根據銅川礦區煤炭開發引起的地質環境的變化，從水資源保護、地面塌陷和地裂縫的治理、矸石山的治理、煤矸石資源化及煤礦瓦斯利用的角度，探討了銅川礦區地質環境保護技術方案。
壹、現有的地質環境保護技術方案
1.礦井水處理
銅川礦區現有的8對生產礦井中，僅有4對礦井有汙水處理設施，處理後的礦井水壹部分用於井下灑水降塵，壹部分排放到河流。沒有汙水處理的4個礦井的礦井水排到地面，經簡單沈澱處理後，大部分用於井下生產，其余部分排放。
2.地面塌陷和地裂縫
銅川礦區的采空區全部存在地面塌陷和地裂縫的問題，這些問題的產生給人民的生產和生活帶來了困難。為了了解采煤沈陷的規律，制定合理的防治和治理措施，銅川礦務局委托遼寧工程技術大學和采礦損害和控制中心進行了銅川礦區地面沈陷規律的研究，編制了“陜西省銅川礦區采煤沈陷情況報告”。報告中分析了地面沈陷的原因及地表移動規律，為防治地面沈陷提供了理論依據。對礦區中的地面沈陷和地裂縫進行了調查、觀測，對出現的地裂縫進行了及時回填。
銅川礦區現生產礦井“三下”壓煤十分嚴重(表5-6)，占保有地質儲量的21.8%，以鴨口礦最為嚴重，占32.8%。“三下”壓煤中，建築物下壓煤所占比例最大，為總壓煤量的89.8%，而建築物下壓煤中又以村莊下壓煤為主，占其總量的74.1%。在目前的情況下，分布於各井田未采區的村莊不可能實施搬遷，嚴重影響礦井生產接續和開采效益。為了合理規劃開采，提高煤炭資源的回收率和煤礦開采效益，將開采造成的影響降到最低，實現資源開發與環境保護協調發展。為此，銅川礦務局聯合西安科技大學進行了“銅川礦區開采沈陷規律及水源地破壞研究”。報告總結了銅川礦區建築物下不動遷試采工作面和大采深、小采高、小工作面的地表移動變形特征，從理論和實驗兩方面論證了其機理和可行性，同時，提出了在不同地質、開采條件下的工作面安全開采尺寸。
表5-6 礦區現生產礦井儲量及“三下”壓煤情況表單位:萬t
3.煤矸石的治理和利用
銅川礦區的煤矸石主要以堆存的方式存在於各個溝谷之中，大部分未做任何處理，少部分進行了填埋處理。隨著資源的日益緊張，煤矸石資源化已經成了綠色礦山的必然選擇。銅川礦務局從20世紀70年代就開始了進行煤矸石利用的探索。據有關資料記載，1978年王家河礦在沸騰爐中使用煤矸石;20世紀80年代，曾建設了三裏洞內燃矸石磚廠，但現在這兩個礦井已經破產關閉。
現在，銅川礦務局下設有奧博公司水泥廠，每年用煤矸石作為原料燒制水泥，年利用煤矸石量為1.52萬t。銅川礦務局每年還作為燃料出售部分黑矸，年利用量約為3.5萬t。2006年建立了石節礦免燒磚廠，2007年3月建成並投入試生產，年利用煤矸石1.8萬t。銅川礦區的矸石山大都處於自燃中或是已經自燃過，自燃過後產生的紅矸出售給水泥廠，作為水泥的添加料。
雖然經過了上述各個途徑的煤矸石綜合利用，但是利用量與產生量相比，微不足道。2006年銅川礦區煤炭產量為967萬t，產生煤矸石108.9萬t。加大煤矸石的利用量，實現煤矸石的資源化仍是十分艱巨的任務。
二、銅川礦區地質環境保護關鍵技術方案
1.水資源保護的技術方案
銅川礦區水資源保護技術包括兩個方面:壹是礦井水的循環利用;壹是保護煤炭開采區水資源少受破壞。
