錢鳴高
(中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州221008)

摘要:為了滿足國家經濟發(fā)展對能源的要求，實現(xiàn)資源開發(fā)與環(huán)境的協(xié)調，綠色開采技術必然將受到充分的重視，綠色開采中的部分技術可以成為產業(yè)。通過矸究資源與環(huán)境協(xié)調綠色)開采的內涵，包括煤矸石的利用和土地恢復，瓦斯的開采利用，保水開采，減沉技術等方面，提出了綠色開采技術涉及到的上覆巖層關鍵層理論，采動裂隙“O”，形圈理論，軟弱層對上覆巖體水的影響等基礎理論，以及技術應用和經濟原則。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部分。建議政府針對贊源經濟”的特點，從煤炭開采到利用的整個系統(tǒng)來綜合考慮加以宏觀調控，在政策與稅收等方面給予支持，使煤炭企業(yè)健康發(fā)展。
關鍵詞:資源;環(huán)境;綠色開采
中圖分類號:TD 821 文獻標識碼:A
1資源與環(huán)境協(xié)調綠色開采的提出
由于經濟高速發(fā)展特顯出發(fā)展對環(huán)境的影響，新型工業(yè)化道路以及循環(huán)經濟的提出迫使人們考慮“綠色礦業(yè)”問題。近期國務院《關于促進煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中更對煤炭工業(yè)提出了具體要
求。如:在指導思想中提出“走資源利用率高、安全有保障、經濟效益好、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“統(tǒng)籌煤炭工業(yè)與相關產業(yè)協(xié)調發(fā)展，統(tǒng)籌煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展，統(tǒng)籌礦山經濟與區(qū)域經濟協(xié)調發(fā)展”的要求。
三個統(tǒng)籌就是要把礦區(qū)資源優(yōu)勢變成經濟優(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，則需要綜合矸究資源經濟特點，解決政策、機制、規(guī)劃、價格、技術等諸多問題，并相應地提出舉措，才能成功。
在煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展方面應該如何應對?以生產煤炭為主的煤炭企業(yè)已作了不少很有成效的探索，如:
①利用劣質煤和煤矸石發(fā)電、制磚。很多礦山原來堆積的矸石山已不復存在。
②煤礦坑下排水凈化后利用。
③利用瓦斯發(fā)電。
④開采塌陷區(qū)的復墾和景觀化等。
徐州、充州、潞安、新漢、神華、淮南等礦業(yè)集團都有自身特色的生態(tài)恢復生產系統(tǒng)。
1. 1開發(fā)資源需思考的幾個問題
有的專家認為，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)護自然，從而在人類和自然之間建立起復合的生態(tài)平衡機制。
1. 2煤炭開采與環(huán)境
眾所周知，礦區(qū)在開發(fā)建設之前與周圍環(huán)境已形成了一定的協(xié)調方式，而一旦開發(fā)建設，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)生態(tài)環(huán)境問題。
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)在對其進行人為疏干排水和采動形成的導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。
2資源與環(huán)境協(xié)調綠色矸采的內涵
2. 1對原有礦井廢棄或有害物觀念的轉變
從廣義資源的角度論，在礦區(qū)范圍內的煤炭、地下水、煤層內所含瓦斯、土地以至于煤矸石以及在煤層附近的其他礦床都應該是經營這個礦區(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成的以甲烷為主的有害氣體。事實上瓦斯是清潔能源，1 m³瓦斯可發(fā)電3 3.5 kWh。
礦井水文地質類型(hydrogeological type of mine)是:根據(jù)礦井水文地質條件、涌水量、水害情況和防治水難易程度區(qū)分的類型。事實是水是資源，采礦應該將其調控。
