矿山环境正效应开发利用模式
矿山环境效应是矿产资源开发利用过程中因扰动区域的生态环境系统所造成的影响。从生态平衡的视角看，这些影响有的短期内可恢复，有的是长久的、甚至不可逆的。这些扰动产生的影响中，那些对生态系统造成的负面效应，被称作“矿山环境负效应”，但也有一些扰动带来的正面效应，称之为“矿山环境正效应”。矿山环境负效应修复治理的目的是减轻矿业开发活动对环境的负面影响，而矿山环境正效应（以下简称“正效应”）的研究旨在挖掘矿山的正效应资源，趋利避害、化害为利，并使其得以资源化综合利用，成为延长矿产开发产业链的关键支撑点和后矿业时代发展的重要方向。
1.1
基本原理
基于笔者此前的相关积累和研究，笔者明确了矿山环境正效应开发利用模式的定义，即以矿山环境中的正效应作为对象，考虑区域产业结构、能源系统转型方向、资源供应要求及服务终端范围等因素，以科学的开发利用目标为导向，结合正效应的资源种类、赋存条件、开发利用价值、技术经济能力以及风险和后果等内容，臻选合理的子目标，以行之有效的技术和方法为基础，建立的一套正效应开发利用优化组合技术体系。
以正效应作为模式研究的对象，秉承“目标导向”思路，厘定适宜的子目标，并以可行的技术为支撑，形成发挥正效应资源潜力和价值的技术模式。其研究内容分为目标导向与子目标分解、模式技术厘定及模式构成3部分。首先选定适宜的一个或多个开发利用目标，将每个目标分解为数个可行的子目标，厘定子目标适宜的技术方法，最后优化、组合技术构建正效应开发利用模式（图1）。可以看出，从目标到模式的过程中间出现了一对一、一对多、多对多等映射关系，而模式理论和实践研究的意义则在于探索如何通过开发利用技术的有机组合来实现正效应开发利用潜力的最大化。
图 1 矿山环境正效应开发利用模式构成原理
1.2
矿山环境正效应开发利用的目标
确立科学合理的开发利用目标是正效应开发利用的前提。不论露天矿山或是井工矿山、煤炭矿山或是非煤矿山，均具有挖掘正效应的潜力。根据正效应属性，其目标分为资源正效应、能源正效应、科普文娱正效应、生态服务正效应4类。
（1）资源正效应目标。资源正效应包括土地资源、空间资源、残留资源及“三废”资源，其开发利用可扩充现有资源量，减少资源损失和浪费。土地资源包含未扰动的土地和受损修复（恢复）的2类土地，可缓解城镇土地资源紧缺，解决土地资源供需矛盾；空间资源指矿业工程活动直接或间接形成的地表和地下空间；残留资源包括矿山水资源、伴生资源以及旧采残留资源，其开发可降低资源勘探和开发成本，减少资源浪费及环境污染；“三废”资源是指矿业活动的废弃物和副产物中提取和释放的有用的固、液、气三相资源，如煤矸石、酸性矿井水、沼气等。
（2）能源正效应目标。能源正效应以“清洁、低碳、安全、高效、可再生”为开发利用方向。矿山中可发掘的能源形式，除了矿物能源外，还有经技术和场地改造后可开发的电能和热能，如瓦斯发电、风光互补发电、抽水蓄能发电，矿井残存低温热能等。要求尽量不开拓新空间、不占用新场地，利用矿山原有的通风、运输、供电等系统，严控对环境的二次扰动。
（3）科普文娱正效应目标。矿山的生产场地与工业遗迹具有显著的科学研究和文旅娱乐价值。将矿山深部空间改造为科学实验场所，不但可满足采矿、地质、水文、岩石力学等研究对原位实验的需求，而且因其屏蔽宇宙射线、恒温、恒湿等特点，适合作为地下暗物质探测、军事试验、核试验等试验场所。利用矿山特殊的工业景观、矿业遗迹、地质现象将其改造为矿山公园、矿山小镇等，开发其旅游观光价值和科普矿业知识、环保、节能减排等价值；此外，矿山特殊的地形为滑雪、攀岩等极限运动和体能训练提供了场地和环境条件。
（4）生态服务正效应目标。辩证地讲，采矿对生态环境系统的扰动并不完全等同于生态环境破坏。我国西部地区部分修复后的采煤沉陷区、排土场的生态环境质量优于原始的自然生态环境，这使得部分资源开发活动间接改善了当地生态。矿山生态服务正效应的开发利用结合矿山生态在改善环境、生物多样 性、农业经济效益、地域气候变化等方面的优势，运用生态修复技术方法和管理手段，将农、林、牧、副、渔有机结合，获得适应矿山恶劣环境、具有较高经济效益、生态效益和社会效益的生态产品和产业，以期达到生态资源的循环开发利用。
