宋子嶺

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧省阜新市，123000)

實現(xiàn)綠色開采是解決露天礦生態(tài)環(huán)境問題的根本途徑，是露天煤礦可持續(xù)發(fā)展的前提。目前，關(guān)于露天煤礦綠色開采理論與技術(shù)的研究方興未艾，并已取得顯著成果。煤礦綠色開采的概念是由錢鳴高院士首先提出來的[1]。錢鳴高等[2]闡述了井工煤礦綠色開采的內(nèi)涵、理論基礎(chǔ)及綠色開采技術(shù)體系。才慶祥等[3-4]建立了以復(fù)墾費用最小為目標(biāo)函數(shù)的露天煤礦采場表土層剝離與排土場土地復(fù)墾一體化優(yōu)化模型，應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)原理探討子模型之間的因果關(guān)系。王建國等[5]提出露天煤礦綠色開采的基本思路、綠色因子的概念及內(nèi)涵。宋子嶺等[6]建立了系統(tǒng)化的露天煤礦生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與開采一體化的綠色開采理論與技術(shù)體系，提出了綠色開采的目標(biāo)、綠色開采技術(shù)支撐體系、建立了“綠色度”評價指標(biāo)體系及評價模型。裴多斐[7]用可持續(xù)發(fā)展的觀點，系統(tǒng)分析了煤炭資源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響，探討煤炭資源開采生態(tài)環(huán)境影響評價基本理論與方法。田會等[8]提出露天煤礦產(chǎn)生環(huán)境擾動及“擾動系數(shù)”的概念和計算方法，建立了露天礦對水、大氣、土地和生態(tài)環(huán)境擾動的分類控制指標(biāo)。

在煤炭總產(chǎn)量中，露天開采的占比逐年提高，已由以前的不到10%逐漸增加到2016年的20.8%[9]，露天煤礦的數(shù)量達400余座。然而，露天開采對生態(tài)環(huán)境的影響是嚴(yán)重的、影響范圍也是巨大的，現(xiàn)已成為影響露天煤礦可持續(xù)發(fā)展的首要因素。筆者在詳細(xì)分析露天開采的特點和對生態(tài)環(huán)境影響基礎(chǔ)上，提出了實現(xiàn)露天煤礦綠色開采的幾項建議。

1 露天煤礦綠色開采的現(xiàn)實意義

目前，關(guān)于露天煤礦最熱的詞，或者最受關(guān)注的詞，莫過于“綠色開采”、“綠色發(fā)展”、“綠色礦山”。“綠色開采”成為目前露天煤礦最重要的發(fā)展目標(biāo)、發(fā)展方向，主要是因為綠色開采是國家發(fā)展戰(zhàn)略的需要，露天煤礦開采對生態(tài)環(huán)境影響與破壞嚴(yán)重，傳統(tǒng)的露天開采設(shè)計理論存在沒有考慮生態(tài)環(huán)境保護因素的缺陷等。

(1)綠色開采是國家發(fā)展戰(zhàn)略的需要。黨的十八大做出了“大力推進生態(tài)文明建設(shè)”的戰(zhàn)略決策，提出經(jīng)濟建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會建設(shè)、生態(tài)文明建設(shè)“五位一體”總體布局，實現(xiàn)以人為本、全面協(xié)調(diào)可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展，要堅持人與自然和諧共生，形成節(jié)約資源和保護環(huán)境的空間格局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生活方式，還自然以寧靜、和諧、美麗。習(xí)近平在黨的十八屆五中全會第二次全體會議上的講話提出了“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，綠色發(fā)展注重的是解決人與自然和諧問題。我國資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化的問題十分嚴(yán)峻，人民群眾對清新空氣、干凈飲水、安全食品、優(yōu)美環(huán)境的要求越來越強烈。黨的十九大提出了把我國建成富強民主文明和諧美麗的社會主義現(xiàn)代化強國的奮斗目標(biāo)。習(xí)近平提出“綠水青山就是金山銀山”，人與自然是生命共同體。“建設(shè)美麗中國”就是要提供更多優(yōu)質(zhì)生態(tài)產(chǎn)品以滿足人民日益增長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要。

(2)露天煤礦開采對生態(tài)環(huán)境影響與破壞嚴(yán)重。露天開采對礦區(qū)固體環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生綜合性破壞和污染，如圖1所示。

