王 佟， 孫 杰，趙 欣，謝志清，孔慶虎，張建強(qiáng)

(1.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038； 2.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039；3.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,西安 710054；4.中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院，河北邯鄲 056004)

煤炭是我國的主體能源，在一次能源消費(fèi)中占比在60%左右，是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要能源保障[1-3]。新時代在“綠水青山就是金山銀山”理念指導(dǎo)下，需要統(tǒng)籌煤炭資源開發(fā)與生態(tài)保護(hù)，建立相應(yīng)協(xié)調(diào)的評價方法。以往對煤炭資源的評價主要針對煤炭資源儲量，對可供開發(fā)資源的調(diào)查和評價工作開展相對較少，煤炭開發(fā)潛力評價體系尚未完善，評價指標(biāo)和方法仍需進(jìn)一步研究、論證優(yōu)化。同時，常規(guī)的資源評價方法主要考慮煤炭資源本身的地質(zhì)條件和賦存特征，忽略了生態(tài)環(huán)境、有害物質(zhì)等因素對資源開采的影響[4]。因此，需要綜合考慮生態(tài)環(huán)境潛力、開發(fā)利用條件等因素，建立一套完整的煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價方法，為煤炭資源戰(zhàn)略規(guī)劃、合理配置資源、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局和推動區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供理論依據(jù)[5-7]。

1 煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價的總體思路與路徑

1.1 總體思路

以能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃為指引，以摸清我國煤炭資源家底、科學(xué)評價煤炭資源開發(fā)潛力為目標(biāo)，堅持資源數(shù)量統(tǒng)計和質(zhì)量評價相結(jié)合；資源經(jīng)濟(jì)評價與用途評價相結(jié)合；煤炭資源評價與水資源、生態(tài)環(huán)境評價相結(jié)合的方針，以煤炭工業(yè)規(guī)劃區(qū)各大礦井為主要研究對象，規(guī)范煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價方法、指標(biāo)、程序，對可供開發(fā)煤炭資源數(shù)量、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，全面、科學(xué)、準(zhǔn)確地評價煤炭資源開發(fā)潛力。

1.2 評價路徑

將“勘查區(qū)-規(guī)劃區(qū)-開發(fā)區(qū)-廢棄/關(guān)閉區(qū)”4個評價對象作為基本評價研究單元，開展煤炭資源分布特征及勘查開發(fā)現(xiàn)狀調(diào)研工作，全面分析煤炭資源稟賦特征、生態(tài)地質(zhì)特征和開發(fā)利用特征；確定目標(biāo)層、條件層、指標(biāo)層、參數(shù)層，建立煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價模型；從“九區(qū)”構(gòu)造分區(qū)、“十三五”規(guī)劃分區(qū)、國家大型煤炭基地、典型基地/礦區(qū)、煤系多礦產(chǎn)協(xié)同開發(fā)5個層面分區(qū)分類進(jìn)行評價；根據(jù)評價結(jié)果劃分出“四類”煤炭資源(綠色優(yōu)先開發(fā)資源、非綠色可開發(fā)資源、非綠色難開發(fā)資源和難動用資源)，圈定煤炭勘查與開發(fā)優(yōu)選區(qū)塊，評價結(jié)果可為煤炭資源勘查與開發(fā)布局及戰(zhàn)略優(yōu)選提供參考與建議[8-11]，具體技術(shù)路徑見圖1。

圖1 煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價技術(shù)路徑

2 評價內(nèi)容與方法

2.1 開展煤炭資源分布特征及勘查開發(fā)現(xiàn)狀調(diào)研

按“勘查區(qū)-規(guī)劃區(qū)-開發(fā)區(qū)-廢棄/關(guān)閉區(qū)”4個評價對象作為基本評價研究單元。重點收集我國煤炭工業(yè)規(guī)劃分區(qū)內(nèi)煤炭資源儲量、開發(fā)利用、煤系共伴生礦產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等資料，全面分析我國煤炭資源稟賦特征、生態(tài)地質(zhì)特征和開發(fā)利用特征[12]。

