实施绿色开采 促进露天煤矿可持续发展

宋子岭

(辽宁工程技术大学，辽宁省阜新市，123000)

实现绿色开采是解决露天矿生态环境问题的根本途径，是露天煤矿可持续发展的前提。目前，关于露天煤矿绿色开采理论与技术的研究方兴未艾，并已取得显著成果。煤矿绿色开采的概念是由钱鸣高院士首先提出来的[1]。钱鸣高等[2]阐述了井工煤矿绿色开采的内涵、理论基础及绿色开采技术体系。才庆祥等[3-4]建立了以复垦费用最小为目标函数的露天煤矿采场表土层剥离与排土场土地复垦一体化优化模型，应用系统动力学原理探讨子模型之间的因果关系。王建国等[5]提出露天煤矿绿色开采的基本思路、绿色因子的概念及内涵。宋子岭等[6]建立了系统化的露天煤矿生态环境恢复与开采一体化的绿色开采理论与技术体系，提出了绿色开采的目标、绿色开采技术支撑体系、建立了“绿色度”评价指标体系及评价模型。裴多斐[7]用可持续发展的观点，系统分析了煤炭资源开发对生态环境的影响，探讨煤炭资源开采生态环境影响评价基本理论与方法。田会等[8]提出露天煤矿产生环境扰动及“扰动系数”的概念和计算方法，建立了露天矿对水、大气、土地和生态环境扰动的分类控制指标。

在煤炭总产量中，露天开采的占比逐年提高，已由以前的不到10%逐渐增加到2016年的20.8%[9]，露天煤矿的数量达400余座。然而，露天开采对生态环境的影响是严重的、影响范围也是巨大的，现已成为影响露天煤矿可持续发展的首要因素。笔者在详细分析露天开采的特点和对生态环境影响基础上，提出了实现露天煤矿绿色开采的几项建议。

1 露天煤矿绿色开采的现实意义

目前，关于露天煤矿最热的词，或者最受关注的词，莫过于“绿色开采”、“绿色发展”、“绿色矿山”。“绿色开采”成为目前露天煤矿最重要的发展目标、发展方向，主要是因为绿色开采是国家发展战略的需要，露天煤矿开采对生态环境影响与破坏严重，传统的露天开采设计理论存在没有考虑生态环境保护因素的缺陷等。

(1)绿色开采是国家发展战略的需要。党的十八大做出了“大力推进生态文明建设”的战略决策，提出经济建设、政治建设、文化建设、社会建设、生态文明建设“五位一体”总体布局，实现以人为本、全面协调可持续的科学发展，要坚持人与自然和谐共生，形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式，还自然以宁静、和谐、美丽。习近平在党的十八届五中全会第二次全体会议上的讲话提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，绿色发展注重的是解决人与自然和谐问题。我国资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的问题十分严峻，人民群众对清新空气、干净饮水、安全食品、优美环境的要求越来越强烈。党的十九大提出了把我国建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国的奋斗目标。习近平提出“绿水青山就是金山银山”，人与自然是生命共同体。“建设美丽中国”就是要提供更多优质生态产品以满足人民日益增长的优美生态环境需要。

(2)露天煤矿开采对生态环境影响与破坏严重。露天开采对矿区固体环境、水环境、大气环境、生态环境产生综合性破坏和污染，如图1所示。

图1 露天开采生态环境灾害分类示意图

(3)传统的露天开采设计理论存在缺陷。我国露天开采设计主要采用原苏联露天煤矿设计理论，其设计原则是工艺与开采条件匹配、开采方法与开采条件匹配，开采方案目标是“技术可行、经济合理、安全可靠”。在这种设计思想的指导下，露天开采设计主要考虑露天开采安全技术的可行性和经济效益的最大化，但存在明显的缺陷，没有考虑生态环境修复问题，形成先开采、后治理的环境被动模式，从而引发了严重的生态环境问题：露天矿区土地占用和破坏的面积大；采场排水破坏地下水力平衡，矿区附近地下水位下降；煤炭自燃产生有毒有害气体和烟雾，严重污染大气；汽车运输消耗燃油、排放大量的尾气；各环节作业产生飞尘(煤尘、岩尘)和噪音；引发固体、水体、气体、生态环境综合性破坏和污染。传统露天开采设计理论及存在的缺陷如图2所示。

