“兩山”地區(qū)煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式研究與探討

何 團(tuán) 班思遠(yuǎn)

(河北工程大學(xué)礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北省邯鄲市，056038)

十八大以來，習(xí)近平總書記針對環(huán)境保護(hù)發(fā)表了一系列重要講話，他指出“要正確處理好經(jīng)濟(jì)發(fā)展同生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，牢固樹立保護(hù)生態(tài)環(huán)境就是保護(hù)生產(chǎn)力、改善生態(tài)環(huán)境就是發(fā)展生產(chǎn)力的理念，更加自覺地推動綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展，決不以犧牲環(huán)境為代價去換取一時的經(jīng)濟(jì)增長” “既要金山銀山，也要綠水青山”。我國首部綠色礦山建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《非金屬行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》( DZ/T 0312-2018)已于2018年10月1日起正式實施，規(guī)范提出在礦產(chǎn)資源開發(fā)全過程中，實施科學(xué)有序開采，對礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境擾動控制在可控范圍內(nèi)，實行礦區(qū)環(huán)境生態(tài)化、開采方式科學(xué)化、資源利用高效化、管理信息數(shù)字化和礦區(qū)社區(qū)和諧化的礦山。在生態(tài)文明建設(shè)的今天，煤炭資源開發(fā)必須要服從生態(tài)環(huán)境的約束，采動過程要以不破壞生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境為準(zhǔn)則，煤炭資源開發(fā)對“兩山”地區(qū)生態(tài)的干擾要以生態(tài)環(huán)境具備恢復(fù)和再造能力為底線，建立環(huán)境責(zé)任意識。

京津冀燕山、太行山地區(qū)是阻斷北京西北干旱和半干旱生態(tài)脆弱區(qū)沙漠化向首都地區(qū)侵襲的最后天然屏障，也是京津冀最重要的水源涵養(yǎng)地，同時還是京津冀固體礦產(chǎn)資源的主要分布區(qū)。太行山東麓以富鐵礦和煤礦為主，主要集中于邯鄲、邢臺兩市，煤礦資源與鐵礦資源主要分布在峰峰礦區(qū)、武安、磁縣等地；燕山南麓具有賦煤構(gòu)造帶，形成了開平煤田，煤炭資源主要分布于唐山市。礦業(yè)開發(fā)在為京津冀經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)的同時，也帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題，尤其是河北省燕山、太行山地區(qū)煤炭資源的開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的破壞較為突出，為實現(xiàn)“兩山”地區(qū)生態(tài)修復(fù)，因地制宜，將生態(tài)工程、礦業(yè)產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)新技術(shù)深度融合，多學(xué)科交叉，提出“兩山”地區(qū)煤炭型礦區(qū)基于充填開采的全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的破壞后修復(fù)向源頭防護(hù)的轉(zhuǎn)變。

1 煤礦區(qū)資源開發(fā)引發(fā)的主要生態(tài)與社會問題

1.1 煤矸石占地

煤矸石是采煤和選煤過程中排放的低碳含量的固體廢物，每年排放量占當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的10%～15%。據(jù)初步統(tǒng)計，我國現(xiàn)有煤矸石山1600余座，我國平均每年新增排放矸石約3.0×108t，壓占土地面積3～4 km2以上，嚴(yán)重擠壓了我國城鄉(xiāng)建設(shè)用地。目前，我國煤礦開采產(chǎn)生的煤矸石堆積于地層表面，大量地侵占了土地。

1.2 地表塌陷

根據(jù)2017年中科院《全國采煤沉陷區(qū)搬遷改造政策及綜合治理規(guī)劃前期研究》數(shù)據(jù)表明，我國共有23個省(市區(qū))、151個縣(市區(qū))分布有采煤沉陷區(qū)，采煤沉陷區(qū)面積約為2萬km2，部分資源型城市塌陷面積超過了城市總面積的10%。目前我國采煤沉陷區(qū)涉及城鄉(xiāng)建設(shè)用地4500～5000 km2，涉及人口2000萬人左右。

