煤炭清洁开采的技术与途径

煤炭清洁开采技术包括实施保护地表的开采技术、实施矸石不上井的开采技术或矸石地面利用、实施保护水资源的保水开采技术、实施煤层气抽采技术或煤与瓦斯共采等。

为了保护环境，在设计矿区的同时就要根据环境条件对矿井开采方法和环境治理做出统一选择形成开采与环境协调的开采方法。为了减轻煤炭生产对环境产生的损害程度，各矿井在开发之前就应对改善煤炭生产环境状况进行总体规划、全面安排。

矿区的总体规划与矿井的总体设计必须对煤的洁净生产做出详细评述，包括指出可能发生的问题，将采取什么切实措施予以解决（各环节怎样安排何时解决、解决到什么程度），解决不了的有什么补救的办法。上级有关主管部门要根据国家（和行业）有关法律、规范和标准，对矿区规划和设计中有关清洁煤生产的内容进行严格审查，不符合有关规定的，一律不得批准。

（一）减少矸石产生量的技术

1.减少井下岩石巷道掘进量

煤矿生产排放的陨石主要来源是岩巷掘进，与矿山开发系统和煤矿巷道布置密切相关。从矿井开拓与巷道布置着眼，本着“多做煤巷、少做岩巷”的原则，可从总体上消除或大量减少矸石的排放量，提高煤炭质量，改善矿区环境。

（1）采取煤巷开拓方式，减少岩巷数量

从减少污染的角度考虑，要积极发展煤矿开发和低开度岩石路面布局和煤巷道路钻井及适合的支护技术，特别是煤层大巷的布置和维护技术。

高产高效矿井的建设发展，提出井工矿向一矿一井一面或两面发展的战略，出现了大功率、高强度、大能力的现代化采掘设备，使采据速度加快，生产高度集中，所需同时维护和使用的巷道长度和时间缩短；同时，随着巷道支护技术的提高、支护材料的改进以及强力带式输送机的使用和单轨吊车、卡轨车、齿轨车等辅助设备的推广应用，使开拓巷道不必掘在岩层中，而是掘在煤层中，从而减少废弃物的排放量。

整条煤炭路线的开发意味着除了在稳定岩层中开挖单独的坑底堤外，所有开放式车道都已安装在煤层中。这种开拓性的方法已成为国内外采矿的最佳设计。它不仅有利于煤炭的清洁生产，也有较少的建设投资，矿井快速投入生产，井的建设期间可以生产商业煤。全煤巷开拓基本消除了地面矸石山。我国一些大型矿井（如济宁3号井，东胜、神府煤田的矿井），基本上是按全煤巷开拓设计的。

（2）利用自然边界划分矿井和采区，减少煤中矸石的混入

将划分矿井和采矿区域以最大化自然界限，充分利用自然边界。如果沿着自然边界（断层带，带状，火成岩渗透带，高灰煤层）探索道路，可以尽可能地避开填埋场的地质构造，以减少对岩石的破坏，减少煤中矸石的混入。另外，采区布置也要尽量避开地面河流、构筑物、铁路、桥涵、村庄等保护煤柱，既有利于工作面回采，也有利于地面环境的保护。

（3）采用煤层集中巷，取消岩石集中巷

在近距离煤层和厚煤层分层开采的情况下，许多矿山采用岩石集中道路（上行山路和阶段道路）为矿区开发做准备，以便集中运输和良好的道路维护管理。这不仅要排出大量矸石，而且巷道据进速度慢，成本也高。由于岩石集中道路远离煤层底板，因此需要使用长坡道和平坦道路与煤层进行沟通，只需增加开发道路所需的工作量即可。运输煤炭和货物也有链接和距离。它还使井网变得复杂，对管理没有贡献。

有鉴于此，过去几年中，各种矿山采用了新技术，逐步消除了多岩石集中的道路，使用集中的煤炭路面为采矿区做准备，并在技术和经济方面取得了良好的效果。

对于煤层群联合布置的采区巷道，如采区上山和区段集中巷等，应尽量布置在煤层中。特别是在机械化高强度开采情况下，一个矿一个采区一个工作面（“三一”矿井），工作面高速推进，同时开采的煤层只有一个，采区集中巷已失去作用，使矿井、采区的开拓部署和巷道布置系统更加简单。内外许多在建和改扩建的新老矿井的设计都已采用这一新技术。

