資源與環(huán)境協(xié)調(diào)(綠色)開采
錢鳴高
(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221008)
關(guān)鍵詞:資源;環(huán)境;綠色開采
中圖分類號(hào):TD 821 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1資源與環(huán)境協(xié)調(diào)綠色開采的提出
由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展特顯出發(fā)展對環(huán)境的影響，新型工業(yè)化道路以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的提出迫使人們考慮“綠色礦業(yè)”問題。近期國務(wù)院《關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中更對煤炭工業(yè)提出了具體要
求。如:在指導(dǎo)思想中提出“走資源利用率高、安全有保障、經(jīng)濟(jì)效益好、環(huán)境污染少和可持續(xù)的煤炭工業(yè)發(fā)展道路”。同時(shí)提出“統(tǒng)籌煤炭工業(yè)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，統(tǒng)籌煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，統(tǒng)籌礦山經(jīng)濟(jì)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展”的要求。
三個(gè)統(tǒng)籌就是要把礦區(qū)資源優(yōu)勢變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，就是要把礦區(qū)變成礦工的綠色家園。煤炭是否能成為主體能源，關(guān)鍵是要解決煤炭開發(fā)與利用中對環(huán)境的影響問題。而煤炭工業(yè)能否健康發(fā)展，則需要綜合矸究資源經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，解決政策、機(jī)制、規(guī)劃、價(jià)格、技術(shù)等諸多問題，并相應(yīng)地提出舉措，才能成功。
在煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展方面應(yīng)該如何應(yīng)對?以生產(chǎn)煤炭為主的煤炭企業(yè)已作了不少很有成效的探索，如:
①利用劣質(zhì)煤和煤矸石發(fā)電、制磚。很多礦山原來堆積的矸石山已不復(fù)存在。
②煤礦坑下排水凈化后利用。
③利用瓦斯發(fā)電。
④開采塌陷區(qū)的復(fù)墾和景觀化等。
徐州、充州、潞安、新漢、神華、淮南等礦業(yè)集團(tuán)都有自身特色的生態(tài)恢復(fù)生產(chǎn)系統(tǒng)。
1. 1開發(fā)資源需思考的幾個(gè)問題
有的專家認(rèn)為，事實(shí)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(chǎn)力，生態(tài)資本出現(xiàn)赤字，人類將自食其果。
其二:在向自然索取的同時(shí)，尊重自然意志，遵循自然規(guī)律，時(shí)刻不忘回饋?zhàn)匀缓宛B(yǎng)護(hù)自然，從而在人類和自然之間建立起復(fù)合的生態(tài)平衡機(jī)制。
1. 2煤炭開采與環(huán)境
眾所周知，礦區(qū)在開發(fā)建設(shè)之前與周圍環(huán)境已形成了一定的協(xié)調(diào)方式，而一旦開發(fā)建設(shè)，強(qiáng)烈的人為活動(dòng)便使環(huán)境發(fā)生巨大的變化，由此形成了獨(dú)特的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題。
煤炭開采形成的環(huán)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對水資源的破壞和污染。煤炭開采破壞地下水資源表現(xiàn)在對其進(jìn)行人為疏干排水和采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙對煤系含水層的自然疏干;同時(shí)開采還可能污染地下水資源。
③對大氣環(huán)境的污染。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(huán)境協(xié)調(diào)綠色矸采的內(nèi)涵
2. 1對原有礦井廢棄或有害物觀念的轉(zhuǎn)變
