根据铜川矿区煤炭开发引起的地质环境的变化，从水资源保护、地面塌陷和地裂缝的治理、矸石山的治理、煤矸石资源化及煤矿瓦斯利用的角度，探讨了铜川矿区地质环境保护技术方案。
一、现有的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，仅有4对矿井有污水处理设施，处理后的矿井水一部分用于井下洒水降尘，一部分排放到河流。没有污水处理的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，其余部分排放。
2.地面塌陷和地裂缝
铜川矿区的采空区全部存在地面塌陷和地裂缝的问题，这些问题的产生给人民的生产和生活带来了困难。为了了解采煤沉陷的规律，制定合理的防治和治理措施，铜川矿务局委托辽宁工程技术大学和采矿损害和控制中心进行了铜川矿区地面沉陷规律的研究，编制了“陕西省铜川矿区采煤沉陷情况报告”。报告中分析了地面沉陷的原因及地表移动规律，为防治地面沉陷提供了理论依据。对矿区中的地面沉陷和地裂缝进行了调查、观测，对出现的地裂缝进行了及时回填。
铜川矿区现生产矿井“三下”压煤十分严重(表5-6)，占保有地质储量的21.8%，以鸭口矿最为严重，占32.8%。“三下”压煤中，建筑物下压煤所占比例最大，为总压煤量的89.8%，而建筑物下压煤中又以村庄下压煤为主，占其总量的74.1%。在目前的情况下，分布于各井田未采区的村庄不可能实施搬迁，严重影响矿井生产接续和开采效益。为了合理规划开采，提高煤炭资源的回收率和煤矿开采效益，将开采造成的影响降到最低，实现资源开发与环境保护协调发展。为此，铜川矿务局联合西安科技大学进行了“铜川矿区开采沉陷规律及水源地破坏研究”。报告总结了铜川矿区建筑物下不动迁试采工作面和大采深、小采高、小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，同时，提出了在不同地质、开采条件下的工作面安全开采尺寸。
表5-6 矿区现生产矿井储量及“三下”压煤情况表单位:万t
3.煤矸石的治理和利用
铜川矿区的煤矸石主要以堆存的方式存在于各个沟谷之中，大部分未做任何处理，少部分进行了填埋处理。随着资源的日益紧张，煤矸石资源化已经成了绿色矿山的必然选择。铜川矿务局从20世纪70年代就开始了进行煤矸石利用的探索。据有关资料记载，1978年王家河矿在沸腾炉中使用煤矸石;20世纪80年代，曾建设了三里洞内燃矸石砖厂，但现在这两个矿井已经破产关闭。
现在，铜川矿务局下设有奥博公司水泥厂，每年用煤矸石作为原料烧制水泥，年利用煤矸石量为1.52万t。铜川矿务局每年还作为燃料出售部分黑矸，年利用量约为3.5万t。2006年建立了石节矿免烧砖厂，2007年3月建成并投入试生产，年利用煤矸石1.8万t。铜川矿区的矸石山大都处于自燃中或是已经自燃过，自燃过后产生的红矸出售给水泥厂，作为水泥的添加料。
虽然经过了上述各个途径的煤矸石综合利用，但是利用量与产生量相比，微不足道。2006年铜川矿区煤炭产量为967万t，产生煤矸石108.9万t。加大煤矸石的利用量，实现煤矸石的资源化仍是十分艰巨的任务。
二、铜川矿区地质环境保护关键技术方案
1.水资源保护的技术方案
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;一是保护煤炭开采区水资源少受破坏。
