资源与环境协调(绿色)开采及其技术体系
钱鸣高1，缪协兴2，许家林1
(1.中国矿业大学 能源与安全工程学院，江苏 徐州221008 ; 2.中国矿业大学 理学院，江苏 徐州221008)
关键词:煤炭资源; 循环经济; 绿色开采; 关键层
中图分类号:TD 82 文献标识码:A
1资源与环境协调(绿色)开采的提出
1.1资源开采与政府的宏观政策
由于经济高速发展，凸显发展对环境的影响.新型工业化道路以及循环经济的提出迫使人们考虑“绿色矿业”问题。近期国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意见中更具体对煤炭工业提出了要求.如:在指导思想中提出“走资源利用率高、安全有保障、经济效益好、环境污染少和可持续的煤炭工业发展道路”.同时提出要“统筹煤炭工业与相关产业协调发展、统筹煤炭开发与生态环境协调发展、统筹矿山经济与区域经济协调发展一在发展目标中具体提出“用3－5a时间，矿区生态环境恶化的趋势初步得到控制，再用5a左右时间，形成以煤炭加工转化、资源综合利用和矿山环境治理为核心的循环经济体系。”
显然，若干意见中的3个统筹就是要把矿区资源优势变成经济优势，就是要把矿区变成矿工的绿色家园.煤炭是否能成为主体能源，关键是要解决煤炭开发与利用中对环境的影响问题.而煤炭工业能否健康发展，则需要综合研究资源经济特点，解决政策、机制、规划、价格、技术等诸多问题，并相应地提出举措，才能成功.
显然，若干意见的发表促使煤炭企业在一系列问题上要作出回答，例如，在煤炭开发与生态环境协调发展方面应该如何应对.事实上，在意见发表前后作为以生产煤炭为主的煤炭企业也作了不少很有成效的探索，如:
1)利用劣质煤和地面堆积如山的煤研石发电、制砖.
2)利用煤矿坑下排水净化.
3)利用瓦斯发电.
4)开采塌陷区的复垦和景观化等.
充州、潞安、新汉、神华、淮南等矿业集团都有自身特色的生态恢复系统.
1.2开发资源需思考的几个问题
有的专家认为，事实上资源开采存在2种情况:
其一，人类的索取超过了自然的生产力，生态资本出现赤字，人类将自食其果.
其二，在向自然索取的同时，尊重自然意志，遵循自然规律，时刻不忘回馈自然和养护自然，从而在人类和自然之间建立起复合的生态平衡机制.
显然，对于采矿来说就是在开采过程中不要让生态资本出现赤字.否则速度越高，经济效益越低，这是一种不可持续的(虚假)繁荣.
1.3煤炭开采与环境
众所周知，矿区在开发建设之前与周围环境已形成了一定的协调方式，而一旦开发建设，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了独特的矿区的生态环境问题.因此有人提出警告:“莫让资源大省成为地质灾害大省”.
煤炭开采形成的环境问题有:
1)对土地资源的破坏和占用.煤炭开采对土地资源的破坏损害，井工开采以地表塌陷和研石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主.
2)对水资源的破坏和污染.煤炭开采破坏地下水资源表现在对其进行人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，同时开采还可能污染地下水资源.
3)对大气环境的污染.主要来自矿井排出的煤层瓦斯和煤矿研石山的自燃所形成的废气.
以山西为例，由于山西煤炭产量占全国的1/4－1/3，因而开采对山西环境影响最大.1949一1998年间山西共生产原煤56亿t，造成地面塌陷破坏面积超过6 .7万h m²，其中40%是耕地;矸石山占地2khm².到1998年煤炭地下采空面积累计达1300 km²(全省面积的1%)，采煤破坏地下水4.2亿m³/a.这使本来缺水的山西环境受到进一步破坏.
假若如报道那样，山西煤炭开采可能导致生态资本出现赤字.而煤炭的价值要依靠延长产业链形成，开采煤炭本身赢利很少，因而仅靠出售原煤，环境破坏得不到补偿，只会越挖越穷，而下游产业利用煤炭富裕起来，造成社会分配的不公平.
