王 佟, 孫 杰,趙 欣,謝志清,孔慶虎,張建強(qiáng)
(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局,北京 100038; 2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院,北京 100039;3.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,西安 710054;4.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院,河北邯鄲 056004)
煤炭是我國(guó)的主體能源,在一次能源消費(fèi)中占比在60%左右,是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要能源保障[1-3]。新時(shí)代在“綠水青山就是金山銀山”理念指導(dǎo)下,需要統(tǒng)籌煤炭資源開發(fā)與生態(tài)保護(hù),建立相應(yīng)協(xié)調(diào)的評(píng)價(jià)方法。以往對(duì)煤炭資源的評(píng)價(jià)主要針對(duì)煤炭資源儲(chǔ)量,對(duì)可供開發(fā)資源的調(diào)查和評(píng)價(jià)工作開展相對(duì)較少,煤炭開發(fā)潛力評(píng)價(jià)體系尚未完善,評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法仍需進(jìn)一步研究、論證優(yōu)化。同時(shí),常規(guī)的資源評(píng)價(jià)方法主要考慮煤炭資源本身的地質(zhì)條件和賦存特征,忽略了生態(tài)環(huán)境、有害物質(zhì)等因素對(duì)資源開采的影響[4]。因此,需要綜合考慮生態(tài)環(huán)境潛力、開發(fā)利用條件等因素,建立一套完整的煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)方法,為煤炭資源戰(zhàn)略規(guī)劃、合理配置資源、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局和推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供理論依據(jù)[5-7]。
以能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃為指引,以摸清我國(guó)煤炭資源家底、科學(xué)評(píng)價(jià)煤炭資源開發(fā)潛力為目標(biāo),堅(jiān)持資源數(shù)量統(tǒng)計(jì)和質(zhì)量評(píng)價(jià)相結(jié)合;資源經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與用途評(píng)價(jià)相結(jié)合;煤炭資源評(píng)價(jià)與水資源、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)相結(jié)合的方針,以煤炭工業(yè)規(guī)劃區(qū)各大礦井為主要研究對(duì)象,規(guī)范煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)方法、指標(biāo)、程序,對(duì)可供開發(fā)煤炭資源數(shù)量、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),全面、科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)煤炭資源開發(fā)潛力。
將“勘查區(qū)-規(guī)劃區(qū)-開發(fā)區(qū)-廢棄/關(guān)閉區(qū)”4個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象作為基本評(píng)價(jià)研究單元,開展煤炭資源分布特征及勘查開發(fā)現(xiàn)狀調(diào)研工作,全面分析煤炭資源稟賦特征、生態(tài)地質(zhì)特征和開發(fā)利用特征;確定目標(biāo)層、條件層、指標(biāo)層、參數(shù)層,建立煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)模型;從“九區(qū)”構(gòu)造分區(qū)、“十三五”規(guī)劃分區(qū)、國(guó)家大型煤炭基地、典型基地/礦區(qū)、煤系多礦產(chǎn)協(xié)同開發(fā)5個(gè)層面分區(qū)分類進(jìn)行評(píng)價(jià);根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果劃分出“四類”煤炭資源(綠色優(yōu)先開發(fā)資源、非綠色可開發(fā)資源、非綠色難開發(fā)資源和難動(dòng)用資源),圈定煤炭勘查與開發(fā)優(yōu)選區(qū)塊,評(píng)價(jià)結(jié)果可為煤炭資源勘查與開發(fā)布局及戰(zhàn)略優(yōu)選提供參考與建議[8-11],具體技術(shù)路徑見圖1。
圖1 煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)技術(shù)路徑