铜川区的矿井缺水问题突出，矿井水以酸性水为主。由于酸性矿井水的处理费用较高，而矿井的井下生产用水质量要求较低。当前对酸性矿井水的处理方法以化学中和法最为有效，因而，铜川区的矿井水以中和法为基础，结合各个矿井的具体情况，可采用直接投入法、膨胀过滤法和滚筒处理法。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;膨胀过滤法是利用石灰石等固体中和剂，采用升流式膨胀滤池中和酸性矿井水;滚筒处理法是将石灰石等固体中和剂置于处理机滚筒内，使之在不断滚动、碰撞和磨碎过程中达到中和的目的。
图5-16 洗水闭路循环工艺流程
焦坪区的矿井水都是处理达标后排放，这里不再赘述。玉华矿洗煤厂采用洗水闭路循环技术，防止煤泥水排至厂外造成危害。选煤厂的洗水主要包括压滤机滤液水、高效浓缩机溢流水和煤泥沉淀池溢流水3部分，通过实施煤泥厂内回收，洗水闭路循环技术，达到洗水平衡、洗水全部复用的目标。下面是某矿的洗水闭路循环工艺流程(图5-16)。
煤炭开采对地表水资源的影响，主要是煤炭开采引起的地下水位的下降，泉水干涸，致使部分河流断流。煤炭开采中不达标的矿井水排放，引起地表水体的污染。煤矸石等矿井废弃物随意堆放，不采取处理措施，也会引起地表水的污染。因此，对地表水资源保护的主要问题就是对矿井水和煤矸石的治理，消除污染。
煤炭开采对地下水资源的影响主要为含水层、隔水层破坏，致使地下水的补给来源和径流途径发生变化，造成区域地下水位下降，甚至降低到隔水层。因此，对地下水资源的保护的技术方案就是要保护含水层和隔水层免遭破坏。这就要求改进采掘方式、顶板管理办法，防止和减少塌陷的产生，导水裂隙带的发育不要触及上覆含水层。如何防止地面塌陷的产生及裂隙带的发育高度问题，我国已经做了很多这方面的工作，为铜川矿区的各个矿井提供了依据。但是，每个矿的具体条件各不相同，铜川矿务局各矿井的水文地质条件也各不相同，具体的保护技术方案还要结合各个矿井的水文地质条件和采煤方法来确定。因此，为了尽可能地使地下水资源免受破坏，还需要产学研相结合，寻找地下水资源保护和煤炭回采率的最佳结合点。
2.地面塌陷和地裂缝灾害治理的技术方案
铜川矿区地面塌陷和地裂缝灾害的治理技术方案也包括两个方面:一是对已经产生地塌陷、地裂缝的治理技术方案;一是为了减少未来地面塌陷和地裂缝的产生的技术方案。
对于铜川市区的沉陷区，复垦后还是以工业用地为主，主要把沉陷区充填即可，因此，可以采用充填复垦。充填复垦可以利用矿区附近的煤矸石、粉煤灰、露天矿剥离废物等充填采煤塌陷地。
对于铜川市区以外的其他地方的沉陷区复垦以生态复垦、生物复垦为主。生态复垦是将土地复垦工程技术与生态工程技术结合起来，综合运用生物学、生态学、经济学、环境科学、农业科学、系统工程的理论，运用生态系统的物种共生和物质循环再生等原理，结合系统工程方法，针对破坏土地所设计的多层次利用的工艺技术。其目的在于促进各生产要素的优化配置，实现物质、能量的多级分层利用，不断提高其循环转换效率和土地生产力，获得较好的经济、生态和社会综合效益，走可持续发展的道路。它包括各种土地复垦工程技术的优选，农业立体种植、养殖、食物链结构、农林牧副渔业一体化等生态工程技术的选择，常常通过平面设计、食物链设计和复垦工程设计来实现。生物复垦技术是新兴的土地复垦技术，是当前国内外研究热点。生物复垦是根据复垦区土地利用方向，采取包括肥化土壤、微生物培肥等在内的生物方法，改变土壤新耕作层养分状况和土壤结构，增加蓄水、保水、保肥能力，创造适合农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、增加有机质和氮磷钾等多种营养成分的最有效方法。绿肥多为豆科植物，一般含有15%～25%的有机质和0.3%～0.6%的氮素，其生产力旺盛，在自然条件较差、较贫瘠的土地上都能很好的生长，根系发达，能吸收深层土壤的养分，绿肥腐烂后还有胶结和团聚土粒的作用，从而改善土壤的理化特性。其施用方法是在工程复垦地种植绿肥作物，待其成熟后压青翻入土壤，可采取单种、间种、套种等种植方式。对于地面塌陷区存在的地裂缝要及时回填，防止土壤养分和水分的流失。
