黄河流域煤炭富集区生态开采模式初探

2022-01-13张会军

煤炭科学技术 2021年12期

张会军

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013;2.中国煤炭科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭行业矿区土地整治与生态修复工程研究中心，北京 100013)

0 引言

黄河流域西高东低，高差悬殊，形成横跨我国北方自西向东、由高到低的三级阶梯，自西向东分别流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南及山东9 个省(区)，最后流入渤海，是我国重要生态屏障的密集区[1]。黄河流域矿产资源丰富，特别是煤炭资源，在全国已探明储量超过100亿t的26个大煤田中，黄河流域有12个，已探明煤炭保有储量550亿t，占全国煤炭储量的50%左右，其煤炭资源经济可采量和煤炭产量，目前均居全国首位[2]。据统计，2019年度全国煤炭产量为38.50亿t；而黄河流域9省区的煤炭产量为30.19亿t，占比为78.4%。

然而黄河流域中上游处于干旱半干旱地区、气候干旱、降雨量少，黄土地，风沙地及黄河冲积平原地抗扰动能力差，煤炭规模开采引起地表沉陷、地面塌陷和裂缝，生产过程中的疏排水工程导致水位下降，进而诱使大面积的乔、灌、草等荒漠植被衰败减少，草场退化，加剧水土流失、耕地损失、植被退化。据统计，黄土区占黄河流域总面积85%(包括陕北、晋北、晋中、晋东、黄陇)，煤炭开采加剧水土流失；风沙区占黄河流域总面积的93%(包括神东、宁东)，煤炭开发加速了该区沙漠化；湖泊区占黄河流域总面积的5.6%(包括鲁西、河南)，煤炭开采活动加重了耕地生产力的下降。如何在该流域加强生态环境保护的同时又能开发煤炭资源以保障国家能源安全和促进经济发展，已成为目前我国亟待解决的重大难题。

2019年9月，习近平总书记对黄河流域的生态环境与经济发展进行考察并发表重要讲话，要求我们坚持“绿水青山就是金山银山”的理念，坚持生态优先、绿色发展，以水而定、量水而行，因地制宜、分类施策，上下游、干支流、左右岸统筹谋划，共同抓好大保护，协同推进大治理[3]。

深入落实生态文明发展理念，基于我国煤炭行业发展现状，积极开展理念、工艺、模式及技术创新，尝试探索一种将煤炭开发、绿色发展、安全高效、生态保护及产业转型、协同创新发展新模式，成为当下“双循环”发展模式的一种新引领趋势。

1 地域特征及煤炭赋存概况

黄河流域煤炭资源主要分布在内蒙古、山西、陕西、宁夏、河南、甘肃 6 省(区)(图1)，具有资源雄厚、分布集中、品种齐全、煤质优良、埋藏浅、易开发等特点。在我国的14个大型煤炭基地中，黄河流域流经了宁东、陕北、神东、晋北、晋中、晋东、黄陇、河南和鲁西等9大国家大型煤炭基地，覆盖了85处煤炭矿区或存在交集，是我国最为重要的煤炭资源富集区、原煤生产加工区和煤炭产品的转换区[4-5]。

图1 黄河流域煤炭资源(矿区)分布

据国家统计局和国家能源局数据显示：截至2018年12月底，黄河流域流经9省(区)域内煤矿数量1 563处，全国占比35.66%，规模约29.69亿t/a，全国占比64.78%，全国原煤产量36.83亿t，其中，黄河流域 21.63亿t，占全国的58.73%，煤矿数量超过全国1/3，产能规模更是占全国总产能的2/3，资源储量接近全国一半，原煤产量占全国总产量6成。

2 采动损害特征及危害

煤炭生产活动不仅占用和消耗煤炭资源，还会引起安全生产问题和其他生态环境资源的破坏，黄河流域煤炭开采与传统的煤炭开采形成的问题主要体现在以下4个方面：

1)安全生产问题。我国煤矿灾害种类多(顶板、水、瓦斯、火、粉尘、冲击地压等)，安全事故多发，与先前矿井生产工艺落后、安全生产意识薄弱、科学技术投入不足等诸多客观因素密切相关，黄河流域作为我国煤炭主产区，煤炭资源的开采深度和开采强度不断增加，相关安全事故也是屡发频发，煤与瓦斯突出、顶板灾害、突水灾害及冲击地压等动力灾害发生的频次增加，以鄂尔多斯矿区为例，顶板切顶冒落及冲击地压事故，已严重危及矿井的安全生产。

