论科学采矿.pdf

第 2 5卷 第 1 期 2 0 0 8年 O 3月 采矿 与安 全 工程 学报 J o u r n a l o f M i n i n g＆ S a f e t y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 2 5 No ． 1 M a r c h 20 0 8 文章 编号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 8 0 1 0 0 0 1 1 0 论科学采矿 钱 鸣高 ，缪协兴 ，许家 1 ．中国矿业大学 矿业 工程学院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ；2 ． 林 ，曹胜根 中国矿业 大学 理学院 ， 江 苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要针对我 国煤炭产业现状与产业特点， 提 出了科学采矿的理念 ， 全面阐述 了科 学采矿的 内涵 以及实现科学采矿对煤炭成本与价格及国民经济的影响． 科 学采矿是指 实现既能最大限度地高 效 采 出煤炭 资 源而 又保证 安 全和 保护 环境 的开采技 术 ， 科 学采 矿主要 包括 机械 化 高效 开采 、 绿 色 开采 、 安 全 开采及 提 高 资源 回采 率等 方 面． 为 了使 煤 炭 开采 业 健 康发 展 必 须 实现 科 学采矿 ． 要 实 现科学采矿 ， 必然要求实行煤炭完全成本化， 即煤炭成本应 包括生产成本 、 安全成本、 环境成本、 资源成 本 、 发展 成本 等 方面． 煤炭 完全 成本 化将 对 煤炭 价格 与 市场及 国民经 济产 生重 大影 响． 关键词 煤炭产业 ； 科 学采矿 ；高效开采 ； 绿 色开采 ； 安全开采 ；高回采率；完全成本 中图分 类号 TD 8 2 文献标 识 码 A On Sc i e n t i z e d M i n i n g QI AN Mi n g g a o ，MI AO Xi e x i n g ，XU J i a l i n ，CAO S h e n g g e n 1 ．S c h o o l o f Mi n i n g En g i n e e r i n g，C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g 8 L Te c h n o l o g y，Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a； 2 ．S c h o o l o f S c i e n c e ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g 8 L Te c h n o l o g y，Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t he a c t u a l i t y a nd c ha r a c t e r o f c o a l i ndu s t r y i n Chi na，we pr o po s e t he i d e a o f Sc i e nt i z e d M i ni ng Sc M a n d r o un dl y e x po un d t h e c o nno t a t i o n o f s c i e nt i z e d m i ni ng a nd t he e f f e c t o f r e a l i z i ng S c M on c o s t a nd pr i c e o f c o a l a nd o n na t i o na l e c o no m y ．