張 會(huì) 軍

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013;2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭行業(yè)礦區(qū)土地整治與生態(tài)修復(fù)工程研究中心，北京 100013)

0 引 言

黃河流域西高東低，高差懸殊，形成橫跨我國(guó)北方自西向東、由高到低的三級(jí)階梯，自西向東分別流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南及山東9 個(gè)省(區(qū))，最后流入渤海，是我國(guó)重要生態(tài)屏障的密集區(qū)[1]。黃河流域礦產(chǎn)資源豐富，特別是煤炭資源，在全國(guó)已探明儲(chǔ)量超過(guò)100億t的26個(gè)大煤田中，黃河流域有12個(gè)，已探明煤炭保有儲(chǔ)量550億t，占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的50%左右，其煤炭資源經(jīng)濟(jì)可采量和煤炭產(chǎn)量，目前均居全國(guó)首位[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年度全國(guó)煤炭產(chǎn)量為38.50億t；而黃河流域9省區(qū)的煤炭產(chǎn)量為30.19億t，占比為78.4%。

然而黃河流域中上游處于干旱半干旱地區(qū)、氣候干旱、降雨量少，黃土地，風(fēng)沙地及黃河沖積平原地抗擾動(dòng)能力差，煤炭規(guī)模開(kāi)采引起地表沉陷、地面塌陷和裂縫，生產(chǎn)過(guò)程中的疏排水工程導(dǎo)致水位下降，進(jìn)而誘使大面積的喬、灌、草等荒漠植被衰敗減少，草場(chǎng)退化，加劇水土流失、耕地?fù)p失、植被退化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃土區(qū)占黃河流域總面積85%(包括陜北、晉北、晉中、晉東、黃隴)，煤炭開(kāi)采加劇水土流失；風(fēng)沙區(qū)占黃河流域總面積的93%(包括神東、寧東)，煤炭開(kāi)發(fā)加速了該區(qū)沙漠化；湖泊區(qū)占黃河流域總面積的5.6%(包括魯西、河南)，煤炭開(kāi)采活動(dòng)加重了耕地生產(chǎn)力的下降。如何在該流域加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的同時(shí)又能開(kāi)發(fā)煤炭資源以保障國(guó)家能源安全和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，已成為目前我國(guó)亟待解決的重大難題。

2019年9月，習(xí)近平總書(shū)記對(duì)黃河流域的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)行考察并發(fā)表重要講話，要求我們堅(jiān)持“綠水青山就是金山銀山”的理念，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，以水而定、量水而行，因地制宜、分類(lèi)施策，上下游、干支流、左右岸統(tǒng)籌謀劃，共同抓好大保護(hù)，協(xié)同推進(jìn)大治理[3]。

深入落實(shí)生態(tài)文明發(fā)展理念，基于我國(guó)煤炭行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，積極開(kāi)展理念、工藝、模式及技術(shù)創(chuàng)新，嘗試探索一種將煤炭開(kāi)發(fā)、綠色發(fā)展、安全高效、生態(tài)保護(hù)及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展新模式，成為當(dāng)下“雙循環(huán)”發(fā)展模式的一種新引領(lǐng)趨勢(shì)。

1 地域特征及煤炭賦存概況

黃河流域煤炭資源主要分布在內(nèi)蒙古、山西、陜西、寧夏、河南、甘肅 6 省(區(qū))(圖1)，具有資源雄厚、分布集中、品種齊全、煤質(zhì)優(yōu)良、埋藏淺、易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)。在我國(guó)的14個(gè)大型煤炭基地中，黃河流域流經(jīng)了寧東、陜北、神東、晉北、晉中、晉東、黃隴、河南和魯西等9大國(guó)家大型煤炭基地，覆蓋了85處煤炭礦區(qū)或存在交集，是我國(guó)最為重要的煤炭資源富集區(qū)、原煤生產(chǎn)加工區(qū)和煤炭產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換區(qū)[4-5]。

