王忠鑫,赵 明,赵丹丹,辛凤阳,王金金,曾祥玉
(1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110015;2.煤炭科学研究总院 沈阳露天采矿技术研究分院,辽宁 沈阳 110015;3.辽宁力康职业卫生与安全技术咨询服务有限公司,辽宁 沈阳 110000)
煤炭行业以往研究只是注重煤炭开采中的科学技术问题,而忽视开采所引发的生态环境问题[1-2],由此产生了诸如淮南矿区、济宁矿区等矿井采煤沉陷区治理问题以及抚顺西露天矿、平庄西露天矿等闭坑露天矿的灾害治理和综合利用等难题。据统计,截止2017 年我国共有23 个省151 个县(市区)分布有采煤沉陷区,部分资源型城市塌陷面积超过了城市总面积的10%[3]。截至2018 年,我国露天煤矿总数约为400 余座,主要分布在内蒙古、山西、陕西、新疆、青海、宁夏等地区[1],采掘场挖损土地面积合计约1.6×104km2,且每年以50 km2的速度递增。这些地区生态环境脆弱,生态环境类型多以草原、荒漠或戈壁为主,一旦受到破坏,在短期内很难自我恢复,如若人工干预使其在短期内实现生态恢复和重建,则需要付出巨大的经济代价。要实现煤炭行业高质量发展,煤矿就必须进行“绿色矿山”的建设,寻求资源开发与环境保护的和谐统一,实现煤炭资源的科学开采[4]。
《全国矿产资源规划(2008—2015 年)》中首次提出“建设绿色矿山、发展绿色矿业”的总体要求,制定了“大力推进绿色矿山建设,到2020 年绿色矿山格局基本建立”的总体目标,露天煤矿绿色矿山建设也取得了一定的研发和实践成果[5-7]。但各矿基本以矿山排土场的整形和覆土绿化工作为主,对于露天矿的科学开采、资源高效利用等涉及较少,可见“绿色矿山=绿化矿山”的误区在行业内仍广泛存在。而我国露天煤矿煤层埋深大、厚度大、开采地质条件较为复杂、多以软岩深大边坡为主、外排剥离量大占地多、采掘场挖损土地内排恢复周期长、大多远离城市,上述特点决定了在进行绿色矿山建设时与井工矿所有不同,且面临诸多难题亟待解决。为进一步推动露天煤矿绿色矿山建设工作更加系统化、科学化和规范化,在厘定新时期我国露天煤矿绿色矿山的定义及科学内涵基础之上,研究构建了露天煤矿绿色矿山建设所需的支撑保障体系框架,包括政策体系、标准体系和技术体系3 个子系统,提出了3 个方面所必须解决的系列难题,以期促进我国露天煤矿的绿色与可持续发展。
目前,我国学者对绿色矿山的建设要求开展了大量的研究工作,提出了多种绿色矿山的定义方式,不一而同,如乔繁盛[8]认为绿色矿山按照资源利用集约化、开采方式科学化、企业管理规范化、生产工艺环保化、矿山环境生态化的要求开发经营。王小娜[9]认为绿色矿山是实现了矿产资源利用集约化、开采方式科学化、生产工艺环保化、企业管理规范化、关闭矿区生态化的矿产资源开发利用与经济社会环境相和谐的矿山。黄敬军等[10]认为绿色矿山实现了开采方式现代化、资源利用高效化、矿山管理规范化、采矿作业清洁化、矿区环境生态化、矿山开采合法化、生产安全标准化、内外关系和谐化。2018 年自然资源部发布的DZ/T 0315—2018 煤炭行业绿色矿山建设规范等9 项行业标准均指出,绿色矿山实现了矿区环境生态化、开采方式科学化、资源利用高效化、管理信息数字化和矿区社区和谐化[11]。几种定义在“开采方式科学化(现代化)、资源利用高效化(集约化)、矿山(矿区、关闭矿区)环境生态化、矿山管理规范化”等4 个方面获得了普遍共识;而在企业文化(形象)、生产工艺、安全生产标准化、合法性、矿地关系和谐等方面表现出了一定的差异。
