耿鵬旭，王卓理

(平頂山學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河南 平頂山 467000)

工業(yè)生態(tài)學(xué)以生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)考察工業(yè)系統(tǒng)與自然環(huán)境的關(guān)系，研究兩者之間的相互作用、相互關(guān)系，它是生態(tài)工業(yè)的基礎(chǔ)，為調(diào)整、改進(jìn)其協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論框架，提出可供操作的方法[1]，使工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與生物圈兼容并持久的生存下去。工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)向自然生態(tài)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，通過比擬生物新陳代謝過程和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，建立類似于自然生態(tài)系統(tǒng)的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[2-4]。我國煤炭資源中可供露天礦開采的資源少，開采條件處于中等偏下，井工開采產(chǎn)量約占95%；目前的開采方式多為長臂工作面的冒落法，因此煤礦開采的條件和方式具有顯著一致性，煤炭業(yè)生態(tài)系統(tǒng)具有一定的規(guī)律性。本文運(yùn)用工業(yè)生態(tài)學(xué)分析方法，分析煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建煤礦業(yè)生態(tài)鏈，探討煤礦業(yè)生態(tài)鏈在煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)代謝及循環(huán)流動機(jī)理，為生態(tài)礦山的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)分析

在基本組成成分上煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)相似，主要包括：生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者和外部環(huán)境等四部分。但是它的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)被人為改變，其能量轉(zhuǎn)換受到人類生產(chǎn)及生活活動的影響。煤礦業(yè)活動中多種資源之間的關(guān)系，類似于自然界生物的食物營養(yǎng)聯(lián)系，可以將其視為一種類似于自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)關(guān)系，即“生態(tài)鏈”；它是能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)換鏈和傳遞鏈[5]。在煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中沿著“生態(tài)鏈”逐級逐層流動的物質(zhì)流和能量流，形成“代謝”， 能源、原料以及工業(yè)活動產(chǎn)生的廢棄物和各種環(huán)境要素間形成緊密聯(lián)系的立體結(jié)構(gòu)，能源、資源在系統(tǒng)中反復(fù)循環(huán)被最大限度的利用，廢棄物得到資源化利用從而實(shí)現(xiàn)再生增值。煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)包括煤炭、煤矸石、礦井水、地下熱能、煤層氣等組成部分，各組成成分相互聯(lián)系，具有自然生態(tài)系統(tǒng)的一般特征，同時還受到生產(chǎn)關(guān)系、社會生產(chǎn)力以及與之相聯(lián)系的企業(yè)影響，因此煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)相對復(fù)雜。它的代謝過程包括從開采煤炭到能源利用的全過程，以及代謝過程中產(chǎn)生的廢棄物再經(jīng)過循環(huán)利用的過程。由煤礦業(yè)的各個生態(tài)鏈共同組成煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其工業(yè)代謝的功能，從而實(shí)現(xiàn)能源和資源利用的最大化、廢棄物產(chǎn)生的最小化，促進(jìn)生態(tài)礦山的建設(shè)。但煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)基本上是線形的而不是環(huán)狀的，分解功能不完全，大量的物質(zhì)和能源以廢棄物形式輸出，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

2 煤礦業(yè)生態(tài)鏈的構(gòu)建

2.1 煤礦業(yè)生態(tài)鏈構(gòu)建的原則

煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分解者不完善是其顯著特點(diǎn)。煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)具有非線性和復(fù)雜性特點(diǎn)，物質(zhì)和能量的流動規(guī)模大，它與外界的物質(zhì)和能量交換多，不斷的向外部輸出大量的產(chǎn)品和廢物，在人力、資金、技術(shù)、信息等方面也與外界發(fā)生著強(qiáng)烈的交流，是一個開放性很高的生態(tài)系統(tǒng)。在構(gòu)建煤礦業(yè)生態(tài)鏈時應(yīng)遵循以下原則：

