山西省關停礦山的綠色轉型發展能力評價研究

張百勝，楊永康，孫 潔

(太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024)

近年來，隨著經濟發展進入新常態，我國大力推動供給側改革，開展煤炭去產能，優化產業經濟結構。隨著煤炭去產能工作的深入推進，形成了大量的關停煤礦。關停礦山賦存有大量閑置資源，對閑置資源進行開發利用，培育發展替代產業，推進關停礦山綠色轉型發展，對促進山西資源型地區經濟轉型和高質量發展具有重大的意義。

早在20世紀，國外就進行了關停礦山再利用的研究與實踐，主要集中在歐美發達國家。如德國的魯爾礦區是資源型城市轉型的典范，該地區在關停煤礦區域創建了獨具特色的魯爾工業文化區[1]；美國南達科他州布萊克山廢棄金礦的地下空間被用于提供粒子物理前沿領域的暗物質直接探測實驗等重大研究課題所需要的深地低輻射環境[2]。亞洲范圍內，韓國的SONG et al[3-4]通過對韓國部分廢棄礦井的實力研究，評估了廢棄礦洞發展風力發電、光伏發電的潛力，以此進一步探索利用可再生能源實現廢棄礦區可持續發展的可能性。

國內關停礦山轉型發展的研究和實踐成果逐漸增多，指導了山西關停礦山的轉型發展。袁亮系統闡述了我國關停礦山資源開發利用需解決的科學技術問題，并在此基礎上提出我國關停礦山資源精準開發的主要方向，包括調研可利用空間資源、殘余煤炭氣化利用、非常規天然氣開發利用、礦井水資源智能精準開發、油氣儲存與放射性廢物處理、地下空間抽水蓄能發電、可再生能源開發利用、生態修復與接續產業培育以及工業旅游開發等[5]；謝和平調研了我國煤礦地下空間容量，建立了煤礦地下空間的估算方法，并系統提出了礦產資源再利用、地熱資源利用、太空科學模擬、心理學科學探索等地下空間開發利用的構想[6]；汪秋菊對廢棄礦區旅游開發條件進行了研究，建立了主成分分析模型，得出了中國廢棄礦區旅游開發環境省域差異較大，從空間分布格局上來說，東部最好、東北次之、中部第三、西部最弱[7]。

我國在關停礦山開發利用實踐方面已取得一定進展，部分較成功的案例如表1所示。全國已建成很多著名的礦山地質公園，比較著名的有4A級景區湖北黃石國家礦山公園、上海辰山植物園礦坑花園、江蘇象山國家地質公園等，這類基于廢棄礦山轉型的公園普遍具有較強的工業遺跡文化及歷史特色，便于實現對采煤技術的探索及發現。我國淮南礦區經過實地調查、開采沉陷預測和理論分析的前提下，結合礦區的有利條件，把塌陷區改建成蓄水水庫。江蘇常州的金壇地區，成功將3口廢棄鹽巖溶腔改造成地下儲氣庫，形成近5 000萬m3的工作氣量[5]。特別值得一提的是利用廢棄的采石礦坑建成的上海世茂深坑洲際酒店，依附采石深坑崖壁，就勢而建，美國國家地理雜志將其稱為“世界建筑奇跡”。

表1 國內關停礦山開發利用案例Table 1 Development and utilization cases of mines closed in China

1 山西關停礦山轉型發展模式及問題

1.1 轉型發展現狀及模式

1.1.1轉型發展現狀

2000年以來，山西省煤炭行業經歷了小煤礦關閉整頓、資源整合、兼并重組以及去產能等數次改革后，煤礦數量從9 800余座逐步減少至如今的970座，詳見圖1、圖2。礦井關閉或廢棄后，仍賦存著多種巨量的可利用資源。根據謝和平院士等人構建的山西省煤礦規模與其井巷可利用地下空間量的比例系數[6]，結合山西省政府發布的煤炭行業化解過剩產能關閉退出煤礦名單計算得出，2016年至2019年4年間，山西省關停煤礦共產生1 005.6萬m3的地下空間。山西省具有開發利用價值的煤炭采空區面積大約有2 052 km2，殘余可利用的煤層氣資源量大約為726億m3[8].此外關停煤礦區域還具有豐富的礦井水資源、地熱資源、土地資源和旅游資源等。山西省關停礦山轉型發展尚處于起步階段，目前實踐較少，模式主要集中在礦山公園建設、煤層氣開發利用、壓縮空氣儲能電站以及光伏電站建設方面，如表2所示。