露天煤矿绿色矿山建设内容如图1。
图1 露天煤矿绿色矿山建设内容
科学开采、资源高效利用、生态环境保护及企业规范化管理是绿色矿山建设的关键核心内容,应为绿色矿山建设基本要求的核心要素和评价考核的主要指标。而企业文化、合法性、矿地关系和谐等应归入企业管理规范化范畴,生产工艺及安全生产标准化应归入开采方式科学化范畴,可不必单独提出和强调。露天煤矿智能化建设应当作为绿色矿山建设的重要内容,由于“绿色矿山”所言之“绿色”是广义的“绿色”,是贯穿于矿山“勘察-设计-建设-运营-闭坑-废弃矿山综合利用”全生命周期的发展理念,是集矿山“安全、高效、智能、精准”开发于一体的系统性建设模式,矿山的智能化建设和智慧运维是不可或缺的重要内容,而且是煤炭工业高质量发展的必然要求。总之,几种定义的核心要义是统一的,根本目标均是在恢复生态系统的基础上,实现自然、经济、社会系统的协调发展。
综上所述,露天煤矿绿色矿山建设范围应包括露天煤矿及其配套的选煤厂工程,是指在煤炭资源开发全过程中,以绿色勘察、绿色开采和绿色分选加工利用技术为核心,以环境保护和生态恢复技术为基础,以调控矿山对外部环境的扰动方向为关键,使煤炭资源露天开采和分选加工利用过程中对矿区及周边生态环境的负向扰动控制在合理的范围内,并努力增强正向扰动效应,实现矿区环境生态化、开采方式科学化、资源利用高效化、生产经营智能化和矿山管理规范化的露天煤矿。
绿色矿山往往侧重通过植树、种草等复绿措施做好矿区的“绿化”,而忽略了对矿山所处环境本底、生态恢复的条件、开采技术及工艺装备的升级改造、资源利用水平、环境扰动管控等因素的统筹考虑。绿色露天煤矿应包含3 层涵义:①矿山应构建环境友好型生产运行模式,即矿山周边的生态环境不因煤炭资源的开发而发生根本性的、不可逆的破坏;②突出强调矿山的社会服务属性,从过去单纯的追求经济发展目标转变为实现经济、环境和社会发展的多重目标,将综合效益的最大化作为绿色矿山建设的重要目标之一;③在矿山智能化建设内容方面体现出了更多的融合性和扩展性特征,即在大数据、云计算和人工智能等新一代信息技术的强力支撑下,探索从地质勘查、规划设计、高端设备制造、建设施工、分选加工,到闭坑后矿山生态环境治理全过程的智能开发新途径。
我国露天煤矿的绿色发展仍然面临十分严峻的挑战,主要表现在以下几方面:①矿山单坑规模的结构不合理,大型特大型露天矿数量占比不足10%,距离大规模、集约化开采的目标尚有很大差距;②正在开采的大型、特大型露天煤矿后备资源储量有限,除新疆地区以外的露天煤矿剩余服务年限普遍在20 年左右,部分露天煤矿剩余服务年限甚至不足15年,支撑矿山长期可持续发展的资源基础不牢;③我国露天煤矿建设水平差异较大,矿山技术装备水平极其不均衡,大多数中小型矿山企业的生产工艺和设备较落后,且以外委承包施工为主,部分大型、特大型露天矿亦广泛采用外委承包的施工模式;④绿色矿山建设方面的政策体系尚未健全,缺乏对绿色矿山的政策激励和约束,与“由行政倡议向激励约束并举”的目标要求不符;⑤对绿色矿山内涵的理解不全面,在“创建”上投入多,在“运行管理”上思考少,部分企业自身生存压力大,历史遗留问题多,对于建设绿色矿山“有心无力”;⑥建设标准和评价考核机制尚不完善,缺乏针对性和有效性,亟待建立因地制宜、适应性强的系列标准,实现由行政推动向标准引领转变。针对以上问题,有必要研究构建露天煤矿绿色矿山建设所需的支撑保障体系,促进我国露天煤矿绿色矿山建设实现系统化、科学化和规范化。
露天煤矿绿色矿山建设的支撑体系图谱如图2。
图2 露天煤矿绿色矿山建设支撑体系图谱