采煤沉陷區(qū)破壞覆巖和地表完整性，使巖層失去隔水性和密閉性，橫向流動的水系變?yōu)榭v向滲漏，導(dǎo)致地面河流及泉水干涸，地下水資源枯竭，水資源和水生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞。

1.3 大氣污染

煤矸石緩慢自燃、風(fēng)化揚塵嚴(yán)重污染了大氣及周邊環(huán)境。煤矸石長期堆存時，經(jīng)空氣、水的綜合作用，產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)和生物變化，發(fā)生自燃而釋放包括SO2在內(nèi)的大量有毒有害氣體，破壞礦區(qū)生態(tài)，容易誘發(fā)居民呼吸道疾病和癌癥。煤礦開采產(chǎn)生的廢氣以及運輸過程中的揚塵都會直接影響到礦區(qū)周圍的環(huán)境，不僅使礦區(qū)周圍的地表植被受到破壞，而且地表植被破壞后帶來的荒漠化土地也會進(jìn)一步加劇大氣中的揚塵，其中含有的CO、SO2、NOx等有害氣體會直接影響礦區(qū)周圍居民的身體健康。

1.4 破壞人居環(huán)境

煤炭資源的開發(fā)嚴(yán)重破壞地表生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人居條件，造成農(nóng)田無法耕種、水土流失加劇、礦區(qū)生態(tài)嚴(yán)重失調(diào)，給當(dāng)?shù)孛裆鷰順O大影響。堆積的煤矸石經(jīng)過自然降雨的沖刷，造成重金屬離子及有毒有害物質(zhì)進(jìn)入地表水，危害水體安全。部分煤礦企業(yè)還因煤炭開采需求，提前進(jìn)入壓煤村莊地下進(jìn)行開采，造成壓煤村莊未搬先塌，群眾房屋斷裂、傾斜、倒塌現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝罕姷纳敭a(chǎn)安全，地礦雙方糾紛不斷，增加了不穩(wěn)定因素，影響了社會和諧發(fā)展。根據(jù)華北某礦區(qū)統(tǒng)計結(jié)果，村莊稠密的平原礦區(qū)，每采出1000萬t煤炭需遷移約2000人，塌陷區(qū)村莊搬遷絕大部分位于城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)以外且交通不便，基礎(chǔ)設(shè)施投入需求普遍較大，并且采煤塌陷土地破壞賠償費及村莊搬遷費隨著時間發(fā)展呈遞增趨勢，生產(chǎn)企業(yè)的負(fù)擔(dān)也在逐年加重。

2 煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的傳統(tǒng)模式

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)已形成一些行之有效的方法和模式，一般按照因地制宜的原則，宜農(nóng)則農(nóng)、宜漁則漁、宜建則建[1-3]。

2.1 農(nóng)林復(fù)墾模式

采煤沉陷造成耕地?fù)p壞、甚至無法耕種的地區(qū)，其綜合治理首要考慮保護(hù)和恢復(fù)耕地農(nóng)業(yè)種植，采用疏排法、就地取土法、挖深墊淺法、固體廢物充填法等復(fù)墾方法。

2.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖和水庫蓄水模式

對于水源充足、水質(zhì)好的封閉采煤沉陷積水區(qū)，可發(fā)展養(yǎng)魚、養(yǎng)鴨、魚鴨混養(yǎng)或者水產(chǎn)加工等養(yǎng)殖業(yè)，合理配置，綜合開發(fā)。例如河南永城礦區(qū)大力發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖，安徽淮南、淮北礦區(qū)、江蘇徐州礦區(qū)等利用地表塌陷區(qū)建設(shè)水庫。

