯，从而进一步降低对环境的污染。
三、煤炭绿色开采体系
    煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术,在基本概念上是要从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各种资源。基本出发点是防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响。目标是取得最佳的经济效益和社会效益。根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等,绿色开采主要包括以下内容:水资源保护-“保水开采”;瓦斯抽放-“煤与瓦斯共采”;土地与建筑物保护-“充填开采”;排放矸石占用土地污染环境-“煤炭地下气化”等。2003年,中国矿业大学钱鸣高院士首次提出了煤矿绿色开采的概念和技术体系,随后明确了实现煤炭资源开采和环境保护协调发展的绿色开采研究目标,为我国绿色开采技术的研究指明了方向。钱院士提出的绿色开采技术体系, 绿色开采理论依据:1、关键层理论。2、开采对岩层移动的影响及移动规律。3、水在裂岩体中的渗流规律。4、开采后岩层内节理裂隙分布发育规律等。
   （一）保水开采
    保水采煤在不同的矿区有不同的技术内涵,缺水矿区要以水资源保护和利用为主;大水矿区,要以减少水资源破坏和防治水灾害为主。因此,保水开采包含水资源保护、水资源利用(煤水共采)和水灾害防治等多项重要内容。煤矿开采过程中破坏了地下含水层的原始径流,大量排出地下水;采空区上方导水裂隙带与地下水体贯通,形成大规模地下水降落漏斗,造成区域含水层水位下降,直接影响到区域水文地质条件。采动影响稳定后产生的地表沉陷往往影响到地表水体(河流、湖泊、井泉等)的原来形态,造成部分沟泉水量减少甚至干涸;影响当地居民正常的生产生活,进而影响区域植被生长,甚至土地沙漠化。我国大部分矿区处在干旱半干旱地区,而每年采煤破坏地下水22亿m3,可见保水开采具有重要的意义。
   （二）煤与瓦斯共采
    瓦斯既是矿井有害气体也是洁净能源。因此,应该使其资源化,其技术途径有:
   1、采前抽采:若能在开采前将煤层内瓦斯抽出,则是利用瓦斯改善煤矿安全的最好办法。但由于我国大部分煤体透气性低,在本层内抽采瓦斯有难度。
   2、煤与瓦斯共采:开采后围岩压力降低,大量瓦斯在采空区释放,有利于瓦斯抽采,因此形成煤与瓦斯共采体系。
   3、废弃矿井抽采瓦斯。鉴于废弃矿井煤层经过采动而充满瓦斯,因而可以利用采动后岩体内裂隙场的分布及钻孔,将瓦斯抽排管装在井下、封闭井口后,抽出瓦斯。
   4、回风井回收瓦斯。
   5、煤与瓦斯共采的技术主要有:留巷钻孔法、卸压法等。
   （三）充填开采
    我国多数煤矿存在建筑物下、水体下、铁路下压煤的问题,充填采矿法对解决这类问题具有重要的意义。充填开采法是用充填材料充填采煤工作面采空区的岩层控制方法。该法可以缓和工作面支承压力产生的矿压显现,改善采场和巷道维护状况,有效减少地表下沉和变形,提高煤矿采出率,保护地面建筑物、构筑物、生态环境和水体。按照充填材料的不同,充填采矿法分矸石充填、水砂充填和膏体充填。
    1、矸石充填利用井下采空区处置煤矸石的充填采煤方法,既可以减少煤矿固体废弃物排放,又可以减轻开采沉陷灾害、提高矿井资源回收率,是实现煤矿绿色开采的关键技术途径之一。
    抛矸机抛矸充填。将岩巷和半煤岩巷掘进矸石用矿车运至井下矸石车场,经翻车机卸载后,矸石经破碎机破碎,而后进入矸石仓。通过矸石仓下口,胶带或刮板输送机将破碎后的矸石运入上下山,而后由胶带或刮板输送机转载进入采煤工作面回风平巷,再由工作面采空区可伸缩胶带输送机运至工作面采空区抛矸胶带输送机尾部,由抛矸胶带输送机向采空区抛矸充填。
    刮板输送机卸矸充填。充填装备由后端带悬梁的自移式液压支架和充填刮板输送机组成。在自移式液压支架后端增加后悬臂等配件,采用可调高但挂链悬挂充填刮板输送机溜槽,悬挂是为了增加充填垂直高度。输送机中部溜槽按顺序连接,并与机头和机尾组成整部刮板输送机。每2节中部溜槽设置1个溜矸孔,溜矸孔开在溜槽的中板上。由电机车牵引矸石矿车至采区矸石车场,通过翻车机卸载,矸石经转载机、破碎机进入矸石仓。破碎后的矸石经上下山输送机、平巷输送机运至液压支架后的充填刮板输送机,在采空区卸载。
