資源與環(huán)境協(xié)調(diào)（綠色）開采

中國礦業(yè)大學(xué) 錢鳴高 繆協(xié)興 許家林
（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州，221008）

摘要：從國家對煤炭工業(yè)發(fā)展要求出發(fā)，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(nèi)涵作了進(jìn)一步的闡述。對保水開采、煤與瓦斯共采、條帶開采與充填開采、井下矸石處理、煤炭地下氣化等主要綠色開采技術(shù)的關(guān)鍵問題與研究現(xiàn)狀作了深入的分析，提出了進(jìn)一步研究與發(fā)展的建議。
關(guān)鍵詞：煤炭資源；循環(huán)經(jīng)濟；綠色開采；關(guān)鍵層

1、資源與環(huán)境協(xié)調(diào)（綠色）開采的提出

由于經(jīng)濟高速發(fā)展，特顯發(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)展的若干意見中更具體對煤炭工業(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)濟與區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的要求．”在發(fā)展目標(biāo)中具體提出“用3～5年時間．。。。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢初步得到控制．。。。再用5年左右時間，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)濟體系”。

顯然, 若干意見中的三個統(tǒng)籌就是要把礦區(qū)資源優(yōu)勢變成經(jīng)濟優(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，則需要綜合研究資源經(jīng)濟特點,解決政策、機制、規(guī)劃、價格、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)該如何對應(yīng).事實上在意見發(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矸石發(fā)電、制磚。很多礦山原來堆積的矸石山已不再。
•(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。
兗州、潞安、新汶、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)資源需思考的幾個問題

有的專家認(rèn)為，事實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，尊重自然意志，遵循自然規(guī)律，時刻不忘回饋自然和養(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)平衡機制。

顯然，對于采礦來說就是在開采過程中不要出現(xiàn)生態(tài)資本出現(xiàn)赤字。否則速度越高的經(jīng)濟效益越低，這是一種不可持續(xù)的(虛假)繁榮。

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)， 強烈的人為活動便使環(huán)境發(fā)生巨大的變化，由此形成了獨特的礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題。因此有人提出警告：不要因為礦產(chǎn)資源的開發(fā)而帶來威脅人類生存的地質(zhì)災(zāi)害?！澳屬Y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形成的導(dǎo)水裂隙對煤系含水層的自然疏干，。同時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。

以山西為例，由于山西煤炭產(chǎn)量占全國的1/4-1/3，因而開采對山西環(huán)境影響最大。1949年～1998年50年間山西共生產(chǎn)原煤56億多噸，造成地面塌陷破壞面積達(dá)100多萬畝，其中40%是耕地；矸石山占地3萬多畝。到1998年計煤炭地下采空面積達(dá)1300平方公里（全省的1%），采煤破壞地下水4.2億m3/a。使本來缺水的山西環(huán)境受到進(jìn)一步破壞。

假若如報道那樣，山西煤炭開采可能導(dǎo)致生態(tài)資本出現(xiàn)赤字。而煤炭的價值要依靠延長產(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)境破壞得不到補償，只會越挖越窮,而下游產(chǎn)業(yè)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(diào)節(jié)基金是促使煤炭生產(chǎn)企業(yè)自覺履行治理環(huán)境污染的義務(wù)．建立生態(tài)補償費制度．將煤炭工業(yè)生態(tài)破壞成本內(nèi)部化。由此對經(jīng)濟情況并未完全好轉(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)營這個礦區(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。事實是瓦斯是清潔能源，1M3瓦斯可發(fā)電3-3.5Kwh。

礦井水文地質(zhì)類型（hydrogeological type of mines)：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)—保水開采技朮；地下氣化技術(shù)；開采與土地保護(hù)。
（2）加強煤巷維護(hù)的，從而不出或少出矸石。從經(jīng)濟原則出發(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；填方等矸石利用。

2.3綠色開采技術(shù)的基礎(chǔ)理論問題

開采的環(huán)境問題都由于采動所引起，因此與開采后造成的巖層運動有關(guān)（巖體不破壞上述問題都不會發(fā)生）。巖層運動不僅對礦山壓力的影響,對環(huán)境而言是開采后巖層節(jié)理“裂隙場”的形成,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。