露天煤矿绿色矿山建设政策支撑体系图谱如图3。
图3 露天煤矿绿色矿山建设政策支撑体系图谱
目前矿山在地质勘查、环境恢复治理、资源综合利用和节能减排等都设有财政专项资金,但由不同的政府主管部门管理,资金使用效率较低,而矿山在绿色矿山建设发展中也要解决有关资源接续、环境恢复治理、资源综合利用和节能减排等核心问题,建议将相关资金归集统一到绿色矿山建设发展的目标上,统筹安排,提升各专项资金的使用效率,使得绿色发展理念在政策层面贯通融通,得到充分发挥。还应制定与绿色矿山建设相关的税费政策,形成倾向绿色矿山企业的经济政策体系,包括减免资源税费、对绿色矿山企业征收所得税、增值税和环保税时给予优惠等,形成绿色矿山建设的财政金融政策激励机制。另外,在金融政策方面,应鼓励金融机构在信贷产品开发、融资支持、企业征信和上市等方面积极做好对绿色矿山企业的金融服务和融资支持。
在资源配置政策方面应向绿色矿山倾斜,对于绿色矿山应依法优先配置资源,特别是在“去产能”和产能指标优化配置环节,应优先保留绿色矿山的先进产能。我国一直以来受矿业权设置方式的影响长期处于同一矿区多个露天煤矿同时开采的局面,经过近30 多年的露天煤矿开采实践证明,该矿权设置方式对于露天煤矿绿色开发是不利的,如白音华矿区、胜利矿区、准格尔矿区、准东大井矿区等均存在类似问题。文献[1]和文献[4]均研究表明,同一矿区多个露天矿同时开发,对生态环境的开采扰动指数远大于由1 个露天矿实现相同产能时的情景,其主要原因是各露天矿独立设计规划,仅寻求各自最优方案,而无法实现矿区整体最优。因此,对符合露天煤矿绿色矿山建设标准的优质产能在进行矿业权设置、产能核增等过程中,如果新立或核增的产能指标符合国家和地区煤炭产能总量指标调控的要求,符合“去产能”和“产能指标交易”等相关政策的要求,应给予优先支持。
用地是制约露天煤矿可持续发展的“卡脖子”难题。我国规模最大的2 个露天煤矿——黑岱沟露天煤矿(煤碳产量34.0 Mt/a)和宝日希勒露天煤矿(煤碳产量35.0 Mt/a)均在2017 年受征地制约而被迫近于停产。此外,白音华一号露天矿因征地问题不得不将采剥工作线长度缩短至原来的1/2;平朔东露天煤矿因征地问题导致工作线形态不规则且长度过短,不得不将刚刚投入的半连续开采工艺系统停用,改为间断开采工艺。上述几个露天煤矿均为国家级绿色矿山和国家级安全生产标准化一级矿山,属于“先进产能”的代表,但在用地问题上却并无相应的政策予以支持和保障,因“无地可用”不得不停产或改变原来合理的开采程序、开采工艺甚至停用已购置的大型成套装备,对企业的经济效益造成巨大影响的同时也增强了矿山开采扰动的“负效应”,显然与绿色矿山的目标和要求是不符的。建议在保障用地指标、降低用地成本和复垦土地占补平衡等方面制定相应的政策和措施,向绿色矿山倾斜,依法优先配置用地指标。
露天煤矿绿色矿山建设标准支撑体系图谱如图4。
图4 露天煤矿绿色矿山建设标准支撑体系图谱
1)地质勘查标准。绿色矿山的建设涵盖了矿山建设的全过程,其中包括露天煤矿开发建设的源头工作—地质勘查阶段。资源勘查与环境保护之间的矛盾一直存在,在绿色矿山建设的大背景下,应采用环境影响相对较小的勘查技术手段,研究开发航空物探和遥感等新方法,适度调整或取代地表环境影响大的槽探和浅井等对生态环境影响较大的资源勘查技术,逐步建立绿色勘查新模式。目前,应梳理和研究现行9 大类标准体系,即钻探、地球物理勘查、遥感地质调查、区域地质调查、水工环地质调查、地质测量、地质实验测试、资源储量管理和矿产勘查管理,根据绿色勘查的理念要求制定煤矿绿色地质勘查标准。