2.选择合适的采煤方法和生产工艺

煤炭开采方法和生产过程直接影响矿井生产的原煤和地面环境的质量只有基于煤层和生产技术条件的自然条件，在安全、高产高效、低成本、低消耗和高回收率的原则下，择优选择采媒方法和生产工艺,才能更好地进行煤炭的清洁生产。

（1）加大采高

一般来说，对于层厚在2.5m以下的煤层，可以用单一长壁采煤法进行煤层全厚开采。随着机械化采煤技术和设备的发展，工作面采矿高度可以达到4米甚至5米以上，这使得过去需要使用两层煤层，并且可以使用完整的长壁工作面厚度采矿。这不仅减少了巷道准备的工作负荷，简化了煤层开采的过程，增加了生产和工作的便利性，而且降低了矸石和其他矿物在分层开采过程中混入煤中的可能性，并降低了铋和原煤灰的含量。在地质和生产方面，单一的长壁开采方法可用于5米以下的煤层。

近年来，对5～10m（甚至更厚）的特厚煤层，广泛应用放顶煤技术开采。首先，在具有长壁工作表面的煤层底部产生约2.5m的厚度，并且上部煤在矿压的作用下松散地落在支撑件的后部，并且煤从后传送器移除，通过支架的煤入口输送。该采煤方法进一步简化了超厚煤层的采矿过程，实现了完全开采，产量高，效率高，经济效益可观。

放顶煤采煤法要配合以合适地放煤工艺，否则不但顶煤放不净，工作面采出率过低，而且会放出大量顶板垮落的矸石，混入煤中增加原煤含矸率。我国放顶煤采煤技术发展较快的矿区如阳泉、潞安等，在实践中创造了不少符合当地条件的合理放煤工艺，实现了采放平行作业，有效地提高了工作面的采出率，降低了原煤的含矸率，使放顶煤采煤技术更加完善。

（2）合理分层

对层厚在3.5～50m的倾斜和急倾斜煤层，可采用分层开采。厚煤层采用分层开采时，合理分层能减少煤中的矸石混入量，提高原煤质量。因此，在开采厚煤层时，需要根据煤层直方图和采矿条件下岩层的位置，每层煤的质量以及顶板和底板条件，综合确定分层边界和分层采矿厚度，以考虑采矿过程在经济上合理，保证不降低煤炭质量。

（3）煤岩分采

当煤层中石层的厚度大于0.3m且不可能进行分层开采时，必须进行煤和石的开采。岩煤和采石适用于爆破煤加工。恢复程序是首先将石材层的顶部线圈吹起，然后用暴露的屋顶进行临时支撑处理。然后将钢带剥离并投入挖空区域。最后取出下部煤层，建立永久性支撑，工作面为煤矿循环完成。煤岩分采时，工作面始终呈2～3个台阶状。

（4）留顶（或底）煤开采

如果煤层具有厚的模拟顶点或者难以保持折叠的直接顶部，则可以在工作表面上进行顶部煤回收。这解决了工作顶棚控制的问题，并且还避免了由于顶部错误或破碎的顶板落入煤中而导致的煤质劣化。在软底板的情况下，为了防止支柱的底部或切割机的底部降低煤的质量，工作表面必须通过留下较低煤的方法来支撑。

如果煤层顶部或底部的煤质非常差，为了确保原煤的灰分不超过标准，实际使用顶煤或底煤安装我们经常直接从煤中消除劣质煤。

（5）宽巷据进，矸石充填

宽巷掘进广泛用于薄煤层采准巷道。在半煤岩巷道掘进时，开挖宽度大于巷道宽度。巷道挖掘的陨石在人工或机器填充的煤层空间内掏空，一侧掏空或者在道路的两侧和支架壁的后面。这不仅可以挖掘煤岩，而且还可以在现场处理矸石。

宽巷掘进可以单巷，也可以双巷，这要根据采准巷道布置设计而定。在英国、德国等煤矿中的前进式采煤采后成巷中，利用挑顶或挖底的矸石，通过人工或机械充填于巷旁和支架壁后，不仅加强了巷道维护，也避免了这部分矸石混入煤中。

