“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，許多讀者會聯想到“黑色”，如安全事故、塌方、滑坡等地質災害，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)很長時間。可喜的是，煤炭行業(yè)近年來也在向“綠色礦山”積極轉型。近日，《環(huán)境與生活》雜志記者采訪了中國煤炭地質總局副局長潘樹仁，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總局，見到了潘樹仁副局長。記者一進辦公室，就被墻上的一幅地圖所吸引，因為它既不是常見的中國行政區(qū)劃圖，也不是地形圖，而是中國地質地圖。“上天容易入地難”，潘樹仁副局長就從我國的地層、地震帶以及主要礦產資源分布情況開始談起，介紹了煤炭領域是如何投身生態(tài)文明建設大潮的。

全生命周期的綠色資源理念

在中國煤炭地質總局的官網上，“實施創(chuàng)新驅動，打造具有核心競爭力的世界一流的地質與生態(tài)文明企業(yè)建設集團”的標語非常醒目。

潘樹仁副局長首先介紹了他對 “綠色礦山”的理解。他認為，“綠色礦山”其實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，它包括礦產的綠色勘查、綠色開采、清潔利用以及恢復綠色四大環(huán)節(jié)，在每一個環(huán)節(jié)都務必做到綠色和環(huán)境友好。

潘樹仁說，近年來中國煤炭地質總局一直致力于打造生態(tài)文明建設的國家隊和主力軍，著力開展煤系礦產資源的綠色協(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地質保障，以及以土壤和地下水污染治理為主的現代農業(yè)地質技術服務等。

新型注漿技術防采空區(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，采挖礦石轉運至地面處理，久而久之會在地下形成采空區(qū)，容易引發(fā)地面塌陷，帶來人員和財產損失。因而防止地面塌陷就是諸多采礦企業(yè)繞不開的難點。

就拿煤礦開采來說，煤炭被采挖運出后形成采空區(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”，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)上覆巖層因其強度不同發(fā)生差異沉降而產生的空間。“這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，經過精確的配比和濃度、壓力等參數測算后，注入離層，凝固硬化后支撐上覆巖層。”

潘樹仁副局長說，“新型覆巖離層注漿技術”不僅能用于老舊礦山的減沉修復，更廣泛應用于生產礦山，“比如河北、山西等煤炭資源開發(fā)強度較大的地區(qū)，因資源開發(fā)時未實施減沉處理，多年后資源采完，地表塌陷，再做礦坑修復，可能修復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力，確保不發(fā)生沉降塌陷的情況下，實現安全開采。同樣，在高速公路、鐵路、輸電設施等壓覆下的煤炭資源，也可以利用這種注漿技術解放資源。”

那么，這種新技術的經濟成本是否能接受，潘樹仁透露：“這種技術非常經濟，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的夏店煤礦已經成功運用，效果非常好。”

入地五千米 利用干熱巖新能源

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

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，地熱能非常豐富，除了我們常見的從地表到200米左右的淺層地溫能外，地下更深處蘊藏的熱能資源更大，“干熱巖就是地下數千米處的巖石，它們在高溫高壓下蘊含著巨大的熱能，我們現在勘查利用干熱巖的技術已經日益成熟。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生大量蒸汽，可用于地熱發(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)化和經濟高質量發(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總局在青海首次發(fā)現陸域天然氣水合物，對其勘查和評價已逐步提上日程。

廢礦修復方法很多

采礦完成后的廢棄礦山（廢礦）修復一直是個老大難問題，廢棄的礦井不僅嚴重影響當地生態(tài)環(huán)境，還容易引發(fā)山體滑坡和泥石流等地質災害。潘樹仁強調，各個地方的礦產資源不同，地質條件也千差萬別，廢棄修復必須因地制宜，選擇當地最適合的治理方法。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、崩塌等地質災害，對此可采用“削坡”、“噴播”技術，即對陡峭的邊坡進行坡度改造，再噴灑含有微生物的超強粘性活性土壤液體，讓巖層保持水分生成苔蘚等，逐步形成植被覆蓋，讓廢礦最終實現綠色化，“我們在江浙一帶做的多個采石場修復，就采用了這種技術，恢復了原來的綠水青山。”

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。

對地下數百米的廢礦所形成的礦坑，潘樹仁說：“沒必要把它們全部填平再做修復，這會造成極大的人財物浪費。可以通過離層注漿技術加固后，因勢利導發(fā)展相關的產業(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。”

