新汶矿业集团有限责任公司华丰煤矿 山东泰安 271413
摘要：煤炭对中国经济的发展有重要意义。经过多年的开采，中国已经进入了煤炭资源开采的高峰期。随着煤炭资源的大量开采，由此带来的环境问题也日益突出。常见的问题有矿区周围的矸石山、地表塌陷、地下水断流以及生态环境被破坏，这严重威胁了中国煤矿行业的可持续发展。随着社会的不断发展，对环保的要求也越来越高。煤矿地下开采引发的环境问题根源在于采空区上方的岩层发生运动。为了克服煤矿开采过程中的岩层运动，提出了充填采矿技术。本文围绕煤矿开采引发的环境问题以及充填采矿技术的优点进行阐述。
关键词：煤矿开采；环境问题；充填采矿技术
1 煤矿开采引发的环境问题
煤层开采后，煤层的上覆岩层会移动，导致岩层原有的平衡被破坏。当岩层达到新的平衡时，会有很长一段时间处于不稳定状态。在煤层开采过程中，岩层移动会形成采矿工程中常说的“三带”。在垮落带和断裂带内有大量裂隙发育，岩层的密封性被破坏，因此，此处便是导水裂隙带的范围。如果导水裂隙带内有含水层，则可判断岩层中的含水层被破坏。值得注意的是，在很多情况下，导水裂隙带会贯穿到地表，这会导致矿区所在的地下水断流。地下水的断流会造成地表植被退化，农作物减产且病虫害严重，同时，还会导致生态环境变得十分脆弱。如果矿区内有村庄，遇到这种情况很容易导致居民面临用水困难的情况。此外，当导水裂隙带贯穿到地表时，地表上的污染物可以随着雨水流入地下水，导致地下水被严重污染。岩层移动的宏观表现就是地表发生沉降，这是采矿工程引起的重要地质灾害。煤层开采后，采空区上方会形成一个下沉盆地。在盆地的中心，地表下沉值最大，这个最大值需要很长时间才能达到。地表下沉盆地的范围要比采空区的范围大，这要求在防治地表下沉灾害时要考虑其边界。
由于地表下沉的不均匀性，导致处于地表沉陷影响区内的建筑物很容易发生不均匀变形进而被破坏。与此同时，如果一些公共基础设施位于采空区影响范围内，例如公路、铁路以及供电线路塔等，也会受到影响。在煤矿开采过程中，最令人诟病的是矸石山问题。由于煤层中不可避免地含有一些矸石，长期累积就形成了矸石山。矸石山形成的重要原因是矸石中碳含量低、利用成本非常高且工艺复杂。矸石的长期堆积不仅占用了大量的土地资源，还容易造成周边环境的恶化。矸石在风化时会形成大量的粉尘，这些粉尘中含有有毒有害物质，人长期吸入容易对肺造成损害，引发慢性疾病。此外，矸石中的有毒有害物质在雨水冲刷下会流入土壤中，导致周边农田的土壤板结，地下水被污染。
2 充填采矿技术的原理及优势
2.1 充填采矿技术应用原理
煤矿开采引起环境问题，主要是因为煤层开采后的岩层移动，而解决这一问题的关键就是控制岩层的运动。对于煤矿开采的矸石山问题，最有效和经济的方法是将矸石回填到采空区中。充填采矿技术是同时解决岩层运动和矸石山问题的有效方法。充填采矿技术起源于“三下”开采，即建筑物下采煤，是由波兰传入中国的。采用水砂作为充填物，波兰将建筑物下的煤炭资源全部开采出。
这项技术在早些年并未受到重视，但随着中国对环境质量的要求越来越高，这项技术的优势逐渐被开发。充填采矿技术是在工作面回采后采用充填物充填采矿区，从而有效控制煤层开采引起的岩层移动，其实施的关键在于充填材料的成本控制。充填采空区后，可以有效控制岩层的运动，减轻地表的下沉。有关数据统计发现，采用水砂充填采矿技术后，地表下沉值可以降低 70%，减轻了地表沉陷对地表一些建筑物的破坏。充填采空区，可以改变岩层的运动规律，使得导水裂隙带的高度大幅度降低甚至为零，这有助于实现保水开采。保水开采的实现有助于保护当地的生态，减轻对矿区地下水的污染。从长远情况来看，充填采矿技术有助于实现煤矿行业的可持续发展。在一些矿区，采用矸石进行充填开采，实现了矸石的零排放，满足了绿色采矿的基本要求。
2.2 充填采矿技术的发展
根据充填物的类型，充填采矿技术可以分为水砂充填、干式充填和胶体充填。经过大量实验发现，水砂充填的效果最好，但是成本非常高。水砂主要是河砂和水按照一定的成分形成的，在充填时通过管道注入到采空区中，水砂在采空区中脱水后会对岩层的顶板起到支撑作用。使用水砂充填技术存在一个问题，即河砂的用量非常大，很多矿区并不具备这样的条件，尤其是政府对河砂的管控越来越严，所以，这项技术只在特殊情况下才会使用。鉴于此，现在很多矿区多采用干式充填采矿技术和胶体充填采矿技术。干式充填采矿技术是以固体物质直接充填采矿区，这种方式不需要对充填材料进行特殊的处理。常用的干式充填物质有粉煤灰、固体废弃物和矸石等，但是这种物质的强度非常低。由于采矿中充填物的需求量非常大，干式充填物很难满足充填的要求。
干式充填有助于以非常低的成本处理一些垃圾物质，例如矸石、粉煤灰等，有利于实现煤炭的绿色开采。鉴于干式充填形成的充填物强度低的问题，特提出了胶体充填采矿技术。这种技术是将 2 种水溶性物质按照一定的比例配置成胶体，然后充填到采空区中，凝固后可以对采空区进行有效的支撑。这种胶体的凝固时间和强度可以通过控制 2 种混合物质的浓度来实现，它可以满足不同回采条件的需求。这种充填材料的生产已经实现了工业化，而且在井下运输方便，具有很好的推广前景。
针对煤矿开采过程中出现的环境问题，充填采矿技术提供了一种有效的解决思路。煤矿开采过程中出现的环境问题主要有矸石山污染、地下水断流和地表沉陷。煤矿开采引发的环境问题主要是由煤层开采后的岩层移动导致的，而解决这一问题的关键就是控制岩层的运动。而对于煤矿开采中遇到的矸石山问题，最有效和经济的方法是将矸石回填到采空区中去。充填采矿技术是能同时解决岩层运动和矸石山问题的有效方法。根据充填物的类型，充填采矿技术可以分为水砂充填、干式充填和胶体充填。现在很多矿区多采用的是干式充填采矿技术和胶体充填采矿技术。
参考文献：
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