劉曉民，王文娟，王震宇,，陳 瓊

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古金華源環(huán)境資源工程咨詢有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

0 引 言

我國(guó)煤炭資源“西多東少、北裕南瘠”，與水資源呈逆向分布[1]。2020年西北地區(qū)原煤產(chǎn)量約占全國(guó)的60%，而水資源量?jī)H占全國(guó)的3.9%。大規(guī)模、高強(qiáng)度開采煤礦不可避免對(duì)礦區(qū)周圍水資源、生態(tài)環(huán)境、煤水賦存關(guān)系及賦存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)影響，同時(shí)誘發(fā)地表生態(tài)損傷、地下水系統(tǒng)破壞、矸石排放、地面沉降等，加劇了向旱生植被演變、土壤鹽漬化或沙漠化等生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)。西北干旱半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源匱乏，資源、環(huán)境與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾尤為突出，研究適宜的“保水采煤”技術(shù)、建立“以水定產(chǎn)”煤-水協(xié)調(diào)開發(fā)新模式是綠色開采的重點(diǎn)[2]。

綠色開采度是指在煤炭開發(fā)過(guò)程中通過(guò)綠色開采技術(shù)對(duì)矸石排放、地下水破壞、瓦斯排放、土地破壞等環(huán)境負(fù)外部效應(yīng)的減小程度，是對(duì)礦井綠色開采程度和實(shí)施效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的指標(biāo)。錢鳴高等[3-4]、許家林等[5]基于綠色開發(fā)理念系統(tǒng)的闡述了煤礦綠色開采技術(shù)框架體系。

依據(jù)“安全、綠色、高效、可持續(xù)、開放、共享”特征，王旭東[6]提出了新時(shí)代煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。王國(guó)法等[7]以煤礦水文地質(zhì)條件、開采技術(shù)參數(shù)、開采效率、建設(shè)基礎(chǔ)為要素，建立了智能化煤礦分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法。張建民等[8]將傳統(tǒng)的采礦系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)相融合，構(gòu)建了生態(tài)損傷和綠色開采分析模型，定量評(píng)價(jià)綠色開采水平和效果。

由于自然條件、水資源賦存特征、礦區(qū)煤層地質(zhì)系統(tǒng)、開采方式及開采對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)程度等諸多因素的復(fù)雜性，目前我國(guó)尚未形成一套系統(tǒng)的行之有效的煤-水綠色開發(fā)評(píng)價(jià)體系，存在評(píng)價(jià)指標(biāo)不完善、考核指標(biāo)量化程度低，未體現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤和動(dòng)態(tài)調(diào)整功能等。尤其在西北生態(tài)脆弱區(qū)，如何科學(xué)全面的評(píng)價(jià)煤-水綠色開采度成為亟待解決的問(wèn)題?；谠搭^減損及全生命周期理念，從礦井水資源利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及煤礦安全生產(chǎn)等角度展開研究，探討構(gòu)建實(shí)時(shí)跟蹤和動(dòng)態(tài)調(diào)整的煤-水協(xié)調(diào)綠色開采度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為生態(tài)脆弱區(qū)綠色礦山建設(shè)與綜合治理提供依據(jù)。

1 煤-水綠色開采理論

1.1 煤礦綠色開采理論技術(shù)

錢鳴高等[3-4]、許家林等[5]2003年提出了煤礦綠色開采理念，并系統(tǒng)的闡述了其技術(shù)框架。全生命周期綠色開采的基本出發(fā)點(diǎn)是防止或盡可能減輕煤炭開采對(duì)生態(tài)環(huán)境和其他資源的損傷，即在最小采動(dòng)損害情況下取得最大的資源采出率，實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

隨著地下水保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，對(duì)待礦井水逐步由“防治”轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)整采煤方法控制導(dǎo)水裂隙發(fā)育的含水層原位保護(hù)技術(shù)體系?；谠搭^減損及全生命周期理念，從開采源頭考慮煤共伴生資源與環(huán)境的保護(hù)與開發(fā)，建立“煤礦全生命周期綠色開采”科學(xué)開發(fā)模式。以煤炭資源與水資源共采為例，開采前(規(guī)劃設(shè)計(jì)階段)識(shí)別降水-地表水-地下水-礦井水轉(zhuǎn)化機(jī)制，根據(jù)采煤驅(qū)動(dòng)下圍巖演化規(guī)律、裂隙分布規(guī)律和滲流場(chǎng)演化特征，研究設(shè)計(jì)“保水采煤”技術(shù)參數(shù)與方案[9-12]，控制巖層與地表沉陷。開采中(建設(shè)生產(chǎn)階段)，充分利用煤礦涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與控制技術(shù)，避免發(fā)生突水事故；礦井水油污染處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦井水資源化利用，一定程度上實(shí)現(xiàn)“煤水共采”；探索充填采煤技術(shù)[13-15]，實(shí)現(xiàn)矸石資源化利用。開采后(閉坑治理階段)對(duì)破壞含水層進(jìn)行治理修復(fù)[16-18]，力求恢復(fù)至原始生態(tài)賦存狀態(tài)。