2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完善原則

為使系統(tǒng)具有較高的生產(chǎn)力、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，必須使其結(jié)構(gòu)完整、功能健全，完善生態(tài)系統(tǒng)的組成成分，增加“分解者”?？梢圆扇〉耐緩接校貉娱L生態(tài)鏈，通過增加循環(huán)轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)，促使系統(tǒng)穩(wěn)定，使物質(zhì)在系統(tǒng)中得到多次利用，暢通能量流、物質(zhì)流渠道，提高整個系統(tǒng)的生產(chǎn)力；縮短甚至減少生態(tài)鏈，采用高新技術(shù)替代，使經(jīng)濟(jì)或生態(tài)效益增加。對于煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)采取措施促使其結(jié)構(gòu)完善，加強(qiáng)個成分之間的協(xié)作、互惠和共生關(guān)系，特別在能量和原料流動的網(wǎng)絡(luò)共享和廢棄物的利用中，其中一個企業(yè)產(chǎn)生的廢物(或副產(chǎn)品)作為下個企業(yè)的“營養(yǎng)物”(原料)，形成企業(yè)“群落”(工業(yè)鏈)。作為一個循環(huán)體系，煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流和能量流可以多層次循環(huán)利用：將煤炭作為化工原材料使用，延長煤炭的代謝途徑；將煤矸石進(jìn)行井下充填，從根源上減少其生產(chǎn)量(充填開采)，對產(chǎn)出的煤矸石進(jìn)行充分的利用，包括提取稀有金屬和有用礦物、制取土壤改良劑，以及作為充填物用于道路修建和塌陷區(qū)的治理。從而使整個系統(tǒng)的熵值不斷減少，遵循耗散結(jié)構(gòu)原理，達(dá)到系統(tǒng)良性循環(huán)。通過這些途徑使一家工廠的廢氣、廢水、廢渣、廢熱或副產(chǎn)品成為另一家工廠的原料和能源，加強(qiáng)煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)分解功能，減少甚至避免物質(zhì)能源以廢棄物形式輸出，建立“生產(chǎn)者-消費(fèi)者-分解者”的循環(huán)途徑，構(gòu)建煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流動和能量流動的“食物鏈”和“食物網(wǎng)”的生態(tài)工業(yè)鏈網(wǎng)關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)完善的生態(tài)系統(tǒng)。

2.1.2 能量合理流動原則

煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不同種類的各種投入流(包括自然環(huán)境中礦產(chǎn)資源的投入)均可視為具有不同類別、不同性質(zhì)的能量，為驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)的原動力。煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)通過采掘、能源生產(chǎn)、運(yùn)輸部門等傳遞能量，與通過食物網(wǎng)傳遞能量的自然生態(tài)系統(tǒng)相類似；但是在能量流的運(yùn)行機(jī)制上，兩者有很大的不同：自然生態(tài)系統(tǒng)能量流動具有自為、天然的特點(diǎn)，而在煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中能量流動則具有人為的特點(diǎn)。經(jīng)過生產(chǎn)活動，這些能量轉(zhuǎn)化成新形式的能量，包括產(chǎn)品流和廢物流。能量流動就是原生能源轉(zhuǎn)化為次生能源，原生能源或次生能源經(jīng)傳輸成為有用能源，并經(jīng)過利用轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K能源的過程。在能量生產(chǎn)和消費(fèi)活動過程中，有一部分能量以“三廢”形式被排入自然環(huán)境而造成污染。在構(gòu)建生態(tài)鏈時應(yīng)以節(jié)能減排為目標(biāo)，建成一個多層次的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。在設(shè)計和實(shí)施過程中，應(yīng)使能量在生態(tài)系統(tǒng)中合理流動，使所建設(shè)的新的煤礦業(yè)生態(tài)鏈具有生態(tài)合理性，更充分地利用環(huán)境資源。

