基于工业生态学的煤矿业生态链研究

耿鹏旭，王卓理

(平顶山学院资源与环境科学学院，河南 平顶山 467000)

工业生态学以生态学的观点考察工业系统与自然环境的关系，研究两者之间的相互作用、相互关系，它是生态工业的基础，为调整、改进其协调发展提供理论框架，提出可供操作的方法[1]，使工业生态系统与生物圈兼容并持久的生存下去。工业系统应向自然生态系统学习，通过比拟生物新陈代谢过程和生态系统的结构与功能，建立类似于自然生态系统的工业生态系统[2-4]。我国煤炭资源中可供露天矿开采的资源少，开采条件处于中等偏下，井工开采产量约占95%；目前的开采方式多为长臂工作面的冒落法，因此煤矿开采的条件和方式具有显著一致性，煤炭业生态系统具有一定的规律性。本文运用工业生态学分析方法，分析煤矿业生态系统，构建煤矿业生态链，探讨煤矿业生态链在煤矿业生态系统中的物质代谢及循环流动机理，为生态矿山的建设提供科学依据。

1 煤矿业生态系统分析

在基本组成成分上煤矿业生态系统与自然生态系统相似，主要包括：生产者、消费者、分解者和外部环境等四部分。但是它的结构和内部物质循环被人为改变，其能量转换受到人类生产及生活活动的影响。煤矿业活动中多种资源之间的关系，类似于自然界生物的食物营养联系，可以将其视为一种类似于自然生态系统的生态关系，即“生态链”；它是能量和物质的转换链和传递链[5]。在煤矿业生态系统中沿着“生态链”逐级逐层流动的物质流和能量流，形成“代谢”， 能源、原料以及工业活动产生的废弃物和各种环境要素间形成紧密联系的立体结构，能源、资源在系统中反复循环被最大限度的利用，废弃物得到资源化利用从而实现再生增值。煤矿业生态系统包括煤炭、煤矸石、矿井水、地下热能、煤层气等组成部分，各组成成分相互联系，具有自然生态系统的一般特征，同时还受到生产关系、社会生产力以及与之相联系的企业影响，因此煤矿业生态系统相对复杂。它的代谢过程包括从开采煤炭到能源利用的全过程，以及代谢过程中产生的废弃物再经过循环利用的过程。由煤矿业的各个生态链共同组成煤矿业生态系统，实现其工业代谢的功能，从而实现能源和资源利用的最大化、废弃物产生的最小化，促进生态矿山的建设。但煤矿业生态系统的物质循环基本上是线形的而不是环状的，分解功能不完全，大量的物质和能源以废弃物形式输出，造成严重的环境污染。

2 煤矿业生态链的构建

2.1 煤矿业生态链构建的原则

煤矿业生态系统包含的子系统很多，结构复杂，分解者不完善是其显著特点。煤矿业生态系统具有非线性和复杂性特点，物质和能量的流动规模大，它与外界的物质和能量交换多，不断的向外部输出大量的产品和废物，在人力、资金、技术、信息等方面也与外界发生着强烈的交流，是一个开放性很高的生态系统。在构建煤矿业生态链时应遵循以下原则：

