如何进一步加强煤矿资源节约

2011年一季度，中国煤炭工业经济运行情况平稳。全国原煤产量完成7.92亿t，同比增长8.3％；煤炭销量7.6亿t，同比增长6.8％；煤炭价格波动不大，安全生产状况稳定好转。

中国煤炭工业发展的前景展望

在今后相当长的时间内，煤炭仍然是中国的主要能源

煤炭是中国的主要能源。中国能源资源条件的特点是富煤、少油、缺气，这就决定了在未来较长时期内，煤炭在中国能源结构中仍将居主体地位。今后五年，我国明确提出要合理控制能源消费总量，明确总量控制目标和分解落实机制。通过严格控制能源消费总量达到加快转变经济发展方式的目的。随着经济结构的战略性调整以及水电、核电、风电等新能源和可再生能源的发展，非化石能源消费比例提高将从8.3％提高到11.4％，提高3.1个百分点，煤炭消费比重将下降，增幅将回落，但煤炭总量仍将保持一定幅度的增长。煤炭在中国主体能源的地位很难改变。

根据国民经济"十二五"规划，在全国GDP增长7％的条件下，预计到2015年中国煤炭生产量将达到38亿t以上，年煤炭净进口量2亿t左右，煤炭消费量将达到40亿t左右。

"十二五"（2011-2015）时期是中国煤炭工业由量的增长向质的提升转型发展的关键时期

"十二五"时期，中国仍然处在经济社会发展的重要战略机遇期，也是中国煤炭工业转型发展的关键时期。

随着中国工业化、城市化、市场化和国际化快速发展，能源需求将继续增长，对煤炭工业发展提出了新的更高的要求。中国煤炭行业高度关注和顺应世界经济和能源工业发展的大趋势，在总结以往煤炭工业发展经验的基础上，将选择适合自己国情和时代特征的科学发展道路。

中国政府高度关注和支持煤炭工业发展，确立了"煤为基础，多元发展"能源发展方针，颁布了《国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》，发布了《煤炭产业政策》，制定了《"十二五"煤炭工业发展规划（2011-2015）》，为今后一个时期煤炭工业的发展指明了方向。

展望未来，在世界经济发展的大背景下，生态环境保护、发展非化石能源和低碳经济、节能减排、资源综合开发和利用等已成为了国际社会普遍关注的焦点之一。中国煤炭工业发展依然面临着资源约束强化、环境压力加大、转变发展方式任务繁重、安全生产难度增加等挑战。坚持科学发展，转变经济发展方式，走新型工业化道路，加快推进煤炭工业由量的增长向质的提高转变，实现节约发展、清洁发展、安全发展和可持续发展，显得尤为重要。

"十二五"时期中国煤炭工业发展的总体要求是：坚持发展先进生产力，提高劳动者素质，坚持规模化、现代化，走工业化和信息化相融合的发展道路；把增强科技进步和组织创新能力，建设资源节约型、环境友好型、安全有保障、经济效益好、健康可持续发展的新型煤炭工业体系，真正摆在煤炭工业发展战略的核心位置。

中国煤炭工业总体开发布局将大规模地由中东部地区向西部地区转移

"十二五"时期中国煤炭工业发展的重点要求是：按照科学布局、集约发展、安全生产、清洁利用、保护环境的发展方针，以转变发展方式为主线，以科技进步为支撑，以改革开放为动力，发展具有国际竞争力的大型煤炭企业集团，建设大型煤炭基地，建设大型现代化煤矿（露天），保障煤炭稳定供应，改善矿区生态面貌，提高矿工生活水平，促进煤炭工业可持续发展。

"十二五"期间，中国将合理控制能源消费总量，坚持节约优先、立足国内、多元发展、保护环境、加强国际互利合作、调整优化能源发展战略，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系。统筹规划全国能源开发布局和建设重点，建设山西。鄂尔多斯盆地、内蒙古东部地区、西南地区和新疆五大国家综合能源基地。按照"控制东部、稳定西部、开发西部"的指导思想，从今年起，煤炭开发向西部地区转移的趋势更加明显。西部陕、蒙、宁和新疆等省区煤炭资源丰富，开发潜力大，主要运煤大通道正在建设或规划建设，为西部大规模开发布局创造了条件。一大批现代化矿井（露天）将重点在西部地区动工，将加快陕北、黄陇、神东、蒙东、宁东煤炭基地建设，稳步推进晋北、晋东、云贵煤炭基地建设，启动新疆煤炭基地建设，依托以上煤炭基地建设若干个大型煤电基地。

