科学采矿（钱鸣高院士报告）.doc

1 煤炭与主体能源需要与可能1.1 煤炭在我国能源的地位根据我国能源资源状况，2005年能源结构是：煤占69.6%石油和天然气占23.8%水电和核电为6.6%。制约我国经济发展的突出瓶颈是能源。 2002年我国煤炭探明储量为1145亿吨，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展，煤炭一直是在超能力生产，06年生产23.25亿吨。 占世界1/3（35.5%）强。有关专家预测到2010年产量25亿吨，2020年30亿吨2050年煤炭在能源中的比重仍要达到50%，但主要将依靠生态脆弱运输成本高的中西部地区。我国常规可采石油总资源114.9亿吨，居世界第9位，人均为第41位。天然气累计探明可采储量2.56万亿立方米，居世界第17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1.8亿吨左右不会有太大的变化。至2020年缺口达到3亿吨(对外依赖达60%)。可再生能源，已是发展的必然趋势，但由于可再生能源能源密度低（除了水能）调整成本高(例如接近商业运行的1Kw的装备机容量风电是火电的3倍），目前只是在试验阶段，因而近期一个相当时期内还不能取代化石燃料。1.2 存在的问题主观上-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，而且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的采出煤炭而又保证安全和保护环境的开采技术-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。从煤炭利用方面能否实现保护环境的科学利用?安全状况-2006年百万吨死亡率 2.81其中国有重点0.96，乡镇煤矿5.53( 世界平均水平0.3以下)；资源回收率- 仅为 30%，其中乡镇煤矿10%；环境保护- 水资源和农田的破坏、矸石和废气的无序排放。减量化、资源化和再利用等循环经济刚刚开始。人均年产值-矿山从业人员人均为14万元/年，其中油气人均46万元/年，有色、黑色为15万元/年，而煤炭由于机械化水平低，仅为8-9万元/年。资源城市难以转化为经济城市。煤炭燃烧形成碳排放问题的解决已迫在眉睫。由于煤炭产量和消费已超过世界的1/3，再加上开采条件的复杂和国情的不同，哪些是科技问题?哪些是管理问题?值得采矿工作者以创新的思维刻苦地去解决!1.3 国家对煤炭工业发展的要求2005年6月7日发表了国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意见涉及煤炭工业的方方面面：若干意见的指导思想提到：煤炭工业要全面落实科学发展观坚持依靠科技进步走资源利用率高、安全有保障、经济效益好、环境污染少和可持续的煤炭工业发展道路。在发展目标中指出，从2005年起。用35年时间，建立规范的煤炭资源开发秩序。大型煤炭基地建设初见成效，形成若干个亿吨级生产能力的大型煤炭企业和企业集团。煤矿安全基础条件有较大改善，煤矿瓦斯得到有效冶理，重特大事故多发的势头得到有效遏制，煤矿安全生产形势明显好转，矿区生态环境恶化的趋势初步得到控制。再用5年左右时间，形成以合理保护、强化节约为重点的资源开发监管体系、以大型煤炭基地和大型煤炭企业集团为主体的煤炭供给体系、以强化管理和投入为重点先进技术为支撑的安全生产保障体系、以煤炭加工转化、资源综合利用和矿山环境治理为核心的循环经济体系、以（中华人民共和国煤炭法）和（中华人民共和国矿产资源法）为基础的法规政策调控体系。2 煤炭开采的负外部性2.1 一般产业的生产过程 2.2 煤炭开采具有明显的负外部性经济学提出市场失灵的一种表现是外部性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。煤炭产业特点：（1）产品是自然资源-煤炭开采业是直接从自然界获取产品(是自然资源)，为后续能源和加工制造业提供原料的第一次产业。而煤炭质量(发热量、灰份、含硫量等)决定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。 开采技术与赋存状况不同开采所采用的科技含量会有很大差别。由此可见开采技术与所开采对象的难度和数量有关，而与煤炭质量和与其相关的市场价格关系不大。（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。采矿将直接构成对亿万年来自然力作用形成环境的破坏。采矿会引起地面沉陷和岩层移动；破坏水系，会排出大量矸石和有害气体， 等废弃物。由于各地区生态环境的差别，保护开，后的环境费用(外部成本)也不同。显然这些费用应纳入成本。(3)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间。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。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36，地质构造简单的煤矿只占23；水文地质条件复杂或极其复杂的煤矿占27，属于简单的只占34。根据煤炭产业特点煤炭企业管理首先遇到的问题是：为实现科学开采所支付的总费用为完全成本。