銅川區的礦井缺水問題突出，礦井水以酸性水為主。由於酸性礦井水的處理費用較高，而礦井的井下生產用水質量要求較低。當前對酸性礦井水的處理方法以化學中和法最為有效，因而，銅川區的礦井水以中和法為基礎，結合各個礦井的具體情況，可采用直接投入法、膨脹過濾法和滾筒處理法。直接投入法是在酸性礦井水中直接加入石灰粉或石灰乳等堿性中和劑;膨脹過濾法是利用石灰石等固體中和劑，采用升流式膨脹濾池中和酸性礦井水;滾筒處理法是將石灰石等固體中和劑置於處理機滾筒內，使之在不斷滾動、碰撞和磨碎過程中達到中和的目的。
圖5-16 洗水閉路循環工藝流程
焦坪區的礦井水都是處理達標後排放，這裏不再贅述。玉華礦洗煤廠采用洗水閉路循環技術，防止煤泥水排至廠外造成危害。選煤廠的洗水主要包括壓濾機濾液水、高效濃縮機溢流水和煤泥沈澱池溢流水3部分，通過實施煤泥廠內回收，洗水閉路循環技術，達到洗水平衡、洗水全部復用的目標。下面是某礦的洗水閉路循環工藝流程(圖5-16)。
煤炭開采對地表水資源的影響，主要是煤炭開采引起的地下水位的下降，泉水幹涸，致使部分河流斷流。煤炭開采中不達標的礦井水排放，引起地表水體的汙染。煤矸石等礦井廢棄物隨意堆放，不采取處理措施，也會引起地表水的汙染。因此，對地表水資源保護的主要問題就是對礦井水和煤矸石的治理，消除汙染。
煤炭開采對地下水資源的影響主要為含水層、隔水層破壞，致使地下水的補給來源和徑流途徑發生變化，造成區域地下水位下降，甚至降低到隔水層。因此，對地下水資源的保護的技術方案就是要保護含水層和隔水層免遭破壞。這就要求改進采掘方式、頂板管理辦法，防止和減少塌陷的產生，導水裂隙帶的發育不要觸及上覆含水層。如何防止地面塌陷的產生及裂隙帶的發育高度問題，我國已經做了很多這方面的工作，為銅川礦區的各個礦井提供了依據。但是，每個礦的具體條件各不相同，銅川礦務局各礦井的水文地質條件也各不相同，具體的保護技術方案還要結合各個礦井的水文地質條件和采煤方法來確定。因此，為了盡可能地使地下水資源免受破壞，還需要產學研相結合，尋找地下水資源保護和煤炭回采率的最佳結合點。
2.地面塌陷和地裂縫災害治理的技術方案
銅川礦區地面塌陷和地裂縫災害的治理技術方案也包括兩個方面:壹是對已經產生地塌陷、地裂縫的治理技術方案;壹是為了減少未來地面塌陷和地裂縫的產生的技術方案。
對於銅川市區的沈陷區，復墾後還是以工業用地為主，主要把沈陷區充填即可，因此，可以采用充填復墾。充填復墾可以利用礦區附近的煤矸石、粉煤灰、露天礦剝離廢物等充填采煤塌陷地。
對於銅川市區以外的其他地方的沈陷區復墾以生態復墾、生物復墾為主。生態復墾是將土地復墾工程技術與生態工程技術結合起來，綜合運用生物學、生態學、經濟學、環境科學、農業科學、系統工程的理論，運用生態系統的物種***生和物質循環再生等原理，結合系統工程方法，針對破壞土地所設計的多層次利用的工藝技術。其目的在於促進各生產要素的優化配置，實現物質、能量的多級分層利用，不斷提高其循環轉換效率和土地生產力，獲得較好的經濟、生態和社會綜合效益，走可持續發展的道路。它包括各種土地復墾工程技術的優選，農業立體種植、養殖、食物鏈結構、農林牧副漁業壹體化等生態工程技術的選擇，常常通過平面設計、食物鏈設計和復墾工程設計來實現。生物復墾技術是新興的土地復墾技術，是當前國內外研究熱點。生物復墾是根據復墾區土地利用方向，采取包括肥化土壤、微生物培肥等在內的生物方法，改變土壤新耕作層養分狀況和土壤結構，增加蓄水、保水、保肥能力，創造適合農作物正常生長發育的環境，維護礦區生態平衡的技術體系。比如綠肥法，是改良復墾土壤、增加有機質和氮磷鉀等多種營養成分的最有效方法。綠肥多為豆科植物，壹般含有15%～25%的有機質和0.3%～0.6%的氮素，其生產力旺盛，在自然條件較差、較貧瘠的土地上都能很好的生長，根系發達，能吸收深層土壤的養分，綠肥腐爛後還有膠結和團聚土粒的作用，從而改善土壤的理化特性。其施用方法是在工程復墾地種植綠肥作物，待其成熟後壓青翻入土壤，可采取單種、間種、套種等種植方式。對於地面塌陷區存在的地裂縫要及時回填，防止土壤養分和水分的流失。
