采矿环境再造与矿业发展新思路

中󰀁国󰀁矿󰀁业

CHINAMININGMAGAZINE

󰀁Vol.16,No.4

April󰀁2007

󰀁环境󰀂保护󰀁

采矿环境再造与矿业发展新思路

周科平󰀁高󰀁峰󰀁古德生

*

(中南大学资源与安全工程学院󰀁湖南深部资源开发与灾害控制重点实验室󰀂长沙410083)

󰀁󰀁摘󰀁要:在分析采矿引起的环境负效应及其矿山工程系统特征的基础上,站在矿业可持续发展的高度,提出了 采矿环境再造!这一科学命题。深刻揭示了采矿科学的本质属性,从根本上打破了传统的采矿方法之间的界限,使人们在观念上转变对采矿技术革新的认识,是对采矿工业发展思路的有益探索。

󰀁󰀁关键词:采矿环境再造󰀁环境负效应󰀁矿山工程系统󰀁可持续发展

󰀁󰀁中图分类号:TD-05󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1004-4051(2007)04-0034-03

MININGENVIRONMENTREGENERATINGANDNEWTHOUGHTS

ONTHEDEVELOPMENTOFMININGINDUSTRY

ZhouKeping󰀁GaoFeng󰀁GuDesheng

(SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,

KeyLaboratoryofDeepMining&DisasterControlinHunanProvince󰀂Changsha410083)

󰀁󰀁Abstract:Basedontheanalysisofnegativedominoenvironmentaleffectsandcharacteristicsofminingengineeringsystem,andwiththesustainabledevelopmentofminingindustry,ascientificstatementof miningenvironmentregeneration!hasbeenputforward.It∀sprofoundlyrevealstheessentialpropertyofminingscienceandultimatelybreaksthelimitamongtheconventionalminingmethods.Itmakespeopletoconverttheirconceptionofminingtechnologyreformation.Itisabeneficialprobeintoanewthoughtonthedevelopmentofminingindustry.

󰀁󰀁Keywords:Miningenvironmentregenerating󰀁Environmentnegativedominoeffect󰀁Miningengineer󰀁ingsystem󰀁Sustainabledevelopment

󰀁󰀁曾一度走在科学发展最前沿的采矿业,在人类步入21世纪之初,便面临着巨大的机遇和挑战。一方面,现代高新技术的发展给世界采矿业带来了机遇,如矿山设备大型化、智能化,以及计算机技术和信息技术、生物溶浸技术等在矿业领域的应用,已成为矿业科技发展的源泉和动力。采矿科学技术正向着高效率采矿、无废害采矿、连续采矿、深部采矿甚至无人采矿等领域发展#1∃。但是,另一方面,在人们日益重视自身赖以生存的环境时,采矿业首当其冲成为人们关注和批评的焦点。矿业的无序开发,引起了全球性严重的环境负效应与生态问题,并造成了不少矿产资源严重短缺,给全球经济发展带来了严重的影响和危害。

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50490270),教育部博士点基金资助项目(20050533035)收稿日期:2006-11-14

作者简介:周科平(1964-)󰀁男󰀁湖南衡阳人󰀁教授󰀁博士生导师󰀁主要从事深部采矿与矿山岩石力学研究

从历史的角度来讲,采矿工业狭隘的承担了环境、社会以及经济的责任与义务#2∃,其外在化的代价往往证明了这一切。然而,采矿与环境之间的关系,并不是矛盾而不可调和的,由全球采矿业创新举措(GMI)所支持的关于采矿矿物和可持续发展(MMSD)项目及其2002年关于采矿与可持续发展推荐大会,让人们看到了全球采矿工业向可持续方向发展所迈出的重要步骤#3∃。虽然关于矿业的可持续性受到质疑#4∃,但是,不可否认,采矿科学的发展如同其它工业技术发展一样,同样处在历史的转折点上,世界采矿工作者们正在向着绿色、可持续矿业的发展目标努力着。

1󰀁采矿引起的环境负效应

人类从事采矿业已有数千年的历史,矿藏开采给人类带来了巨大财富,但是采矿过程所导致的环境破坏与污染,大大改变了地表形态、水体分布及地壳上部的渗流场、温度场、应力场等地球物理化学场的特征及状态,诱发各种各样的环境负效第4期周科平等:采矿环境再造与矿业发展新思路

