铜川矿区地质环境保护规划及关键技术研究
一、现有地质环境保护技术方案
1.矿井水处理
铜川矿区现有的8对生产矿井中，只有4对有污水处理设施，处理后的矿井水一部分用于井下洒水降尘，一部分排入河流。未经污水处理的4个矿井的矿井水排到地面。经简单沉淀处理后，大部分用于井下生产，其余排放。
2.地面沉降和地裂缝
铜川矿区所有采空区都存在地面沉降和地裂缝问题，给人们的生产生活带来了困难。为了解采煤沉陷规律，制定合理的防治措施，铜川矿务局委托辽宁工程技术大学和采动损害与控制中心对铜川矿区地面沉陷规律进行研究，并编制了《陕西省铜川矿区采煤沉陷报告》。该报告分析了地面沉降的原因和地面移动的规律，为防治地面沉降提供了理论依据。对矿区地面沉降和地裂缝进行了调查和观测，并及时对地裂缝进行了回填。
在铜川矿区，“三峡”矿井压煤十分严重(表5-6)，占保有地质储量的21.8%，其中垭口矿井最为严重，占32.8%。在“三下”煤压中，建筑物下煤压所占比例最大，占总煤压的89.8%，建筑物下煤压主要在村庄下，占其总量的74.1%。在目前情况下，不可能搬迁位于各井田未开发区域的村庄，这严重影响了矿山生产的连续性和开采效率。为了合理规划开采，提高煤炭资源回收率和煤炭开采效益，最大限度地减少开采影响，实现资源开发与环境保护的协调发展。因此，铜川矿务局和西安科技大学联合开展了“铜川矿区开采沉陷规律及水源破坏研究”。报告总结了铜川矿区建筑物下不动试采工作面和大采深、小采高、小采面工作面的地表移动变形特征，从理论和实验两方面论证了其机理和可行性，提出了不同地质和开采条件下工作面的安全开采规模。
表5-6目前生产矿井储量及矿区“三下”煤炭压力表单位:万吨
3.煤矸石的处理与利用
铜川矿区煤矸石主要以堆存的形式存在于各种山谷中，大部分未经处理，少数已填埋。随着资源的日益短缺，煤矸石已成为绿色矿山的必然选择。铜川矿务局从20世纪70年代开始探索煤矸石的利用。根据有关资料，王佳禾煤矿在65438 ~ 0978沸腾炉中使用了煤矸石。80年代建了三里洞内燃煤矸石砖厂，现在这两个矿都破产关闭了。
现在铜川矿务局下属有奥博公司水泥厂，每年以煤矸石为原料烧制水泥，每年利用煤矸石1.52万t，铜川矿务局每年还出售部分黑煤矸石作为燃料，每年盈利约3.5万吨。2006年，石碣矿免烧砖厂成立，2007年3月建成投产，年利用煤矸石1.8万吨。铜川矿区的矸石全部处于自燃或已经自燃状态，自燃后产生的红色矸石作为水泥的添加剂卖给水泥厂。
虽然煤矸石的综合利用已按上述方式进行，但利用量与产量相比微不足道。2006年铜川矿区煤炭产量967万吨，煤矸石654.38+0.089万吨。提高煤矸石的利用率，实现其资源化利用，仍然是一项十分艰巨的任务。
二、铜川矿区地质环境保护关键技术方案
1.水资源保护技术方案
铜川矿区水资源保护技术包括两个方面:一是矿井水的循环利用；第一，保护煤矿区的水资源不受破坏。
通川区矿井缺水问题突出，矿井水以酸性水为主。由于酸性矿井水处理成本高，对矿井井下生产用水的水质要求低。目前，化学中和法是处理酸性矿井水最有效的方法。因此，通川区矿井水以中和法为主，结合各矿具体情况，可采用直投法、膨胀过滤法、滚筒处理法。直接投入法是在酸性矿井水中直接加入石灰粉或石灰乳等碱性中和剂；膨胀过滤法采用固体中和剂如石灰石通过上流式膨胀过滤器中和酸性矿井水；滚筒处理法是在处理机的滚筒中放入石灰石等固体中和剂，使其在不断滚动、碰撞、研磨的过程中达到中和的目的。
