低碳生态矿山建设模式与评价指标体系

低碳生态矿山建设模式与评价指标体系

煤矿是生产煤矿即高碳产品的能源公司。长期以来,煤矿开采研究方向主要是如何把煤炭安全、高效、经济地采出来,对周边的土地、地下水系、环境的扰动影响并没有引起足够的重视。虽然近年来增强了对“三废”的治理意识,但还没有找到一种有效的系统治理模式。创新采煤技术,转变发展方式,构建环境友好型现代煤矿,以最小的环境影响与生态扰动进行煤炭生产活动,与周围生态环境和谐相融,并且在采煤活动结束后,经最小的末端治理即可与环境相融。因此,笔者结合煤矿开采特点,提出了建设低碳生态矿山的概念。低碳指低碳排放、运行及节能;而生态矿山建设包括煤矿“三废”减排,追求零排放目标,并且把“三废”当作资源加以开发利用;建立一种“高碳产品生产,低碳排放、生产与运行,绿色及生态开采”煤矿建设模式。这是冀中能源集团近年来在大量科技创新及实践的基础上,结合国内外煤矿技术新发展而提出的一个新概念。煤炭行业最大限度地减少能源消耗,减少废弃物排放,增加资源有效利用和废物的回收复用,把矿井建成低碳生态矿山,以促进煤炭工业健康持续发展。1低碳生态矿的建设方案建设思路是把低碳生态矿山建设技术集成嵌入到煤矿生产过程,使其成为煤矿开采的必然行为。1.1下组煤、石山冀中能源在河北省内有38个矿井,矿井服务年限大多已近30a,面临的开发形势与问题:(1)地质储量虽较为丰富(70.6亿t),但开采条件非常复杂,采深大、高地压、高应力、承压水头高、瓦斯涌出量很大,给矿井安全开采带来了很大难度。(2)村庄压煤严重。冀中能源目前有21对生产矿井分布在平原地区,矿区村庄密集,村庄下压煤超过6.0亿t。(3)下组煤储量大,约30亿t,由于下组煤受底板强含水层奥灰承压水威胁,开采后引起底板扰动破坏,可能会引发突水事故,对矿井安全有极大威胁,另外破坏了原有地下含水层会增加矿井排水量。随上组煤资源逐渐减少,进行下组煤开采已势在必行。(4)由于地下水位较深,开采后地下水不能沿着开采造成的裂隙上升到地面,使矿区形成大面积集水区。因此,煤矿开采后沉陷农田通过复垦就可较快恢复,但其受环保约束和节能减排困难很大。(5)冀中能源有37座矸石山,每年的矸石产出量为626.47万t/a,利用量为359.95万t/a,利用率为57.5%。灰渣产出量为160.6万t/a,利用量为115.7万t/a,利用率为72.1%。1.2采空留巷开采废水主要解决了资通过将已试验成功的若干研究成果如充填采煤、保水开采、地热利用、综采自动化工作面和循环经济等集中应用到几个矿井,然后进行集成深入应用研究,建设示范矿井,并要求达到以下目的及指标,以利于今后大面积推广。(1)实现集约高效矿井,实现自动化综采工作面;在开采条件大致同等情况下,主要经济技术指标居煤炭工业前列,300万t/a以下的新建矿井全员工效达到2000t/(人·a)。(2)应用研究充填采煤和沿空留巷技术,实现资源高效回收,资源回收率提高5个百分点以上。(3)矿井实现低碳排放及运行,吨煤综合能耗降低10%。(4)高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井瓦斯抽率采达到45%以上,利用率90%以上。(5)土地复垦达到90%。(6)矿井生产基本实现绿色-生态化,消除产生环境、生态事件主要影响因素。(7)构建矿井循环经济运行模式,使产品结构合理、附加值高。1.3石山生态恢复和保水采煤技术(1)先规划建设6个示范矿井,将已有研究成功技术集成示范,发挥不同方面技术优势,尽快实现低碳生态矿山建设。(2)有5个煤矿要完成应用建筑物下充填采煤技术,消除矸石山对环境的影响,解放村庄压煤,增加可采煤量。(3)有3个煤矿要完成应用风源或水源热泵技术,取消矿井锅炉房,降低矿井烟尘和SO2排放。