2.3 生態(tài)建設(shè)模式

隨著人們越來越重視可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，景觀生態(tài)再造技術(shù)也逐漸應(yīng)用到采煤沉陷區(qū)治理中，常見的有觀光農(nóng)業(yè)利用、工業(yè)旅游和生態(tài)旅游開發(fā)以及其他休閑旅游開發(fā)利用模式。可將采煤沉陷區(qū)建成集生態(tài)保護(hù)、旅游度假、休閑娛樂為一體的城市中央生態(tài)公園。例如江蘇徐州賈汪礦區(qū)經(jīng)生態(tài)修復(fù)將多年開采形成的采煤沉陷區(qū)變成潘安湖國家濕地公園，河北唐山開灤礦區(qū)建成南湖國家城市濕地公園。

2.4 新能源產(chǎn)業(yè)模式

在采煤沉陷區(qū)推行風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及農(nóng)光互補、漁光互補等多種新能源綜合產(chǎn)業(yè)模式。例如安徽淮南礦區(qū)、江蘇中煤大屯礦區(qū)建成漂浮式光伏電站，山東新泰礦區(qū)、山西大同礦區(qū)建成光伏發(fā)電示范基地。

這些方法雖然卓有成效，但都是先破壞后治理的模式，生態(tài)環(huán)境一旦破壞，短時間內(nèi)很難恢復(fù)到原有水平。此外，許多重要建(構(gòu))筑物、地面和地下水系及重要生態(tài)環(huán)境應(yīng)重點保護(hù)，不允許破壞，這給礦區(qū)生態(tài)修復(fù)帶來新的挑戰(zhàn)。

3 煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式

煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式以充填綠色采煤技術(shù)為基礎(chǔ)。充填綠色采煤技術(shù)的核心是在采煤過程中將廢棄物料充填至采空區(qū)，通過煤與充填物料的體積置換，實現(xiàn)控制頂板和上覆巖層運移，以最小的生態(tài)擾動獲取礦產(chǎn)資源，把對生態(tài)環(huán)境的影響限制在可控范圍之內(nèi)，主動保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[4-6]，傳統(tǒng)垮落法開采與充填開采對生態(tài)破壞對比如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)垮落法開采與充填開采對生態(tài)破壞對比

我國從開始探索充填綠色開采以來，主要經(jīng)歷了幾個重要階段：20世紀(jì)50年代起步，開始發(fā)展廢石干式充填；20世紀(jì)60年代，轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑旨壩采八Τ涮?、碎石水力充填和混凝土膠結(jié)充填為主體；之后的20年開始細(xì)化，探索出細(xì)砂膠結(jié)充填技術(shù)；進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著技術(shù)的提升和對環(huán)境保護(hù)的需要，廣泛推廣應(yīng)用全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)、塊石砂漿膠結(jié)充填、碎石水泥漿膠結(jié)充填和膏體泵壓輸送膠結(jié)充填等諸多新技術(shù)，這些方法促進(jìn)了我國充填開采技術(shù)的進(jìn)步與采礦工程的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著綠色礦山的提出，充填綠色開采技術(shù)迅速發(fā)展，工藝技術(shù)日趨完善，裝備材料系統(tǒng)配套，產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合，形成了多種靈活多變的充填方式，建立了完整的充填綠色開采技術(shù)體系。

目前，我國煤礦應(yīng)用的充填開采工藝與技術(shù)主要有固體充填開采、膏體充填開采和高水材料充填開采。充填開采作為礦區(qū)生態(tài)建設(shè)的重要技術(shù)手段，已然成為我國煤炭工業(yè)發(fā)展的主題，是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)涵。21世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者主要在智能化充填、利用充填開采建設(shè)煤礦生產(chǎn)全過程生態(tài)礦山、研發(fā)創(chuàng)新新型充填材料、利用充填開采服務(wù)城市公益事業(yè)等領(lǐng)域開展科技攻關(guān)。