图5-16洗水闭路流程
焦坪区的矿井水都是达标排放的，这里就不赘述了。裕华矿选煤厂采用洗水闭路循环技术，防止煤泥水外排造成危害。选煤厂的洗水主要包括三部分:压滤机滤液水、高效浓缩机溢流水和煤泥沉淀池溢流水。通过实施厂内煤泥回收和洗水闭路循环技术，达到洗水平衡和洗水全部回用的目的。以下是某矿洗水闭路工艺流程(图5-16)。
煤炭开采对地表水资源的影响主要是地下水位下降，泉水干涸，导致部分河流断流。煤矿开采中矿井水不达标排放造成地表水污染。煤矸石等矿山废弃物随意堆放，不采取处理措施，也会造成地表水污染。因此，保护地表水资源的主要问题是控制矿井水和煤矸石，消除污染。
煤炭开采对地下水资源的影响主要是含水层和隔水层的破坏，导致地下水补给源和径流路径的改变，引起区域地下水位下降，甚至到隔水层。因此，保护地下水资源的技术方案是保护含水层和含水层不受破坏。这就要求改进采煤方法和顶板管理方法，预防和减少塌陷的发生，导水裂隙带的发育不应触及上覆含水层。我国在如何防止地面塌陷和破碎带高度方面做了大量工作，为铜川矿区各类矿山提供了依据。但各矿具体情况不同，铜川矿务局各矿水文地质条件也不同。具体保护技术方案应结合各矿井水文地质条件和采煤方法确定。因此，为了尽可能避免地下水资源的破坏，需要产学研结合，寻找地下水资源保护和煤炭回收率的最佳结合点。
2.地面沉降和地裂缝灾害控制技术方案。
铜川矿区控制地面沉降和地裂缝的技术方案还包括两个方面:一是控制已经发生的地面沉降和地裂缝的技术方案；一个是减少未来地面沉降和地裂缝的技术方案。
对于铜川市的塌陷区，复垦后仍以工业用地为主，塌陷区可以以充填为主。因此，可以采用充填复垦。充填复垦可以利用矿区附近露天矿的煤矸石、粉煤灰和剥离的矸石充填采煤塌陷区。
生态复垦和生物复垦是铜川市外其他地方塌陷区复垦的主要方法。生态复垦是将土地复垦工程技术与生态工程技术相结合，综合运用生物学、生态学、经济学、环境科学、农业科学和系统工程的理论，应用生态系统的物种生成和物质循环原理，结合系统工程方法，为破坏土地而设计的多层次利用技术。其目的是促进生产要素的优化配置，实现物质和能量的多层次分层利用，不断提高其循环转化效率和土地生产率，获得更好的综合经济、生态和社会效益，走可持续发展之路。包括各种土地复垦工程技术的优化，农业立体种植、水产养殖、食物链结构、农林牧渔一体化等生态工程技术的选择，往往通过平面设计、食物链设计、复垦工程设计来实现。生物复垦技术是一种新型的土地复垦技术，是国内外研究的热点。生物复垦是根据复垦区土地利用方向，采用生物方法，包括培肥土壤和微生物施肥，改变新耕地土壤的养分状况和土壤结构，增加蓄水、保水、保肥能力，创造适宜作物正常生长发育的环境，维护矿区生态平衡的技术体系。比如绿肥法是改良复垦土壤，增加有机质、氮、磷、钾等养分最有效的方法。绿肥多为豆科植物，一般含有机质15% ~ 25%，含氮0.3% ~ 0.6%。它的生产力旺盛，能在贫瘠贫瘠的土地上生长良好，根系发达，能从深层土壤中吸收养分。绿肥腐熟后，还具有胶结和团聚土壤颗粒的作用，从而改善土壤的理化性状。其应用方法是在工程围垦地种植绿肥作物，成熟后压入土中，可单种、套种、套种方式种植。地面塌陷区的地裂缝应及时回填，防止土壤养分和水分流失。