防止地面塌陷和地裂縫的產生的技術就是改進采掘方法和頂板管理辦法。我國在這方面已經做了很多的工作，銅川礦務局也做了很多的工作，力求減少地面塌陷的地裂縫的產生。20世紀90年代初，銅川礦務局根據已設7個觀測站的實測最大下沈值，應用最小二乘法原理求得的回歸預測經驗公式，可以比較準確地預計壹般開采工作面采後地表最大下沈值，在相似地質、開采條件下可以繼續使用。銅川礦務局曾經聯合遼寧工程大學和西安科技大學進行了“陜西省銅川礦區采煤沈陷情況報告”和“銅川礦區開采沈陷規律及水源地破壞研究”，對銅川礦區采煤沈陷的規律和主要影響因素進行模擬分析，並給出了研究結論。主要研究結論有:①銅川礦區地表下沈系數影響程度的排序為擾動程度系數—覆巖綜合硬度—表土層厚度—工作面傾向長度—采厚。其中，擾動程度系數、工作面傾向長度、采厚與地表下沈系數正相關，覆巖綜合硬度與地表下沈系數負相關。②采深是影響地表動態變形的主要因素，當采深較小時，開采影響傳播到地表較快，地表下沈變化連續性差，最大下沈速度快，活躍期短，累計下沈量反而更大，地表移動總時間縮短;而當采深大時，地表移動啟動較慢，下沈曲線平緩連續，下沈速度小，且變化也小，活躍期短或無活躍期。③開采速度與開采厚度對地表下沈速度及持續時間有重要影響。開采速度與厚度越大，最大下沈速度越大，活躍期越短而累計下沈量越大，移動總時間相應縮短。④黃土層厚度是影響地表動態移動規律的重要因素。隨著土巖比的增加，地表下沈速度有增大的趨勢，移動持續時間縮短。即土層越厚，活躍期內地表的移動變形會越激烈，由移動變形而產生的地表裂縫也將越多、越大。
3.煤矸石利用的技術方案
(1)黑矸和紅矸作為水泥混合材料
銅川礦區的煤矸石山大部分存在自燃現象，甚至有的矸石山已經自燃了幾十年，燃燒過的煤矸石變成了紅矸，目前對於紅矸的利用，壹般情況下是作為水泥的混合材料，銅川礦區的部分紅矸已出售給水泥廠作為配料使用。
生產不同種類的水泥，用作水泥混合材料的煤矸石要求是炭質泥巖和泥巖、砂巖、石灰巖(CaO含量>70%)，通常選用煆燒煤矸石或是煤矸石自燃，煆燒煤矸石或自燃煤矸石含有活性二氧化矽和氧化鋁，可以作為活性火山灰質混合材料使用。銅川礦區的煤矸石屬於火山灰沈積蝕變而成的質量較高的矸石，其特點是化學成分穩定，矽鋁含量較高的粘土類礦物，其化學成分見表5-7。
表5-7 銅川礦區煤矸石化學成分(wB/%)
用煤矸石作混合材料生產火山灰水泥的生產工藝流程與生產普通水泥的工藝流程基本相同，其生產流程見圖5-17。
圖5-17 煤矸石作水泥混合材料的工藝流程
(2)生產矽酸鹽水泥
以煤矸石作為原料生產水泥，主要是根據煤矸石和粘土的化學成分相近，可代替粘土提供矽鋁質原料，而且煤矸石能釋放壹定的熱量，可節省部分燃料。煤矸石代替黃土配料特別易燒，主要是因為煤矸石中含有多種微量元素，如硫、氟、鈦、釩、硼、鍶、鋇等，具有礦化作用，同時煤矸石含有熱能，進入預熱器後能加速物料的預分解，使產量大幅度增長，操作時各級預熱器筒溫度相應降低，不用投資就能達到8級預熱器的效果。
