“两山”地区煤矿区全过程生态保护性开采模式研究与探讨

何 团 班思远

(河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北省邯郸市，056038)

十八大以来，习近平总书记针对环境保护发表了一系列重要讲话，他指出“要正确处理好经济发展同生态环境保护的关系，牢固树立保护生态环境就是保护生产力、改善生态环境就是发展生产力的理念，更加自觉地推动绿色发展、循环发展、低碳发展，决不以牺牲环境为代价去换取一时的经济增长” “既要金山银山，也要绿水青山”。我国首部绿色矿山建设行业标准《非金属行业绿色矿山建设规范》( DZ/T 0312-2018)已于2018年10月1日起正式实施，规范提出在矿产资源开发全过程中，实施科学有序开采，对矿区及周边生态环境扰动控制在可控范围内，实行矿区环境生态化、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的矿山。在生态文明建设的今天，煤炭资源开发必须要服从生态环境的约束，采动过程要以不破坏生态环境和人居环境为准则，煤炭资源开发对“两山”地区生态的干扰要以生态环境具备恢复和再造能力为底线，建立环境责任意识。

京津冀燕山、太行山地区是阻断北京西北干旱和半干旱生态脆弱区沙漠化向首都地区侵袭的最后天然屏障，也是京津冀最重要的水源涵养地，同时还是京津冀固体矿产资源的主要分布区。太行山东麓以富铁矿和煤矿为主，主要集中于邯郸、邢台两市，煤矿资源与铁矿资源主要分布在峰峰矿区、武安、磁县等地；燕山南麓具有赋煤构造带，形成了开平煤田，煤炭资源主要分布于唐山市。矿业开发在为京津冀经济建设做出巨大贡献的同时，也带来一系列生态环境问题，尤其是河北省燕山、太行山地区煤炭资源的开发对生态环境的破坏较为突出，为实现“两山”地区生态修复，因地制宜，将生态工程、矿业产业与创新技术深度融合，多学科交叉，提出“两山”地区煤炭型矿区基于充填开采的全过程生态保护性开采模式，实现生态环境的破坏后修复向源头防护的转变。

1 煤矿区资源开发引发的主要生态与社会问题

1.1 煤矸石占地

煤矸石是采煤和选煤过程中排放的低碳含量的固体废物，每年排放量占当年煤炭产量的10%～15%。据初步统计，我国现有煤矸石山1600余座，我国平均每年新增排放矸石约3.0×108t，压占土地面积3～4 km2以上，严重挤压了我国城乡建设用地。目前，我国煤矿开采产生的煤矸石堆积于地层表面，大量地侵占了土地。

1.2 地表塌陷

根据2017年中科院《全国采煤沉陷区搬迁改造政策及综合治理规划前期研究》数据表明，我国共有23个省(市区)、151个县(市区)分布有采煤沉陷区，采煤沉陷区面积约为2万km2，部分资源型城市塌陷面积超过了城市总面积的10%。目前我国采煤沉陷区涉及城乡建设用地4500～5000 km2，涉及人口2000万人左右。

采煤沉陷区破坏覆岩和地表完整性，使岩层失去隔水性和密闭性，横向流动的水系变为纵向渗漏，导致地面河流及泉水干涸，地下水资源枯竭，水资源和水生态遭到严重破坏。

1.3 大气污染

煤矸石缓慢自燃、风化扬尘严重污染了大气及周边环境。煤矸石长期堆存时，经空气、水的综合作用，产生一系列物理、化学和生物变化，发生自燃而释放包括SO2在内的大量有毒有害气体，破坏矿区生态，容易诱发居民呼吸道疾病和癌症。煤矿开采产生的废气以及运输过程中的扬尘都会直接影响到矿区周围的环境，不仅使矿区周围的地表植被受到破坏，而且地表植被破坏后带来的荒漠化土地也会进一步加剧大气中的扬尘，其中含有的CO、SO2、NOx等有害气体会直接影响矿区周围居民的身体健康。

