綠色開(kāi)采的概念與技術(shù)體系

錢(qián)鳴高
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221008)

摘要:闡述了煤礦綠色開(kāi)采概念的提出、內(nèi)涵及綠色開(kāi)采技術(shù)體系。綠色開(kāi)采技術(shù)的主要內(nèi)容應(yīng)包括:保水開(kāi)采，建筑物下采煤與離層注漿減沉，條帶與充填開(kāi)采，煤與瓦斯共采，煤巷支護(hù)與部分研石的井下處理，煤炭地下氣化等。巖層控制的關(guān)鍵層理論為綠色開(kāi)采研究提供了一個(gè)理論平臺(tái)。
關(guān)鍵詞:綠色開(kāi)采;關(guān)鍵層理論;巖層移動(dòng);綠色開(kāi)采技術(shù)體系
中圖分類(lèi)號(hào):TD821文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1煤礦綠色開(kāi)采的提出
黨的十六大報(bào)告明確提出“走出一條科技含量高，經(jīng)濟(jì)效益好，資源消耗低，環(huán)境污染少，人力資源優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子”。因此，必須充分考慮我國(guó)資源相對(duì)短缺，環(huán)境比較脆弱的基
本特點(diǎn)，建立起適合我國(guó)國(guó)情的資源節(jié)約、環(huán)境友好的新型工業(yè)化發(fā)展道路。
近期提出的循環(huán)經(jīng)濟(jì)(recycling economy)是指遵循自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)規(guī)律重構(gòu)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，將經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高效有序地組織成一個(gè)“資源利用－綠色工業(yè)－資源再生”的封閉型物質(zhì)能量循環(huán)的反饋式流程，保持經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的低消耗、高質(zhì)量、低廢棄，從而將經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響和破壞減少到最低限度。它不同于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的高開(kāi)采、低利用、高排放”，而是要達(dá)到“低開(kāi)采、高利用、低排放”的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。顯然，此處的綠色工業(yè)”是廣義的概念，應(yīng)由各個(gè)工業(yè)部門(mén)去實(shí)現(xiàn)。對(duì)礦業(yè)來(lái)說(shuō)就是要實(shí)現(xiàn)綠色礦業(yè)”。綠色礦業(yè)”的核心內(nèi)容之一就是要實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采”。
“綠色開(kāi)采”的內(nèi)涵是努力遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)中綠色工業(yè)的原則，形成一種與環(huán)境協(xié)調(diào)一致的，努力去實(shí)現(xiàn)低開(kāi)采、高利用、低排放”的開(kāi)采技術(shù)。
礦區(qū)在開(kāi)發(fā)建設(shè)之前與周?chē)h(huán)境是協(xié)調(diào)一致的，而進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)后，強(qiáng)烈的人為活動(dòng)便使環(huán)境發(fā)生巨大的變化，由此形成了礦區(qū)獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如造成農(nóng)田及建筑物破壞，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干枯，在地面導(dǎo)致的土地沙漠化，由于開(kāi)采而使礦物內(nèi)的有害物質(zhì)流入地下水中等。我國(guó)目前的煤礦生產(chǎn)是在以下兩種情況下進(jìn)行的:一是生產(chǎn)成本不完全。如投入不足;技術(shù)裝備落后;安全設(shè)施欠賬;工人工資太低。二是相關(guān)費(fèi)用支付不全。如礦產(chǎn)資源費(fèi)及植被恢復(fù)，地面塌陷與水損失，污染治理等。提出并形成綠色開(kāi)采技術(shù)是為了正視開(kāi)采對(duì)環(huán)境造成的影響和破壞，以便提出必要的對(duì)策并對(duì)政府提出必要的政策建議。煤炭開(kāi)采形成的環(huán)境問(wèn)題主要有:①對(duì)土地資源的破壞和占用。煤炭開(kāi)采對(duì)土地資源的破壞損害，井工開(kāi)采以地表塌陷和研石山壓占為主，而露天開(kāi)采則以直接挖損和外排土場(chǎng)壓占為主。②對(duì)水資源的破壞和污染。煤炭開(kāi)采過(guò)程中進(jìn)行的人為疏干排水和采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙對(duì)煤系含水層的自然疏干，破壞了地下水資源。同時(shí)開(kāi)采還可能污染地下水資源。③對(duì)大氣環(huán)境的污染。主要來(lái)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(chǎn)原煤56億多噸，地面塌陷破壞面積達(dá)66 600 ha，其中40%是耕地。研石山占地2 000 ha。至1998年煤炭地下采空面積達(dá)1 300 km²古全省面積的1%)。采煤破壞地下水4.2億m³/a，地表水徑流減少，導(dǎo)致井水位下降或斷流共計(jì)3218個(gè)，影響水利工程433處，水庫(kù)40座，輸水管道793. 89 km;造成1 678個(gè)村莊，8127巧口人，108241頭牲畜飲水困難。使本來(lái)缺水的山西環(huán)境受到進(jìn)一步破壞。平均每采萬(wàn)噸原煤造成塌陷土地0.2 ha，每年新增塌陷地約2萬(wàn)ha.