圖1 露天開采生態(tài)環(huán)境災(zāi)害分類示意圖

(3)傳統(tǒng)的露天開采設(shè)計理論存在缺陷。我國露天開采設(shè)計主要采用原蘇聯(lián)露天煤礦設(shè)計理論，其設(shè)計原則是工藝與開采條件匹配、開采方法與開采條件匹配，開采方案目標(biāo)是“技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、安全可靠”。在這種設(shè)計思想的指導(dǎo)下，露天開采設(shè)計主要考慮露天開采安全技術(shù)的可行性和經(jīng)濟效益的最大化，但存在明顯的缺陷，沒有考慮生態(tài)環(huán)境修復(fù)問題，形成先開采、后治理的環(huán)境被動模式，從而引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題：露天礦區(qū)土地占用和破壞的面積大；采場排水破壞地下水力平衡，礦區(qū)附近地下水位下降；煤炭自燃產(chǎn)生有毒有害氣體和煙霧，嚴(yán)重污染大氣；汽車運輸消耗燃油、排放大量的尾氣；各環(huán)節(jié)作業(yè)產(chǎn)生飛塵(煤塵、巖塵)和噪音；引發(fā)固體、水體、氣體、生態(tài)環(huán)境綜合性破壞和污染。傳統(tǒng)露天開采設(shè)計理論及存在的缺陷如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)露天開采設(shè)計理論及存在的缺陷

(4)有些礦山企業(yè)對生態(tài)環(huán)境修復(fù)還處在被動應(yīng)付狀態(tài)。目前，有些露天煤礦對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題還沒有給予足夠的重視，對生態(tài)環(huán)境的態(tài)度是被動的，不是主動的，其采取的一切措施、投入的資金大都是由于環(huán)保部門、政府檢查督察后的補救措施。沒有把本礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護與恢復(fù)工作擺到與煤炭開采同等位置，即生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與開采是各自獨立的，沒有形成一體化，從而造成目前生態(tài)環(huán)境治理效果不理想。

(5)生態(tài)環(huán)境問題入法。2018年國家出臺了史上最嚴(yán)的環(huán)境法，即《中華人民共和國環(huán)境保護法》2018年版，自2018年1月1日執(zhí)行。

2 露天煤礦綠色開采的概念及內(nèi)涵

綠色礦山概念是錢鳴高院士首先提出來的，2003年錢鳴高院士提出了綠色開采的概念并對其內(nèi)涵進行了界定，提出綠色開采的內(nèi)涵是努力遵循循環(huán)經(jīng)濟中綠色工業(yè)的原則，形成一種與環(huán)境協(xié)調(diào)一致的，努力去實現(xiàn)“低開采、高利用、低排放”的開采技術(shù)。這是我國關(guān)于綠色開采技術(shù)最早的權(quán)威表述，也提出了綠色開采的目標(biāo)。

根據(jù)露天礦開采工藝與方法以及露天礦環(huán)境影響特點，露天礦綠色開采技術(shù)概念界定為：以實現(xiàn)露天煤礦“低開采、高利用、低排放”為目標(biāo)，從露天礦開采規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、直至閉坑全過程進行環(huán)境污染控制。采用以生態(tài)恢復(fù)為主要工藝環(huán)節(jié)的綠色開采工藝，以陡幫開采為主的開采方法，以土地占用動態(tài)補償機制為管理手段，形成以綠色度或綠色因子為強制因素的評價指標(biāo)體系的綠色開采設(shè)計理論，從而實現(xiàn)露天礦生態(tài)恢復(fù)與開采一體化技術(shù)。這一概念包含以下內(nèi)涵。

(1)露天礦開采與礦區(qū)固體環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系。如露天開采各工藝環(huán)節(jié)“礦巖準(zhǔn)備、采裝、運輸、排卸、生態(tài)重建”的合理匹配關(guān)系，露天開采中剝離物、煤炭對礦區(qū)土地的影響及其協(xié)調(diào)關(guān)系，穿孔爆破、采裝、運輸、排土設(shè)備作業(yè)對周圍環(huán)境的影響及其協(xié)調(diào)關(guān)系等。

(2)露天開采與水體(地下水與地表水)環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系。如露天采場與礦區(qū)地下水力關(guān)系，外排土場剝離物淋溶水對周邊土地及地表水的影響。

(3)露天開采與大氣環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系。如露天礦爆破、采運排作業(yè)所產(chǎn)生的煙塵、飛塵的產(chǎn)生機理及其對大氣環(huán)境的影響，采場內(nèi)煤炭自燃和排土場、排矸場殘煤自燃對大氣環(huán)境的影響。

(4)露天開采與固體環(huán)境、水體環(huán)境、大氣環(huán)境及生態(tài)環(huán)境的綜合一體化協(xié)調(diào)關(guān)系，從而形成大型露天煤礦綠色開采理論體系和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)評價體系。