防止地面塌陷和地裂缝的产生的技术就是改进采掘方法和顶板管理办法。我国在这方面已经做了很多的工作，铜川矿务局也做了很多的工作，力求减少地面塌陷的地裂缝的产生。20世纪90年代初，铜川矿务局根据已设7个观测站的实测最大下沉值，应用最小二乘法原理求得的回归预测经验公式，可以比较准确地预计一般开采工作面采后地表最大下沉值，在相似地质、开采条件下可以继续使用。铜川矿务局曾经联合辽宁工程大学和西安科技大学进行了“陕西省铜川矿区采煤沉陷情况报告”和“铜川矿区开采沉陷规律及水源地破坏研究”，对铜川矿区采煤沉陷的规律和主要影响因素进行模拟分析，并给出了研究结论。主要研究结论有:①铜川矿区地表下沉系数影响程度的排序为扰动程度系数―覆岩综合硬度―表土层厚度―工作面倾向长度―采厚。其中，扰动程度系数、工作面倾向长度、采厚与地表下沉系数正相关，覆岩综合硬度与地表下沉系数负相关。②采深是影响地表动态变形的主要因素，当采深较小时，开采影响传播到地表较快，地表下沉变化连续性差，最大下沉速度快，活跃期短，累计下沉量反而更大，地表移动总时间缩短;而当采深大时，地表移动启动较慢，下沉曲线平缓连续，下沉速度小，且变化也小，活跃期短或无活跃期。③开采速度与开采厚度对地表下沉速度及持续时间有重要影响。开采速度与厚度越大，最大下沉速度越大，活跃期越短而累计下沉量越大，移动总时间相应缩短。④黄土层厚度是影响地表动态移动规律的重要因素。随着土岩比的增加，地表下沉速度有增大的趋势，移动持续时间缩短。即土层越厚，活跃期内地表的移动变形会越激烈，由移动变形而产生的地表裂缝也将越多、越大。
3.煤矸石利用的技术方案
(1)黑矸和红矸作为水泥混合材料
铜川矿区的煤矸石山大部分存在自燃现象，甚至有的矸石山已经自燃了几十年，燃烧过的煤矸石变成了红矸，目前对于红矸的利用，一般情况下是作为水泥的混合材料，铜川矿区的部分红矸已出售给水泥厂作为配料使用。
生产不同种类的水泥，用作水泥混合材料的煤矸石要求是炭质泥岩和泥岩、砂岩、石灰岩(CaO含量>70%)，通常选用煅烧煤矸石或是煤矸石自燃，煅烧煤矸石或自燃煤矸石含有活性二氧化硅和氧化铝，可以作为活性火山灰质混合材料使用。铜川矿区的煤矸石属于火山灰沉积蚀变而成的质量较高的矸石，其特点是化学成分稳定，硅铝含量较高的粘土类矿物，其化学成分见表5-7。
表5-7 铜川矿区煤矸石化学成分(wB/%)
用煤矸石作混合材料生产火山灰水泥的生产工艺流程与生产普通水泥的工艺流程基本相同，其生产流程见图5-17。
图5-17 煤矸石作水泥混合材料的工艺流程
(2)生产硅酸盐水泥
以煤矸石作为原料生产水泥，主要是根据煤矸石和粘土的化学成分相近，可代替粘土提供硅铝质原料，而且煤矸石能释放一定的热量，可节省部分燃料。煤矸石代替黄土配料特别易烧，主要是因为煤矸石中含有多种微量元素，如硫、氟、钛、钒、硼、锶、钡等，具有矿化作用，同时煤矸石含有热能，进入预热器后能加速物料的预分解，使产量大幅度增长，操作时各级预热器筒温度相应降低，不用投资就能达到8级预热器的效果。