(4)规划4个煤矿要完成应用自动化综采技术和智能掘进机技术,大幅度提高矿井机械化装备和集约化生产水平,减少井下作业人员。(5)规划5个示范矿井应用保水采煤技术,减少矿井涌水量,降低排水费用,矿井水利用率100%。2011年底前6个示范矿井基本实现安全保障程度高、资源利用率高、运行能耗低、生态环境影响小的低碳生态矿山建设目标。2充填采矿技术自2002年邢东煤矿试验成功巷道矸石充填技术以来,又相继试验成功了粉煤灰与矸石固体充填、矸石膏体充填、矸石似膏体充填和超高水材料充填等适应不同开采条件的成套充填采煤关键技术,并实现综合机械化充填采煤。目前有5个煤矿在应用综合机械化充填采煤技术,已从“三下”压煤中回收资源近200万t,取得了显著的经济效益。下面简要论述综合机械化固体充填采煤研究思路与技术路线。2.1石充填采矿法煤矿矸石山占用土地,产生大量有害气体、分解物,对周边空气和水体造成严重影响。在矸石运输和提升过程中,还需消耗一定的电力、运力资源。对此,笔者提出井下用矸石置换煤炭资源,减少地面塌陷的研究思路与目标:(1)矸石不升井,达到矿井无废渣外排,煤矿不建矸石山;(2)研究综合机械化充填采煤,控制地表沉降,并形成规模化开采;(3)研究不同充填材料,适应不同开采条件需要;(4)地面沉降可控。2.2充填材料与充填工艺技术攻关为改善矿区生态环境质量,控制岩层移动及保障“三下”压煤安全开采,在邢台煤矿进行综合机械化充填开采技术试验,取得了充填材料、自捣实充填液压支架、配比自动控制及深孔(350m)投料和充填工艺等成套技术突破。实现了矸石与粉煤灰井下有益处理,地表建筑物正常使用,实现煤炭采出率达85%以上。其技术研究路线如图1所示。综合机械化充填采煤技术的成功,带来了低碳生态矿山建设的集群效应,处理了大量的工业固体废弃物,提高了资源采出率,避免了地面沉陷,保护了农田和周边生态环境。3基于生态概念的采矿业技术3.1风源热泵回收利用煤矿井下开采的特殊环境,形成了温度变化幅度较小的相对恒温层地热源,这是煤矿的一大资源。对于地下开采的煤矿,一般采用抽出式通风方式,利用主通风机通过回风井回风,矿井总回风直接排入大气。一般情况下,矿井总回风的温度、湿度一年四季大致保持恒定,其中蕴藏大量的低温热能。利用回风源热泵对这些低温热能进行回收,在矿井回风源热泵系统中(图2),矿井回风换热器将矿井回风中所蕴含的大量热能通过喷淋换热方式转移到循环水里面,循环水作为热泵系统的低温热源,经过热泵系统提取热量后,循环水温度有所降低(一般5℃),再重新送入矿井回风热交换器进行热交换,循环往复。热泵系统冬天时制出热水(一般50℃)作为供暖、井筒防冻、洗浴热水的热源,在夏天用于制冷。东庞煤矿北井应用风源热泵技术后,取消了锅炉房,每年可实现节约标准煤20172.1t,按照节约1kg标准煤=减排2.493kgCO2=减排0.68kg碳的标准计算,每年可以实现减排二氧化碳50289.05t,实现减排碳13717.03t。另外,节省运行费和人工费,经济和社会效益显著。据测算,这项技术若在全国煤矿推广,每年利用的热能折合标准煤达2485万t,可减少大量煤炭消耗及CO2排放量。近年来,集团公司已有3个煤矿研究利用了矿井风源和水源热量,用于供热和制冷,实现煤炭企业不建锅炉房,不消耗煤炭,取得了非常好的效果。3.2保水开采的水资源煤矿开采过程中破坏了地下含水层的原始径流水系,大量排出地下水。采空区上方导水断裂带与地下水体贯通,形成大规模地下水降落漏斗,造成区域含水层水位下降,直接影响到区域水文地质条件。保水开采的目标是在防治采场突水的同时,对水资源进行有意识的保护,使煤炭开采对矿区水文环境的扰动量小于区域水文环境容量。因此,保水开采的经济效益、生态效益是巨大的。开采煤炭资源的同时,要做好水资源的保护,利用技术创新手段实现对水资源的保护。