"十二五"期间中国煤炭工业转型发展的基本路径是努力实现"五个"转变

由产量速度型向质量效益型转变。抓住结构调整、转变发展方式的有利时机，大力推进煤炭企业兼并重组和资源整合，创新发展模式、大力减少煤矿和工作面个数，提高单井产量，合理集中生产，努力实现煤炭行业由产量速度型向质量效益型转变，提高科学发展能力。

实现由粗放的煤炭开采向以高新技术为支撑的安全高效开采转变。加大煤炭行业重大安全基础理论和关键性技术研究，推动煤矿由传统的生产方式向大型化、现代化、自动化、信息化的方向转变，大型煤矿形成安全高效集约化发展模式，中小煤矿机械化水平明显提高。煤炭企业管理由经验决策转向信息化、系统化、科学化决策上来，推动煤炭生产向安全高效，集约化方向发展。

煤矿安全实现由控制伤亡事故向职业安全健康转变。坚持以安全生产为前提，把煤炭工业发展建立在煤矿安全状况不断改善、全行业职业安全健康水平不断提高的基础上，实现煤矿安全生产的明显好转并向根本好转迈进。

实现由单一煤炭生产向煤炭资源综合利用、深加工方向转变。结合我国煤炭资源开发与消费布局特点，以资源开发为龙头，发展新兴产业，推动煤炭清洁高效利用，提升煤炭价值空间，推动煤炭上下游产业一体化发展，特别是推进煤电一体化发展，推进煤炭深加工转化，促进煤炭产业升级。

实现由资源环境制约向生态环境友好型转变。坚持循环经济发展理念，推动资源综合利用和节能减排工作，加快科技创新和新技术研发，推进煤矿绿色开采，建立矿区生态环境修复与治理机制、以最少的资源和环境消耗，支撑国民经济又好又快发展。

1 优点\x0d\x0a1.1煤炭地下气化技术具有较好的环境效益\x0d\x0a煤炭地下气化燃烧后的灰渣留在地下，采用充填技术，大大减少了地表下沉，无固体物质排放，因此煤炭地下气化减少了废物和粉煤灰堆放面积及对地面环境的破坏，这是其他洁净煤技术无法比拟的。地下气化煤气可以集中净化，脱除焦油、硫和粉尘等其他有害物质，可以消除SOx和NOx污染，汞、颗粒物和含硫物质等其他污染物也大大减少。\x0d\x0aUCG与传统采煤加地面燃烧相比，可减少二氧化碳排放，并有利于进行碳捕捉和储存。CO经地面变换后，采用分离技术将CO2分离出来储存或作其他用途，从而得到洁净煤气，因此，地下气化技术有利于解决大气污染问题。\x0d\x0a 地下气化煤气中H2含量在40%以上，分离后得到各种纯度的H2。H2是当今人类最理想的洁净能源，H2可储、可输性好，不仅是高能燃料，又可作为中间载能体使用，它转变灵活、使用方便、清洁卫生，在自然界中形成水-氢-水自然循环，所以氢能是一种可再生能源，符合人类可持续发展的需要。\x0d\x0a1.2煤炭地下气化技术提高了煤炭资源的利用率\x0d\x0a煤炭地下气化技术可大大提高资源回收率。在抽采煤层气之前进行地下煤气化可回收煤炭热值75%以上，在抽采煤层气之后进行地下煤气化也可回收煤炭热值的70%。此外，还使传统工艺难以开采埋藏太深的煤、边角煤、“三下”（河下、桥下、建筑物下）压煤、己经或即将报废矿井遗留的保护性煤柱和按国家环保规定不准开采的高硫高灰劣质煤得到开采。\x0d\x0a 煤炭是我国国民经济发展的基础产业，但受传统井工开采技术水平的限制，随着开采强度的逐渐增大，大量的矿井报废或行将报废。据统计1953～1989年有报废矿井297处，1990年～2020年还有244处将报废，遗弃资源储量到目前为止已有300亿吨以上，一般为井工开采（由工人下入井内进行资源开采，与露天开采相对应，井工可采煤炭量仅占煤炭资源储量的11.43%）遗留的煤柱、薄煤层、劣质煤层、高瓦斯煤层等。煤炭地下气化技术的发展应用，为这些资源的有效动用提供了途径。利用煤炭地下气化技术，可使我国遗弃煤炭资源50%左右得到利用。煤炭地下气化技术还可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层、浅海海底煤层。因此，地下气化可大大提高了煤炭资源的利用率。\x0d\x0a1.3安全性好\x0d\x0a煤炭地下气化技术由于实现了井下无人无设备生产煤气，因此具有较好的安全性，可避免传统采煤的煤矿塌陷、透水、瓦斯突出等事故。\x0d\x0a1.4投资少、经济效益好\x0d\x0a与矿井和矿场建设相比，建设地下煤气化站的投资低2.5倍。与地面气化相比投资显著降低。\x0d\x0a1.5劳动生产率高\x0d\x0a劳动生产率与露天采煤同样高，为矿井采煤的4倍，产品成本与露天采煤相当，比矿井挖煤大幅下降。\x0d\x0a1.6省去了煤的运输和装卸\x0d\x0a由此没有运输过程中的燃料损失和煤尘等污染物排放，并减少相应的费用。\x0d\x0a2 存在的不足\x0d\x0a地下煤气化广泛工业化推广之路仍然有很多需要大量研发投入来克服的挑战。尽管地下煤气化有很多优点，但技术仍不完善，有多种局限：\x0d\x0a①有可能导致重大的环境影响：地下蓄水层污染和地表塌陷。根据目前的知识可以建造一种结构，避免或降低这一风险。\x0d\x0a②对很多煤资源来说地下煤气化可能技术上是可行的，但是适合地下煤气化的矿藏可能有多得多的限制，因为一些矿藏可能有增加环境风险至不可接受水平的地址和水文特点。\x0d\x0a③对地下煤气化的控制不能达到像地面煤气化的程度。很多的过程变量，诸如水注入速度、气化区中反应物分布、孔穴增长速度，只能通过测量温度和产品气的质量和数量进行估计。\x0d\x0a④经济性有很大的不确定性，直至有适当数量的基于地下煤气化的电厂被建设和运行。\x0d\x0a⑤地下煤气化本质上是一个非稳态过程，因此产品气的流速和热值会随时间变化，产品气成分不稳定。