2.1.1 生态系统结构完善原则

为使系统具有较高的生产力、生态效益和经济效益，必须使其结构完整、功能健全，完善生态系统的组成成分，增加“分解者”。可以采取的途径有：延长生态链，通过增加循环转化的环节，促使系统稳定，使物质在系统中得到多次利用，畅通能量流、物质流渠道，提高整个系统的生产力；缩短甚至减少生态链，采用高新技术替代，使经济或生态效益增加。对于煤矿业生态系统，应采取措施促使其结构完善，加强个成分之间的协作、互惠和共生关系，特别在能量和原料流动的网络共享和废弃物的利用中，其中一个企业产生的废物(或副产品)作为下个企业的“营养物”(原料)，形成企业“群落”(工业链)。作为一个循环体系，煤矿业生态系统的物质流和能量流可以多层次循环利用：将煤炭作为化工原材料使用，延长煤炭的代谢途径；将煤矸石进行井下充填，从根源上减少其生产量(充填开采)，对产出的煤矸石进行充分的利用，包括提取稀有金属和有用矿物、制取土壤改良剂，以及作为充填物用于道路修建和塌陷区的治理。从而使整个系统的熵值不断减少，遵循耗散结构原理，达到系统良性循环。通过这些途径使一家工厂的废气、废水、废渣、废热或副产品成为另一家工厂的原料和能源，加强煤矿业生态系统分解功能，减少甚至避免物质能源以废弃物形式输出，建立“生产者-消费者-分解者”的循环途径，构建煤矿业生态系统物质流动和能量流动的“食物链”和“食物网”的生态工业链网关系，形成结构完善的生态系统。

2.1.2 能量合理流动原则

煤矿业生态系统内不同种类的各种投入流(包括自然环境中矿产资源的投入)均可视为具有不同类别、不同性质的能量，为驱动生态系统的原动力。煤矿业生态系统通过采掘、能源生产、运输部门等传递能量，与通过食物网传递能量的自然生态系统相类似；但是在能量流的运行机制上，两者有很大的不同：自然生态系统能量流动具有自为、天然的特点，而在煤矿业生态系统中能量流动则具有人为的特点。经过生产活动，这些能量转化成新形式的能量，包括产品流和废物流。能量流动就是原生能源转化为次生能源，原生能源或次生能源经传输成为有用能源，并经过利用转变为最终能源的过程。在能量生产和消费活动过程中，有一部分能量以“三废”形式被排入自然环境而造成污染。在构建生态链时应以节能减排为目标，建成一个多层次的复杂生态系统。在设计和实施过程中，应使能量在生态系统中合理流动，使所建设的新的煤矿业生态链具有生态合理性，更充分地利用环境资源。

2.1.3 系统废弃物排放最少化原则

煤矿业生态系统不能依赖自然生态系统的分解者完全分解工业过程各环节产生的废弃物，而必须通过人类的多种环境保护措施加以处理，以维持生态系统的物质、能量的平衡。煤矿业生态系统是有一定耐受限度的，在经济或生态因子的变化超过其耐受限度的情况下，生态系统的反馈调节作用会失去控制，系统不能在反馈作用下自动地得到补偿，其结果就会引起环境破坏以致生态失衡等等一系列的问题。在煤矿业生态系统的承受能力范围内进行煤矿业生产活动，通过煤矿业生态系统内不同产业、企业、项目以及生产流程之间的横向耦合关系，为煤矿业主、副产品和“废弃物”找到生产流程的下游利用者，利用生态系统内一切可以利用的物质和能量，形成一个复杂的资源共享、产业共生的网络结构，实现物质、能量的多层利用，尽可能地实现“废弃物”无害化、减量化和资源化。在生态系统内实施物质和能量的循环利用，这是工业生态学减少环境污染理念的集中体现。但是，在实践中，由于技术和经济的限制，物质的循环、废弃物的再生利用都是有条件的。

2.2 平顶山煤矿业生态链的构建

平顶山煤矿位于河南省中部，是我国重要煤炭工业基地，区内煤质优良，煤种齐全，是冶金、电力、化工的重要原料和优质的动力用煤。建矿50多年来，累计生产原煤7亿t，目前在市区北部山前，呈东西带状分布着平顶山矿务局一至十二矿及香山煤矿、落凫山煤矿等。平顶山煤矿的煤炭开采是以井工开采的方式进行的，长期的开采活动破坏了含煤地质体的原始平衡状态，造成大量固体废渣堆积，累计堆存煤矸石5382万t；每年还在产生煤泥50万t，排放煤矸石和粉煤灰分别为200万t和20万t；煤炭开采形成了地表塌陷等地质灾害，累计造成土地塌陷面积近1000hm2，严重干扰了矿区自然生态系统。