2)绿色矿山建设标准。2018 年自然资源部发布了DZ/T 0315—2018 煤炭行业绿色矿山建设规范,但该标准并未就不同地区、不同地貌环境下露天煤矿绿色矿山的建设标准做出规定,未形成区域、规模和技术手段差别化及治理恢复特色鲜明的国家及行业标准,规范体系本身尚不够健全,未形成完整的标准体系,与露天煤矿绿色矿山建设和评价的需求不相适应。分析认为,我国露天煤矿分布地域广,所处的生态环境差异大,难以以一个统一的建设标准来指导所有露天煤矿绿色矿山的建设,因此,应遵循“因地制宜”的原则,加强地方标准和企业标准的建设,需要地方政府和企业结合矿山实际情况,依据绿色矿山建设要求,细化建立符合地域实际需求的绿色矿山建设地方标准体系,包括矿山环境面貌标准、开发利用方式、资源节约集约利用、矿山智能化建设、矿地和谐和企业文化等绿色矿山建设的分项建设标准。
3)评价标准。绿色矿山评价标准体系应与建设标准体系相匹配,因地制宜地制定符合地区实际的分项评价标准。
自钱鸣高院士及其研究团队提出绿色开采概念以来[12],国内学者对相关理论和技术关系展开较为广泛的研究,逐步形成了露天煤矿绿色开采的研究方向和技术成果。我国露天煤矿基本都以分区的方式进行开采,剥离物分区内排时也采用压帮内排方式。学者们秉承煤炭资源科学开采与绿色开采理念,研发了相邻露天煤矿协调开采技术[13-14]、靠帮开采技术[15]、高陡时效边坡稳定性分析理论与技术[16]、复杂煤层选采技术[17]、多场景抑尘技术[18]等系列技术成果并取得了一定的应用进展,初步形成了露天煤矿绿色开采技术体系。从露天煤矿绿色开采的技术范畴分析,已有技术体系尚存在以下不足:①缺少自上而下的技术系列划分,导致各类技术边界不清晰,难成体系。比如露天煤矿协调开采技术、靠帮开采技术、高陡时效边坡稳定性分析理论与技术均涉及边坡稳定分析与控制和边坡监测预警等安全保障领域的关键共性技术,同时还涉及地质透明化等地质保障领域的关键共性技术;②缺少对绿色勘查、地下水保护、开采工艺及装备、闭坑治理利用技术等内容。针对以上问题,基于绿色矿山“安全、高效、智能、精准”的本质,研究构建了露天煤矿绿色矿山建设的技术支撑体系,即绿色开采技术体系。露天煤矿绿色矿山建设技术支撑体系图谱如图5。
图5 露天煤矿绿色矿山建设技术支撑体系图谱
露天煤矿绿色开采地质保障技术主要包括绿色勘查技术和采前地质透明化技术等方向。绿色勘查技术主要解决在保证勘探精度和效率的前提下,尽可能减弱勘查阶段对外部环境影响的难题,研发精准高效的勘查技术。采前地质透明化技术主要解决露天矿大尺度范围精细化地质模型构建的难题,服务于矿山规划设计和开采方案技术决策,实现精准开采的目标,重点研发多源异构地质勘查数据的融合、解释和模型化技术。
露天煤矿绿色开采安全保障技术主要包括边坡稳定控制技术和移动设备防撞预警技术等方向。边坡稳定控制技术主要解决在保障露天开采过程中采掘场和排土场边坡稳定的前提下,寻求最佳环境和经济效益的综合优化问题,与露天开采程序和采矿方法结合衍生出了陡帮开采技术、控制开采技术、排土场增高扩容技术和边坡稳定性空-天-地一体化安全监控预警技术等。以上技术从不同角度或途径实现了减少剥离量、推迟剥离量发生的时间、提高煤炭采出率、减小采掘场和排土场的占地面积、缩短煤岩运距、保障边坡安全等1 个或多个目标,从而实现绿色开采。移动设备防撞预警技术主要是针对露天矿开采场景下移动设备种类、规格和数量繁多的特点,研发矿用重型设备定位导航、限速行驶、防撞预警、智能制动一体化预警预控技术,解决露天矿移动设备安全运行的难题。
