礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式

礦山環(huán)境效應(yīng)是礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中因擾動(dòng)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)所造成的影響。從生態(tài)平衡的視角看，這些影響有的短期內(nèi)可恢復(fù)，有的是長(zhǎng)久的、甚至不可逆的。這些擾動(dòng)產(chǎn)生的影響中，那些對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的負(fù)面效應(yīng)，被稱(chēng)作“礦山環(huán)境負(fù)效應(yīng)”，但也有一些擾動(dòng)帶來(lái)的正面效應(yīng)，稱(chēng)之為“礦山環(huán)境正效應(yīng)”。礦山環(huán)境負(fù)效應(yīng)修復(fù)治理的目的是減輕礦業(yè)開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，而礦山環(huán)境正效應(yīng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“正效應(yīng)”）的研究旨在挖掘礦山的正效應(yīng)資源，趨利避害、化害為利，并使其得以資源化綜合利用，成為延長(zhǎng)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵支撐點(diǎn)和后礦業(yè)時(shí)代發(fā)展的重要方向。

1.1

基本原理

基于筆者此前的相關(guān)積累和研究，筆者明確了礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式的定義，即以礦山環(huán)境中的正效應(yīng)作為對(duì)象，考慮區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型方向、資源供應(yīng)要求及服務(wù)終端范圍等因素，以科學(xué)的開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)為導(dǎo)向，結(jié)合正效應(yīng)的資源種類(lèi)、賦存條件、開(kāi)發(fā)利用價(jià)值、技術(shù)經(jīng)濟(jì)能力以及風(fēng)險(xiǎn)和后果等內(nèi)容，臻選合理的子目標(biāo)，以行之有效的技術(shù)和方法為基礎(chǔ)，建立的一套正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用優(yōu)化組合技術(shù)體系。

以正效應(yīng)作為模式研究的對(duì)象，秉承“目標(biāo)導(dǎo)向”思路，厘定適宜的子目標(biāo)，并以可行的技術(shù)為支撐，形成發(fā)揮正效應(yīng)資源潛力和價(jià)值的技術(shù)模式。其研究?jī)?nèi)容分為目標(biāo)導(dǎo)向與子目標(biāo)分解、模式技術(shù)厘定及模式構(gòu)成3部分。首先選定適宜的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)，將每個(gè)目標(biāo)分解為數(shù)個(gè)可行的子目標(biāo)，厘定子目標(biāo)適宜的技術(shù)方法，最后優(yōu)化、組合技術(shù)構(gòu)建正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式（圖1）。可以看出，從目標(biāo)到模式的過(guò)程中間出現(xiàn)了一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多等映射關(guān)系，而模式理論和實(shí)踐研究的意義則在于探索如何通過(guò)開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的有機(jī)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用潛力的最大化。

圖 1  礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式構(gòu)成原理

1.2

礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用的目標(biāo)

確立科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)是正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用的前提。不論露天礦山或是井工礦山、煤炭礦山或是非煤礦山，均具有挖掘正效應(yīng)的潛力。根據(jù)正效應(yīng)屬性，其目標(biāo)分為資源正效應(yīng)、能源正效應(yīng)、科普文娛正效應(yīng)、生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)4類(lèi)。

（1）資源正效應(yīng)目標(biāo)。資源正效應(yīng)包括土地資源、空間資源、殘留資源及“三廢”資源，其開(kāi)發(fā)利用可擴(kuò)充現(xiàn)有資源量，減少資源損失和浪費(fèi)。土地資源包含未擾動(dòng)的土地和受損修復(fù)（恢復(fù)）的2類(lèi)土地，可緩解城鎮(zhèn)土地資源緊缺，解決土地資源供需矛盾；空間資源指礦業(yè)工程活動(dòng)直接或間接形成的地表和地下空間；殘留資源包括礦山水資源、伴生資源以及舊采殘留資源，其開(kāi)發(fā)可降低資源勘探和開(kāi)發(fā)成本，減少資源浪費(fèi)及環(huán)境污染；“三廢”資源是指礦業(yè)活動(dòng)的廢棄物和副產(chǎn)物中提取和釋放的有用的固、液、氣三相資源，如煤矸石、酸性礦井水、沼氣等。