图2 传统露天开采设计理论及存在的缺陷

(4)有些矿山企业对生态环境修复还处在被动应付状态。目前，有些露天煤矿对矿区生态环境问题还没有给予足够的重视，对生态环境的态度是被动的，不是主动的，其采取的一切措施、投入的资金大都是由于环保部门、政府检查督察后的补救措施。没有把本矿区的生态环境保护与恢复工作摆到与煤炭开采同等位置，即生态环境恢复与开采是各自独立的，没有形成一体化，从而造成目前生态环境治理效果不理想。

(5)生态环境问题入法。2018年国家出台了史上最严的环境法，即《中华人民共和国环境保护法》2018年版，自2018年1月1日执行。

2 露天煤矿绿色开采的概念及内涵

绿色矿山概念是钱鸣高院士首先提出来的，2003年钱鸣高院士提出了绿色开采的概念并对其内涵进行了界定，提出绿色开采的内涵是努力遵循循环经济中绿色工业的原则，形成一种与环境协调一致的，努力去实现“低开采、高利用、低排放”的开采技术。这是我国关于绿色开采技术最早的权威表述，也提出了绿色开采的目标。

根据露天矿开采工艺与方法以及露天矿环境影响特点，露天矿绿色开采技术概念界定为：以实现露天煤矿“低开采、高利用、低排放”为目标，从露天矿开采规划、设计、生产、直至闭坑全过程进行环境污染控制。采用以生态恢复为主要工艺环节的绿色开采工艺，以陡帮开采为主的开采方法，以土地占用动态补偿机制为管理手段，形成以绿色度或绿色因子为强制因素的评价指标体系的绿色开采设计理论，从而实现露天矿生态恢复与开采一体化技术。这一概念包含以下内涵。

(1)露天矿开采与矿区固体环境的协调关系。如露天开采各工艺环节“矿岩准备、采装、运输、排卸、生态重建”的合理匹配关系，露天开采中剥离物、煤炭对矿区土地的影响及其协调关系，穿孔爆破、采装、运输、排土设备作业对周围环境的影响及其协调关系等。

(2)露天开采与水体(地下水与地表水)环境的协调关系。如露天采场与矿区地下水力关系，外排土场剥离物淋溶水对周边土地及地表水的影响。

(3)露天开采与大气环境的协调关系。如露天矿爆破、采运排作业所产生的烟尘、飞尘的产生机理及其对大气环境的影响，采场内煤炭自燃和排土场、排矸场残煤自燃对大气环境的影响。

(4)露天开采与固体环境、水体环境、大气环境及生态环境的综合一体化协调关系，从而形成大型露天煤矿绿色开采理论体系和技术经济指标评价体系。

3 实现露天煤矿绿色开采的几点建议

3.1 加强露天煤矿绿色开采理论研究

建设“本质绿色型露天矿”，从开采规划、开采设计(初步设计)起，设计的露天煤矿、建设的露天煤矿都是绿色开采的，同时建立露天煤矿绿色设计理论与方法。

绿色开采不再是一个概念、一个名词，而是实实在在需要达到的目标，是露天煤矿不可分割的重要组成部分，是露天矿的技术问题、理论问题、管理问题和核心问题。

露天煤矿绿色开采的目标：“露天煤矿采用绿色开采工艺、绿色开采方法”——露天矿采场、排土场等生产过程对生态环境破坏最小；“开矿不见矿”——矿区生态环境恢复、绿化。某露天煤矿绿化效果如图3所示。

3.2 生态环境恢复与开采形成一体化技术

3.2.1 露天矿生态环境治理措施

实施露天煤矿绿色开采一体化技术、找到生态环境保护与开采的平衡点是解决露天矿生态环境问题的有效措施和根本途径，如图4所示。露天煤矿实现绿色开采理论与技术总体框架与思路如图5所示。

图3 某露天煤矿绿化效果

图4 露天煤矿绿色开采一体化

图5 露天煤矿一体化绿色开采理论与技术总体框架

3.2.2 采用露天煤矿一体化绿色开采工艺系统

(1)露天煤矿绿色开采工艺系统概念及内涵。露天煤矿绿色开采工艺系统为完成采掘、运输、排卸、生态环境恢复主要工艺环节的设备和作业方式的总称。由采掘、运输、排卸、生态环境恢复4个主要工艺环节组成。“生态环境恢复”环节与其他工艺环节一样，拥有专用作业设备、作业方式、作业环节生产能力等，与其他工艺环节必须合理匹配。