表2 山西省關停礦山開發利用案例Table 2 Development and utilization cases of mines closed in Shanxi province

圖1 山西省煤礦數量變化Fig.1 Quantity change of coal mines in Shanxi province

圖2 十三五期間山西省關閉退出煤礦情況Fig.2 Closure and withdrawal of coal mines in Shanxi province during the 13th Five Year Plan

1.1.2綠色轉型發展模式研究

1)旅游+文化，構建綜合型旅游景區

在山西省旅游業連年增長，形勢向好的背景下，將關停礦山與旅游產業結合，以關停礦山生態修復為依托，將山西文化與廢棄資源利用相結合，通過保護和展示采礦、地質遺跡、生態景觀修復與提升，開發休閑體驗旅游項目，打造具有當地文化特色的礦山公園，構建功能豐富的綜合型旅游區，同時帶動周邊資源的優化利用，配合山西已形成的旅游資源，建立有山西資源特色的文化、工業、生態旅游路線，塑造新旅游品牌。

2)井下抽水蓄能、壓縮空氣蓄能(CAES)電站

井下抽水蓄能、壓縮空氣蓄能電站主要是利用廣闊的井下空間儲存水或者壓縮空氣，將機械能轉化為電能發電，不產生環境污染，對生態環境十分友好。

抽水蓄能發電站的工作原理是：當電力負荷低谷時，用電能驅動水泵，將下水庫的水抽到上水庫存儲，蓄積重力勢能；當電力負荷高峰時，上水庫根據電網調度計劃規律性放水，水借助地勢差沖到下水庫，重力勢能驅動水輪機轉動再次轉化為電能。抽水蓄能工程必須具有兩個不同高程的水庫，即上水庫和下水庫，對關停煤礦來說，建設抽水蓄能電站有著得天獨厚的優勢。對井下巷道和采空區進行防漏處理，改造井下壩體，即可建成地下水庫，而地下水庫與地面有充足的高程差，非常適合作為下水庫，高水位差使得在枯水期上水庫水位較低時也不影響發電。

壓縮空氣蓄能電站的工作原理是：當電力負荷低谷時，通過壓縮空氣蓄能系統，利用電能將空氣壓縮并儲存于固定的儲氣室中；當電力負荷高峰時釋放空氣，高壓空氣進入燃氣輪機燃燒后驅動汽輪機輸出電能。壓縮空氣蓄能電站必須要固定的空間來儲存壓縮空氣，同時需要利用壓縮空氣蓄能系統，包括壓氣機、儲氣裝置、燃燒室及換熱器、渦輪機以及電動機。壓縮空氣蓄能電站具有啟動時間短、儲存周期長、投資和運行成本較低、安全和可靠性高等優點。廢棄礦井改造壓縮空氣蓄能電站的技術要點在于，第一對關停煤礦地下閑置硐室壁進行加固密封，提高硐室密封性，形成地下密閉空間作為壓縮空氣儲藏空間；第二考慮關停煤礦存在瓦斯及地下水等對壓縮空氣的影響，需要安裝瓦斯抽取裝置、瓦斯濃度傳感器以及抽水水泵并設置儲水槽。另外還需安裝測壓裝置和恒溫加熱裝置以提高壓縮空氣的能量。

井下抽水蓄能、壓縮空氣蓄能電站不占用土地，可以為開發者省去基礎設施投資，僅需要對儲水/儲氣空間進行防漏、加固處理和購置設備，節約大量建設資金，并且能夠通過國家峰谷電價差政策獲得可觀的經濟收益。

3)生態光伏(PV)