（2）能源正效應(yīng)目標(biāo)。能源正效應(yīng)以“清潔、低碳、安全、高效、可再生”為開(kāi)發(fā)利用方向。礦山中可發(fā)掘的能源形式，除了礦物能源外，還有經(jīng)技術(shù)和場(chǎng)地改造后可開(kāi)發(fā)的電能和熱能，如瓦斯發(fā)電、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、抽水蓄能發(fā)電，礦井殘存低溫?zé)崮艿取Ｒ蟊M量不開(kāi)拓新空間、不占用新場(chǎng)地，利用礦山原有的通風(fēng)、運(yùn)輸、供電等系統(tǒng)，嚴(yán)控對(duì)環(huán)境的二次擾動(dòng)。

（3）科普文娛正效應(yīng)目標(biāo)。礦山的生產(chǎn)場(chǎng)地與工業(yè)遺跡具有顯著的科學(xué)研究和文旅娛樂(lè)價(jià)值。將礦山深部空間改造為科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，不但可滿(mǎn)足采礦、地質(zhì)、水文、巖石力學(xué)等研究對(duì)原位實(shí)驗(yàn)的需求，而且因其屏蔽宇宙射線(xiàn)、恒溫、恒濕等特點(diǎn)，適合作為地下暗物質(zhì)探測(cè)、軍事試驗(yàn)、核試驗(yàn)等試驗(yàn)場(chǎng)所。利用礦山特殊的工業(yè)景觀(guān)、礦業(yè)遺跡、地質(zhì)現(xiàn)象將其改造為礦山公園、礦山小鎮(zhèn)等，開(kāi)發(fā)其旅游觀(guān)光價(jià)值和科普礦業(yè)知識(shí)、環(huán)保、節(jié)能減排等價(jià)值；此外，礦山特殊的地形為滑雪、攀巖等極限運(yùn)動(dòng)和體能訓(xùn)練提供了場(chǎng)地和環(huán)境條件。

（4）生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)目標(biāo)。辯證地講，采礦對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的擾動(dòng)并不完全等同于生態(tài)環(huán)境破壞。我國(guó)西部地區(qū)部分修復(fù)后的采煤沉陷區(qū)、排土場(chǎng)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)于原始的自然生態(tài)環(huán)境，這使得部分資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)間接改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)。礦山生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)的開(kāi)發(fā)利用結(jié)合礦山生態(tài)在改善環(huán)境、生物多樣 性、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、地域氣候變化等方面的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用生態(tài)修復(fù)技術(shù)方法和管理手段，將農(nóng)、林、牧、副、漁有機(jī)結(jié)合，獲得適應(yīng)礦山惡劣環(huán)境、具有較高經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益的生態(tài)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)，以期達(dá)到生態(tài)資源的循環(huán)開(kāi)發(fā)利用。

礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)包含內(nèi)容豐富的子目標(biāo)，通過(guò)模式的技術(shù)輔助，既可開(kāi)發(fā)為獨(dú)立的正效應(yīng)產(chǎn)品，也可成為其他正效應(yīng)目標(biāo)的必要過(guò)程或者中間產(chǎn)品。如圖2所示，資源正效應(yīng)中的土地、空間為生態(tài)、能源、資源的開(kāi)發(fā)提供必要的立地條件或場(chǎng)地空間；礦山水資源為農(nóng)業(yè)種植、植被恢復(fù)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖提供必要的水供給；生態(tài)服務(wù)中的農(nóng)牧業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖為礦山和周邊城鎮(zhèn)提供了大量的農(nóng)牧漁產(chǎn)品；風(fēng)電、光伏發(fā)電、瓦斯發(fā)電等電力能源可并入電網(wǎng)補(bǔ)給電力需求，在產(chǎn)出商品電的同時(shí)，升級(jí)能源結(jié)構(gòu)；礦山科普和旅游觀(guān)光均具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，應(yīng)將生態(tài)服務(wù)與文化旅游產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，依托修復(fù)后的生態(tài)環(huán)境、地形地勢(shì)、歷史文化、礦業(yè)文化等，發(fā)掘礦業(yè)生態(tài)產(chǎn)品、景觀(guān)產(chǎn)品等。

