礦山環境正效應開發利用模式
礦山環境效應是礦產資源開發利用過程中因擾動區域的生態環境系統所造成的影響。從生態平衡的視角看，這些影響有的短期內可恢復，有的是長久的、甚至不可逆的。這些擾動產生的影響中，那些對生態系統造成的負面效應，被稱作“礦山環境負效應”，但也有一些擾動帶來的正面效應，稱之為“礦山環境正效應”。礦山環境負效應修復治理的目的是減輕礦業開發活動對環境的負面影響，而礦山環境正效應（以下簡稱“正效應”）的研究旨在挖掘礦山的正效應資源，趨利避害、化害為利，并使其得以資源化綜合利用，成為延長礦產開發產業鏈的關鍵支撐點和后礦業時代發展的重要方向。
1.1
基本原理
基于筆者此前的相關積累和研究，筆者明確了礦山環境正效應開發利用模式的定義，即以礦山環境中的正效應作為對象，考慮區域產業結構、能源系統轉型方向、資源供應要求及服務終端范圍等因素，以科學的開發利用目標為導向，結合正效應的資源種類、賦存條件、開發利用價值、技術經濟能力以及風險和后果等內容，臻選合理的子目標，以行之有效的技術和方法為基礎，建立的一套正效應開發利用優化組合技術體系。
以正效應作為模式研究的對象，秉承“目標導向”思路，厘定適宜的子目標，并以可行的技術為支撐，形成發揮正效應資源潛力和價值的技術模式。其研究內容分為目標導向與子目標分解、模式技術厘定及模式構成3部分。首先選定適宜的一個或多個開發利用目標，將每個目標分解為數個可行的子目標，厘定子目標適宜的技術方法，最后優化、組合技術構建正效應開發利用模式（圖1）?？梢钥闯?，從目標到模式的過程中間出現了一對一、一對多、多對多等映射關系，而模式理論和實踐研究的意義則在于探索如何通過開發利用技術的有機組合來實現正效應開發利用潛力的最大化。
圖 1 礦山環境正效應開發利用模式構成原理
1.2
礦山環境正效應開發利用的目標
確立科學合理的開發利用目標是正效應開發利用的前提。不論露天礦山或是井工礦山、煤炭礦山或是非煤礦山，均具有挖掘正效應的潛力。根據正效應屬性，其目標分為資源正效應、能源正效應、科普文娛正效應、生態服務正效應4類。
（1）資源正效應目標。資源正效應包括土地資源、空間資源、殘留資源及“三廢”資源，其開發利用可擴充現有資源量，減少資源損失和浪費。土地資源包含未擾動的土地和受損修復（恢復）的2類土地，可緩解城鎮土地資源緊缺，解決土地資源供需矛盾；空間資源指礦業工程活動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，其開發可降低資源勘探和開發成本，減少資源浪費及環境污染；“三廢”資源是指礦業活動的廢棄物和副產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）能源正效應目標。能源正效應以“清潔、低碳、安全、高效、可再生”為開發利用方向。礦山中可發掘的能源形式，除了礦物能源外，還有經技術和場地改造后可開發的電能和熱能，如瓦斯發電、風光互補發電、抽水蓄能發電，礦井殘存低溫熱能等。要求盡量不開拓新空間、不占用新場地，利用礦山原有的通風、運輸、供電等系統，嚴控對環境的二次擾動。
（3）科普文娛正效應目標。礦山的生產場地與工業遺跡具有顯著的科學研究和文旅娛樂價值。將礦山深部空間改造為科學實驗場所，不但可滿足采礦、地質、水文、巖石力學等研究對原位實驗的需求，而且因其屏蔽宇宙射線、恒溫、恒濕等特點，適合作為地下暗物質探測、軍事試驗、核試驗等試驗場所。利用礦山特殊的工業景觀、礦業遺跡、地質現象將其改造為礦山公園、礦山小鎮等，開發其旅游觀光價值和科普礦業知識、環保、節能減排等價值；此外，礦山特殊的地形為滑雪、攀巖等極限運動和體能訓練提供了場地和環境條件。