1.4 破坏人居环境

煤炭资源的开发严重破坏地表生态环境、农业生产、人居条件，造成农田无法耕种、水土流失加剧、矿区生态严重失调，给当地民生带来极大影响。堆积的煤矸石经过自然降雨的冲刷，造成重金属离子及有毒有害物质进入地表水，危害水体安全。部分煤矿企业还因煤炭开采需求，提前进入压煤村庄地下进行开采，造成压煤村庄未搬先塌，群众房屋断裂、倾斜、倒塌现象时有发生，严重威胁当地群众的生命财产安全，地矿双方纠纷不断，增加了不稳定因素，影响了社会和谐发展。根据华北某矿区统计结果，村庄稠密的平原矿区，每采出1000万t煤炭需迁移约2000人，塌陷区村庄搬迁绝大部分位于城镇规划区以外且交通不便，基础设施投入需求普遍较大，并且采煤塌陷土地破坏赔偿费及村庄搬迁费随着时间发展呈递增趋势，生产企业的负担也在逐年加重。

2 煤矿区生态修复的传统模式

经过多年的发展，我国煤矿区生态修复已形成一些行之有效的方法和模式，一般按照因地制宜的原则，宜农则农、宜渔则渔、宜建则建[1-3]。

2.1 农林复垦模式

采煤沉陷造成耕地损坏、甚至无法耕种的地区，其综合治理首要考虑保护和恢复耕地农业种植，采用疏排法、就地取土法、挖深垫浅法、固体废物充填法等复垦方法。

2.2 水产养殖和水库蓄水模式

对于水源充足、水质好的封闭采煤沉陷积水区，可发展养鱼、养鸭、鱼鸭混养或者水产加工等养殖业，合理配置，综合开发。例如河南永城矿区大力发展水产养殖，安徽淮南、淮北矿区、江苏徐州矿区等利用地表塌陷区建设水库。

2.3 生态建设模式

随着人们越来越重视可持续发展和生态环境保护，景观生态再造技术也逐渐应用到采煤沉陷区治理中，常见的有观光农业利用、工业旅游和生态旅游开发以及其他休闲旅游开发利用模式。可将采煤沉陷区建成集生态保护、旅游度假、休闲娱乐为一体的城市中央生态公园。例如江苏徐州贾汪矿区经生态修复将多年开采形成的采煤沉陷区变成潘安湖国家湿地公园，河北唐山开滦矿区建成南湖国家城市湿地公园。

2.4 新能源产业模式

在采煤沉陷区推行风力发电、光伏发电以及农光互补、渔光互补等多种新能源综合产业模式。例如安徽淮南矿区、江苏中煤大屯矿区建成漂浮式光伏电站，山东新泰矿区、山西大同矿区建成光伏发电示范基地。

这些方法虽然卓有成效，但都是先破坏后治理的模式，生态环境一旦破坏，短时间内很难恢复到原有水平。此外，许多重要建(构)筑物、地面和地下水系及重要生态环境应重点保护，不允许破坏，这给矿区生态修复带来新的挑战。

3 煤矿区全过程生态保护性开采模式

煤矿区全过程生态保护性开采模式以充填绿色采煤技术为基础。充填绿色采煤技术的核心是在采煤过程中将废弃物料充填至采空区，通过煤与充填物料的体积置换，实现控制顶板和上覆岩层运移，以最小的生态扰动获取矿产资源，把对生态环境的影响限制在可控范围之内，主动保护矿区生态环境[4-6]，传统垮落法开采与充填开采对生态破坏对比如图1所示。