圖2  礦山環(huán)境正效應(yīng)目標(biāo)與部分正效應(yīng)資源產(chǎn)品

1.3

正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式的技術(shù)方法

正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式依托于相應(yīng)的技術(shù)得以落地應(yīng)用。筆者梳理了礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式常用的技術(shù)方法。開(kāi)發(fā)利用目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要單項(xiàng)技術(shù)或者多項(xiàng)技術(shù)的有機(jī)組合，而子目標(biāo)與技術(shù)之間亦呈現(xiàn)多對(duì)一的特點(diǎn)，因此開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的選取要盡可能多地與子目標(biāo)對(duì)應(yīng)，從而優(yōu)化正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用效果。

（1）資源正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用技術(shù)。包括資源回收、水資源調(diào)蓄與利用、廢棄建筑加固與再利用、地下空間改造等技術(shù)類(lèi)型。其中，資源回收技術(shù)如深度預(yù)裂爆破、水力割縫、水力壓裂、水力鉆孔等瓦斯回收抽采技術(shù)；廢棄建筑加固與再利用和地下空間改造技術(shù)的重點(diǎn)是提高其穩(wěn)定性和強(qiáng)度，如金屬礦山的巷道經(jīng)過(guò)空間結(jié)構(gòu)構(gòu)架支撐、錨噴支護(hù)等工程加固和修復(fù)，地下空間可作為倉(cāng)儲(chǔ)、科研、地下城市、地下博物館等場(chǎng)所，再配合地下運(yùn)輸和消防、供電、照明、通風(fēng)、排水、通信、報(bào)警、標(biāo)識(shí)等輔助技術(shù)設(shè)施，改善地下空間適居性；水資源調(diào)蓄與利用技術(shù)旨在保護(hù)礦山水資源和解決水資源短缺問(wèn)題，尤其在水資源緊缺、水土流失嚴(yán)重的礦區(qū)，滿(mǎn)足礦山生產(chǎn)和生態(tài)服務(wù)用水需求，提高植被存活率和生態(tài)修復(fù)效果。

（2）能源正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用技術(shù)。能源正效應(yīng)主要包括電力能源和熱力能源2種形式。其中，電力能源的開(kāi)發(fā)需要依托于修復(fù)后的采煤沉陷區(qū)、排土場(chǎng)等的礦山地表場(chǎng)地和空間實(shí)施的光伏、風(fēng)力和核能等可再生能源發(fā)電技術(shù)，也需要將具有勢(shì)能高差的礦山地表空間和地下穩(wěn)定空間改造為可儲(chǔ)能的抽水蓄能發(fā)電技術(shù)，以及通過(guò)抽取賦存關(guān)閉煤礦中的殘留資源以及壓占煤層內(nèi)賦存的瓦斯資源作為動(dòng)力能源材料的瓦斯發(fā)電技術(shù)。熱力能源主要是利用低溫水源熱泵和空氣源熱泵技術(shù)，將礦坑及其中的礦井水作為蓄熱系統(tǒng)，利用礦山的水文觀(guān)測(cè)孔、地質(zhì)勘探鉆孔以及豎井、巷道等，提取礦井排水、設(shè)備冷卻水、廢棄井巷內(nèi)礦井水和乏風(fēng)中的熱量，用于洗浴供熱、建筑物室內(nèi)供熱以及農(nóng)業(yè)供熱等。

（3）科普文娛正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用技術(shù)。主要包括科學(xué)實(shí)驗(yàn)、旅游文化和體育娛樂(lè)3個(gè)方面。其中，利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和平臺(tái)模擬技術(shù)，將礦山的地表和地下穩(wěn)定的空間改造為適宜試驗(yàn)和科學(xué)研究的場(chǎng)地；通過(guò)保留和修復(fù)場(chǎng)地的礦業(yè)特色，結(jié)合旅游資源的評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)，將礦山改造為科普教育和文化旅游功能的礦山公園、礦山遺跡博物館、科普基地等。