（6）沿空留巷

沿空留巷是在工作面回采时，将运输下巷保留下来并加以维护，供下一采面回采时作为上巷回风兼运输使用，又称巷道的二次使用。采用沿空留巷技术，使两个工作面共用同一条巷道，这样可以少掘一条巷道，彻底消灭区段煤柱，节约了煤炭资源，提高了采出率。

回采巷道实行沿空留巷（无煤柱开采），它不仅降低了隧道开采率，减少了道路挖掘量和工程造价，还减少了矿井排水量和矸石混入煤中的可能性。特别对薄煤层来说，实行沿空留巷，其技术经济效益显著。因此，从提高矿井生产效益与更好地进行煤的清洁生产角度出发，应广泛采用沿空留巷技术。

目前我国煤矿中沿空留巷采用两种护巷方式：一种是在围岩条件较好时采用无巷旁支护的护巷方式；另一种是在比较破碎的围岩条件下采用巷旁充填的护巷方式。速凝高水剂充填材料的研究成功为我国推广沿空留巷技术提供了新的技术途径。

3.矸石不出井技术

矿井生产过程中开掘岩石大巷、石门、层间联络等所出的废石，如果能够在井下处理，便可以减少废石向地面的排放量。井下矸石的处理有以下几个途径：向采空区排放，特别是顶板坚硬不易垮落时，常留下较大空间的采空区，可以用于排放矸石；向使用后废弃巷道中排放；用作煤巷的巷旁充填材料等。所谓矸石不出井，是指通过各种技术手段将矸石就地处理于井下。

在井下处理矸石可减少地面堆矸及对环境的污染，节省矸石的井下、井上的运输费用，但需要选择排放地点、排放方法和排放设备，同时增加了井下生产与辅助系统的复杂性，使矸石处理费用增加。

（二）减少井下废气、粉尘污染的措施

1.煤与瓦斯共采

井通风向大气中排放的废气数量和所含有害物质成分的多少，它主要取决于矿井中煤层的含气量多少和生产过程中释放瓦斯的气体量大小。为此，应该注重将井下瓦斯抽取与地面煤层气开采有机地结合起来，形成煤炭和天然气开采的一整套基础理论和技术体系，实现煤矿区煤炭和天然气开采，为清洁煤炭开采服务。

井工煤矿瓦斯抽放技术已经应用了数十年。根据具体情况，有多种有效的排水方式，如煤矿排水，邻近排水沟排水，井眼排水，道路排水，综合排水和减压等，是煤与瓦斯抽采的重要技术问题。利用矿山压力引起的成石规律，有效实施地下瓦斯抽放和地表煤层气开发。

2.井下粉尘防治技术

在机械采矿，运输过程和重新加载的操作中，产生大量灰尘，并且造成非常严重的危害。据有关资料统计我国煤矿开采每年向大气中排放的矿井粉尘约0.4Mt，87%的煤矿有煤尘爆炸危险。加强对矿井粉尘的控制，是世界各国共同关注的课题。

煤层注水是煤矿防尘最根本、最有效的措施之一，它可以使采煤工作面各工艺环节的产尘浓度降低60%～85%。煤层注水包括打钻、封孔和注水三个过程。

采煤工作面是煤矿产尘量最大的作业场所，其产尘量约占矿井产尘量的60%。采煤工作面的降尘方法，包括采煤机径向雾屏降尘和高压外喷雾降尘等。高压喷射或高压水辅助切割和降尘技术有效地控制剪切机切割过程中产生的粉尘，并可降低由拾取摩擦引起的火花点燃气体和煤尘爆炸的风险。(www.xing528.com)

挖掘道路也是地下灰尘的主要来源之一。在掘进面中，内部和外部喷射的结合主要用于减少道路切割产生的粉尘量和扩散到道路上的悬浮尘埃。同时通过粉尘净化，通风和除尘，泡沫去除，声波研磨和粉尘减少等综合措施，大大减少了粉尘的影响。

3.提高综采机械化块煤率技术

煤炭开采的各种工艺都不可避免地产生粉煤、细粒煤等，是煤矿粉尘的尘源之一。它除危害井下工人的健康、污染大气外，还是煤尘爆炸的燃烧物质。

煤矿采掘机械是煤尘、粉煤的重要产生根源。据我国晋城、阳泉等矿务局统计，机械化采煤同炮采相比，块煤率从65%降低到45%以下，工作面粉尘大幅度上升。机械化破碎破岩机理设计优化，减少粉尘，提高块煤率是国内外研究的课题之一。

