煤炭资源高效与绿色系统

煤炭工业是国民经济重要的基础产业。根据我国的能源资源状况，煤炭作为我国最重要的一次能源，在未来20年内，其在能源构成中的主体地位将不会改变。如何不断地发展煤炭开采技术对我国煤炭工业的可持续发展及国民经济建设具有十分重大的意义。

随着我国市场经济的不断发展和加入WTO，煤矿企业必须以提高生产效率和经济效益为中心，最大限度地实现高产高效开采。同时，对采矿安全与环境保护的要求越来越高。长期以来，煤炭资源的开采普遍采用顶板全部垮落法处理采空区，其结果是造成开采范围内岩层的移动、冒落，直至波及地表。随着煤炭资源的不断开采，这种传统的开采方法所造成的生态与环境破坏问题越来越突出。集中体现在：

（1）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。同时，瓦斯排放到大气中会引起环境污染。煤炭开采又直接影响到地下水的流失，甚至引起土地沙漠化。据测算,煤炭开采全国平均吨煤水代价是2吨，华北地区10吨，最高达47吨，煤矿排水量已占北方地区岩溶水资源的19%，利用率仅有30%。

（2）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。据统计资料，全国因煤炭开采引起的破坏和占压土地43万公顷，平均每采万吨煤塌陷土地0.2公顷，每年新增塌陷地约2万公顷。积压在建筑物、水体及铁路下的煤炭资源达上百亿吨而无法开采，致使矿井提前报废；据兖州矿区1995年统计，6对生产矿井“三下”压煤量占矿井可采储量的51.1%，其中村庄下压煤占34.4%。，全矿区每年土地损失赔偿费达6000多万元。全局近10年付出土地赔偿费达20多亿元，成为企业的严重负担，因开采导致农村环境破坏而引起的纠纷经常发生。

（3）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。现已积存矸石30亿吨，且每年仍以1.5～2亿吨的数量在增加。全国1500座矸石山中有140座在自燃，对大气、土地和环境造成严重污染。

（4）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。

因此，实现煤炭开采与矿区生态与环境的友好，即实施绿色开采，是实现我国煤炭工业可持续发展的必由之路。立足于煤炭开采的源头，通过对采煤方法和工艺，岩层控制以及相关技术、实验研究平台等的开发和建设，改变传统开采工艺造成的生态与环境破坏问题，实现煤炭资源的环保、高效、高回收率和安全开采，实现我国采矿工业的可持续发展是本学科项目面临的重大课题。

2. 国际水平

国外一些发达的采煤国家非常注重煤炭开采与开采区环境的保护问题。近百年来，为了控制地表沉陷并实现在建筑物下采煤，逐渐发展形成了包括充填开采、联合开采、协调开采、条带开采、房柱式开采和离层区注浆等多种开采方法。充填开采法在波兰、德国应用较多，主要采用水力和风力充填方式，将河砂、煤矸石和电厂粉煤灰等充填材料进行采空区充填，充填后地表下沉系数为0.1～0.2。波兰采用条带开采配合使用水砂材料充填采空区，在控制地表下沉方面取得了好的效果，已经成功地开采了托维兹、贝托姆等多座城市下的煤炭资源，采出率为45.8～60%,地表下沉系数为0.009～0.036。波兰采用离层注浆法控制地表下沉，与全部垮落法相比，可减少地表下沉20%～30%。以房柱式开采法控制地表沉陷主要应用在美国、澳大利亚等国家，其煤炭采出率一般50～60%，地表下沉系数为0.35～0.68。膏体充填技术是七十年代末在德国金属矿山发展起来的，九十年代初应用在煤矿进行工作面采空区的充填，但由于德国矿井相继关闭等原因，该项技术并没有得到深入研究和应用。但该项技术所具有的技术优势和良好效果在加拿大、美国、澳大利亚、南非等国家的金属矿山得到推广应用，现已成为21世纪金属矿山充填技术的重要发展方向，应用于煤矿采空区的充填仍是世界各采煤国家研究的重点。

3. 国内水平

我国自60年代初首先在抚顺胜利矿通过水砂充填法进行控制地表沉陷的研究，成功地进行了车辆修理厂和大型石油炼油厂下的煤炭开采，下沉系数达到0.013。之后，在新汶矿区的孙村、良庄、协庄矿进行了水砂充填试验，地表下沉系数为0.13～0.17。但由于水砂充填法工艺系统复杂，采空区充填体接顶质量难以保证，而且该采煤工艺落后，生产效率低，难以实现机械化和高效生产等，因而在我国没有得到推广应用。冒落条带开采法在我国抚顺、阜新、蛟河、峰峰、平顶山、徐州等矿区得到了推广应用，煤炭采出率一般在40～68%，但在煤层厚度较厚、采深较深的条件下，其采出率却较低。80年代后期，我国在多个矿区进行了离层区注浆减沉试验，但由于其减沉效果的局限性，推广应用受到了限制。

尽管我国在煤炭开采中的地表控制方面进行了广泛深入地研究，并取得了一定的成效，但与美国、德国、波兰等发达采煤国家相比还存在一定差距。在煤矿开采的矸石处理技术、采空区充填技术、短壁开采技术等方面还需要开展大量的工作。

近年来，中国矿业大学在低成本膏体充填材料的开发研制和充填工艺的研究方面取得了突破性的进展，达到国际先进水平。学科带头人钱鸣高院士创立的岩层控制中的关键层理论，为实施绿色开采技术奠定了理论基础。围绕高效与绿色开采方面，与兖州矿区、淄博矿区和淮北矿区等共同合作进行了相关内容的企业重大合作项目的研究。采矿工程学科通过“211工程”一期建设已初步形成了综合研究平台，因此，为“煤炭资源高效与绿色开采系统”这一具有开创性的世界性学科前沿理论的研究和工程实践打下了坚实的基础。