3 實現(xiàn)露天煤礦綠色開采的幾點建議

3.1 加強露天煤礦綠色開采理論研究

建設(shè)“本質(zhì)綠色型露天礦”，從開采規(guī)劃、開采設(shè)計(初步設(shè)計)起，設(shè)計的露天煤礦、建設(shè)的露天煤礦都是綠色開采的，同時建立露天煤礦綠色設(shè)計理論與方法。

綠色開采不再是一個概念、一個名詞，而是實實在在需要達到的目標(biāo)，是露天煤礦不可分割的重要組成部分，是露天礦的技術(shù)問題、理論問題、管理問題和核心問題。

露天煤礦綠色開采的目標(biāo)：“露天煤礦采用綠色開采工藝、綠色開采方法”——露天礦采場、排土場等生產(chǎn)過程對生態(tài)環(huán)境破壞最??；“開礦不見礦”——礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、綠化。某露天煤礦綠化效果如圖3所示。

3.2 生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與開采形成一體化技術(shù)

3.2.1 露天礦生態(tài)環(huán)境治理措施

實施露天煤礦綠色開采一體化技術(shù)、找到生態(tài)環(huán)境保護與開采的平衡點是解決露天礦生態(tài)環(huán)境問題的有效措施和根本途徑，如圖4所示。露天煤礦實現(xiàn)綠色開采理論與技術(shù)總體框架與思路如圖5所示。

圖3 某露天煤礦綠化效果

圖4 露天煤礦綠色開采一體化

圖5 露天煤礦一體化綠色開采理論與技術(shù)總體框架

3.2.2 采用露天煤礦一體化綠色開采工藝系統(tǒng)

(1)露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)概念及內(nèi)涵。露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)為完成采掘、運輸、排卸、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)主要工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備和作業(yè)方式的總稱。由采掘、運輸、排卸、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)4個主要工藝環(huán)節(jié)組成?！吧鷳B(tài)環(huán)境恢復(fù)”環(huán)節(jié)與其他工藝環(huán)節(jié)一樣，擁有專用作業(yè)設(shè)備、作業(yè)方式、作業(yè)環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力等，與其他工藝環(huán)節(jié)必須合理匹配。

(2)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與開采一體化工藝?yán)碚擉w系的建立。一體化工藝?yán)碚撆c技術(shù)的目標(biāo)是實現(xiàn)露天礦綠色開采，達到以最小的環(huán)境代價獲取最大的資源開采，實現(xiàn)露天開采與礦區(qū)的固體環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

一體化工藝?yán)碚搩?nèi)容包括露天開采工藝系統(tǒng)及生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)合理匹配一體化理論與技術(shù)，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與開采時空關(guān)系一體化理論與技術(shù)，生產(chǎn)經(jīng)營管理一體化。

上述生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與開采一體化工藝?yán)碚撆c技術(shù)的目標(biāo)、內(nèi)容構(gòu)成了露天煤礦綠色開采工藝?yán)碚擉w系。

3.2.3露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)環(huán)節(jié)及其合理匹配關(guān)系

(1)綠色開采工藝系統(tǒng)環(huán)節(jié)及其作用如圖6所示。

圖6 綠色開采工藝系統(tǒng)工藝環(huán)節(jié)及其作用

(2)各工藝環(huán)節(jié)合理匹配關(guān)系包括以下3個方面。

①各環(huán)節(jié)設(shè)備類型匹配即生態(tài)恢復(fù)設(shè)備類型的選擇應(yīng)與采掘、運輸、排土設(shè)備類型相匹配。主要與排土設(shè)備類型匹配。設(shè)備匹配：一是設(shè)備類型要相一致；二是設(shè)備規(guī)格應(yīng)一致。

②各環(huán)節(jié)設(shè)備生產(chǎn)能力匹配關(guān)系，滿足后續(xù)環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力不小于前一環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力的原則。即：

(1)

(其中系數(shù)滿足1≤KY≤KW)

式中：QP——排土環(huán)節(jié)的總生產(chǎn)能力，m3/a；

QY——運輸環(huán)節(jié)的總生產(chǎn)能力，m3/a；

QW——采裝環(huán)節(jié)的總生產(chǎn)能力，m3/a；

KY、KW——為各環(huán)節(jié)能力系數(shù)，其值不小于1。

③各環(huán)節(jié)設(shè)備數(shù)量匹配關(guān)系與“合理車鏟比、合理排土場卸載點數(shù)量”相似，“合理生態(tài)恢復(fù)設(shè)備數(shù)量” 應(yīng)與排土設(shè)備數(shù)量匹配。其設(shè)備數(shù)量關(guān)系應(yīng)滿足：