（4）生態服務正效應目標。辯證地講，采礦對生態環境系統的擾動并不完全等同于生態環境破壞。我國西部地區部分修復后的采煤沉陷區、排土場的生態環境質量優于原始的自然生態環境，這使得部分資源開發活動間接改善了當地生態。礦山生態服務正效應的開發利用結合礦山生態在改善環境、生物多樣 性、農業經濟效益、地域氣候變化等方面的優勢，運用生態修復技術方法和管理手段，將農、林、牧、副、漁有機結合，獲得適應礦山惡劣環境、具有較高經濟效益、生態效益和社會效益的生態產品和產業，以期達到生態資源的循環開發利用。
礦山環境正效應開發利用目標包含內容豐富的子目標，通過模式的技術輔助，既可開發為獨立的正效應產品，也可成為其他正效應目標的必要過程或者中間產品。如圖2所示，資源正效應中的土地、空間為生態、能源、資源的開發提供必要的立地條件或場地空間；礦山水資源為農業種植、植被恢復、畜牧業和水產養殖提供必要的水供給；生態服務中的農牧業及水產養殖為礦山和周邊城鎮提供了大量的農牧漁產品；風電、光伏發電、瓦斯發電等電力能源可并入電網補給電力需求，在產出商品電的同時，升級能源結構；礦山科普和旅游觀光均具有良好的社會和經濟價值，應將生態服務與文化旅游產業相結合，依托修復后的生態環境、地形地勢、歷史文化、礦業文化等，發掘礦業生態產品、景觀產品等。
圖2 礦山環境正效應目標與部分正效應資源產品
1.3
正效應開發利用模式的技術方法
正效應開發利用模式依托于相應的技術得以落地應用。筆者梳理了礦山環境正效應開發利用模式常用的技術方法。開發利用目標的實現需要單項技術或者多項技術的有機組合，而子目標與技術之間亦呈現多對一的特點，因此開發利用技術的選取要盡可能多地與子目標對應，從而優化正效應開發利用效果。
（1）資源正效應開發利用技術。包括資源回收、水資源調蓄與利用、廢棄建筑加固與再利用、地下空間改造等技術類型。其中，資源回收技術如深度預裂爆破、水力割縫、水力壓裂、水力鉆孔等瓦斯回收抽采技術；廢棄建筑加固與再利用和地下空間改造技術的重點是提高其穩定性和強度，如金屬礦山的巷道經過空間結構構架支撐、錨噴支護等工程加固和修復，地下空間可作為倉儲、科研、地下城市、地下博物館等場所，再配合地下運輸和消防、供電、照明、通風、排水、通信、報警、標識等輔助技術設施，改善地下空間適居性；水資源調蓄與利用技術旨在保護礦山水資源和解決水資源短缺問題，尤其在水資源緊缺、水土流失嚴重的礦區，滿足礦山生產和生態服務用水需求，提高植被存活率和生態修復效果。
（2）能源正效應開發利用技術。能源正效應主要包括電力能源和熱力能源2種形式。其中，電力能源的開發需要依托于修復后的采煤沉陷區、排土場等的礦山地表場地和空間實施的光伏、風力和核能等可再生能源發電技術，也需要將具有勢能高差的礦山地表空間和地下穩定空間改造為可儲能的抽水蓄能發電技術，以及通過抽取賦存關閉煤礦中的殘留資源以及壓占煤層內賦存的瓦斯資源作為動力能源材料的瓦斯發電技術。熱力能源主要是利用低溫水源熱泵和空氣源熱泵技術，將礦坑及其中的礦井水作為蓄熱系統，利用礦山的水文觀測孔、地質勘探鉆孔以及豎井、巷道等，提取礦井排水、設備冷卻水、廢棄井巷內礦井水和乏風中的熱量，用于洗浴供熱、建筑物室內供熱以及農業供熱等。
（3）科普文娛正效應開發利用技術。主要包括科學實驗、旅游文化和體育娛樂3個方面。其中，利用實驗室設計和平臺模擬技術，將礦山的地表和地下穩定的空間改造為適宜試驗和科學研究的場地；通過保留和修復場地的礦業特色，結合旅游資源的評價、預測，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）生態服務正效應開發利用技術。主要用于實現土地功能修復、生態農牧業養殖以及礦業生態景觀開發3方面功能。其中，土壤改良使排土場、矸石山等固廢堆以及采煤沉陷區的土地功能在工程治理后得到進一步優化，改善損毀土地的貧瘠情況，使其具有生態演替功能。生態農牧養殖技術旨在將生態農業觀光與立體化農業、牧業活動結合，通過專門的育種、栽培選取出適宜礦山的農業產品，并配合動物與農業的立體化飼養，結合地下農業、生態觀光農業、立體農業、特色農業等先進技術，形成集水產養殖、家禽養殖、蔬果種植及農副產品加工為一體的礦山農牧養殖的生態立體循環系統。