(2)生态环境恢复与开采一体化工艺理论体系的建立。一体化工艺理论与技术的目标是实现露天矿绿色开采，达到以最小的环境代价获取最大的资源开采，实现露天开采与矿区的固体环境、水环境、大气环境及生态环境协调发展。

一体化工艺理论内容包括露天开采工艺系统及生产工艺环节合理匹配一体化理论与技术，生态环境恢复与开采时空关系一体化理论与技术，生产经营管理一体化。

上述生态环境恢复与开采一体化工艺理论与技术的目标、内容构成了露天煤矿绿色开采工艺理论体系。

3.2.3露天煤矿绿色开采工艺系统环节及其合理匹配关系

(1)绿色开采工艺系统环节及其作用如图6所示。

图6 绿色开采工艺系统工艺环节及其作用

(2)各工艺环节合理匹配关系包括以下3个方面。

①各环节设备类型匹配即生态恢复设备类型的选择应与采掘、运输、排土设备类型相匹配。主要与排土设备类型匹配。设备匹配：一是设备类型要相一致；二是设备规格应一致。

②各环节设备生产能力匹配关系，满足后续环节生产能力不小于前一环节生产能力的原则。即：

(1)

(其中系数满足1≤KY≤KW)

式中：QP——排土环节的总生产能力，m3/a；

QY——运输环节的总生产能力，m3/a；

QW——采装环节的总生产能力，m3/a；

KY、KW——为各环节能力系数，其值不小于1。

③各环节设备数量匹配关系与“合理车铲比、合理排土场卸载点数量”相似，“合理生态恢复设备数量” 应与排土设备数量匹配。其设备数量关系应满足：

(2)

式中：FZ——年度土地恢复总面积，m2/a；

NT——生态恢复设备数量(也即土地恢复工作面数)，台；

K0——生态恢复设备匹配系数，取值≥1；

Qt——生态恢复设备年生产能力，m3/(台·a)；

HT——平均填方厚度或挖方深度(填方为正、挖方为负)，m。

(3)绿色开采工艺系统分类。按主要工艺环节设备类型、作业特点和生态恢复方式分为以下3类。

第一类：间断开采工艺+工程修复工艺；间断开采工艺+植物修复工艺；间断开采工艺+生物修复工艺；间断开采工艺+综合修复工艺(工程、生物、植物组合)。

第二类：连续开采工艺+工程修复工艺；连续开采工艺+植物修复工艺；连续开采工艺+生物修复工艺；连续开采工艺+综合修复工艺(工程、生物、植物组合)。

第三类：半连续开采工艺+工程修复工艺；半连续开采工艺+植物修复工艺；半连续开采工艺+生物修复工艺；半连续开采工艺+综合修复工艺(工程、生物、植物组合)。

3.3 露天煤矿对生态环境问题要变被动为主动

为避免露天煤矿由于生态环境问题而被动停产、甚至关闭，各露天煤矿对生态环境问题应由被动转变为主动，以确保露天煤矿可持续发展。

3.4 露天煤矿应对生态环境进行性机理方面的技术攻关

露天煤矿应对生态环境进行性机理方面的技术攻关主要包括：露天煤矿爆破产尘机理及扬尘逸散规律研究，露天矿采场工作面产尘机理及扬尘逸散规律研究，露天矿汽车道路产尘机理及扬尘逸散规律研究，露天矿排土场产尘机理及扬尘逸散规律研究，露天矿破碎站等转载点的产尘机理及扬尘逸散规律研究；重金属、有毒有害污染物在矿区的迁移转移规律的研究等。