在深入研究生態(tài)環(huán)境對開采行為容忍度的基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)一步研發(fā)并創(chuàng)新充填開采技術(shù)，提出礦產(chǎn)資源開發(fā)的三原則，即煤礦生產(chǎn)和礦區(qū)生態(tài)同時設(shè)計，嚴(yán)格地表沉陷范圍的邊界條件，生態(tài)保護(hù)理念貫穿生產(chǎn)全過程。以三原則為執(zhí)行依據(jù)，將充填綠色開采方式貫穿礦井設(shè)計、生產(chǎn)、改造的全過程，精準(zhǔn)設(shè)計“兩山”地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)形式，形成“兩山”地區(qū)基于充填開采的全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式[4-6]。

煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式打破了以往先破壞后治理的模式，通過控制巖層運動防止地表沉陷，實現(xiàn)以最小的生態(tài)擾動獲取煤炭資源，把對生態(tài)環(huán)境、水土資源和基礎(chǔ)設(shè)施等影響限制在生態(tài)環(huán)境對開采行為容忍度可控范圍之內(nèi)，使煤炭開采和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)共融發(fā)展，能夠主動治理采煤沉陷區(qū)、預(yù)防生態(tài)損傷[4-6]。

4 煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式完全成本理念

根據(jù)可持續(xù)發(fā)展理論和利益相關(guān)者等理論的闡述可知，煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式具有良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前，礦山企業(yè)普遍以傳統(tǒng)的成本-收益法對煤炭開采實際發(fā)生的生產(chǎn)經(jīng)營成本進(jìn)行衡量，這是煤炭資源開發(fā)的不完全成本。實際上，煤炭資源開發(fā)成本不僅包括實際發(fā)生的生產(chǎn)經(jīng)營成本，還應(yīng)包括社會成本、環(huán)境成本等[7-9]。

煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式相較于傳統(tǒng)開采模式而言，節(jié)約了社會成本和環(huán)境成本，可以看作是煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式的社會效益和環(huán)境效益。煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式實際發(fā)生的生產(chǎn)經(jīng)營成本包括充填物料費、充填設(shè)備折舊、充填電費、充填人工費等。煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式也為煤礦帶來社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，包括為企業(yè)節(jié)約大量矸石運輸處理費用、煤矸洗選費用等各項費用和生態(tài)補償性收費。煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式以煤炭開采完全成本進(jìn)行計量、考核，計量要素包括生產(chǎn)經(jīng)營成本、社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。根據(jù)“兩山”地區(qū)開采實踐，以完全成本計，煤炭型礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式效益顯著。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國礦山企業(yè)對充填開采經(jīng)濟(jì)可行性具有簡單、直觀的認(rèn)知，充填開采滿足以下條件之一時，充填開采在經(jīng)濟(jì)上是可行的，即充填增加的成本小于或大致接近政策成本、環(huán)保費用、搬遷費用、資源枯竭破產(chǎn)引起的附加成本時，應(yīng)用充填開采經(jīng)濟(jì)可行，如新建礦山不允許設(shè)立永久矸石山，山西部分地區(qū)強制礦山消滅矸石山，這無疑大幅度提高了政策成本，使充填開采技術(shù)工藝有了推廣應(yīng)用的空間；高產(chǎn)高效礦井盈利能力強，經(jīng)濟(jì)效益顯著，能夠消化充填開采增加的噸煤成本。

5 “兩山”地區(qū)煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式應(yīng)用調(diào)研

根據(jù)調(diào)研，京津冀兩山“地區(qū)”邢臺礦、邢東礦、新屯礦、羊東礦、云駕嶺礦、郭二莊礦、東龐礦、唐山礦、錢家營礦9個煤礦應(yīng)用了全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式。