其他，如矸石作為塌陷地的復墾材料以及制磚利用等。
2. 2綠色開采技術涉及方面
(1)采礦方法的改變。如:為保護地面建筑物而發(fā)展條帶開采和條帶充填技術、采空區(qū)以及離層區(qū)充填技術;煤與瓦斯共采技術;保護地下水資源開采技術—保水開采技術;地下氣化技術;開采與土地保護。
(2)加強煤巷的維護，從而不出或少出矸石。從經濟原則出發(fā)，矸石在井下處理，或考慮地面處理以保護環(huán)境或進行制磚、填方。
2. 3綠色開采技術的基礎理論問題
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(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有影響，對環(huán)境而言也是開采后巖層節(jié)理“裂隙場”形成的原因，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的滲流規(guī)律等。為此提出了厚硬巖層在巖層控制的關鍵層理論。
關鍵層的判別可以用覆巖中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合效應，其結果:
(1)當相鄰兩硬巖層復合破斷時，兩硬巖層間將不會出現(xiàn)離層。
(2)當形成復合效應時，增大了關鍵層的破斷距，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。只要滿足下述關系，硬巖層h1與h2將同時垮落:
(Σh3＋h2)= (Σh2＋h1) (h2/h1)²
例如h2=2h1厚度，則(Σh3+h2)只要等于或大于(Σh2+h1)的4陪，h2和h1將同時垮落。此時，雖然h2遠大于h1，但h2將不會產生離層。
采動后巖體內的“裂隙場”，主要有以下特點:
(1)中心離層區(qū)的形成。關鍵層運動對離層產生、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)在關鍵層下采空區(qū)的中部。
(2)采動裂隙“O”，形圈的形成。關鍵層初次垮落后，關鍵層在采空區(qū)中部離層趨于壓實，而在采空區(qū)兩側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體系
由此可構建如圖1所示的煤炭綠色開采技術體系。鑒于各種綠色開采技術都具有各自的適用條件，各個礦區(qū)應針對礦區(qū)的具體條件采用合適的技術，從而形成具有各自礦區(qū)特色的綠色開采模式。

3. 1煤與瓦斯共采技術原理
顯然，卸壓瓦斯的運移同巖層移動及采動裂隙的動態(tài)分布特征有著緊密的關系。由關鍵層理論建立的關鍵層破斷后形成“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)巧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)在淮北桃園煤礦開展了地面鉆井抽放上覆遠距離煤層卸壓瓦斯的工業(yè)性試驗。結果表明，上覆遠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行“O”形圈抽放，瓦斯純量達19-20m³/nin，抽放率達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)，則不僅有益于礦井的安全，而且采出的還是潔凈能源。政府應從政策上給以支持。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)的一個重要途徑。
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鍵層的破斷，在該區(qū)域內地下水將形成下降漏斗。地下水能否恢復，則決定于上覆巖層中是否有軟弱巖層事實上它是矸究地下水滲漏的關鍵層天隨著工作面的推進，經重新壓實并導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，而保水開采則必須矸究開采前后巖層的水文地質變化。
(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降雨水后的恢復過程。
(3)地下水是全部流失還是保存在更深的巖層內形成地下水庫而后再利用?