1.4
礦山環境正效應開發利用理論模式
正效應開發利用模式的構建以“目標” 導向，尋找適宜的子目標，以對應的子目標和技術的有機優化組合為途徑，旨在因地制宜地、多元地開發礦山環境正效應資源，使開發利用效果最大化。
根據正效資源的屬性，可選目標往往不唯一，且目標與子目標具有一對多的映射關系。為了明確模式的差異化特征，在目標的倒逼下就需要選擇適宜的主體與輔助目標之下的子目標及其技術方法，并將這種優化組合構建為正效應開發利用模式，使技術方法的效益得以最優表達（圖3）。
圖 3 礦山環境正效應開發利用模式構成
從資源利用最大化的角度看，模式的目標選擇要實現多種資源的綜合利用，如地下和地上空間的組合利用；從我國未來能源結構轉型和發展的角度看，要確保開發方式的可持續性和低碳環保性；從我國未來城市發展的結構和功能要求看，要服務礦山周邊的經濟和社會體系，推動城鎮經濟轉型、服務城市發展。筆者結合我國礦山環境正效應開發利用的現狀，通過開發利用對象分析、目標制定以及模式技術厘定，構建了服務于不同的開發目標的礦山環境正效應開發利用理論模式。
2
理論模式的工程應用
2.1
礦山環境背景
民達露天煤礦位于鄂爾多斯市東勝區銅川鎮，礦區面積20.71km2。該礦地處鄂爾多斯高原東部丘陵溝壑區，原始地貌溝多坡陡地形切割侵蝕強烈、沖溝發育，屬半干旱高原大陸性氣候，年平均降水量350mm，年平均蒸發量為2297.4～2833.7mm。礦區地處華北植物區系，地帶性植被為典型草原，原始地表多被第四系風積砂與黃土覆蓋，土壤貧瘠，水土流失嚴重。
2.2
“生態立體農牧業”開發利用工程
充足的土地資源、適宜的氣象水文條件是生態立體農牧業模式使用的前提。但是，受地理條件和氣象水文影響，該礦區原始地表侵蝕強烈、沖溝發育，屬宜林宜牧地區，適宜農業開發的土地資源極少。而在排土場達到設計標高、各平盤和坡面覆土修復后可形成大面積土地資源。根據生態立體農牧業模式技術構成，這些土地經改良土壤、增加肥力后，結合農業開發技術、立體飼養技術，輔以礦井水資源化利用和節水灌溉技術以及地下空間改造技術，可實現生態立體農牧業、礦山水資源和地下空間的綜合開發利用（圖4）。
圖 4 民達煤礦生態立體農牧業開發利用工程
（1）土地修復與土壤改良。在內外排土場平臺和坡面上分別覆蓋0.7和 0.5m以上的表土，并在頂部修筑土埂和中間田埂網格減少水土流失，坡面修沙柳網格防風固沙。重覆表土后，針對土壤質量較低且保水、保肥性差的特點，添加生物炭、有機肥、風化煤和秸稈等有機物料，將其改良為適宜玉米等農作物生長的耕地。
（2）生態立體農牧養殖。根據農牧產品對空間位置需求不同的特點，在排土場地勢較高且平整連片的區域，利用現代農業技術，種植玉米、小麥、蔬菜瓜果等農作物，局部開發為人工灌木林地和草地，林下養殖雞、鴨等家禽；在地勢較低處構筑淡水魚、蝦養殖區，形成耕地、林草地、禽畜、水產等立體化農牧養殖布局。
（3）礦山水資源利用。礦區內修建了截伏流和多處場外徑流攔蓄工程，設置了大量截水溝、引水渠用于回收自然降水，并建設了礦坑內涌水澄清池、雨水回收池和排土場滴灌噴淋系統，確保生態用水。建成城市中水調蓄工程，與城鎮水中水處理系統聯通，每年可補充200Mt生態用水。
（4）地下空間改造。利用廢棄石英巖礦洞，并配備冷藏、冷凍設施，用于存儲生產的瓜果蔬菜、肉類食品。
2.3
模式效益與討論
該礦區采用生態立體農牧業開發利用模式，取得的生態服務正效應效益顯著，已修復耕地1.26km2，林地、灌木林地7.23 km2，牧草地10.58km2，種植玉米、蠶豆等農作物，楊、松樹等喬木，檸條、沙棘等灌木，苜蓿、草木樨等牧草。土壤改良與農牧養殖組合后，修復的土地為牛棚、豬舍、雞舍、魚塘等提供建設場地，修建果蔬、花卉溫室大棚270余棟，養殖牛羊等家畜4000余頭，家禽類3000余只，建成數座水產養殖魚塘。動物排泄物、魚塘底泥為生態修復提供養分，而耕地、林草地的農作物以及牧草可成為畜牧飼料，形成了生態資源循環開發利用，而廢棄石英巖礦洞的開發為農林牧產品的儲存、加工提供了地下空間。