2)对水资源的破坏和污染。我国众多国有重点煤矿约75%处于缺水状态，其中44%煤矿缺失十分严重。对水资源的破坏，主要表现在2个方面，一方面煤炭开采过程中，进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙造成煤系含水层自然疏干，导致地下水位的大面积大幅度下降。据测算，煤炭开采全国平均吨煤水代价是2 t，华北地区10 t、最高达47 t，煤矿排水量已占北方地区岩溶水资源的19%，利用率仅有30%。据不完全调查，在建国最初的50年里，仅山西省每年平均因采煤而破坏的地下水就达到4亿多m3，矿区主要供水水源枯竭，地表植被干枯，自然景观破坏，农业产量下降，严重时可引起地表土壤沙化。另一方面开采造成地表及地下水污染。矿井水、矸石堆淋溶水、选煤废水等普遍含有煤粉、岩粉悬浮物及可溶性的无机盐类。在我国西部地区，矿井水矿化度较高，这些废水的排放对地表河、水库等水资源污染较严重(全国煤矿每年排出矿井水约22亿t)，导致矿区水位下降，并会使矿区土地贫化，污染植被，严重影响农业可持续发展[6-7]。

3)对土地资源的破坏和占用。地表塌陷、水土流失、沙漠化、固体废弃物对土地的压占和污染严重破坏土地资源(图2—图3)。煤炭开采所造成的沉陷对土地资源的破坏是十分严重的，我国因采煤区地表塌陷造成的土地破坏总量约为40万hm2，开采万吨原煤造成的土地塌陷面积平均达0.20～0.33 hm2，每年因采煤破坏的土地以3万hm2的速度递增。此外，煤矿开采会产生占煤炭产量 10%～20%的矸石，目前我国煤矸石累计堆存近40亿t，占用土地1万hm2。煤矿开采生产导致的土地破坏问题会使农民丧失赖以生存的土地，进而产生严重社会现象及生态环境问题。

图2 采煤塌陷地

图3 矸石山自燃

4)对大气环境的污染。煤矿开采过程中，会释放大量有害气体，如CH4、CO、CO2、SO2、H2S等，生产过程中经矿井通风风流并携带大量粉尘排至大气。矿井瓦斯CH4产生的温室效应是CO2的21倍，我国煤矿每年排放大气的CH4约100亿m3，排放粉尘约40万t。此外据不完全统计，我国现今拥有1 500 多座煤矸石山，对应堆积量可达50亿t，且每年仍以1.5亿～2 亿t 的数量在增加，占地面积大概为5 800 hm2，煤矸石发热自燃产生大量SO2、CO2、CO等有毒气体，对矿区环境造成了严重污染，而且由此引发尘肺病患者达几十万人。

3 生态开采内涵

煤炭是我国主体能源的地位将在较长的一定时期内不会改变[8-9]，煤炭资源在为社会经济快速发展做出巨大贡献的同时，也带来了资源浪费、生态系统破坏、环境污染、安全及煤炭企业资源枯竭后续转型发展乏力的一系列社会问题。

针对煤炭开发形成的诸多问题，很多专家学者从绿色开采角度提出了一系列新举措，目前的研究主要集中在绿色开采模式上[10-14]。张建民等[15]提出了深部仿生绿色开采模式，预期达到“地上无煤、井下无人”的绿色目标。谢和平等[16]提出深地煤炭资源流态化开采的颠覆性科学构想，认为煤炭开采的全要素生产率、治理体系及治理能力的现代化有助于解决煤炭开采规模化的生态环境问题。胡振琪等[17]针对煤炭资源开发过程中产生的矿区生态环境与社会问题，提出煤矿生态环境“边开采边修复”，其特点是在采矿过程中，同步(时)治理，及时恢复或治理损伤的生态环境。尽管相关专家学者就煤炭开发相关问题进行了定向研究，但煤炭行业由于自身涉及领域广、影响范围大、影响周期长、制约瓶颈因素多等特性，矿区绿色发展及行业循环转型发展的系统研究有待进一步深入。