2.2 建立煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價模型

系統(tǒng)總結(jié)煤炭地質(zhì)基本特征與資源稟賦特征，開展煤炭資源開發(fā)的地質(zhì)研究，構(gòu)建煤炭資源勘查開發(fā)潛力評價模型。通過各項指標(biāo)的論述、分析與評價，一是查清煤炭地質(zhì)特征、資源賦存狀況、煤質(zhì)煤類、煤系礦產(chǎn)等特征；二是查清煤炭資源的勘查現(xiàn)狀、開采技術(shù)條件、資源儲量分布及查明情況；三是查清煤炭礦區(qū)的規(guī)劃建設(shè)情況，影響建設(shè)的主要內(nèi)在條件、環(huán)境條件與外部條件；四是全面調(diào)查煤炭礦區(qū)內(nèi)可供開采的煤炭資源現(xiàn)狀、分布特征；五是分煤類調(diào)查評價煤炭資源開發(fā)程度、生產(chǎn)消費(fèi)、生產(chǎn)規(guī)模和供需關(guān)系。

2.2.1 影響因子

本次研究將影響煤炭資源綠色開發(fā)潛力的各種因素按性質(zhì)組合，建立了由目標(biāo)層、條件層(3個方面)、指標(biāo)層(10項指標(biāo))、參數(shù)層(27種參數(shù))構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)評價體系?；谠u價指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重，采用綜合指數(shù)評價法建立了資源稟賦潛力評價模型、生態(tài)環(huán)境潛力評價模型、開發(fā)利用潛力評價模型，形成了煤炭資源綠色開發(fā)潛力綜合評價模型[13](表1)。

表1 煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價指標(biāo)

2.2.2 指標(biāo)權(quán)重

由于煤炭資源綠色開采評價指標(biāo)體系較為龐大，故選用層次分析法(AHP)確定各評價指標(biāo)權(quán)重。其解決問題的基本思路是把系統(tǒng)各因素之間的隸屬關(guān)系從高到低排成若干層次，并建立不同層次元素之間的相互關(guān)系，根據(jù)對一定客觀現(xiàn)實的判斷，利用數(shù)學(xué)方法，確定每一層次全部元素相對重要性次序權(quán)重，通過排序，對問題進(jìn)行分析和決策[14-15]。在建立遞階層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)判斷矩陣，可計算得到各級評價指標(biāo)對總目標(biāo)的權(quán)重。

2.2.3 資源、環(huán)境、地質(zhì)、生態(tài)耦合評價

采用綜合指標(biāo)評價法，確定煤炭資源綠色開發(fā)評價指標(biāo)及其指標(biāo)權(quán)重。分別建立資源稟賦潛力評價模型，生態(tài)環(huán)境潛力評價模型，開發(fā)利用潛力評價模型，煤炭資源綠色開發(fā)潛力綜合評價模型。

2.2.3.1 資源稟賦潛力評價模型

根據(jù)各礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀實際對各評價指標(biāo)賦予一定權(quán)重值，通過加權(quán)計算，得出礦區(qū)煤炭資源稟賦潛力綜合評價分值，建立評價模型如下：

(1)

式中：R為煤炭資源稟賦潛力綜合評價分值；Ri為第i項指標(biāo)的分值；wiR為第i項指標(biāo)的權(quán)重值。

2.2.3.2 生態(tài)環(huán)境潛力評價模型

根據(jù)各礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀對各評價指標(biāo)進(jìn)行打分，通過加權(quán)計算，得出礦區(qū)生態(tài)環(huán)境潛力綜合評價分值，建立評價模型如下：

(2)

式中：E為生態(tài)環(huán)境潛力綜合評價分值；Ei為第i項指標(biāo)的分值；wiE為第i項指標(biāo)的權(quán)重值。

2.2.3.3 開發(fā)利用潛力評價模型

根據(jù)各礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀對各評價指標(biāo)進(jìn)行打分，通過加權(quán)計算，得出礦區(qū)煤炭資源開發(fā)利用潛力綜合評價分值。建立評價模型如下：

(3)