根据陕西华峰建材公司生产火山灰质硅酸盐水泥中的经验，用煤矸石替代黄土作为原料生长硅酸盐水泥，具有众多的优点。煤矸石配料、掺加混合材料后的水泥早期、后期强度降低幅度小。相比混合材料掺量提高15%以上，减少孰料用量15%，增加红矸用量15%。孰料价格为180元/t，红矸价格按20元/t计，火山灰质硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥的差价为10元/t，计算可知每吨水泥的成本降低14元，年产8.5万t水泥，节约119万元。
利用煤矸石代替黄土作为水泥配料，能提高回转窑、水泥磨的台时产量和水泥质量，具有良好的经济效益和社会效益。
(3)煤矸石作混凝土掺合料
自燃煤矸石或燃烧煤矸石作为混凝土掺合料使用有3个方面的优势。一是能降低水泥用量，从而降低能源消耗;二是能大量利用煤矸石，降低对环境的污染;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盐侵蚀等能力，提高混凝土制品质量和工程质量。这是实现煤矸石资源化、无害化处理的一个重要途径。
自燃煤矸石或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发生缓慢的“二次反应”，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，与水泥浆硬化体坚固地结合起来，提高混凝土的抗掺性和耐久性。粉状煤矸石在混凝土中具有超出火山灰活性的特殊物理功能，如增加浆体的体积功能、填充浆体孔隙功能等，使煤矸石混凝土物理化学作用达到动态平衡，起到了使混凝土性能改善和质量提高的作用。
(4)煤矸石作混凝土集料
煤矸石中含有大量的硅铝物质，其中的可燃物质和菱铁矿在焙烧过程中析出气体并膨胀，因此，煤矸石是生产轻骨料的理想原料。煤矸石轻骨料一般是由含碳量不高的碳质岩类、泥质岩类煤矸石经破碎、粉磨、成球、烧胀、筛分而成，也可以将煤矸石直接破碎到一定比例直接焙烧而成。利用煤矸石制造的轻骨料，是具有良好保温性能的新型轻质建筑材料。
(5)白矸作为水泥混合材料和建筑材料
铜川矿区煤炭生产中产生的白矸，其主要成分为石灰岩和砂岩。砂岩经过加工可以作为建筑材料，也可以作为井下充填材料利用。石灰岩经过加工也可以作为建筑材料使用，同时也可以作为生产水泥或生石灰的原材料加以利用。
(6)煤矸石免烧砖
传统的烧结砖工艺对环境造成二次污染，而且对煤矸石有较强的选择性。采用煤矸石做原料生成免烧砖，原料选用重点是烧砖困难或不能烧砖的含铁、硫、钙、镁等较高的煤矸石。利用煤矸石制免烧砖，避免了传统制砖工艺造成的二次污染，同时显著提高了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，用水泥、石及外加剂等与之配合，经搅拌、半干法压制成型、自然养护制成的一种砌筑材料，其主要工艺流程见图5-18。
(7)煤矸石混凝土砌块
以自燃或人工煅烧煤矸石为骨料，水泥等为胶结材料，加入少量外加剂，加水搅拌并经成型、自然养护而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，具有质轻、高强、工艺简单、成本低、利废率高、使用效果好的优点，是一种很有发展前途的新型墙体材料。煤矸石混凝土砌块生产工艺简单易行，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集料、胶结料和外加剂。集料为自燃的煤矸石或烧煤矸石，符合JC/T541―94《自燃煤矸石轻集料》的要求即可。胶结料包括水泥、粉煤灰、自燃可烧煤矸石粉等。外加剂为石膏、生石灰等。