4.井下防灭火技术

煤矿火灾是煤矿中最大的灾害之一。火灾过程中产生的各种有害气体，以及大气中矿井的通风都会从地下排出，成为矿区大气污染的来源之一。我国国有重点煤矿百万吨发火率为1%，地方煤矿在3%以上，全国半数以上煤矿都有自然发火危险。

对井下火灾的防治应从以下几个方面着手。

①建立科学的方法来预测煤层自燃危险程度。

②采用先进的综合配套防火技术。

③建立与矿井环境益测系统联网的实时火灾预报监测装置。

④加强防火管理，提高灭火效率。

⑤发展井下防灭火新材料技术。

（三）井工煤矿减轻地表沉陷的技术

1.采空区充填开采法

用残留的石头或河砂填充草是防止从煤层和覆盖层下沉和下落的最有效方法，并大大减少地表沉陷。用充填材料来充填采空区，相当于降低了煤层开采的强度，从而减少了采空区上覆岩层的变形与破坏，但在生产中要增加一套充填系统，充填成本较高。

（1）主要充填方法

充填开采技术经历了现代化的灌装和采矿，包括废干灌装阶段，水砂灌浆阶段，细砂水泥灌浆阶段以及高浓度灌浆，浆料灌装，石灰浆水泥灌浆和全渣水泥灌浆等新技术。在这一阶段取得了重大的经济和社会效益。近年来，许多科学家研究了金属矿山中较为成熟的糊化填料和其他现代灌装方法在采矿垃圾开采中的应用，但由于其技术复杂性和高成本，其推广应用仍然非常有限。

（2）矸石充填开采方法

矿固体废弃物充填采空区的矸石充填开采方法，无论是从减轻开采沉陷破坏方面，还是从减少固体废弃物排放和煤炭资源浪费方面来考虑，都是比较好的一种清洁开采方法。矸石自溜充填、矸石简易机械充填、矸石风力充填和人工矸石充填四种方法为煤矿矸石充填的主要开采方法。矸石自滑填料只适用于急倾斜煤层。矸石风力充填对填充系统，设备和使用材料有更高的要求，其应用范围很小。

先前的矸石填充开采技术的实践表明，由于填充机理不良，填充质量差，对沉降的控制效果不好，由于旋转成形理论缺乏控制和完善的填充设备支撑，矸石填充过程落后，矸石填充对煤矿生产，生产效率低，员工劳动强度大等因素产生重大影响，因此矸石填埋和开采尚未大规模开发和推广。

近年来许多学者开始加大对矸石充填开采方法、矿压及岩层控制理论、矸石充填设备等问题的研究，提出了许多矸石充填开采及沉陷控制技术的新思路，矸石和黄土直接充填采煤试验在局部试点矿井取得了重大进展。

但在充填开采设备配套和工艺体系完善、对煤矿地质采矿条件的适宜性、充填材料特性、沉陷控制效果、地面设施保护与充填开采条件的协同关系、操作规程与技术标准、进一步提高生产效率和增加示范应用规模等方面，还需要进一步研究和试验。

2.局部开采法

为了减轻煤层开采引起的地表沉陷，可以采用或减少采煤技术中的煤炭开采或采空区的填充，在开采方法上有房柱式开采、条带开采、分层间歇开采、限厚开采和协调开采等。这些方法都可以大幅度地减轻和控制矿区地表沉陷，有利于环境和地面建筑设施的保护，但以牺牲一定煤炭资源或增加较大投入为代价。

3.离层带高压注浆减沉技术

地下煤层开采破坏了地下主要岩石的应力平衡，导致了露天场地的围岩活动。随着采矿面积的增加，岩石运动逐渐向表面移动，在岩石层之间形成不同程度的分离。通过在覆盖层岩石的分离区域中钻孔并将泥浆提取到间隙中的高压中，可以减慢地面沉降。实际应用表明，其与水砂充填开采法相比，地表下沉系数减少了36%～60%，最大下沉速度保持在0.5mm/d左右。该技术的使用需要合适的常规地质条件并且需要必要的附加设备。

