“黑科技”讓采礦行業(yè)綠色化

鄭挺穎 季江云 王猛

說起煤礦的開采，許多讀者會聯(lián)想到“黑色”，如安全事故、塌方、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，以及后續(xù)的尾礦污染、地表塌陷等問題。但是，煤炭是我國的主體能源，我國的煤炭開采和利用還將持續(xù)很長時(shí)間?？上驳氖?，煤炭行業(yè)近年來也在向“綠色礦山”積極轉(zhuǎn)型。近日，《環(huán)境與生活》雜志記者采訪了中國煤炭地質(zhì)總局副局長潘樹仁，聽他講了不少采礦行業(yè)綠色化的“黑科技”。

7月8日下午，《環(huán)境與生活》雜志記者來到北京西客站附近的中國煤炭地質(zhì)總局，見到了潘樹仁副局長。記者一進(jìn)辦公室，就被墻上的一幅地圖所吸引，因?yàn)樗炔皇浅Ｒ姷闹袊姓^(qū)劃圖，也不是地形圖，而是中國地質(zhì)地圖?！吧咸烊菀兹氲仉y”，潘樹仁副局長就從我國的地層、地震帶以及主要礦產(chǎn)資源分布情況開始談起，介紹了煤炭領(lǐng)域是如何投身生態(tài)文明建設(shè)大潮的。

全生命周期的綠色資源理念

在中國煤炭地質(zhì)總局的官網(wǎng)上，“實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動，打造具有核心競爭力的世界一流的地質(zhì)與生態(tài)文明企業(yè)建設(shè)集團(tuán)”的標(biāo)語非常醒目。

潘樹仁副局長首先介紹了他對 “綠色礦山”的理解。他認(rèn)為，“綠色礦山”其實(shí)不局限于采礦這個環(huán)節(jié)，而是“全生命周期的綠色資源”理念，它包括礦產(chǎn)的綠色勘查、綠色開采、清潔利用以及恢復(fù)綠色四大環(huán)節(jié)，在每一個環(huán)節(jié)都務(wù)必做到綠色和環(huán)境友好。

潘樹仁說，近年來中國煤炭地質(zhì)總局一直致力于打造生態(tài)文明建設(shè)的國家隊(duì)和主力軍，著力開展煤系礦產(chǎn)資源的綠色協(xié)同勘查開發(fā)、新型能源為主的清潔能源開發(fā)利用、礦山固體廢棄物無害化處理、礦井水減排等礦山綠色安全生產(chǎn)地質(zhì)保障，以及以土壤和地下水污染治理為主的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)地質(zhì)技術(shù)服務(wù)等。

新型注漿技術(shù)防采空區(qū)塌陷

潘樹仁說，傳統(tǒng)意義上的采礦就是通過礦井和巷道，采挖礦石轉(zhuǎn)運(yùn)至地面處理，久而久之會在地下形成采空區(qū)，容易引發(fā)地面塌陷，帶來人員和財(cái)產(chǎn)損失。因而防止地面塌陷就是諸多采礦企業(yè)繞不開的難點(diǎn)。

就拿煤礦開采來說，煤炭被采挖運(yùn)出后形成采空區(qū)，上面的巖層因缺少支撐就會下沉，積少成多，就容易引發(fā)地表塌陷。

潘樹仁介紹，利用“新型覆巖離層注漿技術(shù)”，可有效解決這種因采礦可能引發(fā)的地表塌陷問題，具體方法就是通過地表鉆孔至“離層”并注漿來繼續(xù)支撐上覆巖層，所謂“離層”就是指采空區(qū)上覆巖層因其強(qiáng)度不同發(fā)生差異沉降而產(chǎn)生的空間?！斑@種注漿的材料都是廢棄物回收利用，其主要來源是煤礦本身廢棄的煤矸石、礦井水、煤泥和發(fā)電廠廢棄的粉煤灰以及煤化工廢棄煤渣，再配以添加劑，經(jīng)過精確的配比和濃度、壓力等參數(shù)測算后，注入離層，凝固硬化后支撐上覆巖層?！?/p>