圖1 黃河流域煤炭資源(礦區(qū))分布

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：截至2018年12月底，黃河流域流經(jīng)9省(區(qū))域內(nèi)煤礦數(shù)量1 563處，全國(guó)占比35.66%，規(guī)模約29.69億t/a，全國(guó)占比64.78%，全國(guó)原煤產(chǎn)量36.83億t，其中，黃河流域 21.63億t，占全國(guó)的58.73%，煤礦數(shù)量超過(guò)全國(guó)1/3，產(chǎn)能規(guī)模更是占全國(guó)總產(chǎn)能的2/3，資源儲(chǔ)量接近全國(guó)一半，原煤產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量6成。

2 采動(dòng)損害特征及危害

煤炭生產(chǎn)活動(dòng)不僅占用和消耗煤炭資源，還會(huì)引起安全生產(chǎn)問(wèn)題和其他生態(tài)環(huán)境資源的破壞，黃河流域煤炭開(kāi)采與傳統(tǒng)的煤炭開(kāi)采形成的問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

1)安全生產(chǎn)問(wèn)題。我國(guó)煤礦災(zāi)害種類(lèi)多(頂板、水、瓦斯、火、粉塵、沖擊地壓等)，安全事故多發(fā)，與先前礦井生產(chǎn)工藝落后、安全生產(chǎn)意識(shí)薄弱、科學(xué)技術(shù)投入不足等諸多客觀因素密切相關(guān)，黃河流域作為我國(guó)煤炭主產(chǎn)區(qū)，煤炭資源的開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度不斷增加，相關(guān)安全事故也是屢發(fā)頻發(fā)，煤與瓦斯突出、頂板災(zāi)害、突水災(zāi)害及沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻次增加，以鄂爾多斯礦區(qū)為例，頂板切頂冒落及沖擊地壓事故，已嚴(yán)重危及礦井的安全生產(chǎn)。

2)對(duì)水資源的破壞和污染。我國(guó)眾多國(guó)有重點(diǎn)煤礦約75%處于缺水狀態(tài)，其中44%煤礦缺失十分嚴(yán)重。對(duì)水資源的破壞，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面，一方面煤炭開(kāi)采過(guò)程中，進(jìn)行的人為疏干排水和采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙造成煤系含水層自然疏干，導(dǎo)致地下水位的大面積大幅度下降。據(jù)測(cè)算，煤炭開(kāi)采全國(guó)平均噸煤水代價(jià)是2 t，華北地區(qū)10 t、最高達(dá)47 t，煤礦排水量已占北方地區(qū)巖溶水資源的19%，利用率僅有30%。據(jù)不完全調(diào)查，在建國(guó)最初的50年里，僅山西省每年平均因采煤而破壞的地下水就達(dá)到4億多m3，礦區(qū)主要供水水源枯竭，地表植被干枯，自然景觀破壞，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降，嚴(yán)重時(shí)可引起地表土壤沙化。另一方面開(kāi)采造成地表及地下水污染。礦井水、矸石堆淋溶水、選煤廢水等普遍含有煤粉、巖粉懸浮物及可溶性的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)。在我國(guó)西部地區(qū)，礦井水礦化度較高，這些廢水的排放對(duì)地表河、水庫(kù)等水資源污染較嚴(yán)重(全國(guó)煤礦每年排出礦井水約22億t)，導(dǎo)致礦區(qū)水位下降，并會(huì)使礦區(qū)土地貧化，污染植被，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[6-7]。