3.5 露天煤矿应采取一系列的绿色开采技术

实现露天煤矿绿色开采的目标，需要实施一系列的绿色开采技术予以保证。主要绿色开采技术措施如图8所示。

图8 露天煤矿绿色开采技术支撑体系

3.6 露天煤矿应遵循绿色开采原则

露天煤矿绿色开采应遵循以下5条原则：

(1)遵循露天煤矿绿色评价分类达标原则：Ⅰ类矿区达到“优秀”标准；Ⅱ类矿区达到“良好”标准；Ⅲ类矿区达到“中等”标准。

(2)遵循露天煤矿土地占用最小与动态补偿原则：建立露天煤矿初始占用土地数量的数学模型；建立露天煤矿生产过程土地动态补偿机制——土地置换。基本思想是按一定的时间周期(3～5年)，露天矿向当地交还多少已经恢复的土地，露天矿才能再购置多少土地；

(3)遵循露天煤矿生态环境恢复与开采一体化原则。

(4)遵循露天煤矿绿色开采技术保障原则。

(5)遵循从勘探、开发设计、矿山建设、开采生产、闭坑全生命周期的生态环境保护的原则。

3.7 用“土地置换原则”破解露天煤矿土地征地困局

目前多个露天煤矿都受制于土地购置困局，有的露天矿由于不能及时购置到土地而停产。若想破解土地购置困局，光靠向政府和农民攻关是不够的，也是在目前国家土地宏观管理政策——18亿亩耕地红线及生态环境保护要求等大背景下难以走通的路。露天煤矿应该走“土地动态补偿机制——土地置换”之路，即按一定的时间周期(3～5年)，露天矿向当地交还多少已经恢复的土地，露天矿才能再购置多少土地。这也是露天矿征地可持续发展之路。

3.8 引入“土地扰动系数”理论解决采区划分与土地占用问题

露天开采占用和破坏大量的土地、破坏生态环境，这是露天开采最大的缺点和不足，虽然我国大部分露天煤矿可以实现内排回填，但是，大型露天煤矿必将形成一个巨大的矿坑、外排土场，而且在开采过程中，矿坑的位置和排土场的占地面积是不断变化的，露天煤矿随着开采工程的发展，需要不断地向社会征购土地，对土地的占用量不断增大。因此，露天矿土地占用是一个动态演化过程。目前，我国大部分大型露天煤矿都面临征地困难、影响剥采生产的现实问题。为达到控制露天煤矿对土地的占用或破坏、以最小的土地占用获得最大的煤炭资源开采的目标，需做到以下几点。

(1)必须研究露天煤矿对土地占用的动态演变规律，包括露天煤矿土地占用的分类、土地占用的因素构成、土地占用的数量、土地占用的时间以及不同类型土地占用的数量随时间的变化规律等，以“土地扰动系数”指标作为露天煤矿土地占用的综合性评价指标。

(2)在掌握露天煤矿土地占用动态演化规律基础上，详细分析露天煤矿土地占用的影响因素，研究各项土地占用的控制因素，使各阶段露天煤矿土地占用达到最小。

(3)建立露天煤矿土地恢复与新征土地动态置换管理机制。掌握露天煤矿土地占用动态演化规律、应用土地控制与动态置换管理机制，是实现露天煤矿用最小的土地占用和生态环境代价获得最大资源这一目标的根本途径。

3.9 露天煤矿应建立“生态环境恢复部(生产部门)”

露天煤矿都应成立生态环境生产部门，负责生态环境恢复环节的生产，与采矿部、运输部、排土部并行的生产部门，而不仅仅是环保科(管理功能)。

3.10 建立露天煤矿“绿色度”评价指标体系

引入“绿色度”指标，以科学评价一个露天煤矿绿色开采程度，是否达到绿色开采的目标，包括设计的露天煤矿、生产的露天煤矿直至闭坑的露天煤矿。

4 结论

(1)露天开采对矿区环境引发固体环境、水环境、大气环境、生态环境综合性破坏和污染。从国家发展战略、环境保护法等方面要求露天矿必须采用绿色开采技术。

(2)现有的露天煤矿工艺与开采设计理论存在明显的缺陷，建立生态环境恢复与开采一体化工艺与开采设计理论是解决露天煤矿生态环境问题的根本途径。

(3)露天煤矿绿色开采应遵循5项原则，即露天煤矿绿色评价分类达标原则，露天煤矿土地占用最小与动态补偿原则，露天煤矿生态环境恢复与开采一体化原则，露天煤矿绿色开采技术保障原则，从勘探、开发设计、矿山建设、开采生产、闭坑全生命周期的生态环境保护的原则。

(4)露天煤矿应对生态环境进行机理方面的技术攻关。