3. 3減沉技術
減沉開采技術主要包括:條帶開采、充填開采和離層區(qū)注漿減沉技術。
3 31條帶開采
實驗證明，主關鍵層對地表移動過程起控制作用，主關鍵層的破斷將導致地表快速下沉，地表下沉速度隨主關鍵層周期性破斷而呈現(xiàn)跳躍性變化。因此，控制主關鍵層就是控制地表。對建筑物下開采設計的原則是構建成“條帶煤柱－上覆巖層－主關鍵層”結構體系，因此首先應判別上覆巖層中的主關鍵層位置，在對主關鍵層破斷特征進行矸究的基礎上，通過合理設計條帶參數(shù)、覆巖離層注漿等技術手段來保證覆巖主關鍵層不破斷并保持長期穩(wěn)定。
3 3.2充填技術
充填技術是解決“三下”開采技術的重要組成部分，在國外它與采礦技術密切相關。尤其在經濟發(fā)達區(qū)，充填技術是解決建筑物下開采的特殊措施。
目前我國充填技術的使用成本高，但如果將“充填體－上覆巖層－主關鍵層”視為統(tǒng)一結構體來應對地面建筑，并使其達到最低廉的成本，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濟發(fā)達區(qū)域的開采技術。
鑒于在形成結構體中對充填體強度與密實度的要求，因而應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，通過泵壓和重力作用，經過管道輸送到井下，在采空區(qū)形成
充填體的方法。
考慮到經濟原則，采用充填技術可以是不一樣的。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。
3 3.3離層區(qū)注漿減沉技術
該技術的關鍵是:①關鍵層理論矸究認為，確定具體礦井覆巖中的主關鍵層位置，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，完全可以做到保護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
綠色開采技術之一是井下矸石處理。首先是加強煤巷維護技術，從而少出或不出矸石。隨著采深的增加，巖石巷的開掘將不可避免，因此矸石不上井，可作為充填材料。這就存在一個矸石井下處理技術與系統(tǒng)問題，關鍵是成本如何。另一種考慮能否將矸石在地面處理，變廢為寶，如變?yōu)榻ㄖ牧稀⒊涮畈牧系?，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。煤的地下氣化作為綠色開采技術來理解，是指不將煤炭采出地面，而將其在地下直接氣化，即是將地下煤炭通過熱化學反應在原地轉化為可燃氣體的技術。它1912年開始于英國，美國始于1946,蘇聯(lián)始于1932年。
我國于1958-1960年曾在16個礦區(qū)進行試驗，于1962年停止，1984年又開始了新的試驗，1994年達到連續(xù)生產295d產氣量為200 m³/h，熱值13.8-18.0MJ/m³,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生的苯和酚是致癌物質，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重的污染。上述問題均需要進行研究。
顯然，目前我國煤的地下氣化技術仍處于工業(yè)試驗階段，有很多問題需要去研究和探索。
4關于經濟原則
隨著經濟發(fā)展和國家對環(huán)境的要求，綠色開采技術必將受到充分的重視。隨著科技的發(fā)展;綠色開采中的部分技術可以成為產業(yè)，甚至可以利用變廢為寶進一步降低開采成本。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，一些開采成本較高的煤炭企業(yè)尤其難以接受。
為了滿足國家經濟發(fā)展對能源的要求，實現(xiàn)資源開發(fā)與環(huán)境的協(xié)調，必須從煤炭開采到利用的整個系統(tǒng)來考慮加以宏觀調控，政府應根據(jù)各類情況在政策與稅收等方面加以支持，使煤炭企業(yè)得到健康發(fā)展。
各個礦區(qū)開采對環(huán)境的影響是不同的，開采成本也不一樣，因此必須分類作出成本核算，以便向政府爭取相應的政策支持。
5結論
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部分。政府應該考慮贊源經濟”的特點，對煤炭企業(yè)關心與支持，使煤炭企業(yè)健康發(fā)展。
在科學技術方面，應該將巖層運動對工作面的影響轉為矸究開采后巖層運動對巖體內形成空隙的影響，以及氣、液體在其中的滲流規(guī)律。另外，還應研究巖層運動可能形成的巖體結構對保護地表建筑物
的影響。幾個重要標志是:
(1)對有一定含量的瓦斯應視為資源，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)注漿等保護建筑物及地面的技術;對塌陷的土地則采取復墾或者造景技術。
(4)根據(jù)經濟原則形成矸石在井下的處理技術或者矸石在井上的利用技術。加強煤層內維護巷道技術的矸究。
(5)形成煤炭地下氣化技術，并矸究其對地下水環(huán)境的影響。
作者簡介:錢鳴高(1932-)，男，江蘇無錫人，中國礦業(yè)大學教授，中國工程院院士。