3)對(duì)土地資源的破壞和占用。地表塌陷、水土流失、沙漠化、固體廢棄物對(duì)土地的壓占和污染嚴(yán)重破壞土地資源(圖2—圖3)。煤炭開(kāi)采所造成的沉陷對(duì)土地資源的破壞是十分嚴(yán)重的，我國(guó)因采煤區(qū)地表塌陷造成的土地破壞總量約為40萬(wàn)hm2，開(kāi)采萬(wàn)噸原煤造成的土地塌陷面積平均達(dá)0.20～0.33 hm2，每年因采煤破壞的土地以3萬(wàn)hm2的速度遞增。此外，煤礦開(kāi)采會(huì)產(chǎn)生占煤炭產(chǎn)量 10%～20%的矸石，目前我國(guó)煤矸石累計(jì)堆存近40億t，占用土地1萬(wàn)hm2。煤礦開(kāi)采生產(chǎn)導(dǎo)致的土地破壞問(wèn)題會(huì)使農(nóng)民喪失賴(lài)以生存的土地，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重社會(huì)現(xiàn)象及生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

圖2 采煤塌陷地

圖3 矸石山自燃

4)對(duì)大氣環(huán)境的污染。煤礦開(kāi)采過(guò)程中，會(huì)釋放大量有害氣體，如CH4、CO、CO2、SO2、H2S等，生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)礦井通風(fēng)風(fēng)流并攜帶大量粉塵排至大氣。礦井瓦斯CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的21倍，我國(guó)煤礦每年排放大氣的CH4約100億m3，排放粉塵約40萬(wàn)t。此外據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)今擁有1 500 多座煤矸石山，對(duì)應(yīng)堆積量可達(dá)50億t，且每年仍以1.5億～2 億t 的數(shù)量在增加，占地面積大概為5 800 hm2，煤矸石發(fā)熱自燃產(chǎn)生大量SO2、CO2、CO等有毒氣體，對(duì)礦區(qū)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，而且由此引發(fā)塵肺病患者達(dá)幾十萬(wàn)人。

3 生態(tài)開(kāi)采內(nèi)涵

煤炭是我國(guó)主體能源的地位將在較長(zhǎng)的一定時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變[8-9]，煤炭資源在為社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也帶來(lái)了資源浪費(fèi)、生態(tài)系統(tǒng)破壞、環(huán)境污染、安全及煤炭企業(yè)資源枯竭后續(xù)轉(zhuǎn)型發(fā)展乏力的一系列社會(huì)問(wèn)題。

針對(duì)煤炭開(kāi)發(fā)形成的諸多問(wèn)題，很多專(zhuān)家學(xué)者從綠色開(kāi)采角度提出了一系列新舉措，目前的研究主要集中在綠色開(kāi)采模式上[10-14]。張建民等[15]提出了深部仿生綠色開(kāi)采模式，預(yù)期達(dá)到“地上無(wú)煤、井下無(wú)人”的綠色目標(biāo)。謝和平等[16]提出深地煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采的顛覆性科學(xué)構(gòu)想，認(rèn)為煤炭開(kāi)采的全要素生產(chǎn)率、治理體系及治理能力的現(xiàn)代化有助于解決煤炭開(kāi)采規(guī)?；纳鷳B(tài)環(huán)境問(wèn)題。胡振琪等[17]針對(duì)煤炭資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)問(wèn)題，提出煤礦生態(tài)環(huán)境“邊開(kāi)采邊修復(fù)”，其特點(diǎn)是在采礦過(guò)程中，同步(時(shí))治理，及時(shí)恢復(fù)或治理?yè)p傷的生態(tài)環(huán)境。盡管相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者就煤炭開(kāi)發(fā)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了定向研究，但煤炭行業(yè)由于自身涉及領(lǐng)域廣、影響范圍大、影響周期長(zhǎng)、制約瓶頸因素多等特性，礦區(qū)綠色發(fā)展及行業(yè)循環(huán)轉(zhuǎn)型發(fā)展的系統(tǒng)研究有待進(jìn)一步深入。