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应#5∃。

(1)采矿引起的岩体环境负效应󰀁矿山地下开采形成的采空区及疏干排水,易引发地面塌陷、裂缝和沉陷、滑坡、泥石流等人为灾害。此外,采矿疏干、塌陷及矿山压力和地应力的释放,还易诱发地震。

(2)采矿诱发的水环境负效应󰀁表现在:%采矿揭露矿体,使有害元素直接进入水中;&采矿使不同成分的水相混合,使原来的优质水遭污染;∋矿业废弃物淋滤水成为富含有害物的污染水;(采矿附属厂排放 三废!,造成水质污染;)采矿对大气污染,造成酸雨等等。

(3)采矿诱发的生态环境负效应󰀁表现在:%生态景观遭破坏,矿山开采使矿地原有植被或草地消失,山体遭破坏,矿渣与垃圾堆置,最终形成一个与周围环境完全不同甚至极不协调的外观;&矿业废弃物占用大量土地和农田,并使土壤基质被污染,土壤结构变差,极不利于动植物的生存;∋生态景观的破坏及土壤基质的污染,等都将对矿地及周围地区的生物多样性造成致命打击。2󰀁采矿环境再造的基本概念

采矿工程是一个典型的环境再造过程,这项工程不仅要保证矿山开采安全,也要保证环境不遭到破坏。过去由于对采矿引起的环境恶化问题认识和重视不够,有些采矿技术存在着逻辑上的错误,因为它们被用于解决单一的彼此隔离的问题,没有考虑到那些必然的 副作用!,采矿只顾采矿,不顾及对地质环境的破坏。2󰀂1󰀁矿山工程系统的特征

随着人类社会文明的不断进步,许多新兴的工业和现代科学技术得到迅速的发展,而采矿业和采矿科学技术的发展却相对缓慢。传统的采矿设计采用的是经验类比法,靠 查手册!来进行开采方案的设计和确定采场结构参数,以致于长期以来,人们习惯地认为采矿只是一门工艺,而不是一门科学。造成采矿设计和技术落后的主要原因,是矿山工程系统是一个极其复杂的系统,其复杂性既在于开采结构的复杂性,也在于工程所处的环境与条件的复杂性。采矿技术的发展依赖于其它科学技术的发展,人们常说 上天容易入地难!,从某种程度上说明了矿山工程系统的复杂性。

(1)矿山工程系统的开放性

一个完整的矿山工程系统,包含了各种不同工程要素。这些要素自身之间或与其周围环境之间,不断进行物质、能量和信息的交换和传输,且以#6∃

流!的形式贯穿其间,既维持系统与环境的关系,又维持系统内部各要素的关系,形成一个动态的、成等级的、有层次的、可实行反馈的开放系统。其次,矿山工程系统是由一系列层次化的复杂子系统相互作用、相互联系构成的。这些子系统种类繁多,具有复杂的层次结构。

(2)矿山工程系统的复杂性

矿山工程系统的综合性和层次性,决定了矿山工程系统运动所涉及要素的多样性,众多的系统要素又决定了矿山工程系统是一个多变量的动力学系统。在动力学方程中,系统变量的多少决定了系统的维数,因此,多变量的矿山工程系统具有高维性。矿山工程系统的高维性(多维性),决定了矿山工程系统运动的复杂性。

对于矿山工程系统来说,整体稳定性是可以用一些观测手段加以观测和控制的,对于最低一层子系统∗∗∗例如单个岩块的几何性质和力学性质,用常规方法进行实验室测试,也是可以查清的。但是,对于中间层次∗∗∗在施工中的各种人为因素与主要地质因素间的相互耦合与动态变化,是不认识的,甚至连几个层次也不清楚。

(3)矿山工程系统的高度非线性

非线性是矿山工程系统的核心特征,也是造成矿山工程系统复杂性的根本原因。对于一个特定的矿山工程系统,我们往往无法确定它的运动方程,甚至系统方程中应包含哪些变量都难以确定,在这个复杂的动力系统中,某个变量的微变均有可能导致整个系统的剧变。

(4)矿山工程系统的自组织性

矿山工程系统自形成开始就在不停地演化,不停地形成着秩序,自组织性是耗散结构所特有的非平衡有序,一种宏观的尺度上的关联协同。另外,矿山工程系统不仅在空间上表现出有序性,而且在时间上也表现出周期性、节律性等时间有序性。同时,矿山工程系统的有序性,也说明了其自身固有的规律性。

