摘要:煤炭資源開(kāi)采對(duì)環(huán)境的影響問(wèn)題，是國(guó)際上廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，更是影響中國(guó)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的重要問(wèn)題之一從國(guó)家對(duì)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(kāi)采的必要性和意義，對(duì)煤炭資源綠色開(kāi)采的內(nèi)涵作了進(jìn)一步的闡述.在論述煤炭資源綠色開(kāi)采技術(shù)體系框架的同時(shí)，對(duì)保水開(kāi)采、煤與瓦斯共采、條帶開(kāi)采與充填開(kāi)采、井下研石處理、煤炭地下氣化等主要的關(guān)鍵問(wèn)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(jì); 綠色開(kāi)采; 關(guān)鍵層
中圖分類號(hào):TD 82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1資源與環(huán)境協(xié)調(diào)(綠色)開(kāi)采的提出
1.1資源開(kāi)采與政府的宏觀政策
??? 由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，凸顯發(fā)展對(duì)環(huán)境的影響.新型工業(yè)化道路以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的提出迫使人們考慮“綠色礦業(yè)”問(wèn)題。近期國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)中更具體對(duì)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(jì)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(shí)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(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、統(tǒng)籌礦山經(jīng)濟(jì)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展一在發(fā)展目標(biāo)中具體提出“用3－5a時(shí)間，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢(shì)初步得到控制，再用5a左右時(shí)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(jì)體系?！?br /> ??? 顯然，若干意見(jiàn)中的3個(gè)統(tǒng)籌就是要把礦區(qū)資源優(yōu)勢(shì)變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，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(kāi)發(fā)與利用中對(duì)環(huán)境的影響問(wèn)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(jì)特點(diǎn)，解決政策、機(jī)制、規(guī)劃、價(jià)格、技術(shù)等諸多問(wèn)題，并相應(yīng)地提出舉措，才能成功.
??? 顯然，若干意見(jiàn)的發(fā)表促使煤炭企業(yè)在一系列問(wèn)題上要作出回答，例如，在煤炭開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展方面應(yīng)該如何應(yīng)對(duì).事實(shí)上，在意見(jiàn)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研石發(fā)電、制磚.
??? 2)利用煤礦坑下排水凈化.
??? 3)利用瓦斯發(fā)電.
??? 4)開(kāi)采塌陷區(qū)的復(fù)墾和景觀化等.
??? 充州、潞安、新漢、神華、淮南等礦業(yè)集團(tuán)都有自身特色的生態(tài)恢復(fù)系統(tǒng).
1.2開(kāi)發(fā)資源需思考的幾個(gè)問(wèn)題
??? 有的專家認(rèn)為，事實(shí)上資源開(kāi)采存在2種情況:
??? 其一，人類的索取超過(guò)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(shí)，尊重自然意志，遵循自然規(guī)律，時(shí)刻不忘回饋?zhàn)匀缓宛B(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(jī)制.
??? 顯然，對(duì)于采礦來(lái)說(shuō)就是在開(kāi)采過(guò)程中不要讓生態(tài)資本出現(xiàn)赤字.否則速度越高，經(jīng)濟(jì)效益越低，這是一種不可持續(xù)的(虛假)繁榮.
1.3煤炭開(kāi)采與環(huán)境
??? 眾所周知，礦區(qū)在開(kāi)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(kāi)發(fā)建設(shè)，強(qiáng)烈的人為活動(dòng)便使環(huán)境發(fā)生巨大的變化，由此形成了獨(dú)特的礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題.因此有人提出警告:“莫讓資源大省成為地質(zhì)災(zāi)害大省”.
??? 煤炭開(kāi)采形成的環(huán)境問(wèn)題有:
??? 1)對(duì)土地資源的破壞和占用.煤炭開(kāi)采對(duì)土地資源的破壞損害，井工開(kāi)采以地表塌陷和研石山壓占為主，而露天開(kāi)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(kāi)采破壞地下水資源表現(xiàn)在對(duì)其進(jìn)行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，同時(shí)開(kāi)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(lái)自礦井排出的煤層瓦斯和煤礦研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(guó)的1/4－1/3，因而開(kāi)采對(duì)山西環(huán)境影響最大.1949一1998年間山西共生產(chǎn)原煤56億t，造成地面塌陷破壞面積超過(guò)6 .7萬(wàn)h m2，其中40%是耕地;矸石山占地2khm2.到1998年煤炭地下采空面積累計(jì)達(dá)1300 km2(全省面積的1%)，采煤破壞地下水4.2億m3/a.這使本來(lái)缺水的山西環(huán)境受到進(jìn)一步破壞.