以新發(fā)展理念為指引，將煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展路徑、礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)方向、循環(huán)發(fā)展模式與煤炭資源全生命周期開(kāi)發(fā)、生態(tài)開(kāi)采技術(shù)、采復(fù)一體生態(tài)保護(hù)機(jī)制、伴生資源開(kāi)發(fā)利用、安全生產(chǎn)建設(shè)及轉(zhuǎn)型發(fā)展方式深度融合提出“生態(tài)開(kāi)采模式”(圖4)。生態(tài)開(kāi)采模式是煤炭行業(yè)綠色開(kāi)采的進(jìn)一步外延，是更深程度、更大范圍的“綠色發(fā)展”模式，涵蓋了煤礦全生命周期中的資源開(kāi)發(fā)、生態(tài)保護(hù)、安全建設(shè)、建設(shè)路徑及發(fā)展模式等環(huán)節(jié)，也是黃河流域煤炭資源實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

圖4 生態(tài)開(kāi)采模式

4 全生命周期開(kāi)發(fā)

煤炭行業(yè)是從事煤炭資源勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、加工轉(zhuǎn)換和環(huán)境保護(hù)的行業(yè)部門(mén)，同由美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家雷蒙德·弗農(nóng)于1966年在產(chǎn)品生命周期中的國(guó)際投資與國(guó)際貿(mào)易》中提出的產(chǎn)品生命周期理論[18]一樣也具有明顯的生命周期性。李永峰[19]從煤炭的開(kāi)發(fā)利用角度出發(fā)，認(rèn)為煤礦全生命周期是指煤炭從原煤的開(kāi)采到最終廢棄物處理所經(jīng)歷的各個(gè)階段和整個(gè)過(guò)程。

根據(jù)行業(yè)屬性，一般有4個(gè)階段：形成期、成長(zhǎng)期、成熟期、衰退期，據(jù)此可將我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展，總體可劃分為煤炭行業(yè)形成期(1949—2002 年)、煤炭行業(yè)成長(zhǎng)期(2003—2012 年)、煤炭行業(yè)成熟期(2013—2030 年)、煤炭行業(yè)衰退期(2030—2050 年)4個(gè)階段。隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，其已經(jīng)歷形成期、成長(zhǎng)期兩大生命周期階段，當(dāng)前處于成熟期。煤炭行業(yè)的顯著特點(diǎn)是其更多地受煤田地質(zhì)條件、資源儲(chǔ)量、市場(chǎng)需求、開(kāi)采工藝技術(shù)等因素影響，若將煤炭產(chǎn)業(yè)歸為一大主體，礦區(qū)則為其最小一基本單元。若對(duì)其進(jìn)一步細(xì)分，仍可概括為形成期、成長(zhǎng)期、成熟期和衰退期4個(gè)階段。開(kāi)展全生命周期理論研究就是為更好地研究煤炭行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，做好科學(xué)劃分和研究煤炭資源全生命周期各階段的發(fā)展任務(wù)和科技創(chuàng)新方向，是實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)升級(jí)及清潔高效利用的必要基礎(chǔ)，也是全面貫徹綠色發(fā)展和循環(huán)產(chǎn)業(yè)的前提。但是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、煤炭資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)和國(guó)家煤炭去產(chǎn)能政策的實(shí)施，部分煤礦難以進(jìn)行全生命周期開(kāi)采，導(dǎo)致我國(guó)關(guān)閉/廢棄煤礦數(shù)量持續(xù)增加，造成了大量的資源浪費(fèi)、安全、環(huán)境和社會(huì)等問(wèn)題[20-21]。 煤礦全生命周期綠色開(kāi)采不僅能夠減少資源浪費(fèi)，也能夠減少煤礦事故的發(fā)生，有利于我國(guó)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展[22-23]。與此同時(shí)，我國(guó)正在全面開(kāi)展生態(tài)文明建設(shè)，也決定了煤礦綠色礦山全生命周期建設(shè)必須做到綠色勘查、綠色設(shè)計(jì)、綠色建設(shè)、綠色退出(礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)與治理)，形成全生命周期的綠色礦山建設(shè)新模式。

