資源與環境協調(綠色)開采及其技術體係

錢鳴高1，繆協興2，許家林1
(1.中國礦業大學能源與安全工程學院，江蘇 徐州221008 ; 2.中國礦業大學理學院，江蘇 徐州221008)

摘要:煤炭資源開采對環境的影響問題，是國際上廣泛關注的焦點問題，更是影響中國社會與經濟發展戰略的重要問題之一從國家對煤炭工業發展要求出發，闡述了研究煤炭資源綠色開采的必要性和意義，對煤炭資源綠色開采的內涵作了進一步的闡述.在論述煤炭資源綠色開采技術體係框架的同時，對保水開采、煤與瓦斯共采、條帶開采與充填開采、井下研石處理、煤炭地下氣化等主要的關鍵問題與研究現狀作了深入的 03manbetx ，提出了進一步研究與發展的建議.
關鍵詞:煤炭資源; 循環經濟; 綠色開采; 關鍵層
中圖分類號:TD 82 文獻標識碼:A
1資源與環境協調(綠色)開采的提出
1.1資源開采與政府的宏觀政策
由於經濟高速發展，凸顯發展對環境的影響.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具體對煤炭工業提出了要求.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”.同時提出要“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一在發展目標中具體提出“用3－5a時間，礦區生態環境惡化的趨勢初步得到控製，再用5a左右時間，形成以煤炭加工轉化、資源綜合利用和礦山環境治理為核心的循環經濟體係。”
顯然，若幹意見中的3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，則需要綜合研究資源經濟特點，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.
顯然，若幹意見的發表促使煤炭企業在一係列問題上要作出回答，例如，在煤炭開發與生態環境協調發展方麵應該如何應對.事實上，在意見發表前後作為以生產煤炭為主的煤炭企業也作了不少很有成效的探索，如:
1)利用劣質煤和地麵堆積如山的煤研石發電、製磚.
2)利用 煤礦坑下排水淨化.
3)利用瓦斯發電.
4)開采塌陷區的複墾和景觀化等.
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係統.
1.2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2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.
顯然，對於采礦來說就是在開采過程中不要讓生態資本出現赤字.否則速度越高，經濟效益越低，這是一種不可持續的(虛假)繁榮.
1.3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的生態環境問題.因此有人提出警告:“莫讓資源大省成為地質災害大省”.
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 煤礦研石山的自燃所形成的廢氣.
以山西為例，由於山西煤炭產量占全國的1/4－1/3，因而開采對山西環境影響最大.1949一1998年間山西共生產原煤56億t，造成地麵塌陷破壞麵積超過6 .7萬h m²，其中40%是耕地;矸石山占地2khm².到1998年煤炭地下采空麵積累計達1300 km²(全省麵積的1%)，采煤破壞地下水4.2億m³/a.這使本來缺水的山西環境受到進一步破壞.
假若如報道那樣，山西煤炭開采可能導致生態資本出現赤字.而煤炭的價值要依靠延長產業鏈形成，開采煤炭本身贏利很少，因而僅靠出售原煤，環境破壞得不到補償，隻會越挖越窮，而下遊產業利用煤炭富裕起來，造成社會分配的不公平.
山西提出了開征煤炭價格調節基金就是促使煤炭生產企業自覺履行治理環境汙染的義務，建立生態補償費 製度，將煤炭工業生態破壞成本內部化.由此對經濟情況並未完全好轉的煤炭工業造成壓力.
2資源與環境協調(綠色)開采的內涵
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、煤層內所涵的瓦斯、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.
而在原來的定義中，礦井瓦斯(Mine gas)是[1]: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，1m³瓦斯可發電3－3.5 kW•h.
礦井水文地質類型(Hydrogeological type of mines)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，……類型.事實上水是資源，采礦應該將其調控.
其它，如矸石作為塌陷地的複墾材料以及製磚利用等.
2 .2綠色開采技術涉及的範圍
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一保水開采技術;地下氣化技術;開采與土地保護.