The s c i e nt i z e d mi ni ng t e c hn ol o g y i nc l u de s e f f i c i e nt me c ha ni z e d mi ni ng，g r e e n m i ni ng，s a f e t y m i ni n g，a n d mi ni ng wi t h hi g h e xp l oi t a t i o n r a t e whi l e t he s c i e nt i z e d mi ni ng r e f e r s t o t he o ne whi c h c a n r e a l i z e t he c oa l m i ni n g wi t h t he hi g he s t e f f i c i e nc y on t he pr e c o nd i t i o n o f s a f e t y a n d e nv i r o nme nt f r i e nd l y ． Fo r t he pu r po s e o f d e v e l o pi n g c oa l i ndu s t r y he a l t hi l y，t he S c M m u s t b e r e a l i z e d ． I n r e a l i z i ng t he Sc M ，c o m p l e t e c o s t of c o a l i s ne c e s s a r i l y r e qu i r e d，na m e l y，pr o du c t i on c o s t ，s a f e t y c os t ，e nv i r on m e nt c o s t ，r e s ou r c e c os t ，de ve l op i ng c os t ，a nd S O on ． The c o m pl e t e c os t o f c o a l wi l l ha v e a de c i s i v e e f f e c t on t he p r i c e a n d m a r ke t o f c oa l ，a nd o n na t i on a l e c o no my a s we l 1 ． Ke y wo r ds c o a l i ndus t r y；s c i e nt i z e d mi ni n g；hi gh e f f i c i e nt m i ni ng；gr e e n m i n i ng；s a f e t y mi n i ng；hi gh e xp l oi t a t i on r a t e；c o mpl e t e c os t 1 煤炭 与主体 能源 根据我国能源资源状况 ， 2 0 0 5年能源结构是 煤 占 6 9 ． 6 ， 石油和天然气 占 2 3 ． 8 ， 水电和核电 为 6 ． 6 ．2 0 0 2年我 国煤炭探 明储量为 1 1 4 5亿 t ． 我国常规可采石油总资源 1 1 4 ． 9亿 t ， 居世界第 9 位 ， 人均为第 4 1位． 天然气 累计探明可采储量2 ． 5 6 万亿 m。 ， 居世界第 1 7位， 人 均为世界人均 的 5 ． 随着勘探科学技术的发展 ， 油、 气会得 到进一步增 加． 但总产量 1 ． 8亿 t 左右不会有太大的变化． 至 2 0 2 0年缺 口达到 3亿 t 对外依赖达 6 O ． 随着油 气在国外 的大量开发带来的是能源安全问题． 制约 我国经济发展 的突出瓶颈是能源． 能源中能比较主 动解决的是煤 炭．多年来 为保证 国民经济高速发 收稿 日期 2 0 0 7 0 9 1 7 基金项 目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 目 2 o o 7 c B 2 o 9 4 o o ； 国家 自然科学基金项 目 5 0 7 7 4 0 7 8 作者简介 钱鸣高 1 9 3 2 ， 男， 江苏省无锡市人 ， 中国工程院院士， 教授 ， 博 士生导师， 从 事采 矿工程方 面的研究 E - m a i l mg q i a n c u mt ． e d u ． c n T e l 0 5 1 6 - 8 3 8 8 5 5 8 1 维普资讯 2 采矿与安全工程学报 第 2 5 卷 展 ， 煤 炭 一直 是 在超 能 力生 产 ， 2 0 0 6年生 产 2 3 ． 