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钱鸣高院士：煤炭开采的华丽变身
来源：互联网
2024-11-12 00:10:57 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
钱鸣高院士：煤炭开采的华丽变身
钱鸣高，著名采矿工程专家，中国工程院院士，中国矿业大学教授，博士生导师，中国煤炭学会常务理事。他是我国矿山压力及其控制学科的主要奠基者和开拓者之一，60多年来在采矿工程学科建设及矿山压力理论和实践中作出了系统、全面且具有创造性的成果和重要贡献。他提出的岩层控制关键层理论为“矿山压力”与“岩层移动”的统一奠定了基础。而后，他又提出了“绿色开采技术”体系，开创了系统的煤炭环保开采之路，在国内外采矿行业得到了高度评价。
“煤是当代工业的粮食！”这是在20世纪初的名言。那时正值工业化时代的初期，能源主要依靠煤炭，煤炭在世界能源中的占比高达70~80%。后来，由于保护环境和利用效率的原因，煤炭逐步被石油和天然气替代，占比下降到20~30%。但是，我国是富煤的国家，石油和天然气相对贫乏。在新中国成立时，煤炭在我国能源中占90%以上，至今（进入21世纪）仍然占70%。根据最近预测，即使到2050年，煤炭在我国能源的占比还将在40%以上。因此，在可再生能源未形成规模之前，煤炭仍然是我国工业的粮食。对于我国科技人员来说，如何科学地开发和利用好煤炭，是一种责任。
人类应该懂得珍惜
能源是从自然界获取，因此必然影响环境。能源开发之前，周围环境是协调一致的，而一旦开发建设，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了独特的生态环境问题。同时，能源的利用也与环境密切相关，尤其是化石能源更为突出。资源的天赋性难以定价，在获取和利用能源发生的环境破坏和安全问题又难以用价格来量化（包括能源的天赋性，其品位和获取的难易程度都难以定价），由此导致“市场失灵”，内部成本很容易转化为社会成本形成不完全成本。由此可见，能源开发利用明显具有正负价值的两面性，能源在环境容量内开发和利用都是清洁和科学的，一旦超出环境容量，就要受到社会的责难，就要付出巨大的社会成本。煤炭在这方面更具独特性。
如此一来，人们必须明白资源形成的天赋性以及有限性，人类应该懂得珍惜。人类的索取超过了自然的生产力，生态资本出现赤字，人类将自食其果。在向自然索取的同时，必须尊重自然意志，遵循自然规律，而且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。
生产地的资源优势必须转变为经济优势。但是在我国的很多产煤区，资源优势并没有转变为经济优势，例如山西。山西提供了全国煤炭产量的1/4，能源产量的1/6。山西的发展离不开煤炭，但由于长时间、大规模、高强度、粗放式的煤炭开采，特别是开采后修复治理不到位，使山西这个生态原本就脆弱的省份付出了巨大代价，成为全国环境问题最严重的省份之一，山西的经济发展也落到了全国最后几位。显然，资源优势转变不成经济优势，煤矿开采成为环境掠夺者，也必然影响到行业的社会地位。
只有改变上述状态，煤炭行业才能受到社会的尊重。因此，煤炭行业必须坚持科学发展，在赢利的同时加大相应的科学技术投入，研究煤炭行业的经济规律，严格管理，不能形成行业赢利而社会责难的局面，尽量减少其负外部性，才能获得社会的尊重。必须研究资源经济学、环境经济学、煤炭开采和利用与环境协调的科学技术，这是值得煤炭科技工作者思考的问题。
大胆想象方能有所创造
上世纪50年代，我国煤矿产量低、技术落后，工作面大量使用单体支架，开始是木支架，而后是金属支架。由于单体支架工作阻力小且支护结构很不稳定，因此工作面冒顶事故不断，伤亡严重，如何避免冒顶事故就成为当时煤矿的工作重点，急需解决的是矿压规律和支护稳定性的问题。我的研究工作就集中在采场上覆岩层的活动规律、支架工作阻力计算和支护质量监测上面。我与我的科研集体研究了采场上覆岩层的破断规律以及基本顶破断后再次形成结构的可能性，到上世纪80年代，我们提出了采场上覆岩层破断后重新组合成的“砌体梁”结构力学模型，讨论了“砌体梁”结构的“S-R”稳定条件，而后发展到视上覆岩层“基本顶”为“板”的破断规律和破断前后的力学效应。这些研究成果对之后工作面采用的液压支架架型和参数选择、工作面来压预报、支护质量监测以及而后的采动应力场和裂隙场（瓦斯抽采的0形圈流场）产生了影响，英国Strathclyde大学的B. G. D. Smart教授专门撰文评论了我的文章。该力学模型后来被收录于《中国大百科全书·矿冶卷》“长壁工作面地压”条目，且作为基本理论编入教科书，为高等矿业院校广泛采用。这里要提到的是，当时国内由矿山压力中心站负责每两年举行一次矿山压力理论讨论，会上对各种理论展开热烈争论，并对讨论的内容进行编辑整理，还写纪要对各种认识作出评价，其中就包括对采场上覆岩层活动规律和“砌体梁”结构的评价，为完善我国矿山压力理论作出了重要贡献。