2)加強煤巷維護技術，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將其進行製磚，填方等加以利用.
2.3綠色開采技術的基礎理論問題
開采的環境問題都是由於采動所引起，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，對環境而言是開采後形成岩層節理“裂隙場”，由此影響離層的發育狀態及位置，引起地表沉陷，瓦斯與地下水在裂隙岩體內的滲流等.為此提出了岩層控製的關鍵層理論〔2〕.
2.4關鍵層的判別方法與程序
關鍵層的判別可以用覆岩中的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，則:
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是h1的1倍則Σh3+h2隻要等於或大於Σh2+h1的4倍,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
構建如圖1所示的煤炭綠色開采技術體係[3]鑒於各種綠色開采技術都具有各自適用條件，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，卸壓瓦斯的運移與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[4-5].
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15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)淮南礦區在潘一礦和潘三礦頂板岩層進行“環”形圈抽放瓦斯純量達19-20 m³/ min，抽放率達48%以上.因此，若在開采時形成采煤和采瓦斯2個完整的係統，則不僅有益礦井的 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.地下水位能否恢複，則決定於上覆岩層中有否軟弱岩層(事實上它是研究地下水滲漏的關鍵層)，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2個概念，後者是從 安全考慮，而保水開采則必須研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在降雨水後的恢複過程.
3)要研究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.
1)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.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，首先要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研究的基礎上，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.
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.尤其在經濟發達地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，它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要求，因而應該考慮使用膏體充填.所謂膏體充填〔6〕指的是把物料製作成不需脫水的牙膏狀漿體，通過泵壓和/或重力作用，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同的，為了減少噸煤成本，它可以是:a.短壁間隔充填法，b.長壁間隔充填法，c.冒落區充填法.
3)離層區注漿減沉技術[7]:a.關鍵層理論研究認為，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.b.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井下研石的處理
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，岩石巷道的開掘將不可避免.因此可以將矸石不上井，如作為充填材料.這樣就存在一個矸石井下處理技術與係統，關鍵是成本如何?另一種考慮能否將研石在地麵處理，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，是指其不將煤炭采出地麵，而將其在地下直接氣化，即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.其它如德國、法國、荷蘭、西班牙都進行過試驗，但由於熱值低，成本高而未得到發展.
我國於1958－1960年曾在16個礦區進行驗，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13 816 .44－17 584.56 kJ/ 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.因此國家和有關部門應給予資金等大力支持以推動這方麵的研究工作.煤炭地下氣化與常規的開采方法不同，而且還在試驗階段，很不成熟，因而在這裏不作詳細討論.
4關於經濟原則
隨著經濟的發展和國家對環境的要求，綠色開采技術必然將受到充分的重視.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以進一步降低開采成本.例如瓦斯發電與礦井地下水以及研石資源的利用，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，尤其使一些本來開采成本較高的煤炭企業難以接受.
資源開發必須與環境協調，這是采礦者的責任.但首先必須解決煤炭開發的經濟問題，在市場經濟條件下礦業開發具有其本身的發展規律，例如煤炭的價值是由整個產業鏈係統表現出來，而具體的煤炭作為商品很難體現其在開采時的難度及技術含量.煤炭開采成本與售價不僅與技術有關，還與賦存狀況及區位等條件有關，這顯然與加工類型企業有本質的區別.如:有些條件下煤質雖差，但開采難度大(采深增加，構造複雜等)，成本就很高，相反成本反而很低.
因此為了滿足國家經濟發展對能源的要求，而又要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，以使煤炭企業得到健康發展.
各個礦區開采對環境影響是不同的，加上開采成本也不一樣，因此必須分類作出成本核算，以便提出希望政府給予的政策支持.
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，政府應該考慮“資源經濟”的特點，對煤炭企業關心與支持，使煤炭企業健康發展.
在科學與技術方麵，應該將岩層運動對工作麵的影響轉為研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.重要標誌是:
1)將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，不要使水資源流失.
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研究.
5)形成煤炭地下氣化技術，並研究其對地下水環境的影響.
參考文獻:
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