山西提出了开征煤炭价格调节基金就是促使煤炭生产企业自觉履行治理环境污染的义务，建立生态补偿费制度，将煤炭工业生态破坏成本内部化.由此对经济情况并未完全好转的煤炭工业造成压力.
2资源与环境协调(绿色)开采的内涵
2 .1对原有矿井废弃(或有害)物观念的转变
从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层内所涵的瓦斯、土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用.
而在原来的定义中，矿井瓦斯(Mine gas)是[1]:矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体.事实上瓦斯是清洁能源，1m³瓦斯可发电3－3.5 kW•h.
矿井水文地质类型(Hydrogeological type of mines)是:根据矿井水文地质条件、涌水量、水害情况和防治水难易程度，……类型.事实上水是资源，采矿应该将其调控.
其它，如矸石作为塌陷地的复垦材料以及制砖利用等.
2 .2绿色开采技术涉及的范围
1)采矿方法的改变.如:为保护地面建筑物而发展条带开采和条带充填技术、采空区以及离层区充填技术;煤与瓦斯共采技术;保护地下水资源开采技术一保水开采技术;地下气化技术;开采与土地保护.
2)加强煤巷维护技术，从而不出或少出矸石.从经济原则出发，矸石在井下处理，或考虑地面处理以保护环境或将其进行制砖，填方等加以利用.
2.3绿色开采技术的基础理论问题
开采的环境问题都是由于采动所引起，因此与开采后造成的岩层运动有关(岩体不破坏上述问题都不会发生).岩层运动不仅对矿山压力有影响，对环境而言是开采后形成岩层节理“裂隙场”，由此影响离层的发育状态及位置，引起地表沉陷，瓦斯与地下水在裂隙岩体内的渗流等.为此提出了岩层控制的关键层理论〔2〕.
2.4关键层的判别方法与程序
关键层的判别可以用覆岩中的坚硬岩层的刚度条件和强度条件加以判别.两层邻近坚硬岩层在一起，可能形成同时破断复合效应，则:
1)当相邻两硬岩层复合破断时，两硬岩层间将不会出现离层.
2)当形成复合效应时，增大了关键层的破断距，在位置靠近采场时，将引起工作面来压步距的增大和变化。在仅有两层(h1和h2)坚硬岩层条件下，Σh2为h1到h2的距离，而Σh3则是h2到地表的距离.只要满足下述关系，硬岩层h1与h2将同时垮落:
Σh3+h2≥(Σh2+h1) (h2/h1)².
例如h2是h1的1倍则Σh3+h2只要等于或大于Σh2+h1的4倍,h2和h1将同时垮落.此时虽然h2远大于h1，但h2将不会产生离层.
采动后岩体内的“裂隙场”，主要有以下特点:
1)中心离层区的形成.关键层运动对离层产生、发展的时空分布起控制作用.覆岩中心最大离层区主要出现在关键层下采空区的中部.
2)采动裂隙“O”形圈的形成.关键层初次垮落后，关键层在采空区中部离层趋于压实，而在采空区两侧仍各自保持一个离层区.此时，从平面看，在采空区四周存在一沿层面横向连通的离层发育区，称之为采动裂隙“O"形圈.
3煤炭资源绿色开采技术体系
构建如图1所示的煤炭绿色开采技术体系[3]鉴于各种绿色开采技术都具有各自适用条件，各个矿区应针对矿区的具体条件采用合适的技术，从而形成具有各自矿区特色的绿色开采模式.
3.1煤与瓦斯共采技术原理
显然，卸压瓦斯的运移与岩层移动及采动裂隙的动态分布特征有着紧密的关系.由关键层理论建立的关键层破断后形成“O"形通道理论，在一些矿区的卸压瓦斯抽放中对钻孔布置起到指导作用[4-5].