以新发展理念为指引，将煤炭行业高质量发展路径、矿区生态文明建设方向、循环发展模式与煤炭资源全生命周期开发、生态开采技术、采复一体生态保护机制、伴生资源开发利用、安全生产建设及转型发展方式深度融合提出“生态开采模式”(图4)。生态开采模式是煤炭行业绿色开采的进一步外延，是更深程度、更大范围的“绿色发展”模式，涵盖了煤矿全生命周期中的资源开发、生态保护、安全建设、建设路径及发展模式等环节，也是黄河流域煤炭资源实现高质量发展的必由之路。

图4 生态开采模式

4 全生命周期开发

煤炭行业是从事煤炭资源勘探、开发、生产、储运、加工转换和环境保护的行业部门，同由美国经济学家雷蒙德·弗农于1966年在产品生命周期中的国际投资与国际贸易》中提出的产品生命周期理论[18]一样也具有明显的生命周期性。李永峰[19]从煤炭的开发利用角度出发，认为煤矿全生命周期是指煤炭从原煤的开采到最终废弃物处理所经历的各个阶段和整个过程。

根据行业属性，一般有4个阶段：形成期、成长期、成熟期、衰退期，据此可将我国煤炭工业发展，总体可划分为煤炭行业形成期(1949—2002 年)、煤炭行业成长期(2003—2012 年)、煤炭行业成熟期(2013—2030 年)、煤炭行业衰退期(2030—2050 年)4个阶段。随着我国煤炭工业的快速发展，其已经历形成期、成长期两大生命周期阶段，当前处于成熟期。煤炭行业的显著特点是其更多地受煤田地质条件、资源储量、市场需求、开采工艺技术等因素影响，若将煤炭产业归为一大主体，矿区则为其最小一基本单元。若对其进一步细分，仍可概括为形成期、成长期、成熟期和衰退期4个阶段。开展全生命周期理论研究就是为更好地研究煤炭行业发展规划，做好科学划分和研究煤炭资源全生命周期各阶段的发展任务和科技创新方向，是实现煤炭产业升级及清洁高效利用的必要基础，也是全面贯彻绿色发展和循环产业的前提。但是随着我国经济的高速发展、煤炭资源的持续开发和国家煤炭去产能政策的实施，部分煤矿难以进行全生命周期开采，导致我国关闭/废弃煤矿数量持续增加，造成了大量的资源浪费、安全、环境和社会等问题[20-21]。煤矿全生命周期绿色开采不仅能够减少资源浪费，也能够减少煤矿事故的发生，有利于我国社会的稳定发展[22-23]。与此同时，我国正在全面开展生态文明建设，也决定了煤矿绿色矿山全生命周期建设必须做到绿色勘查、绿色设计、绿色建设、绿色退出(矿山生态环境修复与治理)，形成全生命周期的绿色矿山建设新模式。

根据不同阶段相关特性，将其不同阶段的发展规划总结如下：

1)形成期主要涵盖探矿及矿建部分，采用绿色勘探工艺、绿色开采设计理念及先进建井施工工艺技术，降低各类资源消耗及其伴生物排弃量，实现矿产资源开发前期的生态环境预保护和项目开展中低碳绿色开发。

2)随着矿井生产逐步常态化，其将步入成长期，其显著特点是煤炭开发能力与伴生排弃物渐渐同步增长，矿井效益步步提升。以新发展理念为指引，积极推进“生态开采”与绿色发展成为煤炭产业实现由传统“高消耗、低产出、高浪费”的粗放发展模式，到资源高效开发、伴生资源循环发展利用、产业经绿色发展与环境保护和谐共生的“高质量发展模式”新转变的关键点。

3)煤炭企业成熟期是发展循环经济的黄金期，煤炭企业产能稳定、发展趋势和利润收益全面向好，全面实施成长期规划建设“高质量发展模式”的同时，积极践行循环经济“减量化、再利用、资源化”的原则，实现各类资源价值最大化及环境过程性主动保护至关重要。