一、研究目标

通过广泛收集资料、遥感、野外地质调查、取样测试、野外试验、室内实验等工作手段对整个鄂尔多斯盆地内煤炭开发与地质环境的互馈效应进行调查研究在此基础上，选择大柳塔矿区、铜川矿区作为两个重点研究区，结合重点区地质环境现状、环境保护现状及国外最新地质环境保护技术对其现有生态环境保护与建设方案进行优化并根据前期研究找到重点区生态环境建设应解决的关键问题进行技术攻关，为煤矿区生态地质环境建设提供可靠的技术支撑。

二、研究内容

1)“基地”煤炭开发与地质生态环境互馈效应调查研究。

2)典型煤矿区现有生态环境保护与建设优化方案。

3)典型煤矿区关键技术攻关。

三、技术路线

1.在“基地”煤炭开发与地质生态环境互馈效应调查研究方面

采用采样、试验等方法，进一步调查“基地”煤炭开发引起的水-土-环境污染和生态环境破坏现状，对其种类、强度和内在机理进行分析，同时利用遥感解译方法调查“基地”煤炭开发引起的水-土-生态环境变化的面上分布特征和规律性。另外对研究区现在进行的环境保护措施对能源开采的反馈效应进行调查研究。

(1)地面调查

内容包括地下水疏干、矿坑废水排放、地面塌陷与地裂缝、地表植被破坏等。

(2)遥感解译

选择合适精度的遥感影像进行解译，解译内容为煤炭开采前后地质生态环境的变化，以及露天煤矿、尾矿堆分布情况等。

(3)环境保护措施对煤炭开采反馈效应调查研究

调查内容包括洁净煤生产技术应用情况、矿坑废水处理等环境整治措施和各种塌陷地复垦的生态效益和社会、经济效益。

2.在典型煤矿区现有生态环境保护与建设优化方案方面

在典型煤矿区互馈效应调查的基础上，进一步把重点区正在实行的生态环境保护和建设方案与国内外其他能源基地生态环境保护和治理的方法、手段进行对比研究，总结各种生态保护和建设方案的优缺点，根据重点区煤炭开发引起的水-土生态地质环境问题的特点，探讨重点区各种生态建设方案的优化措施，对在重点区具有利用前景的方法进行进一步深入调查研究，制定出具有可行性的优化方案。

3.在典型煤矿区关键技术攻关方面

根据前期研究找到重点区生态环境建设应解决的关键问题进行技术攻关，并利用攻关成果进行关键技术的应用示范。在进行深入分析的基础上，我们选择了大柳塔采煤塌陷区土壤水资源综合利用技术与铜川矿区水资源保护技术、地面塌陷和地裂缝灾害治理的技术、煤矸石利用技术开展重点攻关研究。

