□ 山西省忻州神达麻地沟煤业有限公司 范金发
随着近年来煤炭产量的迅猛增长,凸显对资源与环境的影响。至今,与我国煤炭粗放型和超产能生产相伴的矿难事故还没有完全得到控制,而同样十分严峻的资源浪费与环境破坏也亟待从煤炭开采的源头去解决。
一、煤炭资源绿色开采的内涵与框架
从广义资源的角度论,在矿区范围内的煤炭、地下水、煤层气(瓦斯)、土地、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和保护对象。煤矿绿色开采以及相应的绿色开采技术,在基本概念上是要从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各种资源。基本出发点是防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响。目标是取得最佳的经济效益和社会效益。根据煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石排放等,绿色开采技术主要包括以下内容:水资源保护——形成“保水开采”技术;土地与建筑物保护——形成“充填开采”技术;瓦斯抽放——形成“煤与瓦斯共采”技术等等。
开采引起的安全与环境问题都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),因此,绿色开采的重大基础理论为:采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布以及离层规律;开采对岩层与地表移动的影响规律;水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律;岩体应力场分布规律以岩层控制技术等等。
二、煤矿绿色开采的经济原则
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,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,构架复杂等),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。
实现煤炭资源的绿色开采是一项巨大的系统工程,单从科学技术研究来说也十分复杂,目前的进展在理论研究方向主要体现在采动岩体的结构运动理论和渗流理论等方面,在技术开发方面重点体现在煤与瓦斯共采、保水采煤和矸石直接充填采煤等方面。
三、远景展望
实现煤炭资源绿色开采应成为资源环境领域科学研究的重点。首先应改变把与煤炭资源共生的瓦斯、水、矸石等资源作为灾害和污染源加以“防与治”的观念,而要将其作为宝贵的资源加以保护、开采和利用,同时达到防治灾害和保护环境的目的。进而应从基础科学研究的范筹,系统研究与煤炭资源伴生的瓦斯、水等资源赋存、地质构造、采动结构运动与裂隙演化、瓦斯和水等在采动岩体裂隙中的运移和渗流突变、开采沉陷及环境演化等机理和规律。这里,我们是指实现煤炭资源绿色开采,资源开采与环境协调发展理念下的地质构造、矿山压力、开采沉陷、开采方法等研究,应是突破传统理念和理论框架的发展与创新。这种理念下的科学研究已经开始,并正展示出了良好的发展势头,例如采动岩体结构运动理论、采动岩体裂隙演化理论、采动岩体渗流理论,充填开采的等价采高理论等等,已为煤炭资源绿色开采技术发展起到了一定的指导和推进作用。
实现煤炭资源绿色开采应处理好技术装备同采煤科学技术发展和国家经济状况之间的关系。综合机械化采煤可以实现采煤过程全部机械化,是今后发展方向;但是普通机械化采煤仍应发展。水力采煤法是有效的机械化采煤方法之一,如果顶底板稳定,煤层条件适宜,技术经济条件比较优越,也应提倡和发展。采用充填法管理顶板时要考虑充填材料来源和供应条件,采用水力充填时要考虑水源情况。选择采煤方法还应力求操作技术简单,容易掌握,管理方便,这对于中、小型矿井,尤为重要。选择采煤方法应当综合考虑上述诸因素,结合地区具体情况,进行充分技术经济论证后确定。
实现煤炭资源绿色开采应从采煤方法的源头进行技术开发与创新。实现煤与瓦斯共采,包含着一系列的方法与技术创新问题,例如,首采煤层和采区的布置、高抽巷的布置、抽采孔的设计、瓦斯钻孔机具与工艺、通风系统设计、沿留巷以及瓦斯气体的管道运输与利用等。以保水采煤为例,首先要把握保水与采煤之间的度和原则问题,保水与采煤并不是绝对的矛盾,采煤需要水,控制得好,水位可以恢复,水资源还可以重复利用。缺水矿区重在保水采煤和水资源的重复利用,而大水矿区则重在煤水共采和水灾害防治。关于解决“三下”压煤开采和煤矸石等矿区固体废弃物循环利用问题,传统的充填采煤没有从采煤方法入手,因而始终难于解决充填的通道和空间问题。现在开发的矸石(固体废弃物)直接充填置换“三下”压煤技术就是从开采支护系统及工艺入手,做到采煤与充填综合机械化并行作业,既能实现安全高效采煤,又能达到低成本、高效率充填。
实现煤炭资源绿色开采是政府应履行的一项重要责任。政府首先应起到管理和监督资源开采中的环境保护职能,并且扶植与环境相协调的资源开采创新技术的研发工作。事实上,我国政府近年来加大了对相关基础研究和技术创新立项投入,例如,相继以国家重大基础研究项目(973项目)、863项目、支撑计划项目、重大装备项目、自然科学基金重点项目等等方式支持煤炭资源绿色开采基础研究和技术攻关,也取得了显著的成效。政府及时出台各种节能减排、环境保护等政策,已成为企业采用绿色开采技术的重要导向。企业在履行必要的社会责任后,追求利益的最大化是其发展的主要动力之一,政府对于积极开发并采用煤炭资源绿色开采技术的企业,应在税收等经济政策方面加以重点照顾,相反,则应加以限制和整顿。
国家立法是一把双韧剑,在我国严重依赖煤炭能源,而且生产方式还较落后,生产能力还不足的形势下,系统立法限制粗放型煤炭生产还时机不成熟,还有可能限制创新技术的发展。但是实现煤炭绿色开采,必须从立法上加以保障。以美国为例,早在20世纪70年代,美国日益扩大的煤炭生产规模与水环境之间的矛盾就已日益尖锐。例如,美国在20世纪70年代就已经关注黄石河流域煤炭开采与水资源消耗之间的矛盾,开始研究工业、农业及其它行业间水资源的竞争问题。蒙大纳的Tongue河盆地在20世纪70年代进入煤开采期,也开始研究采矿引起的河床疏干、水质恶化、水生生态系统遭受破坏等现象。美国西部自20世纪70年代末就把节水、保水作为影响其战略发展的要事。在这样的历史背景下,1977年8月3日美国总统卡特(Jimmy Carter)签署了采矿管理与复垦法案(Surface Mining Control and Reclmation Act,SMCRA).SMCRA是里程碑意义的联邦采矿环境保护法,为露天和井下煤矿的管理和复垦提供了环境保护标准;同时,成立了专门的联邦采矿管理办公室(Office of Surface Mining,OSM),监督、规范矿区的环境保护和恢复。因此,美国在资源开发中的环境保护立法是我们可以借鉴的。
绿色开采是形成矿区绿色家园的重要技术组成,目前还仅仅是开始。能否实现决定于经济的合理与技术的可行,希望政府充分考虑我国煤炭作为主体和可靠能源,在产业链上又处于初级产品,分配上不合理等特点,对煤炭企业经济关心与支持,使煤炭企业健康发展。在科学方面,应该将岩层运动对工作面的矿山压力影响转为研究开采后岩层运动对岩体内形成空隙及其对气、液体的渗流规律的影响,以及研究再次形成岩体结构用来保护地面的可能性。在技术上涉及到充填和复垦、瓦斯抽采、保水技术等,各矿区应根据自身的特点,形成各自的模式(例如,东部以保护地面为主,而西部则以保护水资源为主)。应该加强研究各类矿区保护生态环境的模式和经济评价体系及其与企业成本的关系,为政府及时制定政策提供依据。