根據(jù)不同階段相關(guān)特性，將其不同階段的發(fā)展規(guī)劃總結(jié)如下：

1)形成期主要涵蓋探礦及礦建部分，采用綠色勘探工藝、綠色開(kāi)采設(shè)計(jì)理念及先進(jìn)建井施工工藝技術(shù)，降低各類(lèi)資源消耗及其伴生物排棄量，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)前期的生態(tài)環(huán)境預(yù)保護(hù)和項(xiàng)目開(kāi)展中低碳綠色開(kāi)發(fā)。

2)隨著礦井生產(chǎn)逐步常態(tài)化，其將步入成長(zhǎng)期，其顯著特點(diǎn)是煤炭開(kāi)發(fā)能力與伴生排棄物漸漸同步增長(zhǎng)，礦井效益步步提升。以新發(fā)展理念為指引，積極推進(jìn)“生態(tài)開(kāi)采”與綠色發(fā)展成為煤炭產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)“高消耗、低產(chǎn)出、高浪費(fèi)”的粗放發(fā)展模式，到資源高效開(kāi)發(fā)、伴生資源循環(huán)發(fā)展利用、產(chǎn)業(yè)經(jīng)綠色發(fā)展與環(huán)境保護(hù)和諧共生的“高質(zhì)量發(fā)展模式”新轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵點(diǎn)。

3)煤炭企業(yè)成熟期是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的黃金期，煤炭企業(yè)產(chǎn)能穩(wěn)定、發(fā)展趨勢(shì)和利潤(rùn)收益全面向好，全面實(shí)施成長(zhǎng)期規(guī)劃建設(shè)“高質(zhì)量發(fā)展模式”的同時(shí)，積極踐行循環(huán)經(jīng)濟(jì)“減量化、再利用、資源化”的原則，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)資源價(jià)值最大化及環(huán)境過(guò)程性主動(dòng)保護(hù)至關(guān)重要。

4)在礦井資源逐漸枯竭的衰退期，最大限度地實(shí)現(xiàn)殘余資源價(jià)值化利用，將企業(yè)發(fā)展重心逐漸過(guò)渡到已構(gòu)建的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)模式中來(lái)，拓展后續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、轉(zhuǎn)產(chǎn)，同步積極探索新興產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)資源化發(fā)展到發(fā)展資源化的蝶變。

5 生態(tài)開(kāi)采技術(shù)

在傳統(tǒng)的礦山開(kāi)采中，礦區(qū)的地表沉陷嚴(yán)重、生態(tài)水資源遭到破壞、水土流失比較嚴(yán)重，安全事故頻發(fā)多發(fā)、生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境差，依靠工藝創(chuàng)新尋求一種資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境協(xié)同保護(hù)的開(kāi)采技術(shù)，將資源開(kāi)采活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響降低到最低是煤炭綠色開(kāi)發(fā)亟待解決的重大實(shí)踐問(wèn)題。相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者提出了一系列的開(kāi)采理念與技術(shù)，如煤炭資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)采[24]、綠色開(kāi)采[25-26]、保水開(kāi)采[27-28]、仿生共采[29]、精準(zhǔn)開(kāi)采[30]、科學(xué)開(kāi)采[31]等；本文研究的生態(tài)開(kāi)采技術(shù)較以往開(kāi)采技術(shù)有較多不同，生態(tài)開(kāi)采涵蓋礦井開(kāi)發(fā)全生命周期，根據(jù)礦井不同地質(zhì)條件，更多將礦井資源保水理念、矸石無(wú)廢化井下充填處置、采煤減沉控制、無(wú)煤柱高效開(kāi)采及其他伴生資源綜合開(kāi)發(fā)同步進(jìn)行，同時(shí)更加突出地表生態(tài)預(yù)保護(hù)、資源開(kāi)發(fā)高效集約利用、生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的減損無(wú)害化、共生資源生態(tài)協(xié)同、生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)的綠色化、安全災(zāi)害的優(yōu)化預(yù)防與預(yù)警防控等(圖5)。

