钱鸣高,许家林
(中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008)
科学采矿的理念与技术框架
钱鸣高,许家林
(中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008)
煤炭是我国的基础能源。如何实现煤炭行业的科学发展是事关国民经济与社会发展的重大课题。本文针对我国煤炭开采在安全、环境和经济等方面存在的问题,提出了煤炭科学开采的理念,并对煤炭科学开采的理念及其技术框架进行了阐述。
现代化矿井;科学采矿;科学产能;完全成本
煤炭是中国的基础能源。目前中国的煤炭年产量占世界的46%,为中国提供了70%的能源,支撑了国民经济的高速发展。即使到2050年形成能源的多元结构,煤炭仍然要在中国能源结构中占40%以上的份额。
近10年来,中国煤炭年增量近2亿吨,相当于一个产煤大国的产量。如此激增的煤炭产量却并不是全部依靠科技进步实现的,而是受市场的刺激。结果是满足了市场需求,但超越了对安全和环境的控制能力,带来了很多负面影响,受到了国内外社会的责难和质疑,对行业和国家造成了巨大的隐性社会成本。
按照“效用消费”的概念,如此一个煤炭大国,理应形成科学开采和科学利用的理念和相应的技术。形成世界上最优秀的科研队伍,建立最安全的生产环境。基于煤炭开采和产出地环境密切相联,环境本身也是上亿年自然变化的产物,因此必须解决好煤炭开采对生态环境的影响,为此必须转变煤炭开采和利用大国为强国。煤炭行业理应得到社会的尊重。
如何改变目前煤炭开采方式?如何满足仍将不断增长的煤炭需求?如何解决安全生产和环境容量的限制?如何实现安全生产和生态脆弱区的环境保护?如何由煤炭大国向煤炭强国转变?由此提出了现代化矿井应有的内涵和科学开采的技术框架。
采矿不重视安全和环境保护,就是一种野蛮和掠夺式(对资源产出地区)的采矿。煤炭行业在满足经济发展的同时,必须要解决行业负外部性带来的一系列问题,使煤炭行业在适应大规模产能情况下能够健康发展,由此,提出了科学采矿(Sustainable mining)理念[1-4]。科学采矿就是在保证安全和保护环境的前提下高效高回收率的采出煤炭。科学采矿涉及在各类开采条件下采矿技术的前沿问题,科学采矿的实现必须依靠科学技术的进步。另外,作为现代化的煤炭工业必须实现节能低碳运行。图1为现代化矿井和煤炭科学开采的技术框架。归纳起来,科学采矿涉及的技术包括高效开采、安全开采、绿色开采和高回收等方面的技术。高效开采技术是大力推进匹配于不同开采地质条件煤矿机械化、数字化、智能化发展进程,提高煤矿生产效率,降低井下工人数;安全开采技术以人为本,加大安全技术的研究和相关费用的投入,防范各种事故灾难的发生,百万吨死亡率达到国际水平。同时还应增强对井下职工作业环境中粉尘、高温、噪声等危害因素的控制,防止矿工伤亡与职业疾病的发生,提高对煤矿工人劳动的尊重和身心健康的保护;绿色开采技术以控制岩层移动为基础,以保护环境为原则,利用煤与瓦斯共采、保水开采、减沉开采等开采方法,减少废弃物和环境有害物排放,在环境损害最小状态下达到最大的资源回收率;高回收是要求对资源的珍惜;节能低碳技术是充分利用矿井开采的物质资源与能源(如地热)资源,达到节能和提高资源利用率,实现矿区低碳发展。
高效开采是矿井永恒的主题。高效开采技术分为机械化、信息化和智能化三个层次。机械化是指矿井生产全过程的机械化,包括采掘全部生产工艺的机械化、运输提升机械化等。数字化是以先进的煤矿机电一体化技术、计算机技术、3S技术(遥感技术RS、地理信息系统GIS、全球卫星定位系统GPS)与信息化相适应的现代企业管理制度为基础,以网络技术为纽带,以煤矿安全生产、高产高效、可持续发展为目标,实现多源煤矿信息的采集、输入、存储、检索、查询与专业空间分析,并实现多源信息的多方式输出、实时联机分析处理与决策、专家会诊煤矿安全事故和生产调度指挥等。