防止地面沉降和地裂缝的技术是改进采矿方法和顶板管理方法。我国在这方面做了大量的工作，铜川矿务局也做了大量的工作来减少地面沉降引起的地裂缝的发生。20世纪90年代初，铜川矿务局根据7个观测点的实测最大下沉值，应用最小二乘法原理得到的回归预测经验公式，可以准确预测一般采煤工作面开采后地表的最大下沉值，在类似地质和开采条件下可以继续使用。铜川矿务局联合辽宁工程大学、西安科技大学进行了“陕西省铜川矿区开采沉陷报告”和“铜川矿区开采沉陷规律及水源破坏研究”，模拟分析了铜川矿区开采沉陷规律及主要影响因素，并给出了研究结论。主要结论如下:①铜川矿区地表沉陷系数影响程度排序为扰动程度系数-上覆岩层综合硬度-表土厚度-工作面倾斜长度-开采厚度。其中，扰动程度系数、工作面倾斜长度和开采厚度与地表沉陷系数呈正相关，而覆岩综合硬度与地表沉陷系数呈负相关。(2)开采深度是影响地表动态变形的主要因素。开采深度较小时，开采影响向地表扩散较快，地表沉陷变化连续性差，最大下沉速度快，活跃期短，累计下沉量较大，地表移动总时间缩短；开采深度大时，地表移动开始缓慢，下沉曲线平缓连续，下沉速度小，变化小，活动期短或无活动期。③开采速度和开采厚度对地表下沉速度和持续时间有重要影响。开采速度和厚度越大，最大下沉速度越大，活动期越短，累计下沉量越大，总移动时间越短。④黄土层厚度是影响地表动态移动规律的重要因素。随着土石比的增加，地表下沉速度趋于加快，移动持续时间缩短。即土层越厚，地表在活跃期的运动和变形越剧烈，运动和变形引起的地表裂缝越多越大。
3.煤矸石利用的技术方案
(1)黑色矸石和红色矸石用作水泥混合材。
铜川矿区的大部分煤矸石都有自燃现象，甚至有的煤矸石山几十年都有自燃现象，烧过的煤矸石变成了红色的矸石。目前，红煤矸石的利用一般是作为水泥的混合材，铜川矿区的部分红煤矸石已作为配料出售给水泥厂。
为生产不同种类的水泥，用作水泥混合料的煤矸石需要碳质泥岩、泥岩、砂岩和石灰岩(CaO含量>；70%)，煅烧煤矸石或煤矸石通常用于自燃。煅烧煤矸石或自燃煤矸石中含有活性二氧化硅和氧化铝，可作为活性火山灰混合材料。铜川矿区煤矸石属于火山灰沉积蚀变的优质煤矸石。它是一种粘土矿物，化学成分稳定，硅铝含量高。其化学成分见表5-7。
表5-7铜川矿区煤矸石的化学成分(wB/%)
以煤矸石为混合材的火山灰水泥的生产工艺与普通水泥基本相同，其生产流程如图5-17所示。
图5-17煤矸石作为水泥混合料的工艺流程
(2)生产硅酸盐水泥
用煤矸石做原料生产水泥，主要是基于煤矸石和粘土的化学成分相似，可以代替粘土提供硅铝原料，煤矸石可以释放部分热量，节约部分燃料。煤矸石代替黄土特别容易燃烧，主要是因为它含有多种微量元素，如硫、氟、钛、钒、硼、锶、钡等。，而且有矿化。同时，煤矸石中含有热能，可以加速物料的预分解，大大提高产量。运行中，各级预热器管的温度相应降低，无需投资即可达到8级预热器的效果。