??? 假若如報(bào)道那樣，山西煤炭開(kāi)采可能導(dǎo)致生態(tài)資本出現(xiàn)赤字.而煤炭的價(jià)值要依靠延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈形成，開(kāi)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(bǔ)償，只會(huì)越挖越窮，而下游產(chǎn)業(yè)利用煤炭富裕起來(lái)，造成社會(huì)分配的不公平.
??? 山西提出了開(kāi)征煤炭?jī)r(jià)格調(diào)節(jié)基金就是促使煤炭生產(chǎn)企業(yè)自覺(jué)履行治理環(huán)境污染的義務(wù)，建立生態(tài)補(bǔ)償費(fèi)制度，將煤炭工業(yè)生態(tài)破壞成本內(nèi)部化.由此對(duì)經(jīng)濟(jì)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(kāi)采的內(nèi)涵
2 .1對(duì)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(yíng)這個(gè)礦區(qū)的開(kāi)發(fā)對(duì)象而加以利用.
??? 而在原來(lái)的定義中，礦井瓦斯(Mine gas)是[1]: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(shí)上瓦斯是清潔能源，1m3瓦斯可發(fā)電3－3.5 kW?h.
??? 礦井水文地質(zhì)類型(Hydrogeological type of mines)是: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(shí)上水是資源，采礦應(yīng)該將其調(diào)控.
??? 其它，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(kāi)采技術(shù)涉及的范圍
??? 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(kāi)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(kāi)采技術(shù)一保水開(kāi)采技術(shù);地下氣化技術(shù);開(kāi)采與土地保護(hù).
??? 2)加強(qiáng)煤巷維護(hù)技術(shù)，從而不出或少出矸石.從經(jīng)濟(jì)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?qū)⑵溥M(jìn)行制磚，填方等加以利用.
2.3綠色開(kāi)采技術(shù)的基礎(chǔ)理論問(wèn)題
??? 開(kāi)采的環(huán)境問(wèn)題都是由于采動(dòng)所引起，因此與開(kāi)采后造成的巖層運(yùn)動(dòng)有關(guān)(巖體不破壞上述問(wèn)題都不會(huì)發(fā)生).巖層運(yùn)動(dòng)不僅對(duì)礦山壓力有影響，對(duì)環(huán)境而言是開(kāi)采后形成巖層節(jié)理“裂隙場(chǎng)”，由此影響離層的發(fā)育狀態(tài)及位置，引起地表沉陷，瓦斯與地下水在裂隙巖體內(nèi)的滲流等.為此提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論〔2〕.
2.4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(jiān)硬巖層的剛度條件和強(qiáng)度條件加以判別.兩層鄰近堅(jiān)硬巖層在一起，可能形成同時(shí)破斷復(fù)合效應(yīng)，則:
??? 1)當(dāng)相鄰兩硬巖層復(fù)合破斷時(shí)，兩硬巖層間將不會(huì)出現(xiàn)離層.
??? 2)當(dāng)形成復(fù)合效應(yīng)時(shí)，增大了關(guān)鍵層的破斷距，在位置靠近采場(chǎng)時(shí)，將引起工作面來(lái)壓步距的增大和變化。在僅有兩層(h1和h2)堅(jiān)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(shí)垮落:
Σh3+h2≥(Σh2+h1) (h2/h1)2.
例如h2是h1的1倍則Σh3+h2只要等于或大于Σh2+h1的4倍,h2和h1將同時(shí)垮落.此時(shí)雖然h2遠(yuǎn)大于h1，但h2將不會(huì)產(chǎn)生離層.
??? 采動(dòng)后巖體內(nèi)的“裂隙場(chǎng)”，主要有以下特點(diǎn):
??? 1)中心離層區(qū)的形成.關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)離層產(chǎn)生、發(fā)展的時(shí)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(dòng)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(shí)，而在采空區(qū)兩側(cè)仍各自保持一個(gè)離層區(qū).此時(shí)，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(dòng)裂隙“O"形圈.