煤矿的开采过程中利用先进探测手段查清水系,科学采煤,减少采矿活动对地下水系的影响;利用注浆技术控制地下水径流有较大的变化,减少地下水涌出;对特殊地区利用充填采煤技术,控制含水层下沉,保护地下水系;对生产中矿井涌出的地下水,积极开展循环利用,通过净化系统处理达标后,用于井上、下的生产和绿化,多余部分用回灌系统注回地下含水层,实现对水资源的保护和循环利用。梧桐庄煤矿井下通过采取堵、截出水点等措施,涌水量由17.5m3/min减少至5m3/min,这5m3水经净化处理后回灌至井田内含水层,实现保水开采。矿井水处理及回灌系统如图3所示。由于矿井排水量减少,每年节省排水电量2187.81万kW·h,按照节约1kW·h电=减排0.997kgCO2=减排0.272kg碳的标准计算,每年可实现减排CO221812.5t。在煤矿开采过程中,地下水位受到影响较小,对生态环境维系有很重要的作用。目前,有3个矿井开展这项应用研究;通过水的循环利用,矿井水综合利用率达到79.3%,地下水抽取减少14%,实现了对水资源的保护。3.3瓦斯抽放系统通过瓦斯抽采,可降低矿井瓦斯涌出和回采空间中的瓦斯浓度,降低煤层中的瓦斯压力和含量,防治煤与瓦斯突出。瓦斯是一种优质燃料,通过发电等利用,可减少瓦斯对大气的污染。因此,减少瓦斯排放即是低碳排放,对环境保护有至关重要的作用。宣东二号煤矿是煤与瓦斯突出矿井,瓦斯涌出量96.43m3/min和35.78m3/t,煤层有自然发火危险(48d),瓦斯治理与消突采取瓦斯预抽等方法。瓦斯抽采采取钻孔和巷道抽采,效果显著。矿井瓦斯抽放系统分地面永久抽放、井下临时和移动抽放三大系统,地面广场永久抽放泵站主要抽放回采工作面或老空区高浓瓦斯,用于高浓发电;地面风井永久抽放泵站,主要抽放配采工作面或老空区低浓度瓦斯,用于低浓度发电。井下临时抽放系统主要抽放采煤工作面隅角瓦斯,井下移动抽放系统主要抽放采掘工作面本煤层瓦斯。井下各泵站抽出的低浓瓦斯与高浓瓦斯混合供瓦斯电厂低浓发电。目前各类泵站总抽放能力已达2569m3/min。现有3个煤矿建设瓦斯发电项目,表1是宣东煤矿和大淑村煤矿瓦斯抽采利用情况。4煤炭企业循环经济特点煤炭生产过程中会产生一些副产品,造成资源浪费和环境污染。为此,运用低碳循环经济模式优化产业链,将传统的单向直线式经济发展模式变为反馈式循环经济发展模式,利用各个产业链内部消解工业废弃品,积极打造消耗废品的下游产业,使上一级的废物变为下一级的原料,形成了矿井只有煤炭产品输出,无“三废”外排发展模式。如章村煤矿通过多年实践走出了一条“煤-电-建材”独特的循环经济圈。矿井生产的原煤首先进入重介洗煤厂洗选,优质的洗精煤作为工业用煤;劣质煤即洗煤副产品(煤泥、次中煤)以及煤矸石作为坑口电厂的燃料。矿井产生的矿井水经过净化站处理后,一部分作为电厂的冷却循环水,一部分作生产用水,还有一部分为生活用水。坑口电厂产出的电主要满足生产矿井和水泥厂生产所需;电厂的粉煤灰和炉渣作为水泥生产的配料;电厂产生的余热用来供暖;利用水泥生产过程中回转窑窑头和窑尾产生的余热发电,直接供水泥生产使用;其循环经济特点:(1)在煤炭生产这个主产业链上向后延伸,将上游产生的废弃物作为下游的生产原料,形成上下游联动,提高煤炭资源的加工转化率。(2)把煤炭资源的一次性外延式开发,转变为循环闭路开发,实现污染物的减量化、资源化、再利用,实现经济和环境的“互促双赢”。(3)广泛运用高科技手段,不断提高产品的附加值,实现产品多元增值。(4)在循环经济产业链的整体构架中,有些环节形成了自成体系的小闭合循环经济。5低碳生态矿山建设(1)深入研究自动化综采工作面装备及控制技术、煤岩识别等技术,实现综采工作面自动化、智能化采煤,实现减人提效。(2)深入研究井下实现煤矸分选,降低原煤矸石含量,提高矿井提升效率。(3)继续开展充填材料、矿压及岩层控制基本理论、充填效率等方面