按“勘查區(qū)-規(guī)劃區(qū)-開發(fā)區(qū)-廢棄/關(guān)閉區(qū)”4個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象作為基本評(píng)價(jià)研究單元。重點(diǎn)收集我國(guó)煤炭工業(yè)規(guī)劃分區(qū)內(nèi)煤炭資源儲(chǔ)量、開發(fā)利用、煤系共伴生礦產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等資料,全面分析我國(guó)煤炭資源稟賦特征、生態(tài)地質(zhì)特征和開發(fā)利用特征[12]。
系統(tǒng)總結(jié)煤炭地質(zhì)基本特征與資源稟賦特征,開展煤炭資源開發(fā)的地質(zhì)研究,構(gòu)建煤炭資源勘查開發(fā)潛力評(píng)價(jià)模型。通過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)的論述、分析與評(píng)價(jià),一是查清煤炭地質(zhì)特征、資源賦存狀況、煤質(zhì)煤類、煤系礦產(chǎn)等特征;二是查清煤炭資源的勘查現(xiàn)狀、開采技術(shù)條件、資源儲(chǔ)量分布及查明情況;三是查清煤炭礦區(qū)的規(guī)劃建設(shè)情況,影響建設(shè)的主要內(nèi)在條件、環(huán)境條件與外部條件;四是全面調(diào)查煤炭礦區(qū)內(nèi)可供開采的煤炭資源現(xiàn)狀、分布特征;五是分煤類調(diào)查評(píng)價(jià)煤炭資源開發(fā)程度、生產(chǎn)消費(fèi)、生產(chǎn)規(guī)模和供需關(guān)系。
2.2.1 影響因子
本次研究將影響煤炭資源綠色開發(fā)潛力的各種因素按性質(zhì)組合,建立了由目標(biāo)層、條件層(3個(gè)方面)、指標(biāo)層(10項(xiàng)指標(biāo))、參數(shù)層(27種參數(shù))構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)體系。基于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重,采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法建立了資源稟賦潛力評(píng)價(jià)模型、生態(tài)環(huán)境潛力評(píng)價(jià)模型、開發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)模型,形成了煤炭資源綠色開發(fā)潛力綜合評(píng)價(jià)模型[13](表1)。
表1 煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)
2.2.2 指標(biāo)權(quán)重
由于煤炭資源綠色開采評(píng)價(jià)指標(biāo)體系較為龐大,故選用層次分析法(AHP)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。其解決問題的基本思路是把系統(tǒng)各因素之間的隸屬關(guān)系從高到低排成若干層次,并建立不同層次元素之間的相互關(guān)系,根據(jù)對(duì)一定客觀現(xiàn)實(shí)的判斷,利用數(shù)學(xué)方法,確定每一層次全部元素相對(duì)重要性次序權(quán)重,通過(guò)排序,對(duì)問題進(jìn)行分析和決策[14-15]。在建立遞階層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,根據(jù)判斷矩陣,可計(jì)算得到各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重。
2.2.3 資源、環(huán)境、地質(zhì)、生態(tài)耦合評(píng)價(jià)
采用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法,確定煤炭資源綠色開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其指標(biāo)權(quán)重。分別建立資源稟賦潛力評(píng)價(jià)模型,生態(tài)環(huán)境潛力評(píng)價(jià)模型,開發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)模型,煤炭資源綠色開發(fā)潛力綜合評(píng)價(jià)模型。
2.2.3.1 資源稟賦潛力評(píng)價(jià)模型
根據(jù)各礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀實(shí)際對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)賦予一定權(quán)重值,通過(guò)加權(quán)計(jì)算,得出礦區(qū)煤炭資源稟賦潛力綜合評(píng)價(jià)分值,建立評(píng)價(jià)模型如下:
(1)