式中：M為煤炭資源開發(fā)利用潛力綜合評價分值；Mi為第i項指標(biāo)的分值；wiM為第i項指標(biāo)的權(quán)重值。

4)煤炭資源綠色開發(fā)潛力綜合評價模型

(4)

式中：F為煤炭資源綠色開發(fā)潛力綜合評價分值；fj為第j個評價維度的綜合評價分值；wi為第i個評價維度的權(quán)重值。

2.3 分區(qū)分類評價開發(fā)潛力

利用上述模型對煤炭資源綠色開發(fā)潛力進(jìn)行總體評價，分析可開發(fā)資源類型、供需形勢、保障能力、開發(fā)能力?？梢愿鶕?jù)評價范圍大小，從“九宮”構(gòu)造分區(qū)、“十三五”規(guī)劃分區(qū)、國家大型煤炭基地、典型基地/礦區(qū)、煤系多礦產(chǎn)協(xié)同開發(fā)等不同層面分區(qū)分類進(jìn)行開發(fā)潛力評價。

2.4 劃分“四類”煤炭資源

為使評價結(jié)果準(zhǔn)確有效，需對評價結(jié)果進(jìn)一步量化評級，可結(jié)合現(xiàn)場實際情況和采用專家咨詢等方式，在煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價中，根據(jù)評價結(jié)果可將煤炭資源劃分為四類：綠色優(yōu)先開發(fā)資源、非綠色可開發(fā)資源、非綠色難開發(fā)資源和難動用資源。四個等級對應(yīng)的綜合評價分值見表2[13]。

表2 煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價結(jié)果分級

2.5 煤炭資源勘查開發(fā)布局與建議

根據(jù)評價結(jié)果，圈定煤炭勘查與開發(fā)優(yōu)選區(qū)塊。利用綜合評價結(jié)果分析研究全國及各大基地煤炭資源保障能力、開發(fā)能力、供需形勢，對煤炭資源勘查與開發(fā)布局及戰(zhàn)略優(yōu)選提出建議與措施。

3 典型礦區(qū)應(yīng)用評價

本次研究選取晉北煤炭基地大同礦區(qū)，按照“煤炭資源綠色開發(fā)評價體系”的內(nèi)容對大同礦區(qū)煤炭資源稟賦潛力、生態(tài)環(huán)境潛力和開發(fā)利用潛力進(jìn)行評價。

3.1 資源稟賦潛力

3.1.1 地質(zhì)條件

礦區(qū)主要構(gòu)造特征為一開闊的北東向不對稱向斜盆地構(gòu)造，向北東傾伏。南東翼傾角20°～60°，局部直立倒轉(zhuǎn)，北西翼傾角5°～15°。礦區(qū)北部以北東向斷裂和褶曲為主，南部以近東西向斷層和褶曲為主。

主要含煤地層為上部侏羅系和下部石炭二疊系太原組和山西組。上部侏羅系煤層已基本枯竭，僅評價下部石炭二疊系各煤層。可采煤層有山西組4號煤層和太原組3、5、8號煤層，煤層平均厚度分別為2.08m、4.56m、8.33m和5.97m。其中，5、8號煤層屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層埋深大部分500m以淺，傾角為8°～15°。

3.1.2 資源儲量

截止到2005年底大同礦區(qū)累計查明的資源量320.16億t，保有煤炭總資源儲量為259.67億t，已采出的煤炭資源及煤礦開采中的煤炭資源損失及其它不可預(yù)見的資源損失已達(dá)60億t[16]。大同礦區(qū)內(nèi)各類煤礦144處，占用煤炭資源儲量106.47億t，大同國家規(guī)劃礦區(qū)內(nèi)的煤炭資源已基本查明，后備資源潛力較少。截至2018年底，大同礦區(qū)總計有生產(chǎn)礦井65個，在建礦井38個，規(guī)劃煤礦4個。2018年設(shè)計生產(chǎn)能力2.17億t，實際產(chǎn)量達(dá)到1.66億t。

3.1.3 煤質(zhì)煤類

礦區(qū)內(nèi)的煤類以氣煤為主，其次為長焰煤、1/3焦煤、1/2黏結(jié)煤。山西組4號煤層總體為中灰煤，太原組3、5、8號煤層以中灰煤為主。原煤全硫分由上到下含量增高，從低硫到中高硫均有(表3)。