根据平顶山煤矿业的实际，从系统结构完善、能量合理流动、系统废弃物排放最少化等原则出发我们构建了煤矿业生态链模型(图1)。主要的煤矿业生态链有：煤炭/煤矸石/煤层气-能源-建材生态链、煤炭-炼焦-焦油-煤化工生态链、矿井水-井下防尘降温-绿化/农业灌溉等。延长了煤炭-粉煤灰生态链、矿井水生态链等，通过增加循环转化环节，促使系统的稳定，又使物质得到多次利用，畅通了能量流、物质流的渠道，提高了系统生产力；而对于煤矸石生态链，部分采取减少的措施，即采用充填开采技术，在井下直接用煤矸石充填采空区，从源头上避免矸石及其衍生的一系列固、气、液态污染物的污染，把煤炭开采对环境的污染和破坏降到最低，实现煤矿绿色开采，使经济和生态效益增加。

图1 平顶山煤矿业生态链

3 效益分析

平顶山煤矿构建的煤炭、煤矸石、矿井水等生态链，充分利用了资源，延长的生态链为社会发展提供了能源和化工产品；将矿井水进行循环利用并回灌地下，部分矿区采用充填开采技术，从源头上避免了煤炭开采造成的环境破坏；对采煤塌陷区进行了复垦治理，在复垦地发展水生养殖业和农业生产。平顶山煤矿业生态链的初步实施取得了一定的社会效益和经济效益。

3.1 经济效益分析

3.1.1 矿井水生态链

平顶山煤矿已建选煤厂13座，年入洗1300多万t的原煤。各选煤厂均修建了洗煤水浓缩-压滤-沉淀和回用系统，防止了外排的选煤废水污染环境；通过减少清水补给量并加强洗煤水的闭路管理等措施，实现了矿区洗煤水的闭路循环。平顶山煤矿七矿把低矿化度的矿井水通过絮凝沉淀-过滤-消毒、一元化净水器等净化工艺处理到饮用水标准，建成了一座日处理能力3万t的净化厂。研究区共建成矿井水净化水厂14座和一元化水设施5套，日净化处理矿井水达到17.04万t，净化处理的矿井水复用于职工生活和工业、农业生产，矿井水的复用率已达到78%。建成了生活污水处理厂7座，日处理污水3.1万t。平顶山煤矿六矿污水处理工程每年可减少外排72万t污水，减少排放40.37t COD和180t的悬浮物，节约排污费78万元。生活污水经处理后作为洗煤用水、农田灌溉和厂区绿化。矿井水生态链的实施，实现了矿工业污水的零排放。

3.1.2 煤炭-能源-建材和煤矸石生态链

平顶山煤矿现有综合利用电厂3座，总装机容量为145MW，还建有坑口电厂热电联产项目，建成了4座低浓度煤层气发电站，年利用瓦斯量6200万m3，实现了化害为利。现有焦化厂3座，年产焦炭160多万t。利用炼焦的化工副产品焦炉煤气、焦油、粗苯和硫铵，发展煤焦油深加工，建成了年产2万t炭黑等项目。为了充分利用高硫煤，将其就地转化制气，建设了多种高附加值的有机化工产品项目，包括：20万t的醋酸醋酐项目、50万t甲醇、4万t聚甲醛树脂、20万t甲醛和30万t二甲醚工程等。利用充足的空排的高浓度CO2和富余液胺，建设了100万t联合制碱项目，并为100万t复合肥项目提供原料。

