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采矿会引起地面沉陷，地下水系破坏，排出大量矸石和有害气体，以及很多难以处理对环境有害的废弃物。
由于各地区生态环境的差别，保护开采后的环境费用（外部成本）也不同。
3）煤炭开采是高危行业。
我国大陆是由众多小型地块多幕次汇集形成，煤炭赋存地质条件复杂，由此带来了高地应力、高瓦斯、高地温等灾害，采动弓；
起的高应力动力现象难以预防，客观上容易发生严重事故。
煤矿井下作业环境又是人工开凿于地层的有限空间，有毒有害、易燃易爆气、固体（煤尘）的混入，人工调节十分困难，工作环境恶劣，属于高危行业，百万吨死亡率是衡量安全的重要指标。
因此井下工人越少越好，不应该将其视为解决劳动就业的场所，并且安全费用在成本中应该占很大比例。
统计表明，国有重点煤矿中，地质构造复杂或极其复杂的煤矿占36％，地质构造简单的煤矿只占23％；
水文地质条件复杂或极其复杂的煤矿占27％，属于简单的只占34％。
根据煤炭产业特点，煤炭企业管理首先遇到的问题是：
用于煤炭开采本身的成本仅占一部分，大量的费用是保护资源、环境和安全的外部成本。
管理不善成本中将不包括这些难以商品化的各项费用，使内部成本外部化——形成不完全成本和低廉的煤炭价格。
同时也使资源输出地承受外部成本而导致经济得不到发展，成为“资源陷阱”。
经济学提出“市场失灵”的一种表现是“外部性”一指一种消费或生产对其他由于消费或生产产生不反映在市场价格中的直接效应。
由于煤炭产业的特点，在管理失控情况下，乡镇煤矿为了扩大赢利空间和经济状况差的国有煤矿为了生存，就采取以牺牲安全、采肥丢瘦和破坏环境而获得低成本（如成本仅为55元／t，煤炭回收率为10％～15％，高死亡率），从而将内部成本转化为社会成本，而在同样条件下的国有重点煤矿生产成本达到150～250元／t，由此也形成了不公平竞争。
显然，采矿工程是以科学开采为基础，是以实现安全、保护资源和环境等全部为采矿工程学科的基础。
为实现科学开采所支付的总费用为完全成本。
3、科学采煤的主要方面
我国煤炭的开采量已经超过世界的1／3。
而且开采条件差别很大，因此在煤炭开采的科学与技术方面理应处在世界的前沿。
即不仅要达到世界水平，而且要解决世界上没有解决的问题。
实现科学采矿是采矿者的责任.实现煤炭科学开采的技术主要体现在以下几方面：
1）机械化开采以提高效率；
2）保护环境；
3）安全生产；
4）提高资源采出率；
5）采用先进科学技术以降低成本。
若不在这方面进行管理，必然不是科学采矿，而是在利益驱动下的野蛮采矿。
因此，煤炭工业的科学技术与管理就是要实现安全、清洁和节约生产的可持续发展。
3.1煤炭生产机械化
由于井下的工作环境，煤炭开采健康发展的重要标志是机械化，可降低劳动成本和百万吨死亡率。
高度机械化的矿井，劳动成本仅占2％～3％，中等可达12％～16％，差的占30％以上。
根据国有重点煤矿采煤机械化程度与百万吨死亡率统计表明[1]：
机械化程度和装备水平越低，安全情况越差，见图3。
图3
国有重点煤矿采煤机械化程度与百万吨死亡率关系
全国平均采煤机械化程度仅45％，国有重点为82.72％，乡镇煤矿几乎没有机械化开采，全国约有200万以上的矿工还在从事手工采煤。
由于地质条件复杂生产规模不同，因此需要各类机械满足采煤的要求。
驱动企业机械化的动力是不断提高的劳动和安全事故补偿成本。
3.1.1国有重点煤矿的高效生产
全国极少数矿井已建成世界一流的高产高效矿井，为煤炭工业作出了榜样。
1）神东矿区2005年产量达1亿t，职工总数7500人，全员工效119t／工，是美国平均水平41.73t／工的2.5倍，是国有重点煤矿3。
739t／工的31倍。
其中哈拉沟煤矿全员工效达到189t／工。
矿井控制系统实现了自动化。
2）我国研发的放顶煤开采技术在很多矿井实现了高产高效。
如兖州东滩煤矿年产原煤800万t，一井一放顶煤工作面，年产600万t，回采工效300t／工，原煤生产工效18～20t／工。
潞安王庄煤矿4326放顶煤工作面，最高月产量达35。
3万t。
潞安矿业集团，2003年产量1700万t，原煤生产工效13。
484t／工。
3）薄煤层开采取得了一定的进展。