无人工作面是煤矿高效开采中智能化的标志性技术,在工作面安全专家系统的保护下,通过有线或无线方式远程控制关键生产设备,监测其工况,利用割煤设备(刨煤机或采煤机)的自主定位与自动导航技术、煤岩自动识别技术、液压支架电液控制技术、刮板输送机自动推移技术、工作面自动监控监测技术、井下高速双向通讯技术和计算机集中控制技术等自动完成割煤、移架、移刮板输送机、放煤和顶板支护等生产流程,动态优化作业程序,实现工作面生产过程自动化、采煤工艺智能化、工作面管理信息化以及操作的无人化,从而确保高产、高效和安全生产。
绿色开采技术就是考虑环境保护的煤炭开采技术[5-7]。对生态脆弱地区煤矿绿色开采应得到特别关注。
开采破坏了原来的岩体平衡,引起地面沉降,又直接影响地下水系。开采是一次对地下水的疏干过程,造成大量水土流失,对缺水的干旱地区生态影响较大。全国96个重点矿区中,缺水矿区占71%。为此近期提出的开采重要技术原则之一应该是使“单位资源采出量的环境损失为最小”。
采矿最大的破坏是地面环境和地下水系。对村庄和建筑物的保护可依靠充填和条带开采解决;而对大量破坏的农田则需依靠复垦解决,由此必须在矿区全面实现“开采-充填-复垦”体系。
充填(条带)开采是对岩层扰动最小的控制技术,是应该扩大使用的绿色开采技术。有人提出,生态脆弱和人口稠密区应实行“无塌陷开采”,即充填(条带)开采技术。在利用条带开采时,为了提高资源回收,可利用充填采出条带。
目前发展了矸石、膏体和超高水充填技术以置换煤炭。将来还可以在一些地区发展用沙漠中的沙置换煤炭。充填开采技术推广的主要阻力是成本,因此应解决如何降低材料成本,同时应研究以最小的充填量达到岩层控制的目的。
根据岩层特性,开采对地下水的影响可以分为以下情况:
(1)开采没有破坏地下水系(如大部分南方和华东地区),此时地面环境可采用复垦解决。由此形成“开采—充填(建筑物下)—复垦”技术体系。
(2)如果开采破坏了地下水系,如富煤的鄂尔多斯地区和陕北榆林地区,部分集水的沟谷地区是长时期地质变动形成的,是以地下水和砂层潜水径流补给网为基础的生态区域。这种生态与地形地貌及地层岩性构造密切相关。受地形地貌控制,地下水以渗流的形式排泄于沟谷。因此形成了该地区居民依赖的生态“潜水渗流补给—沟谷网”。开采引起的岩层松动和地貌改变,必然改变潜水流场,破坏了补给网,从而影响沟谷的水量,甚至枯竭,最终破坏该地区的生态。
榆林地区张家峁井田内原来有115处泉水,采煤后102处干涸,总流量衰减95.8%;神木北部一带湖淖数量由开发前的869处减少到2008年的79处。显然在这些地区开采必须实行“无塌陷开采”,否则大规模开采形成的环境损失将无法弥补。
目前正在研究与实践各种保护生态的开采技术。显然,在无法实现保护水资源时应该限制大规模开采,或者采用避免沉降的条带开采,而条带则留待将来采用充填置换。
(3)对中间状态需要进行评估和采用适当的开采措施。开采导致上覆岩层松动,地下水将渗入采空区,根据开采导致岩层的裂隙容量决定地下水位下降程度。随着雨水和周围的补给,隔水层的再生,水位经过相当时间有可能恢复。此时应进一步评估开采对环境的暂时影响以及可能采取的措施。
在水资源贫乏地区,应该研究开采后可能引起的上覆岩层水文地质变化。隔水层的破坏与重新恢复(充填等技术)的可能性。以及再造隔水层的可能。在没有隔水层或者无法修复条件下,应该考虑避免地下水的全部流失,将其保存和再利用。在上述条件都不能满足时应定为暂不可采资源。
显然,在这些问题没有得到成熟解决以前,大规模开采是不合适的。
瓦斯是比二氧化碳浓度高20倍的温室气体,治理不妥是开采煤炭过程中重大的安全隐患。同时,瓦斯也是与煤炭伴生的清洁能源,目前我国已探明储量达31.46万亿立方米,相当于天然气储量。近期正在逐步形成相应的开采和利用技术。
