綠色開采的概念與技術體係

錢鳴高
中國礦業大學，江蘇徐州221008)

摘要:闡述了 煤礦綠色開采概念的提出、內涵及綠色開采技術體係。綠色開采技術的主要內容應包括:保水開采，建築物下采煤與離層注漿減沉，條帶與充填開采，煤與瓦斯共采，煤巷支護與部分研石的井下處理，煤炭地下氣化等。岩層控製的關鍵層理論為綠色開采研究提供了一個理論平台。
關鍵詞:綠色開采;關鍵層理論;岩層移動;綠色開采技術體係
中圖分類號:TD821文獻標識碼:A
1煤礦綠色開采的提出
黨的十六大報告明確提出“走出一條 科技含量高，經濟效益好，資源消耗低，環境汙染少，人力資源優勢得到充分發揮的新型工業化路子”。因此，必須充分考慮我國資源相對短缺，環境比較脆弱的基
本特點，建立起適合我國國情的資源節約、環境友好的新型工業化發展道路。
近期提出的循環經濟(recycling economy)是指遵循自然生態係統的物質循環和能量流動規律重構經濟係統，將經濟活動高效有序地組織成一個“資源利用－綠色工業－資源再生”的封閉型物質能量循環的反饋式流程，保持經濟生產的低消耗、高質量、低廢棄，從而將經濟活動對自然環境的影響和破壞減少到最低限度。它不同於傳統經濟的高開采、低利用、高排放”，而是要達到“低開采、高利用、低排放”的可持續發展目標。顯然，此處的綠色工業”是廣義的概念，應由各個工業部門去實現。對礦業來說就是要實現綠色礦業”。綠色礦業”的核心內容之一就是要實現綠色開采”。
“綠色開采”的內涵是努力遵循循環經濟中綠色工業的原則，形成一種與環境協調一致的，努力去實現低開采、高利用、低排放”的開采技術。
礦區在開發建設之前與周圍環境是協調一致的，而進行開發建設後，強烈的人為活動便使環境發生巨大的變化，由此形成了礦區獨特的生態環境問題，如造成農田及建築物破壞，村莊遷徙，研石堆積，使河川徑流量減少，以及地下水供水水源幹枯，在地麵導致的土地沙漠化，由於開采而使礦物內的有害物質流入地下水中等。我國目前的 煤礦生產是在以下兩種情況下進行的:一是生產成本不完全。如投入不足;技術裝備落後; 安全設施欠賬;工人工資太低。二是相關費用支付不全。如礦產資源費及植被恢複，地麵塌陷與水損失，汙染治理等。提出並形成綠色開采技術是為了正視開采對環境造成的影響和破壞，以便提出必要的對策並對政府提出必要的政策建議。煤炭開采形成的環境問題主要有: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研石山壓占為主，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。煤炭開采過程中進行的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，破壞了地下水資源。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抽放和 煤礦研石山的自燃。
以山西省為例，1949至1998年共生產原煤56億多噸，地麵塌陷破壞麵積達66 600 ha，其中40%是耕地。研石山占地2 000 ha。至1998年煤炭地下采空麵積達1 300 km²古全省麵積的1%)。采煤破壞地下水4.2億m³/a，地表水徑流減少，導致井水位下降或斷流共計3218個，影響水利工程433處，水庫40座，輸水管道793. 89 km;造成1 678個村莊，8127巧口人，108241頭牲畜飲水困難。使本來缺水的山西環境受到進一步破壞。平均每采萬噸原煤造成塌陷土地0.2 ha，每年新增塌陷地約2萬ha.
礦井瓦斯即煤層氣，它是比CO2還嚴重的溫室氣體，也是導致煤礦重大 安全 02manbetx.com 的根源。據初步估計，我國2 km淺範圍內具有30-35萬億m³煤層氣資源，居世界前列。但由於我國煤層透氣性小，難以在開采前抽出。建國以來，我國煤礦發生煤與瓦斯突出 02manbetx.com 1500餘次，僅2001年瓦斯 02manbetx.com 的死亡人數即達2356人，為煤礦總死亡人數的40%。煤礦每年排放瓦斯70億一190億m³。同時瓦斯又是最好的清潔能源，因此必須加以利用，變害為寶。
由此可見，提出並盡快形成煤礦的“綠色開采技術”已迫在眉睫[1]
2綠色開采的內涵與技術體係
從廣義資源的角度論，在礦區範圍內的煤炭、地下水、煤層氣瓦斯)、土地以至於煤研石以及在煤層附近的其他礦床，都應作為經營這個礦區的開發對象而加以利用。
原來對礦井瓦斯的定義是:“礦井中主要由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體。”而在礦井水文地質類型劃分中認為:牛良據礦井水文地質條件、湧水量、水害情況和防治水難易程度，劃為……類型。”顯然，上述概念將原本為礦區資源的瓦斯和水單純作為有害物來對待是不合適的。
煤礦綠色開采及相應的綠色開采技術在基本概念上是從廣義資源的角度上來認識和對待煤、瓦斯、水等一切可以利用的資源，基本出發點是防止或盡可能減輕開采煤炭對環境和其他資源的不良影響，目標是取得最佳的經濟效益和社會效益。針對煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，“綠色開采技術”主要包括以下內容:①水資源保護—形成“保水開采”技術;②土地與建築物保護—形成離層注漿、充填與條帶開采技術;③瓦斯抽放—形成“煤與瓦斯共采”技術;④煤層巷道支護技術與減少矸石排放技術;⑤地下氣化技術。這些內容構成的綠色開采技術體係如圖1所示。