2.1.3 系統(tǒng)廢棄物排放最少化原則

煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不能依賴自然生態(tài)系統(tǒng)的分解者完全分解工業(yè)過程各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢棄物，而必須通過人類的多種環(huán)境保護(hù)措施加以處理，以維持生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量的平衡。煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是有一定耐受限度的，在經(jīng)濟(jì)或生態(tài)因子的變化超過其耐受限度的情況下，生態(tài)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)作用會失去控制，系統(tǒng)不能在反饋?zhàn)饔孟伦詣拥氐玫窖a(bǔ)償，其結(jié)果就會引起環(huán)境破壞以致生態(tài)失衡等等一系列的問題。在煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的承受能力范圍內(nèi)進(jìn)行煤礦業(yè)生產(chǎn)活動，通過煤礦業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不同產(chǎn)業(yè)、企業(yè)、項(xiàng)目以及生產(chǎn)流程之間的橫向耦合關(guān)系，為煤礦業(yè)主、副產(chǎn)品和“廢棄物”找到生產(chǎn)流程的下游利用者，利用生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)一切可以利用的物質(zhì)和能量，形成一個復(fù)雜的資源共享、產(chǎn)業(yè)共生的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)、能量的多層利用，盡可能地實(shí)現(xiàn)“廢棄物”無害化、減量化和資源化。在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)施物質(zhì)和能量的循環(huán)利用，這是工業(yè)生態(tài)學(xué)減少環(huán)境污染理念的集中體現(xiàn)。但是，在實(shí)踐中，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的限制，物質(zhì)的循環(huán)、廢棄物的再生利用都是有條件的。

2.2 平頂山煤礦業(yè)生態(tài)鏈的構(gòu)建

平頂山煤礦位于河南省中部，是我國重要煤炭工業(yè)基地，區(qū)內(nèi)煤質(zhì)優(yōu)良，煤種齊全，是冶金、電力、化工的重要原料和優(yōu)質(zhì)的動力用煤。建礦50多年來，累計生產(chǎn)原煤7億t，目前在市區(qū)北部山前，呈東西帶狀分布著平頂山礦務(wù)局一至十二礦及香山煤礦、落鳧山煤礦等。平頂山煤礦的煤炭開采是以井工開采的方式進(jìn)行的，長期的開采活動破壞了含煤地質(zhì)體的原始平衡狀態(tài)，造成大量固體廢渣堆積，累計堆存煤矸石5382萬t；每年還在產(chǎn)生煤泥50萬t，排放煤矸石和粉煤灰分別為200萬t和20萬t；煤炭開采形成了地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，累計造成土地塌陷面積近1000hm2，嚴(yán)重干擾了礦區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)。

根據(jù)平頂山煤礦業(yè)的實(shí)際，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完善、能量合理流動、系統(tǒng)廢棄物排放最少化等原則出發(fā)我們構(gòu)建了煤礦業(yè)生態(tài)鏈模型(圖1)。主要的煤礦業(yè)生態(tài)鏈有：煤炭/煤矸石/煤層氣-能源-建材生態(tài)鏈、煤炭-煉焦-焦油-煤化工生態(tài)鏈、礦井水-井下防塵降溫-綠化/農(nóng)業(yè)灌溉等。延長了煤炭-粉煤灰生態(tài)鏈、礦井水生態(tài)鏈等，通過增加循環(huán)轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，促使系統(tǒng)的穩(wěn)定，又使物質(zhì)得到多次利用，暢通了能量流、物質(zhì)流的渠道，提高了系統(tǒng)生產(chǎn)力；而對于煤矸石生態(tài)鏈，部分采取減少的措施，即采用充填開采技術(shù)，在井下直接用煤矸石充填采空區(qū)，從源頭上避免矸石及其衍生的一系列固、氣、液態(tài)污染物的污染，把煤炭開采對環(huán)境的污染和破壞降到最低，實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采，使經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益增加。

圖1 平頂山煤礦業(yè)生態(tài)鏈

3 效益分析

平頂山煤礦構(gòu)建的煤炭、煤矸石、礦井水等生態(tài)鏈，充分利用了資源，延長的生態(tài)鏈為社會發(fā)展提供了能源和化工產(chǎn)品；將礦井水進(jìn)行循環(huán)利用并回灌地下，部分礦區(qū)采用充填開采技術(shù)，從源頭上避免了煤炭開采造成的環(huán)境破壞；對采煤塌陷區(qū)進(jìn)行了復(fù)墾治理，在復(fù)墾地發(fā)展水生養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。平頂山煤礦業(yè)生態(tài)鏈的初步實(shí)施取得了一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1.1 礦井水生態(tài)鏈