(2)

式中：FZ——年度土地恢復(fù)總面積，m2/a；

NT——生態(tài)恢復(fù)設(shè)備數(shù)量(也即土地恢復(fù)工作面數(shù))，臺；

K0——生態(tài)恢復(fù)設(shè)備匹配系數(shù)，取值≥1；

Qt——生態(tài)恢復(fù)設(shè)備年生產(chǎn)能力，m3/(臺·a)；

HT——平均填方厚度或挖方深度(填方為正、挖方為負(fù))，m。

(3)綠色開采工藝系統(tǒng)分類。按主要工藝環(huán)節(jié)設(shè)備類型、作業(yè)特點和生態(tài)恢復(fù)方式分為以下3類。

第一類：間斷開采工藝+工程修復(fù)工藝；間斷開采工藝+植物修復(fù)工藝；間斷開采工藝+生物修復(fù)工藝；間斷開采工藝+綜合修復(fù)工藝(工程、生物、植物組合)。

第二類：連續(xù)開采工藝+工程修復(fù)工藝；連續(xù)開采工藝+植物修復(fù)工藝；連續(xù)開采工藝+生物修復(fù)工藝；連續(xù)開采工藝+綜合修復(fù)工藝(工程、生物、植物組合)。

第三類：半連續(xù)開采工藝+工程修復(fù)工藝；半連續(xù)開采工藝+植物修復(fù)工藝；半連續(xù)開采工藝+生物修復(fù)工藝；半連續(xù)開采工藝+綜合修復(fù)工藝(工程、生物、植物組合)。

3.3 露天煤礦對生態(tài)環(huán)境問題要變被動為主動

為避免露天煤礦由于生態(tài)環(huán)境問題而被動停產(chǎn)、甚至關(guān)閉，各露天煤礦對生態(tài)環(huán)境問題應(yīng)由被動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃樱源_保露天煤礦可持續(xù)發(fā)展。

3.4 露天煤礦應(yīng)對生態(tài)環(huán)境進行性機理方面的技術(shù)攻關(guān)

露天煤礦應(yīng)對生態(tài)環(huán)境進行性機理方面的技術(shù)攻關(guān)主要包括：露天煤礦爆破產(chǎn)塵機理及揚塵逸散規(guī)律研究，露天礦采場工作面產(chǎn)塵機理及揚塵逸散規(guī)律研究，露天礦汽車道路產(chǎn)塵機理及揚塵逸散規(guī)律研究，露天礦排土場產(chǎn)塵機理及揚塵逸散規(guī)律研究，露天礦破碎站等轉(zhuǎn)載點的產(chǎn)塵機理及揚塵逸散規(guī)律研究；重金屬、有毒有害污染物在礦區(qū)的遷移轉(zhuǎn)移規(guī)律的研究等。

3.5 露天煤礦應(yīng)采取一系列的綠色開采技術(shù)

實現(xiàn)露天煤礦綠色開采的目標(biāo)，需要實施一系列的綠色開采技術(shù)予以保證。主要綠色開采技術(shù)措施如圖8所示。

圖8 露天煤礦綠色開采技術(shù)支撐體系

3.6 露天煤礦應(yīng)遵循綠色開采原則

露天煤礦綠色開采應(yīng)遵循以下5條原則：

(1)遵循露天煤礦綠色評價分類達標(biāo)原則：Ⅰ類礦區(qū)達到“優(yōu)秀”標(biāo)準(zhǔn)；Ⅱ類礦區(qū)達到“良好”標(biāo)準(zhǔn)；Ⅲ類礦區(qū)達到“中等”標(biāo)準(zhǔn)。

(2)遵循露天煤礦土地占用最小與動態(tài)補償原則：建立露天煤礦初始占用土地數(shù)量的數(shù)學(xué)模型；建立露天煤礦生產(chǎn)過程土地動態(tài)補償機制——土地置換?；舅枷胧前匆欢ǖ臅r間周期(3～5年)，露天礦向當(dāng)?shù)亟贿€多少已經(jīng)恢復(fù)的土地，露天礦才能再購置多少土地；

