采矿环境再造与矿业发展新思路

第16卷第4期 2007年4月

中 国 矿 业

C HINA MINING MA GAZINE

V o l.16,N o.4

A pril 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:T D-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 K eping Gao Feng G u Desheng

(Schoo l of R eso ur ces and Safety Eng ineering ,Centr al So uth U niv ersity ,

K ey L aborato ry of Deep M ining &Disaster Contr ol in Hunan P rov ince Changsha 410083)

Abstract:Based o n the analy sis of negative domino enviro nmental effects and cha racteristics of mining engineer ing sy stem,and with the sustainable development of mining industry ,a scient ific statement o f mining environment reg ener at ion !has been put fo rw ard.It ∀s pr ofoundly reveals the essential pro per ty o f mining science and ultimately br eaks the limit amo ng the conventional mining metho ds.It makes people to conver t their conceptio n o f mining technolog y refo rmatio n.It is a beneficial probe into a new tho ug ht o n the develo pment o f mining industr y.

Key words:M ining env ir onment r egenerating Env iro nment negative do mino effect M ining eng ineer ing sy stem Sustainable dev elo pment

*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

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。

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(GM I)所支持的关于采矿矿物和可持续发展(M M SD)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

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#6∃。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

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

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