3.2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硬巖層的剛度條件和強度條件加以判別。兩層鄰近堅硬巖層在一起，可能形成同時破斷復(fù)合效應(yīng)，其結(jié)果
（1）當(dāng)相鄰兩硬巖層復(fù)合破斷時，兩硬巖層間將不會出現(xiàn)離層。
（2）當(dāng)形成復(fù)合效應(yīng)時，增大了關(guān)鍵層的破斷距，在位置靠近采場時，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將同時垮落：
(Σh3+ h2 ) ≥ (Σh2 + h1) ( h2 / h1 ) 2
例如h2是h1的一倍，則(Σh3+ h2)只要等于或大于(Σh2+ h1)的四陪， h2和h1將同時垮落。此時，雖然h2遠(yuǎn)大于h1，但h2 將不會產(chǎn)生離層。

采動后巖體內(nèi)的“裂隙場”，主要有以下特點：
（1）中心離層區(qū)的形成。關(guān)鍵層運動對離層產(chǎn)生、發(fā)展的時空分布起控制作用。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，而在采空區(qū)兩側(cè)仍各自保持一個離層區(qū)。此時，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[2]。鑒于各種綠色開采技術(shù)都具有各自適用條件，各個礦區(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，卸壓瓦斯的運移與巖層移動及采動裂隙的動態(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煤綜放面巖層移動對鄰近層瓦斯涌出的影響規(guī)律，提出并實施了陽泉礦區(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，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“環(huán)”形圈抽放瓦斯純量達(dá)19-20m3/min,抽放率達(dá)48%以上。

因此，若在開采時形成采煤和采瓦斯兩個完整的系統(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。鑒于我國大部分煤層透氣性低，因此在開采高瓦斯煤層的同時，利用巖層運動的特點將煤層氣開發(fā)出來將是我國煤層氣開發(fā)的一重要途徑。

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。地下水位的能否恢復(fù)，則決定于上覆巖層中有否軟弱巖層(事實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€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）我國西北地區(qū)保水開采是重點，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在降雨水后的恢復(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)。
關(guān)于條帶開采：
實驗證明主關(guān)鍵層對地表移動過程起控制作用，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，因此首先是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)行研究的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)計條帶參數(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。
關(guān)于充填技術(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)到最低廉的成本它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)體中對充填體強度與密實度要求，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/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。
關(guān)于離層區(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)。（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)⑹遣豢杀苊?。因此矸石不上井，如作為充填材料。這樣就存在一個矸石井下處理技術(shù)與系統(tǒng)，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，只是指其不將煤炭采出地面，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)。它開始于英國1912年，美國始于1946，蘇聯(lián)始于1932年。其它如德國、法國、荷蘭、西班牙都進(jìn)行過試驗，都由于熱值低，成本高而未得到發(fā)展。

我國于1958-1960年曾在16個礦區(qū)進(jìn)行試驗，于1962年停止，1984年又開始了新的試驗，1994年達(dá)到連續(xù)產(chǎn)生295天，產(chǎn)氣量為200m3/h，熱值3300~4200千卡/立方米，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，目前我國的地下氣化技術(shù)仍處于工業(yè)試驗階段，有很多問題需要去研究和探索。因此國家和有關(guān)部門應(yīng)給予資金等大力支持以推動這方面的研究工作。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)濟原則

隨著經(jīng)濟發(fā)展國家對環(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，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)濟問題，事實上在市場經(jīng)濟條件下礦業(yè)開發(fā)具有其其本身的發(fā)展規(guī)律，例如，煤炭的價值是由整個產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)表現(xiàn)出來，而且具體的煤炭作為商品很難體現(xiàn)其在開采時的難度及技術(shù)含量.煤炭開采成本與售價不僅與技術(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。

因此為了滿足國家經(jīng)濟發(fā)展對能源的要求，而又要實現(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。

各個礦區(qū)開采對環(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以的政策支持。

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”的特點，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)與技術(shù)方面，應(yīng)該將巖層運動對工作面的影響轉(zhuǎn)為研究開采后巖層運動對巖體內(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)研究巖層運動可能形成的巖體結(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)，并研究其對地下水環(huán)境的影響。
參考文獻(xiàn)
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