從廣義資源的角度論，在礦區(qū)范圍內(nèi)的煤炭、地下水、煤層內(nèi)所含瓦斯、土地以至于煤矸石以及在煤層附近的其他礦床都應(yīng)該是經(jīng)營這個(gè)礦區(qū)的開發(fā)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(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體。事實(shí)上瓦斯是清潔能源，1 m³瓦斯可發(fā)電3 3.5 kWh。
礦井水文地質(zhì)類型(hydrogeological type of mine)是:根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件、涌水量、水害情況和防治水難易程度區(qū)分的類型。事實(shí)是水是資源，采礦應(yīng)該將其調(diào)控。
其他，如矸石作為塌陷地的復(fù)墾材料以及制磚利用等。
2. 2綠色開采技術(shù)涉及方面
(1)采礦方法的改變。如:為保護(hù)地面建筑物而發(fā)展條帶開采和條帶充填技術(shù)、采空區(qū)以及離層區(qū)充填技術(shù);煤與瓦斯共采技術(shù);保護(hù)地下水資源開采技術(shù)—保水開采技術(shù);地下氣化技術(shù);開采與土地保護(hù)。
(2)加強(qiáng)煤巷的維護(hù)，從而不出或少出矸石。從經(jīng)濟(jì)原則出發(fā)，矸石在井下處理，或考慮地面處理以保護(hù)環(huán)境或進(jìn)行制磚、填方。
2. 3綠色開采技術(shù)的基礎(chǔ)理論問題
開采的環(huán)境問題都由于采動(dòng)所引起，因此與開采后造成的巖層運(yùn)動(dòng)有關(guān)(巖體不破壞上述問題都不會(huì)發(fā)生)。巖層運(yùn)動(dòng)不僅對礦山壓力有影響，對環(huán)境而言也是開采后巖層節(jié)理“裂隙場”形成的原因，由此影響離層的發(fā)育狀態(tài)及位置、地表沉陷、瓦斯與地下水在裂隙巖體內(nèi)的滲流規(guī)律等。為此提出了厚硬巖層在巖層控制的關(guān)鍵層理論。
關(guān)鍵層的判別可以用覆巖中堅(jiān)硬巖層的剛度條件和強(qiáng)度條件加以判別。兩層鄰近堅(jiān)硬巖層在一起，可能形成同時(shí)破斷復(fù)合效應(yīng)，其結(jié)果:
(1)當(dāng)相鄰兩硬巖層復(fù)合破斷時(shí)，兩硬巖層間將不會(huì)出現(xiàn)離層。
(2)當(dāng)形成復(fù)合效應(yīng)時(shí)，增大了關(guān)鍵層的破斷距，在位置靠近采場時(shí)，將引起工作面來壓步距的增大和變化。
在僅有兩層（h1和h2）堅(jiān)硬巖層條件下，Σh2為h1到h2的距離，而Σh3則是h2到地表的距離。只要滿足下述關(guān)系，硬巖層h1與h2將同時(shí)垮落:
(Σh3＋h2)= (Σh2＋h1) (h2/h1)²
例如h2=2h1厚度，則(Σh3+h2)只要等于或大于(Σh2+h1)的4陪，h2和h1將同時(shí)垮落。此時(shí)，雖然h2遠(yuǎn)大于h1，但h2將不會(huì)產(chǎn)生離層。
采動(dòng)后巖體內(nèi)的“裂隙場”，主要有以下特點(diǎn):
(1)中心離層區(qū)的形成。關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對離層產(chǎn)生、發(fā)展的時(shí)空分布起控制作用。覆巖中心最大離層區(qū)主要出現(xiàn)在關(guān)鍵層下采空區(qū)的中部。
(2)采動(dòng)裂隙“O”，形圈的形成。關(guān)鍵層初次垮落后，關(guān)鍵層在采空區(qū)中部離層趨于壓實(shí)，而在采空區(qū)兩側(cè)仍各自保持一個(gè)離層區(qū)。此時(shí)，從平面看，在采空區(qū)四周存在一沿層面橫向連通的離層發(fā)育區(qū)，
稱之為采動(dòng)裂隙“O”形圈。
3煤炭資源綠色開采技術(shù)體系
由此可構(gòu)建如圖1所示的煤炭綠色開采技術(shù)體系。鑒于各種綠色開采技術(shù)都具有各自的適用條件，各個(gè)礦區(qū)應(yīng)針對礦區(qū)的具體條件采用合適的技術(shù)，從而形成具有各自礦區(qū)特色的綠色開采模式。
3. 1煤與瓦斯共采技術(shù)原理
顯然，卸壓瓦斯的運(yùn)移同巖層移動(dòng)及采動(dòng)裂隙的動(dòng)態(tài)分布特征有著緊密的關(guān)系。由關(guān)鍵層理論建立的關(guān)鍵層破斷后形成“O”形通道理論，在一些礦區(qū)的卸壓瓦斯抽放中對鉆孔布置起到指導(dǎo)作用。
