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

[摘要]闡述了煤礦綠色開采的提出、概念及綠色開采技術(shù)體系。綠色開采技術(shù)的主要內(nèi)容應(yīng)包括:保水開采、建筑物下采煤與離層注漿減沉、條帶與充填開采、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，介紹了基于巖層控制的關(guān)鍵層理論開展的綠色開采技術(shù)研究與實(shí)踐成果。
[關(guān)鍵詞]綠色開采;關(guān)鍵層理論;巖層移動(dòng)
[中圖分類號(hào)]TDB23 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1003- 6083 (2004) 01- 0001- 04
1煤礦綠色開采的提出
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)境的影響破壞減少到最低程度。它不同于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的“高開采、低利用、高排放”，而是達(dá)到“低開采、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)部門去實(shí)現(xiàn)。對(duì)礦業(yè)來說就是要實(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)“綠色開采”。
“綠色開采”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)“低開采、高利用、低排放”的開采技術(shù)。
礦區(qū)在開發(fā)建設(shè)之前與周圍環(huán)境是協(xié)調(diào)一致的，而進(jìn)行開發(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)境問題，如造成農(nóng)田以及建筑物破壞，村莊遷徙，矸石堆積，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)施欠帳;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)以及植被恢復(fù)，地面塌陷與水損失;污染治理等。提出并形成綠色開采技術(shù)是為了正視開采對(duì)環(huán)境造成的影響和破壞，并有清醒的認(rèn)識(shí)與足夠的估量，以便提出必要的對(duì)策和對(duì)政府提出必要的政策建議。
煤炭開采形成的環(huán)境問題主要為:
(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，井下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(chǎng)壓占為主。
(2)對(duì)水資源的破壞和污染。煤炭開采過程中，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抽放和煤礦矸石山的自燃。
以山西省為例，1949－1998年共生產(chǎn)原煤56億多t，地面塌陷破壞面積達(dá)666 000多h m²，其中40%是耕地。研石山占地2 000多h m²。至1998年煤炭地下采空面積達(dá)1 300 km2(全省面積的1 %)。采煤破壞地下水4.2億 m³ / a，地表水遷流減少，導(dǎo)致井水位下降或斷流共計(jì)3 218個(gè)，影響水利工程433處，水庫40座，輸水管道793 890 m ;造成1 678個(gè)村莊，812 715口人，108 241頭牲畜飲水困難。使本來缺水的山西環(huán)境受到進(jìn)一步破壞。平均每采萬t原煤造成塌陷土地0.2 hm²，每年新增塌陷地約2萬h m²。
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)2 000 m淺范圍內(nèi)具有30 - 35萬億m³煤層氣資源，居世界前列。但由于我國(guó)煤層透氣性小，難以在開采前抽出。建國(guó)以來，我國(guó)煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故1 500余次，僅2001年由于瓦斯事故的死亡人數(shù)達(dá)2 356人，為煤礦總死亡人數(shù)的40%。煤礦每年排放瓦斯70-190億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，提出并盡快形成煤礦的“綠色開采技術(shù)”已迫在眉睫。事實(shí)上，筆者從20世紀(jì)90年代初已開始了有關(guān)“綠色開采技術(shù)”的研究和實(shí)踐。在長(zhǎng)期研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，正式提出了煤礦綠色開采的理念及其技術(shù)體系[2]。
2綠色開采的內(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)該是經(jīng)營(yíng)這個(gè)礦區(qū)的開發(fā)對(duì)象而加以利用。
而原來對(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”。而在礦井水文地質(zhì)類型劃分中認(rèn)為:“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，劃為……類型”。顯然，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對(duì)待是不合適的。
煤礦綠色開采以及相應(yīng)的綠色開采技術(shù)，在基本概念上是從廣義資源的角度上來認(rèn)識(shí)和對(duì)待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各種資源;基本出發(fā)點(diǎn)是防止或盡可能減輕開采煤炭對(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。根據(jù)煤礦中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等，“綠色開采技術(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)成的綠色開采技術(shù)體系簡(jiǎn)要表達(dá)如圖1所示。