四、工作方法

通过广泛收集资料、遥感、野外地质调查、取样测试、野外试验、室内实验等工作手段，在两个典型研究区———铜川矿区和大柳塔矿区进行重点研究，其中铜川矿区作为地处黄土地区的老型、即将封闭、面临转型的典型矿区，大柳塔矿区作为一个地处黄土与沙漠交接带的新型矿区，分析两矿区在煤炭开发过程中所面临的不同地质环境问题及防治措施。在此基础上针对两个不同类型矿区存在的关键技术问题进行技术攻关，提出地质环境保护优化方案。

下面将对遥感解译方法及重点区工作方法分述如下:

(一)遥感解译方法

1.研究内容

以大柳塔矿区为例，研究煤炭资源开发对地质环境的影响，利用多期遥感影像对比，分析环境保护治理技术对矿区地质生态环境的改善作用。

主要研究内容包括以下几个方面:

(1)遥感数字图像处理

对研究区遥感数字图像如TM，ETM+，SPOT-5进行预处理和增强处理，使矿区第五信息特征明显，易于识别。

(2)遥感信息提取

采取人机交互解译方式提取1989～2002年鄂尔多斯盆地矿区土地利用、覆盖变化信息2007年矿区开发占用土地信息、引发的地质灾害及矿山生态环境恢复预治理信息等。

(3)遥感影像专题地图的制作

1989年、2002年大柳塔矿区土地利用、覆盖动态监测图矿区生态环境遥感监测图大柳塔矿区地质环境遥感影像解译等图件的制作。

2.技术路线

(1)土地利用/覆盖动态监测

1)收集研究区1989年TM数据、2002年ETM+数据

2)进行波段选择，同时进行数据的校正等常规的预处理，使相关数据统一在同一地理坐标

3)进行野外调查工作，根据初步处理的遥感影像，建立基本解译标志

4)采用人机交互方式对土地利用/覆盖动态变化进行解译，并分析解译精度

5)对解译结果进行面积统计和分析。

(2)环境调查与监测技术路线

1)收集资料，了解矿区矿山地质、地貌和环境特征，矿山开采现状和历史，矿山尾矿和废矿的排放和堆积情况

2)对SOPT-5数据进行图像增强、波段选择，并进行正射校正

3)进行野外调查工作，根据初步处理的遥感影像，建立基本解译标志

4)采用人机交互方式对SPOT-5数据进行矿产开发占用土地、地质环境破坏解译。

(二)大柳塔矿区运用的主要方法

在全面调查大柳塔矿区煤炭开发引起的地质环境现状、现有地质环境保护措施及现有保护措施对煤炭开发的促进作用等基础上，发现该矿区煤炭开发引起的主要地质环境问题是地面塌陷。地面塌陷造成该矿区土壤资源和水资源破坏严重。尤其是矿区地表塌陷造成的包气带结构变化及对土壤水分运移机制造的严重影响，是矿区生态环境恶化的主要原因。因此，为深入了解矿区采煤塌陷区包气带中土壤水分的运移情况，探讨采煤塌陷区的土壤水资源保护与综合利用技术方案，本项目采用野外试验与室内实验相结合的方法，在研究区内选取典型地点建立野外水分运移试验场针对包气带水分运移中的难点，开展室内物理模拟实验作为野外试验的补充，对采煤塌陷条件下包气带水分运移机理及其生态环境效应进行了重点研究，继而提出了采煤塌陷区土壤水资源保护与综合利用技术方案。具体工作方法如下:

1.野外水分运移试验方法

(1)试验目的

为了分析、认识采煤塌陷区与非塌陷区包气带水分运移机理及其生态环境效应，获取可靠试验观测数据。

(2)试验地点

野外水分运移试验场(以下简称试验场)试验地点选择在陕西省神木县大柳塔镇前柳塔村原双沟农场，试验场布置如图1-2所示。

图1-2 大柳塔野外试验场布置图

(3)观测点

试验场包含两个观测点，即非塌陷区水分运移观测点和塌陷区包气带水分运移观测点。

(4)装置

在每个试验点安装1套4m深中子仪测管，1套负压计系统，每套负压计系统配带30个负压计测头(依据实际条件进行调整)。整个试验场需中子仪一套，WM-1型负压计系统两套。

(5)监测方法

土壤含水量采用中子仪进行监测。在试验场塌陷区试验点和非塌陷区试验点均安装中子水分仪观测管，野外测试点土壤剖面含水量的测量共40个测点。第一个测点距地表10cm，在200cm深度以上测点间距为10cm200～400cm深度，测点间距为20cm，400cm为最深测点。各试验点在冻结期为每10d观测1次。在冻融期开始以后改为每3d观测1次。雨后第一、第三天各观测1次，以后改为正常的每3d观测1次。