长期以来，“矿山压力”与“岩层移动”一直是我国研究岩体运动的两个重要分支。前者采用力学方法研究采矿引起的应力变化及其对工作空间稳定性的影响，后者由于岩层的复杂性常常采用数学方法（统计方法）研究开采对地表沉陷的影响。而开采过程对岩层内部的状态和对岩体内流体的运动影响巨大，导致无法预测，因此我们利用层状矿体的特点，提出了岩层运动中“关键层”的作用，即开采后的岩层运动引起的无论应力和位移变化主要决定于上覆岩层中的硬而厚岩层（关键层）的变形和破断，由此对于开采后引起的上覆岩层应力场和裂隙场以及地表沉陷有一个全面而统一的解释。
进入21世纪，由于国民经济快速发展，煤炭产量由1999年的10亿吨很快发展到2009年的29亿吨，占全世界产量的40%。由于采矿对环境的负外部性，如此大规模的开采必然对水资源和土地等区域环境带来严重影响，这一切与采动后的岩层运动尤其是裂隙场的形成密切相关。由此，我和我的科研集体提出了“采动岩体力学”的概念和以控制“关键层”为基础的煤矿“绿色开采技术”，其中包括煤与瓦斯共采、保护水资源、控制地表沉陷、不出或者少出矸石和矸石替换煤柱等。绿色开采技术提出后引起很大反响，上述技术尤其是各种充填开采技术在煤炭系统得到大力发展。
顺势而为 开创美好未来
随着科学发展观和低碳经济的提出，煤炭作为主体能源的地位必然受到质疑，因此首先必须解决煤炭利用对环境的影响问题，使其在环境容量范围内利用。但目前其他可替代能源，尤其是可再生能源难以形成规模，因此发展洁净煤和二氧化碳的处理技术是当务之急。煤炭是自然的森林经过巨大的自然物理化学过程形成的自然资源，地球只给予一次，属于不可再生性的可耗竭稀缺性自然资源，应该特别珍惜。煤炭开采不仅在环境上存在负外部性，而且由于煤矿井下作业环境和开采期间地应力的多变及由其引起的煤、岩、瓦斯的动力事故难以预测，因此在这些问题没有解决以前，煤炭开采业是属于本质不安全的高危行业。矿工的劳动神圣而伟大，他们体现了“点燃了自己、照亮了别人”的精神。随着国家经济状况的改善，以人为本成为发展的核心理念，煤炭开采应该从高危行业中消除。因此，珍惜资源、发展机械化和自动化、保护环境和保证工人安全的“科学采矿”是必然的选择。显然，科学的产能不应仅仅是资源量的反应，而应该是可持续的资源量与科学技术、人才和装备的综合体现。根据统计，2007年我国高产高效矿井产量8亿吨，百万吨死亡率0.04，也就是说全国煤炭产量的1/3在保证安全方面是科学的，而2/3的产能是不科学的，尤其乡镇煤矿的产能在保证安全和保护环境方面都不可取。为了满足国民经济发展的需要，煤炭工业作出了巨大贡献，而且一直在超能力生产，其结果是煤矿事故不断，环境破坏，最后延伸到破坏行业形象，人才难以汇集。煤炭行业在为国民经济作出巨大贡献的同时，也受到了社会的责难，付出了巨大的社会成本。
2000年世界采矿大会提出了“Everything begins with mining”（一切始于采矿）。采矿是一门既古老又现实的学科，没有采矿就没有资源（能源）。因此采矿工程必然要随时代不断发展与完善。对我们这样的资源开发和利用大国，意味着应该对原有的采矿技术和理念进行一次重大变革，实行“科学采矿”是必然的选择。为此，我们对“科学采矿”应该具有的内涵进行了系统探索，显然，完全成本是科学采矿的经济基础。但完全成本影响价格，而价格和国家经济发展还存在最优配置问题，因此完全成本不仅仅是行业问题。另外，煤炭企业间的不公平竞争使完全成本难以实现，企业的自然条件和区位存在很大差别，因此必须制定政策以实现各类企业的公平与平等竞争，这样才有利于各类企业实现完全成本，为科学采矿奠定基础。此外还有资源枯竭、企业转产、资源优势如何转变为经济优势等问题。必须形成完整的适合我国国情的资源经济学，才能使企业实现完全成本，才能形成全新的采矿科学理念与技术体系。
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