圖5 生態(tài)開(kāi)采技術(shù)體系

采用生態(tài)開(kāi)采技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)采與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)協(xié)同發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)的同時(shí)將生產(chǎn)作業(yè)安全事故做到預(yù)防與可控， 將先進(jìn)的“機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化”用于井下生產(chǎn)作業(yè)可實(shí)現(xiàn)減人、少人甚至無(wú)人，提高工效的同時(shí)降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)能夠有效降低廢氣、廢水以及廢渣的排放。

6 安全生產(chǎn)建設(shè)

隨著煤礦開(kāi)采工藝技術(shù)進(jìn)步和配套裝備制造能力提高，煤礦開(kāi)采效率和開(kāi)采強(qiáng)度與日彌增[32]，特別是隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，煤礦重、特大事故時(shí)常發(fā)生，煤與瓦斯突出、粉塵危害、沖擊地壓、頂板災(zāi)害、火、水、地面塌陷等礦山災(zāi)害事故頻發(fā)，使得防災(zāi)抗災(zāi)工作難度加大，安全生產(chǎn)狀況日益嚴(yán)峻[33]，并具有群發(fā)性、多樣性、區(qū)域性、衍生性、持續(xù)時(shí)間的多樣性、不可避免性等特征。

煤礦資源所處位置地質(zhì)條件往往較為復(fù)雜，只有根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害特征采取針對(duì)性防范措施才能更好保證作業(yè)環(huán)境穩(wěn)定與安全。根據(jù)礦井全生命周期4個(gè)階段的劃分(形成期、成長(zhǎng)期、成熟期、衰退期)(圖6)，分別確定了不同時(shí)期煤礦安全生產(chǎn)建設(shè)中精細(xì)勘察、生態(tài)開(kāi)發(fā)、高效利用、轉(zhuǎn)型恢復(fù)等重點(diǎn)內(nèi)容。并根據(jù)不同階段特點(diǎn)，分別采取相應(yīng)全面的綜合安全技術(shù)工藝及治理手段，達(dá)到安全生產(chǎn)建設(shè)的總體目的。

圖6 煤礦全生命周期安全建設(shè)路線

7 采復(fù)一體保護(hù)

隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，資源開(kāi)發(fā)導(dǎo)致的大氣和水污染不可避免，特別是開(kāi)采沉降導(dǎo)致的地表塌陷、土地破壞、水土流失及次生地質(zhì)災(zāi)害尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)煤炭資源與耕地資源重合區(qū)域面積約占全國(guó)耕地總面積的42.7%[34]，東部高潛水位地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)耕地開(kāi)采沉陷影響更為嚴(yán)重(部分地區(qū)甚至達(dá)到了79%以上[35])，2019年全國(guó)新增礦山恢復(fù)治理面積約4.8萬(wàn)hm2。其中，在建和生產(chǎn)礦山新增恢復(fù)治理面積約1.92萬(wàn)hm2，占40.05%；廢棄礦山新增恢復(fù)治理面積約2.88萬(wàn)hm2，占59.95%[36]。

我國(guó)礦山歷經(jīng)40多年的探索和實(shí)踐，對(duì)采煤沉陷地主要采取“先破壞，后治理”的傳統(tǒng)復(fù)墾方式(主要有直接利用法、土地平整、疏排法、梯田式復(fù)墾、挖深墊淺、煤矸石充填、粉煤灰充填等[37])，土地復(fù)墾比例已經(jīng)提高到了25%左右[38]，遠(yuǎn)落后于其他國(guó)家50%以上復(fù)墾水平，復(fù)墾任務(wù)艱巨[39]，同時(shí)復(fù)墾后耕地率低、耕地質(zhì)量差[40]、復(fù)墾成本高(成本將會(huì)增加30%左右[41])、復(fù)墾周期長(zhǎng)等問(wèn)題[42]。