根據陜西華峰建材公司生產火山灰質矽酸鹽水泥中的經驗，用煤矸石替代黃土作為原料生長矽酸鹽水泥，具有眾多的優點。煤矸石配料、摻加混合材料後的水泥早期、後期強度降低幅度小。相比混合材料摻量提高15%以上，減少孰料用量15%，增加紅矸用量15%。孰料價格為180元/t，紅矸價格按20元/t計，火山灰質矽酸鹽水泥與普通矽酸鹽水泥的差價為10元/t，計算可知每噸水泥的成本降低14元，年產8.5萬t水泥，節約119萬元。
利用煤矸石代替黃土作為水泥配料，能提高回轉窯、水泥磨的臺時產量和水泥質量，具有良好的經濟效益和社會效益。
(3)煤矸石作混凝土摻合料
自燃煤矸石或燃燒煤矸石作為混凝土摻合料使用有3個方面的優勢。壹是能降低水泥用量，從而降低能源消耗;二是能大量利用煤矸石，降低對環境的汙染;三是能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鹽侵蝕等能力，提高混凝土制品質量和工程質量。這是實現煤矸石資源化、無害化處理的壹個重要途徑。
自燃煤矸石或燒煤矸石具有火山灰活性，活性二氧化矽和氧化鋁能與水泥水化過程中析出的氫氧化鈣發生緩慢的“二次反應”，生成水化矽酸鈣和水化鋁酸鈣，與水泥漿硬化體堅固地結合起來，提高混凝土的抗摻性和耐久性。粉狀煤矸石在混凝土中具有超出火山灰活性的特殊物理功能，如增加漿體的體積功能、填充漿體孔隙功能等，使煤矸石混凝土物理化學作用達到動態平衡，起到了使混凝土性能改善和質量提高的作用。
(4)煤矸石作混凝土集料
煤矸石中含有大量的矽鋁物質，其中的可燃物質和菱鐵礦在焙燒過程中析出氣體並膨脹，因此，煤矸石是生產輕骨料的理想原料。煤矸石輕骨料壹般是由含碳量不高的碳質巖類、泥質巖類煤矸石經破碎、粉磨、成球、燒脹、篩分而成，也可以將煤矸石直接破碎到壹定比例直接焙燒而成。利用煤矸石制造的輕骨料，是具有良好保溫性能的新型輕質建築材料。
(5)白矸作為水泥混合材料和建築材料
銅川礦區煤炭生產中產生的白矸，其主要成分為石灰巖和砂巖。砂巖經過加工可以作為建築材料，也可以作為井下充填材料利用。石灰巖經過加工也可以作為建築材料使用，同時也可以作為生產水泥或生石灰的原材料加以利用。
(6)煤矸石免燒磚
傳統的燒結磚工藝對環境造成二次汙染，而且對煤矸石有較強的選擇性。采用煤矸石做原料生成免燒磚，原料選用重點是燒磚困難或不能燒磚的含鐵、硫、鈣、鎂等較高的煤矸石。利用煤矸石制免燒磚，避免了傳統制磚工藝造成的二次汙染，同時顯著提高了煤矸石原料的適應性，是今後煤矸石制磚的重要方向。
免燒是以自燃煤矸石或燃燒煤矸石為主要原料，用水泥、石及外加劑等與之配合，經攪拌、半幹法壓制成型、自然養護制成的壹種砌築材料，其主要工藝流程見圖5-18。
(7)煤矸石混凝土砌塊
以自燃或人工煆燒煤矸石為骨料，水泥等為膠結材料，加入少量外加劑，加水攪拌並經成型、自然養護而成的實心或空心砌塊稱為煤矸石混凝土砌塊。煤矸石混凝土砌塊性能穩定，具有質輕、高強、工藝簡單、成本低、利廢率高、使用效果好的優點，是壹種很有發展前途的新型墻體材料。煤矸石混凝土砌塊生產工藝簡單易行，其工藝流程如圖5-19所示。
煤矸石混凝土砌塊的原材料包括集料、膠結料和外加劑。集料為自燃的煤矸石或燒煤矸石，符合JC/T541—94《自燃煤矸石輕集料》的要求即可。膠結料包括水泥、粉煤灰、自燃可燒煤矸石粉等。外加劑為石膏、生石灰等。