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)、農業(yè)還是漁業(yè)，都必須對土壤成分進行分析并對癥下藥。中國煤炭地質總局在土壤修復方面也有突破，可通過物理、化學以及微生物等方法將土壤中的重金屬元素提取出或將其“鈍化”，使土壤得到凈化，使其適宜開展農業(yè)活動。與分析土壤中的重金屬原理相似，可通過地球化學的方法研究構成土壤的母巖，分析特殊土壤中的特殊成分，這基本就屬于農業(yè)地質范疇。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者歡迎，可三峽庫區(qū)蓄水后，這種榨菜的原產地被淹沒，其他地方的榨菜真沒原來那個味道。地質技術人員借助母巖分析法，得出涪陵榨菜原產地母巖所含的礦物質成分，再選擇有相似母巖的地區(qū)種植榨菜，這樣產出的涪陵榨菜就美味依舊了。”

清潔燃煤技術與垃圾處理接軌

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的。大力推廣應用煤炭清潔利用技術才是比較現實可行的道路。”

現在，全國正在大力推進垃圾分類處理，潘樹仁介紹，該局研發(fā)了一種新型的小型煤與有機固廢協(xié)同燃燒爐，同時可用來進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的垃圾很大一部分是廚余垃圾，含有豐富的有機物，這些可以通過燃燒處理掉。我們研發(fā)了一種新型爐灶，已經申請專利，這種爐子有兩個爐膛，內膛燒煤，外膛可燒廚余垃圾，也就是對垃圾進行熱解，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，形成可燃氣體燃燒提供熱能，通過凈化裝置后排放。這項技術的關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。我們計劃先往餐飲企業(yè)推，下一步小型化后可推廣至千家萬戶。”

關鍵技術

大幅降低礦難死亡率

曾幾何時，礦難的消息頻現媒體，重大人員傷亡事故讓國人悲痛不已。然而，從2010年開始，我國煤炭產量逐年增加，但百萬噸煤死亡率卻大幅減少。據國家煤礦安全監(jiān)察局網站公布的數字，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條件的中小型煤礦被關停外，最主要的因素還是在技術上實現了突破。就拿煤礦透水事故防范來說，中國煤炭地質總局正在推廣的“水平定向羽狀分支井注漿技術”，就是預防透水事故的有力王牌。“在采煤過程中，采掘巷道下方的地下水突然涌出，專業(yè)術語叫‘底板突水’，這會導致礦井被淹，更會帶來嚴重人員傷亡。而我們這項技術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，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。這種鉆井技術最早用于石油工業(yè)，但我們加以改進了，他們是為了抽取石油，我們是通過這種支狀井系統(tǒng)進行注漿，對煤層底板進行改造，就跟前面提到的覆巖離層注漿技術一樣，使用煤矸石和粉煤灰為主再用適當添加劑，目的就是防止透水。這項技術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，這項技術在華北地區(qū)奧陶灰?guī)r水害發(fā)育的煤礦中廣泛使用。”

針對煤炭開采過程中可能發(fā)生的瓦斯爆炸事故，也有新技術來有效應對。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，這種瓦斯主要為煤系地層中的天然氣，專業(yè)術語叫煤系氣。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，達到變廢為寶，作為清潔能源進行使用。”

減少人為誘發(fā)地質災害

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

變物理采煤為化學采煤

在我國北方和西部地區(qū)，煤層自燃很嚴重，既浪費了寶貴的煤炭資源，更對空氣環(huán)境造成嚴重污染，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，比如不用人工或機械通過礦井和巷道的物理方法采煤，轉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用的能源。這就是煤炭地下氣化技術（化學采煤法），隨著這種技術日益成熟并普及推廣后，采礦業(yè)對地質環(huán)境的破壞程度就會實現根本性的下降。”

“透明地球”技術給地球做CT

除了以上建設“美麗地球”的大動作，中國煤炭地質總局近年來還積極推進“透明地球”和“數字地球”的建設。那么，什么是“透明地球”和“數字地球”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，我們局對地下深層空間的探測技術也日益成熟。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、電法等技術對地下空間做掃描，把握地層運動規(guī)律，對各種地下賦存的資源、災害源以及人類活動相關的地下和地表設施做體檢，尋找資源、發(fā)現隱患，而數字地球則是對前述地球體檢信息的精準及時共享，在二者充分融合的基礎上共建美麗地球。”