2 5 亿 t ， 占世 界 1 ／ 3 3 5 ． 5 9 ／ 6 强． 有关 专 家预测 到 2 0 1 0 年产量 2 5亿 t ， 2 0 2 0年 3 0亿 t ， 2 0 5 0年煤炭在能源 中的 比重仍 要 达 到 5 0 ． 但 主要 将 依 靠 生 态 脆 弱 运输成本高的中西部地区． 以煤炭作为主体能源， 在主观上是因为煤炭的 储量和我国经济发展对能源的需求决定 了我 国煤 炭主体能源的地位．客观上 ， 煤炭能否作为主体能 源，从开采技术上不仅仅为国家提供煤炭， 而是要 求安全能否得 到保障环境能否得到保护资源 回收 如何 即能否实现既能最大限度地高效采 出煤炭而 又保证安全和保护环境 的开采技术一即实现科学 采矿． 为实现科学采矿所付出的经济代价为采矿的 完全 成本 ． 2 煤炭开采的负外部性作用 一 般产业的科技水平直接与产品质量 、 数量和 市场 价格 有关 ， 见 图 1 ． 双／ 小干 经过物理或化学 一 产品质量与数量 H价 方法 改变加工对 1 J 象的 物理 、 化 学 L 一 工业 废弃 物 供 特性、几何形状 或 外观形成产品 影响环境 1 图 1 一 般产业 的特点 F i g ． 1 Th e c h a r a c t e r o f g e n e r a l i n d u s t r y 煤炭产 业特 点为 见 图 2 图 2 煤炭产业的特点 Fi g ． 2 Th e c h a r a c t e r o f c o a l i n d u s t r y 1 产 品是 自然资 源煤 炭 开采 业是 直 接从 自 然界获取产品， 煤炭质量决定于几十亿年地质作用 形成的沉积和变质过程， 而不决定于开采技术．由 于赋存条件 深度、 地质构造、 煤层厚薄及引发事故 的可能性等 不 同， 开采所采用 的科技含量会有很 大差别． 由此可见生产成本与所开采的难度有关 ， 而开采技术水平仅与产品数量有关 ， 而与产品质量 和市场 价格无 关． 2 对环 境 的影 响 由于 矿产 资源 与土 地 、 水 、 植被等环境要素紧密相关． 采矿将直接构成对它们 的破坏． 采矿会引起地面沉陷， 地下水系破坏， 排出 大量矸石和有害气体 ， 以及很多难以处理对环境有 害 的废弃 物． 由于各 地 区 生 态环 境 的 差别 ， 保 护 开 采后的环境费用 外部成本 也不同． 3 煤炭开采是高危行业 我国大陆是由众多 小型地块多幕次汇集形成 ， 煤炭 赋存地质条件 复 杂 ， 由此带来了高地应力、 高瓦斯 、 高地温等灾害 ， 采动引起的高应力动力现象难 以预防， 客观上容易 发生严重事故． 煤矿井下作业环境又是人工开凿于 地层的有限空问， 有毒有害、 易燃易爆气、 固体 煤 尘 的混入， 人工调节十分困难 ， 工作环境恶劣 ， 属 于高危行业 ， 百万 吨死亡率是衡量安全 的重要指 标． 因此井下工人越少越好 ， 不应该将其视为解决 劳动就业 的场所， 并且安全费用在成本中应该 占很 大 比例 ． 统计表明， 国有重点煤矿中， 地质构造复杂或 极其复杂的煤矿占 3 6 ， 地质构造 简单 的煤矿 只 占2 3 ； 水文地质条件复杂 或极其 复杂 的煤矿 占 2 7 ， 属 于简单 的只 占 3 4 ． 根据煤炭产业特点， 煤炭企业管理首先遇到的 问题 是 用 于煤炭 开采本 身 的成本仅 占一 部分 ， 大量 的 费用是保护资源、 环境和安全的外部成本． 管理不 善成本中将不包括这些难以商品化的各项费用， 使 内部成本外部化一形成不完全成本和低廉 的煤炭 价格． 同时也使资源输 出地承受外部成本而导致经 济得不到发展 ， 成为“ 资源陷阱” ． 经济学提 出“ 市场失灵” 的一种表现是“ 外部 性” 一指一种消费或生产对其他由于消费或生产产 生不反映在市场价格中的直接效应． 由于煤炭 产业 的 特点 ， 在管 理 失 控情 况 下 ， 乡 镇煤矿为了扩大赢利空问和经济状况差 的国有煤 矿为了生存 ，就采取 以牺牲安全、 采肥丢瘦和破坏 环境而获得低成本 如成本仅为 5 5 元／ t ， 煤炭回收 率为 1 0 ～1 5 ， 高死 亡率 ， 从而将 内部成本转 化为社会成本， 而在同样条件下的国有重点煤矿生 产成 本 达 到 1 5 0 ～ 2 5 0元 ／ t ， 由此 也 形 成 了不 公 平 竞争 ． 