礦井瓦斯即煤層氣，它是比CO2還嚴(yán)重的溫室氣體，也是導(dǎo)致煤礦重大安全事故的根源。據(jù)初步估計(jì)，我國(guó)2 km淺范圍內(nèi)具有30-35萬(wàn)億m³煤層氣資源，居世界前列。但由于我國(guó)煤層透氣性小，難以在開(kāi)采前抽出。建國(guó)以來(lái)，我國(guó)煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故1500余次，僅2001年瓦斯事故的死亡人數(shù)即達(dá)2356人，為煤礦總死亡人數(shù)的40%。煤礦每年排放瓦斯70億一190億m³。同時(shí)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(jiàn)，提出并盡快形成煤礦的“綠色開(kāi)采技術(shù)”已迫在眉睫[1]
2綠色開(kāi)采的內(nèi)涵與技術(shù)體系
從廣義資源的角度論，在礦區(qū)范圍內(nèi)的煤炭、地下水、煤層氣瓦斯)、土地以至于煤研石以及在煤層附近的其他礦床，都應(yīng)作為經(jīng)營(yíng)這個(gè)礦區(qū)的開(kāi)發(fā)對(duì)象而加以利用。
原來(lái)對(duì)礦井瓦斯的定義是:“礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體?！倍诘V井水文地質(zhì)類(lèi)型劃分中認(rèn)為:牛良據(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，劃為……類(lèi)型?！憋@然，上述概念將原本為礦區(qū)資源的瓦斯和水單純作為有害物來(lái)對(duì)待是不合適的。
煤礦綠色開(kāi)采及相應(yīng)的綠色開(kāi)采技術(shù)在基本概念上是從廣義資源的角度上來(lái)認(rèn)識(shí)和對(duì)待煤、瓦斯、水等一切可以利用的資源，基本出發(fā)點(diǎn)是防止或盡可能減輕開(kāi)采煤炭對(duì)環(huán)境和其他資源的不良影響，目標(biāo)是取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。針對(duì)煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，“綠色開(kāi)采技術(shù)”主要包括以下內(nèi)容:①水資源保護(hù)—形成“保水開(kāi)采”技術(shù);②土地與建筑物保護(hù)—形成離層注漿、充填與條帶開(kāi)采技術(shù);③瓦斯抽放—形成“煤與瓦斯共采”技術(shù);④煤層巷道支護(hù)技術(shù)與減少矸石排放技術(shù);⑤地下氣化技術(shù)。這些內(nèi)容構(gòu)成的綠色開(kāi)采技術(shù)體系如圖1所示。

開(kāi)采引起環(huán)境與主要安全問(wèn)題的發(fā)生都同開(kāi)采后造成的巖層運(yùn)動(dòng)有關(guān)巖體不破壞上述問(wèn)題都不會(huì)發(fā)生)。因此，綠色開(kāi)采的重大基礎(chǔ)理論為:①采礦后巖層內(nèi)的“節(jié)理裂隙場(chǎng)”分布及離層規(guī)律;②開(kāi)采對(duì)巖層與地表移動(dòng)的影響規(guī)律;③水與瓦斯在裂隙巖體中的滲流規(guī)律;④巖體應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律及巖層控制技術(shù)。
3關(guān)鍵層理論對(duì)綠色開(kāi)采研究的指導(dǎo)作用
采場(chǎng)老頂巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型是針對(duì)開(kāi)采過(guò)程中的礦山壓力控制而提出來(lái)的。近年來(lái)，為了解決巖層控制中更為廣泛的問(wèn)題，提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論目。提出關(guān)鍵層理論的目的是為了研究覆巖中厚硬巖層對(duì)層狀礦體開(kāi)采中節(jié)理裂隙的分布及其對(duì)瓦斯抽放與突水防治以及對(duì)開(kāi)采沉陷控制等的影響。因而，關(guān)鍵層理論將為綠色開(kāi)采的研究提供理論平臺(tái)。