(1)揭示了陽泉15煤綜放面巖層移動(dòng)對鄰近層瓦斯涌出的影響規(guī)律，提出并實(shí)施了陽泉礦區(qū)巧煤綜放面上鄰近層卸壓瓦斯高抽巷布置優(yōu)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面鉆井抽放上覆遠(yuǎn)距離煤層卸壓瓦斯的工業(yè)性試驗(yàn)。結(jié)果表明，上覆遠(yuǎn)距離煤層卸壓瓦斯可通過“O”形圈大面積抽放出來。
(3)淮南礦區(qū)在潘一和潘三頂板巖層進(jìn)行“O”形圈抽放，瓦斯純量達(dá)19-20m³/nin，抽放率達(dá)48%以上。
因此，若在開采時(shí)形成采煤和采瓦斯兩個(gè)完整的系統(tǒng)，則不僅有益于礦井的安全，而且采出的還是潔凈能源。政府應(yīng)從政策上給以支持。鑒于我國大部分煤層透氣性低，因此在開采高瓦斯煤層的同時(shí)，利用巖層運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)將煤層氣開發(fā)出來將是我國煤層氣開發(fā)的一個(gè)重要途徑。
3. 2開采與地下水分布
開采后，隨著地表的沉陷將改變地表水的流向;同時(shí)隨著上覆巖層中關(guān)鍵層的破斷，在該區(qū)域內(nèi)地下水將形成下降漏斗。地下水能否恢復(fù)，則決定于上覆巖層中是否有軟弱巖層事實(shí)上它是矸究地下水滲漏的關(guān)鍵層天隨著工作面的推進(jìn)，經(jīng)重新壓實(shí)并導(dǎo)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(bǔ)給，下降漏斗也將隨之消失。另外，必須指出:
(1)保水開采與防止?jié)⑺莾蓚�(gè)概念，后者是從安全考慮，而保水開采則必須矸究開采前后巖層的水文地質(zhì)變化。
(2)我國西北地區(qū)保水開采是重點(diǎn)，必須研究所開采的巖層是否有隔水帶，開采對地下水的破壞形成的漏斗以及降雨水后的恢復(fù)過程。
(3)地下水是全部流失還是保存在更深的巖層內(nèi)形成地下水庫而后再利用?
3. 3減沉技術(shù)
減沉開采技術(shù)主要包括:條帶開采、充填開采和離層區(qū)注漿減沉技術(shù)。
3 31條帶開采
實(shí)驗(yàn)證明，主關(guān)鍵層對地表移動(dòng)過程起控制作用，主關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致地表快速下沉，地表下沉速度隨主關(guān)鍵層周期性破斷而呈現(xiàn)跳躍性變化。因此，控制主關(guān)鍵層就是控制地表。對建筑物下開采設(shè)計(jì)的原則是構(gòu)建成“條帶煤柱－上覆巖層－主關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)體系，因此首先應(yīng)判別上覆巖層中的主關(guān)鍵層位置，在對主關(guān)鍵層破斷特征進(jìn)行矸究的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)計(jì)條帶參數(shù)、覆巖離層注漿等技術(shù)手段來保證覆巖主關(guān)鍵層不破斷并保持長期穩(wěn)定。
3 3.2充填技術(shù)
充填技術(shù)是解決“三下”開采技術(shù)的重要組成部分，在國外它與采礦技術(shù)密切相關(guān)。尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)，充填技術(shù)是解決建筑物下開采的特殊措施。
目前我國充填技術(shù)的使用成本高，但如果將“充填體－上覆巖層－主關(guān)鍵層”視為統(tǒng)一結(jié)構(gòu)體來應(yīng)對地面建筑，并使其達(dá)到最低廉的成本，將對地面有良好的控制效果。順利解決上述問題將根本改變將來我國在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域的開采技術(shù)。
鑒于在形成結(jié)構(gòu)體中對充填體強(qiáng)度與密實(shí)度的要求，因而應(yīng)該考慮使用膏體充填。所謂膏體充填指的是把物料制作成不需脫水的牙膏狀漿體，通過泵壓和重力作用，經(jīng)過管道輸送到井下，在采空區(qū)形成
充填體的方法。
考慮到經(jīng)濟(jì)原則，采用充填技術(shù)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(qū)充填法。
3 3.3離層區(qū)注漿減沉技術(shù)
該技術(shù)的關(guān)鍵是:①關(guān)鍵層理論矸究認(rèn)為，確定具體礦井覆巖中的主關(guān)鍵層位置，掌握其與下部巖層離層區(qū)發(fā)育較好及離層特征參數(shù);②合理布置注漿鉆孔。