4.三步法开采

“采—注—采”三步法开采，即“小条带开采—注浆充填采空区—剩余条带开采”。这种开采方法吸收了条带开采和充填开采岩层移动和地表沉陷控制技术的优点，充分利用土壤覆盖结构对岩石运动的控制作用，跳跃带状工作面的开采，填充灌浆，加固采空区破裂岩体恢复承载能力，应用载荷置换原理实现对上覆岩层的控制。

三步法开采最终的工作面面积采出率可达到80%～90%，接近常规的大面积长壁工作面的采出率，和其他控制地表沉陷的开采方法相比，煤炭采出率大幅度提高。该方法有效地调节了岩石的运动和地表沉降，解决了大规模采矿中地表沉陷的问题，提高了采煤率，保护了土壤（结构），但也存在工艺复杂、成本较大等缺点。

（四）减少水污染及排放的开采技术

1.保水开采

在采煤过程中，地下含水层被破坏，地下水大量排出：路面上方的导水断裂带与地下水体连通，形成大型地下水漏斗，直接降低了区域含水层的水位和区域水文地质条件。导致部分沟泉水量减少甚至干涸，不少矿井发生突水事故，造成经济损失。保水开采是解决煤炭生产中水资源破坏问题的根本方法。

保水开采技术是指在煤炭开采过程中不影响地下水或者虽然有下降漏斗但是随着雨水的补给还能恢复，即采矿后，地表水暂时形成采矿技术，减少漏斗但可以恢复到原始状态。合理选择开采区域和采取合理的采煤方法和工程措施，是实现采煤保水的方法。

2.矿井水分类排放

地下矿井排水主要由煤矿废水组成，如井下流入，井下喷雾降尘洒水等，其中60%为岩溶水。大部分岩溶水是未受污染的地下水，基本符合国内水标准。有些还含有多种有益的微量元素，可以开发和加工以生产矿泉水。如果与其他水分开释放，不会造成环境污染，可以使用。

流经采矿工作面的地下水将受到煤尘和岩粉的污染，这将增加地下排水中的悬浮物含量。因此，可以在地下进行废水的去除和去除措施，并可以使用清洁的水。直接收集在采空区并立即使用。目前，许多矿山利用这部分水进行地下灭火，不仅降低了矿井水排放到地面的处理成本，还节约了水资源。因此，在矿山的规划和设计中，要充分考虑地下排水系统和排水系统，尽量减少污染矿井水的排放。

用于煤矿机械，输送机械，掘进机等的液压油，齿轮油，液压油。在大中型矿山中，使用不当会导致泄漏并导致地下矿井水污染环境。为此，应采取如下措施。

①加强对设备的管理。

②提高各类石油设备的密封性能，避免漏油。

③进行不使用乳化油的液压介质单液压支柱的研究与开发。

对于井下防灭火的灌浆水和水砂充填处理采空区的充填废水，可在井底硐室处理后循环使用。

3.水采矿井的闭路循环

水力采煤是利用高压水射流直接破落煤体，或辅以其他助采措施，并借助水力来完成全部或部分运输提升工序的机械化开采工艺。在井下中央硐室，采用倾斜污泥的储罐在矿区分阶段排水后用于进一步净化煤浆水。大部分煤浆水经过净化处理，用于地下采矿和水循环利用。浓缩高浓度煤泥水。小流量高扬程煤泥浆泵排放到地面，送到炼煤厂或脱水厂进行处理。

在当前经济水生产过程或局部水生产过程中使用的煤浆水处理系统是根据闭环设计的。经济型水采的重点是水采煤泥水浓缩，澄清，排放、回收和循环利用。根据实际情况，可以在地面上的现有设施中使用煤泥水的浓缩和净化，或者在地下重建。

澄清水的再利用可以在地下形成地下循环，或者可以在井中形成循环。区域化集水是在干矿的某个区域或水平单独实施水收获，以及脱水，浓缩和澄清。在原始干式采矿排水系统中均匀处理，并将分类水再循环。

为了减少水采矿井的基建投资，提高企业效益，在有选煤厂的水采矿井，地面脱水系统都与选煤厂相结合，把水采煤泥水纳入选煤厂的浮选系统，采用斜管沉淀技术和压滤机，实现选煤厂洗水闭路循环，使选煤厂排放的水达到国家标准要求。