開(kāi)采后，隨著關(guān)鍵層的破斷，在該區(qū)域內(nèi)地下水將形成下降漏斗。地下水位能否恢復(fù)，則決定于隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層中是否有軟弱巖層（事實(shí)上它是研究地下水滲漏的“關(guān)鍵層”)經(jīng)重新壓實(shí)導(dǎo)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(kāi)采技術(shù)，即開(kāi)采后地表水暫時(shí)形成下降漏斗仍能恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的開(kāi)采技術(shù)。
基于巖層控制的關(guān)鍵層理論提出:將保證覆巖主關(guān)鍵層不破斷失穩(wěn)作為建筑物下采煤設(shè)計(jì)的基本原則。為了保證建筑物下采煤既具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又確保地面建筑物不受到損害，關(guān)鍵在于根據(jù)具體條件下覆巖結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵層特征來(lái)研究確定合理的減沉開(kāi)采技術(shù)及參數(shù)。確定覆巖中的關(guān)鍵層位置，掌握其離層與破斷特征參數(shù)，是注漿減沉技術(shù)應(yīng)用可行性分析、鉆孔布置與注漿工藝設(shè)計(jì)及減沉效果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。
從理論上來(lái)說(shuō)，充填采礦是解決煤礦開(kāi)采環(huán)境問(wèn)題的理想途徑。為了降低充填成本，基于巖層控制的關(guān)鍵層理論，提出了部分充填（條帶充填)控制開(kāi)采沉陷的思路:僅充填部分采空區(qū)，只要保證未充填采空區(qū)的寬度小于覆巖主關(guān)鍵層的初次破斷跨距，且充填條帶能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，就可有效控制地表沉陷。
我國(guó)70%以上煤層的滲透率小于1×10-3 μm²，這對(duì)我國(guó)開(kāi)展煤層瓦斯采前預(yù)抽是極為不利的。若在開(kāi)采時(shí)形成采煤和采瓦斯兩個(gè)完整的系統(tǒng)，利用巖層運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)將煤層氣高效開(kāi)采出來(lái)，即形成“煤與瓦斯共采”技術(shù)。關(guān)鍵層理論所得出的節(jié)理裂隙場(chǎng)分布規(guī)律將對(duì)瓦斯抽出技術(shù)有重要參考作用。
矸石不上井涉及到煤巷維護(hù)問(wèn)題，而且隨著采深的增加，巖石巷的開(kāi)掘?qū)⒉豢杀苊?。因此矸石不上井就存在一個(gè)研石井下處理系統(tǒng)。應(yīng)該說(shuō)，在經(jīng)濟(jì)原則下矸石的井下處理是綠色采礦問(wèn)題。但矸石的井上處理就像地面復(fù)懇一樣是環(huán)境治理問(wèn)題，不屬于綠色開(kāi)采技術(shù)。
煤炭地下氣化是一種整體綠色開(kāi)采技術(shù)。應(yīng)解決如何使地下煤炭氣化產(chǎn)生的致癌物質(zhì)苯和酚不擴(kuò)散，不污染、毒化地下水資源及如何處理燃燒形成的大量二氧化碳污染空氣的問(wèn)題。否則煤炭地下氣化就失去了綠色開(kāi)采的意義。
4綠色開(kāi)采若干待研究的問(wèn)題
下列問(wèn)題將是綠色開(kāi)采有待于進(jìn)一步研究的主要問(wèn)題:①采動(dòng)破裂煤巖體中水與瓦斯流動(dòng)規(guī)律的研究;②基于巖層移動(dòng)與關(guān)鍵層理論的開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)與建筑物下采煤的定量設(shè)計(jì)方法;③適合煤礦特點(diǎn)的充填采礦材料與工藝系統(tǒng);④煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與法規(guī)。
參考文獻(xiàn):
[1]錢(qián)鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)壓[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,32 (4):343-348
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作者簡(jiǎn)介:錢(qián)鳴高 (1932－)，男，江蘇無(wú)錫人，中國(guó)工程院院士，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事采礦工程方面研究。