資源與環(huán)境協(xié)調(diào)(綠色)開采及其技術(shù)體系
作者：佚名
2007-04-03 16:48
來源：不詳
錢鳴高1，繆協(xié)興2，許家林1
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，江蘇 徐州221008 ; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 徐州221008)
關(guān)鍵詞:煤炭資源; 循環(huán)經(jīng)濟(jì); 綠色開采; 關(guān)鍵層
中圖分類號(hào):TD 82 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
1.1資源開采與政府的宏觀政策
由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，凸顯發(fā)展對(duì)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(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見中更具體對(duì)煤炭工業(yè)提出了要求.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)提出要“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)展一在發(fā)展目標(biāo)中具體提出“用3－5a時(shí)間，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢(shì)初步得到控制，再用5a左右時(shí)間，形成以煤炭加工轉(zhuǎn)化、資源綜合利用和礦山環(huán)境治理為核心的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系?！?BR> 顯然，若干意見中的3個(gè)統(tǒng)籌就是要把礦區(qū)資源優(yōu)勢(shì)變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，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(duì)環(huán)境的影響問題.而煤炭工業(yè)能否健康發(fā)展，則需要綜合研究資源經(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.
顯然，若干意見的發(fā)表促使煤炭企業(yè)在一系列問題上要作出回答，例如，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(duì).事實(shí)上，在意見發(fā)表前后作為以生產(chǎn)煤炭為主的煤炭企業(yè)也作了不少很有成效的探索，如:
1)利用劣質(zhì)煤和地面堆積如山的煤研石發(fā)電、制磚.
2)利用煤礦坑下排水凈化.
3)利用瓦斯發(fā)電.
4)開采塌陷區(qū)的復(fù)墾和景觀化等.
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)系統(tǒng).
1.2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2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.
顯然，對(duì)于采礦來說就是在開采過程中不要讓生態(tài)資本出現(xiàn)赤字.否則速度越高，經(jīng)濟(jì)效益越低，這是一種不可持續(xù)的(虛假)繁榮.
1.3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)的生態(tài)環(huán)境問題.因此有人提出警告:“莫讓資源大省成為地質(zhì)災(zāi)害大省”.
煤炭開采形成的環(huán)境問題有:
1)對(duì)土地資源的破壞和占用.煤炭開采對(duì)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(chǎng)壓占為主.
2)對(duì)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(duì)其進(jìn)行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，同時(shí)開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，由于山西煤炭產(chǎn)量占全國(guó)的1/4－1/3，因而開采對(duì)山西環(huán)境影響最大.1949一1998年間山西共生產(chǎn)原煤56億t，造成地面塌陷破壞面積超過6 .7萬h m²，其中40%是耕地;矸石山占地2khm².到1998年煤炭地下采空面積累計(jì)達(dá)1300 km²(全省面積的1%)，采煤破壞地下水4.2億m³/a.這使本來缺水的山西環(huán)境受到進(jìn)一步破壞.
假若如報(bào)道那樣，山西煤炭開采可能導(dǎo)致生態(tài)資本出現(xiàn)赤字.而煤炭的價(jià)值要依靠延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈形成，開采煤炭本身贏利很少，因而僅靠出售原煤，環(huán)境破壞得不到補(bǔ)償，只會(huì)越挖越窮，而下游產(chǎn)業(yè)利用煤炭富裕起來，造成社會(huì)分配的不公平.
山西提出了開征煤炭?jī)r(jià)格調(diào)節(jié)基金就是促使煤炭生產(chǎn)企業(yè)自覺履行治理環(huán)境污染的義務(wù)，建立生態(tài)補(bǔ)償費(fèi)制度，將煤炭工業(yè)生態(tài)破壞成本內(nèi)部化.由此對(duì)經(jīng)濟(jì)情況并未完全好轉(zhuǎn)的煤炭工業(yè)造成壓力.
2資源與環(huán)境協(xié)調(diào)(綠色)開采的內(nèi)涵
2 .1對(duì)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)所涵的瓦斯、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(yíng)這個(gè)礦區(qū)的開發(fā)對(duì)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(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體.事實(shí)上瓦斯是清潔能源，1m³瓦斯可發(fā)電3－3.5 kW•h.
礦井水文地質(zhì)類型(Hydrogeological type of mines)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，……類型.事實(shí)上水是資源，采礦應(yīng)該將其調(diào)控.
其它，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)涉及的范圍
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)一保水開采技術(shù);地下氣化技術(shù);開采與土地保護(hù).
2)加強(qiáng)煤巷維護(hù)技術(shù)，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?qū)⑵溥M(jìn)行制磚，填方等加以利用.
2.3綠色開采技術(shù)的基礎(chǔ)理論問題
開采的環(huán)境問題都是由于采動(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(duì)礦山壓力有影響，對(duì)環(huán)境而言是開采后形成巖層節(jié)理“裂隙場(chǎng)”，由此影響離層的發(fā)育狀態(tài)及位置，引起地表沉陷，瓦斯與地下水在裂隙巖體內(nèi)的滲流等.為此提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論〔2〕.
2.4關(guān)鍵層的判別方法與程序
關(guān)鍵層的判別可以用覆巖中的堅(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)，則:
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(chǎng)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是h1的1倍則Σh3+h2只要等于或大于Σh2+h1的4倍,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(chǎng)”，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(duì)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
構(gòu)建如圖1所示的煤炭綠色開采技術(shù)體系[3]鑒于各種綠色開采技術(shù)都具有各自適用條件，各個(gè)礦區(qū)應(yīng)針對(duì)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)移與巖層移動(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(duì)鉆孔布置起到指導(dǎo)作用[4-5].