辽宁铁法煤业集团使用国产的液压支架，德国DBT公司生产的刨煤机和电液控制系统，在煤厚1.5m时平均日产3712t，最高达6480t，生产能力可达120～150万t／a。
它也是实现薄煤层无人工作面开采的前奏庄田陈煤矿用国产综采设备开采1.1m的煤层，最高日产达3504t，基本达到了年产百万吨的能力。
新汶对薄煤层进行了钻采法试验，取得一定成效。
4）最近发展的短壁和房柱开采机械对提高矿井残留煤柱回收率有益。
3.1.2乡镇煤矿面临发展机遇
处在地方经济不发达的乡镇煤矿，在产权不清晰、管理不到位的情况下大量使用工资低廉的农民工，从而阻碍其发展机械化。
因此必须有有效管理办法，使其实行科学采矿。
因此机械化、自动化开采是矿业科学发展的根本性指标。
我国是煤炭资源和生产大国，必然要先进的煤炭机械以适应高雯机械化矿井的使用，而且要形成无人工作面开采技术，以便在特定条件下使用（如薄煤层；
在煤与瓦斯突出厚煤层本层采解放层等）。
缒着乡镇煤矿的整顿和走上正规化，必然需要发展各种能力与形式的采煤机械与我国复杂地质条件相匹配。
目前我国煤炭机械制造远远不能满足实际需要。
3.2煤炭开采环境保护
3.2.1认识、理念、基础和原则
1）认识：
①环境是一种资源自然环境是亿万年来自然力作用的结果。
破坏后很长时间得不到恢复，因而具有不可逆性。
矿产资源与土地、水、植被等环境要素紧密相关。
大规模地采矿将直接构成对环境的威胁和破坏。
②环境容量环境通过各种各样过程转化人类生产和消费产生废弃物的能力称为环境的自净能力。
2）理念：
根据矿产资源开发的正负价值两面性，应遵循自然规律，尊重自然意志，在人类向自然索取的同时，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。
3）基础：
开采对环境的影响直接与采动后岩体运动有关，没有岩层运动也就没有环境破坏，因此研究开采后岩层运动规律是保护矿区环境的基础，如图4所示。
图4煤矿开采安全、环境与岩层运动的关系
4）原则：
依靠科技进步力求在环境损害最小状态下达到最大的资源回收率。
即：
如何在损害环境最小的状态下取得最大量的资源：
（环境损害／单位资源）——最小。
过去由于环境资源没有进入经济系统的分析过程，导致环境不断恶化，环境资源稀缺程度不断提高，由此生产与环境协调的技术创新就成为社会的、甚至市场的必然需求。
因此，必须形成矿区环境容量和环境评价体系等计算方法。
3.2.2资源与环境协调的绿色开采体系
要实现资源与环境协调（绿色）开采，其技术途径有[2—3]：
1）实施保水开采技术进行水资源保护；
2）实施充填与条带开采技术以保护地表建筑物，同时实施塌陷区治理一土地复垦；
3）实施少出矸石技术（煤层巷道支护，矸石井下充填）；
或者矸石地面利用（制砖，作复垦材料等）；
4）全面实施瓦斯抽采一实现煤与瓦斯共采技术；
5）地下气化技术。
其技术体系如图5所示。
图5绿色开采技术体系
3.2.3瓦斯（煤层气）抽采
低透气性煤层气（瓦斯）是吸附在煤炭上难于采集、资源密集度低的伴生资源。
利用必然要进行的井下工程先采瓦斯，而后采煤以及利用岩层采动采集释放的瓦斯是最经济而有效的办法。
1）认识过程
瓦斯是灾害煤矿重大灾难源是瓦斯，因此对瓦斯的定义是：
矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。
瓦斯是能源1m3瓦斯的发热量为35.6ⅣU，相当于1.2kg标煤，可发电3～3.5kW·
h。
在陆上烟煤和无烟煤田中，埋深在300～2000m范围内的资源有31.46万亿m3，相当于天然气储量。
低透气性瓦斯是吸附在煤炭上难于采集、资源密集度低的伴生能源瓦斯大部分吸附于煤炭（80％～90％），游离瓦斯仅占5％～12％。
大部分煤层透气性低（0.005～0.1m2／MPa2·
d）很难抽离。
以瓦斯含量20m3／t煤计，相当于1000kg中含有24k标煤，全部发电价值仅为30～50元的伴生物，比吨煤的价值低几十倍。
2）治理和利用瓦斯的科学技术难点
瓦斯的解吸技术瓦斯在煤体上的吸附主要受压力和温度影响。
当压力减小或温度升高时，吸附瓦斯转化为游离瓦斯，形成解吸，因此如何形成瓦斯解吸的压力和温度环境?