1.2 煤礦綠色開采評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2017年，充分考慮煤炭資源的自然稟賦特點(diǎn)，王佟等建立了綠色煤炭資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[19]，按綠色優(yōu)先開發(fā)、非綠色可開發(fā)、非綠色難開發(fā)、難動(dòng)用4個(gè)等級(jí)開展定量評(píng)價(jià)。2019年8月，國(guó)家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部及工業(yè)和信息化部聯(lián)合制定了《煤炭采選業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》，將清潔生產(chǎn)指標(biāo)分為生產(chǎn)工藝及裝備指標(biāo)、資源能源消耗指標(biāo)、資源綜合利用指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)、清潔生產(chǎn)管理指標(biāo)五類。依據(jù)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“安全、綠色、高效、可持續(xù)、開放、共享”6大特征，2020年王旭東提出了新時(shí)代煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

水資源影響下的煤炭資源開采系統(tǒng)評(píng)價(jià)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)煤炭資源的地質(zhì)賦存特點(diǎn)、開采規(guī)模和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益3個(gè)維度。綜合考慮不同區(qū)域(礦區(qū))資源環(huán)境條件復(fù)雜、問(wèn)題多樣，采用的綠色開采技術(shù)模式側(cè)重點(diǎn)不同，針對(duì)西北生態(tài)脆弱區(qū)，綠色開采度考核重點(diǎn)在“保水采煤”，考核其“以水定產(chǎn)”的實(shí)現(xiàn)程度。構(gòu)建煤-水綠色開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)與模型時(shí)，需體現(xiàn)綠色開發(fā)的綜合效益，從資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益等多方面開展全方位評(píng)價(jià)。

1.3 煤-水綠色開采評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

煤礦開采造成的采空區(qū)及覆巖裂縫導(dǎo)致了礦區(qū)水資源量的減少和水質(zhì)污染(圖1)。同時(shí)，采煤引起的采場(chǎng)覆巖裂縫及地表破壞引發(fā)了水土流失、土壤退化等[20]，最終影響到地表植被及農(nóng)作物。

圖1 煤礦開采對(duì)水資源的影響

考慮西北生態(tài)脆弱區(qū)水資源承載力特征，以維系礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定為基準(zhǔn)，查閱水資源與能源資源開發(fā)利用關(guān)聯(lián)研究、水資源及水生態(tài)系統(tǒng)等可持續(xù)利用評(píng)價(jià)、煤炭綠色開采技術(shù)的文獻(xiàn)分析[21-24]和專家咨詢，研究從地質(zhì)系統(tǒng)、采動(dòng)系統(tǒng)、自然資源系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)6個(gè)方面影響因子構(gòu)建煤-水綠色開采度評(píng)價(jià)體系(圖2)?；凇叭芷诰G色開采”理論，評(píng)價(jià)體系可劃分規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、建設(shè)生產(chǎn)階段和閉坑治理階段?？紤]不同階段煤礦綠色開采要求不同，考核指標(biāo)也各有側(cè)重。

D1—D94—煤-水綠色開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的各項(xiàng)指標(biāo)編號(hào)

煤炭資源與水資源協(xié)調(diào)開發(fā)，不是幾個(gè)系統(tǒng)間指標(biāo)的簡(jiǎn)單疊加，綜合考慮各系統(tǒng)間、各指標(biāo)間的相互影響方式以及影響程度，把煤-水協(xié)調(diào)開發(fā)當(dāng)做一個(gè)整體，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)和內(nèi)在聯(lián)系，將不同指標(biāo)之間的聯(lián)系進(jìn)行明確分析、量化研究，綜合把握指標(biāo)間的相關(guān)性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建。

2 基于GT-ANP理論確定指標(biāo)權(quán)重

引入圖論(Graph Theory)與網(wǎng)絡(luò)分析法(Analytic Network Process)，構(gòu)建GT-ANP模型。研究各指標(biāo)間的相互關(guān)系，兼顧各因素或相鄰層次之間的相互影響，利用“超矩陣”對(duì)各相互作用并影響的因素進(jìn)行綜合分析得出其混合權(quán)重。