显然 ， 采 矿 工程 是 以科 学 开 采 为基 础 ， 是 以实 现安全、 保护资源和环境等全部为采矿工程学科的 基础 ． 为实现科学开采所支付的总费用为完全成本． 3科学采煤的主要方面 我国煤炭的开采量已经超过世界的 1 ／ 3 ． 而且 维普资讯 第 1期 钱 鸣高等 论科学采矿 3 开采条件差别很大 ， 因此在煤炭开采的科学与技术 方面理应处 在世 界的前沿． 即不仅 要达到世 界水 平 ， 而且要解决世界上没有解决 的问题． 实现科学 采矿是采矿者 的责任． 实现煤炭科学开采的技术主要体现在 以下几 方 面． 1 机械化开采以提高效率 ； 2 保护环境 ； 3 安全 生产 ； 4 提高资源采出率 ； 5 采用先进科学技术 以降低成本． 若不在这方面进 行管理 ， 必然 不是科学采 矿， 而是在利益驱动下 的野蛮采矿． 因此 ， 煤炭工业的科学技术与管理就是要实现 安全 、 清洁和节约生产的可持续发展． 3 ． 1 煤炭 生产机 械化 由于井下的工作环境 ， 煤炭开采健康发展的重 要标志是机械化 ， 可降低 劳动成本 和百万 吨死亡 率． 高度机械化 的矿井 ， 劳 动成本仅 占 2 ～3 ， 中等可达 1 2 ～1 6 9 ／ 6 ， 差 的占 3 O 9 ／ 6 以上． 根据国有重点煤矿采煤 机械化程度与百万 吨 死亡率统计表明[ 1 ] 机械化程度和装备水平 越低， 安 全情 况越 差 ， 见 图 3 ． 褥 6 z }丑 0 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 8 5 机械化程度 ％ 图 3 国有重点煤矿采 煤机 械化程度 与百万吨死亡率关 系 Fi g ．3 Th e r e l a t i o ns hi p be t we e n me c ha ni z e d gr a de a nd de a t h r a t e i n s t a t e - r u n c o a l mi ne s 全国平均采煤机械化程度仅 4 5 ， 国有 重点 为 8 2 ． 7 2 9 ／ 6 ， 乡镇煤矿几乎 没有机械化开采 ， 全 国 约有 2 0 0万以上的矿工还在从事手工采煤． 由于地 质条件复杂生产规模不同， 因此需要各类机械满足 采煤的要求． 驱动企业 机械化 的动力是不断提高的劳动和 安全事故补偿成本． 3 ． 1 ． 1 国有重点煤矿的高效生产 全国极少数矿井 已建成世界一流 的高产高效 矿井 ， 为煤炭工业作 出了榜样． 1 神东矿区 2 0 0 5年产量达 1亿 t ， 职工总数 7 5 0 0 人 ， 全 员 工效 1 1 9 t ／ 工 ， 是 美 国 平 均 水平 4 1 ． 7 3 t ／ 工的 2 ． 5倍 ， 是 国有重 点煤矿 3 ． 7 3 9 t ／ 工 的 3 1 倍． 其中哈拉沟煤矿全员 工效达到 1 8 9 t ／ 工． ， 矿井控制系统实现 了自动化． 2 我国研发的放顶煤开采技术在很多矿井实 现 了高产高效． 如兖州东滩煤矿年产原煤 8 0 0万 t ， 一 井一放顶煤工作面， 年产 6 0 0万 t ， 回采工效 3 0 0 t／ 工 ， 原煤生产工效 1 8 ～2 O t ／ 工． 潞安王庄煤矿 4 3 2 6放顶煤工作面， 最高月产量达 3 5 ． 3万 t ． 潞安 矿业 集 团 ， 2 0 0 3年 产 量 1 7 0 0万 t ， 原 煤 生 产 工 效 1 3 ． 4 8 4 t ／ 工． 3 薄煤层开采取得了一定 的进展． 辽宁铁法 煤业集团使用国产的液压支架 ， 德 国 D B T公 司生 产的刨煤机和 电液控制 系统 ， 在煤厚 1 ． 5 m 时平 均 日产 3 7 1 2 t ， 最高达 6 4 8 0 t ， 生产能力可达 1 2 0 ～1 5 0万 t ／ a ． 它也是实现薄煤层无人 工作面开采 的前 奏． 枣庄 田陈煤矿用国产综采设备 开采 1 ． 1 m 的 煤层 ， 最高 日产达 3 5 0 4 t ， 基本达到了年产百万吨 的能力 ． 新汶对薄煤层进行 了钻采法试验 ， 取得一定成 效． 