（4）生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用技術(shù)。主要用于實(shí)現(xiàn)土地功能修復(fù)、生態(tài)農(nóng)牧業(yè)養(yǎng)殖以及礦業(yè)生態(tài)景觀(guān)開(kāi)發(fā)3方面功能。其中，土壤改良使排土場(chǎng)、矸石山等固廢堆以及采煤沉陷區(qū)的土地功能在工程治理后得到進(jìn)一步優(yōu)化，改善損毀土地的貧瘠情況，使其具有生態(tài)演替功能。生態(tài)農(nóng)牧養(yǎng)殖技術(shù)旨在將生態(tài)農(nóng)業(yè)觀(guān)光與立體化農(nóng)業(yè)、牧業(yè)活動(dòng)結(jié)合，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的育種、栽培選取出適宜礦山的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，并配合動(dòng)物與農(nóng)業(yè)的立體化飼養(yǎng)，結(jié)合地下農(nóng)業(yè)、生態(tài)觀(guān)光農(nóng)業(yè)、立體農(nóng)業(yè)、特色農(nóng)業(yè)等先進(jìn)技術(shù)，形成集水產(chǎn)養(yǎng)殖、家禽養(yǎng)殖、蔬果種植及農(nóng)副產(chǎn)品加工為一體的礦山農(nóng)牧養(yǎng)殖的生態(tài)立體循環(huán)系統(tǒng)。

1.4

礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用理論模式

正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式的構(gòu)建以“目標(biāo)” 導(dǎo)向，尋找適宜的子目標(biāo)，以對(duì)應(yīng)的子目標(biāo)和技術(shù)的有機(jī)優(yōu)化組合為途徑，旨在因地制宜地、多元地開(kāi)發(fā)礦山環(huán)境正效應(yīng)資源，使開(kāi)發(fā)利用效果最大化。

根據(jù)正效資源的屬性，可選目標(biāo)往往不唯一，且目標(biāo)與子目標(biāo)具有一對(duì)多的映射關(guān)系。為了明確模式的差異化特征，在目標(biāo)的倒逼下就需要選擇適宜的主體與輔助目標(biāo)之下的子目標(biāo)及其技術(shù)方法，并將這種優(yōu)化組合構(gòu)建為正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式，使技術(shù)方法的效益得以最優(yōu)表達(dá)（圖3）。

圖 3   礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式構(gòu)成

從資源利用最大化的角度看，模式的目標(biāo)選擇要實(shí)現(xiàn)多種資源的綜合利用，如地下和地上空間的組合利用；從我國(guó)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和發(fā)展的角度看，要確保開(kāi)發(fā)方式的可持續(xù)性和低碳環(huán)保性；從我國(guó)未來(lái)城市發(fā)展的結(jié)構(gòu)和功能要求看，要服務(wù)礦山周邊的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)體系，推動(dòng)城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、服務(wù)城市發(fā)展。筆者結(jié)合我國(guó)礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用的現(xiàn)狀，通過(guò)開(kāi)發(fā)利用對(duì)象分析、目標(biāo)制定以及模式技術(shù)厘定，構(gòu)建了服務(wù)于不同的開(kāi)發(fā)目標(biāo)的礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用理論模式。

2

理論模式的工程應(yīng)用

2.1

礦山環(huán)境背景

民達(dá)露天煤礦位于鄂爾多斯市東勝區(qū)銅川鎮(zhèn)，礦區(qū)面積20.71km2。該礦地處鄂爾多斯高原東部丘陵溝壑區(qū)，原始地貌溝多坡陡地形切割侵蝕強(qiáng)烈、沖溝發(fā)育，屬半干旱高原大陸性氣候，年平均降水量350mm，年平均蒸發(fā)量為2297.4～2833.7mm。礦區(qū)地處華北植物區(qū)系，地帶性植被為典型草原，原始地表多被第四系風(fēng)積砂與黃土覆蓋，土壤貧瘠，水土流失嚴(yán)重。

2.2

“生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)”開(kāi)發(fā)利用工程

充足的土地資源、適宜的氣象水文條件是生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)模式使用的前提。但是，受地理?xiàng)l件和氣象水文影響，該礦區(qū)原始地表侵蝕強(qiáng)烈、沖溝發(fā)育，屬宜林宜牧地區(qū)，適宜農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)的土地資源極少。而在排土場(chǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高、各平盤(pán)和坡面覆土修復(fù)后可形成大面積土地資源。根據(jù)生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)模式技術(shù)構(gòu)成，這些土地經(jīng)改良土壤、增加肥力后，結(jié)合農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)技術(shù)、立體飼養(yǎng)技術(shù)，輔以礦井水資源化利用和節(jié)水灌溉技術(shù)以及地下空間改造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)、礦山水資源和地下空間的綜合開(kāi)發(fā)利用（圖4）。

圖 4  民達(dá)煤礦生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)開(kāi)發(fā)利用工程