潘樹仁副局長說，“新型覆巖離層注漿技術(shù)”不僅能用于老舊礦山的減沉修復(fù)，更廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)礦山，“比如河北、山西等煤炭資源開發(fā)強(qiáng)度較大的地區(qū)，因資源開發(fā)時(shí)未實(shí)施減沉處理，多年后資源采完，地表塌陷，再做礦坑修復(fù)，可能修復(fù)所用的錢比賣煤賺的錢都多。踐行‘綠色礦山’理念，就要終止這種惡性循環(huán)，通過向巖層注漿維持其原來應(yīng)力，確保不發(fā)生沉降塌陷的情況下，實(shí)現(xiàn)安全開采。同樣，在高速公路、鐵路、輸電設(shè)施等壓覆下的煤炭資源，也可以利用這種注漿技術(shù)解放資源?！?/p>

那么，這種新技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本是否能接受，潘樹仁透露：“這種技術(shù)非常經(jīng)濟(jì)，每噸煤的成本增加不超過50塊錢，目前在山西長治潞安集團(tuán)的夏店煤礦已經(jīng)成功運(yùn)用，效果非常好?！?/p>

入地五千米 利用干熱巖新能源

很多人會以為，中國煤炭地質(zhì)總局的業(yè)務(wù)只涉及煤炭這種傳統(tǒng)化石能源的勘探和開采，其實(shí)不然。潘樹仁向記者介紹了該局近年來在新能源領(lǐng)域取得的一系列進(jìn)展。

比如“干熱巖”這個詞，有的讀者可能會一頭霧水，更想不到這也是一種新型能源。潘樹仁介紹，地?zé)崮芊浅ＸS富，除了我們常見的從地表到200米左右的淺層地溫能外，地下更深處蘊(yùn)藏的熱能資源更大，“干熱巖就是地下數(shù)千米處的巖石，它們在高溫高壓下蘊(yùn)含著巨大的熱能，我們現(xiàn)在勘查利用干熱巖的技術(shù)已經(jīng)日益成熟。我們目前在青海省貴德縣打的一口干熱巖井，深達(dá)4700多米，井底的終孔溫度超過200攝氏度，通過向巖層注水后會產(chǎn)生大量蒸汽，可用于地?zé)岚l(fā)電和綜合利用。作為新型清潔能源，干熱巖可為青海及周邊省區(qū)的能源優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供能源保障”。為此青海省已作出規(guī)劃，全省逐步用可再生能源取代化石能源。

此外，潘樹仁副局長還介紹了中國煤炭地質(zhì)總局在青海首次發(fā)現(xiàn)陸域天然氣水合物，對其勘查和評價(jià)已逐步提上日程。

廢礦修復(fù)方法很多

采礦完成后的廢棄礦山（廢礦）修復(fù)一直是個老大難問題，廢棄的礦井不僅嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，還容易引發(fā)山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。潘樹仁強(qiáng)調(diào)，各個地方的礦產(chǎn)資源不同，地質(zhì)條件也千差萬別，廢棄修復(fù)必須因地制宜，選擇當(dāng)?shù)刈钸m合的治理方法。潘樹仁介紹，針對采石場等露天開采所留下的廢礦，一般會有陡峭的邊坡，容易形成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，對此可采用“削坡”、“噴播”技術(shù)，即對陡峭的邊坡進(jìn)行坡度改造，再噴灑含有微生物的超強(qiáng)粘性活性土壤液體，讓巖層保持水分生成苔蘚等，逐步形成植被覆蓋，讓廢礦最終實(shí)現(xiàn)綠色化，“我們在江浙一帶做的多個采石場修復(fù)，就采用了這種技術(shù)，恢復(fù)了原來的綠水青山。”

潘樹仁介紹，江浙地區(qū)的土地資源寶貴，寸土寸金，有的廢礦就被改造為駕校的練車場，有的坑太深，則注水改造為池塘養(yǎng)魚。

對地下數(shù)百米的廢礦所形成的礦坑，潘樹仁說：“沒必要把它們?nèi)刻钇皆僮鲂迯?fù)，這會造成極大的人財(cái)物浪費(fèi)?？梢酝ㄟ^離層注漿技術(shù)加固后，因勢利導(dǎo)發(fā)展相關(guān)的產(chǎn)業(yè)。比如地下主題游樂園、巖穴酒店等，相信到地下幾百米深處的餐廳里吃頓飯，對不少人會有吸引力。我就去過北京良鄉(xiāng)一個用廢棄礦坑改裝的飯店，夏天，市區(qū)溫度40攝氏度，可到了那里面我吃火鍋還要披著大衣?！?/p>

