錢鳴高
中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221008)

摘要:闡述了煤礦綠色開采概念的提出、內(nèi)涵及綠色開采技術(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。巖層控制的關(guān)鍵層理論為綠色開采研究提供了一個理論平臺。
關(guān)鍵詞:綠色開采;關(guān)鍵層理論;巖層移動;綠色開采技術(shù)體系
中圖分類號:TD821文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
1煤礦綠色開采的提出
黨的十六大報告明確提出“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，必須充分考慮我國資源相對短缺，環(huán)境比較脆弱的基
本特點(diǎn)，建立起適合我國國情的資源節(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)和能量流動規(guī)律重構(gòu)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，將經(jīng)濟(jì)活動高效有序地組織成一個“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)活動對自然環(huán)境的影響和破壞減少到最低限度。它不同于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的高開采、低利用、高排放”，而是要達(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)由各個工業(yè)部門去實現(xiàn)。對礦業(yè)來說就是要實現(xiàn)綠色礦業(yè)”。綠色礦業(yè)”的核心內(nèi)容之一就是要實現(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)田及建筑物破壞，村莊遷徙，研石堆積，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)施欠賬;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)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)是為了正視開采對環(huán)境造成的影響和破壞，以便提出必要的對策并對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研石山壓占為主，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。煤炭開采過程中進(jìn)行的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，破壞了地下水資源。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抽放和煤礦研石山的自燃。
以山西省為例，1949至1998年共生產(chǎn)原煤56億多噸，地面塌陷破壞面積達(dá)66 600 ha，其中40%是耕地。研石山占地2 000 ha。至1998年煤炭地下采空面積達(dá)1 300 km²古全省面積的1%)。采煤破壞地下水4.2億m³/a，地表水徑流減少，導(dǎo)致井水位下降或斷流共計3218個，影響水利工程433處，水庫40座，輸水管道793. 89 km;造成1 678個村莊，8127巧口人，108241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。平均每采萬噸原煤造成塌陷土地0.2 ha，每年新增塌陷地約2萬ha.
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，我國2 km淺范圍內(nèi)具有30-35萬億m³煤層氣資源，居世界前列。但由于我國煤層透氣性小，難以在開采前抽出。建國以來，我國煤礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故1500余次，僅2001年瓦斯事故的死亡人數(shù)即達(dá)2356人，為煤礦總死亡人數(shù)的40%。煤礦每年排放瓦斯70億一190億m³。同時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[1]
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)作為經(jīng)營這個礦區(qū)的開發(fā)對象而加以利用。
原來對礦井瓦斯的定義是:“礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體?！倍诘V井水文地質(zhì)類型劃分中認(rèn)為:牛良據(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?！憋@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待是不合適的。
煤礦綠色開采及相應(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)識和對待煤、瓦斯、水等一切可以利用的資源，基本出發(fā)點(diǎn)是防止或盡可能減輕開采煤炭對環(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)效益和社會效益。針對煤礦中土地、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)體系如圖1所示。

開采引起環(huán)境與主要安全問題的發(fā)生都同開采后造成的巖層運(yùn)動有關(guān)巖體不破壞上述問題都不會發(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”分布及離層規(guī)律;②開采對巖層與地表移動的影響規(guī)律;③水與瓦斯在裂隙巖體中的滲流規(guī)律;④巖體應(yīng)力場的分布規(guī)律及巖層控制技術(shù)。
3關(guān)鍵層理論對綠色開采研究的指導(dǎo)作用
采場老頂巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型是針對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)鍵層理論目。提出關(guān)鍵層理論的目的是為了研究覆巖中厚硬巖層對層狀礦體開采中節(jié)理裂隙的分布及其對瓦斯抽放與突水防治以及對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。
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)，上覆巖層中是否有軟弱巖層（事實上它是研究地下水滲漏的“關(guān)鍵層”)經(jīng)重新壓實導(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形成下降漏斗仍能恢復(fù)到原來狀態(tài)的開采技術(shù)。
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)計及減沉效果評價的基礎(chǔ)。
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期穩(wěn)定，就可有效控制地表沉陷。
我國70%以上煤層的滲透率小于1×10-3 μm²，這對我國開展煤層瓦斯采前預(yù)抽是極為不利的。若在開采時形成采煤和采瓦斯兩個完整的系統(tǒng)，利用巖層運(yùn)動的特點(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)理裂隙場分布規(guī)律將對瓦斯抽出技術(shù)有重要參考作用。
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)⒉豢杀苊狻Ｒ虼隧肥簧暇痛嬖谝粋€研石井下處理系統(tǒng)。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)。應(yīng)解決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，不污染、毒化地下水資源及如何處理燃燒形成的大量二氧化碳污染空氣的問題。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的問題
下列問題將是綠色開采有待于進(jìn)一步研究的主要問題:①采動破裂煤巖體中水與瓦斯流動規(guī)律的研究;②基于巖層移動與關(guān)鍵層理論的開采沉陷預(yù)測與建筑物下采煤的定量設(shè)計方法;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)評價方法與法規(guī)。
參考文獻(xiàn):
[1]錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù)壓[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003,32 (4):343-348
[2]錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論配[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000. 1-300
作者簡介:錢鳴高 (1932－)，男，江蘇無錫人，中國工程院院士，中國礦業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事采礦工程方面研究。