（1）土地修復(fù)與土壤改良。在內(nèi)外排土場(chǎng)平臺(tái)和坡面上分別覆蓋0.7和 0.5m以上的表土，并在頂部修筑土埂和中間田埂網(wǎng)格減少水土流失，坡面修沙柳網(wǎng)格防風(fēng)固沙。重覆表土后，針對(duì)土壤質(zhì)量較低且保水、保肥性差的特點(diǎn)，添加生物炭、有機(jī)肥、風(fēng)化煤和秸稈等有機(jī)物料，將其改良為適宜玉米等農(nóng)作物生長(zhǎng)的耕地。

（2）生態(tài)立體農(nóng)牧養(yǎng)殖。根據(jù)農(nóng)牧產(chǎn)品對(duì)空間位置需求不同的特點(diǎn)，在排土場(chǎng)地勢(shì)較高且平整連片的區(qū)域，利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)，種植玉米、小麥、蔬菜瓜果等農(nóng)作物，局部開(kāi)發(fā)為人工灌木林地和草地，林下養(yǎng)殖雞、鴨等家禽；在地勢(shì)較低處構(gòu)筑淡水魚(yú)、蝦養(yǎng)殖區(qū)，形成耕地、林草地、禽畜、水產(chǎn)等立體化農(nóng)牧養(yǎng)殖布局。

（3）礦山水資源利用。礦區(qū)內(nèi)修建了截伏流和多處場(chǎng)外徑流攔蓄工程，設(shè)置了大量截水溝、引水渠用于回收自然降水，并建設(shè)了礦坑內(nèi)涌水澄清池、雨水回收池和排土場(chǎng)滴灌噴淋系統(tǒng)，確保生態(tài)用水。建成城市中水調(diào)蓄工程，與城鎮(zhèn)水中水處理系統(tǒng)聯(lián)通，每年可補(bǔ)充200Mt生態(tài)用水。

（4）地下空間改造。利用廢棄石英巖礦洞，并配備冷藏、冷凍設(shè)施，用于存儲(chǔ)生產(chǎn)的瓜果蔬菜、肉類(lèi)食品。

2.3

模式效益與討論

該礦區(qū)采用生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)開(kāi)發(fā)利用模式，取得的生態(tài)服務(wù)正效應(yīng)效益顯著，已修復(fù)耕地1.26km2，林地、灌木林地7.23 km2，牧草地10.58km2，種植玉米、蠶豆等農(nóng)作物，楊、松樹(shù)等喬木，檸條、沙棘等灌木，苜蓿、草木樨等牧草。土壤改良與農(nóng)牧養(yǎng)殖組合后，修復(fù)的土地為牛棚、豬舍、雞舍、魚(yú)塘等提供建設(shè)場(chǎng)地，修建果蔬、花卉溫室大棚270余棟，養(yǎng)殖牛羊等家畜4000余頭，家禽類(lèi)3000余只，建成數(shù)座水產(chǎn)養(yǎng)殖魚(yú)塘。動(dòng)物排泄物、魚(yú)塘底泥為生態(tài)修復(fù)提供養(yǎng)分，而耕地、林草地的農(nóng)作物以及牧草可成為畜牧飼料，形成了生態(tài)資源循環(huán)開(kāi)發(fā)利用，而廢棄石英巖礦洞的開(kāi)發(fā)為農(nóng)林牧產(chǎn)品的儲(chǔ)存、加工提供了地下空間。

從以上可以看出，理論模式在工程應(yīng)用中，具有相同主體或輔助目標(biāo)的正效應(yīng)模式可以組合、疊加。如圖5所示，多個(gè)模式組合開(kāi)發(fā)利用應(yīng)注意模式目標(biāo)和產(chǎn)品之間的彼此關(guān)聯(lián)、配合，地表、地下空間充分利用，減少獨(dú)頭目標(biāo)的出現(xiàn)。例如，“生態(tài)立體農(nóng)牧業(yè)”與“生態(tài)景觀(guān)旅游”模式疊加，共享土壤改良、動(dòng)植物培育和生態(tài)景觀(guān)等技術(shù)，打造具有觀(guān)賞價(jià)值的動(dòng)、植物園區(qū)，形成礦山農(nóng)業(yè)與生態(tài)休閑一體化開(kāi)發(fā)。再如，在以上為基礎(chǔ)，繼續(xù)疊加“光風(fēng)互補(bǔ)發(fā)電” 模式，為農(nóng)牧養(yǎng)殖、副產(chǎn)品加工提供必要的電能，深化農(nóng)牧產(chǎn)品種養(yǎng)植和加工產(chǎn)業(yè)鏈。