由于采出煤炭的成本仅占一部分，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，使内部成本外部化形成不完全成本和低廉的价格。同时也使资源输出地经济得不到发展而成为资源陷阱。由于煤炭产业的特点，导致有些企业可能采取对环境和安全投入不足以不完全成本来对付相应的低价格来换取利润。如乡镇煤矿和经济状况差的国有煤矿(为了生存)， 就采取以牺牲安全、环境而获得低成本（如55元/t和高死亡率)，从而将内部成本转化为社会成本，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。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。而且具备各类开采条件，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：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 煤炭生产机械化煤炭开采机械化是企业健康发展的重要标志，在市场经济条件下机械化用机械代替人力说明在获取同样效应益情况下机械的投入成本要低于人力。同时也说明人力地位的提高。 高度机械化的矿井，劳动成本仅占2-3%， 中等可达12-16%。差的占30%以上。由于井下的工作环境， 机械化可降低百万吨死亡率。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：机械化程度和装备水平越低，安全情况越差。如：机械化程度 % 百万吨死亡率 40 5 60 2 80 1n 全国平均采煤机械化程度仅45%，国有重点为82。72%，乡镇煤矿几乎没有机械化开采，全国约有200万以上的矿工还在从事手工采煤。n 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n 全国极少数矿井已建成世界一流的高产高效矿井， 05年为197处产量6。3亿吨的高产高效矿井百万吨死亡率0。4。为煤炭工业作出了榜样。n （1）神东矿区2005年产量达1亿吨，职工总数7500人，全员工效119吨/工是美国平均水平41。73吨/工的2。5倍，是国有重点煤矿3。739吨/工的31倍，矿井控制系统实现了自动化。百万吨死亡率为0。0116。 n （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。如兖州东滩煤矿将年产原煤800万t，一井一放顶煤工作面，年产600万t，回采工效300 t /工，原煤生产工效18-20 t/工的现代化矿井。潞安王庄煤矿4326放顶煤工作面，最高月产量达35。3 万t。潞安矿业集团，2003年产量1700万t，原煤生产工效13 。 484 t/工。n (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DBT公司生产的刨煤机和电液控制系统。在煤厚1。5m时平均日产3712t最高达6480t，生产能力可达120-150万t/a。它也是实现薄煤层无人工作面开采的前奏。n 枣庄田陈煤矿用国产综采设备开采1。1m的煤层，最高日产达3504t，基本达到了年产百万吨的能力。n 新汶对薄煤层进行了钻采法试验，取得一定成效。n (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。n (5)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)的-无人工作面开采技术。3。1。2 乡镇煤矿面临发展机遇必须抛弃落后生产方式n 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。由于利益驱动地方也不愿意将资源出让给管理好机械化程度高的国有煤矿。 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机械与我国复杂地质条件相匹配。 n 由于能源需求发展一定量小煤矿，但必须有有效管理办法，使其实行科学采矿，并做出健康发展 的示范。n 目前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n 3。认识、理念、基础和原则：n 1)认识：n (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。n (2)环境容量-环境通过各种各样过程转化人类生产和消费产生废弃物的能力称为环境的自净能力。n 2)理念：n 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：开采后的岩体运动造成应力的再分布和能量集中，导致环境破坏，因此研究开采后岩层运动规律是实现部分安全问题和保护矿区环境的基础。岩体采动形成离层和裂隙场地表沉陷建筑物下充填,土地复垦等应力场改变,形成应力集中区及其对结构面的作用瓦斯向离层区、采空区和工作面涌出冲击地压与动力现象工作面和巷道维护改变地下水的分布与流向岩层结构与关键层运动n 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。n 即：如何在损害环境最小的状态下取得最大量的资源：n 即 ( 环境损害/单位资源) 最小n 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。