4 最近发展 的短壁和房柱开采机械对提高矿 井残 留煤柱回收率有益． 3 ． 1 ． 2 乡镇煤矿面临发展机遇 处在地方经济不发达的乡镇煤矿 ， 在产权不清 晰 、 管理不到位的情况下大量使用工资低廉的农民 工 ， 从 而阻碍 其 发展机 械化 ．因此 必须 有 有效 管理 办法 ， 使其实行科学采矿． 因此机械化 、 自动化开采是矿业科学发展的根 本性指标． 我 国是煤炭资源和生产大国， 必然要先进的煤 炭机械以适应高度机械化矿井的使用 ， 而且要形成 无人工作面开采技术 ， 以便在特定条件下使用 如 薄煤层； 在煤与瓦斯突出厚煤层本层采解放层等 ． 随着乡镇煤矿的整顿和走上正规化 ，必然需要发 展各种能力与形式的采煤机械与我 国复杂地质条 件相匹配．目前我国煤炭机械制造远远不能满足 实际需要． 3 ． 2煤 炭 开采 环境保 护 3 ． 2 ． 1 认 识 、 理 念 、 基 础 和原 则 1 认 识 ① 环境是一种资源 自然环境是亿万年来 自 然力作用的结果． 破坏后很长时间得不到恢复， 因 而具有不可逆性． 矿产资源与土地 、 水、 植被等环境 要素紧密相关．大规模地采矿将直接构成对环境 的威胁和破坏． ② 环境容量 环境通过各种各样过程转化人 维普资讯 4 采矿 与安全工程学报 第 2 5 卷 类 生产 和消费产 生 废 弃物 的能 力称 为 环 境 的 自净 能力． 2 理 念 根 据矿产 资源 开发 的正负价 值两 面性 ， 应遵循 自然规律， 尊重 自然意志， 在人类 向自然索取的同 时， 时刻不忘 回馈 自然和养护 自然 ， 从而在人类 和 自然之间建立起复合的生态平衡机制． 3 基 础 开采对环境的影响直接与采动后岩体运动有 关 ， 没有 岩层 运动 也 就 没有 环 境破 坏 ， 因此 研 究 开 采后 岩层运 动规 律是保 护矿 区环 境 的基 础 ， 如 图 4 所示 ． 岩层结构与 关键层运动 l 形成环境 l 影响 I 形成 应力场改变， 1 离 层 和 形 成 应 力 集 中 区 裂 隙 场 及 其 对 结 构 面 的 作 用 { 1 l l 瓦斯向 离 J 改变地下 l 冲击地压 工作面和 层区、采空区 I 水的 分布 I ] 与动力现象 巷道维护 和 工 作 面 涌 出 l I 与 流 向I 一 1 ⋯ _ ／ ～ 『 一 安 全 问 题 J 1 地表沉陷 U 煤巷支护 J 建筑物下充填， 土地复垦等{ ～} 少出矸石 图 4 煤矿开采安全 、 环境与岩层运动的关系 Fi g． 4 Th e r e l a t i on s hi p a mon g mi ni ng s a f e t y， e n vi r on me nt a n d s t r a t a mo ve me nt 4 原则 依靠科技进步力求在环境损害最小状态下达 到最 大的 资源 回收率． 即 如何在损害环境最小的状态下取得最大量 的资源环境损害／ 单位资源一 最小． 过去 由于环 境 资源 没有 进 入 经济 系 统 的分 析 过程 ， 导致 环境不 断恶 化 ， 环 境 资源 稀 缺程 度 不 断 提高 ， 由此生产与环境协调的技术创新就成为社会 的、 甚至市场的必然需求． 因此， 必须形成矿区环境容量和环境评价体系 等计算方法． 3 ． 2 ． 2 资源与环境协调的绿色开采体系 要 实现 资源与 环境协 调 绿 色 开采 ， 其 技术 途 径有 引 1 实施 保水 开采技 术进行 水 资源保 护 ； 2 实施充填与条带开采技术以保护地表建筑 物 ， 同时实施塌陷区治理一土地复垦 ； 3 实施 少 出矸 石技 术 煤 层 巷道 支护 ， 矸 石井 下充填 ； 或者矸 石地 面利用 制砖 ， 作复 垦材料 等 ； 术 ； 关 键 层 理 论 4 全面实施瓦斯抽采一实现煤与瓦斯共采技 5 地 下气化技 术 ． 其技术体系如图 5 所示． 岩层移动 l 排放矸石 地下水l 瓦斯卸压流动、 流失与l 瓦斯事故与排放 突水事故 I瓦斯污染环境 謇 I厂 士 端筑 犟 物 损 害 1L ； 1 磐1 I i I l 绿色开采技术体系 图 5 绿色开采技术体 系 Fi g ． 