表3 主要可采煤層、煤質(zhì)特征

3.1.4 開采技術(shù)條件

水文地質(zhì)條件：大同礦區(qū)內(nèi)除第四系沖積層和風(fēng)化殼含水量較豐富外，其下覆中生界、古生界煤系地層位于侵蝕基準(zhǔn)面以上，巖層裂隙發(fā)育，但儲水條件差，一般含水微弱。由于缺失山西其他煤田普遍發(fā)育的主要含水層奧陶系峰峰組全部和部分上、下馬家溝組，同時石炭系太原組灰?guī)r不發(fā)育，導(dǎo)致大同礦區(qū)沒有明顯的含水地層,這是大同礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單和缺水的重要原因。

工程地質(zhì)條件：主要可采的煤層頂板多為堅硬的粗砂巖、砂礫巖，個別為細(xì)砂巖，穩(wěn)定性較好；底板以砂質(zhì)泥巖為主，炭質(zhì)泥巖、高嶺巖次之[17]。

瓦斯：大同礦區(qū)煤層埋藏較淺，瓦斯含量較低。各礦井瓦斯等級多數(shù)為低瓦斯礦井。

地溫地壓：各礦井地壓正常，無沖擊地壓，隨著開采深度的增加，需注意沖擊地壓發(fā)生的可能性。

煤塵爆炸性：各可采煤層均存在煤塵爆炸危險，屬于自燃—容易自燃煤層。大部分地區(qū)屬地溫正常區(qū)。

3.2 生態(tài)環(huán)境潛力

3.2.1 地形條件

大同礦區(qū)位于山西晉北大同盆地西側(cè)，周圍環(huán)山。西北為牛心山，西南為洪濤山，西為西石山，東北為雷公山，中部為廣闊起伏的低山丘陵臺地。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，一般海拔1 200～1 400m。最高1 835.9m，最低1 100m[18]。相對高差極值730m。

3.2.2 氣候與植被

礦區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，氣候干燥，風(fēng)沙嚴(yán)重。年平均氣溫5.1℃，年最低氣溫-26.5℃，最高氣溫39.9℃，晝夜溫差顯著；年平均降水量430mm，年蒸發(fā)量1 885.1～2 386.3mm，年平均濕度46%～52%。植被屬于干草原的植被類型，大量的禾本科、豆科草類是發(fā)展畜牧業(yè)的優(yōu)質(zhì)牧草，還有麻黃、甘草等可用于制作藥材的野生藥材植物[18]。

3.2.3 有害物質(zhì)

大同礦區(qū)石炭二疊紀(jì)煤層以氣煤為主，長焰煤次之。主要為動力用煤，兼有煉焦配煤。各煤層原煤灰分均較高，以中灰、中高灰煤為主，一般多在25%左右以上；礦區(qū)山西組煤層多為低硫煤，太原組煤層原煤硫分含量較高，特別是下部8號、9號煤層硫分含量平均值在2.2%以上。按煤質(zhì)指標(biāo)評價，大同礦區(qū)沒有優(yōu)質(zhì)煤炭資源。煤中有害元素與放射性異常暫未發(fā)現(xiàn)。

3.3 開發(fā)利用潛力

3.3.1 經(jīng)濟(jì)區(qū)位與消費(fèi)需求

大同礦區(qū)位于大同市西南部，距市區(qū)12.5km，所轄區(qū)域與大同市南郊區(qū)交叉。礦區(qū)所處大同市2018年GDP 1 271.8億元。人口密度100.6人/km2。

大同礦區(qū)以現(xiàn)有老礦區(qū)為依托，已建工業(yè)格局，如化工、陶瓷、熱電、水泥等，需要大量的煤炭資源，促進(jìn)了煤炭工業(yè)的發(fā)展，為煤炭企業(yè)提供可持續(xù)發(fā)展提供了良好的外部條件。