綜合考慮煤礦開采特點(diǎn)，各指標(biāo)之間相互影響、相互作用，采用中心性概念來(lái)描述判定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的節(jié)點(diǎn)重要性，并引入度中心性(DC)、介數(shù)中心性(BC)、接近中心性(CC)3個(gè)指標(biāo)作為直接刻畫節(jié)點(diǎn)中心性的度量指標(biāo)。

1)度中心性。在無(wú)向圖中，網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)與所有其他節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系的程度用度中心性來(lái)表示。節(jié)點(diǎn)的度中心性越高，則該節(jié)點(diǎn)的重要性越高?？紤]到評(píng)價(jià)指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用消除網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響的公式對(duì)度中心性進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式(1)如下

(1)

2)介數(shù)中心性。介數(shù)中心性是指，經(jīng)過(guò)某節(jié)點(diǎn)i并且連接節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)k的線路占節(jié)點(diǎn)j與k之間線路總數(shù)之比。以網(wǎng)絡(luò)分析角度來(lái)看，節(jié)點(diǎn)i能夠控制節(jié)點(diǎn)j與k的交往能力，介數(shù)中心性就是以節(jié)點(diǎn)i處于節(jié)點(diǎn)j和k之間線路上的概率來(lái)衡量。計(jì)算公式(2)如下

(2)

式中:CABi為節(jié)點(diǎn)i介數(shù)中心性值；bjk(i)為節(jié)點(diǎn)i在連接節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)k的線路上的幾率。

3)接近中心性。接近中心性是指每個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)最短路程的平均長(zhǎng)度。而一個(gè)點(diǎn)的接近中心度，以圖中該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的捷徑距離之和為衡量依據(jù)。計(jì)算公式(3)如下

(3)

由于上述3個(gè)參數(shù)重要程度不同，因此需要對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行權(quán)重分配。首先利用三標(biāo)度法將3個(gè)參數(shù)對(duì)比，構(gòu)建判斷矩陣見表1。

表1 中心性度量指標(biāo)影響程度

經(jīng)計(jì)算得到一致性比率為0.021 9，認(rèn)為一致性良好，同時(shí)得出各參數(shù)權(quán)重系數(shù)分別為WDC=0.449 8，WBC=0.230 4，WCC=0.319 8。利用Neo4j數(shù)據(jù)庫(kù)，采用Cypher圖形查詢語(yǔ)言對(duì)層次關(guān)系梳理分析，獲得煤礦開發(fā)3個(gè)階段6大系統(tǒng)影響因子的權(quán)重結(jié)果，如圖3所示。由圖3可知，規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，6大系統(tǒng)影響程度較均勻，地質(zhì)系統(tǒng)、采動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)重要，與規(guī)劃設(shè)計(jì)階段保水采煤技術(shù)方案設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)。建設(shè)生產(chǎn)階段，采動(dòng)系統(tǒng)、礦區(qū)災(zāi)害及生態(tài)環(huán)境影響程度增加，尤其采動(dòng)系統(tǒng)影響最大，與開采過(guò)程中礦井涌水控制技術(shù)、突水防治、充填采煤及資源化利用技術(shù)等更為相關(guān)。閉坑治理階段，自然和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)影響程度較大，主要與含水層修復(fù)、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理方案等有關(guān)。

圖3 各階段主要影響因子權(quán)重

3 應(yīng)用案例

3.1 煤礦概況

以陜西省榆橫礦區(qū)北部大海則煤礦為例，如圖4所示。大海則煤礦位于毛烏素沙漠南緣，該區(qū)氣候干燥、少雨多風(fēng)，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被發(fā)育良好，屬于沙生植被生態(tài)序列。大海則煤礦煤層巨厚，且埋深較淺，層位穩(wěn)定、傾角接近水平。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，直接充水含水層為碎屑巖類裂隙孔隙含水層，補(bǔ)給條件差，隔水層穩(wěn)定性好。圍巖基本為陸相碎屑沉積巖，局部地段易產(chǎn)生礦山地質(zhì)問(wèn)題。煤礦設(shè)計(jì)規(guī)模15.0 Mt，主采2號(hào)煤層(埋深547.95～654.95 m)厚度6.19 m，可采儲(chǔ)量78.08 Mt。