關(guān)于煤礦采動(dòng)損壞與生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面，有學(xué)者提出預(yù)復(fù)墾[43]、超前復(fù)墾[44-45]、動(dòng)態(tài)復(fù)墾[46-47]、邊采邊復(fù)[48]等概念和方法。本文提出的采復(fù)一體保護(hù)方案(圖7)，以礦井全生命周期為跨度邊界、以生態(tài)開(kāi)采技術(shù)為主動(dòng)保護(hù)引線、以礦井安全建設(shè)為生態(tài)保護(hù)支撐，充分結(jié)合資源及伴生資源綜合轉(zhuǎn)化利用優(yōu)勢(shì)，同步實(shí)現(xiàn)礦井安全、高效、綠色開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境資源保護(hù)、利用、恢復(fù)和諧共生循環(huán)發(fā)展。其內(nèi)涵可具體表述為，預(yù)先根據(jù)礦井全生命周期階段劃分與資源開(kāi)采設(shè)計(jì)規(guī)劃過(guò)程中生態(tài)開(kāi)采引起的預(yù)損范圍及程度進(jìn)行評(píng)估細(xì)分，同時(shí)結(jié)合開(kāi)采區(qū)域地表與井下時(shí)空演變特征及地表生態(tài)資源現(xiàn)狀，相繼開(kāi)展預(yù)保護(hù)、預(yù)治理及同恢復(fù)，總體實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)前端的“減量化預(yù)防控”、損壞過(guò)程“動(dòng)態(tài)預(yù)治理”和損害破壞后的“生態(tài)同恢復(fù)”。黃河流域煤炭基地區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源匱乏，從煤炭全生命周期考慮，將生態(tài)開(kāi)采與采復(fù)一體保護(hù)理念主動(dòng)融入到資源開(kāi)發(fā)中，實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)保護(hù)一體化發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)黃河流域煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)支撐。

圖7 采復(fù)一體保護(hù)示意

8 伴生資源開(kāi)發(fā)

煤炭資源一直以來(lái)都是我國(guó)主體能源，較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)多處于供應(yīng)緊張狀態(tài)，煤炭工業(yè)的快速發(fā)展主要以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的傳統(tǒng)方式來(lái)支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。然而，單純依賴(lài)多出煤的粗放模式，導(dǎo)致了資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中的粉塵、瓦斯、水、煤矸石及其他伴生礦物的直接外排，不僅嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，更多遺棄式浪費(fèi)了很多資源，并且具有典型的“高投入、高消耗、高排放、多事故和低利用、低效益”的特征，嚴(yán)重?fù)p害了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力[49]。保持煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)企業(yè)主體可持續(xù)發(fā)展，就必須改變一直以來(lái)形成的狹義資源觀，將煤炭產(chǎn)業(yè)全流程中的各種伴生物、煤矸石、礦井水、瓦斯、礦區(qū)塌陷土地、粉煤灰、灰渣等都視為寶貴資源，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)加快實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展由粗放型向精細(xì)型轉(zhuǎn)變，引領(lǐng)我國(guó)煤炭工業(yè)向綠色、可持續(xù)、附加值高的方向轉(zhuǎn)型發(fā)展。依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，提升路徑主要有：①加強(qiáng)資源進(jìn)行分類(lèi)處理，提高資源綜合利用率。主要包括煤系共生、伴生資源的開(kāi)發(fā)利用(高嶺土、鋁礬土、膨潤(rùn)土等)、矸石的綜合利用、煤層氣高效開(kāi)發(fā)利用；②積極開(kāi)展土地資源保護(hù)，實(shí)現(xiàn)資源盤(pán)活。將采動(dòng)損害塌陷地進(jìn)行土地整治與生態(tài)復(fù)墾，因地制宜實(shí)現(xiàn)“山、水、林、田、湖、草”生態(tài)恢復(fù)，條件成熟地區(qū)充分發(fā)揮整治土地資源綜合優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)土地指標(biāo)增減掛鉤與資源盤(pán)活增值開(kāi)發(fā)，形成更加多元的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；③有效保護(hù)利用礦井水資源。對(duì)水資源進(jìn)行優(yōu)先保護(hù)，處理后的礦井水可以作為工業(yè)用水、生活配套輔助用水，在實(shí)現(xiàn)礦井水資源保護(hù)利用的同時(shí)，還可以改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)資源利用生態(tài)友好發(fā)展。

