錢鳴高院士：煤炭開采的華麗變身

錢鳴高院士：煤炭開采的華麗變身

錢鳴高，著名采礦工程專家，中國工程院院士，中國礦業(yè)大學教授，博士生導師，中國煤炭學會常務理事。他是我國礦山壓力及其控制學科的主要奠基者和開拓者之一，60多年來在采礦工程學科建設及礦山壓力理論和實踐中作出了系統(tǒng)、全面且具有創(chuàng)造性的成果和重要貢獻。他提出的巖層控制關鍵層理論為“礦山壓力”與“巖層移動”的統(tǒng)一奠定了基礎。而后，他又提出了“綠色開采技術”體系，開創(chuàng)了系統(tǒng)的煤炭環(huán)保開采之路，在國內(nèi)外采礦行業(yè)得到了高度評價。

“煤是當代工業(yè)的糧食！”這是在20世紀初的名言。那時正值工業(yè)化時代的初期，能源主要依靠煤炭，煤炭在世界能源中的占比高達70~80%。后來，由于保護環(huán)境和利用效率的原因，煤炭逐步被石油和天然氣替代，占比下降到20~30%。但是，我國是富煤的國家，石油和天然氣相對貧乏。在新中國成立時，煤炭在我國能源中占90%以上，至今（進入21世紀）仍然占70%。根據(jù)最近預測，即使到2050年，煤炭在我國能源的占比還將在40%以上。因此，在可再生能源未形成規(guī)模之前，煤炭仍然是我國工業(yè)的糧食。對于我國科技人員來說，如何科學地開發(fā)和利用好煤炭，是一種責任。

人類應該懂得珍惜

能源是從自然界獲取，因此必然影響環(huán)境。能源開發(fā)之前，周圍環(huán)境是協(xié)調(diào)一致的，而一旦開發(fā)建設，強烈的人為活動便使環(huán)境發(fā)生巨大的變化，由此形成了獨特的生態(tài)環(huán)境問題。同時，能源的利用也與環(huán)境密切相關，尤其是化石能源更為突出。資源的天賦性難以定價，在獲取和利用能源發(fā)生的環(huán)境破壞和安全問題又難以用價格來量化（包括能源的天賦性，其品位和獲取的難易程度都難以定價），由此導致“市場失靈”，內(nèi)部成本很容易轉化為社會成本形成不完全成本。由此可見，能源開發(fā)利用明顯具有正負價值的兩面性，能源在環(huán)境容量內(nèi)開發(fā)和利用都是清潔和科學的，一旦超出環(huán)境容量，就要受到社會的責難，就要付出巨大的社會成本。煤炭在這方面更具獨特性。

如此一來，人們必須明白資源形成的天賦性以及有限性，人類應該懂得珍惜。人類的索取超過了自然的生產(chǎn)力，生態(tài)資本出現(xiàn)赤字，人類將自食其果。在向自然索取的同時，必須尊重自然意志，遵循自然規(guī)律，而且時刻不忘回饋自然和養(yǎng)護自然，從而在人類和自然之間建立起復合的生態(tài)平衡機制。

生產(chǎn)地的資源優(yōu)勢必須轉變?yōu)榻?jīng)濟優(yōu)勢。但是在我國的很多產(chǎn)煤區(qū)，資源優(yōu)勢并沒有轉變?yōu)榻?jīng)濟優(yōu)勢，例如山西。山西提供了全國煤炭產(chǎn)量的1/4，能源產(chǎn)量的1/6。山西的發(fā)展離不開煤炭，但由于長時間、大規(guī)模、高強度、粗放式的煤炭開采，特別是開采后修復治理不到位，使山西這個生態(tài)原本就脆弱的省份付出了巨大代價，成為全國環(huán)境問題最嚴重的省份之一，山西的經(jīng)濟發(fā)展也落到了全國最后幾位。顯然，資源優(yōu)勢轉變不成經(jīng)濟優(yōu)勢，煤礦開采成為環(huán)境掠奪者，也必然影響到行業(yè)的社會地位。