1)揭示了阳泉15煤综放面岩层移动对邻近层瓦斯涌出的影响规律，提出并实施了阳泉矿区15煤综放面上邻近层卸压瓦斯高抽巷布置优化方案及初采期瓦斯超限治理方案.
2)在淮北桃园矿开展了地面钻井抽放上覆远距离煤层卸压瓦斯的工业性试验，结果表明，上覆远距离煤层卸压瓦斯可通过“O"形圈大面积抽放出来.
3)淮南矿区在潘一矿和潘三矿顶板岩层进行“环”形圈抽放瓦斯纯量达19-20 m³/ min，抽放率达48%以上.因此，若在开采时形成采煤和采瓦斯2个完整的系统，则不仅有益矿井的安全，而且采出的还是洁净能源.政府应从政策上给以支持.鉴于我国大部分煤层透气性低，因此在开采高瓦斯煤层的同时，利用岩层运动的特点将煤层气开发出来将是我国煤层气开发的一个重要途径.
3.2开采与地下水分布
开采后，随着地表的沉陷将改变地表水的流向，同时随着上覆岩层中关键层的破断，在该区域内地下水将形成下降漏斗.地下水位能否恢复，则决定于上覆岩层中有否软弱岩层(事实上它是研究地下水渗漏的关键层)，随着工作面的推进，经重新压实并导致裂隙闭合而形成隔水带.若有隔水带，则随着雨水的再次补给，下降漏斗也将随之消失.另外，必须指出:
1)保水开采与防止溃水是2个概念，后者是从安全考虑，而保水开采则必须研究开采前后岩层的水文地质变化.
2)我国西北地区保水开采是重点，必须研究所开采的岩层是否有隔水带，开采对地下水的破坏形成的漏斗以及在降雨水后的恢复过程.
3)要研究地下水是全部流失还是保存在更深的岩层内形成地下水库而后再利用.
3.3减沉技术
减沉开采技术主要包括:条带开采、充填开采和离层区注浆减沉技术.
1)条带开采:实验证明主关键层对地表移动过程起控制作用，主关键层的破断将导致地表快速下沉，地表下沉速度随主关键层周期性破断而呈现跳跃性变化.控制主关键层就是控制地表.对建筑物下开采设计的原则是构建成“条带煤柱上覆岩层主关键层”结构体系.因此，首先要判别上覆岩层中的主关键层位置，在对主关键层破断特征进行研究的基础上，通过合理设计条带参数、覆岩离层注浆等技术手段来保证覆岩主关键层不破断并保持长期稳定.
2)充填技术:充填技术是解决“三下”开采技术的重要组成部分，在国外它与采矿技术密切相关.尤其在经济发达地区充填技术是解决建筑物下开采的特殊措施.
目前我国充填技术的使用成本高，但如果将“充填体上覆岩层主关键层”视为统一结构体来应对地面建筑，并使其达到最低廉的成本，它将对地面有良好的控制效果.顺利解决上述问题将根本改变将来我国在经济发达区域的开采技术.
鉴于在形成结构体中对充填体强度与密实度要求，因而应该考虑使用膏体充填.所谓膏体充填〔6〕指的是把物料制作成不需脱水的牙膏状浆体，通过泵压和/或重力作用，经过管道输送到井下，在采空区形成充填体的方法.
考虑到经济原则采用充填技术可以是不同的，为了减少吨煤成本，它可以是:a.短壁间隔充填法，b.长壁间隔充填法，c.冒落区充填法.
3)离层区注浆减沉技术[7]:a.关键层理论研究认为，确定具体矿井覆岩中的主关键层位置，掌握其与下部岩层离层区发育较好及离层特征参数.b.合理布置注浆钻孔.
利用条带开采、间隔全工作面充填和离层区充填法等技术，完全可以做到保护地面建筑物而又尽可能回收煤炭资源.