9 轉(zhuǎn)型發(fā)展方式

黃河流域是我國(guó)煤炭資源的主要富集區(qū)(例如，我國(guó)西部地區(qū)如青海、寧夏、陜西、內(nèi)蒙古等，煤炭最終可開(kāi)采儲(chǔ)量為429億t，占全國(guó)總量的57.9%)，但是該區(qū)域大多自然條件差、生態(tài)脆弱、氣候惡劣、多以煤炭資源開(kāi)發(fā)為支柱產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)條件也相對(duì)落后。以新發(fā)展理念為指引的高質(zhì)量發(fā)展模式，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展主要方向。積極探索一種既能實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效利用開(kāi)發(fā)，又能實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與循環(huán)可持續(xù)發(fā)展的新路徑成為當(dāng)前最熱研究方向之一。國(guó)內(nèi)外的很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，提出了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念和發(fā)展模式[50-51]。煤炭企業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)主要包括包括煤炭行業(yè)發(fā)展角度[52-53]、典型煤炭企業(yè)發(fā)展模式探討[54-56]、礦山企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力方面[57]、煤炭企業(yè)區(qū)域建設(shè)[58-59]、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展評(píng)價(jià)[60-61]等方面。

煤礦作為煤炭企業(yè)最小單元，開(kāi)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究，主要包括優(yōu)化礦井設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)新型開(kāi)采工藝及采煤方法、配套洗煤廠實(shí)現(xiàn)已開(kāi)采煤炭資源提質(zhì)提效，實(shí)現(xiàn)礦井水資源、瓦斯高效利用，綜合治理采煤塌陷區(qū)提升復(fù)墾土地資源潛在價(jià)值。

煤炭企業(yè)或資源型礦區(qū)(城市)產(chǎn)業(yè)建設(shè)與轉(zhuǎn)型發(fā)展，涉及更多要素，難度也非常大。對(duì)比國(guó)內(nèi)外循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和成功案例，謀求企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，將為我國(guó)資源型城市、企業(yè)帶來(lái)更多借鑒。國(guó)內(nèi)外比較典型轉(zhuǎn)型案例詳見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)型發(fā)展典型案例

10 結(jié) 論

1)黃河流域是我國(guó)煤炭資源主要富集區(qū)，資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)保護(hù)相輔相成，加強(qiáng)資源高效利用開(kāi)發(fā)和生態(tài)保護(hù)是認(rèn)真踐行生態(tài)文明建設(shè)的主要內(nèi)容之一，也是建設(shè)生態(tài)礦山的必由之路。

2)建立煤炭行業(yè)、企業(yè)全生命周期開(kāi)發(fā)理念，積極開(kāi)展生態(tài)開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新、礦井安全生產(chǎn)建設(shè)、采復(fù)一體保護(hù)、伴生資源開(kāi)發(fā)利用及轉(zhuǎn)型發(fā)展方式探索將是我國(guó)煤炭主產(chǎn)區(qū)，特別是資源型城市實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、綠色、高質(zhì)量發(fā)展主要方向。

3)積極探索資源型城市及企業(yè)的循環(huán)發(fā)展路徑，加強(qiáng)伴生資源及次生礦物的資源化利用，延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)企業(yè)自生式發(fā)展，將是轉(zhuǎn)型發(fā)展方式關(guān)鍵環(huán)節(jié)。