資源與環境協調(綠色)開采
錢鳴高
(中國礦業大學，江蘇 徐州221008)
關鍵詞:資源;環境;綠色開采
中圖分類號:TD 821 文獻標識碼:A
1資源與環境協調綠色開采的提出
由於經濟高速發展特顯出發展對環境的影響，新型工業化道路以及循環經濟的提出迫使人們考慮“綠色礦業”問題。近期國務院《關於促進煤炭工業健康發展的若幹意見》中更對煤炭工業提出了具體要
求。如:在指導思想中提出“走資源利用率高、 安全有保障、經濟效益好、環境汙染少和可持續的煤炭工業發展道路”。同時提出“統籌煤炭工業與相關產業協調發展，統籌煤炭開發與生態環境協調發展，統籌礦山經濟與區域經濟協調發展”的要求。
三個統籌就是要把礦區資源優勢變成經濟優勢，就是要把礦區變成礦工的綠色家園。煤炭是否能成為主體能源，關鍵是要解決煤炭開發與利用中對環境的影響問題。而煤炭工業能否健康發展，則需要綜合矸究資源經濟特點，解決政策、機製、規劃、價格、技術等諸多問題，並相應地提出舉措，才能成功。
在煤炭開發與生態環境協調發展方麵應該如何應對?以生產煤炭為主的煤炭企業已作了不少很有成效的探索，如:
①利用劣質煤和煤矸石發電、製磚。很多礦山原來堆積的矸石山已不複存在。
② 煤礦坑下排水淨化後利用。
③利用瓦斯發電。
④開采塌陷區的複墾和景觀化等。
徐州、充州、潞安、新漢、神華、淮南等礦業集團都有自身特色的生態恢複生產係統。
1. 1開發資源需思考的幾個問題
有的專家認為，事實上資源開采存在兩種情況:
其一:人類的索取超過了自然的生產力，生態資本出現赤字，人類將自食其果。
其二:在向自然索取的同時，尊重自然意誌，遵循自然規律，時刻不忘回饋自然和養護自然，從而在人類和自然之間建立起複合的生態平衡機製。
1. 2煤炭開采與環境
眾所周知，礦區在開發建設之前與周圍環境已形成了一定的協調方式，而一旦開發建設，強烈的人為活動便使環境發生巨大的變化，由此形成了獨特的礦區生態環境問題。
煤炭開采形成的環境問題有:
①對土地資源的破壞和占用。煤炭開采對土地資源的破壞損害，井工開采以地表塌陷和矸石山壓占為主，而露天開采則以直接挖損和外排土場壓占為主。
②對水資源的破壞和汙染。煤炭開采破壞地下水資源表現在對其進行人為疏幹排水和采動形成的導水裂隙對煤係含水層的自然疏幹;同時開采還可能汙染地下水資源。
③對大氣環境的汙染。主要來自礦井排出的煤層瓦斯和 煤礦矸石山的自燃所形成的廢氣。
2資源與環境協調綠色矸采的內涵
2. 1對原有礦井廢棄或有害物觀念的轉變
從廣義資源的角度論，在礦區範圍內的煤炭、地下水、煤層內所含瓦斯、土地以至於煤矸石以及在煤層附近的其他礦床都應該是經營這個礦區的開發對象而加以利用。
而原來的定義，礦井瓦斯(gas content in coal seam)是:礦井中主要由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體。事實上瓦斯是清潔能源，1 m³瓦斯可發電3 3.5 kWh。
礦井水文地質類型(hydrogeological type of mine)是:根據礦井水文地質條件、湧水量、水害情況和防治水難易程度區分的類型。事實是水是資源，采礦應該將其調控。
其他，如矸石作為塌陷地的複墾材料以及製磚利用等。
2. 2綠色開采技術涉及方麵
(1)采礦方法的改變。如:為保護地麵建築物而發展條帶開采和條帶充填技術、采空區以及離層區充填技術;煤與瓦斯共采技術;保護地下水資源開采技術—保水開采技術;地下氣化技術;開采與土地保護。
(2)加強煤巷的維護，從而不出或少出矸石。從經濟原則出發，矸石在井下處理，或考慮地麵處理以保護環境或進行製磚、填方。