圖5  礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式組合示意

3

機(jī)遇與展望

碳中和背景下，新的能源格局形勢(shì)和礦山環(huán)境 “市場(chǎng)化運(yùn)作和開(kāi)發(fā)式”治理3.0階段使礦山環(huán)境研 究面臨一系列新情況、新問(wèn)題、新挑戰(zhàn)。

3.1

正效應(yīng)對(duì)能源格局演變的意義

國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和消費(fèi)占比變化，勢(shì)必對(duì)國(guó)家資源和能源安全保障提出挑戰(zhàn)。同時(shí)，礦業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)加快和廢棄礦山數(shù)量持續(xù)增多，倒逼資源型城市轉(zhuǎn)型和礦山環(huán)境保護(hù)與修復(fù)要走市場(chǎng)化道路。而正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式的研究為這些問(wèn)題提供了可行的解決途徑。

（1）礦山環(huán)境保護(hù)與資源安全保障

能源行業(yè)轉(zhuǎn)型的核心是低碳能源對(duì)化石能源的替代。但是，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整將增加資源安全的風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要在頂層設(shè)計(jì)層面，結(jié)合我國(guó)能源基礎(chǔ)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況，從能源消費(fèi)格局演變、資源保障體系、能源替代技術(shù)等角度，建立礦山環(huán)境保護(hù)與資源安全保障體系，耦合資源供應(yīng)安全保障與正效應(yīng)資源開(kāi)發(fā)利用?；诘V山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式，評(píng)估和利用礦山潛在的正效應(yīng)資源和產(chǎn)品， 如光、風(fēng)電產(chǎn)能、儲(chǔ)電能力、生態(tài)服務(wù)產(chǎn)品碳匯能力、地下空間開(kāi)發(fā)潛力等，構(gòu)建低碳清潔能源產(chǎn)業(yè)，在推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的同時(shí)保障能源安全和資源產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)定。

（2）資源型城市轉(zhuǎn)型

我國(guó)以礦業(yè)為主的資源型城市數(shù)量在我國(guó)所有地級(jí)市占比超40％，這些城市大都面臨著資源枯竭、產(chǎn)業(yè)單一、人才流失等狀況，急需轉(zhuǎn)變城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。從負(fù)效應(yīng)修復(fù)治理的角度看，生態(tài)環(huán)境改善是城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。而正效應(yīng)的發(fā)掘?qū)Y源性城市的轉(zhuǎn)型起關(guān)鍵作用，正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式從資源開(kāi)發(fā)、能源利用、文化旅游、生態(tài)服務(wù)等方面為資源型城市的多元化發(fā)展提供方向、落地技術(shù)和方法，有助于優(yōu)化城鎮(zhèn)、礦業(yè)、生態(tài)等方面的國(guó)土空間布局，建設(shè)“礦－農(nóng)－城”的資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)共同體，使礦業(yè)城市形成新的多元產(chǎn)業(yè)集群。

（3）礦山環(huán)境市場(chǎng)化道路

礦山環(huán)境效應(yīng)的開(kāi)發(fā)與修復(fù)是關(guān)乎能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和礦業(yè)城市升級(jí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，2者均需要資本市場(chǎng)和相關(guān)政策為其提供強(qiáng)有力的保障。雖然正效應(yīng)產(chǎn)出的生態(tài)、旅游、能源等產(chǎn)品收益可觀(guān)，但是從綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度，其規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行及非技術(shù)成本集中在開(kāi)發(fā)利用初期，影響礦山企業(yè)內(nèi)生動(dòng)力。這些瓶頸問(wèn)題的解決需要礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式在實(shí)踐中走市場(chǎng)化道路，堅(jiān)持“誰(shuí)修復(fù)治理、誰(shuí)受益”和“誰(shuí)開(kāi)發(fā)、誰(shuí)受益”原則，吸引市場(chǎng)各方資金以減輕財(cái)政和企業(yè)負(fù)擔(dān)。此外，碳排放權(quán)交易市場(chǎng)、交易品種和方式的成熟將激勵(lì)企業(yè)主動(dòng)開(kāi)發(fā)碳匯和低碳、清潔產(chǎn)品，節(jié)能降耗、減少碳排放。

