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绿色开采技术在金属矿山开采中的应用

针对我国部分金属矿山矿体上覆存于厚大的第四系岩层中，近矿围岩为奥陶系灰岩、井下涌水量大，地表有村庄、农田不允许塌陷，尾矿库已饱和等复杂的开采环境，提出了符合金属矿山绿色开采理念的技术措施。①保水开采技术，提出了地表井下联合以帷幕注浆为主的外截内排的防治水方案和近矿帷幕注浆技术。

②无沉降充填开采技术，采用理论计算、经验公式及计算机模拟等手段，提出了一套矿柱留设及稳定性计算方法，并采用空场***嗣后充填法，利用尾砂胶结料及时对空区进行充填，为采空区顶板和注浆帷幕的稳定性提供保障，避免地表塌陷;⑧研制了一种适合2种进料方式的地表充填站和大产能充填系统，将采掘过程中昕产生的废石和选厂排放的尾砂充填至采空区，不但解决了废弃物堆放问题，而且阻止了空区顶板冒落，保护了矿区地表环境。

上述技术措施应用结果表明:①井下正常涌水量大大减少，节省了排水费用且保护了地下水资源;②采用的空场***嗣后充填***法避免了地表塌陷，减少用地及迁村的费用，同时回采率得以提高;⑧选用尾砂作为充填料，有效解决了尾砂堆放的问题。这说明上述措施的实施加快了绿色开采的速度，增进了绿色开采实施的效果，在未来的绿色开采进行过程中，上述措施将起到关键性的作用。并将持续发展。

绿色开采的内涵是减少采煤对环境的***，为此形成一种使资源与环境相互协调的开采技术。近年来国内外许多***、学者对于矿产资源的开采、利用、环境、生态及可持续发展问题均有系统的研究，并提出绿色开采的概念。对于“绿色开采”尽管其表述各有不同，但总的来说，“绿色开采”即是一种综合考虑资源效率与环境的影响的现在开采模式，其目标是矿山开采过程中资源开发效率，对生态影响，并使企业经济效益与社会经济效益协调优化。而“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，努力实现“低开采、高利用、低排放”的开采技术。而绿色煤炭工业的核心是实现煤炭的绿色开采，扩展途径是大力发展综合利用与深加工技术。绿色开采技术的理念提出后，已得到国际采煤界的认同。

2 绿色开采的必要性

从当前我国能源的现状可以发现，煤炭资源在今后的能源构成中仍旧占据主体地位，这就决定了煤矿开采的发展趋势必须符合循环经济和可持续发展经济的要求。所以在煤矿开采的过程中缓解供煤压力的途径不能仅仅局限于提高煤炭的产量，而是要通过循环经济意识的导入，科学地实现煤炭产业的可持续发展。煤炭开采对环境的影响主要体现在如下几个方面：

2.1 大气的污染

煤矿排放***及矸石山自燃释放大量的SO2、CO2、CO 污染空气。矿井***CH4产生的温室效应是CO2的21倍。我国煤矿年排放***120亿立方米，平均利用率不到20%。

2.2 水资源的***

煤炭开采过程中，***了地下含水层的结构，地下含水径流也被***，排出了大量的地下水。与此同时，煤炭的绿色开采，地下含水层受开采影响，含水层水位也随即下降，出现了大规模漏斗形的地下水降落区，对该地区以及周围的水文地质条件造成直接而深远的影响。开采过程中出现的地下变形，很多时候也会影响到地表的水体，例如：河流、湖泊、井泉等，造成了地表水的流失，有些水体甚至干涸，地下水

系的***直接影响了周围区域植被的正常生长和人们的正常生活。

2.3 土地资源的***

煤炭开采过程中引发的地表沉陷，水土的大量流失，矸石等固体废弃物在地表的大量堆积占地和对周围环境的污染，都严重***着土地资源。矿区地表沉陷***了大量土地资源，每万吨原煤大约会造成0.20～0.33hm2 的地表沉陷，矿区地表总沉陷量已高达40万公顷。