图1 传统垮落法开采与充填开采对生态破坏对比

我国从开始探索充填绿色开采以来，主要经历了几个重要阶段：20世纪50年代起步，开始发展废石干式充填；20世纪60年代，转变为以分级尾砂水力充填、碎石水力充填和混凝土胶结充填为主体；之后的20年开始细化，探索出细砂胶结充填技术；进入20世纪90年代，随着技术的提升和对环境保护的需要，广泛推广应用全尾砂胶结充填技术、块石砂浆胶结充填、碎石水泥浆胶结充填和膏体泵压输送胶结充填等诸多新技术，这些方法促进了我国充填开采技术的进步与采矿工程的发展。进入21世纪，随着绿色矿山的提出，充填绿色开采技术迅速发展，工艺技术日趋完善，装备材料系统配套，产学研用紧密结合，形成了多种灵活多变的充填方式，建立了完整的充填绿色开采技术体系。

目前，我国煤矿应用的充填开采工艺与技术主要有固体充填开采、膏体充填开采和高水材料充填开采。充填开采作为矿区生态建设的重要技术手段，已然成为我国煤炭工业发展的主题，是我国生态文明建设的重要内涵。21世纪以来，国内外学者主要在智能化充填、利用充填开采建设煤矿生产全过程生态矿山、研发创新新型充填材料、利用充填开采服务城市公益事业等领域开展科技攻关。

在深入研究生态环境对开采行为容忍度的基础上，笔者进一步研发并创新充填开采技术，提出矿产资源开发的三原则，即煤矿生产和矿区生态同时设计，严格地表沉陷范围的边界条件，生态保护理念贯穿生产全过程。以三原则为执行依据，将充填绿色开采方式贯穿矿井设计、生产、改造的全过程，精准设计“两山”地区矿产资源开发形式，形成“两山”地区基于充填开采的全过程生态保护性开采模式[4-6]。

煤矿区全过程生态保护性开采模式打破了以往先破坏后治理的模式，通过控制岩层运动防止地表沉陷，实现以最小的生态扰动获取煤炭资源，把对生态环境、水土资源和基础设施等影响限制在生态环境对开采行为容忍度可控范围之内，使煤炭开采和生态环境协调共融发展，能够主动治理采煤沉陷区、预防生态损伤[4-6]。

4 煤矿区全过程生态保护性开采模式完全成本理念

根据可持续发展理论和利益相关者等理论的阐述可知，煤矿区全过程生态保护性开采模式具有良好的社会效益、环境效益和经济效益。目前，矿山企业普遍以传统的成本-收益法对煤炭开采实际发生的生产经营成本进行衡量，这是煤炭资源开发的不完全成本。实际上，煤炭资源开发成本不仅包括实际发生的生产经营成本，还应包括社会成本、环境成本等[7-9]。

煤矿区全过程生态保护性开采模式相较于传统开采模式而言，节约了社会成本和环境成本，可以看作是煤矿区全过程生态保护性开采模式的社会效益和环境效益。煤矿区全过程生态保护性开采模式实际发生的生产经营成本包括充填物料费、充填设备折旧、充填电费、充填人工费等。煤矿区全过程生态保护性开采模式也为煤矿带来社会效益、环境效益和经济效益，包括为企业节约大量矸石运输处理费用、煤矸洗选费用等各项费用和生态补偿性收费。煤矿区全过程生态保护性开采模式以煤炭开采完全成本进行计量、考核，计量要素包括生产经营成本、社会效益、经济效益和环保效益。根据“两山”地区开采实践，以完全成本计，煤炭型矿区全过程生态保护性开采模式效益显著。

经调研发现，我国矿山企业对充填开采经济可行性具有简单、直观的认知，充填开采满足以下条件之一时，充填开采在经济上是可行的，即充填增加的成本小于或大致接近政策成本、环保费用、搬迁费用、资源枯竭破产引起的附加成本时，应用充填开采经济可行，如新建矿山不允许设立永久矸石山，山西部分地区强制矿山消灭矸石山，这无疑大幅度提高了政策成本，使充填开采技术工艺有了推广应用的空间；高产高效矿井盈利能力强，经济效益显著，能够消化充填开采增加的吨煤成本。