高透气性煤层可采用地面钻井抽采瓦斯技术,如晋城煤业集团;而面对大量的低透气性煤层,由于瓦斯是吸附在煤炭上,吸附量占90%,游离瓦斯不到10%。吸附瓦斯难于采集,只有降低应力才能使吸附变成游离瓦斯。因此,可以利用井下开采工程改变顺序造成应力释放以抽采瓦斯(例如保护层开采),为此形成了井下“煤与瓦斯共采”技术,这种技术在淮南矿业集团得到成功应用。但全面推广还需发展使瓦斯广泛应用的提纯技术,进一步降低成本、确定使用范围和形成规范与技术标准。
所谓低碳运行就是充分利用矿井开采的物质资源与能源资源,达到节能和提高资源利用率,实现矿井的节能减排,降低矿井吨煤生产综合能耗,实现矿区低碳发展。主要包括矿井地热资源利用、矿井残余煤柱或低热值煤炭地下气化、矿井大型设备的节能降耗技术、减少温室气体排放(如矿井回风井乏风中低浓度CH4的回收利用技术、坑口燃煤发电厂CO2捕集与井下填埋技术)等。
上述低碳运行技术发展的前景非常广阔。如以矿井地热利用为例,煤矿井下开采的特殊环境,形成了井下相对恒温层地热源,一方面较高的地温会恶化井下工人劳动环境,同时也是煤矿的一大资源。矿井回风温度常年大体保持恒定,其中蕴藏大量的热能,可利用回风源热泵对热能进行回收利用。该项技术在冀中能源梧桐庄矿得到应用,取消了锅炉房,每年节约标准煤2万余吨[8]。
由于管理上的努力和机械化开采的进展,煤炭百万吨死亡率由2005年产能21亿吨死亡近6000人,百万吨死亡率为2.836,到2010年产能增至近32亿吨,死亡降至2433人,百万吨死亡率降至0.749,取得不少成绩。图2表示了2002—2010年我国煤矿死亡人数和百万吨死亡率降低情况。但由于与国际安全指标的差距,煤矿安全仍然是实现科学采矿需要解决的难题。图3表明了2004年国有重点、地方和乡镇煤矿的安全状况,显然当时的乡镇煤矿不具备安全生产的能力,它们的发展是以安全为代价的。图4表示2003—2007年各种事故的比例,其中瓦斯和顶板事故最为突出。大部分事故与机械化程度低、高瓦斯和高应力场有关。
机械化开采是安全生产的主题。近期由于机械化装备的进展使高产高效矿井发展迅速,表1列出了近几年我国高产高效矿井产量及安全情况,其中2002年高效矿井产量占总产量的1/4,百万吨死亡率为0.082,2007年高效矿井产量占总产量已接近1/3,百万吨死亡率为0.04。按百万吨死亡率0.04作为国际先进标准,2007年我国煤炭仅有1/ 3的产能是科学的。
但机械化受开采地质条件限制,乡镇煤矿(由于产量小)和复杂地质煤矿(如南方十多个省)生产方式落后,没有相应的机械化手段,也没有科研人员进行研究,难以实现机械化生产。因此高产高效矿井主要集中在晋陕蒙宁和华东地质条件较好的地区,而华南地区极少,表2列出了2007年全国不同省份高产高效矿井的安全生产情况。
据统计,全国现有生产煤矿中,综合机械化的煤矿715处,仅占5.27%;高档普采和普采(部分机械化)为363处,占2.67%;而非机械化的炮采11118处、手工采煤1384处,为绝对多数,各占81.87%和10.19%。因此要完成全部机械化开采还任重而道远。
表1 近几年全国高产高效矿井产量及安全情况
表2 2007年全国分区高产高效矿井安全生产情况
当前对由于采动引起高地应力动力现象(冲击地压、煤与瓦斯突出或涌出和煤矿底板突水等问题)的探测与预防技术可靠度仍然很低。
深部开采高应力导致巷道难以维护、冲击地压频繁、高瓦斯煤层的瓦斯由于应力得不到释放难以抽采、井下突水常常与开采引起的应力场改变有密切关系,难以控制。很多国家(包括技术先进国家)对这样的矿井都放弃开采,留待以后解决。
南方9省地质条件差,而且很多地区是高地应力和高瓦斯,安全生产难以保证。表3列举了2003—2008年南方9省和北方9省煤矿死亡人数和百万吨死亡率的对比情况。
表3 南方9省与北方9省安全生产情况比较
未来东部地区矿井向千米以下延深,由采动引起高地应力的动力灾难将是东部地区产能的主要约束因素。