根据陕西华丰建材公司生产火山灰硅酸盐水泥的经验，用煤矸石代替黄土作原料生产硅酸盐水泥有许多优点。掺入煤矸石和添加混合材后，水泥的早期和后期强度略有下降。与混合材料相比，用量增加15%以上，材料用量减少15%，红煤矸石用量增加15%。价格为180元/t，红煤矸石价格按20元/t计算，火山灰硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥差价为10元/t，计算表明，每吨水泥成本降低14元，年产水泥8.5万吨，节约119万元。
用煤矸石代替黄土作水泥配料，可以提高回转窑和水泥磨的时产量和水泥质量，具有良好的经济效益和社会效益。
(3)煤矸石作为混凝土掺合料
利用自燃煤矸石或燃烧煤矸石作为混凝土掺合料有三大优势。一是可以减少水泥用量，从而降低能耗；二是可以大量利用煤矸石，减少环境污染；三是可以改善水泥混凝土的性能，增加水泥混凝土的抗碳化和抗硫酸盐侵蚀能力，提高混凝土产品和工程质量。这是实现煤矸石资源化和无害化处理的重要途径。
自燃煤矸石或焚烧煤矸石具有火山灰活性，活性二氧化硅和氧化铝能与水泥水化过程中析出的氢氧化钙缓慢反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，与硬化水泥浆体牢固结合，提高混凝土的抗掺合性和耐久性。粉煤灰煤矸石在混凝土中具有火山灰活性以外的特殊物理功能，如增加浆体体积、填充浆体孔隙等，使煤矸石混凝土的物理化学效应达到动态平衡，起到改善混凝土性能和质量的作用。
(4)煤矸石作为混凝土骨料。
煤矸石中含有大量硅铝物质，其中可燃物质和菱铁矿在焙烧过程中释放气体并膨胀。因此，煤矸石是生产轻集料的理想原料。煤矸石轻集料一般是由含碳量低的炭质岩和泥质岩煤矸石经破碎、磨细、造球、膨化、筛分制成，或直接将煤矸石破碎到一定比例后焙烧制成。煤矸石轻集料是一种新型轻质建筑材料，具有良好的保温隔热性能。
(5)白煤矸石用作水泥混合料和建筑材料。
铜川矿区煤炭生产中产生的白色矸石主要由石灰岩和砂岩组成。砂岩经过加工可以用作建筑材料和地下充填材料。石灰石经过加工也可以用作建筑材料，也可以作为生产水泥或生石灰的原料。
(6)煤矸石免烧砖
传统烧结砖技术对环境造成二次污染，对煤矸石选择性强。利用煤矸石为原料生产免烧砖，原料选择的重点是铁、硫、钙、镁等含量高，难以或不可能烧砖的煤矸石。利用煤矸石制作免烧砖，可以避免传统制砖工艺带来的二次污染，同时显著提高煤矸石原料的适应性，是今后煤矸石制砖的重要方向。
免烧是以自燃煤矸石或燃烧煤矸石为主要原料，配以水泥、石料和添加剂，通过搅拌、半干压、自然养护制成的砌筑材料。主要工艺流程如图5-18所示。
(7)煤矸石混凝土砌块
以自燃或人工煅烧的煤矸石为骨料，水泥为胶凝材料，加入少量添加剂，加水，搅拌，成型，自然养护制成的实心或空心砌块称为煤矸石混凝土砌块。煤矸石混凝土砌块性能稳定、重量轻、强度高、工艺简单、成本低、利用率高、使用效果好，是一种极具发展前景的新型墙体材料。煤矸石混凝土砌块的生产工艺简单易行，其工艺流程如图5-19所示。
煤矸石混凝土砌块的原材料包括骨料、粘结剂和外加剂。骨料为自燃煤矸石或焚烧煤矸石，符合JC/T541-94《自燃煤矸石轻集料》的要求。胶凝材料包括水泥、粉煤灰、自燃可燃煤矸石粉等。外加剂有石膏、生石灰等。
(8)煤矸石发电技术