    风力抛矸充填。风力充填材料粒度的直径不宜大于充填管道的1/2~1/3。并且要求充填材料沉缩率低、不自然、腐蚀性小。矸石经充填机、充填管路充填采空区。一般采煤机割两刀煤充填一次,充填步距1.2~1.6 m,每次充填长度6~9 m,工作面每向前推进50~100 m,充填机前移一次。机械矸石充填对充填材料要求不严格,使用设备也较少,在我国山东矿区发展较快,有推广趋势。
    2、水砂充填水砂充填采煤法是利用水力通过管道把充填材料沙粒送入采空区的充填采煤法。我国早在20世纪初就开始应用水砂充填采煤法,目前水砂充填技术已经十分成熟。在地面用矿车将采出、破碎及筛分后的成品砂运到贮砂仓贮存。在贮砂室,砂与水混合成砂浆,经充填管路送至工作面采空区,并在采空区脱水,砂子形成充填体,废水经采区流水上山和流水道流入采区沉淀池,经沉淀后,澄清的水流入水仓,用水泵经排水管将水排至地面贮水池,以供循环利用。水砂充填采煤法充填致密,可减少煤尘危害,能有效地控制地表下沉和变形,但井上下充填系统复杂,设备及设施投资大,充填材料昂贵,提高了吨煤成本。
    3、膏体充填膏体充填技术是1979年在德国的格伦德铅锌矿首先发展起来的,由于膏体充填具有料浆质量分数高、充填效率高、成本较低等优点,这项技术试验成功以后在金属矿山得到较快的发展,在包括中国在内的许多国家得到应用。为解放村庄压煤,提高开采上限,提高煤炭资源采出率,延长矿井服务年限,太平煤矿与中国矿业大学合作开展了固体废物膏体充填不迁村采煤技术的研究。太平煤矿膏体充填系统是我国煤矿第一个膏体充填示范工程,2006年5月工业性试采取得成功。膏体充填采煤技术主要由三部分组成,即充填材料、充填设备与工艺、采动岩层充填控制理论。膏体是由煤矸石、粉煤灰、水砂、水泥等组成,由地面设备加工而成的类似牙膏的流体,具有十分良好的流动性和可泵性。充填时,膏体通过巷道中的管路,由充填泵提供动力,输送到液压支架后的采空区。膏体充填技术的核心是膏体充填材料,膏体充填材料的强度对膏体充填的效果起决定作用。膏体充填后,地表下沉减小。膏体充填开采是绿色开采技术的重要组成部分,是解决煤矿开采环境问题的理想途径,是解决村庄等建筑物下大量压煤开采问题的迫切需要。
四、煤炭地下气化
    煤炭地下气化是指将地下煤炭通过热化学反应在原位把煤炭转化为可燃气体。可以部分消除煤炭开采对环境的污染和煤炭燃烧对生态环境的不利影响与破坏。煤炭地下气化是一种整体绿色开采技术。它开始于英国1912年,由于热值低、成本高而未得到发展。我国于1958 -1960年曾在16个矿区进行试验,于1962年停止,1984年又开始了新的试验,1994年达到连续产气295 d,产气量为200 m3/h,热值13. 81~17. 57 MJ /m3,采用的是有井式、长通道、大断面的煤炭地下气化方法。2005年中国矿业大学与重庆中梁山矿业集团合作实现了连续稳定生产优质水煤气和混合煤气。但是,地下煤炭气化燃烧产生的苯和酚是致癌物质,有可能毒化水资源;燃烧形成的大量二氧化碳对空气也是严重的污染。目前我国的地下气化技术仍处于工业试验阶段,有很多问题需要去研究和探索。
五、结　语
    资源与环境协调的绿色开采是解决煤炭开采环境问题的根本出路。要实现绿色开采,需要综合研究和解决经济与技术等方面的问题。绿色采矿可以减少环境污染,还能带来良好的社会经济效益。绿色采矿是形成绿色矿业及矿区绿色家园的重要组成部分,相信随着绿色开采的不断发展和完善,煤矿绿色开采一定会发挥它应有的作用,为人类与自然的协调发展做出贡献。
参考文献:
    【1】钱鸣高．绿色开采的概念与技术体系[J]．煤炭科技，2003(4)：1-3.
    【2】刘开明.优化配煤生产优质焦炭[J].燃料与化工,2006,37(5):8-10.
    【3】缪协兴,钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望[J].采矿与安全工程学报, 2009(3):1-13.
    【4】黄庆享.煤炭资源绿色开采[J].陕西煤炭.2008(03):18-21.
    【5】马　驰，余　力，梁　杰．中国煤炭地下气化技术的发展[J]．中国能源，2003(2)：11-15.□