平頂山煤礦已建選煤廠13座，年入洗1300多萬t的原煤。各選煤廠均修建了洗煤水濃縮-壓濾-沉淀和回用系統(tǒng)，防止了外排的選煤廢水污染環(huán)境；通過減少清水補(bǔ)給量并加強(qiáng)洗煤水的閉路管理等措施，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)洗煤水的閉路循環(huán)。平頂山煤礦七礦把低礦化度的礦井水通過絮凝沉淀-過濾-消毒、一元化凈水器等凈化工藝處理到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，建成了一座日處理能力3萬t的凈化廠。研究區(qū)共建成礦井水凈化水廠14座和一元化水設(shè)施5套，日凈化處理礦井水達(dá)到17.04萬t，凈化處理的礦井水復(fù)用于職工生活和工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，礦井水的復(fù)用率已達(dá)到78%。建成了生活污水處理廠7座，日處理污水3.1萬t。平頂山煤礦六礦污水處理工程每年可減少外排72萬t污水，減少排放40.37t COD和180t的懸浮物，節(jié)約排污費(fèi)78萬元。生活污水經(jīng)處理后作為洗煤用水、農(nóng)田灌溉和廠區(qū)綠化。礦井水生態(tài)鏈的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了礦工業(yè)污水的零排放。

3.1.2 煤炭-能源-建材和煤矸石生態(tài)鏈

平頂山煤礦現(xiàn)有綜合利用電廠3座，總裝機(jī)容量為145MW，還建有坑口電廠熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，建成了4座低濃度煤層氣發(fā)電站，年利用瓦斯量6200萬m3，實(shí)現(xiàn)了化害為利。現(xiàn)有焦化廠3座，年產(chǎn)焦炭160多萬t。利用煉焦的化工副產(chǎn)品焦?fàn)t煤氣、焦油、粗苯和硫銨，發(fā)展煤焦油深加工，建成了年產(chǎn)2萬t炭黑等項(xiàng)目。為了充分利用高硫煤，將其就地轉(zhuǎn)化制氣，建設(shè)了多種高附加值的有機(jī)化工產(chǎn)品項(xiàng)目，包括：20萬t的醋酸醋酐項(xiàng)目、50萬t甲醇、4萬t聚甲醛樹脂、20萬t甲醛和30萬t二甲醚工程等。利用充足的空排的高濃度CO2和富余液胺，建設(shè)了100萬t聯(lián)合制堿項(xiàng)目，并為100萬t復(fù)合肥項(xiàng)目提供原料。

利用煤矸石、粉煤灰等廢棄物發(fā)展新型建材業(yè)。平頂山煤礦區(qū)的洗選產(chǎn)生的矸石大部分運(yùn)往電廠用于發(fā)電，煤巷和巖巷產(chǎn)生的矸石則用于回填塌陷地和充填采空區(qū)、路基或用于制磚等，年利用200多萬t矸石；開發(fā)建設(shè)了一批廢棄物綜合利用項(xiàng)目：粉煤灰和煤矸石水泥、粉煤灰混凝土砌塊等項(xiàng)目，形成了年產(chǎn)6000萬塊煤矸石燒結(jié)空心磚、30萬m3粉煤灰混凝土砌塊、15萬t水泥、6000t速凝劑的生產(chǎn)能力，通過這些綜合利用項(xiàng)目的實(shí)施，每年消耗17萬t的煤矸石和10萬t的粉煤灰；矸石綜合利用率超過70%。平頂山煤礦十一、十二礦部分工作面采用充填開采，采區(qū)可采儲量約100萬t，可以充填煤矸石96.18萬m3，質(zhì)量為153.89萬t，充填開采的總經(jīng)濟(jì)效益約為70000萬元。