2. 3綠色開采技術的基礎理論問題
開采的環境問題都由於采動所引起，因此與開采後造成的岩層運動有關(岩體不破壞上述問題都不會發生)。岩層運動不僅對礦山壓力有影響，對環境而言也是開采後岩層節理“裂隙場”形成的原因，由此影響離層的發育狀態及位置、地表沉陷、瓦斯與地下水在裂隙岩體內的滲流規律等。為此提出了厚硬岩層在岩層控製的關鍵層理論。
關鍵層的判別可以用覆岩中堅硬岩層的剛度條件和強度條件加以判別。兩層鄰近堅硬岩層在一起，可能形成同時破斷複合效應，其結果:
(1)當相鄰兩硬岩層複合破斷時，兩硬岩層間將不會出現離層。
(2)當形成複合效應時，增大了關鍵層的破斷距，在位置靠近采場時，將引起工作麵來壓步距的增大和變化。
在僅有兩層（h1和h2）堅硬岩層條件下，Σh2為h1到h2的距離，而Σh3則是h2到地表的距離。隻要滿足下述關係，硬岩層h1與h2將同時垮落:
(Σh3＋h2)= (Σh2＋h1) (h2/h1)²
例如h2=2h1厚度，則(Σh3+h2)隻要等於或大於(Σh2+h1)的4陪，h2和h1將同時垮落。此時，雖然h2遠大於h1，但h2將不會產生離層。
采動後岩體內的“裂隙場”，主要有以下特點:
(1)中心離層區的形成。關鍵層運動對離層產生、發展的時空分布起控製作用。覆岩中心最大離層區主要出現在關鍵層下采空區的中部。
(2)采動裂隙“O”，形圈的形成。關鍵層初次垮落後，關鍵層在采空區中部離層趨於壓實，而在采空區兩側仍各自保持一個離層區。此時，從平麵看，在采空區四周存在一沿層麵橫向連通的離層發育區，
稱之為采動裂隙“O”形圈。
3煤炭資源綠色開采技術體係
由此可構建如圖1所示的煤炭綠色開采技術體係。鑒於各種綠色開采技術都具有各自的適用條件，各個礦區應針對礦區的具體條件采用合適的技術，從而形成具有各自礦區特色的綠色開采模式。
3. 1煤與瓦斯共采技術原理
顯然，卸壓瓦斯的運移同岩層移動及采動裂隙的動態分布特征有著緊密的關係。由關鍵層理論建立的關鍵層破斷後形成“O”形通道理論，在一些礦區的卸壓瓦斯抽放中對鑽孔布置起到指導作用。
(1)揭示了陽泉15煤綜放麵岩層移動對鄰近層瓦斯湧出的影響規律，提出並實施了陽泉礦區巧煤綜放麵上鄰近層卸壓瓦斯高抽巷布置優化方案及初采期瓦斯超限治理方案。
(2)在淮北桃園煤礦開展了地麵鑽井抽放上覆遠距離煤層卸壓瓦斯的工業性試驗。結果表明，上覆遠距離煤層卸壓瓦斯可通過“O”形圈大麵積抽放出來。
(3)淮南礦區在潘一和潘三頂板岩層進行“O”形圈抽放，瓦斯純量達19-20m³/nin，抽放率達48%以上。
因此，若在開采時形成采煤和采瓦斯兩個完整的係統，則不僅有益於礦井的安全，而且采出的還是潔淨能源。政府應從政策上給以支持。鑒於我國大部分煤層透氣性低，因此在開采高瓦斯煤層的同時，利用岩層運動的特點將煤層氣開發出來將是我國煤層氣開發的一個重要途徑。
3. 2開采與地下水分布
開采後，隨著地表的沉陷將改變地表水的流向;同時隨著上覆岩層中關鍵層的破斷，在該區域內地下水將形成下降漏鬥。地下水能否恢複，則決定於上覆岩層中是否有軟弱岩層事實上它是矸究地下水滲漏的關鍵層天隨著工作麵的推進，經重新壓實並導致裂隙閉合而形成隔水帶。若有隔水帶，則隨著雨水的再次補給，下降漏鬥也將隨之消失。另外，必須指出:
(1)保水開采與防止潰水是兩個概念，後者是從安全考慮，而保水開采則必須矸究開采前後岩層的水文地質變化。
(2)我國西北地區保水開采是重點，必須研究所開采的岩層是否有隔水帶，開采對地下水的破壞形成的漏鬥以及降雨水後的恢複過程。
(3)地下水是全部流失還是保存在更深的岩層內形成地下水庫而後再利用?