母巖分析法讓涪陵榨菜美味依舊

由于尾礦含有大量重金屬元素，無論在尾礦上發(fā)展林業(yè)、農(nóng)業(yè)還是漁業(yè)，都必須對土壤成分進(jìn)行分析并對癥下藥。中國煤炭地質(zhì)總局在土壤修復(fù)方面也有突破，可通過物理、化學(xué)以及微生物等方法將土壤中的重金屬元素提取出或?qū)⑵洹扳g化”，使土壤得到凈化，使其適宜開展農(nóng)業(yè)活動。與分析土壤中的重金屬原理相似，可通過地球化學(xué)的方法研究構(gòu)成土壤的母巖，分析特殊土壤中的特殊成分，這基本就屬于農(nóng)業(yè)地質(zhì)范疇。潘樹仁副局長介紹了一個成功案例，“多年前，涪陵榨菜一直很受消費(fèi)者歡迎，可三峽庫區(qū)蓄水后，這種榨菜的原產(chǎn)地被淹沒，其他地方的榨菜真沒原來那個味道。地質(zhì)技術(shù)人員借助母巖分析法，得出涪陵榨菜原產(chǎn)地母巖所含的礦物質(zhì)成分，再選擇有相似母巖的地區(qū)種植榨菜，這樣產(chǎn)出的涪陵榨菜就美味依舊了?！?/p>

清潔燃煤技術(shù)與垃圾處理接軌

我國煤炭儲量豐富，而油氣資源相對短缺，放棄煤炭轉(zhuǎn)用石油天然氣是不太可能的。潘樹仁說：“如果全部棄用煤炭的話，我國的能源缺口是無法彌補(bǔ)的。大力推廣應(yīng)用煤炭清潔利用技術(shù)才是比較現(xiàn)實(shí)可行的道路?！?/p>

現(xiàn)在，全國正在大力推進(jìn)垃圾分類處理，潘樹仁介紹，該局研發(fā)了一種新型的小型煤與有機(jī)固廢協(xié)同燃燒爐，同時(shí)可用來進(jìn)行垃圾處理和煤炭的清潔利用。他說：“我國居民日常生活中所產(chǎn)的垃圾很大一部分是廚余垃圾，含有豐富的有機(jī)物，這些可以通過燃燒處理掉。我們研發(fā)了一種新型爐灶，已經(jīng)申請專利，這種爐子有兩個爐膛，內(nèi)膛燒煤，外膛可燒廚余垃圾，也就是對垃圾進(jìn)行熱解，充分利用其熱能。把廚余垃圾置于外膛，先用燃煤發(fā)出的熱量熱解垃圾，形成可燃?xì)怏w燃燒提供熱能，通過凈化裝置后排放。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵就是把清潔燃煤與垃圾處理相融合，能大幅推動居民垃圾減量化。我們計(jì)劃先往餐飲企業(yè)推，下一步小型化后可推廣至千家萬戶?！?/p>

關(guān)鍵技術(shù)

大幅降低礦難死亡率

曾幾何時(shí)，礦難的消息頻現(xiàn)媒體，重大人員傷亡事故讓國人悲痛不已。然而，從2010年開始，我國煤炭產(chǎn)量逐年增加，但百萬噸煤死亡率卻大幅減少。據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局網(wǎng)站公布的數(shù)字，2018年全國煤礦共發(fā)生事故224起、死亡333人，同比下降0.9%和13.1%，百萬噸煤死亡率為0.093，這是我國采煤史上該指標(biāo)首次降至0.1以下。

對于百萬噸煤死亡率大幅降低的原因，潘樹仁副局長解釋，除了那些難以保證安全生產(chǎn)條件的中小型煤礦被關(guān)停外，最主要的因素還是在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破。就拿煤礦透水事故防范來說，中國煤炭地質(zhì)總局正在推廣的“水平定向羽狀分支井注漿技術(shù)”，就是預(yù)防透水事故的有力王牌?！霸诓擅哼^程中，采掘巷道下方的地下水突然涌出，專業(yè)術(shù)語叫‘底板突水’，這會導(dǎo)致礦井被淹，更會帶來嚴(yán)重人員傷亡。而我們這項(xiàng)技術(shù)的具體操作就是先從地表垂直鉆井到煤層底板，然后造斜沿煤層底板水平繼續(xù)鉆進(jìn)，但這個水平方向的井并不是平直的一條，而是呈樹枝或羽毛狀向兩端散開。這種鉆井技術(shù)最早用于石油工業(yè)，但我們加以改進(jìn)了，他們是為了抽取石油，我們是通過這種支狀井系統(tǒng)進(jìn)行注漿，對煤層底板進(jìn)行改造，就跟前面提到的覆巖離層注漿技術(shù)一樣，使用煤矸石和粉煤灰為主再用適當(dāng)添加劑，目的就是防止透水。這項(xiàng)技術(shù)的使用大幅降低了煤礦透水事故的發(fā)生幾率，在去年還創(chuàng)造了十幾億元的收入。目前，這項(xiàng)技術(shù)在華北地區(qū)奧陶灰?guī)r水害發(fā)育的煤礦中廣泛使用?！?/p>

