煤矿开采新技术
煤矿开采新技术主要阐述了煤矿绿色开采的提出、概念及绿色开采技术体系。绿色开采技术的主要内容应包括:保水开采、建筑物下采煤与离层注浆减沉、条带与充填开采、煤与瓦斯共采、煤巷支护与部分研石的井下处理、煤炭地下气化等。
1煤矿绿色开采的提出
党的十六大报告明确提出走出一条科技含量高，经济效益好，资源消耗低，环境污染少，人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。因此，必须充分考虑我国资源相对短缺，环境比较脆弱的基本特点，建立起适合我国国情的资源节约、环境友好的新型工业化发展道路。前段时间提出的循环经济(recycling economy)是指遵循自然生态系统的物质循环和能量流动规律重构经济系统，将经济活动高效有序地组织成一个资源利用－绿色工业－资源再生的封闭型物质能量循环的反馈式流程，保持经济生产的低消耗、高质量、低废弃，从而将经济活动对自然环境的影响破坏减少到最低程度。它不同于传统经济的高开采、低利用、高排放， 而是达到低开采、高利用、低排放的可持续发展目标。显然，此处的绿色工业是广义的概念，应由各个工业部门去实现。对矿业来说就是要实现绿色矿业。绿色矿业的核心内容之一就是要实现绿色开采。
绿色开采的内涵是努力遵循循环经济中绿色工业的原则，形成一种与环境协调一致的，努力去实现低开采、高利用、低排放的开采技术。矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致的，而进行开发建设后，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了矿区独特的生态环境问题，如造成农田以及建筑物破坏，村庄迁徙，矸石堆积，使河川径流量减少，以及地下水供水水源干枯，在地面导致的土地沙漠化，由于开采而使矿物内的有害物质流入地下水中等。
我国目前的煤矿生产是在以下两种情况下进行的:一是生产成本不完全。如投入不足;技术装备落后;安全设施欠帐;工人工资太低。二是相关费用支付不全。如矿产资源费以及植被恢复，地面塌陷与水损失;污染治理等。提出并形成绿色开采技术是为了正视开采对环境造成的影响和破坏，并有清醒的认识与足够的估量，以便提出必要的对策和对政府提出必要的政策建议。煤炭开采形成的环境问题主要为:(1)对土地资源的破坏和占用。煤炭开采对土地资源的破坏损害，井下开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。 (2)对水资源的破坏和污染。煤炭开采过程中，进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源。同时开采还可能污染地下水资源。(3)对大气环境的污染。主要来自矿井排出的煤层瓦斯抽放和煤矿矸石山的自燃。
矿井瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重的温室气体，也是导致煤矿重大安全事故的根源。据初步估计，我国2 000 m浅范围内具有30 - 35万亿m³煤层气资源，居世界前列。但由于我国煤层透气性小，难以在开采前抽出。建国以来，我国煤矿发生煤与瓦斯突出事故1 500余次，仅2001年由于瓦斯事故的死亡人
数达2 356人，为煤矿总死亡人数的40%。煤矿每年排放瓦斯70-190亿m3。同时瓦斯又是最好的清洁能源，因此必须加以利用，变害为宝。由此可见，提出并尽快形成煤矿绿色开采技术已迫在眉睫。我国在长期研究和实践的基础上，正式提出了煤矿绿色开采的理念及其技术体系。
2绿色开采的内涵与技术体系
从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气(瓦斯)、土地以至于煤研石以及在煤层附近的其他矿床，都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。而原来对矿井瓦斯的定义是:矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。而在矿井水文地质类型划分中认为:根据矿井水文地质条件、涌水量、水害情况和防治水难易程度等划为类型。显然，上述概念将原本为矿区资源的瓦斯和水单纯作为有害物来对待是不合适的。
煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术，在基本概念上是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，绿色开采技术主要包括以下内容:①水资源保护形成保水开采技术;②土地与建筑物保护形成离层注浆、充填与条带开采技术;③瓦斯抽放形成煤与瓦斯共采技术;④煤层巷道支护技术与减少矸石排放技术;⑤地下气化技术。
开采引起环境与主要安全问题的发生都与开采后造成的岩层运动有关(岩体不破坏上述问题都不会发生)，因此，绿色开采的重大基础理论为:①采矿后岩层内的节理裂隙场分布以及离层规律; ②开采对岩层与地表移动的影响规律;③水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律;④岩体应力场分布规律及岩层控制技术。
3基于关键层理论的绿色开采技术研究与实践
采场老顶岩层砌体梁结构模型是针对开采过程中的矿山压力控制而提出来的。近年来，为了解决岩层控制中更为广泛的问题，提出了岩层控制的关键层理论。关键层理论提出的目的是为了研究覆岩中厚硬岩层对层状矿体开采中节理裂隙的分布及其对瓦斯抽放与突水防治以及对开采沉陷控制等的影响。因而，关键层理论将为绿色开采的研究提供理论平台。