另一办法是置换。
最近，美国在抽采瓦斯时，注入C02使瓦斯抽采量提高，有时产量可以增加10倍。
但co：
对采煤有什么影响?
回收技术采集的瓦斯，尤其是采空区中混有空气，其中氧气是危险的助燃物质，因而成为含氧煤层气，为输送和利用形成阻力，只能就地使用或放空。
因此低含量瓦斯的利用和提纯就成为关键技术。
目前在4方面进行研究：
变压吸附；
膜分离；
燃烧脱氧和低温精馏分离。
我国采用低温分离将瓦斯从含氧煤层气中分离和液化获得成功，问题还在成本。
对大部分低透气性煤层，即使瓦斯含量相对较高，其抽采难度和利用成本都不一定具备商业价值。
因此首先考虑的应该是解决安全和环境的社会效益。
3）两种抽采方式的争议
①“先地面采气，后地下采煤”：
条件是煤层气透气性好，在煤炭开采以前在地面钻井抽采瓦斯。
即使如此，一口井投资260万，日产气仅2000m3，抽采半径小。
一口天然气井日产量可达数百万m3，煤层气水平井在晋城也为2～3万m3／d。
地面采气40亿m3，投资120亿（3元／m3）还存在着很大风险。
②“先利用井下工程抽采瓦斯而后采煤”：
我国大部分煤层透气性极低，按照美国标准，地面抽采瓦斯时煤层透气性不得低于0.987毫达西，因此在我国大部分不能先在地面采集。
因此形成“利用必然要进行的井下工程抽采瓦斯而后采煤”是最经济而有效的办法。
其方法是在本层打排孔抽采，利用岩层运动解除应力抽采采空区和废弃矿井释放的瓦斯和回风井回收瓦斯技术。
这样采气15亿m3，投资仅为9亿（O.6元／m3，是地面采气的1／5），而且风险小。
应该说大量的瓦斯是由排风井排出的低体积分数（0.5％～1％）瓦斯，如何回收利用风排低含量瓦斯应该进行研究和试验。
以德国为例（煤与瓦斯共采）：
据1998年统计，德国全年煤矿瓦斯产量达10.7亿m3，其中：
生产矿井抽采3.72亿m3（36.5％），通风井回收4.67亿m3（45.8％），报废矿井回收1.8亿m3（17.6％），实质上包含了煤与瓦斯共采的3项技术。
3.2.4保护水资源
科学问题：
开采引起大范围岩层移动所形成的裂隙场的形态及其对地下水系渗漏、流动和对水资源和生态带来的影响。
我国水资源分布很不均衡，且水资源与煤炭资源成逆向分布。
≮概有70％的矿区缺水，尤其是“三西地区”缺水更为严重，大量使用也表水和地下水将对当地生态产生严重影响。
对于缺水地区，保护K资源将是煤炭开发与生产中的关键问题。
开采对水资源的影响随地区和上覆岩层隔水特性而异：
1）在一些地区可以进行河湖海下采煤，显然这些地区开采对水丈地质影响不大；
2）在一些地区（如我国东部）开采后地面形成水洼，说明上覆岩昙隔水良好；
3）在一些地区（如我国中西部）开采后地面形成塌陷，但并不积水。
此时就有可能造成水文地质的改变，甚至地下水的流失，而且影响植被和荒漠化几点认识：
1）保水开采必须研究开采后岩层运动对水文地质变化的影响。
2）在我国西北地区必须研究所开采的岩层是否有隔水带，开采对地下水的破坏形成的漏斗以及在降雨水后的恢复过程。
开采对岩层裂隙以及地形的改变，由此对地表水、地面植被以及地下水迳流的影响，甚至要研究再造隔水带的可能。
3）依此理论有助于明晰地下水是全部流失还是保存在更深的岩层内，形成地下储水层而后再利用。
3.2.5
减沉技术
减沉技术是力学研究的范围，长时间用统计的办法描述岩层沉降。
随着开采向深部发展，原有的办法已难以使用。