4)在矿井资源逐渐枯竭的衰退期，最大限度地实现残余资源价值化利用，将企业发展重心逐渐过渡到已构建的循环经济产业模式中来，拓展后续发展产业链，促进产业转型、转产，同步积极探索新兴产业实现煤炭企业资源化发展到发展资源化的蝶变。

5 生态开采技术

在传统的矿山开采中，矿区的地表沉陷严重、生态水资源遭到破坏、水土流失比较严重，安全事故频发多发、生产作业环境差，依靠工艺创新寻求一种资源开发与环境协同保护的开采技术，将资源开采活动对生态环境的影响降低到最低是煤炭绿色开发亟待解决的重大实践问题。相关专家学者提出了一系列的开采理念与技术，如煤炭资源与环境协调开采[24]、绿色开采[25-26]、保水开采[27-28]、仿生共采[29]、精准开采[30]、科学开采[31]等；本文研究的生态开采技术较以往开采技术有较多不同，生态开采涵盖矿井开发全生命周期，根据矿井不同地质条件，更多将矿井资源保水理念、矸石无废化井下充填处置、采煤减沉控制、无煤柱高效开采及其他伴生资源综合开发同步进行，同时更加突出地表生态预保护、资源开发高效集约利用、生产开发的减损无害化、共生资源生态协同、生产作业活动的绿色化、安全灾害的优化预防与预警防控等(图5)。

图5 生态开采技术体系

采用生态开采技术可以实现资源开采与生态系统保护协同发展，在实现资源开发的同时将生产作业安全事故做到预防与可控，将先进的“机械化、自动化、智能化”用于井下生产作业可实现减人、少人甚至无人，提高工效的同时降低作业人员的劳动强度，同时能够有效降低废气、废水以及废渣的排放。

6 安全生产建设

随着煤矿开采工艺技术进步和配套装备制造能力提高，煤矿开采效率和开采强度与日弥增[32]，特别是随着煤矿开采深度的增加，煤矿重、特大事故时常发生，煤与瓦斯突出、粉尘危害、冲击地压、顶板灾害、火、水、地面塌陷等矿山灾害事故频发，使得防灾抗灾工作难度加大，安全生产状况日益严峻[33]，并具有群发性、多样性、区域性、衍生性、持续时间的多样性、不可避免性等特征。

煤矿资源所处位置地质条件往往较为复杂，只有根据地质灾害特征采取针对性防范措施才能更好保证作业环境稳定与安全。根据矿井全生命周期4个阶段的划分(形成期、成长期、成熟期、衰退期)(图6)，分别确定了不同时期煤矿安全生产建设中精细勘察、生态开发、高效利用、转型恢复等重点内容。并根据不同阶段特点，分别采取相应全面的综合安全技术工艺及治理手段，达到安全生产建设的总体目的。

图6 煤矿全生命周期安全建设路线

7 采复一体保护

随着我国煤炭工业的快速发展，资源开发导致的大气和水污染不可避免，特别是开采沉降导致的地表塌陷、土地破坏、水土流失及次生地质灾害尤为突出。据统计，全国煤炭资源与耕地资源重合区域面积约占全国耕地总面积的42.7%[34]，东部高潜水位地区高标准耕地开采沉陷影响更为严重(部分地区甚至达到了79%以上[35])，2019年全国新增矿山恢复治理面积约4.8万hm2。其中，在建和生产矿山新增恢复治理面积约1.92万hm2，占40.05%；废弃矿山新增恢复治理面积约2.88万hm2，占59.95%[36]。

我国矿山历经40多年的探索和实践，对采煤沉陷地主要采取“先破坏，后治理”的传统复垦方式(主要有直接利用法、土地平整、疏排法、梯田式复垦、挖深垫浅、煤矸石充填、粉煤灰充填等[37])，土地复垦比例已经提高到了25%左右[38]，远落后于其他国家50%以上复垦水平，复垦任务艰巨[39]，同时复垦后耕地率低、耕地质量差[40]、复垦成本高(成本将会增加30%左右[41])、复垦周期长等问题[42]。

