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采矿环境再造与矿业发展新思路
2011-07-27
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。
  第 16 卷 第 4 期 2007 年 4 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol. 16 , No. 4 April 2007     环 境 分 保 护 3 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 发 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 MINING ENVIRONMENT REGENERATING AND NEW THOUGHTS ON THE DEVELOPMENT OF MINING INDUSTRY Zhou Keping Gao Feng Gu Desheng ( School of Resources and Safety Engineering , Central South University , Key Laboratory of Deep Mining & Disaster Control in Hunan Province 发 Changsha 410083)   Abstract : Based on the analysis of negative domino environmental effects and characteristics of mining engineering system , and with the sustainable development of mining industry , a scientific statement of “ mining environment regeneration” has been put forward. It’s profoundly reveals the essential property of mining science and ultimately breaks the limit among the conventional mining methods. It makes people to convert their conception of mining technology reformation. It is a beneficial probe into a new thought on the development of mining industry.   Key words : Mining environment regenerating Environment negative domino effectMining engineer2 ing system Sustainable development   曾 一 度 走 在 科 学 发 展 最 前 沿 的 采 矿 业 , 在 人 类 从 历 史 的 角 度 来 讲 , 采 矿 工 业 狭 隘 的 承 担 了 环 〔 2〕 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 、 境 、 社 会 以 及 经 济 的 责 任 与 义 务 , 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 〔 1〕 〔 3〕 深 部 采 矿 甚 至 无 人 采 矿 等 领 域 发 展 。 但 是 , 另 一 方 向 发 展 所 迈 出 的 重 要 步 骤 〔 。 虽 然 关 于 矿 业 的 可 4〕 持 续 性 受 到 质 疑 , 但 是 , 不 可 否 认 , 采 矿 科 学 的 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 。 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 3 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50490270) , 教 育 部 博 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 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 3 5 第 4 期 周 科 平 等 : 采 矿 环 境 再 造 与 矿 业 发 展 新 思 路 〔 5〕 。 应 “ 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 。 ( 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 : ① 采 (2) 矿 山 工 程 系 统 的 复 杂 性 矿 揭 露 矿 体 , 使 有 害 元 素 直 接 进 入 水 中 ; ② 采 矿 使 不 同 成 分 的 水 相 混 合 , 使 原 来 的 优 质 水 遭 污 染 ; ③ 矿 业 废 弃 物 淋 滤 水 成 为 富 含 有 害 物 的 污 染 水 ; ④ 采 矿 附 属 厂 排 放 “ 三 废 ” , 造 成 水 质 污 染 ; ⑤ 采 矿 对 大 气 污 染 , 造 成 酸 雨 等 等 。 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 。 ( 3) 采 矿 诱 发 的 生 态 环 境 负 效 应 表 现 在 : ① 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 ; ② 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 ; ③ 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 。 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 。 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 (3) 矿 山 工 程 系 统 的 高 度 非 线 性 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 。 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 。 211 矿 山 工 程 系 统 的 特 征 (4) 矿 山 工 程 系 统 的 自 组 织 性 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 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 。 〔 6〕 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 212 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 3 6 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 。 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 。 2 13 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 。 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 ( 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 。 〔 〔 〔 1〕 古 德 生 . 地 下 金 属 矿 采 矿 科 学 技 术 的 发 展 趋 势 [J ]. 黄 金 , 004 , 25 (1) : 18 - 22. 2〕 A. W. 克 拉 格 . 可 持 续 发 展 是 采 矿 工 业 的 机 遇 还 是 危 机 J ]. 国 外 金 属 矿 山 , 1999 (5) : 1 - 9. 2 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 [ 3〕 Adisa Azapagic. Developing a frame work for sustainable de2 velopment indicators for the mining and minerals industry [ J ]. Journal of Cleaner Production , 2004 (12) : 639 - 662. 〔 〔 4〕 Andy Whitmore. The emperors new clothes : Sustainable mining [J ]. Journal of Cleaner Production , 2006 (14) : 309 - 314. 5〕 桂 祥 友 , 马 云 东 . 矿 山 开 采 的 环 境 负 效 应 与 综 合 治 理 措 施 [J ]. 工 业 安 全 与 环 保 , 2004 , 30 (6) : 26 - 28. 〔 6〕 蔡 美 峰 . 岩 石 力 学 在 金 属 矿 山 采 矿 工 程 中 的 应 用 [J ]. 金 属 矿 山 , 2006 (1) : 28 - 33. 〔 7〕 的 产 业 生 态 学 , 为 实 现 采 矿 工 业 生 产 与 生 态 环 境 〔 7〕 T. E. Graedel , B. R. Allenby. 产 业 生 态 学 ( 第 二 版 ) 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 [ M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 2004.
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