3.4井下研石的处理
绿色开采技术之一是井下矸石处理.首先是加强煤巷维护技术，从而少出或不出矸石.随着采深的增加，岩石巷道的开掘将不可避免.因此可以将矸石不上井，如作为充填材料.这样就存在一个矸石井下处理技术与系统，关键是成本如何?另一种考虑能否将研石在地面处理，变废为宝，如变为建筑材料，充填材料等，终究矸石的地面处理要比井下处理简单得多.
3 .5煤炭地下气化
它是一种整体绿色开采技术.煤的地下气化作为绿色开采技术来理解，是指其不将煤炭采出地面，而将其在地下直接气化，即将地下煤炭通过热化学反应在原地转化为可燃气体的技术.它1912年开始于英国，美国始于1946，苏联始于1932年.其它如德国、法国、荷兰、西班牙都进行过试验，但由于热值低，成本高而未得到发展.
我国于1958－1960年曾在16个矿区进行验，于1962年停止，1984年又开始了新的试验，1994年达到连续生产295d，产气量为200 m³ / h，热值13 816 .44－17 584.56 kJ/ m³，采用的是有井式、长通道、大断面的煤炭地下气化方法.
另外，地下煤炭气化燃烧产生的苯和酚是致癌物质，有可能毒化水资源.其次燃烧形成的大量二氧化碳对空气也是严重的污染.上述问题均需要进行研究.
显然，目前我国的地下气化技术仍处于工业试验阶段，有很多问题需要去研究和探索.因此国家和有关部门应给予资金等大力支持以推动这方面的研究工作.煤炭地下气化与常规的开采方法不同，而且还在试验阶段，很不成熟，因而在这里不作详细讨论.
4关于经济原则
随着经济的发展和国家对环境的要求，绿色开采技术必然将受到充分的重视.随着科技的发展，绿色开采中的部分技术可以成为产业，甚至可以利用变废为宝以进一步降低开采成本.例如瓦斯发电与矿井地下水以及研石资源的利用，地下残煤气化等.另一方面若处理不好很容易增加煤矿企业的成本，尤其使一些本来开采成本较高的煤炭企业难以接受.
资源开发必须与环境协调，这是采矿者的责任.但首先必须解决煤炭开发的经济问题，在市场经济条件下矿业开发具有其本身的发展规律，例如煤炭的价值是由整个产业链系统表现出来，而具体的煤炭作为商品很难体现其在开采时的难度及技术含量.煤炭开采成本与售价不仅与技术有关，还与赋存状况及区位等条件有关，这显然与加工类型企业有本质的区别.如:有些条件下煤质虽差，但开采难度大(采深增加，构造复杂等)，成本就很高，相反成本反而很低.
因此为了满足国家经济发展对能源的要求，而又要实现资源开发与环境的协调，必须从煤炭开采到利用的整个系统来考虑加以宏观调控，政府应根据各类情况在政策与税收等方面加以支持，以使煤炭企业得到健康发展.
各个矿区开采对环境影响是不同的，加上开采成本也不一样，因此必须分类作出成本核算，以便提出希望政府给予的政策支持.
5结论
绿色采矿是形成绿色矿业及矿区绿色家园的重要组成，政府应该考虑“资源经济”的特点，对煤炭企业关心与支持，使煤炭企业健康发展.
在科学与技术方面，应该将岩层运动对工作面的影响转为研究开采后岩层运动对岩体内形成空隙的影响，以及气、液体在其中的的渗流规律.另外，还应研究岩层运动可能形成的岩体结构对保护地表建筑物的影响.重要标志是:
1)将有一定含量的瓦斯应视为资源，变害为利，在采煤的同时形成地面或井下瓦斯共同开采系统.
2)根据岩层的组成，确定保水采煤相宜的开采方法，不要使水资源流失.
3)根据具体条件，形成城镇及村庄下充填、条带开采、离层区注浆等保护建筑物及地面的技术;对塌陷的土地则采取复垦或者造景技术.
4)根据经济原则形成矸石在井下的处理技术或者矸石在井上的利用技术.加强煤层内维护巷道技术的研究.
5)形成煤炭地下气化技术，并研究其对地下水环境的影响.
参考文献:
[1]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社，1993
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