3.2

礦山環(huán)境保護(hù)與治理3.0階段

礦山環(huán)境研究的目的是保護(hù)和修復(fù)治理環(huán)境并加以開(kāi)發(fā)利用。我國(guó)礦山環(huán)境研究經(jīng)歷了“被動(dòng)式”治理1.0階段（1999年前）、“主動(dòng)式”治理2.0階段（1999—2019年）、“市場(chǎng)化運(yùn)作與開(kāi)發(fā)式”治理3.0階段（2019—至今）3個(gè)階段。3.0階段在“兩山” 理論和綠色礦業(yè)體系的指導(dǎo)下，針對(duì)生產(chǎn)礦山，強(qiáng)調(diào)“邊開(kāi)采—邊修復(fù)—邊恢復(fù)—邊開(kāi)發(fā)”的礦山環(huán)境保護(hù)新模式，尋求基于自然的解決方案，建立前端規(guī)劃、中端修復(fù)、末端市場(chǎng)運(yùn)行開(kāi)發(fā)式治理的全生命周期礦山環(huán)境保護(hù)理念，將亡羊補(bǔ)牢式的修復(fù)治理轉(zhuǎn)變?yōu)槲从昃I繆的保護(hù)與開(kāi)發(fā)利用；針對(duì)歷史遺留的廢棄礦山，在調(diào)查、設(shè)計(jì)、修復(fù)治理礦山環(huán)境負(fù)效應(yīng)、確保修復(fù)治理質(zhì)量的同時(shí)，調(diào)查、評(píng)估正效應(yīng)的資源潛力并將正效應(yīng)資源加以綜合開(kāi)發(fā)利用，引入市場(chǎng)機(jī)制，進(jìn)入正效應(yīng)資源開(kāi)發(fā)利用與負(fù)效應(yīng)修復(fù)治理相互補(bǔ)償、協(xié)同實(shí)施的良性循環(huán)軌道，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的開(kāi)發(fā)式治理目標(biāo)。而礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式不僅適用于生產(chǎn)礦山，也適用于廢棄礦山，其應(yīng)用將有助于礦山環(huán)境3.0階段發(fā)展期和全勝期的到來(lái)。

此外，礦山環(huán)境的研究要以“山水林田湖草砂（海）”生命共同體為理念，把礦山環(huán)境定位于山水林田湖草砂（海）大系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，以流域作為礦山環(huán)境研究和構(gòu)筑生態(tài)安全屏障的基本單元，統(tǒng)籌流域礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)及服務(wù)業(yè)對(duì)環(huán)境造成的點(diǎn)、線(xiàn)、面及體源負(fù)效應(yīng)和潛在的正效應(yīng)，開(kāi)展多地區(qū)、多部分、多行業(yè)的系統(tǒng)性修復(fù)治理和開(kāi)發(fā)利用工作。開(kāi)展全流域水文長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)模型研究，仿真模擬流域系統(tǒng)地表水、地下水的水量均衡過(guò)程和水質(zhì)演化規(guī)律，揭示礦業(yè)工程活動(dòng)、氣候變化和地下水系統(tǒng)演化之間的耦合關(guān)系，結(jié)合礦山水“控制、處理、利用、回灌與生態(tài)環(huán)?！蔽逦灰惑w系統(tǒng)理論，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)礦業(yè)開(kāi)采集中區(qū)域水資源精準(zhǔn)調(diào)控與利用，打造流域單元的環(huán)境空間立體化、一體化生態(tài)廊道和水網(wǎng)格局。

3.3

正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用示范引導(dǎo)和工程試點(diǎn)

基于模式理論的研究成果推廣正效應(yīng)示范應(yīng)用，根據(jù)正效應(yīng)資源種類(lèi)、賦存條件、開(kāi)發(fā)利用價(jià)值、技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平和管理能力等，在神東、冀中、蒙東、寧東等14座煤炭基地推廣煤炭礦山正效應(yīng)工程試點(diǎn)，示范煤炭資源生產(chǎn)與正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用協(xié)同管理技術(shù)，將大多數(shù)負(fù)效應(yīng)轉(zhuǎn)化為正效應(yīng)并將其資源化開(kāi)發(fā)利用，并探索礦山環(huán)境正效應(yīng)差異化的開(kāi)發(fā)利用規(guī)程、技術(shù)方法標(biāo)準(zhǔn)等。此外，利用在試點(diǎn)推行模式的工程數(shù)據(jù)可進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式，為在全國(guó)范圍內(nèi)推廣礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式提供參考和依據(jù)。