土壤水势采用WM-1型负压计系统进行监测。负压计测量系统采用斜插暗埋式安装。测点位置与含水量测点位置一致，即第一个测点距地表10cm，在200cm深度以上测点间距为10cm200～400cm深度，测点间距20cm，400cm为最深测点。总测点设计30个。负压计观测时间和次数与中子仪观测同步进行。

2.水分运移室内物理模拟实验方法

(1)实验目的

1)了解细砂(风积沙)、粗砂(萨拉乌苏组粗砂)、二元结构体(上细砂下粗砂)条件下包气带水分运移状况

2)了解不同降雨条件下包气带水分运移规律

3)了解包气带水分渗漏过程及规律。

(2)试验地点

中国地质科学院水文地质环境地质研究所物理模拟大厅。

(3)装置

土柱，水位测压管，马里奥特瓶———水位控制装置，排泄量测量装置，物理模拟实验降雨装置，WM-1型负压计系统。

(4)实验试土

物理模拟实验模型试土取自大柳塔，为双沟野外试验场两种主要的土壤———细砂(风积沙)和粗砂(萨拉乌苏组粗砂)试土机械组成见表1-1。试土分别填装在4根4m高的土柱中，其中1#土柱内全部为风积砂2#土柱内全部为粗砂3#、4#土柱内为二元结构体(上部为风积沙，下部为粗砂)，开展平行实验。

表1-1 试土颗粒分析表

(5)实验前期工作———试土预处理及负压计安装

试土填装后，对土柱进行由下向上饱水处理。完全饱水持续15d，而后排水，使试土在排水过程中自然稳定。排水结束后，对土柱进行负压计安装，详细信息见表1-2。

(6)试验内容

1)单次40mm降雨入渗试验

2)3次叠加降雨入渗试验(降雨量拟为10mm，20mm和8mm，降雨间隔分别为7d和15d)

表1-2 室内实验土柱信息一览表

3)单次100mm降雨入渗试验(各土柱各次降雨信息见表1-3至表1-6)。

(7)观测方法

室内实验使用WM-1型负压计系统对土水势进行长期观测，一般每天观测2次，分别在早7:00和晚6:00。降雨期间及随后几天内进行加密观测(具体次数根据湿润锋前移速度定)，为实验期间正常工作的WM-1型负压系统观测板。土壤含水量则进行取土观测。

表1-3 1#土柱模拟降雨信息一览表

表1-4 2#土柱模拟降雨信息一览表

表1-5 3#土柱模拟降雨信息一览表

表1-6 4#土柱模拟降雨信息一览表

(三)铜川矿区运用的主要方法

1)通过收集资料和调查走访的形式，初步了解铜川矿区所存在的矿山地质环境问题。通过收集资料、野外调查和采集样品，分析铜川矿区所存在的矿山地质环境问题，并分析成因，尤其要注重煤炭开发与矿区地质环境问题之间的关系。针对铜川矿区的主要地质环境问题，重点研究煤矸石对环境造成的影响、煤炭开发对水资源的影响和引起的地面塌陷的影响。

2)为了研究煤炭开发对水资源的影响，在铜川矿区的井下水仓、排水口、污水处理场、煤矸石淋滤液及河流中采集了水样，以研究煤炭开发对水资源污染方面的影响，同时还调查收集了煤炭开采引起的地下水资源的水位、水量、水质、水源地等的变化情况。

3)为了研究煤矸石对环境的影响和开展综合利用，在不同的矿区采集了煤矸石样品，测定其化学含量，同时还调查走访了矿区中煤矸石现在的利用情况。

为了观测矸石山扬尘对土壤的影响，在矸石山的下风向方向采集了表土样品。沿风向布设采样线，各个采样点距离矸石山的距离分别为5m，10m，15m，20m，30m，50m，150m，300m，500m，在1000m以外采集样品作为背景值，每个土壤样品均取表土(0～15cm深)。

为了研究煤矸石山对土壤的影响，在距离矸石山1m和5m的距离采集了两个土壤剖面样品。两个剖面中采样点距离地面的距离分别0cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，80cm，100cm，120cm，140cm，160cm，180cm，200cm。每个样取200g，对所取的样品进行土壤易溶盐全分析及重金属含量测试。

为了研究矸石山对植物的影响，在矸石山周边和背景区分别采集了植物全茎样品，进行重金属含量的测定。根据植物中重金属含量的富集情况，一方面可以了解煤矸石对周边植被的影响另一方面也可以根据植物对某些重金属的富集能力进行重金属污染的治理修复。