为此要形成开采影响预测、减沉技术的力学原则和一套设计方
法以解决控制对象（地面和建筑物等）和煤柱及充填体的稳定性。
采矿最大的环境破坏是地面沉陷，对我国东部地区，直接破坏良田。
其处理办法是：
复垦和减沉。
大量破坏的农田要依靠复垦解决。
而建筑物下则要依靠减沉一条带与充填开采解决。
建筑物下条带（充填）开采设计的原则是：
构建“条带煤柱（充填）2上覆岩层2主关键层”结构体系。
关键层理论对建筑物下开采设计的原则为：
判别上覆岩层中的主关键层位置，在对主关键层破断特征进行研究的基础上，通过设计条带煤柱（充填）或对覆岩离层注浆等技术手段，保证主关键层的破断和变形在建筑物允许范围之内，达到减沉目的。
我国东部地区，建筑物下的呆滞煤量很大，因此利用矸石和其他废弃物充填来置换煤炭势在必行。
在充填技术是成熟的技术。
煤矿研究的主题应该是如何降低充填成本和选择各类充填置换方法以换取最大的利益。
3.2.6矿井矸石处理与利用
由于煤矸石对环境的恶劣影响，应该首先实行矸石在井下处理。
其次是进行矸石利用。
从开采技术而言，要多开煤巷和发展矸石井下充填技术，随之而来就是如何应用矸石充填来置换煤炭，涉及到矸石充填的密实度、煤柱的稳定性和地面控制等问题。
煤矸石给自然环境造成的灾害主要表现在以下几个方面：
一是
大量占用土地面积；
二是对自然环境造成严重污染，煤矸石中的硫被露水浸湿后加速氧化过程，能引起煤矸石山的燃烧，生成S02等大量有毒有害的气体和粉尘，从而对周围的环境和地表水造成严重的污莱；
三是引发矸石山滑坡、崩塌等，造成地质灾害。
值得提出的是最近邢台等矿业集团，为了矸石不上井，用矸石在井下直接充填废旧巷。
他们于2004年自行设计与制造了井下巷道矸石输送机和井下巷道抛掷矸石后减少沉降的注浆充填机械，在煤矿井下处理矸石，对形成绿色矿山有重大意义。
认识：
鉴于全部充填将提高开采成本，因此矸石充填主要是解决环境保护问题，附带利用其置换煤炭。
应该研究矸石充填的密实程度对控制地面沉降的作用及其对煤柱稳定性的影响。
我国开采条件的多样性，导致煤炭“绿色开采技术”是永恒和必须的主题，也体现其复杂性与前沿性。
不仅要形成各项技术，而且要估算其在成本中的比例。
3.3煤矿安全生产
统计表明，乡镇煤矿占总死亡人数的70％，国有地方占15％，国有重点占15％。
顶板与瓦斯事故死亡人数约占J总死亡人数的70％左右，死亡人数中：
乡镇煤矿占70％以上，国有地方和国有重点各占10％以上，其中瓦斯事故国有重点较大。
2005年瓦斯死亡2157人，冒顶1995人，水害593人，运输559人。
2006年死亡4746人，百万吨死亡率为2.04，比2005年下降27.4％。
我国不同类型煤矿事故对比见图6。
图6我国不同类型煤矿事故的对比
安全是个系统工程，需要科学技术、劳动者和干部的素质和管理等方面的保障随着和谐社会的建设，矿工的劳动将一步得到尊重，待遇和安全费用都～会进一步增加，必然导致安全自然条件差矿井的关闭和发展高产高效矿井的建设。
我国煤矿事故最多的是乡镇小煤矿，而南方各省煤矿事故尤多，南方十省由于地质条件复杂，开采技术难度大，科技人员缺乏，煤矿机械化程度低，安全装备落后，矿井生产规模比较小，小煤矿居多。
南方十省煤炭产量2亿t，死亡却占全国的1／2。
湖南2003年生产煤炭4800万t，死亡600人，而兖矿出相近的煤，仅死亡6人。