山西省光照充沛，關停礦山有大面積的閑置土地資源，根據其地理位置和地質條件情況，可將生態恢復治理與關停礦山的開發利用結合起來同時一地多用，建設光伏電站，合理嫁接復耕復農等農業項目，光農互補，實現一舉多得的綜合開發利用轉型模式。

關停礦山生態光伏電站的基本思路為：對土地進行綜合治理，創造適宜農墾的地質條件；利用廣闊的土地面積布置太陽能電板；布置光伏組件時預留給農業種植、養殖需要的空間；光伏電站建設完成后，選擇適宜的農作物進行種植；可配合光伏帶動水泵進行灌溉。圖3為關停礦山的生態光伏思路示意圖。

圖3 關停煤礦生態光伏示意圖Fig.3 Schematic diagram of ecological photovolt in closed mine

4)煤層氣(CBM)綜合利用

廢棄礦井煤層氣綜合開發利用的關鍵是實現從已停止開采的煤礦井筒中抽取煤層氣并開發利用。井下瓦斯抽放、地面垂直開采等技術在我國已經比較成熟，關停礦井的煤層氣開發還處在發展之中，現階段以地面抽采為主。采動裂隙是廢棄礦井煤層氣賦存的基本條件[9]，煤礦關停后，煤層氣抽采不再受煤炭生產的制約，可操作性大幅增加。煤層氣的利用渠道包括工業、商業、交通等行業以及城鄉居民生產生活，利用方式包括瓦斯發電、壓縮天然氣(compressed natural gas，CNG)、液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)、化工燃料、汽車燃氣等。

5)礦井水地熱能開發利用工程

將關停煤礦礦井水與礦井深部地熱能資源結合開發利用，建設礦井水地熱能開發利用工程，可為周邊建筑物提供洗浴用水和采暖制冷功能。首先需要對關停煤礦地熱能資源的賦存狀況進行調查，根據資源賦存情況來制定礦井水地熱能綜合利用方案。其次建立抽水井和礦井水抽采輸送管道，通過資源化利用系統進行熱能的提取和釋放，我國應用比較成熟的地熱資源化技術包括HEMS系統和水源熱泵系統。

利用礦井水地熱能開發利用工程實現“空調”功能，可大大降低碳排放，基于功能實現的載體，這一模式適合在城市周邊進行利用，并可為構建的地下城市配套設施服務。

6)地下城市配套設施

城市土地資源日益緊張，對山西省來說，可探索結合近郊的關停煤礦建設地下城市配套設施，緩解地面壓力。關停煤礦建設開發地下城市配套設施對關停煤礦的位置要求較高，開發利用需要解決安全問題，與城鄉規劃相結合。在太原市近郊關停煤礦科學規劃，在地下設置立體停車庫、圖書館、療養院、會議中心、音樂廳等城市配套設施，促使關停煤礦的地下空間得到充分利用，在滿足城市資源優化轉型發展需求的基礎上，創建出新穎的地下經濟帶。

7)地下垃圾處理

工業垃圾和生活垃圾處理一直以來都是城市發展的難題之一，如果不能妥善處理，對生態和環境衛生都會造成破壞性的影響。垃圾處理最常用的方法是填埋。不管是生活垃圾還是工業垃圾，填埋都需要大量的空間，利用關停煤礦大量的地下巷道、硐室空間進行垃圾填埋，可有效緩解土地壓力。我國井工礦采深一般在1 200 m之內，單口礦井的地下空間通常可達到上萬m3.根據不同垃圾的不同密度，初步計算一口廢棄礦井大約可填埋16 000 t普通建筑垃圾，4 885 t壓縮后的生活垃圾。利用廢棄礦井填埋垃圾，一方面可解決地面環境污染，另一方面還可以對地面沉降起到支撐作用。井下空間用作垃圾處理填埋場地，其關鍵技術是充填、運輸和防污染滲透系統，以保證垃圾的安全處理，不造成二次污染。運輸系統可以對礦井原有的架空乘人裝置、輸送機等提升運輸設備加以改造利用，減少前期投資。井下空間還可貯存其他各種形態的物質，將地下巷道想象成地庫，可以構建各種適宜的儲存系統。