從以上可以看出，理論模式在工程應用中，具有相同主體或輔助目標的正效應模式可以組合、疊加。如圖5所示，多個模式組合開發利用應注意模式目標和產品之間的彼此關聯、配合，地表、地下空間充分利用，減少獨頭目標的出現。例如，“生態立體農牧業”與“生態景觀旅游”模式疊加，共享土壤改良、動植物培育和生態景觀等技術，打造具有觀賞價值的動、植物園區，形成礦山農業與生態休閑一體化開發。再如，在以上為基礎，繼續疊加“光風互補發電” 模式，為農牧養殖、副產品加工提供必要的電能，深化農牧產品種養植和加工產業鏈。
圖5 礦山環境正效應開發利用模式組合示意
3
機遇與展望
碳中和背景下，新的能源格局形勢和礦山環境 “市場化運作和開發式”治理3.0階段使礦山環境研 究面臨一系列新情況、新問題、新挑戰。
3.1
正效應對能源格局演變的意義
國家能源結構調整和消費占比變化，勢必對國家資源和能源安全保障提出挑戰。同時，礦業轉型升級加快和廢棄礦山數量持續增多，倒逼資源型城市轉型和礦山環境保護與修復要走市場化道路。而正效應開發利用模式的研究為這些問題提供了可行的解決途徑。
（1）礦山環境保護與資源安全保障
能源行業轉型的核心是低碳能源對化石能源的替代。但是，能源結構調整將增加資源安全的風險，因此有必要在頂層設計層面，結合我國能源基礎與社會經濟狀況，從能源消費格局演變、資源保障體系、能源替代技術等角度，建立礦山環境保護與資源安全保障體系，耦合資源供應安全保障與正效應資源開發利用?；诘V山環境正效應開發利用模式，評估和利用礦山潛在的正效應資源和產品， 如光、風電產能、儲電能力、生態服務產品碳匯能力、地下空間開發潛力等，構建低碳清潔能源產業，在推進能源結構調整的同時保障能源安全和資源產業鏈穩定。
（2）資源型城市轉型
我國以礦業為主的資源型城市數量在我國所有地級市占比超40％，這些城市大都面臨著資源枯竭、產業單一、人才流失等狀況，急需轉變城市產業結構。從負效應修復治理的角度看，生態環境改善是城市可持續發展的基礎。而正效應的發掘對資源性城市的轉型起關鍵作用，正效應開發利用模式從資源開發、能源利用、文化旅游、生態服務等方面為資源型城市的多元化發展提供方向、落地技術和方法，有助于優化城鎮、礦業、生態等方面的國土空間布局，建設“礦－農－城”的資源、經濟、社會共同體，使礦業城市形成新的多元產業集群。
（3）礦山環境市場化道路
礦山環境效應的開發與修復是關乎能源結構轉型和礦業城市升級的關鍵環節，2者均需要資本市場和相關政策為其提供強有力的保障。雖然正效應產出的生態、旅游、能源等產品收益可觀，但是從綠色循環經濟的角度，其規劃、建設、運行及非技術成本集中在開發利用初期，影響礦山企業內生動力。這些瓶頸問題的解決需要礦山環境正效應開發利用模式在實踐中走市場化道路，堅持“誰修復治理、誰受益”和“誰開發、誰受益”原則，吸引市場各方資金以減輕財政和企業負擔。此外，碳排放權交易市場、交易品種和方式的成熟將激勵企業主動開發碳匯和低碳、清潔產品，節能降耗、減少碳排放。
3.2
礦山環境保護與治理3.0階段
礦山環境研究的目的是保護和修復治理環境并加以開發利用。我國礦山環境研究經歷了“被動式”治理1.0階段（1999年前）、“主動式”治理2.0階段（1999—2019年）、“市場化運作與開發式”治理3.0階段（2019—至今）3個階段。3.0階段在“兩山” 理論和綠色礦業體系的指導下，針對生產礦山，強調“邊開采—邊修復—邊恢復—邊開發”的礦山環境保護新模式，尋求基于自然的解決方案，建立前端規劃、中端修復、末端市場運行開發式治理的全生命周期礦山環境保護理念，將亡羊補牢式的修復治理轉變為未雨綢繆的保護與開發利用；針對歷史遺留的廢棄礦山，在調查、設計、修復治理礦山環境負效應、確保修復治理質量的同時，調查、評估正效應的資源潛力并將正效應資源加以綜合開發利用，引入市場機制，進入正效應資源開發利用與負效應修復治理相互補償、協同實施的良性循環軌道，實現可持續性的開發式治理目標。而礦山環境正效應開發利用模式不僅適用于生產礦山，也適用于廢棄礦山，其應用將有助于礦山環境3.0階段發展期和全勝期的到來。