利用煤矸石、粉煤灰等復(fù)墾塌陷地。1992年以來，平頂山煤礦累計投入1.16億元資金用于塌陷地治理，已復(fù)墾土地約730hm2。復(fù)墾后的土地用途包括耕地、林地、濕地和建筑用地等。農(nóng)用復(fù)墾地形成以糧食生產(chǎn)和蔬菜生產(chǎn)為主，水產(chǎn)養(yǎng)殖為輔，種、養(yǎng)、加結(jié)合的區(qū)域生態(tài)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)模式。對復(fù)墾后的水塘采取水產(chǎn)養(yǎng)殖；發(fā)展禽畜養(yǎng)殖及加工業(yè)。在復(fù)墾地已建漁塘16個，水域面積達(dá)到3km2。已建精養(yǎng)魚池4個，年每公頃水面產(chǎn)魚約9000kg，年總產(chǎn)量3.6萬kg。

3.2 社會效益分析

通過延長生態(tài)鏈，不僅可以達(dá)到節(jié)約能源的目的，而且可以最大限度地減少污染物質(zhì)的排放：減少了煤矸石的堆存和排放量，實(shí)現(xiàn)了污水的達(dá)標(biāo)排放。污染物的大量減少使污染糾紛減少，為礦區(qū)營造了安定和諧的社會環(huán)境。礦井水生態(tài)鏈的實(shí)施還使礦井水的利用率提高，使淡水資源緊張的問題得到了有效的緩解，化解了工農(nóng)業(yè)爭水、生產(chǎn)與生活爭水的矛盾，對礦區(qū)正常生產(chǎn)活動和人民生活水平的提高起到了積極的促進(jìn)作用。廢水經(jīng)處理后回灌地下，能夠健全水文生態(tài)系統(tǒng)，使日益匱乏的地下水資源得到了補(bǔ)充，提高了地下水位，阻止或緩解地面下沉，變惡性循環(huán)為良性循環(huán)，使生態(tài)環(huán)境大為改善。充填開采技術(shù)利用新設(shè)備、新工藝，可以從源頭上盡量避免矸石及其衍生出的一系列固、氣、液態(tài)污染物的污染，把煤炭開采對環(huán)境的污染和破壞降到最低，形成資源利用的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采，對于穩(wěn)定民心、構(gòu)建和諧社會起到了積極作用。煤礦業(yè)生態(tài)鏈的實(shí)施使礦區(qū)由資源型生產(chǎn)轉(zhuǎn)為循環(huán)經(jīng)濟(jì)綜合利用型生產(chǎn)，顯著改善和提高了礦區(qū)及周邊居民的工作和生活環(huán)境。

4 結(jié)語

煤炭礦區(qū)人類大量開采煤炭資源的活動，強(qiáng)烈干擾了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，使生態(tài)系統(tǒng)從原來均衡、基本穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)發(fā)生變異。煤礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是涉及多部門的問題，產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈構(gòu)建和實(shí)施是解決產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)問題的重要方向。運(yùn)用工業(yè)生態(tài)學(xué)分析煤礦業(yè)，模仿自然生態(tài)系統(tǒng)按照其能量流動和物質(zhì)循環(huán)的規(guī)律能夠構(gòu)建科學(xué)的煤礦業(yè)生態(tài)鏈，平頂山煤礦構(gòu)建的煤礦業(yè)生態(tài)鏈有：煤炭/煤矸石/煤層氣-能源-建材生態(tài)鏈、煤炭-煉焦-焦油-煤化工生態(tài)鏈、礦井水-井下防塵降溫-綠化/農(nóng)業(yè)灌溉等；延長了煤炭-粉煤灰生態(tài)鏈、礦井水生態(tài)鏈等，部分減少了煤矸石生態(tài)鏈。煤礦業(yè)生態(tài)鏈的實(shí)施有利于煤炭礦區(qū)資源的合理開發(fā)利用和生態(tài)礦山的建設(shè)，產(chǎn)生了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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