只有改變上述狀態(tài)，煤炭行業(yè)才能受到社會的尊重。因此，煤炭行業(yè)必須堅持科學發(fā)展，在贏利的同時加大相應的科學技術投入，研究煤炭行業(yè)的經(jīng)濟規(guī)律，嚴格管理，不能形成行業(yè)贏利而社會責難的局面，盡量減少其負外部性，才能獲得社會的尊重。必須研究資源經(jīng)濟學、環(huán)境經(jīng)濟學、煤炭開采和利用與環(huán)境協(xié)調(diào)的科學技術，這是值得煤炭科技工作者思考的問題。

大膽想象方能有所創(chuàng)造

上世紀50年代，我國煤礦產(chǎn)量低、技術落后，工作面大量使用單體支架，開始是木支架，而后是金屬支架。由于單體支架工作阻力小且支護結構很不穩(wěn)定，因此工作面冒頂事故不斷，傷亡嚴重，如何避免冒頂事故就成為當時煤礦的工作重點，急需解決的是礦壓規(guī)律和支護穩(wěn)定性的問題。我的研究工作就集中在采場上覆巖層的活動規(guī)律、支架工作阻力計算和支護質(zhì)量監(jiān)測上面。我與我的科研集體研究了采場上覆巖層的破斷規(guī)律以及基本頂破斷后再次形成結構的可能性，到上世紀80年代，我們提出了采場上覆巖層破斷后重新組合成的“砌體梁”結構力學模型，討論了“砌體梁”結構的“S-R”穩(wěn)定條件，而后發(fā)展到視上覆巖層“基本頂”為“板”的破斷規(guī)律和破斷前后的力學效應。這些研究成果對之后工作面采用的液壓支架架型和參數(shù)選擇、工作面來壓預報、支護質(zhì)量監(jiān)測以及而后的采動應力場和裂隙場（瓦斯抽采的0形圈流場）產(chǎn)生了影響，英國Strathclyde大學的B. G. D. Smart教授專門撰文評論了我的文章。該力學模型后來被收錄于《中國大百科全書·礦冶卷》“長壁工作面地壓”條目，且作為基本理論編入教科書，為高等礦業(yè)院校廣泛采用。這里要提到的是，當時國內(nèi)由礦山壓力中心站負責每兩年舉行一次礦山壓力理論討論，會上對各種理論展開熱烈爭論，并對討論的內(nèi)容進行編輯整理，還寫紀要對各種認識作出評價，其中就包括對采場上覆巖層活動規(guī)律和“砌體梁”結構的評價，為完善我國礦山壓力理論作出了重要貢獻。

長期以來，“礦山壓力”與“巖層移動”一直是我國研究巖體運動的兩個重要分支。前者采用力學方法研究采礦引起的應力變化及其對工作空間穩(wěn)定性的影響，后者由于巖層的復雜性常常采用數(shù)學方法（統(tǒng)計方法）研究開采對地表沉陷的影響。而開采過程對巖層內(nèi)部的狀態(tài)和對巖體內(nèi)流體的運動影響巨大，導致無法預測，因此我們利用層狀礦體的特點，提出了巖層運動中“關鍵層”的作用，即開采后的巖層運動引起的無論應力和位移變化主要決定于上覆巖層中的硬而厚巖層（關鍵層）的變形和破斷，由此對于開采后引起的上覆巖層應力場和裂隙場以及地表沉陷有一個全面而統(tǒng)一的解釋。

進入21世紀，由于國民經(jīng)濟快速發(fā)展，煤炭產(chǎn)量由1999年的10億噸很快發(fā)展到2009年的29億噸，占全世界產(chǎn)量的40%。由于采礦對環(huán)境的負外部性，如此大規(guī)模的開采必然對水資源和土地等區(qū)域環(huán)境帶來嚴重影響，這一切與采動后的巖層運動尤其是裂隙場的形成密切相關。由此，我和我的科研集體提出了“采動巖體力學”的概念和以控制“關鍵層”為基礎的煤礦“綠色開采技術”，其中包括煤與瓦斯共采、保護水資源、控制地表沉陷、不出或者少出矸石和矸石替換煤柱等。綠色開采技術提出后引起很大反響，上述技術尤其是各種充填開采技術在煤炭系統(tǒng)得到大力發(fā)展。