n 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模式n 要实现资源与环境协调（绿色）开采，其技术途径有：n （1）实施保水开采技术进行水资源保护；n （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-土地复垦； n （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）；n （4）全面实施瓦斯抽采实现煤与瓦斯共采技术；n （5）地下气化技术。3。2。3瓦斯(煤层气)抽采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受采动形成的裂隙场采集释放的瓦斯是最经济而有效的办法。n 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。n 瓦斯是能源-1m3瓦斯的发热量为35。6MJ，相当于1。2Kg标煤，可发电3-3。5Kwh。在陆上烟煤和无烟煤田中，埋深在300-2000米范围内的资源有31。46万亿立方米，相当于天然气储量。 n 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-瓦斯不同于天然气，大部分吸附于煤炭(80-90%)， 游离瓦斯仅占5-12%。大部分煤层透气性低(0。005-0。1m2/mpa2。d)很难抽离。以瓦斯含量20m3/t煤计，相当于1000Kg中含有24Kg标煤，全部发电价值仅为30-50元的伴生物，比吨煤的价值低几十倍。n 2)治理和利用瓦斯的科学技术难点：n 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，形成解吸或脱，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CO2使瓦斯抽采量提高。有时产量可以增加十倍。但CO2对采煤有什么影响? n 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。 因此低浓度瓦斯的利用和提纯就成为关键技术。目前在四方面进行研究：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260万，日产气仅仅两千立方米，抽采半径小。一口天然气井日产量可达数百万立方米，煤层气水平井在晋城也仅为2-3万立方米/日。 地面采气40亿立方米，投资120亿(3元/立方米) 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(0。005-0。1m2/mpa2。d)(1m2/mpa2。d相当0。025毫达西)，按照美国标准地面抽采瓦斯时煤层透气性不得低于0。987毫达西。n 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： 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。采气15亿立方米，投资仅为9亿(0。6元/立方米，是地面采气的1/5)，而且风险小。n 以德国为例(煤与瓦斯共采)：n 从瓦斯对安全和环境的影响，矿井煤与瓦斯共采技术主要包括：生产矿井抽采;通风井回收和报废矿井回收。n 瓦斯抽采：据1998年统计，德国全年煤矿瓦斯产量达710 亿立方米，其中：n 生产矿井抽采3 。72亿立方米(36。5%)，n 通风井回收4。67亿立方米(45。8%)，n 报废矿井回收18亿立方米(17。6%)n 实质上包含了煤与瓦斯共采的三项技术。由表可知CH4的排放量是CO2的1。7%，而且固体废弃物排放的CH4只占总CH4排放的1。89%。大量是由沼泽地稻田和生物体腐败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、流动和对水资源和环境、生态等带来的影响。 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70%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。若干意见中第十条就提到大型煤炭基地建设要与煤炭外运和水资源等条件相衍接n 据山西报道采1吨煤要破坏2。5吨水?但也有另一方面的报道。显然，需要进一步研究。山西晋祠泉 晋祠泉域基本包括整个西山煤田，据不完全统计，在泉域内分布的煤矿共有392座，开采能力382275万吨a，总排水量达206817万m3a。随着煤炭及地下水的不断开采，泉水流量逐渐减少，于1994年5月断流。见图。 晋祠泉1954-1994年流量过程曲线图n 开采对水资源的影响随地区和上覆岩层隔水特性而异：n 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;n 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;n 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。n （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。