1)揭示了陽(yáng)泉15煤綜放面巖層移動(dòng)對(duì)鄰近層瓦斯涌出的影響規(guī)律，提出并實(shí)施了陽(yáng)泉礦區(qū)15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)在潘一礦和潘三礦頂板巖層進(jìn)行“環(huán)”形圈抽放瓦斯純量達(dá)19-20 m³/ min，抽放率達(dá)48%以上.因此，若在開采時(shí)形成采煤和采瓦斯2個(gè)完整的系統(tǒng)，則不僅有益礦井的安全，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(guó)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(guó)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.地下水位能否恢復(fù)，則決定于上覆巖層中有否軟弱巖層(事實(shí)上它是研究地下水滲漏的關(guān)鍵層)，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?個(gè)概念，后者是從安全考慮，而保水開采則必須研究開采前后巖層的水文地質(zhì)變化.
2)我國(guó)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(duì)地下水的破壞形成的漏斗以及在降雨水后的恢復(fù)過程.
3)要研究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(kù)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).
1)條帶開采:實(shí)驗(yàn)證明主關(guān)鍵層對(duì)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.控制主關(guān)鍵層就是控制地表.對(duì)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，首先要判別上覆巖層中的主關(guān)鍵層位置，在對(duì)主關(guān)鍵層破斷特征進(jìn)行研究的基礎(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(zhǎng)期穩(wěn)定.
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(guó)外它與采礦技術(shù)密切相關(guān).尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)充填技術(shù)是解決建筑物下開采的特殊措施.
目前我國(guó)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(duì)地面建筑，并使其達(dá)到最低廉的成本，它將對(duì)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(guó)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(duì)充填體強(qiáng)度與密實(shí)度要求，因而應(yīng)該考慮使用膏體充填.所謂膏體充填〔6〕指的是把物料制作成不需脫水的牙膏狀漿體，通過泵壓和/或重力作用，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)可以是不同的，為了減少噸煤成本，它可以是:a.短壁間隔充填法，b.長(zhǎng)壁間隔充填法，c.冒落區(qū)充填法.
3)離層區(qū)注漿減沉技術(shù)[7]:a.關(guān)鍵層理論研究認(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).b.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井下研石的處理
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，巖石巷道的開掘?qū)⒉豢杀苊?因此可以將矸石不上井，如作為充填材料.這樣就存在一個(gè)矸石井下處理技術(shù)與系統(tǒng)，關(guān)鍵是成本如何?另一種考慮能否將研石在地面處理，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(jiǎn)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，是指其不將煤炭采出地面，而將其在地下直接氣化，即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(guó)，美國(guó)始于1946，蘇聯(lián)始于1932年.其它如德國(guó)、法國(guó)、荷蘭、西班牙都進(jìn)行過試驗(yàn)，但由于熱值低，成本高而未得到發(fā)展.
我國(guó)于1958－1960年曾在16個(gè)礦區(qū)進(jìn)行驗(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13 816 .44－17 584.56 kJ/ m³，采用的是有井式、長(zhǎng)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(duì)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(guó)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.因此國(guó)家和有關(guān)部門應(yīng)給予資金等大力支持以推動(dòng)這方面的研究工作.煤炭地下氣化與常規(guī)的開采方法不同，而且還在試驗(yàn)階段，很不成熟，因而在這里不作詳細(xì)討論.
4關(guān)于經(jīng)濟(jì)原則
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家對(duì)環(huán)境的要求，綠色開采技術(shù)必然將受到充分的重視.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以進(jìn)一步降低開采成本.例如瓦斯發(fā)電與礦井地下水以及研石資源的利用，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，尤其使一些本來開采成本較高的煤炭企業(yè)難以接受.
資源開發(fā)必須與環(huán)境協(xié)調(diào)，這是采礦者的責(zé)任.但首先必須解決煤炭開發(fā)的經(jīng)濟(jì)問題，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下礦業(yè)開發(fā)具有其本身的發(fā)展規(guī)律，例如煤炭的價(jià)值是由整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)表現(xiàn)出來，而具體的煤炭作為商品很難體現(xiàn)其在開采時(shí)的難度及技術(shù)含量.煤炭開采成本與售價(jià)不僅與技術(shù)有關(guān)，還與賦存狀況及區(qū)位等條件有關(guān)，這顯然與加工類型企業(yè)有本質(zhì)的區(qū)別.如:有些條件下煤質(zhì)雖差，但開采難度大(采深增加，構(gòu)造復(fù)雜等)，成本就很高，相反成本反而很低.
因此為了滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的要求，而又要實(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，以使煤炭企業(yè)得到健康發(fā)展.
各個(gè)礦區(qū)開采對(duì)環(huán)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(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，政府應(yīng)該考慮“資源經(jīng)濟(jì)”的特點(diǎn)，對(duì)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)與技術(shù)方面，應(yīng)該將巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)工作面的影響轉(zhuǎn)為研究開采后巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)巖體內(nèi)形成空隙的影響，以及氣、液體在其中的的滲流規(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(duì)保護(hù)地表建筑物的影響.重要標(biāo)志是:
1)將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，不要使水資源流失.
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(duì)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)的研究.
5)形成煤炭地下氣化技術(shù)，并研究其對(duì)地下水環(huán)境的影響.
參考文獻(xiàn):
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