3.3.2 生產(chǎn)能力

大同礦區(qū)2018年煤炭資源實際產(chǎn)量為16 621萬t，各煤礦采煤工藝基本為綜采。

3.3.3 資源開發(fā)能力

可采儲量7.9億t，剩余服務(wù)年限約25.7年。

根據(jù)對大同礦區(qū)資源稟賦潛力、生態(tài)環(huán)境潛力和開發(fā)利用潛力的分析，對礦區(qū)各參數(shù)進(jìn)行賦值評價見表4。

表4 大同礦區(qū)評價指標(biāo)賦值情況

3.4 開發(fā)潛力評價結(jié)果

根據(jù)大同礦區(qū)煤炭資源開發(fā)條件，應(yīng)用“煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價模型”，對大同礦區(qū)進(jìn)行了分析評價。全區(qū)資源稟賦潛力44.41分，生態(tài)環(huán)境潛力24.60分，開發(fā)利用潛力16.49分，綜合評分85.50分，全區(qū)評價結(jié)果為一類“綠色優(yōu)先開發(fā)區(qū)”(表5)。

按照此方法，進(jìn)一步應(yīng)用“煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價模型”，對大同礦區(qū)內(nèi)的65個生產(chǎn)煤礦開展了評價，評分為80.15～89.85分，平均85.19分(圖2)。根據(jù)評價結(jié)果，65個生產(chǎn)礦井均為一類區(qū)，與大同礦區(qū)總體評價結(jié)果基本吻合。

通過本次資源開發(fā)潛力評價可知，大同礦區(qū)基本為綠色優(yōu)先開發(fā)煤炭資源，由于長期開采，各井田服務(wù)年限急劇縮短，采掘接替緊張，礦井開采薄煤層增加， 進(jìn)入構(gòu)造較復(fù)雜、斷層多且煤層分叉、火區(qū)較多，且瓦斯含量增加，煤塵有爆炸性危險和易自燃，上述因素均可能影響礦井正常生產(chǎn)。綜上，大同礦區(qū)侏羅系煤層中開采技術(shù)條件好的綠色儲量有限。

表5 大同礦區(qū)煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價結(jié)果

圖2 大同礦區(qū)65處礦井的煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價分值分布

截至2018年底，大同礦區(qū)總計有生產(chǎn)礦井65個，在建礦井38個，規(guī)劃煤礦4個。2018年設(shè)計生產(chǎn)能力2.17億t，實際產(chǎn)量達(dá)到1.66億t，10年后礦區(qū)產(chǎn)量將穩(wěn)定在1.27億t左右，20年后礦區(qū)產(chǎn)量將下降到1億t以下，之后逐漸進(jìn)入資源枯竭期。因此，控制合適的產(chǎn)能規(guī)模，提高資源回采率，對延緩老礦區(qū)服務(wù)年限意義重大。

4 結(jié)論

1)系統(tǒng)論述了煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價的總體思路、評價路徑、評價內(nèi)容與方法，形成了一套相對完整的煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價方法。

2)建立煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價模型。通過確定由目標(biāo)層、條件層(3個方面)、指標(biāo)層(10項指標(biāo))、參數(shù)層(27種參數(shù))構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)影響因子，選用層次分析法(AHP)為基礎(chǔ)因子確定各評價指標(biāo)權(quán)重，分別建立資源稟賦潛力、生態(tài)環(huán)境潛力、開發(fā)利用潛力的耦合評價模型，最終建立煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價模型。

3)根據(jù)綜合評價分值，將煤炭資源劃分為“四類”，即綠色優(yōu)先開發(fā)資源、非綠色可開發(fā)資源、非綠色難開發(fā)資源和難動用資源。

4)應(yīng)用“煤炭資源綠色開發(fā)潛力評價模型”，對大同礦區(qū)煤炭資源開發(fā)潛力進(jìn)行了分析評價，全區(qū)資源稟賦潛力44.41分，生態(tài)環(huán)境潛力24.60分，開發(fā)利用潛力16.49分，綜合評分85.50分，為一類“綠色優(yōu)先開發(fā)區(qū)”。但由于賦存于侏羅系中開采技術(shù)條件好的煤炭資源有限，控制產(chǎn)能對延緩老礦區(qū)的服務(wù)年限意義重大。