3. 3減沉技術
減沉開采技術主要包括:條帶開采、充填開采和離層區注漿減沉技術。
3 31條帶開采
實驗證明，主關鍵層對地表移動過程起控製作用，主關鍵層的破斷將導致地表快速下沉，地表下沉速度隨主關鍵層周期性破斷而呈現跳躍性變化。因此，控製主關鍵層就是控製地表。對建築物下開采設計的原則是構建成“條帶煤柱－上覆岩層－主關鍵層”結構體係，因此首先應判別上覆岩層中的主關鍵層位置，在對主關鍵層破斷特征進行矸究的基礎上，通過合理設計條帶參數、覆岩離層注漿等技術手段來保證覆岩主關鍵層不破斷並保持長期穩定。
3 3.2充填技術
充填技術是解決“三下”開采技術的重要組成部分，在國外它與采礦技術密切相關。尤其在經濟發達區，充填技術是解決建築物下開采的特殊措施。
目前我國充填技術的使用成本高，但如果將“充填體－上覆岩層－主關鍵層”視為統一結構體來應對地麵建築，並使其達到最低廉的成本，將對地麵有良好的控製效果。順利解決上述問題將根本改變將來我國在經濟發達區域的開采技術。
鑒於在形成結構體中對充填體強度與密實度的要求，因而應該考慮使用膏體充填。所謂膏體充填指的是把物料製作成不需脫水的牙膏狀漿體，通過泵壓和重力作用，經過管道輸送到井下，在采空區形成
充填體的方法。
考慮到經濟原則，采用充填技術可以是不一樣的。為了減少噸煤成本，它可以是:①短壁間隔充填法;②長壁間隔充填法;③冒落區充填法。
3 3.3離層區注漿減沉技術
該技術的關鍵是:①關鍵層理論矸究認為，確定具體礦井覆岩中的主關鍵層位置，掌握其與下部岩層離層區發育較好及離層特征參數;②合理布置注漿鑽孔。
利用條帶開采間隔全工作麵充填和離層區充填法等技術，完全可以做到保護地麵建築物而又盡可能回收煤炭資源。
3. 4井下矸石的處理
綠色開采技術之一是井下矸石處理。首先是加強煤巷維護技術，從而少出或不出矸石。隨著采深的增加，岩石巷的開掘將不可避免，因此矸石不上井，可作為充填材料。這就存在一個矸石井下處理技術與係統問題，關鍵是成本如何。另一種考慮能否將矸石在地麵處理，變廢為寶，如變為建築材料、充填材料等，終究矸石的地麵處理要比井下處理簡單得多。
3. 5煤炭地下氣化
它是一種整體綠色開采技術。煤的地下氣化作為綠色開采技術來理解，是指不將煤炭采出地麵，而將其在地下直接氣化，即是將地下煤炭通過熱化學反應在原地轉化為可燃氣體的技術。它1912年開始於英國，美國始於1946,蘇聯始於1932年。
我國於1958-1960年曾在16個礦區進行試驗，於1962年停止，1984年又開始了新的試驗，1994年達到連續生產295d產氣量為200 m³/h，熱值13.8-18.0MJ/m³,采用的是有井式、長通道、大斷麵的煤炭地下氣化方法。
另外，地下煤炭氣化燃燒產生的苯和酚是致癌物質，有可能毒化水資源。其次，燃燒形成的大量二氧化碳對空氣也是嚴重的汙染。上述問題均需要進行研究。
顯然，目前我國煤的地下氣化技術仍處於工業試驗階段，有很多問題需要去研究和探索。
4關於經濟原則
隨著經濟發展和國家對環境的要求，綠色開采技術必將受到充分的重視。隨著科技的發展;綠色開采中的部分技術可以成為產業，甚至可以利用變廢為寶進一步降低開采成本。例如瓦斯發電與礦井地下水以及矸石資源的利用，地下殘煤氣化等。另一方麵，若處理不好很容易增加煤礦企業的成本，一些開采成本較高的煤炭企業尤其難以接受。
為了滿足國家經濟發展對能源的要求，實現資源開發與環境的協調，必須從煤炭開采到利用的整個係統來考慮加以宏觀調控，政府應根據各類情況在政策與稅收等方麵加以支持，使煤炭企業得到健康發展。
各個礦區開采對環境的影響是不同的，開采成本也不一樣，因此必須分類作出成本核算，以便向政府爭取相應的政策支持。
5結論
綠色采礦是形成綠色礦業及礦區綠色家園的重要組成部分。政府應該考慮讚源經濟”的特點，對煤炭企業關心與支持，使煤炭企業健康發展。
在科學技術方麵，應該將岩層運動對工作麵的影響轉為矸究開采後岩層運動對岩體內形成空隙的影響，以及氣、液體在其中的滲流規律。另外，還應研究岩層運動可能形成的岩體結構對保護地表建築物
的影響。幾個重要標誌是:
(1)對有一定含量的瓦斯應視為資源，變害為利，在采煤的同時形成地麵或井下瓦斯共同開采係統。
(2)根據岩層的組成，確定保水采煤相宜的開采方法，不使水資源流失。
(3)根據具體條件，形成城鎮及村莊下充填、條帶開采、離層區注漿等保護建築物及地麵的技術;對塌陷的土地則采取複墾或者造景技術。
(4)根據經濟原則形成矸石在井下的處理技術或者矸石在井上的利用技術。加強煤層內維護巷道技術的矸究。
(5)形成煤炭地下氣化技術，並矸究其對地下水環境的影響。
作者簡介:錢鳴高(1932-)，男，江蘇無錫人，中國礦業大學教授，中國工程院院士。