圖4 大海則煤礦地理位置示意

3.2 基于GT—ANP模型的構(gòu)建

大海則煤礦處于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段。采用規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。系統(tǒng)從上到下共4層，A層為目標(biāo)，即煤-水綠色開采度；B、C、D層分別為準(zhǔn)則層(6)、子準(zhǔn)則層(17)、指標(biāo)層(33)。根據(jù)指標(biāo)間內(nèi)在關(guān)系，建立各指標(biāo)間的關(guān)系矩陣，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 層次結(jié)構(gòu)示意

3.3 指標(biāo)量化

實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的量化分析，是學(xué)界重視的問(wèn)題之一。研究規(guī)劃設(shè)計(jì)階段選取的33項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)由定量與定性2類構(gòu)成。選取合理的量化分析方法和建立普適性量化方程是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

定量指標(biāo)屬數(shù)值型指標(biāo)，但由于各煤礦地質(zhì)條件、管理體制及部分定量指標(biāo)采用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)不同，使各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重不具有可比性。本次查閱現(xiàn)行發(fā)布的國(guó)家、地方分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)計(jì)算方法將各定量指標(biāo)劃分4個(gè)等級(jí)。定性指標(biāo)難以直接用數(shù)值描述，為客觀、準(zhǔn)確的量化定性指標(biāo)，通過(guò)實(shí)地調(diào)研，綜合考慮指標(biāo)性質(zhì)、特點(diǎn)、變化規(guī)律等進(jìn)行判斷識(shí)別，采用模糊語(yǔ)言確定，參考已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)將定性指標(biāo)劃分3個(gè)等級(jí)。通過(guò)以上分級(jí)量化方法最終獲得統(tǒng)一的評(píng)價(jià)等級(jí)(表2)。經(jīng)量化計(jì)算分析，大海則煤礦綠色開采度為0.838 9，按照等級(jí)劃(表2)分屬于“優(yōu)良”，一定程度上實(shí)現(xiàn)了煤水共采。

表2 大海側(cè)煤礦規(guī)劃設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

大海則煤礦201盤區(qū)設(shè)計(jì)采用一次采全高大采高采煤法，工作面控制采用全垮落法。規(guī)劃開采過(guò)程將煤矸石用于井下廢棄聯(lián)絡(luò)道的填充與礦區(qū)周圍土地整平，煤矸石利用率100%。該礦井疏干水高濁、高硬度，規(guī)劃建設(shè)3級(jí)處理系統(tǒng)，采用“分級(jí)分質(zhì)+時(shí)空協(xié)同+智能調(diào)配”的綜合利用技術(shù)[23]，礦井水利用率達(dá)到100%，污廢水無(wú)外排。同時(shí)，采用邊開采邊修復(fù)理念、技術(shù)，煤礦塌陷土地復(fù)墾率保持在85%左右。綜上所述，大海則煤礦設(shè)計(jì)開采方案、治理恢復(fù)方案較合理，達(dá)到了一部分保水采煤效果，認(rèn)為本次評(píng)價(jià)結(jié)果合理，即構(gòu)建的煤-水綠色開采度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基本可以客觀反映西北生態(tài)脆弱區(qū)煤碳資源與水資源協(xié)同開發(fā)特征。

表3 煤-水綠色開采度評(píng)價(jià)等價(jià)劃分

4 結(jié) 論

1)煤-水協(xié)調(diào)是綠色開采研究領(lǐng)域的前沿課題，實(shí)現(xiàn)西北生態(tài)脆弱區(qū)煤-水協(xié)調(diào)開發(fā)，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)、采動(dòng)、自然資源、生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等6個(gè)系統(tǒng)多影響因子相互作用。

2)“煤礦全生命周期”的不同開采階段，各系統(tǒng)影響程度不同。規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，地質(zhì)、采動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)重要；建設(shè)生產(chǎn)階段，采動(dòng)、礦區(qū)災(zāi)害影響程度增加；閉坑治理階段，自然和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)影響程度較大。因此，構(gòu)建煤-水綠色開采度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)基于“煤礦全生命周期”理論。

3)煤-水資源協(xié)調(diào)開發(fā)，應(yīng)考慮各系統(tǒng)間、各指標(biāo)間的相互影響方式及影響程度，將不同指標(biāo)之間的聯(lián)系進(jìn)行量化研究，綜合把握各指標(biāo)間的相關(guān)性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建評(píng)價(jià)。

4)評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)由定量、定性2類構(gòu)成。由于各煤礦地質(zhì)條件、管理體制及定量指標(biāo)采用的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不同，使得各指標(biāo)權(quán)重不具有可比性；定性指標(biāo)難以直接用數(shù)值描述。因此，選取合理的量化分析方法、建立普適性量化方程是客觀、準(zhǔn)確量化指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。