4)为了研究矿区的地面塌陷和地裂缝情况，课题组除了收集铜川矿务局关于地面塌陷资料外，还对矿区中的部分塌陷和地裂缝进行了实际的野外调查工作。

5)为了改善矿区的环境，促进城市的转型，在前述工作的基础上，对铜川矿区对环境影响较大的地面塌陷、煤矸石和水资源问题进行了治理规划优化方案，希望实现煤矸石资源化和矿井水资源化，减少污染，保护环境，改善环境，为城市的顺利转型做好基础工作。

1.当前研究的不足之处

纵观国内外研究现状，虽然已取得显著进展，但仍存在某些不足之处有待于进一步研究。

（1）加工利用前的洁净煤地质研究尚待系统化

在煤中有害元素种类、分布规律、赋存状态、结合方式、富集规律等方面存在许多模糊认识，特别是对煤中有害元素的来源、载体、迁移方式、卸载机理等知之较少。对煤中微量元素迁移富集的地质因素及机理研究尚待深入。例如：有机质聚集、成岩、各种变质作用、热液作用过程中，煤中微量元素的富集机理及其与地质、地球化学背景及地质发展史的关系；低温热液流体运移对煤中物质，特别对煤中元素的影响及其作用的研究；目前对煤中个别有害微量元素的研究水平很高，但仅限于少数几种有害元素；研究成果相对零散，部分原始数据没有公开发表，反映全国煤中微量元素的含量水平、分布赋存规律的数据库一直未能建立；现有研究成果多集中在煤中微量元素的异常区，往往使人产生误解，认为中国煤中有害元素普遍较偏高。因此，全面评价我国煤炭资源及其环境效应，充分合理地利用丰富的煤炭资源，已有的研究成果和数据仍显不足。

（2）加工利用过程中的洁净煤地质及环境效应研究尚待深化

首先，对有害元素在煤及煤矸石洗选过程中迁移释放、析出的机理与难易程度的变化规律及对表生环境的作用研究很少。前人虽对煤中有害元素的可洗选性做过某些研究（许琪，1988；张振桴等，1991，1992，1993；冯新斌，1997 b；周义平，1994，1998；王立刚，2002），但都是通过浮沉试验来分析煤中微量元素与煤颗粒比重级的关系，不免有些局限性。刘桂建等（1999）通过一个煤样的洗选实验，分析了煤洗选过程中微量元素的析出及其在各粒级中的分布情况，认为多数微量元素在煤的粒度大于37 mm时，其含量最小，如La，Ce，Nd，Eu，Tb，Yb，Lu，Sb，Se，Ta，La等，微量元素Na，K，Rb等则随着煤粒度的变小，其含量逐渐减少；一部分微量元素变化不大，变化也无大的规律性，如Ce，Ba，Tb等。但是，由于其只限于一个样品，只讨论了几个有害元素，且没有与选煤厂的实测资料相结合，其结论不免带有特殊性。Akers等（1994）研究了煤中12种有害元素，认为用先进的洗选技术比传统技术更能有效地脱除煤中有害元素。Akers等（1995）进一步分析了美国煤中灰分及13种有害元素的可选性，认为大部分有害元素可选性都在50%以上。Devito等（1994）研究了同一煤层、不同煤层原煤与精煤中11种有害元素的含量及洗选脱除率。Quick等（2002）认为，尽管煤炭洗选是脱灰脱硫的较成熟技术，但有关煤中微量元素脱除的信息是有限的。以上研究，都未探讨有害元素的洗选迁移机理，也没有对中煤、煤泥进行系统研究。