以上轉型發展模式都是基于綠色發展的理念，結合山西省的實際情況，綜合環境影響、資金投入以及經濟效益等因素，對山西關停礦山綠色轉型發展模式做出的系統性構建。事實上，每一座關停礦山都因其交通位置、資源賦存條件等因素具有不同的發展潛力，需統一綜合情況和個體情況，科學規劃，統籌安排，積極創新，選擇可持續發展的綠色轉型發展模式。這就要求建立發展能力評價模型來對關停礦山情況進行評價，為關停礦山企業科學選擇綠色轉型發展模式提供決策依據。

1.2 山西關停礦山轉型發展存在的問題

1.2.1實施力度不足

隨著廢棄礦井數量的增多和資源轉型的推進，山西省煤炭企業廢棄礦井再利用的意識開始進步，在關閉煤礦采空區煤層氣抽采及關閉礦井的地下、地上空間資源利用效果取得一定成效；但多數礦井仍直接關閉或廢棄，并未開展資源的再開發利用。這不僅造成資源的巨大浪費，還有可能誘發后續的安全、環境及社會等問題。

1.2.2轉型路線選擇難

由于缺乏有效的路線評估手段和理論指導，使得目前大多數關停礦山的轉型路線選擇缺乏科學性和可持續性，難以擇取最佳的轉型發展路線。因此現階段山西關停礦山要想真正走上轉型最佳路線，就需明確現階段資源型經濟的轉型難題，突破關停礦山轉型發展屏障。

1.2.3轉型實踐缺乏科學的理論指導

目前關停礦山資源型經濟綠色轉型的研究相對滯后于其轉型實踐的需要，由于缺乏具體科學理論指導，已有的轉型實踐還帶有一定盲目性，而在研究方法上，已有的研究成果多為敘述性的論述，缺乏可靠的關停礦山綠色轉型發展能力評價方法，以進一步研究關停礦山區域產業結構調整升級、經濟高質量發展的體制、機制和政策。

2 關停礦山綠色轉型發展能力評價模型

關停礦山綠色轉型發展能力是一個無法用定量指標分析的復雜系統問題。本文結合德爾菲法、模糊評價法、數理統計等方法，基于AHP層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)為主要結構建立關停礦山綠色轉型發展能力評價模型，將復雜系統的決策思維過程模型化和數量化，從而準確評價關停礦山綠色轉型發展能力。

2.1 評價指標體系

實現關停礦山綠色轉型發展，是由各要素相互聯系、相互影響、相互作用的。本文在梳理分析的基礎上，結合關停礦山轉型發展的特點，從驅動力、壓力、狀態、效應四個方面構建關停礦山綠色轉型發展評價指標體系。評價指標主要是根據項目投資的準則，結合經濟和技術方面的專家意見擬定。

1)驅動力指標。顧名思義，是指推動關停礦山綠色轉型發展的指標，主要選取政策與行業支持、綠色科技創新、人才激勵3個指標。

2)壓力指標。壓力指標是指直接作用于關停礦山綠色轉型發展系統的壓力，主要選取資源利用率、安全穩定性、管理先進性、能耗先進性4個指標。

3)狀態指標。狀態指標是指關停礦山自身所具備的條件，是分析影響指標的基礎。主要選取交通位置、資源儲量、資源賦存條件3個指標。

4)效應指標。效應是指關停礦山轉型發展后帶來的影響和結果，主要選取環境友好、經濟效益、就業機會、持續發展4個指標。

本文將關停礦山綠色轉型發展評價作為目標，將驅動力、壓力、狀態、影響作為評價準則，另外這4個評價準則下設14個評價指標，構建了一個包括目標層(A)、準則層(B)、指標層(C)的關停礦山綠色轉型發展評價指標體系，結合層次分析法，對關停礦山綠色轉型發展模式進行評價。評價指標體系如表3所示。

表3 關停礦山綠色轉型發展能力評價指標體系Table 3 Evaluation index system green transformation and development of closed mines

2.2 評價模型的構建

2.2.1建立層次結構模型

根據上述指標體系，建立層次結構模型如圖4所示。

圖4 關停礦山綠色轉型發展評價層次結構模型Fig.4 Evaluation hierarchy model of green transformation and development of closed mines