3 绿色开采技术

3.1 控制地表形态变形的开采技术

在经过多年的发展历程中，煤炭行业逐渐发展形成了充填、联合等多种开采方法。在波兰和德国充填开采法的应用较广泛，主要的充填方式采用水力和风力，对采空区用河砂、煤矸石和电厂粉煤灰等充填材料进行充填，充填后地表下沉系数为0.1～0.2。为了控制地表下沉，波兰采用条带开采配合使用水砂材料充填采空区，这一方法取得了较好的效果，煤炭绿色开采，在多座城市的煤炭资源开采过程中进行了成功的试验，采出率近60%左右。地表下沉系数为0.009～0.036。在美国、澳大利亚等***，以房柱式开采法控制地表沉陷，他们的煤炭采出率也达到了近60%，地表下沉系数为0.35～0.68。在德国70 年代末已经出现了膏体充填技术的应用，绿色开采，90 年代初又被应用在煤矿，进行工作面采空区的充填。该项技术所具有的技术优势和良好效果已经在许多***得到推广应用，如美国、加拿大、澳大利亚、南非等***，现已成为21 世纪金属矿山充填技术的重要发展方向。

3.2 保水开采技术

即为了使在煤炭开采过程中地表和地下水资源不受***，采用合理方法和措施，实现矿井水资源的保护及综合利用。为了减少开采过程中对地表和地下水的影响，更好地保护矿山，关键要控制好煤层上覆岩层中冒落带和导水裂缝带的发育高度。当它们未发展到水体时，水体不受疏降影响；当它们发展到水体时，水体会被疏降，有时还会向矿井渗漏，对矿井形成危害。该技术与控制地表沉陷开采技术有着一定的联系。这种技术的关键在于通过对岩层控制技术、开采方法等问题的研究，解决因煤炭开采造成的一系列环境问题。近几年，在我国的煤炭开采技术方面，研究人员为了减少对矿区的不良影响，将采动岩体渗流理论与控制岩层关键层理论结合起来，这也可谓是一项新的技术途径。

3.3 煤与***共采技术

一直以来，***被大家看成是对矿井安全危害的因素，以前煤炭开采过程中对其处理的方法都是直接排入大气，这在一定程度上加剧了***的温室效应，同时这也是一种资源的浪费。煤层气即***，是一种、清洁的能源，蕴藏着巨大的经济效益和环境利益。在我国，煤层气储量非常丰富，有着较广阔的应用前景，但应用技术有待完善。如果将***抽放出来加以综合利用，就能实现

我国西部神府东胜煤田探明储量2236亿吨，占***探明储量的15%，为世界七大煤田之一。煤田内建设有2个亿吨级特大型煤炭基地，对***经济建设具有重要支撑作用。但是，神府东胜煤田埋藏浅，覆岩薄，地表为厚沙土和黄土层，生态环境脆弱。浅埋煤层开采面临的突出问题是：采场顶板压力迅猛，严重威胁安全开采；地表***明显，煤炭开采与环境保护矛盾突出。要实现安全、绿色开采，必须攻克浅埋煤层岩层控制理论难题。

西安科技大学黄庆享***团队伴随神府东胜煤田开发，开始了长达22年的潜心研究，先后获得5项***自然科学等15项课题资助，不断创新，***浅埋煤层岩层控制理论与技术发展，有力支撑了浅埋大煤田的安全绿色开采。

自1993年神府东胜煤田开发之初，黄庆享就主持了该煤田首采工作面采前模拟实验，发现了顶板“台阶下沉”现象，拉开了研究的序幕。1998年完成博士***，2000年出版《浅埋煤层长壁开采顶板结构与岩层控制研究》专著。以单一关键层台阶下沉和双关键层大小周期来压为标志，提出了浅埋煤层和近浅埋煤层定义；建立了顶板初次来压的“非对称三铰拱”和周期来压的“台阶岩梁”结构理论，发展了砌体梁理论，揭示了顶板滑落失稳来压机理；测定了关键块端角挤压和端角摩擦系数，促进了顶板结构分析的定量化；提出了支架“给定失稳载荷”工作状态，建立了采场支架合理工作阻力确定的新方法，为采场支护提供了依据。

2001年后，在***自然科学资助下，黄庆享团队开发动态载荷实验，绿色开采，测定了松散层在顶板结构的载荷传递规律，提出了载荷传递因子，揭示了顶板动载机理，得到广泛采用。这项研究推动了浅埋煤层顶板动态结构理论发展，解开了浅埋煤层顶板动压控制难题。

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