(8)煤矸石發電技術
含碳量高的煤矸石(含碳量≥20%，熱值在6270～12550kJ/kg)可以直接作為流化床鍋爐的燃料用來發電。用煤矸石燃燒產能發電工藝簡單:首先，將煤矸石和劣質煤的混合物破碎，粉磨至粒徑小於8mm;然後，由皮帶機送入鍋爐內在循環流化床上進行燃燒，流化床燃燒是靠從床底送進的高壓氣流使煤矸石粉粒在爐床上“沸騰”運動，形成壹定高度的流化狀態;最後，燃燒產生的煙塵經除塵器後送入煙道，燃燒產生的灰渣經水冷後泵入灰場。
圖5-18免燒磚工藝流程
圖5-19煤矸石砌塊生產工藝流程圖
4.瓦斯發電技術
瓦斯發電是以瓦斯氣為能源、將瓦斯氣中蘊含的熱能轉化為電能的能量轉換過程。目前實用的瓦斯發電方式主要有燃氣發動機、燃氣輪機和汽輪發電機3種方式。下石節礦於2005年5月建立了3000kWh的瓦斯自備電廠。
5.煤與瓦斯***采技術煤層的采動會引起其周圍巖層產生“卸壓增透”效應，即引起周圍巖層地應力封閉的破壞(地應力降低—卸壓、孔隙與裂縫增生張開)、層間巖層封閉的破壞(上覆煤巖層垮落、破裂、下沈;下伏煤巖層破裂、上鼓)以及地質構造封閉的破壞(封閉的地質構造因采動而開放、松弛)，三者綜合導致圍巖及其煤層的透氣性系數大幅度增加，為卸壓瓦斯高產高效抽采創造前提條件。
從卸壓瓦斯流動通道觀點看，采動破壞的造縫作用在采空區上方垂向方向上形成“三帶”:垮落帶(形成貫通采場的空洞與裂縫網絡通道)、斷裂帶(形成層向與垂向裂縫網絡通道)和彎曲下沈帶(形成層內層向裂縫網絡通道)。從卸壓瓦斯流動觀點看，巖層的垮落、自然充填的支撐和壓實等作用，在采空區上方的橫向方向上也產生“三帶”:初始卸壓增透增流帶、卸壓充分高透高流帶和地壓恢復減透減流帶，這橫向的“三帶”在垂向的“斷裂帶”和“彎曲下沈帶”內都存在。
煤層卸壓時采動形成的煤(巖)體變形、破裂和裂隙伸張將大幅度地提高煤(巖)體瓦斯運移的透氣性，產生“卸壓增透增流”效應，形成瓦斯“解吸—擴散—滲流”活化流動的條件。因處在不同區域內的煤巖裂隙分布不同，瓦斯的解吸及流動條件不同，采用合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系統，可實現瓦斯資源的安全、高效開采。瓦斯資源的開采減少了卸壓煤層的瓦斯含量，消除了卸壓煤層煤與瓦斯突出危險性，減少了瓦斯向工作面風流中的湧出量，從而為卸壓煤層的安全高效開采創造了必要的條件。
以上只是煤與瓦斯***采技術的理論知識，具體的煤礦的地質條件和煤層情況各異，理論還要與實際相結合，進行產學研相結合，探討焦坪區煤與瓦斯***采技術。煤礦瓦斯治理國家工程研究中心、淮南礦業集團、中國礦業大學、安徽建築工程學院、安徽理工大學等單位產學研相結合，在淮南礦區進行合作攻關，系統地提出留巷鉆孔法煤與瓦斯***采新方法，根據煤層群賦存條件，首采關鍵卸壓層，沿采空區邊緣沿空留巷實施無煤柱連續開采，在留巷內布置上、下向高、低位鉆孔，抽采頂底板卸壓瓦斯和采空區富集瓦斯的煤層瓦斯開采技術，並通過創新快速構建沿空留巷巷旁充填墻體技術，實現與綜采工作面同步推進的煤與瓦斯高效***采的開采方法。創新了“沿空留巷圍巖結構穩定性控制”、“巷旁充填材料研制與快速留巷充填工藝系統集成創新”和“留巷鉆孔瓦斯抽采”等3項留巷鉆孔煤與瓦斯***采技術。焦坪區可以參照淮南礦區的經驗，結合焦坪礦區的地質條件、煤層特征和瓦斯特征及下石並進行科學研究，探討適合的煤與瓦斯***采技術。