影响百万吨死亡率的经济因素是安全成本(投入)是否到位。很多矿井为了获取利润常常影响安全的投入,因此在发生事故后常常可以听到安全欠账之说。
管理对安全生产无疑特别重要。但必须是对矿井安全生产条件、科技对安全的控制能力的综合评估和经济发展需求达到最优配置,由此确定企业进入的门槛。对科技能力难以控制或者科技解决的可靠度很低的矿井要限制开采。例如南方煤矿由于条件和科技能力影响应该进一步减少产量,需要的煤炭可以由北方提供或考虑进口解决。
根据统计来看近10年百万吨死亡率的递减情况(参见图2),显然,若维持原有的生产条件,管理的潜力已经很小。
根据 “十二五”规划产能可能大量向晋陕蒙地区集中,而南方与东部的产量比例进一步缩小。经过整合提高进入门槛和大基地的形成,有可能逐步形成高度机械化的特大型矿井群,开采安全生产条件会得到进一步改善,按照近期这些地区的安全生产记录,可使全国煤矿百万吨死亡率进一步下降,到“十二五”末可期望降至0.5以下,甚至达到0.3。但是死亡人数仍然过多,与我国在世界的经济地位不相称。由于产能向大型矿井集中,分散的伤亡数将会减少,但有关高瓦斯高应力的科技没有得到解决,大型煤矿形成的突发性事故仍然难以避免,必然还将使社会难以承受。
因此,当能源需求产能的科技和经济条件都不能到位时,管理并不是控制安全的万能手段。科技和人才的投入才是永恒的主题。
由科学采矿进而提出了科学产能理念,科学产能应该是指:“在持续发展的储量条件下,具有与环境容量相匹配和相应的安全及保护环境的技术,将资源最大限度高效采出的能力”。显然,产能必须与科技能力匹配,否则将危及安全和环境,只有提升科技能力才有可能提高科学产能。
由市场经济形成的管理模式必然使企业以市场为导向,以追求利润为目的。煤炭企业和地方政府就可能利用行业的负外部性形成不完全成本,将内部成本转化为社会成本,导致安全投入严重不足、开采破坏环境、资源浪费等问题。由于产能违背了科学发展,受到了社会责难,也因此使行业付出了巨大的社会(声誉)成本,最终必然损害行业自身的利益。煤炭开采的负外部性主要表现在:
(1)资源的天赋性——赋存的煤质与沉积条件密切相关,而与科技投入无关,物流成本决定于区位,企业无法选择,有的企业物流成本已经超过开采成本。天赋条件的差别影响企业应有的投入,也影响企业间公平竞争。
(2)煤炭是大自然赋予的稀缺资源,而资源又由于易于取得而难以定价,导致无偿或廉价使用,过度开发,不被人们所珍惜。
(3)采矿是从环境中获取资源,必然破坏原有的环境平衡,而难以作出补偿,最后必然导致产出地为环境付出巨大代价。
(4)安全难以控制,百万吨死亡率是衡量煤矿安全的重要指标。而且煤矿工人工作环境恶劣,加上经济收入低,行业社会地位低下,影响身心健康,人才难以聚集。
由于煤炭在利用过程中超越了环境容量,由此对煤炭能源引起争议。应该说煤炭在环境容量内使用是洁净而且低成本的能源。而环境容量又受多个因素约束,而这些约束的解决需要依靠科技进步。只有形成与产能相适应的煤炭科学开采和利用的技术,在环境容量和安全允许范围内开采和利用煤炭,才能彻底改变煤炭行业形象。届时煤炭仍然是我国不可或缺的重要能源和资源。
按照可再生能源发展的情况预测,在低碳和强化低碳情景下,2050年煤炭的需求将可以维持在25~30亿吨,仍然占能源总量的34%~38%。而2010年煤炭的实际产量已达到32亿吨。在可再生能源还未形成规模前,能源供给仍然要依靠煤炭,有关部门预测“十二五”末煤炭需求可能突破40亿吨。
我国煤炭储量分布是北方占90%,而且65%集中分布在晋陕蒙三省(区)交界地区;南方占10%,集中分布在贵州和云南省(占南方区的77%);而东部由于历史上高强度开发仅剩余799.94亿t(为全国资源量的7%)。
如按40亿吨产能分配,情况为:
(1)晋、蒙、新、宁、陕、甘6省,产能可能达到30亿吨(75%),但其水资源总量仅占全国的8.3%,生态十分脆弱。其中,山西为10亿吨;陕西为5亿吨(主要在榆林地区);内蒙为10亿吨(鄂尔多斯地区5~6亿吨);宁甘青地区为2亿吨;新疆为2.5亿吨。