此外，礦山環境的研究要以“山水林田湖草砂（海）”生命共同體為理念，把礦山環境定位于山水林田湖草砂（海）大系統中的一個子系統，以流域作為礦山環境研究和構筑生態安全屏障的基本單元，統籌流域礦業、農業、工業、商業及服務業對環境造成的點、線、面及體源負效應和潛在的正效應，開展多地區、多部分、多行業的系統性修復治理和開發利用工作。開展全流域水文長期動態監測和評價模型研究，仿真模擬流域系統地表水、地下水的水量均衡過程和水質演化規律，揭示礦業工程活動、氣候變化和地下水系統演化之間的耦合關系，結合礦山水“控制、處理、利用、回灌與生態環?！蔽逦灰惑w系統理論，實現流域內礦業開采集中區域水資源精準調控與利用，打造流域單元的環境空間立體化、一體化生態廊道和水網格局。
3.3
正效應開發利用示范引導和工程試點
基于模式理論的研究成果推廣正效應示范應用，根據正效應資源種類、賦存條件、開發利用價值、技術經濟水平和管理能力等，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工程試點，示范煤炭資源生產與正效應開發利用協同管理技術，將大多數負效應轉化為正效應并將其資源化開發利用，并探索礦山環境正效應差異化的開發利用規程、技術方法標準等。此外，利用在試點推行模式的工程數據可進一步改進和優化正效應開發利用模式，為在全國范圍內推廣礦山環境正效應開發利用模式提供參考和依據。
3.4
礦山環境研究的數字化和智能化轉型
工業4.0是利用信息化技術促進產業變革的時代，也是智能化時代。推進礦山環境研究向數字化轉型，將元宇宙技術、虛擬交互、光學虛擬以及3D打印技術等引入礦山環境研究領域，通過模擬，可以更加直觀地展示正效應開發利用的效果。此外，加快物聯網、大數據、區塊鏈和智能化等信息技術在礦山環境研究領域的應用，有利于礦山環境正、負效應動態監測、碳排放和碳匯集能力監測、正效應模式產出效益的評估與預測，有助于正效應開發利用模式得到最大化應用。
4結語
礦產資源業正處于供給側改革和能源結構轉型的關鍵階段，礦山環境研究也在經歷一個由修復治理轉向開發利用的時代，礦山環境保護與開發由“人工修復”為主轉向了“自然恢復”為主、由“被動式”治理、“主動式”治理轉向了“市場化的開發式”治理，其本質是人類運用自然科學研究對工程活動與自然生態環境關系認識的深化。
礦山環境正效應研究建立在多學科理論交叉的基礎之上，筆者按照“對象－目標－技術－模式”的系統化思維，構建出礦山環境正效應開發利用技術模式，旨在為系統化、資源化開發利用礦山環境正效應提供理論支撐，并以內蒙古典型煤礦為例，示范和說明了模式的工程應用和效果。在目標的導向下，規?；恼_發利用會產生累積價值，要從綠色循環經濟角度看待開發利用的投入和產出，從長遠的角度看待礦山環境正效應深遠的生態環境、經濟和社會價值。要將正效應的產品鏈、生態鏈與礦山環境負效應研究聯結為完整的礦山環境效應研究系統，既要實現各類負效應的有效治理，又要實現正效應資源的優劣互補與循環利用。
在能源格局演變的形勢下，礦山環境正效應研究與資源安全戰略保障、城鎮產業結構轉型以及市場化發展密切相關，是實現碳中和背景下能源結構調整的重要途徑。在礦山環境修復治理3.0階段，堅持“人與自然和諧共生的美麗中國”理念，推進礦山環境開發式修復治理、以流域為單元的系統化修復治理與開發利用，推動礦山環境正效應開發利用模式的示范與工程落地，以及數字化、智能化研究，將有助于實現我國在礦山環境修復治理與開發利用的“雙贏”目標。
來源：煤炭學報