综上所述,矿山工程系统的复杂特征,决定了对地下矿山工程系统的研究,必须采用复杂系统的理论方法。可以说,基于现代系统科学的思想,在复杂性科学的理论框架下,应用非线性理论和方法来描述、分析、模拟和预测空间系统的复杂动态行为,并构建新一代的高级分析模型,将是本世纪采矿工程科学研究的第三次革命。2󰀂2󰀁采矿环境再造的基本概念

狭义的 采矿环境再造!的含义是:以矿床赋36

中国矿业

第16卷

存环境做建筑环境,通过一定的技术手段,改造矿体赋存的地质环境,改善矿床开采的技术条件,以满足安全高效采矿的需要。广义的 采矿环境再造!,还包括矿山环境修复。2󰀂3󰀁采矿环境再造的内涵

(1)进一步揭示了采矿科学的本质属性

矿体的赋存环境因素主要有地应力、地下水和地温,此外还应包括活动断层。它们对岩体变形、破坏和岩体力学性质,具有重要的控制作用。地应力既可以改变岩体的力学性质,又可以改变岩体的稳定性。在矿体回采过程中,由于改变了岩体的应力状态,常引起采场产生变形和破坏。为了保持采矿工程的稳定性,常常采用支护措施防止产生变形和破坏,其主要机理就是改变开挖后的应力状态,使之尽量减少原始应力状态的破坏,减少主应力差,提高岩体的稳定性。地应力具有明显的三带性特点,即卸荷带、应力集中带及正常地应力带。地下水的作用也有两个,一是改变岩体的物理力学性质;二是构成岩体的环境应力:静水压力和动水压力。在深部矿床开采中,地温常常是深部采矿的一个重要控制因素。由于开挖通风,温度降低,岩体内的地应力亦产生降低,而更重要的是对采矿作业带来麻烦。因此,无论从过去还是将来,采矿过程其实质就是一个采矿环境再造过程,采矿方法和工艺的不同,其实质也就是采矿环境再造的方法和手段不同。

(2)重视矿山环境保护和环境修复

摒弃把单纯追求经济总量的增长作为衡量发展的唯一标志的传统发展观,主张经济、社会、资源、环境、人口之间相互协调发展,已成为当前人们的共识。

诚然,科学合理的开发矿产资源,不赞成单纯为了经济增长而牺牲环境的容量和能力,也不赞成单纯为了保护环境而不敢能动地开发自然资源。两者之间的关系可以通过有效调节和控制,以达到在经济发展水平不断提高时,也能相应地将环境能力保持在较高的水平上。如一些矿区构造 循环经济!、 生态补偿制度!、 工业生态园!、 全过程无害化控制!、 绿色化学体系!等举措,其根本目的都在维系人与自然之间的协调发展。近十多年出现的产业生态学,为实现采矿工业生产与生态环境和谐发展成为可能,采矿工业作为一个重要的而又污染严重的基础产业,及早接受工业生态经济学

#7∃

说,认真研究、实施向工业生态经济过渡,是一个十分紧迫的问题。

3󰀁采矿环境再造对推动采矿技术进步的意义

采矿环境再造!这一科学命题的提出,深刻揭示了采矿科学的本质属性,从根本上打破了传统采矿方法之间的界限,有利于促进采矿技术的进步和发展。

随着浅表资源的消耗殆尽,资源开采不断地在向深部发展。深部岩石所处的环境可概括为 三高!,即高围压、高温度和高空隙压力,并具有极强的时间效应,从而使得深部岩石的组织结构、力学特性和工程响应发生根本性的变化。用浅部开采条件下的地质作用特征和地压显现规律来推断深部开采地质状况,必然存在着巨大的风险。必须大力提倡 非传统采矿!,而 采矿环境再造!无疑是采矿技术创新和发展的源动力。4󰀁结语

传统的矿山开采活动所追求的目标是经济、高效、安全,即矿山首先以获得经济效益为前提,并未深入考虑其活动给社会环境带来的环境负效应;追求高效也是为了达到降低成本、增加效益的目的;安全则是一切生产活动的根本保证之一。 采矿环境再造!则是在强调上述3条原则的基础上,为了矿业的可持续发展,对社会效益与生态环境效益给予了足够的重视。从根本上对矿业开发技术进行检讨与变革,改变公众对采矿认为仅仅是 打洞、采石、出矿!的观念,而观念的转变,对于科学技术的进步也同样有着重大与深远的影响。

参考文献

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