開采引起環(huán)境與主要安全問題的發(fā)生都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)，因此，綠色開采的重大基礎(chǔ)理論為:①采礦后巖層內(nèi)的“節(jié)理裂隙場(chǎng)”分布以及離層規(guī)律; ②開采對(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)分布規(guī)律及巖層控制技術(shù)。
3基于關(guān)鍵層理論的綠色開采技術(shù)研究與實(shí)踐
采場(chǎng)老頂巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型是針對(duì)開采過程中的礦山壓力控制而提出來的。近年來，為了解決巖層控制中更為廣泛的問題，提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論[3]。關(guān)鍵層理論提出的目的是為了研究覆巖中厚硬巖層對(duì)層狀礦體開采中節(jié)理裂隙的分布及其對(duì)瓦斯抽放與突水防治以及對(duì)開采沉陷控制等的影響。因而，關(guān)鍵層理論將為綠色開采的研究提供理論平臺(tái)。
開采后，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)，上覆巖層中有否軟弱巖層(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，必須形成保水開采技術(shù)，即開采后地表水暫時(shí)形成下降漏斗仍能恢復(fù)到原來狀態(tài)的開采技術(shù)。底板突水是在采動(dòng)和水壓共同作用下底板破壞所致，因此，底板突水機(jī)理及防治研究應(yīng)重視采動(dòng)底板破壞規(guī)律的研究。巖層控制的關(guān)鍵層理論的原理可以用于采場(chǎng)底板突水治理研究中，即在采場(chǎng)底板隔水層中，找出起主要控制作用的巖層—隔水關(guān)鍵層，由此展開相應(yīng)的力學(xué)分析。在采場(chǎng)底板突水事故統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)無斷層底板關(guān)鍵層的破斷與突水機(jī)理及有斷層底板關(guān)鍵層的破斷與突水機(jī)理進(jìn)行了研究，據(jù)此提出了底板突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的原理與方法，在淮北朱莊礦6313工作面底板突水危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中得到了應(yīng)用與驗(yàn)證[4,5]
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)鍵層特征來研究確定合理的減沉開采技術(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)[6,7]。從理論上來說，充填采礦是解決煤礦開采環(huán)境問題的理想途徑。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。在關(guān)鍵層理論指導(dǎo)下，開展了多個(gè)礦井建筑物下條帶采煤試驗(yàn)和巨厚火成巖下離層充填減沉試驗(yàn)，累計(jì)安全采出建筑物下壓煤數(shù)百萬t，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。目前，關(guān)鍵層理論正應(yīng)用于多個(gè)礦井的建筑物下采煤實(shí)踐。
我國(guó)煤層70%以上煤層的滲透率小于1×10-3 μm²，這對(duì)我國(guó)開展煤層瓦斯采前預(yù)抽是極為不利的。正因?yàn)槿绱?，我?guó)已鉆的200多口采前地面煤層氣井中，穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)井很少，單井產(chǎn)量超3000 m³/ d的也只有約30口[8]。而如何提高煤層采前滲透率是尚未解決的難題。實(shí)踐表明，一旦煤層開采引起巖層移動(dòng)，即使是滲透率很低的煤層，其滲透率也將增大數(shù)十倍至數(shù)百倍，為煤層氣運(yùn)移和開采創(chuàng)造了條件。因而，卸壓煤層氣抽放將是我國(guó)煤層氣開采的重要途徑。我國(guó)煤礦卸壓瓦斯抽放工作一直在進(jìn)行并取得了很大進(jìn)展，但我國(guó)煤礦抽放瓦斯的主要目的還是為了采煤的安全，而不是將瓦斯作為一種有用的資源進(jìn)行開采，大部分礦井抽放瓦斯未能利用而直接排放到大氣中。目前，我國(guó)卸壓瓦斯抽放總體上仍存在抽出率低及鉆孔工程量大的問題，瓦斯總體抽出率僅為23％。如何基于巖層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行卸壓瓦斯抽放方案的優(yōu)化、提高瓦斯采出率將是我國(guó)煤礦卸壓瓦斯抽放進(jìn)一步研究的主要方向。基于巖層控制的關(guān)鍵層理論及煤礦綠色開采思想提出的“煤與煤層氣共采”的基本觀點(diǎn)為:將煤層氣作為一種資源，充分利用采煤過程中巖層移動(dòng)對(duì)瓦斯卸壓作用并根據(jù)巖層移動(dòng)規(guī)律來優(yōu)化抽放方案、提高抽出率，在煤層開采時(shí)形成采煤和采煤層氣兩個(gè)完整的開采系統(tǒng)，即形成“煤與煤層氣共采”技術(shù)，煤礦從采掘部署上把瓦斯抽放當(dāng)作正規(guī)的開采工藝流程，從時(shí)間、空間與資金上給于保證，對(duì)抽放瓦斯進(jìn)行利用。若在開采時(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)將煤層氣高效開采出來，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。將關(guān)鍵層理論及有關(guān)采動(dòng)裂隙分布規(guī)律的研究成果應(yīng)用于我國(guó)卸壓瓦斯抽放的研究與工程實(shí)踐，取得了以下主要成果[9-11]:
(1)建立了卸壓瓦斯抽放“O"形圈理論，它是指導(dǎo)卸壓瓦斯抽放鉆孔布置的理論依據(jù)，并已在淮北、淮南、陽泉等礦區(qū)的卸壓瓦斯抽放中得到成功試驗(yàn)與應(yīng)用。
(2)理論與實(shí)測(cè)研究證明，上覆遠(yuǎn)距離煤層能充分卸壓，其卸壓煤層氣可通過“O”形圈大面積抽放出來。首次在桃園礦進(jìn)行了上覆遠(yuǎn)距離卸壓煤層氣抽放的工業(yè)性試驗(yàn)，取得了較好的抽放效果，為我國(guó)低透氣性煤田煤層氣開采開辟了一條新途徑。同時(shí)，該方法擴(kuò)展了開采下解放層的應(yīng)用范圍，為煤與瓦斯突出的防治提供了新途徑。該方法在我國(guó)許多礦區(qū)具備推廣應(yīng)用前景。
(3)試驗(yàn)研究表明，鄰近開采煤層的下位關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動(dòng)對(duì)“導(dǎo)氣”裂隙發(fā)育的動(dòng)態(tài)過程起控制作用。鄰近層卸壓瓦斯的涌出受控于“導(dǎo)氣”裂隙發(fā)育的動(dòng)態(tài)過程。對(duì)陽泉五礦15煤綜放面而言，在初采期，其上鄰近層卸壓瓦斯涌出呈四階段特征。上鄰近層卸壓瓦斯抽放孔(巷)布置應(yīng)遵循如下原則:抽放孔(巷)沿傾向位置，在初采期應(yīng)位于采空區(qū)中部，而在正?；夭善陂g，應(yīng)位于“O"形圈內(nèi)。據(jù)此提出了陽泉五礦15煤綜放面鄰近層卸壓瓦斯走向高抽巷布置的優(yōu)化方案。
矸石不上井涉及到煤巷維護(hù)問題，而且隨著采深的增加，巖石巷的開掘?qū)⑹遣豢杀苊狻Ｒ虼隧肥簧暇痛嬖谝粋€(gè)矸石井下處理系統(tǒng)，結(jié)果成本如何?應(yīng)該說，在經(jīng)濟(jì)原則下矸石的井下處理是綠色采礦問題。但矸石的井上處理就像地面復(fù)懇一樣是環(huán)境治理問題，不屬于綠色開采技術(shù)。
煤炭地下氣化是一種整體綠色開采技術(shù)。首先是如何使地下煤炭氣化產(chǎn)生的致癌物質(zhì)苯和酚不擴(kuò)散與污染和毒化地下水資源，其次是如何處理燃燒形成的大量二氧化碳對(duì)空氣嚴(yán)重污染的問題。否則煤炭地下氣化就失去了綠色開采的意義。
4綠色開采若干待研究問題
下列問題將是綠色開采有待進(jìn)一步研究的主要問題:
(1)采動(dòng)破裂煤巖體中水與瓦斯流動(dòng)規(guī)律研究;
(2)基于巖層移動(dòng)與關(guān)鍵層理論的開采沉陷預(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]循環(huán)經(jīng)濟(jì)—實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的理想經(jīng)濟(jì)模式.中國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程戰(zhàn)略構(gòu)想[M].北京:科學(xué)出版社，2002 .
[2]錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32( 4) :343-348
[3]錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000 .
[4]錢鳴高，繆協(xié)興.采動(dòng)底板巖層破斷規(guī)律的理論研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1995,17(6) :55-62.
[5]黎良杰，錢鳴高，李樹剛.斷層突水機(jī)理分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，1996,21( 2) :119-223.
[6]許家林，錢鳴高.覆巖注漿減沉鉆孔布置的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998 ,27(3) :276-279 .
[7]許家林，錢鳴高.巖層采動(dòng)裂隙分布在綠色開采中的應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,33(2) :141-144.
[8]黃盛初，朱超，劉馨，等.中國(guó)煤礦煤層氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)化前景[A]煤炭信息研究院.2001年煤礦煤層氣項(xiàng)目投資與技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集「c].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.
[9]Jialin Xu & Minggao Qian .Study and Application of the“Oshaped" Circle Theory for Relieved Nbthane Drainage .Proceedings of the’99 International Symposium on Mining Science and Technology，A.A.BALKEMA,1999:113-116.
[10]許家林，錢鳴高.地面鉆井抽放上覆遠(yuǎn)距離卸壓煤層氣試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,29(1)78-81.
[11]許家林，錢鳴高，金宏偉.基于巖層移動(dòng)的“煤與煤層氣共采”技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004,29(2) :129-132.
作者簡(jiǎn)介:錢鳴高(1932-)，男，江蘇無錫縣人，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。