5 Th e s y s t e m o f g r e e n mi n i n g t e c h n o l o g y 3 ． 2 ． 3瓦斯 煤层气 抽采 低透气性煤层气 瓦斯 是吸附在煤炭上难于 采集 、 资源密集度低 的伴生资源． 利用必然要进行 的井下工程先采瓦斯 ， 而后采煤 以及利用岩层采动 采集释放的瓦斯是最经济而有效的办法． 1 认识 过程 瓦斯是灾害煤矿重大灾难源是瓦斯， 因此对 瓦斯的定义是 矿井中主要由煤层气构成的以甲烷 为主的有害气体． 瓦斯是 能源 1 m。瓦斯 的发热 量 为 3 5 ． 6 MJ ， 相 当于 1 ． 2 k g标 煤 ， 可 发 电 3 ～ 3 ． 5 k W h ． 在 陆上烟煤 和 无 烟 煤 田 中， 埋 深 在 3 0 0 ～ 2 0 0 0 I T I 范围内的资源有 3 1 ． 4 6万亿 I T I 。 ， 相 当于天然气储 量． 低透气 性 瓦斯是 吸附在煤 炭上难 于采 集 、 资源 密集度低 的伴生 能源 瓦斯 大部分 吸附 于煤 炭 8 0 ～9 0 ，游离瓦斯仅 占 5 ％～1 2 ． 大部分 煤层 透气 性低 0 ． 0 0 5 ～0 ． 1 m ／ MP a d 很 难 抽 离． 以瓦斯 含量 2 O m。 ／ t 煤计 ， 相 当于 1 0 0 0 k g中 含有 2 4 k g标煤 ， 全部发电价值仅为 3 0 ～5 0元的 伴生物， 比吨煤的价值低几十倍． 2 治理和利用瓦斯的科学技术难点 瓦斯的解吸技术 瓦斯在煤体上 的吸附主要 受压力 和温度 影 响． 当压 力减 小 或温 度升 高 时 ，吸 附瓦斯转化为游离瓦斯 ， 形成解吸 ， 因此如何形成 瓦斯解吸的压力和温度环境另一办法是置换． 最 近 ， 美 国在抽采瓦斯时， 注入 C O 使瓦斯抽采量提 高， 有时产量可 以增加 1 0倍． 但 C O 对采煤有什 维普资讯 第 1期 钱鸣高等 论科学采矿 么影 响 回收技术采集的瓦斯 ， 尤其是采空区中混有 空气 ， 其中氧气是危险的助燃物 质， 因而成 为含 氧 煤层气 ， 为输送 和利用形成阻力 ， 只能就地使 用或 放空．因此低含量 瓦斯 的利用 和提纯就成为关键 技术． 目前在 4方面进行研究 变压吸附； 膜分离 ； 燃烧脱氧和低温精馏分离． 我国采用低温分离将瓦 斯从含氧煤层气中分离和液化获得成功 ， 问题还在 成 本． 对大部分低透气性煤层 ， 即使瓦斯含量相对较 高， 其抽采难度 和利用 成本都不一 定具备商业 价 值． 因此首先考虑的应该是解决安全和环境的社会 效益 ． 3 两种抽采方式的争议 ① “ 先地面采气 ， 后地下采煤” 条件是煤层气 透气性好 ， 在煤炭开采以前在地面钻井抽采瓦斯． 即使如此 ， 一 口井投资 2 6 0万 ， 日产气仅 2 0 0 0 m。 ， 抽采半径小． 一 口天然气井 日产量可达数百万 m。 ， 煤层 气 水 平 井 在晋 城 也 为 2 ～3万 m。 ／ d ．地 面 采 气 4 0亿 m。 ， 投资 1 2 0亿 3元／ m。 还存在着很 大 风 险． ② “ 先利用井 下工程抽采 瓦斯 而后采煤” 我 国大部分煤层透气性极低， 按照美 国标准 ， 地面抽 采瓦斯时煤层透气性不得低于 0 ． 9 8 7毫达西 ， 因此 在我国大部分不能先在地面采集． 因此形 成“ 利用 必然 要进行 的井 下 工程抽 采 瓦 斯而后采煤” 是最经济 而有效 的办法． 其方法是在 本 层 打排孔 抽 采 ， 利 用岩 层运 动解 除应 力抽 采采 空 区和废弃矿井释放的瓦斯 和回风井 回收瓦斯技术． 这样采气 1 5亿 m。 ， 投 资仅 为 9亿 0 ． 6元／ m。 ， 是 地面采气的 1 ／ 5 ， 而且风险小． 应该说大量的瓦斯是 由排风井排 出的低体积 分数 0 ． 5 ～1 瓦斯 ，如何 回收利用风排低含 量 瓦斯应 该进 行研 究 和试验 ． 以德国为 例 煤 与瓦斯共 采 据 1 9 9 8年统 计 ， 德国全年煤矿瓦斯产量达 1 0． 7亿 m。 ， 其 中 生产 矿井抽 采 3． 7 2亿 m。 3 6 ． 5 ， 通 风井 回收 4 ． 6 7亿 m 。 4 5 ． 8 ， 报 废 矿井 回收 1 ． 8亿 m。 1 7 ． 