開采引起環境與主要 安全問題的發生都同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)。因此，綠色開采的重大基礎理論為:①采礦後岩層內的“節理裂隙場”分布及離層規律;②開采對岩層與地表移動的影響規律;③水與瓦斯在裂隙岩體中的滲流規律;④岩體應力場的分布規律及岩層控製技術。
3關鍵層理論對綠色開采研究的指導作用
采場老頂岩層“砌體梁”結構模型是針對開采過程中的礦山壓力控製而提出來的。近年來，為了解決岩層控製中更為廣泛的問題，提出了岩層控製的關鍵層理論目。提出關鍵層理論的目的是為了研究覆岩中厚硬岩層對層狀礦體開采中節理裂隙的分布及其對瓦斯抽放與突水防治以及對開采沉陷控製等的影響。因而，關鍵層理論將為綠色開采的研究提供理論平台。
開采後，隨著關鍵層的破斷，在該區域內地下水將形成下降漏鬥。地下水位能否恢複，則決定於隨著工作麵的推進，上覆岩層中是否有軟弱岩層（事實上它是研究地下水滲漏的“關鍵層”)經重新壓實導致裂隙閉合而形成隔水帶。把地下水視為資源，必須形成保水開采技術，即開采後地表水暫時形成下降漏鬥仍能恢複到原來狀態的開采技術。
基於岩層控製的關鍵層理論提出:將保證覆岩主關鍵層不破斷失穩作為建築物下采煤 設計的基本原則。為了保證建築物下采煤既具有較好的經濟效益，同時又確保地麵建築物不受到損害，關鍵在於根據具體條件下覆岩結構與關鍵層特征來研究確定合理的減沉開采技術及參數。確定覆岩中的關鍵層位置，掌握其離層與破斷特征參數，是注漿減沉技術應用可行性 03manbetx 、鑽孔布置與注漿工藝 設計及減沉效果 評價的基礎。
從理論上來說，充填采礦是解決煤礦開采環境問題的理想途徑。為了降低充填成本，基於岩層控製的關鍵層理論，提出了部分充填（條帶充填)控製開采沉陷的思路:僅充填部分采空區，隻要保證未充填采空區的寬度小於覆岩主關鍵層的初次破斷跨距，且充填條帶能保持長期穩定，就可有效控製地表沉陷。
我國70%以上煤層的滲透率小於1×10-3 μm²，這對我國開展煤層瓦斯采前預抽是極為不利的。若在開采時形成采煤和采瓦斯兩個完整的係統，利用岩層運動的特點將煤層氣高效開采出來，即形成“煤與瓦斯共采”技術。關鍵層理論所得出的節理裂隙場分布規律將對瓦斯抽出技術有重要參考作用。
矸石不上井涉及到煤巷維護問題，而且隨著采深的增加，岩石巷的開掘將不可避免。因此矸石不上井就存在一個研石井下處理係統。應該說，在經濟原則下矸石的井下處理是綠色采礦問題。但矸石的井上處理就像地麵複懇一樣是環境治理問題，不屬於綠色開采技術。
煤炭地下氣化是一種整體綠色開采技術。應解決如何使地下煤炭氣化產生的致癌物質苯和酚不擴散，不汙染、毒化地下水資源及如何處理燃燒形成的大量二氧化碳汙染空氣的問題。否則煤炭地下氣化就失去了綠色開采的意義。
4綠色開采若幹待研究的問題
下列問題將是綠色開采有待於進一步研究的主要問題:①采動破裂煤岩體中水與瓦斯流動規律的研究;②基於岩層移動與關鍵層理論的開采沉陷預測與建築物下采煤的定量 設計方法;③適合煤礦特點的充填采礦材料與工藝係統;④煤礦綠色開采技術的經濟 評價方法與 法規。
參考文獻:
[1]錢鳴高，許家林，繆協興.煤礦綠色開采技術壓[J].中國 礦業大學學報，2003,32 (4):343-348
[2]錢鳴高，繆協興，許家林，等.岩層控製的關鍵層理論配[M].徐州:中國 礦業大學出版社，2000. 1-300
作者簡介:錢鳴高 (1932－)，男，江蘇無錫人，中國工程院院士，中國 礦業大學教授，博士生導師，從事采礦工程方麵研究。