針對煤炭開采過程中可能發(fā)生的瓦斯爆炸事故，也有新技術(shù)來有效應(yīng)對。潘樹仁說，“瓦斯與煤層伴生，但由于氣體特性，會沿巖層縫隙四處散發(fā)，一旦進(jìn)入采煤作業(yè)區(qū)，極易發(fā)生爆炸造成重大人員傷亡。其實(shí)，這種瓦斯主要為煤系地層中的天然氣，專業(yè)術(shù)語叫煤系氣。目前，已有較為成熟的低濃度瓦斯抽放和發(fā)電等治理與利用技術(shù)，達(dá)到變廢為寶，作為清潔能源進(jìn)行使用?！?/p>

減少人為誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害

針對近年來不斷被媒體報(bào)道的地面塌陷、山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，潘樹仁副局長說，地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)動力活動與人類活動相互作用的結(jié)果，地質(zhì)災(zāi)害是一種必然現(xiàn)象，而且有不確定性和隨機(jī)性。人類無法避免地質(zhì)災(zāi)害，但可以正確認(rèn)識和有效預(yù)防，作為普通人，首先要樹立正確的生態(tài)意識，不要去破壞地質(zhì)環(huán)境，減少人為因素誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，如對山體和植被的破壞容易引發(fā)泥石流和滑坡，對礦產(chǎn)資源的不當(dāng)開發(fā)會引起地面塌陷等;其次要預(yù)防自然條件變化引起的自然災(zāi)害，最典型的就是強(qiáng)降雨導(dǎo)致的山體滑坡、泥石流等。

變物理采煤為化學(xué)采煤

在我國北方和西部地區(qū)，煤層自燃很嚴(yán)重，既浪費(fèi)了寶貴的煤炭資源，更對空氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染，還可能危及附近居民的生命安全。

潘樹仁說：“治理地下煤火是一個世界性難題，地下煤火在人類出現(xiàn)前就已存在，地下煤火既有人為因素、也有自然因素，因天然裂隙或人為破壞性開采，使煤與空氣接觸，長時(shí)間會引發(fā)煤炭自燃。一旦發(fā)生自燃，由于溫度高還釋放大量有毒有害氣體，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境。對這樣的難題，我們也在開拓煤炭資源的開發(fā)思路，比如不用人工或機(jī)械通過礦井和巷道的物理方法采煤，轉(zhuǎn)而采用人為可控的煤炭地下氣化、燃燒方式，從而置換出我們能加以應(yīng)用的能源。這就是煤炭地下氣化技術(shù)（化學(xué)采煤法），隨著這種技術(shù)日益成熟并普及推廣后，采礦業(yè)對地質(zhì)環(huán)境的破壞程度就會實(shí)現(xiàn)根本性的下降。”

“透明地球”技術(shù)給地球做CT

除了以上建設(shè)“美麗地球”的大動作，中國煤炭地質(zhì)總局近年來還積極推進(jìn)“透明地球”和“數(shù)字地球”的建設(shè)。那么，什么是“透明地球”和“數(shù)字地球”呢？潘樹仁副局長介紹，“科技界有句話說，‘上天容易入地難’，意思是我們能把衛(wèi)星發(fā)射到太空，但對地下的情況還所知甚少。其實(shí)，我們局對地下深層空間的探測技術(shù)也日益成熟。我們有個口號是‘給地球做CT’，就是利用地球物理勘探的方法，通過地震、重力、磁法、電法等技術(shù)對地下空間做掃描，把握地層運(yùn)動規(guī)律，對各種地下賦存的資源、災(zāi)害源以及人類活動相關(guān)的地下和地表設(shè)施做體檢，尋找資源、發(fā)現(xiàn)隱患，而數(shù)字地球則是對前述地球體檢信息的精準(zhǔn)及時(shí)共享，在二者充分融合的基礎(chǔ)上共建美麗地球?！?/p>