2.2.2構造判斷矩陣

判斷矩陣的構造：1)基于層次分析法的原理，將關停礦山綠色轉型發展能力評價(A)這一復雜問題解析成相互關聯的18個因素；2)將相互關聯的18個因素根據其特點和重要性進行分層、分類；3)依據分層、分類后的18個相互關聯的因素，由礦山及相關專業教師、煤礦行業設計人員、煤礦管理人員、煤礦投資方、工程咨詢機構人員和礦山工程專業的碩士生和本科生共計32位專業人士通過問卷調查的形式對各評價指標的重要程度進行判斷打分；4)應用標度構造法結合德爾菲法構造判斷矩陣。

其中，標度構造法采用1～9度標度法設定比較值，對關停礦山綠色轉型發展能力評價準則層(B)和指標層(C)各因素進行兩兩對比；排定各評價指標的相對優劣順序。構造判斷矩陣時比較值的設定標準如表4所示。

表4 比較值的設定標準Table 4 Standard definition of comparison values

構造各指標層級判斷矩陣，量化關停礦山綠色轉型發展評價指標，對各指標權重值進行計算并計算特征向量(Wi)、最大特征值(λmax)，計算結果如表5(a)-表5(e)所示。

表5(a) B-A判斷矩陣Table 5(a) B-A judgment matrix

表5(b) C-B1判斷矩陣Table 5(b) C-B1 judgment matrix

表5(c) C-B2判斷矩陣Table 5(c) C-B2 judgment matrix

表5(d) C-B3判斷矩陣Table 5(d) C-B3 judgment matrix

表5(e) C-B4判斷矩陣Table 5(e) C-B4 judgment matrix

2.2.3指標權重計算及一致性檢驗

引入隨機一致性指標RI值，檢驗判斷矩陣是否有滿意的一致性。隨機一致性指標(RI)如表6所示，一致性(RC)檢驗結果如表7所示。

表6 隨機一致性指標(RI)Table 6 Random consistency index

表7 單層指標權重值和一致性檢驗結果Table 7 Weight value of single evaluation index and consistency test

綜合以上內容，得出關停礦山綠色轉型發展能力評價模型各指標對決策目標的權重，如表8所示。

表8 總權重統計確定表Table 8 Weight value of evaluation index and Consistency test

2.3 評價指標分析

從整體來說，關停礦山綠色轉型發展模式的選擇，首先要對該模式產生的生態、經濟以及社會效益(就業機會)進行測算；其次要對其發展的驅動力進行分析，在技術、人才和政策方面獲得支持；并分析關停礦山本身的狀態和壓力，結合交通位置、資源儲量、資源賦存條件和安全、管理、能耗、資源利用率各要素。

根據前述計算結果對14個指標層因素進行排序分類，可以分成3類，如圖5所示。第一類是權重大于10%的指標，共有3個指標：環境友好(0.181 7)、持續發展(0.162 5)、綠色科技創新(0.113 3).第二類是權重在5%～8%的指標，共有5個指標：經濟效益(0.077 6)、資源儲量(0.071 0)、資源賦存條件(0.062 1)、政策與行業支持(0.056 6)、人才激勵(0.056 6)、安全穩定性(0.055 5).第三類是權重小于5%的指標，共有五個指標：資源利用率(0.039 4)、能耗先進性(0.032 6)、管理先進性(0.032 6)、就業機會(0.031 2)、交通位置(0.027 1).

圖5 評價指標分類排序Fig.5 Ranking of evaluation indexes

環境友好、可持續發展性和綠色技術創新是關停礦山綠色轉型發展的首要要素。提高生態環境承載力，實現人與自然的和諧共生，是關停礦山綠色轉型發展的本質，是發展的前提和基礎，而這一基礎需要通過不斷創新，對技術進行綠色升級來實現。在生態平衡的前提下追求經濟效益的最大化，這是綠色發展的目標所在，因此經濟效益是關停礦山綠色轉型發展的重要指標。資源儲量和資源賦存條件的重要性體現了“因地制宜”的原則，加強資源勘查，充分調研關停礦山可利用資源及其賦存條件，根據其狀態探索開發利用技術，是實現關停礦山綠色轉型發展的關鍵。轉型發展離不開政策與行業的支持和人才的保障，將人才激勵與轉型結合起來，才能更好地實現發展。關停礦山有其獨特的條件，選擇何種發展模式都要保證其安全性。與生態平衡的大前提相比，資源利用率、能耗先進性、管理先進性、就業機會、交通位置等因素可通過技術水平和管理水平的提升來改進，相對權重較低。