6 ， 实质上包含 了煤 与瓦斯共采 的 3项技 术 ． 3 ． 2 ． 4 保护水资源 科学 问题 开采 引起 大范 围岩 层移 动所 形成 的 裂隙场的形态及其对地下水系渗漏、 流动和对水资 源 和生态 带来 的影 响． 我国水资源分布很不均衡 ， 且水资源与煤炭资 源成逆向分布． 大概 有 7 0 的矿 区缺水 ， 尤其是 “ 三西地区” 缺水更为严重 ， 大量使用地表水和地下 水将对当地生态产生严重影 响． 对 于缺水地区， 保 护水资源将是煤炭开发与生产中的关键问题． 开采对水资源的影 响随地区和上覆岩层隔水 特性 而异 1 在一些地 区可 以进行河湖海下采煤， 显然 这 些地 区开 采对水 文 地质影 响 不大 ； 2 在 一些 地 区 如我 国东部 开 采 后地 面形 成 水 洼 ， 说 明上覆 岩层 隔水 良好 ； 3 在一些 地 区 如我 国中西 部 开 采后 地 面形 成塌陷， 但并不积水． 此时就有可能造成水文地质 的改变， 甚至地下水的流失 ， 而且影 响植被和荒漠 化 ． 几点认 识 1 保水开采必须研究开采后岩层运动对水文 地质 变化 的影 响． 2 在我 国西 北地 区必 须研 究 所 开采 的岩 层是 否有 隔水 带 ， 开采 对地 下水 的破 坏形成 的漏 斗 以及 在降雨水后的恢复过程． 开采对岩层裂隙以及地形 的改变 ， 由此 对地 表 水 、 地 面植 被 以 及地 下 水迳 流 的影响 ， 甚至要研究再造隔水带的可能． 3 依 此理论 有 助于 明晰 地下 水是 全 部流 失 还 是保存在更深的岩层内 ， 形成地下储水层而后再利 用 ． 3 ． 2 ． 5 减沉 技术 减沉技术是力学研究 的范围，长时 问用统计 的办法 描述 岩层 沉 降． 随着 开 采 向深 部发 展 ， 原 有 的办法已难 以使用． ． 为此要形成开采影响预测 、 减沉技术 的力学原 则和一套设计方法以解决控制对象 地面和建筑物 等 和煤柱及充填体 的稳定性． 采矿最大 的环境破坏是地面沉陷， 对我国东部 地区， 直接破坏 良田． 其处理办法是 复垦和减沉． 大量破坏的农 田要依靠复垦解决． 而建筑物下则要 依靠减沉 一条带与充填开采解决． 建 筑物 下条 带 充 填 开采设 计 的原则 是 构建“ 条带煤柱 充填一 上覆岩层一 主关键层” 结构体系． 关键层理论对建筑物下开采设计 的原则为 判 别上覆岩层 中的主关键层位置 ， 在对主关键层破断 特征进行研究的基础上 ， 通过设计条带煤柱 充填 或对覆岩离层注浆等技术手段 ， 保证主关键层的破 断和变形在建筑物允许范围之 内， 达到减沉 目的． 我国东部地区， 建筑物下 的呆滞煤量很大 ，因 维普资讯 采矿与安全工程学报 第 2 5 卷 此利 用矸石 和其他 废 弃 物充 填来 置 换 煤 炭势 在 必 行． 充填技术是成熟的技术．煤矿研究 的主题应 该是如何降低充填成本和选择各类充填置换方法 以换 取最大 的利益 ． 3 ． 2 ． 6 矿井矸石处理与利用 科学 问题 由于煤 矸 石 对环 境 的 恶劣 影 响 ， 应 该首 先实行 矸 石 在 井 下 处 理 ． 其 次 是 进 行 矸 石 利 用． 从开采技术而言， 要多开煤巷和发展矸石井下 充填技术 ， 随之而来就是如何应用矸石充填来置换 煤炭 ， 涉及到矸石充填的密实度 、 煤柱 的稳定性和 地 面控制 等问题 ． 煤矸石给 自然环境造成 的灾害主要表现在 以 下几 个方 面 一是 大 量 占用 土 地 面积 ； 二 是 对 自然 环境造成严重污染 ， 煤矸石中的硫被雨水浸湿后加 速氧化过程 ， 能引起煤矸石 山的燃烧， 生成 S O 等 大量有毒有害的气体和粉尘， 从而对周围的环境 和 地表水造成严重 的污染 ； 三是引发矸石山滑坡、 崩 塌等 ， 造成地质灾害． 值得提出的是最近邢台等矿业集团， 为了矸石 不上井 ， 用矸 石在井 下直接充填废 旧巷． 他 们于 2 0 0 4年 自行设计 与制 造 了井下 巷道 矸 石输 送机 和 井下巷道抛掷矸 石后减少沉降的注浆充填机械 ， 在煤矿井下处理矸石 ， 对形成绿色矿山有重大意 义． 认识 鉴于全部充填将提高开采成本， 因此矸石充填 主要是解决环境保护问题 ， 附带利用其置换煤炭． 