n （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。也就是开采对隔水带的破坏与重新恢复的条件。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。n （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 减沉技术科学问题减沉技术是力学研究的范围， 长时间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。随着岩层运动中关键层作用的提出力学解已成为可能。n 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-条带与充填开采解决。n 建筑物下条带(充填)开采设计的原则是：n 构建条带煤柱(充填) -上覆岩层-主关键层结构体系。n 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，保证覆岩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， 因此利用矸石和其他废弃物充填来置换煤炭势在必行。n 4月29日，济宁太平煤矿进行了三下厚煤层高采出率膏体充填开采技术试验，以求得实现土地不塌陷、不迁村采煤。预计增加煤炭成本45元/吨左右。n 9月，新汶孙村煤矿采用生产的废弃物煤矸石为骨料，配合粉煤灰和水泥为添加物形成充填材料，利用充填物替换井下保留的煤柱，充填能力80-100 m3/h，矿浆浓度为72%。n 枣庄集团为了解决6。23亿吨的三下压煤， 蒋庄矿完成了不迁村膏体充填开采技术方案论证报告。 采用条带配合充填开采，回采率可提高近50%。以解决矸石和减少村庄搬迁等费用。n 膏体充填关键是材料和成本，因此，应该研究使用条件和如何用最低的成本以换取最大的利益。n 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。n 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，随之而来是如何应用矸石充填来置换煤炭，涉及到控制矸石充填密实度以适应各类地面的控制技术和煤柱的稳定性等问题。n 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。生成二氧化硫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。n 值得提出的是最近邢台矿业集团，邢东矿为了矸石不上井，用矸石在井下直接充填废旧巷。他们于2004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， 在煤矿井下矸石处理。 对形成绿色矿山有重大意义。n 山东新矿集团翟镇煤矿每年矸石充填量达10万立方米有效地降低了地面塌陷。多回收煤炭50余万吨。n 孙村煤矿将多年堆积存放风化的煤矸石、粉煤灰与水泥等材料按比例搅拌成浆，从地面通过钻孔和管道输送到井下充填采场，快速凝固后支撑岩层。n 盛泉矿形成原生矸石充填与开采一体化技术，实现矸石不上井。 n 泉沟矿将井下产生的矸石全部充填到采空区，煤矸石在入选后将矸石运回井下进行充填，实现地面矸石零堆放n 淄博许厂矿完成了建下条采保护煤柱矸石置换开采综合技术的试验。n 兖州-n 认识n 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n 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。n 不仅要形成各项技术而且要估算其在成本中的比例n 认识n 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n 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。n 不仅要形成各项技术而且要估算其在成本中的比例3。3，煤矿安全生产乡镇煤矿占总死亡人数的70%，国有地方占15%，国有重点占15%。顶板与瓦斯事故死亡人数约占总死亡人数的70%左右，死亡人数中：乡镇煤矿占70%以上，国有地方和国有重点各占1%以上，其中瓦斯事故国有重点较大2005年瓦斯死亡2157人，冒顶1995人，水害593人，运输559人。2006年死亡4746人，百万吨死亡率为2。04，比05年下降27。4%地质条件差(瓦斯与地应力复杂),经济状况不好,很易引发大事故全国高产高效矿井177处(含瓦斯大的矿井)产量5.6亿吨,百万吨死亡率0.06全国乡镇煤矿产煤为总产量的39%,死亡4263人占全国的70%,百万吨死亡落率为6国有煤矿产量占61%,死亡1746人百万吨死亡率为1.4南方十省产煤近2亿的吨,死亡3000人,占全国的1/2,百万吨死亡率为152004年全国20亿吨,死亡6000人,百万吨死亡率3人安全为天，以人为本。 我国产量占世界1/3，但死亡人数占80%。百万吨死亡率应该降低到世界平均水平 易控不安全因素-目前面对大量的死亡事故是冒顶事故，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。 因此对这类矿井必须开发有关的