利用條帶開采間隔全工作面充填和離層區(qū)充填法等技術(shù)，完全可以做到保護(hù)地面建筑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(shù)之一是井下矸石處理。首先是加強(qiáng)煤巷維護(hù)技術(shù)，從而少出或不出矸石。隨著采深的增加，巖石巷的開掘?qū)⒉豢杀苊猓虼隧肥簧暇勺鳛槌涮畈牧�。這就存在一個(gè)矸石井下處理技術(shù)與系統(tǒng)問題，關(guān)鍵是成本如何。另一種考慮能否將矸石在地面處理，變廢為寶，如變?yōu)榻ㄖ牧�、充填材料等，終究矸石的地面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(shù)。煤的地下氣化作為綠色開采技術(shù)來理解，是指不將煤炭采出地面，而將其在地下直接氣化，即是將地下煤炭通過熱化學(xué)反應(yīng)在原地轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w的技術(shù)。它1912年開始于英國，美國始于1946,蘇聯(lián)始于1932年。
我國于1958-1960年曾在16個(gè)礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，于1962年停止，1984年又開始了新的試驗(yàn)，1994年達(dá)到連續(xù)生產(chǎn)295d產(chǎn)氣量為200 m³/h，熱值13.8-18.0MJ/m³,采用的是有井式、長通道、大斷面的煤炭地下氣化方法。
另外，地下煤炭氣化燃燒產(chǎn)生的苯和酚是致癌物質(zhì)，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(yán)重的污染。上述問題均需要進(jìn)行研究。
顯然，目前我國煤的地下氣化技術(shù)仍處于工業(yè)試驗(yàn)階段，有很多問題需要去研究和探索。
4關(guān)于經(jīng)濟(jì)原則
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家對環(huán)境的要求，綠色開采技術(shù)必將受到充分的重視。隨著科技的發(fā)展;綠色開采中的部分技術(shù)可以成為產(chǎn)業(yè)，甚至可以利用變廢為寶進(jìn)一步降低開采成本。例如瓦斯發(fā)電與礦井地下水以及矸石資源的利用，地下殘煤氣化等。另一方面，若處理不好很容易增加煤礦企業(yè)的成本，一些開采成本較高的煤炭企業(yè)尤其難以接受。
為了滿足國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的要求，實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)與環(huán)境的協(xié)調(diào)，必須從煤炭開采到利用的整個(gè)系統(tǒng)來考慮加以宏觀調(diào)控，政府應(yīng)根據(jù)各類情況在政策與稅收等方面加以支持，使煤炭企業(yè)得到健康發(fā)展。
各個(gè)礦區(qū)開采對環(huán)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(yīng)的政策支持。
5結(jié)論
綠色采礦是形成綠色礦業(yè)及礦區(qū)綠色家園的重要組成部分。政府應(yīng)該考慮贊源經(jīng)濟(jì)”的特點(diǎn)，對煤炭企業(yè)關(guān)心與支持，使煤炭企業(yè)健康發(fā)展。
在科學(xué)技術(shù)方面，應(yīng)該將巖層運(yùn)動(dòng)對工作面的影響轉(zhuǎn)為矸究開采后巖層運(yùn)動(dòng)對巖體內(nèi)形成空隙的影響，以及氣、液體在其中的滲流規(guī)律。另外，還應(yīng)研究巖層運(yùn)動(dòng)可能形成的巖體結(jié)構(gòu)對保護(hù)地表建筑物
的影響。幾個(gè)重要標(biāo)志是:
(1)對有一定含量的瓦斯應(yīng)視為資源，變害為利，在采煤的同時(shí)形成地面或井下瓦斯共同開采系統(tǒng)。
(2)根據(jù)巖層的組成，確定保水采煤相宜的開采方法，不使水資源流失。
(3)根據(jù)具體條件，形成城鎮(zhèn)及村莊下充填、條帶開采、離層區(qū)注漿等保護(hù)建筑物及地面的技術(shù);對塌陷的土地則采取復(fù)墾或者造景技術(shù)。
(4)根據(jù)經(jīng)濟(jì)原則形成矸石在井下的處理技術(shù)或者矸石在井上的利用技術(shù)。加強(qiáng)煤層內(nèi)維護(hù)巷道技術(shù)的矸究。
(5)形成煤炭地下氣化技術(shù)，并矸究其對地下水環(huán)境的影響。
作者簡介:錢鳴高(1932-)，男，江蘇無錫人，中國礦業(yè)大學(xué)教授，中國工程院院士。