(3)遵循露天煤礦生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與開采一體化原則。

(4)遵循露天煤礦綠色開采技術(shù)保障原則。

(5)遵循從勘探、開發(fā)設(shè)計、礦山建設(shè)、開采生產(chǎn)、閉坑全生命周期的生態(tài)環(huán)境保護的原則。

3.7 用“土地置換原則”破解露天煤礦土地征地困局

目前多個露天煤礦都受制于土地購置困局，有的露天礦由于不能及時購置到土地而停產(chǎn)。若想破解土地購置困局，光靠向政府和農(nóng)民攻關(guān)是不夠的，也是在目前國家土地宏觀管理政策——18億畝耕地紅線及生態(tài)環(huán)境保護要求等大背景下難以走通的路。露天煤礦應(yīng)該走“土地動態(tài)補償機制——土地置換”之路，即按一定的時間周期(3～5年)，露天礦向當(dāng)?shù)亟贿€多少已經(jīng)恢復(fù)的土地，露天礦才能再購置多少土地。這也是露天礦征地可持續(xù)發(fā)展之路。

3.8 引入“土地擾動系數(shù)”理論解決采區(qū)劃分與土地占用問題

露天開采占用和破壞大量的土地、破壞生態(tài)環(huán)境，這是露天開采最大的缺點和不足，雖然我國大部分露天煤礦可以實現(xiàn)內(nèi)排回填，但是，大型露天煤礦必將形成一個巨大的礦坑、外排土場，而且在開采過程中，礦坑的位置和排土場的占地面積是不斷變化的，露天煤礦隨著開采工程的發(fā)展，需要不斷地向社會征購?fù)恋兀瑢ν恋氐恼加昧坎粩嘣龃?。因此，露天礦土地占用是一個動態(tài)演化過程。目前，我國大部分大型露天煤礦都面臨征地困難、影響剝采生產(chǎn)的現(xiàn)實問題。為達到控制露天煤礦對土地的占用或破壞、以最小的土地占用獲得最大的煤炭資源開采的目標(biāo)，需做到以下幾點。

(1)必須研究露天煤礦對土地占用的動態(tài)演變規(guī)律，包括露天煤礦土地占用的分類、土地占用的因素構(gòu)成、土地占用的數(shù)量、土地占用的時間以及不同類型土地占用的數(shù)量隨時間的變化規(guī)律等，以“土地擾動系數(shù)”指標(biāo)作為露天煤礦土地占用的綜合性評價指標(biāo)。

(2)在掌握露天煤礦土地占用動態(tài)演化規(guī)律基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析露天煤礦土地占用的影響因素，研究各項土地占用的控制因素，使各階段露天煤礦土地占用達到最小。

(3)建立露天煤礦土地恢復(fù)與新征土地動態(tài)置換管理機制。掌握露天煤礦土地占用動態(tài)演化規(guī)律、應(yīng)用土地控制與動態(tài)置換管理機制，是實現(xiàn)露天煤礦用最小的土地占用和生態(tài)環(huán)境代價獲得最大資源這一目標(biāo)的根本途徑。

3.9 露天煤礦應(yīng)建立“生態(tài)環(huán)境恢復(fù)部(生產(chǎn)部門)”

露天煤礦都應(yīng)成立生態(tài)環(huán)境生產(chǎn)部門，負(fù)責(zé)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)，與采礦部、運輸部、排土部并行的生產(chǎn)部門，而不僅僅是環(huán)保科(管理功能)。

3.10 建立露天煤礦“綠色度”評價指標(biāo)體系

引入“綠色度”指標(biāo)，以科學(xué)評價一個露天煤礦綠色開采程度，是否達到綠色開采的目標(biāo)，包括設(shè)計的露天煤礦、生產(chǎn)的露天煤礦直至閉坑的露天煤礦。

4 結(jié)論

(1)露天開采對礦區(qū)環(huán)境引發(fā)固體環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境綜合性破壞和污染。從國家發(fā)展戰(zhàn)略、環(huán)境保護法等方面要求露天礦必須采用綠色開采技術(shù)。

(2)現(xiàn)有的露天煤礦工藝與開采設(shè)計理論存在明顯的缺陷，建立生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與開采一體化工藝與開采設(shè)計理論是解決露天煤礦生態(tài)環(huán)境問題的根本途徑。

(3)露天煤礦綠色開采應(yīng)遵循5項原則，即露天煤礦綠色評價分類達標(biāo)原則，露天煤礦土地占用最小與動態(tài)補償原則，露天煤礦生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與開采一體化原則，露天煤礦綠色開采技術(shù)保障原則，從勘探、開發(fā)設(shè)計、礦山建設(shè)、開采生產(chǎn)、閉坑全生命周期的生態(tài)環(huán)境保護的原則。

(4)露天煤礦應(yīng)對生態(tài)環(huán)境進行機理方面的技術(shù)攻關(guān)。