順勢而為 開創(chuàng)美好未來

隨著科學發(fā)展觀和低碳經(jīng)濟的提出，煤炭作為主體能源的地位必然受到質(zhì)疑，因此首先必須解決煤炭利用對環(huán)境的影響問題，使其在環(huán)境容量范圍內(nèi)利用。但目前其他可替代能源，尤其是可再生能源難以形成規(guī)模，因此發(fā)展?jié)崈裘汉投趸嫉奶幚砑夹g是當務之急。煤炭是自然的森林經(jīng)過巨大的自然物理化學過程形成的自然資源，地球只給予一次，屬于不可再生性的可耗竭稀缺性自然資源，應該特別珍惜。煤炭開采不僅在環(huán)境上存在負外部性，而且由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境和開采期間地應力的多變及由其引起的煤、巖、瓦斯的動力事故難以預測，因此在這些問題沒有解決以前，煤炭開采業(yè)是屬于本質(zhì)不安全的高危行業(yè)。礦工的勞動神圣而偉大，他們體現(xiàn)了“點燃了自己、照亮了別人”的精神。隨著國家經(jīng)濟狀況的改善，以人為本成為發(fā)展的核心理念，煤炭開采應該從高危行業(yè)中消除。因此，珍惜資源、發(fā)展機械化和自動化、保護環(huán)境和保證工人安全的“科學采礦”是必然的選擇。顯然，科學的產(chǎn)能不應僅僅是資源量的反應，而應該是可持續(xù)的資源量與科學技術、人才和裝備的綜合體現(xiàn)。根據(jù)統(tǒng)計，2007年我國高產(chǎn)高效礦井產(chǎn)量8億噸，百萬噸死亡率0.04，也就是說全國煤炭產(chǎn)量的1/3在保證安全方面是科學的，而2/3的產(chǎn)能是不科學的，尤其鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦的產(chǎn)能在保證安全和保護環(huán)境方面都不可取。為了滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，煤炭工業(yè)作出了巨大貢獻，而且一直在超能力生產(chǎn)，其結果是煤礦事故不斷，環(huán)境破壞，最后延伸到破壞行業(yè)形象，人才難以匯集。煤炭行業(yè)在為國民經(jīng)濟作出巨大貢獻的同時，也受到了社會的責難，付出了巨大的社會成本。

2000年世界采礦大會提出了“Everything begins with mining”（一切始于采礦）。采礦是一門既古老又現(xiàn)實的學科，沒有采礦就沒有資源（能源）。因此采礦工程必然要隨時代不斷發(fā)展與完善。對我們這樣的資源開發(fā)和利用大國，意味著應該對原有的采礦技術和理念進行一次重大變革，實行“科學采礦”是必然的選擇。為此，我們對“科學采礦”應該具有的內(nèi)涵進行了系統(tǒng)探索，顯然，完全成本是科學采礦的經(jīng)濟基礎。但完全成本影響價格，而價格和國家經(jīng)濟發(fā)展還存在最優(yōu)配置問題，因此完全成本不僅僅是行業(yè)問題。另外，煤炭企業(yè)間的不公平競爭使完全成本難以實現(xiàn)，企業(yè)的自然條件和區(qū)位存在很大差別，因此必須制定政策以實現(xiàn)各類企業(yè)的公平與平等競爭，這樣才有利于各類企業(yè)實現(xiàn)完全成本，為科學采礦奠定基礎。此外還有資源枯竭、企業(yè)轉產(chǎn)、資源優(yōu)勢如何轉變?yōu)榻?jīng)濟優(yōu)勢等問題。必須形成完整的適合我國國情的資源經(jīng)濟學，才能使企業(yè)實現(xiàn)完全成本，才能形成全新的采礦科學理念與技術體系。