(2)东部矿区产能4.86亿吨(12%),但大部分井深达到千米,属于安全难以控制的区域;而南方地质复杂,多属于高应力和高瓦斯地区,产能4.12亿吨(10%);东北的产能为1.6亿吨。
面对未来能源对晋陕蒙宁地区如此大规模的煤炭需求,要实现科学采能,环境容量如何?能否解决对生态脆弱地区的环境保护?由于没有先例可以借鉴,按照目前的能力回答是否定的。以山西为例,每年的产量占全国的1/4,但由于经济和技术原因,开采使产出地环境日益恶化。再加上在地质复杂、高应力和高瓦斯区域难以实现安全生产,解决不好社会将难以承受,从而又将会受到社会的进一步责难。
完全成本是科学采矿的经济基础。所谓完全成本是指人们科学开发合理利用煤炭资源所付出的各种成本的总和,是全社会为煤炭资源利用而付出的真实成本。按照科学采矿的要求,就是将采矿的外部成本内部化,社会成本企业化,其完全成本应包括资源成本、生产成本、安全成本、环境成本和发展成本[9]。
由于采矿在环境与安全上的负外部性,导致形成不完全成本。其程度随着开采条件和企业区位不同而存在很大差别,由此影响内部成本向社会成本转化的数量。实现煤炭完全成本的难度是:
(1)资源、安全(以人为本)和资源产出地环境损失(尤其是舒适型环境资源)难以量化评估。产出地环境损失得不到补偿,导致产量(超过环境容量)越大环境的隐形损失越大。
(2)这类成本存在很大的弹性和相对性。
(3)企业以赢利为目的,而面对很大的开采和区位条件差异。行业内部对不公平竞争又缺乏协调管理,由此制约企业成本的合理投入。
(4)完全成本的实现必将影响煤炭价格及有关领域的经济关系。
德国开采条件与我国大部分地区相似。在德国,开采1吨煤成本高达120~150欧元(人民币1000~1500元),除了高工资外,其它都用在改善工人劳动环境、安全生产条件和环境保护上。
显然,要实行以人为本,使矿工达到体面而又有尊严的劳动(改善工作环境)、保护产出地环境和资源、建立行业对社会的信誉,还需要在科技、经济与管理上作出努力。
我国开采成本与德国相去甚远。因此,如何使企业既要赢利又不受社会责难?完全成本是保护环境和安全生产的经济基础。也意味着科学采矿的实现。
市场经济是利益的博弈,煤炭企业的经济效益受开采条件、煤质和区位的影响很大,由于缺乏行业协调与管理,从而形成不公平竞争,由此导致开采条件好的企业大量盈利,而开采条件差的企业必然以减少应有的投入弥补可能出现的亏损。煤矿工人是社会的弱势群体,他们的劳动应该受到尊重。事实上煤矿工人要达到体面而又有尊严的劳动还需要作出巨大的投入和努力(我国每年煤矿工人患尘肺病和死亡人数更为惊人。因此改善矿工的工作环境更为重要)。负责任的企业在获得经济效益的同时对产出地造成的环境破坏加以修复,而且着力于改善矿工的劳动条件,提高矿工的安全生产可靠性和合理收入,帮助矿工生活的产出地由资源优势变成经济优势。
目前有一部分企业在获得了经济效益后,为了追求更多利润,在企业自身生产和安全科技问题没有解决的情况下延长产业链,但又缺乏风险评估、技术与信息优势和行业协调,几乎很难盈利。由此使煤矿辛苦获得的利润,在行业自身问题没有得到解决的情况下,资金外流,形成“以煤养其他行业”的格局。
据报道,全国规模以上煤炭企业实现年利润总额达到数千亿元,事实上造成行业经济状态的假象。这些利润显然与不完全成本和有些企业的区位和优越的开采条件有关。而另一方面矿工的安全生产保证条件、劳动环境和收入在行业排行上仍然是处于劣势状态。而且越是条件困难的矿区,矿工的经济条件越差。显然,煤炭行业应该用科学发展观研究资源经济,以协调企业、需求、社会和地方经济的关系,促进行业健康发展。
1.制约我国经济发展的突出瓶颈是能源。煤炭仍然是我国的基础能源,为了适应国民经济需求,必须以科学发展观审视煤炭工业,由于煤炭在能源中的地位,全社会必须在科技、经济和管理尤其是科技能力上给以足够的重视,保证行业的健康发展。