式中:R為煤炭資源稟賦潛力綜合評(píng)價(jià)分值;Ri為第i項(xiàng)指標(biāo)的分值;wiR為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。
2.2.3.2 生態(tài)環(huán)境潛力評(píng)價(jià)模型
根據(jù)各礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分,通過(guò)加權(quán)計(jì)算,得出礦區(qū)生態(tài)環(huán)境潛力綜合評(píng)價(jià)分值,建立評(píng)價(jià)模型如下:
(2)
式中:E為生態(tài)環(huán)境潛力綜合評(píng)價(jià)分值;Ei為第i項(xiàng)指標(biāo)的分值;wiE為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。
2.2.3.3 開發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)模型
根據(jù)各礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分,通過(guò)加權(quán)計(jì)算,得出礦區(qū)煤炭資源開發(fā)利用潛力綜合評(píng)價(jià)分值。建立評(píng)價(jià)模型如下:
(3)
式中:M為煤炭資源開發(fā)利用潛力綜合評(píng)價(jià)分值;Mi為第i項(xiàng)指標(biāo)的分值;wiM為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。
4)煤炭資源綠色開發(fā)潛力綜合評(píng)價(jià)模型
(4)
式中:F為煤炭資源綠色開發(fā)潛力綜合評(píng)價(jià)分值;fj為第j個(gè)評(píng)價(jià)維度的綜合評(píng)價(jià)分值;wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)維度的權(quán)重值。
利用上述模型對(duì)煤炭資源綠色開發(fā)潛力進(jìn)行總體評(píng)價(jià),分析可開發(fā)資源類型、供需形勢(shì)、保障能力、開發(fā)能力??梢愿鶕?jù)評(píng)價(jià)范圍大小,從“九宮”構(gòu)造分區(qū)、“十三五”規(guī)劃分區(qū)、國(guó)家大型煤炭基地、典型基地/礦區(qū)、煤系多礦產(chǎn)協(xié)同開發(fā)等不同層面分區(qū)分類進(jìn)行開發(fā)潛力評(píng)價(jià)。
為使評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確有效,需對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)一步量化評(píng)級(jí),可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和采用專家咨詢等方式,在煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)中,根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可將煤炭資源劃分為四類:綠色優(yōu)先開發(fā)資源、非綠色可開發(fā)資源、非綠色難開發(fā)資源和難動(dòng)用資源。四個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)分值見表2[13]。
表2 煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)
根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,圈定煤炭勘查與開發(fā)優(yōu)選區(qū)塊。利用綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析研究全國(guó)及各大基地煤炭資源保障能力、開發(fā)能力、供需形勢(shì),對(duì)煤炭資源勘查與開發(fā)布局及戰(zhàn)略優(yōu)選提出建議與措施。
本次研究選取晉北煤炭基地大同礦區(qū),按照“煤炭資源綠色開發(fā)評(píng)價(jià)體系”的內(nèi)容對(duì)大同礦區(qū)煤炭資源稟賦潛力、生態(tài)環(huán)境潛力和開發(fā)利用潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。
3.1.1 地質(zhì)條件
礦區(qū)主要構(gòu)造特征為一開闊的北東向不對(duì)稱向斜盆地構(gòu)造,向北東傾伏。南東翼傾角20°~60°,局部直立倒轉(zhuǎn),北西翼傾角5°~15°。礦區(qū)北部以北東向斷裂和褶曲為主,南部以近東西向斷層和褶曲為主。
主要含煤地層為上部侏羅系和下部石炭二疊系太原組和山西組。上部侏羅系煤層已基本枯竭,僅評(píng)價(jià)下部石炭二疊系各煤層??刹擅簩佑猩轿鹘M4號(hào)煤層和太原組3、5、8號(hào)煤層,煤層平均厚度分別為2.08m、4.56m、8.33m和5.97m。其中,5、8號(hào)煤層屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層,煤層埋深大部分500m以淺,傾角為8°~15°。