第二，对煤燃烧过程中各种污染物的生成、转化、迁徙和防治的理化机理和内在规律的认识有待深入。Ratafa-Brown（1994）认为：煤粉末化燃烧后，42%的粒表面积是由小于5μm的颗粒提供的，煤中微量元素相对集中地分布在最小的颗粒中，有些元素，如As，Cd，I，Pb，Sb和Se等，在飞灰中的含量比在地壳中的丰度高出几百倍到几千倍，而亚微米级的颗粒则更明显，并指出了影响煤燃烧过程中微量元素分异及其最终形态的五种物理化学因素。Clarke（1993）的研究表明：有些元素表现了双重性，有时表现出挥发性，有时则在粗粒底灰中富集而表现出非挥发性。Clarke（1995）发现，煤中元素的分异行为与元素或其氧化物的沸化点有关，进而将煤中微量元素分为三类：Ⅰ类，不挥发性元素（Mn，Th，V等）；Ⅱ类，中等挥发性元素（B，Se，As等）；Ⅲ类，易挥发性元素（Hg，Br，F等）。Senior等（2000a，2000b）基于燃烧实验，研究了燃煤过程中微量元素的挥发与浓缩行为。Llorens等（2000）提出了快速评价燃煤电厂中微量元素向环境迁移程度的方法。Quick等（2002）通过原煤与精煤的燃烧实验，对比了两者燃烧过程中微量元素的分异行为，认为相对于原煤燃烧后飞灰，有些元素在精煤燃烧后的飞灰中更加富集。Tomeezek等（2002）基于温度梯度（TG）和差热失重（DTG）实验，分别在惰性气体和充氧环境中，温度达到1700 K时，对煤中矿物的形态转变进行了研究。煤的燃烧是一个非常复杂的过程，它是一个受多种因素影响的复杂的多元、多相反应。煤质、气氛、温度、压力、燃烧设备等，无疑都对煤的燃烧产生重要影响。燃烧体系中除了复杂的化学平衡，还存在相平衡，且相际之间可能发生化学反应。热力学平衡方法在评价煤燃烧过程中微量元素转化形态方面十分重要，可以分析燃烧体系温度、压力和总组成函数的微量元素热力学稳定的化学组成及物理相。目前，国际上应用最广的热力学平衡法是Gibbs自由能最小化法（GEA）。在GEA基础上建立起来并用于燃煤中微量元素研究的热力学商业化软件包主要有：NASA-CSA，FACT，MTDATA，MINGT-STS，SOLGASMIX，STANJAN，ALEX，GEMINI等（孟韵等，2002）。其中，FACT系统自带包含有6000种无机矿物质组分热力学特性的数据库，ALEX自带包括30种常量元素和微量元素的600种纯凝聚相、液相、气相和固相物质的热力学数据；GEMINI 自带 COACH 数据库，包括100种元素9000种形态。随着烟气温度的降低，从炉膛高温区煤中释放出来的微量元素会与烟气中的其他成分（如HCl，SOx等）反应。在炉膛中与痕量元素相关的反应很多，从热力平衡计算的结果来看，反应就不下几百种。如果从动力学方面考虑，情况则更为复杂，反应既有均相的也有非均相的。以上资料显示，尽管有害微量元素排放已成为燃烧污染领域中一个新兴而前沿的研究热点，但在煤燃烧产生的众多污染物中，人们对微量元素的排放规律和抑制机理的探索和认识最为肤浅，在我国更是如此（郑楚光等，2002）。

第三，对煤、煤矸石及燃煤产物的淋滤迁移行为、机理及环境污染研究较为薄弱。煤、煤矸石和燃煤产物（飞灰、底灰、炉渣）在堆积地受雨水、灰水、地下水的淋滤，有害元素析出，对环境和人类健康带来影响。国内外学者对煤中有害元素在不同温度、不同pH值、不同淋滤液条件下的实验研究较多。Adriano等（1980）认为，燃煤产物中As，B，Cd，Cr，Cu，Ni，Hg，Pb，Se，Zn是淋滤过程中最值得关心的元素。有些学者（如Jones，1995；Shi等，1995；Hajarnavis等，1999；Kanungo等，2000；Theis等，1979，1990；Mills等，1999）认为，从飞灰中淋出的有害微量元素能污染土壤、地下水及地表水。Praharaj等（2002）认为，淋滤研究对灰池处置技术的环境效应具有重要预测作用。Fytianos等（1998）和 Fallman等（1996）分别通过淋滤实验，调查了部分重金属元素从飞灰中的淋出率和迁移性。Querol等（1996）通过连续提取试验，讨论了煤及其燃烧产物中30多种元素的迁移性大小及赋存状态。然而，影响煤及其产物中有害元素淋滤行为的因素很多，如赋存状态、元素浓度、温度、淋滤液pH值、淋滤时间等，前人淋滤研究结果也不尽相同。Swaine（1995）认为，淋滤实验不能推广应用到实际环境预测中。Has-sett（1994）也指出，迄今没有一个可靠的淋滤实验能够准确预测现场环境中微量元素的浓度。赵峰华（1997）认为，造成这种状况的主要原因，在于淋滤实验常常脱离具体的环境状况。因此，应加强淋滤实验条件与煤及灰处置地点的具体地质、地化、水文地质及物质组成特征的拟合与统一，进而开展煤、煤矸石及燃煤产物在淋滤过程中与环境相互作用的综合研究。

（3）煤炭资源环境效应（洁净性）评价体系尚未建立

国内外学者就煤中有害元素对环境影响的潜在因素研究较多，但没有系统查明哪些是关键因素可作为评价参数。此外，对煤中有害元素的潜在影响没有一个统一的环境标准。因而，对环境的影响程度难以进行定量评价，洁净煤炭资源的评价与统计、煤炭资源洁净潜势的研究一直未能展开，煤炭资源环境评价体系一直没有建立。