露天煤矿绿色开采工艺及装备技术主要包括露天矿开采工艺优化决策技术和核心装备研制等方向。露天开采工艺优化决策技术主要解决在成本和环保双重约束下因地制宜的选择露天煤矿开采工艺的难题,重点解决开采工艺和开采条件的科学匹配问题。从已有的研究成果可知,露天矿开采工艺的连续化和设备大型化是绿色开采工艺及装备技术发展的必然要求[1-2,4],但大型化核心开采装备的国产化替代一直是我国露天采矿面临的“卡脖子”难题之一,虽然经历了多年的科技攻关,但在斗容55 m3级以上的电铲、斗容20 m3级以上的液压铲、处理能力9 000 t/h 以上的半移动破碎站、处理能力3 000 t/h以上的自移式破碎机、线切割力80 kN/m 以上的紧凑型轮斗挖掘机等核心装备均完全依赖进口,亟待实现国产化。需要重点研发攻克大功率交流变频调速传动技术、数字智能控制、整机运行及故障检测技术、重型履带设计技术、露天矿大型复杂装备动力学分析及优化技术等关键核心技术。
井工煤矿智能开采技术思路为通过钻探和采掘,确定工作面煤层赋存形态;通过陀螺仪获取采煤机三维坐标,两者相结合实现全自动化割煤。该思路避开了煤岩识别难题,以地质条件为载体,顶层规划自动化采煤过程[19]。露天煤矿智能开采与井工煤矿有着本质的区别,主要表现在以下6 个方面:①露天矿的开采对象比矿井复杂,既包括煤层还包括上覆岩层及煤层内的大夹矸层,与之对应的智能开采技术也包括剥离、采煤和选采3 个方面;②露天煤矿单台阶工作线长度大,一般为1 000~2 000 m 以上,相当于矿井开采工作面长度的3~7 倍,但工作面年推进强度一般为400 m/a 以内,是矿井开采工作面年推进强度的1/10~1/15,长工作面低推进强度的特点决定了露天煤矿对工作面地质模型的精度和更新速度要求远低于矿井;③露天矿的采剥作业均在敞露的环境下进行,对剥离和采煤台阶的煤岩等物料特征是可见的,也可以实现实时精准测量和模型化,因此露天煤矿智能开采不涉及煤岩识别的难题,自动化采剥作业对煤岩分界面的识别精度要求很低,对设备的精确站位、自主作业、智能调度和安全预警预控等技术要求较高;④露天开采工艺成套装备的数量不是唯一的,而是多套设备分布在不同的平盘、采掘带或运输道路上,具有动态离散分布及位姿信息时变的特征,因此对设备定位、导航和集群智能调度技术要求较高;⑤露天开采移动设备的用人数量较多,对设备远程遥控和无人驾驶技术要求较高;⑥露天矿开采工艺对于连续和半连续工艺的智能开采还应实现带式输送机的远程集控、无人巡检和智能控制等。综上所述,露天煤矿智能开采方向应重点研发攻克露天矿地测采三维信息模型动态更新技术,设备智能定位导航、自主作业、安全预警和集群智能调度技术,移动设备远程遥控和无人驾驶技术,固定设备的远程集控、无人巡检和智能控制技术等,最终实现“少人或无人开采”的目标。
露天矿环境保护与生态修复的技术需求日益迫切,主要包括露天煤矿排土场土层重构与微生物修复、露天煤矿表土替代材料研发、采场粉尘控制和煤系地下水降落漏斗内回灌保水开采等方向。我国大部分露天煤矿分布地区普遍存在表土层薄、肥力和微生物活动较为微弱、土壤贫瘠的特点,矿区复垦用土量不足和生态自修复能力欠佳的问题突出,露天矿复垦后期的养护投入巨大。应研发露天煤矿排土场土层重构与微生物修复技术,重点攻克露天矿排土场土层重构难度大,土层过薄且难以涵养水分和养分,微生物活动弱,生态自修复难度大的技术瓶颈,通过约束排土程序,研发微生物群落修复技术,提升土壤肥力和排土场生态自修复能力,达到控制水土流失与快速恢复区域生态的目标。针对表土匮乏地区露天矿复垦表土不足,研究经济适宜的表土替代材料制备技术,解决露天矿复垦环节表土不足的问题。在露天矿采场粉尘控制方面,主要针对露天矿坑内产尘点多、产尘面积大且分散、控制难度高等特点,研发爆破水雾降尘技术和露天矿道路抑尘剂制备技术,解决坑下爆破、路面和工作面抑尘的难题。在露天煤矿保水开采方面,针对露天矿富余疏干水外排,导致水资源浪费、地下水位下降等环境地质问题,研发煤系裂隙含水层降落漏斗内地下水回灌技术,减弱富水地区露天煤矿开采对地下水的扰动效应。