2.煤炭开采业是直接从自然界获取产品,因此对环境有很大破坏作用,煤矿作业安全又难以控制。在利用过程中若超越环境容量,将对社会造成巨大负面影响。因此产能的确定必须以满足实现安全生产和环境容量为前提。
3.为了实现煤炭工业的健康发展,近期煤炭行业在科学采矿方面作出了巨大的努力。形成了部分绿色开采和安全生产技术,但由于地区生产成本的制约并没有改变整体对环境破坏和安全生产的状况。不久的将来在晋陕蒙宁生态十分脆弱区域内,将集中30亿吨产能,如此高的开发强度,若不能做到资源与环境协调开采,造成的环境损失将难以估量。煤炭行业将受到社会进一步的责难。
4.根据未来经济发展对煤炭能源的需求,产能将进一步向晋陕蒙宁地区集中。由于向大型煤矿高度机械化发展,全国安全有望进一步好转,但采动引起高应力的动力事故的预防仍然是科技的难点。科技是第一生产力,加强投入和集中人才不断提高并完善安全科技水平和环境保护能力是行业永恒的主题。另外,必须不断理顺行业“经济—科技—管理”的关系,使行业健康发展。
5.为了使煤炭行业科学发展,人才是关键!必须培养出一支强大的懂得科技、经济和管理队伍。因此,必须改变行业的形象,凝聚社会的人才来为我国的基础能源服务。
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[2]钱鸣高,缪协兴,许家林等.论科学采矿[J].采矿与安全工程学报,2008,25(1):1-10.
[3]钱鸣高,许家林.煤炭工业发展面临几个问题的讨论[J].采矿与安全工程学报,2006,23(2):127-132.
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[7]Xu Jialin,Zhu weibin,Lai Wenqi;etc.Green Mining Techniques in the Coal Mines of China[J].Journal of Mines,Metals &Fuels,2004,52(12):395-398.
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Concept and Technical Framework of Sustainable Mining
QIAN Ming-gao,XU Jia-lin
(School of Mining Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)
Coal is the basic energy of China.It is an important project to scientifically develop the coal industry,which plays a key role in the national economy and social developments.The idea of sustainable mining was proposed to deal with the problems that threaten the coal mining in the aspects of safety,environment and economy.This paper introduces the concept and technical framework of sustainable mining.
modern mines;sustainable mining;scientific productivity;full cost
TD821
A
1009-105X(2011)03-0001-7
2011-06-26
钱鸣高(1933-),男,教授,博士生导师,中国工程院院士。