何 團 班思遠

(河北工程大學礦業(yè)與測繪工程學院，河北省邯鄲市，056038)

十八大以來，習近平總書記針對環(huán)境保護發(fā)表了一系列重要講話，他指出“要正確處理好經(jīng)濟發(fā)展同生態(tài)環(huán)境保護的關系，牢固樹立保護生態(tài)環(huán)境就是保護生產(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)濟增長” “既要金山銀山，也要綠水青山”。我國首部綠色礦山建設行業(yè)標準《非金屬行業(yè)綠色礦山建設規(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)境具備恢復和再造能力為底線，建立環(huán)境責任意識。

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)濟建設做出巨大貢獻的同時，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，因地制宜，將生態(tài)工程、礦業(yè)產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)新技術深度融合，多學科交叉，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)保護性開采模式，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的破壞后修復向源頭防護的轉(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，嚴重擠壓了我國城鄉(xiāng)建設用地。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)遭到嚴重破壞。

1.3 大氣污染

煤矸石緩慢自燃、風化揚塵嚴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)嚴重失調(diào)，給當?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，提前進入壓煤村莊地下進行開采，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，嚴重威脅當?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，基礎設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)的負擔也在逐年加重。

2 煤礦區(qū)生態(tài)修復的傳統(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)林復墾模式

采煤沉陷造成耕地損壞、甚至無法耕種的地區(qū)，其綜合治理首要考慮保護和恢復耕地農(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)建設水庫。

2.3 生態(tài)建設模式

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，景觀生態(tài)再造技術也逐漸應用到采煤沉陷區(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、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)很難恢復到原有水平。此外，許多重要建(構)筑物、地面和地下水系及重要生態(tài)環(huán)境應重點保護，不允許破壞，這給礦區(qū)生態(tài)修復帶來新的挑戰(zhàn)。

3 煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式

煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式以充填綠色采煤技術為基礎。充填綠色采煤技術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50年代起步，開始發(fā)展廢石干式充填；20世紀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充填為主體；之后的20年開始細化，探索出細砂膠結充填技術；進入20世紀90年代，隨著技術的提升和對環(huán)境保護的需要，廣泛推廣應用全尾砂膠結充填技術、塊石砂漿膠結充填、碎石水泥漿膠結充填和膏體泵壓輸送膠結充填等諸多新技術，這些方法促進了我國充填開采技術的進步與采礦工程的發(fā)展。進入21世紀，隨著綠色礦山的提出，充填綠色開采技術迅速發(fā)展，工藝技術日趨完善，裝備材料系統(tǒng)配套，產(chǎn)學研用緊密結合，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體系。

目前，我國煤礦應用的充填開采工藝與技術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)建設的重要技術手段，已然成為我國煤炭工業(yè)發(fā)展的主題，是我國生態(tài)文明建設的重要內(nèi)涵。21世紀以來，國內(nèi)外學者主要在智能化充填、利用充填開采建設煤礦生產(chǎn)全過程生態(tài)礦山、研發(fā)創(chuàng)新新型充填材料、利用充填開采服務城市公益事業(yè)等領域開展科技攻關。

在深入研究生態(tài)環(huán)境對開采行為容忍度的基礎上，筆者進一步研發(fā)并創(chuàng)新充填開采技術，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)同時設計，嚴格地表沉陷范圍的邊界條件，生態(tài)保護理念貫穿生產(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計、生產(chǎn)、改造的全過程，精準設計“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)保護性開采模式[4-6]。

煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護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、水土資源和基礎設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)、預防生態(tài)損傷[4-6]。

4 煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式完全成本理念

根據(jù)可持續(xù)發(fā)展理論和利益相關者等理論的闡述可知，煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式具有良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。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)保護性開采模式也為煤礦帶來社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，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)保護性開采模式以煤炭開采完全成本進行計量、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)濟可行性具有簡單、直觀的認知，充填開采滿足以下條件之一時，充填開采在經(jīng)濟上是可行的，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，應用充填開采經(jīng)濟可行，如新建礦山不允許設立永久矸石山，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，使充填開采技術工藝有了推廣應用的空間；高產(chǎn)高效礦井盈利能力強，經(jīng)濟效益顯著，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)保護性開采模式應用調(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個煤礦應用了全過程生態(tài)保護性開采模式。

目前固體充填技術已在冀中能源集團邢臺礦、邢東礦等多個礦井，15個工作面成功應用，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用煤炭型礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式長達10余年，生態(tài)保護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，已成為標志性的生態(tài)礦井，得到同行業(yè)的高度認可，是煤炭企業(yè)認識、學習全過程生態(tài)保護性開采模式的重要示范基地。

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

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

6 煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式的推廣思路

我國煤炭工業(yè)具有礦井數(shù)量多、分布廣、資源賦存條件多樣、開采手段復雜等特點。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)保護性開采模式相對陌生，對全過程生態(tài)保護性開采與礦井煤炭產(chǎn)出效率之間的關系存在錯誤認識，害怕影響礦井產(chǎn)量而對生態(tài)保護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)保護性開采模式有需求，但是由于存在技術手段落后、資金能力不足、技術人員短缺等原因，全過程生態(tài)保護性開采模式應用推廣困難。因此，需要進一步加大煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護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用[9-10]。

建議應從政策導向、資金支持等方面入手，制定相關政策，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用全過程生態(tài)保護性開采模式，培訓或委派工程技術人員，全面擴大煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式的應用范圍[10-12]。

7 煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式應用展望

煤礦充填開采技術作為綠色開采技術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。充填開采技術的應用，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，煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式的內(nèi)涵不斷豐富，適用范圍不斷增強，在全國范圍的認可度不斷提升。

總體來看，加快綠色礦山布局，倡導生態(tài)保護性開采，在京津冀“兩山”地區(qū)推廣全過程生態(tài)保護性開采模式，從源頭降低煤炭開采引發(fā)的生態(tài)損傷，應進一步加快煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式配套技術的發(fā)展速度，增強政策支持。長遠來看，煤礦區(qū)全過程生態(tài)保護性開采模式具有較為廣闊的應用前景。