3 轉型發展案例研究

白家莊礦位于太原市西部呂梁山東麓，距離太原市中心約15 km，井田面積16.149 7 km2，生產能力為100萬t/a，低瓦斯礦井，有二號井和南坑兩對井口，均為斜井開拓方式，主體企業為西山煤電集團[10]。白家莊礦在山西省煤炭去產能改革中于2016年第一批關閉。安源礦處于晉中市榆次區太行山西緣山脈，位于榆次以西17 km，太原以東22 km處，井田面積3.407 8 km2，生產能力45萬t/a，低瓦斯礦井，井田開拓方式為斜井開拓，主體企業為榆次官窯煤業。安源礦于2018年因去產能關閉退出。本文通過實地調研和德爾菲法對其轉型發展進行分析。

根據前文構建的關停礦山轉型發展模型，對白家莊礦和安源礦進行專家打分，由專家結合實際情況進行打分，將關停礦山綠色轉型發展能力各評價指標進行量化，并將量化結果進行線性加權計算，從而得到其發展能力評價得分，如表9所示。

從表9的評價得分可以看出，對于白家莊礦和安源礦來說，構建綜合性旅游景區是最適合的轉型發展模式。白家莊礦區域內分布有首座現代化礦井舊址、日偽炮樓、火藥庫等遺跡，離城市中心距離較近，交通便利，通過礦山地質環境恢復治理建設礦山公園，可將自然景觀與人文景觀融合起來，展示西山悠久的礦業開發歷史，構建包含工業遺跡保護、愛國主義教育、綠色生態休閑旅游以及科普教學實習等功能的綜合旅游景區。安源礦毗鄰AAAA級烏金山國家森林公園和華北最大的歡樂谷烏金山狂歡谷主題公園。選擇建設景觀公園，可與周邊已有的旅游業態集合起來，形成綜合性旅游線路，在保護了生態的前提下，以旅游產業獲取經濟效益。

表9 發展能力評價得分Table 9 Evaluation scores of development ability

4 結束語

關停礦山有其自身獨特性，煤炭資源已不能再開發，其綠色轉型發展主要是實現產業的綠色轉型，因此轉型發展的模式選擇非常重要，需要科學可靠的決策依據。本文基于現場調研、理論分析等方法研究山西關停礦山轉型發展的現狀、問題及發展趨勢，在此基礎上建立了基于AHP層次分析法的關停礦山綠色轉型發展評價模型，得出以下主要結論：

1)關停礦山轉型發展主要有七種模式，分別是綜合型旅游景區、井下抽水蓄能、壓縮空氣蓄能電站、生態光伏、煤層氣綜合利用、礦井水地熱能開發利用工程、地下城市配套設施以及地下垃圾處理。

2)將關停礦山綠色轉型發展能力評價作為目標，將驅動力、壓力、狀態、影響作為評價準則，構建了一個包括目標層(A)-準則層(B)-指標層(C)的關停礦山綠色轉型發展評價指標體系，建立了基于AHP的評價模型。

3)以白家莊礦和安源礦為例對關停礦山轉型模式進行評價，目前建設綜合旅游景區更適合山西關停礦山實現綠色轉型發展。

根據本文基于AHP層次分析法建立的關停礦山綠色轉型發展能力評價模型，對關停礦山實現綠色轉型發展提出以下幾點建議：

1)改善關停礦山區域的生態環境，尋求可持續發展模式，建設生態文明。

2)積極綠色創新，結合關停礦山現存條件，培育替代產業，實現經濟效益的產出。

3)以因地制宜為原則，提高管理水平，實現經濟、社會、生態和諧發展。