5 “两山”地区煤矿区全过程生态保护性开采模式应用调研

根据调研，京津冀两山“地区”邢台矿、邢东矿、新屯矿、羊东矿、云驾岭矿、郭二庄矿、东庞矿、唐山矿、钱家营矿9个煤矿应用了全过程生态保护性开采模式。

目前固体充填技术已在冀中能源集团邢台矿、邢东矿等多个矿井，15个工作面成功应用，截至目前，共开采煤炭408.8万t，充填矸石或粉煤灰398.4万t。冀中能源股份有限公司邢台煤矿及邢东煤矿应用煤炭型矿区全过程生态保护性开采模式长达10余年，生态保护性开采观念深入贯彻，形成了成熟的运行与管理模式，推动了矿井的长期稳定发展，已成为标志性的生态矿井，得到同行业的高度认可，是煤炭企业认识、学习全过程生态保护性开采模式的重要示范基地。

全过程生态保护性开采模式已在“两山”地区多座煤矿得到成功应用，达到了控制地表沉陷、保护地下水源、处理固体废弃物、涵养地表水源等预期生态效果，起到了示范引领作用，为“两山”地区大范围推广应用奠定了基础，提供了有益借鉴。

近年来充填开采技术不断创新，充填能力持续增强，充填开采设计新理念、新思路不断涌现，在城市固废处理、矿区生态修复领域取得了更广泛的应用，加速形成了“两山”地区煤矿区全过程生态保护性开采模式，扩展了全过程生态保护性开采模式的内涵。

6 煤矿区全过程生态保护性开采模式的推广思路

我国煤炭工业具有矿井数量多、分布广、资源赋存条件多样、开采手段复杂等特点。私有制矿山、集体所有制矿山、国有矿山交错林立，这些矿山在生产能力、技术装备、资金投入等方面千差万别，从客观上提高了全过程生态保护性开采模式推广的难度。国有大中型矿井对全过程生态保护性开采模式相对陌生，对全过程生态保护性开采与矿井煤炭产出效率之间的关系存在错误认识，害怕影响矿井产量而对生态保护性开采模式推广积极性不足。私有中小型矿井迫于环保压力，对全过程生态保护性开采模式有需求，但是由于存在技术手段落后、资金能力不足、技术人员短缺等原因，全过程生态保护性开采模式应用推广困难。因此，需要进一步加大煤矿区全过程生态保护性开采模式多样性研究，扩大其在不同所有制、不同井型矿井中的应用[9-10]。

建议应从政策导向、资金支持等方面入手，制定相关政策，因企制宜，建立以地方政府扶植、地方煤炭龙头企业为中心的试点，以点带面带动中小型煤炭企业，大型矿井协助中小型矿井推广应用全过程生态保护性开采模式，培训或委派工程技术人员，全面扩大煤矿区全过程生态保护性开采模式的应用范围[10-12]。

7 煤矿区全过程生态保护性开采模式应用展望

煤矿充填开采技术作为绿色开采技术体系的重要组成部分，是煤矿区生态环境治理的重要手段。充填开采技术的应用，不仅可以大量减少煤矸石的外排，还可以将粉煤灰、尾矿、城市建筑垃圾等作为充填材料加以利用，能够有效降低煤炭开采对城市水资源、土地资源及空气的污染。此外还可以减少煤炭资源浪费，提高煤炭资源回收率，有效保护煤炭资源。各高等院校、科研院所、煤矿企业等积极探索并实施了煤矸石等固体材料充填、(似)膏体材料充填、(超)高水材料充填等多种充填工艺技术，煤矿区全过程生态保护性开采模式的内涵不断丰富，适用范围不断增强，在全国范围的认可度不断提升。

总体来看，加快绿色矿山布局，倡导生态保护性开采，在京津冀“两山”地区推广全过程生态保护性开采模式，从源头降低煤炭开采引发的生态损伤，应进一步加快煤矿区全过程生态保护性开采模式配套技术的发展速度，增强政策支持。长远来看，煤矿区全过程生态保护性开采模式具有较为广阔的应用前景。