国内很多露天煤矿经过采剥排工程,形成了几百米采深、十几平方公里占地面积的矿坑及十几亿立方米剥离岩土堆积的排土场,引发了一系列的环境和地质问题,这是一个极其复杂、多学科交叉的系统工程。目前,国内主要是针对以下几个方面进行治理:加固边坡、防止地面塌陷、填补地表裂缝、填补沉陷区、消灭火灾隐患,保持水土、建立排水工程和生态绿化等。但国内废弃矿山的地灾治理工作在能力、设备和高新技术的研究与应用上和国际领先水平还是有很大差距。另外,国内废弃矿山运行机制和能力与国外矿产资源可持续利用的先进水平相比,也存在许多不足。主要表现在以下4 个方面:①现行相关法规涉及废弃矿山方面甚少,也缺乏此方面的相关标准与实践规范;②相关闭坑规章主要侧重矿产资源保护和防止损失浪费,而缺乏对废弃矿山与矿区经济和社会关系的认知;③矿山全生命周期建设,短期经济回报考虑较多,而不重视闭坑后废弃矿山引发的矿区经济社会负面影响与可持续发展等长期问题;④仅有少数露天矿对废弃矿坑进行了较好的开发和再利用,大多数废弃矿山利益相关方缺乏协商,同时政府规制不足、企业缺乏自律、社会参与不力,造成矿山废弃或遗弃,引发严重的矿区环境、安全和健康问题。
废弃矿山地质灾害演化涉及多学科交叉融合,国内外尚未解决其演化规律。复杂环境下,大面积的废弃矿山地质灾害演化过程更加复杂,机理认识不清,灾害后果严重。露天矿经过长期开采与废弃,会弱化地层结构,而结构弱化后经过一段时间可能导致弱化加强,减弱抵抗环境干扰能力,有可能随时间的积累而形成二次或数次灾害。在废弃矿山遗留资源与空间综合开发利用方面,受困于露天矿传统设计方法存在的弊端,开采参数等既定结果的不可逆性为地质灾害的治理增加难度。比如传统设计中露天矿最终坑帮坡角确定理论存在不足。前期设计只是追求技术可行性和经济合理性,以增加煤炭开采储量,没有或很少考虑闭坑后逐渐充水,帮坡岩体强度降低、稳定性下降,可能引发滑坡等灾害。所以废弃矿山作为露天矿全生命周期最后遗留的产物,其地质灾害的治理与控制技术也只能基于传统设计的基础展开研究,难度增大。废弃露天矿坑开发再利用技术涉及政府多个部门和诸多学科领域,是一个复杂的巨系统,我国的闭坑矿山又具备特殊性,目前的研究都是以个例、个别要素研究为主,但整体研究尚处于探索阶段,未建立起完整的再利用体系和具有普适性的框架方法,无经验可供借鉴。对再利用条件的研究和运行管理模式的设计是目前要重点突破的技术难题。
绿色矿山建设不只是表示矿山复垦和绿化,而是一项复杂的巨系统工程,贯穿的全过程,涉及到多方面的内容,但其“安全、高效、智能、精准”的本质是确定的。对于露天煤矿绿色矿山建设而言,应结合露天矿开采的特点进行具体的研究,因地制宜地确定建设内容和建设目标,露天煤矿绿色矿山的建设方案、建设标准和评价标准应该是“差别化定制式”的。我国露天煤矿的绿色发展仍然面临对绿色矿山的概念内涵不清晰、规模结构分布不合理、资源基础不牢、建设水平差异大、政策体系不健全、标准不完善、技术边界不清晰和技术内容不系统等诸多尚待解决的问题,亟待研究构建露天煤矿绿色矿山建设所需的支撑体系,才能指导我国露天煤矿绿色矿山建设系统化、科学化和规范化。