3.1.2 資源儲(chǔ)量
截止到2005年底大同礦區(qū)累計(jì)查明的資源量320.16億t,保有煤炭總資源儲(chǔ)量為259.67億t,已采出的煤炭資源及煤礦開采中的煤炭資源損失及其它不可預(yù)見的資源損失已達(dá)60億t[16]。大同礦區(qū)內(nèi)各類煤礦144處,占用煤炭資源儲(chǔ)量106.47億t,大同國(guó)家規(guī)劃礦區(qū)內(nèi)的煤炭資源已基本查明,后備資源潛力較少。截至2018年底,大同礦區(qū)總計(jì)有生產(chǎn)礦井65個(gè),在建礦井38個(gè),規(guī)劃煤礦4個(gè)。2018年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.17億t,實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到1.66億t。
3.1.3 煤質(zhì)煤類
礦區(qū)內(nèi)的煤類以氣煤為主,其次為長(zhǎng)焰煤、1/3焦煤、1/2黏結(jié)煤。山西組4號(hào)煤層總體為中灰煤,太原組3、5、8號(hào)煤層以中灰煤為主。原煤全硫分由上到下含量增高,從低硫到中高硫均有(表3)。
表3 主要可采煤層、煤質(zhì)特征
3.1.4 開采技術(shù)條件
水文地質(zhì)條件:大同礦區(qū)內(nèi)除第四系沖積層和風(fēng)化殼含水量較豐富外,其下覆中生界、古生界煤系地層位于侵蝕基準(zhǔn)面以上,巖層裂隙發(fā)育,但儲(chǔ)水條件差,一般含水微弱。由于缺失山西其他煤田普遍發(fā)育的主要含水層奧陶系峰峰組全部和部分上、下馬家溝組,同時(shí)石炭系太原組灰?guī)r不發(fā)育,導(dǎo)致大同礦區(qū)沒有明顯的含水地層,這是大同礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單和缺水的重要原因。
工程地質(zhì)條件:主要可采的煤層頂板多為堅(jiān)硬的粗砂巖、砂礫巖,個(gè)別為細(xì)砂巖,穩(wěn)定性較好;底板以砂質(zhì)泥巖為主,炭質(zhì)泥巖、高嶺巖次之[17]。
瓦斯:大同礦區(qū)煤層埋藏較淺,瓦斯含量較低。各礦井瓦斯等級(jí)多數(shù)為低瓦斯礦井。
地溫地壓:各礦井地壓正常,無(wú)沖擊地壓,隨著開采深度的增加,需注意沖擊地壓發(fā)生的可能性。
煤塵爆炸性:各可采煤層均存在煤塵爆炸危險(xiǎn),屬于自燃—容易自燃煤層。大部分地區(qū)屬地溫正常區(qū)。
3.2.1 地形條件
大同礦區(qū)位于山西晉北大同盆地西側(cè),周圍環(huán)山。西北為牛心山,西南為洪濤山,西為西石山,東北為雷公山,中部為廣闊起伏的低山丘陵臺(tái)地。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育,一般海拔1 200~1 400m。最高1 835.9m,最低1 100m[18]。相對(duì)高差極值730m。
3.2.2 氣候與植被
礦區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,冬季嚴(yán)寒,夏季炎熱,氣候干燥,風(fēng)沙嚴(yán)重。年平均氣溫5.1℃,年最低氣溫-26.5℃,最高氣溫39.9℃,晝夜溫差顯著;年平均降水量430mm,年蒸發(fā)量1 885.1~2 386.3mm,年平均濕度46%~52%。植被屬于干草原的植被類型,大量的禾本科、豆科草類是發(fā)展畜牧業(yè)的優(yōu)質(zhì)牧草,還有麻黃、甘草等可用于制作藥材的野生藥材植物[18]。
3.2.3 有害物質(zhì)
大同礦區(qū)石炭二疊紀(jì)煤層以氣煤為主,長(zhǎng)焰煤次之。主要為動(dòng)力用煤,兼有煉焦配煤。各煤層原煤灰分均較高,以中灰、中高灰煤為主,一般多在25%左右以上;礦區(qū)山西組煤層多為低硫煤,太原組煤層原煤硫分含量較高,特別是下部8號(hào)、9號(hào)煤層硫分含量平均值在2.2%以上。按煤質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià),大同礦區(qū)沒有優(yōu)質(zhì)煤炭資源。煤中有害元素與放射性異常暫未發(fā)現(xiàn)。
3.3.1 經(jīng)濟(jì)區(qū)位與消費(fèi)需求
大同礦區(qū)位于大同市西南部,距市區(qū)12.5km,所轄區(qū)域與大同市南郊區(qū)交叉。礦區(qū)所處大同市2018年GDP 1 271.8億元。人口密度100.6人/km2。
大同礦區(qū)以現(xiàn)有老礦區(qū)為依托,已建工業(yè)格局,如化工、陶瓷、熱電、水泥等,需要大量的煤炭資源,促進(jìn)了煤炭工業(yè)的發(fā)展,為煤炭企業(yè)提供可持續(xù)發(fā)展提供了良好的外部條件。
3.3.2 生產(chǎn)能力
大同礦區(qū)2018年煤炭資源實(shí)際產(chǎn)量為16 621萬(wàn)t,各煤礦采煤工藝基本為綜采。
3.3.3 資源開發(fā)能力
可采儲(chǔ)量7.9億t,剩余服務(wù)年限約25.7年。
根據(jù)對(duì)大同礦區(qū)資源稟賦潛力、生態(tài)環(huán)境潛力和開發(fā)利用潛力的分析,對(duì)礦區(qū)各參數(shù)進(jìn)行賦值評(píng)價(jià)見表4。