目前固體充填技術(shù)已在冀中能源集團(tuán)邢臺礦、邢東礦等多個礦井，15個工作面成功應(yīng)用，截至目前，共開采煤炭408.8萬t，充填矸石或粉煤灰398.4萬t。冀中能源股份有限公司邢臺煤礦及邢東煤礦應(yīng)用煤炭型礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式長達(dá)10余年，生態(tài)保護(hù)性開采觀念深入貫徹，形成了成熟的運行與管理模式，推動了礦井的長期穩(wěn)定發(fā)展，已成為標(biāo)志性的生態(tài)礦井，得到同行業(yè)的高度認(rèn)可，是煤炭企業(yè)認(rèn)識、學(xué)習(xí)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式的重要示范基地。

全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式已在“兩山”地區(qū)多座煤礦得到成功應(yīng)用，達(dá)到了控制地表沉陷、保護(hù)地下水源、處理固體廢棄物、涵養(yǎng)地表水源等預(yù)期生態(tài)效果，起到了示范引領(lǐng)作用，為“兩山”地區(qū)大范圍推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，提供了有益借鑒。

近年來充填開采技術(shù)不斷創(chuàng)新，充填能力持續(xù)增強，充填開采設(shè)計新理念、新思路不斷涌現(xiàn)，在城市固廢處理、礦區(qū)生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域取得了更廣泛的應(yīng)用，加速形成了“兩山”地區(qū)煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式，擴展了全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式的內(nèi)涵。

6 煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式的推廣思路

我國煤炭工業(yè)具有礦井?dāng)?shù)量多、分布廣、資源賦存條件多樣、開采手段復(fù)雜等特點。私有制礦山、集體所有制礦山、國有礦山交錯林立，這些礦山在生產(chǎn)能力、技術(shù)裝備、資金投入等方面千差萬別，從客觀上提高了全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式推廣的難度。國有大中型礦井對全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式相對陌生，對全過程生態(tài)保護(hù)性開采與礦井煤炭產(chǎn)出效率之間的關(guān)系存在錯誤認(rèn)識，害怕影響礦井產(chǎn)量而對生態(tài)保護(hù)性開采模式推廣積極性不足。私有中小型礦井迫于環(huán)保壓力，對全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式有需求，但是由于存在技術(shù)手段落后、資金能力不足、技術(shù)人員短缺等原因，全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式應(yīng)用推廣困難。因此，需要進(jìn)一步加大煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式多樣性研究，擴大其在不同所有制、不同井型礦井中的應(yīng)用[9-10]。

建議應(yīng)從政策導(dǎo)向、資金支持等方面入手，制定相關(guān)政策，因企制宜，建立以地方政府扶植、地方煤炭龍頭企業(yè)為中心的試點，以點帶面帶動中小型煤炭企業(yè)，大型礦井協(xié)助中小型礦井推廣應(yīng)用全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式，培訓(xùn)或委派工程技術(shù)人員，全面擴大煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式的應(yīng)用范圍[10-12]。

7 煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式應(yīng)用展望

煤礦充填開采技術(shù)作為綠色開采技術(shù)體系的重要組成部分，是煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的重要手段。充填開采技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以大量減少煤矸石的外排，還可以將粉煤灰、尾礦、城市建筑垃圾等作為充填材料加以利用，能夠有效降低煤炭開采對城市水資源、土地資源及空氣的污染。此外還可以減少煤炭資源浪費，提高煤炭資源回收率，有效保護(hù)煤炭資源。各高等院校、科研院所、煤礦企業(yè)等積極探索并實施了煤矸石等固體材料充填、(似)膏體材料充填、(超)高水材料充填等多種充填工藝技術(shù)，煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式的內(nèi)涵不斷豐富，適用范圍不斷增強，在全國范圍的認(rèn)可度不斷提升。

總體來看，加快綠色礦山布局，倡導(dǎo)生態(tài)保護(hù)性開采，在京津冀“兩山”地區(qū)推廣全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式，從源頭降低煤炭開采引發(fā)的生態(tài)損傷，應(yīng)進(jìn)一步加快煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式配套技術(shù)的發(fā)展速度，增強政策支持。長遠(yuǎn)來看，煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護(hù)性開采模式具有較為廣闊的應(yīng)用前景。