开采后，随着关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗。地下水位能否恢复，则决定于随着工作面的推进，上覆岩层中有否软弱岩层（事实上它是研究地下水渗漏的关键层）经重新压实导致裂隙闭合而形成隔水带。把地下水视为资源，必须形成保水开采技术，即开采后地表水暂时形成下降漏斗仍能恢复到原来状态的开采技术。底板突水是在采动和水压共同作用下底板破坏所致，因此，底板突水机理及防治研究应重视采动底板破坏规律的研究。岩层控制的关键层理论的原理可以用于采场底板突水治理研究中，即在采场底板隔水层中，找出起主
要控制作用的岩层隔水关键层，由此展开相应的力学分析。在采场底板突水事故统计分析的基础上，对无断层底板关键层的破断与突水机理及有断层底板关键层的破断与突水机理进行了研究，据此提出了底板突水预测预报的原理与方法，在淮北朱庄矿6313工作面底板突水危险性的预测预报中得到了应用与验证。基于岩层控制的关键层理论提出:将保证覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的基本原则。为了保证建筑物下采煤既具有较好的经济效益，同时又确保地面建筑物不受到损害，关键在于根据具体条件下覆岩结构与关键层特征来研究确定合理的减沉开采技术及参数。
确定覆岩中的关键层位置，掌握其离层与破断特征参数，是注浆减沉技术应用可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础。从理论上来说，充填采矿是解决煤矿开采环境问题的理想途径。为了降低充填成本，基于岩层控制的关键层理论，提出了部分充填(条带充填)控制开采沉陷的思路:仅充填部分采空区，只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩主关键层的初次破断跨距，且充填条带能保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷。在关键层理论指导下，开展了多个矿井建筑物下条带采煤试验和巨厚火成岩下离层充填减沉试验，累计安全采出建筑物下压煤数百万t，取得了显著的经济与社会效益。目前，关键层理论正应用于多个矿井的建筑物下采煤实践。我国煤层70%以上煤层的渗透率达不到标准，这对我国开展煤层瓦斯采前预抽是极为不利的。正因为如此，我国已钻的200多口采前地面煤层气井中，稳产高产井很少，单井产量超3000 m3的也只有约30口。而如何提高煤层采前渗透率是尚未解决的难题。实践表明，一旦煤层开采引起岩层移动，即使是渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍至数百倍，为煤层气运移和开采创造了条件。因而，卸压煤层气抽放将是我国煤层气开采的重要途径。
我国煤矿卸压瓦斯抽放工作一直在进行并取得了很大进展，但我国煤矿抽放瓦斯的主要目的还是为了采煤的安全，而不是将瓦斯作为一种有用的资源进行开采，大部分矿井抽放瓦斯未能利用而直接排放到大气中。目前，我国卸压瓦斯抽放总体上仍存在抽出率低及钻孔工程量大的问题，瓦斯总体抽出率仅为23％。如何基于岩层移动规律进行卸压瓦斯抽放方案的优化、提高瓦斯采出率将是我国煤矿卸压瓦斯抽放进一步研究的主要方向。基于岩层控制的关键层理论及煤矿绿色开采思想提出的煤与煤层气共采的基本观点为:将煤层气作为一种资源，充分利用采煤过程中岩层移动对瓦斯卸压作用并根据岩层移动规律来优化抽放方案、提高抽出率，在煤层开采时形成采煤和采煤层气两个完整的开采系统，即形成煤与煤层气共采技术，煤矿从采掘部署上把瓦斯抽放当作正规的开采工艺流程，从时间、空间与资金上给于保证，对抽放瓦斯进行利用。若在开采时形成采煤和采瓦斯两个完整的系统，利用岩层运动的特点将煤层气高效开采出来，即形成煤与瓦斯共采技术。
煤炭地下气化技术是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧,通过对煤的热化学作用而产生可燃气体的过程。煤炭地下气化技术属于一种特殊的采煤方法,它是国际首创。煤炭地下气化技术具有投资少、安全、工期短、见效快、用人少、效率高、成本低、效益好等优点,尤其适合我国煤矿地质条件复杂、劣质煤比例高、“三下”压煤严重的矿区。具有广阔的推广应用前景。应继续研究完善“长通道、大断面、两阶段”和“矿井式气化”两种典型煤炭地下气化工艺,进行较大规模的地下气化试验研究,摸索实现“两个控制、三个稳定”的技术途径,并实现连续、稳定生产探索应用的途径。
4乡镇煤矿开采适用的采矿新技术
在许多地区，由于乡镇煤矿生产能力较小，地质构造复杂煤层赋存变化大，且很多为急倾斜煤层和薄煤层，给开采带来较大的困难，研究和开发新采矿技术，提高矿井的高产高效，更为重要。在乡镇小煤矿中，单一长壁采煤方法已趋成熟，现主要发展的有放顶煤采煤技术、急倾斜煤层采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法和小阶段爆破落煤等采煤方法。
目前实施国家关闭小煤矿,淘汰落后生产技术和生产设备,提高平均单井规模的技术政策,开发小型煤矿机械化、半机械化开采技术和装备,改进小煤矿的采煤方法和开采工艺,提高采煤工作面的单产和工效;提高小煤矿的顶底板控制技术水平,最大限度地减少顶底板事故率。
总结
在当今社会发展的新形式下,煤矿开采技术的进步和完善始终是采矿学科发展的主题。在发展现代采煤工艺的同时,继续发展多层次、多样化的采煤工艺,建立具有中国特色的绿色采煤工艺理论。煤矿的绿色开采技术将是中国煤矿发展的必然方向，煤矿绿色开采技术体系将为实现煤炭的高效开采、资源节约和环境友好提供重要保障，对实现煤炭工业的可持续发展具有重要的战略意义。