2.研究的发展趋势

洁净煤地质是由煤田地质学与环境科学、洁净煤技术、化学、生物学等相互渗透而形成的一个全新领域，是在对环境因素深入认知的基础上，研究煤炭的可利用性、煤中化学元素和微量物质在人类赖以生存的周围环境中的含量水平、分布规律、赋存状态和迁移特征过程及其与人类健康关系的学科，具有高度的综合性和交叉特点，目前处于形成和发展阶段。其实质，是确定人类生存所依赖的自然条件和社会经济所需求的煤炭资源的优化组合关系。其主要目标，是以煤地质学与地球化学为基础，研究煤的利用与环境的相互作用，研究煤中化学元素和微量物质在地-水-气-人环境系统中的地球化学行为，为煤炭资源合理的开发利用、环境质量的有效控制及人类生存健康服务。

洁净煤地质的主要研究内容为煤的物质组成、成因、结构，煤中物质的化学性质与存在方式，煤中物质在煤的加工、利用、转化、堆放等过程中的迁移行为与机理及其对环境和人类健康的影响，对煤炭资源的洁净潜势进行等级界定及等级区域划分，研究高效洁净的煤炭转化、加工技术，控制不洁净煤中有害物质向环境的迁移转化，使之既能保护环境又能降低煤炭能源成本。归根到底，是将煤炭的开采利用与环境协调发展有机结合起来，把煤炭资源与环境作为一个统一的系统来规划、优化其开发途径，最大限度地综合利用煤炭资源，建立洁净的开发利用工艺，将污染消减在源头或降低到最低限度。

结合上述及我国煤中有害元素研究的实际情况，应加强煤中有害元素环境地球化学的研究，特别是对煤炭在加工利用过程中，有害元素向环境迁移转化的行为、机理及环境影响的研究。

1）加强煤中微量元素的基础地质-地球化学研究，建立全国性煤中微量元素环境影响评价参数的信息系统数据库。

2）系统地进行有害元素在煤炭洗选、燃烧、淋滤等利用过程中迁移释放行为和机理的研究，构建煤转变成最终产物过程中有害元素迁移释放的动态模型，进而有针对性地深化、优化其污染控制技术。

3）构建煤炭资源环境效应（洁净性）评价体系。

前苏联曾经针对厚大坚硬矿体的露天与井工联合采矿技术问题进行了较深入的研究，提出了开采厚大矿体联合采矿基本方案，并在普里奥斯克利矿、南列金矿和安诺夫矿的开采设计中采用。[13]该采矿工艺为露天坑底下部矿段的开采提供了一种安全、高效和低成本的采矿方法，是一种有发展前景的采矿新工艺。随着露天与井工联合开采工艺技术的发展，应用该种工艺采煤是可行的。

目前，露天井工联合开采模式已在我国一些非煤矿山得到了较好的应用。如张世雄教授课题组在武钢大冶铁矿完成的“大冶铁矿高陡边坡深凹露天矿转地下开采技术研究”项目，发现露天坑的回填废石有利于边坡与地下巷道保持稳定，回填废石可在一定程度上削弱地下采矿生产爆破地震波对露天边坡岩体稳定性的影响[14]铜录山铜矿和会东铅锌矿因露天矿逐步转入井工开采，通过露天与井工联合开采以形成相对稳定的产量规模。越来越多的金属矿山进行露天与井工联合开采。

20世纪50年代起，我国抚顺矿区就开始采用露天井工联合开采模式。该矿区为倾斜煤层，在这种埋深浅、顶板硬、煤层硬的条件下采用露天井工联合开采模式较为少见。因此，开展露天井工联合开采作用下的边坡损害机理及其控制技术研究，可进一步丰富固体矿物资源开采理论，为矿产资源由粗放式开采走向精细化开采提供依据。

进入21世纪以来，煤炭露天井工联合开采研究取得了一批创新性成果，由中煤能源集团公司、平朔煤炭工业公司、煤炭工业西安设计研究院、中国矿业大学(北京)、天地科技股份有限公司开采所事业部、中国煤矿工程机械装备公司、煤炭科学研究总院抚顺分院等多家单位共同完成的“中煤集团平朔矿区露天井工联采项目”获煤炭工业科技一等奖，该项目解决了平朔矿区露天与井工矿联合开采中的关键技术问题，发挥了露天井工联合开采的整体优势，实现了煤炭资源优化配置开采，提高安全生产保障能力、资源采出率和煤炭质量，有效降低了生产成本，是煤炭工业自主创新和集成创新的典型。