(8)煤矸石发电技术
含碳量高的煤矸石(含碳量≥20%，热值在6270～12550kJ/kg)可以直接作为流化床锅炉的燃料用来发电。用煤矸石燃烧产能发电工艺简单:首先，将煤矸石和劣质煤的混合物破碎，粉磨至粒径小于8mm;然后，由皮带机送入锅炉内在循环流化床上进行燃烧，流化床燃烧是靠从床底送进的高压气流使煤矸石粉粒在炉床上“沸腾”运动，形成一定高度的流化状态;最后，燃烧产生的烟尘经除尘器后送入烟道，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.瓦斯发电技术
瓦斯发电是以瓦斯气为能源、将瓦斯气中蕴含的热能转化为电能的能量转换过程。目前实用的瓦斯发电方式主要有燃气发动机、燃气轮机和汽轮发电机3种方式。下石节矿于2005年5月建立了3000kWh的瓦斯自备电厂。
5.煤与瓦斯共采技术煤层的采动会引起其周围岩层产生“卸压增透”效应，即引起周围岩层地应力封闭的破坏(地应力降低―卸压、孔隙与裂缝增生张开)、层间岩层封闭的破坏(上覆煤岩层垮落、破裂、下沉;下伏煤岩层破裂、上鼓)以及地质构造封闭的破坏(封闭的地质构造因采动而开放、松弛)，三者综合导致围岩及其煤层的透气性系数大幅度增加，为卸压瓦斯高产高效抽采创造前提条件。
从卸压瓦斯流动通道观点看，采动破坏的造缝作用在采空区上方垂向方向上形成“三带”:垮落带(形成贯通采场的空洞与裂缝网络通道)、断裂带(形成层向与垂向裂缝网络通道)和弯曲下沉带(形成层内层向裂缝网络通道)。从卸压瓦斯流动观点看，岩层的垮落、自然充填的支撑和压实等作用，在采空区上方的横向方向上也产生“三带”:初始卸压增透增流带、卸压充分高透高流带和地压恢复减透减流带，这横向的“三带”在垂向的“断裂带”和“弯曲下沉带”内都存在。
煤层卸压时采动形成的煤(岩)体变形、破裂和裂隙伸张将大幅度地提高煤(岩)体瓦斯运移的透气性，产生“卸压增透增流”效应，形成瓦斯“解吸―扩散―渗流”活化流动的条件。因处在不同区域内的煤岩裂隙分布不同，瓦斯的解吸及流动条件不同，采用合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系统，可实现瓦斯资源的安全、高效开采。瓦斯资源的开采减少了卸压煤层的瓦斯含量，消除了卸压煤层煤与瓦斯突出危险性，减少了瓦斯向工作面风流中的涌出量，从而为卸压煤层的安全高效开采创造了必要的条件。
以上只是煤与瓦斯共采技术的理论知识，具体的煤矿的地质条件和煤层情况各异，理论还要与实际相结合，进行产学研相结合，探讨焦坪区煤与瓦斯共采技术。煤矿瓦斯治理国家工程研究中心、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产学研相结合，在淮南矿区进行合作攻关，系统地提出留巷钻孔法煤与瓦斯共采新方法，根据煤层群赋存条件，首采关键卸压层，沿采空区边缘沿空留巷实施无煤柱连续开采，在留巷内布置上、下向高、低位钻孔，抽采顶底板卸压瓦斯和采空区富集瓦斯的煤层瓦斯开采技术，并通过创新快速构建沿空留巷巷旁充填墙体技术，实现与综采工作面同步推进的煤与瓦斯高效共采的开采方法。创新了“沿空留巷围岩结构稳定性控制”、“巷旁充填材料研制与快速留巷充填工艺系统集成创新”和“留巷钻孔瓦斯抽采”等3项留巷钻孔煤与瓦斯共采技术。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及下石并进行科学研究，探讨适合的煤与瓦斯共采技术。