关于煤矿采动损坏与生态环境保护方面，有学者提出预复垦[43]、超前复垦[44-45]、动态复垦[46-47]、边采边复[48]等概念和方法。本文提出的采复一体保护方案(图7)，以矿井全生命周期为跨度边界、以生态开采技术为主动保护引线、以矿井安全建设为生态保护支撑，充分结合资源及伴生资源综合转化利用优势，同步实现矿井安全、高效、绿色开发与生态环境资源保护、利用、恢复和谐共生循环发展。其内涵可具体表述为，预先根据矿井全生命周期阶段划分与资源开采设计规划过程中生态开采引起的预损范围及程度进行评估细分，同时结合开采区域地表与井下时空演变特征及地表生态资源现状，相继开展预保护、预治理及同恢复，总体实现资源开发前端的“减量化预防控”、损坏过程“动态预治理”和损害破坏后的“生态同恢复”。黄河流域煤炭基地区域生态环境脆弱，水资源匮乏，从煤炭全生命周期考虑，将生态开采与采复一体保护理念主动融入到资源开发中，实现资源开发与生态保护一体化发展，是实现黄河流域煤炭工业高质量发展的重要技术支撑。

图7 采复一体保护示意

8 伴生资源开发

煤炭资源一直以来都是我国主体能源，较长时期内多处于供应紧张状态，煤炭工业的快速发展主要以扩大生产规模的传统方式来支持国民经济建设。然而，单纯依赖多出煤的粗放模式，导致了资源开发过程中的粉尘、瓦斯、水、煤矸石及其他伴生矿物的直接外排，不仅严重污染生态环境，更多遗弃式浪费了很多资源，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，严重损害了煤炭工业的可持续发展能力[49]。保持煤炭产业高质量发展，实现企业主体可持续发展，就必须改变一直以来形成的狭义资源观，将煤炭产业全流程中的各种伴生物、煤矸石、矿井水、瓦斯、矿区塌陷土地、粉煤灰、灰渣等都视为宝贵资源，大力发展循环经济加快实现我国煤炭工业发展由粗放型向精细型转变，引领我国煤炭工业向绿色、可持续、附加值高的方向转型发展。依据循环经济发展理念，提升路径主要有：①加强资源进行分类处理，提高资源综合利用率。主要包括煤系共生、伴生资源的开发利用(高岭土、铝矾土、膨润土等)、矸石的综合利用、煤层气高效开发利用；②积极开展土地资源保护，实现资源盘活。将采动损害塌陷地进行土地整治与生态复垦，因地制宜实现“山、水、林、田、湖、草”生态恢复，条件成熟地区充分发挥整治土地资源综合优势，实现土地指标增减挂钩与资源盘活增值开发，形成更加多元的产业结构；③有效保护利用矿井水资源。对水资源进行优先保护，处理后的矿井水可以作为工业用水、生活配套辅助用水，在实现矿井水资源保护利用的同时，还可以改善矿区生态环境，实现资源利用生态友好发展。

9 转型发展方式

黄河流域是我国煤炭资源的主要富集区(例如，我国西部地区如青海、宁夏、陕西、内蒙古等，煤炭最终可开采储量为429亿t，占全国总量的57.9%)，但是该区域大多自然条件差、生态脆弱、气候恶劣、多以煤炭资源开发为支柱产业、经济条件也相对落后。以新发展理念为指引的高质量发展模式，是我国经济实现转型发展主要方向。积极探索一种既能实现煤炭资源高效利用开发，又能实现环境保护与循环可持续发展的新路径成为当前最热研究方向之一。国内外的很多专家学者对此进行了研究，提出了循环经济的发展理念和发展模式[50-51]。煤炭企业循环经济主要包括包括煤炭行业发展角度[52-53]、典型煤炭企业发展模式探讨[54-56]、矿山企业竞争力方面[57]、煤炭企业区域建设[58-59]、循环经济发展评价[60-61]等方面。

煤矿作为煤炭企业最小单元，开展循环经济研究，主要包括优化矿井设计、开发新型开采工艺及采煤方法、配套洗煤厂实现已开采煤炭资源提质提效，实现矿井水资源、瓦斯高效利用，综合治理采煤塌陷区提升复垦土地资源潜在价值。

煤炭企业或资源型矿区(城市)产业建设与转型发展，涉及更多要素，难度也非常大。对比国内外循环经济发展模式和成功案例，谋求企业转型发展，将为我国资源型城市、企业带来更多借鉴。国内外比较典型转型案例详见表1。