2005年，我国197处煤炭产量6.3亿t，百万吨死亡率0.04。
根据煤层安全生产条件，有些矿井的安全费用在吨煤成本中达到52元。
据调查我国国有重点煤矿的安全欠帐曾高达689亿元。
显然，为了保证安全，必须根据矿井条件，安全费用在成本中必然占重要地位。
而且随着和谐社会的建设，矿工的劳动将一步得到尊重，安全的要求更高，若要使煤炭行业脱离高危行业，安全费用在成本中所占比例更高安全生产的决定因素是：
1）决定于煤层赋存的致灾条件；
2）决定于有否解决灾害的技术能力与装备；
3）劳动者和技术干部的素质；
4）行业与企业的经济环境与管理水平。
安全事故分易控和难控两类：
易控不安全因素目前面对大量的死亡事故是冒顶事故，从技术上只要开展机械化开采和推广支护质量检测可以顺利得到解决。
难控制的不安全因素煤层的赋存条件决定了煤矿开采时对安全控制的难易程度，如采矿的动态过程导致应力场的不断变化，高应力及其形成的能量是发生动力的根源，若遇到地质变异及小构造等地质缺陷时很容易发生事故；
高瓦斯且我国煤层透气性低，难于抽采。
因此对这类矿井必须开发有关的检测技术，使工作面前方一定范围（如30～50m）内应力、瓦斯、地下水和地质缺陷情况清楚，对可能产生的动力现象进行预测。
但这项科学技术是世界未解决的难题，安全生产的科学技术难点：
难控制的不安全因素除了瓦斯、粉尘、火等控制规律外，大部分
与岩层内的高应力场及其形成的能量和对煤岩体（地质缺陷体）以及瓦斯可能产生的动力影响有关，对此缺乏有效的预测、检测技术和控制手段。
3.4捷高资源回收率
煤炭及其伴生矿是经过勘探而获得，是上亿年形成的不可再生
奏薄，壹加以珍惜。
据测算我国目前煤炭资源回收率平均仅为30％，乡镇煤矿仅为10％。
共生、伴生矿的利用率只有20％左右。
其主要暴露是资源的廉价甚至无偿占有，例如，乡镇煤矿就是以损失资源来获取利润。
因此，提高煤炭资源回收应采取以下办法：
1）资源有偿使用
资源应该有偿使用，其价格应该根据煤层的赋存条件、开采及对安全控制的难易程度、对环境的影响和所在的区位而定，由此使煤炭企业之间得到公平竞争。
资源的廉价或无偿使用必然带来了浪费和效率低下，矿产资源开采粗放，鼓励了浪费资源的生产和消费方式。
另一方面资源资产化有利于实现因资源流失而得到的补偿。
实现资源有偿使用的关键要形成比较实用的评价体系。
2）要研制各种条件下开采方法及机械与装备
如薄煤层高效开采技术。
目前正规条件下采区回采率比较高（75％），但矿井回采率仅50％左右。
因此要发展边角煤柱的回采技术，如房柱和短壁开采等。
3）发展地下气化技术等回收残留煤炭。
4、完全成本与经济管理
4.1关于产能
产能应该是指在具有保证持续发展储量前题下，用高效、安全和环保的方法将资源最大限度采出的能力。
因此，产能意味着“资源、人、科学技术和装备”都必须到位，是综合能力的体现。
煤炭产量由2000年的10亿t到2005年的20亿t（乡镇煤矿占38％），5年增加10亿t，若按照科学采矿（安全生产、保护环境和保护资源）要求，目前科技力量、干部配备和机械化要求的综合能力最多只能满足1／2。
乡镇煤矿的“产能”在发达国家是不能实现的，它是以安全、资源和环境作为代价换取来的，只能作为补充。
显然，这样的“产能”不仅不可持续，还直接影响到整个行业的形象、社会地位和煤炭应有的价格。