表4 大同礦區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值情況
根據(jù)大同礦區(qū)煤炭資源開發(fā)條件,應(yīng)用“煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)模型”,對(duì)大同礦區(qū)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。全區(qū)資源稟賦潛力44.41分,生態(tài)環(huán)境潛力24.60分,開發(fā)利用潛力16.49分,綜合評(píng)分85.50分,全區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果為一類“綠色優(yōu)先開發(fā)區(qū)”(表5)。
按照此方法,進(jìn)一步應(yīng)用“煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)模型”,對(duì)大同礦區(qū)內(nèi)的65個(gè)生產(chǎn)煤礦開展了評(píng)價(jià),評(píng)分為80.15~89.85分,平均85.19分(圖2)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,65個(gè)生產(chǎn)礦井均為一類區(qū),與大同礦區(qū)總體評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合。
通過(guò)本次資源開發(fā)潛力評(píng)價(jià)可知,大同礦區(qū)基本為綠色優(yōu)先開發(fā)煤炭資源,由于長(zhǎng)期開采,各井田服務(wù)年限急劇縮短,采掘接替緊張,礦井開采薄煤層增加, 進(jìn)入構(gòu)造較復(fù)雜、斷層多且煤層分叉、火區(qū)較多,且瓦斯含量增加,煤塵有爆炸性危險(xiǎn)和易自燃,上述因素均可能影響礦井正常生產(chǎn)。綜上,大同礦區(qū)侏羅系煤層中開采技術(shù)條件好的綠色儲(chǔ)量有限。
表5 大同礦區(qū)煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)結(jié)果
圖2 大同礦區(qū)65處礦井的煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)分值分布
截至2018年底,大同礦區(qū)總計(jì)有生產(chǎn)礦井65個(gè),在建礦井38個(gè),規(guī)劃煤礦4個(gè)。2018年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.17億t,實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到1.66億t,10年后礦區(qū)產(chǎn)量將穩(wěn)定在1.27億t左右,20年后礦區(qū)產(chǎn)量將下降到1億t以下,之后逐漸進(jìn)入資源枯竭期。因此,控制合適的產(chǎn)能規(guī)模,提高資源回采率,對(duì)延緩老礦區(qū)服務(wù)年限意義重大。
1)系統(tǒng)論述了煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)的總體思路、評(píng)價(jià)路徑、評(píng)價(jià)內(nèi)容與方法,形成了一套相對(duì)完整的煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)方法。
2)建立煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)模型。通過(guò)確定由目標(biāo)層、條件層(3個(gè)方面)、指標(biāo)層(10項(xiàng)指標(biāo))、參數(shù)層(27種參數(shù))構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)影響因子,選用層次分析法(AHP)為基礎(chǔ)因子確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,分別建立資源稟賦潛力、生態(tài)環(huán)境潛力、開發(fā)利用潛力的耦合評(píng)價(jià)模型,最終建立煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)模型。
3)根據(jù)綜合評(píng)價(jià)分值,將煤炭資源劃分為“四類”,即綠色優(yōu)先開發(fā)資源、非綠色可開發(fā)資源、非綠色難開發(fā)資源和難動(dòng)用資源。
4)應(yīng)用“煤炭資源綠色開發(fā)潛力評(píng)價(jià)模型”,對(duì)大同礦區(qū)煤炭資源開發(fā)潛力進(jìn)行了分析評(píng)價(jià),全區(qū)資源稟賦潛力44.41分,生態(tài)環(huán)境潛力24.60分,開發(fā)利用潛力16.49分,綜合評(píng)分85.50分,為一類“綠色優(yōu)先開發(fā)區(qū)”。但由于賦存于侏羅系中開采技術(shù)條件好的煤炭資源有限,控制產(chǎn)能對(duì)延緩老礦區(qū)的服務(wù)年限意義重大。