3.4

礦山環(huán)境研究的數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型

工業(yè)4.0是利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代，也是智能化時(shí)代。推進(jìn)礦山環(huán)境研究向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將元宇宙技術(shù)、虛擬交互、光學(xué)虛擬以及3D打印技術(shù)等引入礦山環(huán)境研究領(lǐng)域，通過(guò)模擬，可以更加直觀(guān)地展示正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用的效果。此外，加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈和智能化等信息技術(shù)在礦山環(huán)境研究領(lǐng)域的應(yīng)用，有利于礦山環(huán)境正、負(fù)效應(yīng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、碳排放和碳匯集能力監(jiān)測(cè)、正效應(yīng)模式產(chǎn)出效益的評(píng)估與預(yù)測(cè)，有助于正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式得到最大化應(yīng)用。

4結(jié)語(yǔ)

礦產(chǎn)資源業(yè)正處于供給側(cè)改革和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，礦山環(huán)境研究也在經(jīng)歷一個(gè)由修復(fù)治理轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)利用的時(shí)代，礦山環(huán)境保護(hù)與開(kāi)發(fā)由“人工修復(fù)”為主轉(zhuǎn)向了“自然恢復(fù)”為主、由“被動(dòng)式”治理、“主動(dòng)式”治理轉(zhuǎn)向了“市場(chǎng)化的開(kāi)發(fā)式”治理，其本質(zhì)是人類(lèi)運(yùn)用自然科學(xué)研究對(duì)工程活動(dòng)與自然生態(tài)環(huán)境關(guān)系認(rèn)識(shí)的深化。

礦山環(huán)境正效應(yīng)研究建立在多學(xué)科理論交叉的基礎(chǔ)之上，筆者按照“對(duì)象－目標(biāo)－技術(shù)－模式”的系統(tǒng)化思維，構(gòu)建出礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用技術(shù)模式，旨在為系統(tǒng)化、資源化開(kāi)發(fā)利用礦山環(huán)境正效應(yīng)提供理論支撐，并以?xún)?nèi)蒙古典型煤礦為例，示范和說(shuō)明了模式的工程應(yīng)用和效果。在目標(biāo)的導(dǎo)向下，規(guī)?；恼?yīng)開(kāi)發(fā)利用會(huì)產(chǎn)生累積價(jià)值，要從綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)角度看待開(kāi)發(fā)利用的投入和產(chǎn)出，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看待礦山環(huán)境正效應(yīng)深遠(yuǎn)的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。要將正效應(yīng)的產(chǎn)品鏈、生態(tài)鏈與礦山環(huán)境負(fù)效應(yīng)研究聯(lián)結(jié)為完整的礦山環(huán)境效應(yīng)研究系統(tǒng)，既要實(shí)現(xiàn)各類(lèi)負(fù)效應(yīng)的有效治理，又要實(shí)現(xiàn)正效應(yīng)資源的優(yōu)劣互補(bǔ)與循環(huán)利用。

在能源格局演變的形勢(shì)下，礦山環(huán)境正效應(yīng)研究與資源安全戰(zhàn)略保障、城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型以及市場(chǎng)化發(fā)展密切相關(guān)，是實(shí)現(xiàn)碳中和背景下能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要途徑。在礦山環(huán)境修復(fù)治理3.0階段，堅(jiān)持“人與自然和諧共生的美麗中國(guó)”理念，推進(jìn)礦山環(huán)境開(kāi)發(fā)式修復(fù)治理、以流域?yàn)閱卧南到y(tǒng)化修復(fù)治理與開(kāi)發(fā)利用，推動(dòng)礦山環(huán)境正效應(yīng)開(kāi)發(fā)利用模式的示范與工程落地，以及數(shù)字化、智能化研究，將有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)在礦山環(huán)境修復(fù)治理與開(kāi)發(fā)利用的“雙贏(yíng)”目標(biāo)。

來(lái)源：煤炭學(xué)報(bào)