若要在5～10a内实现科学采矿，除了资源量外，科学、技术、装备和人才都必须达到标准。
目前制订的规划大部分仅考虑资源。
4.2开采成本问题
实现科学采矿就是要解决煤炭开采中劳动保护、安全、环境和保护资源等问题。
而科学采矿的各项技术，绝大部分将增加生产成本，由此提出了完全成本（资源、环境、生态成本、转产成本再加上原有的“生产成本”）。
而完全成本的形成将随着对环境、安全等标准的提高和该地区对环境与生态经开采后的治理难度而变化。
显然‘‘完全成本也意味着科学采矿的实现”。
原有的乡镇煤矿将不复存在，从而影响着产能，企业成本的增加必然要影响市场价格。
实现此目的要解决：
1）如何使劳动保护、安全、环境和资源商品（价格）化。
2）如何根据由于条件差异付出的完全成本有很大差异进行分类管理。
3）如何确定对安全（百万吨死亡率）和环境与资源的保护程度和标准。
显然，标准要求越高则成本越高。
随着国家经济发展社会对资源、安全和环境等要求更严格。
例如：
安全成本有的矿达到52元／t，对一些难以治理的矿井可能还要大。
环境成本有人以榆林地区为例，按照开采对土地、水质、大气和又力资本的影响，2003年达到52.88亿元，合74.18元／t。
环境损失占当年GDP的18.83％。
表1是目前一般条件下部分高产高效机械化矿井的不完全成本构成，表中矿区成本是平均数，各矿的成本由176～353元／t。
由此成本可以看出安全费用占成本的12％，在一般条件下就可以使百万吨死亡率降低到0.06。
另外成本中虽然有安全和部分环境保护，但缺少资源的有偿使用、转产和大量的环境保护费用等。
工资在成本中比例高达30％。
根据上述有可能出现的完全成本，可以将煤矿分为A、B、C3类，各类可能估计的完全成本为200～400元／t，如表2所示。
在德国，煤矿地质条件复杂，劳动工资高，矿井安全保证（德国煤矿生产的事故率仅为每百万小时22起，低于建筑行业每百万小时40起事故的水平，与化工行业每百万小时王7起事故基本持平。
）和环境保护（应用充填技术）要求高。
在考虑完全成本后开采的吨煤价格高达110美元，而美国的开采成本仅为20美元，而市场价格为60美元。
过去德国政府每年为煤炭开采业提供25亿欧元作为补贴。
德国现政府认为这违背“市场经济规律”，虽然德国拥有2300亿t的煤炭地质储量，现有的最后8家煤矿将在2018年前关闭。
完全成本与不完全成本对煤炭价格和经济影响的对比见图7。
由此，若考虑科学采矿，大部分煤炭企业的完全成本就可能达到300～400元／t。
这与酝酿出台的有关煤炭产业政策将足额核算安全、资源、环境、劳动力和转产成本，在现有生产成本不分类普遍增加70～80元／t，两者基本接近。
若如此由于平均到港煤价为450元／t，这对于使完全成本达到350元／t开采条件的矿井就难以为继，或者无法实现科学采矿。
煤炭是我国主体能源，每年以上亿吨的产量递增，而且主要是依靠生态环境脆弱区位没有优势的中西部地区。
这样又如何实现科学采矿。
现实是：
在不完全成本下，煤炭行业尤其是国有企业本身也并不处于良好的经济环境下。
而对于西部，甚至中部，由于没有区位优势，增加运输成本，因此要保证科学采矿的完全成本就难以实现。
再加上很多国营企业历史遗留问题还未理清和完全解决，煤
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