含碳量高(含碳量≥20%，热值≥ 6270 ~ 12550 kJ/kg)的煤矸石可直接作为流化床锅炉的燃料发电。利用煤矸石燃烧能力发电的过程很简单:首先将煤矸石和劣质煤的混合物粉碎研磨至粒径小于8mm然后由带式输送机送入锅炉，在循环流化床上燃烧。流化床燃烧是利用从床底部送来的高压气流，使煤矸石颗粒在炉膛上“沸腾”，形成具有一定高度的流化状态；最后，燃烧产生的烟气经过除尘器后送至烟道，燃烧产生的灰渣经水冷后泵入灰场。
图5-18免烧砖工艺流程
图5-19煤矸石砌块生产工艺流程图
4.气体发电技术
燃气发电是以燃气为能源，将燃气中所含的热能转化为电能的能量转换过程。目前实用的燃气发电方式有三种:燃气发动机、燃气轮机和汽轮发电机。2005年5月，下石街煤矿建立了3000kWh燃气自备电厂。
5.煤与瓦斯* * *开采技术煤层的开采会在围岩岩层中造成“卸压增透”的效果，即会造成围岩岩层原地应力闭合的破坏(应力降低-卸压，孔隙和裂隙增殖和张开)和层间岩层闭合的破坏(上覆煤岩层坍塌、断裂和沉陷；下伏煤层的破裂隆起和封闭地质构造的破坏(封闭地质构造因开采而被打开和松弛)，导致围岩及其煤层的渗透系数显著增加，为卸压瓦斯的高产高效抽采创造了前提条件。
从卸压瓦斯流动通道来看，采动破坏的致裂作用在采空区上方垂直方向形成“三带”:冒落带(形成贯穿采场的空洞和裂隙网络通道)、断层带(形成纵横裂隙网络通道)和弯曲沉陷带(形成夹层裂隙网络通道)。从卸压瓦斯流动的角度来看，岩层的垮落、自然充填的支撑和压实等作用也在采空区上方横向产生了“三带”:初始卸压增透带、卸压高渗高流动带、地压恢复降渗减流带。这些横向的“三带”存在于纵向的“断裂带”和“弯曲沉降带”。
煤层卸压过程中采动形成的煤(岩)体变形、断裂和裂隙延伸，会大大提高煤(岩)体瓦斯运移的渗透性，产生“卸压增渗增流”的效果，形成瓦斯“解吸-扩散-渗流”活化流动的条件。由于不同地区煤岩裂隙分布不同，瓦斯解吸流动条件不同，采用合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系统，可以实现瓦斯资源的安全高效开采。瓦斯资源的开采降低了卸压煤层的瓦斯含量，消除了卸压煤层的煤与瓦斯突出危险，减少了向工作面风流中的瓦斯涌出，为卸压煤层的安全高效开采创造了必要的条件。
以上只是煤与瓦斯* * *开采技术的理论知识。煤矿的具体地质条件和煤层条件不同，要理论联系实际，产学研结合，共同探讨焦坪区煤与瓦斯* * *开采技术。国家煤矿瓦斯治理工程研究中心、淮南矿业集团、中国矿业大学、安徽建筑工程学院、安徽理工大学等单位合作攻关，在淮南矿区系统提出了煤与瓦斯留巷钻孔开采新方法。根据煤层群赋存条件，先开采关键卸压层，沿采空区边缘沿空留巷连续开采，不留煤柱，留巷布置上下钻孔。通过创新快速施工的顶底板抽采卸压瓦斯、采空区富集瓦斯的煤层瓦斯开采技术和沿空留巷旁充填技术，实现了与综采工作面同步的煤与瓦斯高效开采的采煤方法。创新了3项沿空留巷钻孔煤与瓦斯开采技术，即围岩结构稳定性控制技术、巷旁充填材料开发与快速充填工艺系统集成创新技术、沿空留巷钻孔瓦斯抽采技术。焦坪区可以参照淮南矿区的经验，结合焦坪矿区的地质条件、煤层特征和瓦斯特征，进行科学研究，探索适合的煤与瓦斯开采技术。