应该研究矸石充填 的密实程度对控制地面沉 降的 作用及其对煤柱稳定性的影响． 我国开采条件的多样性 ， 导致煤炭“ 绿色开采 技术” 是永恒和必须的主题 ， 也体现其复杂性与前 沿性 ． 不仅要形 成各项 技术 ， 而且要 估算 其在成 本 中 的 比例 ． 3 ． 3煤 矿安 全生产 统计 表 明 。 ] ， 乡 镇 煤 矿 占 总 死 亡 人 数 的 7 O ， 国有地方占 1 5 ， 国有 重点 占 1 5 ． 顶板与 瓦斯事故死亡人数 约 占总死亡人数的 7 O ％左右， 死亡人数 中 乡镇煤矿占 7 O 以上， 国有地方和 国 有重点各占 1 0 以上， 其 中瓦斯 事故国有重点较 大． 2 0 0 5年瓦斯死亡 2 1 5 7人 ， 冒顶 1 9 9 5人， 水害 5 9 3人 ， 运 输 5 5 9人 ． 2 0 0 6年 死 亡 4 7 4 6人 ， 百 万 吨 死亡率为 2 ． o 4 ， 比 2 0 0 5年下降 2 7 ． 4 ％． 我国不 同 类型煤矿事故对比见图 6 ． 2 0 0 4 年 全国2 0 亿 t ， 死亡6 0 0 0 人， 百万吨 死亡率为3 国有煤矿产量 占6 1 ％， 死亡1 7 4 6 人， 百万吨死亡率为1 ．4 二二F 全国高产高效矿并 j 1 7 7 处 含瓦斯大的 矿并产量5 ．6 亿 t ， 百万吨死亡率0 ．0 6 治理对象 南方1 0 省产煤近 2 亿 t ， 死亡3 0 0 0 人， 占全国的1 ／ 2 ， 百万吨 死亡率为1 5 全国 乡镇煤矿产煤为 总产量的3 9 ％， 死亡 4 2 6 3 人， 占全国的7 0 ％， 百万吨死亡率为6 地质条件差 瓦斯与地应力复杂 ， 经济状况不好， 很易 引发大事故 图 6 我国不同类型煤矿事故的对 比 Fi g．6 Comp a r i s o n of d i f f e r e nt t yp e s o f a c c i d e n t i n Ch i n e s e c o a l mi n e 安全 是个 系统 工程 ， 需 要 科 学技 术 、 劳 动者 和 干部的素质和管理等方面的保障． 随着和谐社会的建设， 矿工的劳动将一步得到 尊重， 待遇和安全费用都会进一步增加 ， 必然导致 安全 自然条件差矿井的关闭和发展高产高效矿井 的建设． 我国煤矿事故最多的是乡镇小煤矿， 而南方各 省煤矿事故尤多 ， 南方十省由于地质条件复杂 ， 开 采技术难度大， 科技人员缺乏 ， 煤矿机械化程度低 ， 安全装备落后 ， 矿井生产规模 比较小 ， 小煤矿居多． 南方十省煤炭产量 2亿 t ， 死亡却 占全 国的 1 ／ 2 ． 湖 南 2 O O 3 年生产煤炭 4 8 0 0万 t ， 死亡 6 0 0人 ， 而兖 矿 出相近 的煤 ， 仅 死亡 6人． 2 0 0 5年 ， 我国 1 9 7处煤炭产量 6 ． 3亿 t ， 百万 吨死亡率 0 ． 0 4 ． 根据煤层安全生产条件， 有些矿井 的安全费用在吨煤成本 中达到 5 2元． 据调查我国 国有重点煤矿的安全欠帐曾高达 6 8 9 亿元． 显然 ， 为了保证安全 ， 必须根据矿井条件 ， 安全 费用 在成 本 中必然 占重要 地位 ． 而且 随着 和谐 社会 的建设， 矿工的劳动将一步得到尊重 ， 安全的要求 更高 ， 若要使煤炭行业脱离高危行业 ， 安全费用在 成本 中所 占比例更高． 安全 生产 的决 定 因素是 1 决定于煤层赋存 的致灾条件 ； 2 决定于有否解决灾害的技术能力与装备 ； 3 劳动者 和技术 干部 的素质 ； 4 行业 与企业 的经 济环境与 管理 水平 ． 安全 事故分 易控 和难控 两类 易控 不 安 全 因素 目前 面对 大 量 的死 亡 事故 维普资讯 第 1 期 钱 鸣高等 论科学采矿 是 冒顶事故 ， 从技术上只要开展机械化开采和推广 支护质量检测可 以顺利得到解决． 难控制 的不安全因素 煤层的赋存条件决定 了煤矿开采时对安全控制的难易程度， 如采矿 的动 态过程导致应力场的不断变化 ， 高应力及其形成的 能量是发生动力的根源，若遇到地质 变异及小 构 造等地质缺陷时很容易发生事故； 高瓦斯且我 国煤 层透气性低 ， 难于抽采．因此对这类矿井必