利用煤矸石、粉煤灰等废弃物发展新型建材业。平顶山煤矿区的洗选产生的矸石大部分运往电厂用于发电，煤巷和岩巷产生的矸石则用于回填塌陷地和充填采空区、路基或用于制砖等，年利用200多万t矸石；开发建设了一批废弃物综合利用项目：粉煤灰和煤矸石水泥、粉煤灰混凝土砌块等项目，形成了年产6000万块煤矸石烧结空心砖、30万m3粉煤灰混凝土砌块、15万t水泥、6000t速凝剂的生产能力，通过这些综合利用项目的实施，每年消耗17万t的煤矸石和10万t的粉煤灰；矸石综合利用率超过70%。平顶山煤矿十一、十二矿部分工作面采用充填开采，采区可采储量约100万t，可以充填煤矸石96.18万m3，质量为153.89万t，充填开采的总经济效益约为70000万元。

利用煤矸石、粉煤灰等复垦塌陷地。1992年以来，平顶山煤矿累计投入1.16亿元资金用于塌陷地治理，已复垦土地约730hm2。复垦后的土地用途包括耕地、林地、湿地和建筑用地等。农用复垦地形成以粮食生产和蔬菜生产为主，水产养殖为辅，种、养、加结合的区域生态农业结构模式。对复垦后的水塘采取水产养殖；发展禽畜养殖及加工业。在复垦地已建渔塘16个，水域面积达到3km2。已建精养鱼池4个，年每公顷水面产鱼约9000kg，年总产量3.6万kg。

3.2 社会效益分析

通过延长生态链，不仅可以达到节约能源的目的，而且可以最大限度地减少污染物质的排放：减少了煤矸石的堆存和排放量，实现了污水的达标排放。污染物的大量减少使污染纠纷减少，为矿区营造了安定和谐的社会环境。矿井水生态链的实施还使矿井水的利用率提高，使淡水资源紧张的问题得到了有效的缓解，化解了工农业争水、生产与生活争水的矛盾，对矿区正常生产活动和人民生活水平的提高起到了积极的促进作用。废水经处理后回灌地下，能够健全水文生态系统，使日益匮乏的地下水资源得到了补充，提高了地下水位，阻止或缓解地面下沉，变恶性循环为良性循环，使生态环境大为改善。充填开采技术利用新设备、新工艺，可以从源头上尽量避免矸石及其衍生出的一系列固、气、液态污染物的污染，把煤炭开采对环境的污染和破坏降到最低，形成资源利用的良性循环，实现煤矿绿色开采，对于稳定民心、构建和谐社会起到了积极作用。煤矿业生态链的实施使矿区由资源型生产转为循环经济综合利用型生产，显著改善和提高了矿区及周边居民的工作和生活环境。

4 结语

煤炭矿区人类大量开采煤炭资源的活动，强烈干扰了当地的生态环境，使生态系统从原来均衡、基本稳定的结构和状态发生变异。煤矿业的可持续发展是涉及多部门的问题，产业生态链构建和实施是解决产业结构问题的重要方向。运用工业生态学分析煤矿业，模仿自然生态系统按照其能量流动和物质循环的规律能够构建科学的煤矿业生态链，平顶山煤矿构建的煤矿业生态链有：煤炭/煤矸石/煤层气-能源-建材生态链、煤炭-炼焦-焦油-煤化工生态链、矿井水-井下防尘降温-绿化/农业灌溉等；延长了煤炭-粉煤灰生态链、矿井水生态链等，部分减少了煤矸石生态链。煤矿业生态链的实施有利于煤炭矿区资源的合理开发利用和生态矿山的建设，产生了较为显著的经济效益和社会效益。

[1]李素芹，仓大强，李宏.工业生态学[M].北京：冶金工业出版社，2007:21-56.

[2]汤慧兰，孙德生.工业生态系统及其建设[J].中国环保产业，2003(2)：14-16.

[3]Ehrenfeld J，Gertler N.Industrial Ecology in Practice:The Evolution of Inderpendence at Kalundborg[J].Journal of Industrial Ecoligy,1997,1(1):67-79.

[4]杨小聪，郭李杰.可持续的矿冶工业生态系统构建[J].有色金属，2011，63(2)：1-4.

[5]尹琦，肖正杨.生态产业链的概念与应用[J].环境科学，2002,23(6)：114-118.