矿山环境正效应开发利用目标包含内容丰富的子目标，通过模式的技术辅助，既可开发为独立的正效应产品，也可成为其他正效应目标的必要过程或者中间产品。如图2所示，资源正效应中的土地、空间为生态、能源、资源的开发提供必要的立地条件或场地空间；矿山水资源为农业种植、植被恢复、畜牧业和水产养殖提供必要的水供给；生态服务中的农牧业及水产养殖为矿山和周边城镇提供了大量的农牧渔产品；风电、光伏发电、瓦斯发电等电力能源可并入电网补给电力需求，在产出商品电的同时，升级能源结构；矿山科普和旅游观光均具有良好的社会和经济价值，应将生态服务与文化旅游产业相结合，依托修复后的生态环境、地形地势、历史文化、矿业文化等，发掘矿业生态产品、景观产品等。
图2 矿山环境正效应目标与部分正效应资源产品
1.3
正效应开发利用模式的技术方法
正效应开发利用模式依托于相应的技术得以落地应用。笔者梳理了矿山环境正效应开发利用模式常用的技术方法。开发利用目标的实现需要单项技术或者多项技术的有机组合，而子目标与技术之间亦呈现多对一的特点，因此开发利用技术的选取要尽可能多地与子目标对应，从而优化正效应开发利用效果。
（1）资源正效应开发利用技术。包括资源回收、水资源调蓄与利用、废弃建筑加固与再利用、地下空间改造等技术类型。其中，资源回收技术如深度预裂爆破、水力割缝、水力压裂、水力钻孔等瓦斯回收抽采技术；废弃建筑加固与再利用和地下空间改造技术的重点是提高其稳定性和强度，如金属矿山的巷道经过空间结构构架支撑、锚喷支护等工程加固和修复，地下空间可作为仓储、科研、地下城市、地下博物馆等场所，再配合地下运输和消防、供电、照明、通风、排水、通信、报警、标识等辅助技术设施，改善地下空间适居性；水资源调蓄与利用技术旨在保护矿山水资源和解决水资源短缺问题，尤其在水资源紧缺、水土流失严重的矿区，满足矿山生产和生态服务用水需求，提高植被存活率和生态修复效果。
（2）能源正效应开发利用技术。能源正效应主要包括电力能源和热力能源2种形式。其中，电力能源的开发需要依托于修复后的采煤沉陷区、排土场等的矿山地表场地和空间实施的光伏、风力和核能等可再生能源发电技术，也需要将具有势能高差的矿山地表空间和地下稳定空间改造为可储能的抽水蓄能发电技术，以及通过抽取赋存关闭煤矿中的残留资源以及压占煤层内赋存的瓦斯资源作为动力能源材料的瓦斯发电技术。热力能源主要是利用低温水源热泵和空气源热泵技术，将矿坑及其中的矿井水作为蓄热系统，利用矿山的水文观测孔、地质勘探钻孔以及竖井、巷道等，提取矿井排水、设备冷却水、废弃井巷内矿井水和乏风中的热量，用于洗浴供热、建筑物室内供热以及农业供热等。
（3）科普文娱正效应开发利用技术。主要包括科学实验、旅游文化和体育娱乐3个方面。其中，利用实验室设计和平台模拟技术，将矿山的地表和地下稳定的空间改造为适宜试验和科学研究的场地；通过保留和修复场地的矿业特色，结合旅游资源的评价、预测，将矿山改造为科普教育和文化旅游功能的矿山公园、矿山遗迹博物馆、科普基地等。
（4）生态服务正效应开发利用技术。主要用于实现土地功能修复、生态农牧业养殖以及矿业生态景观开发3方面功能。其中，土壤改良使排土场、矸石山等固废堆以及采煤沉陷区的土地功能在工程治理后得到进一步优化，改善损毁土地的贫瘠情况，使其具有生态演替功能。生态农牧养殖技术旨在将生态农业观光与立体化农业、牧业活动结合，通过专门的育种、栽培选取出适宜矿山的农业产品，并配合动物与农业的立体化饲养，结合地下农业、生态观光农业、立体农业、特色农业等先进技术，形成集水产养殖、家禽养殖、蔬果种植及农副产品加工为一体的矿山农牧养殖的生态立体循环系统。
1.4
矿山环境正效应开发利用理论模式
正效应开发利用模式的构建以“目标” 导向，寻找适宜的子目标，以对应的子目标和技术的有机优化组合为途径，旨在因地制宜地、多元地开发矿山环境正效应资源，使开发利用效果最大化。
根据正效资源的属性，可选目标往往不唯一，且目标与子目标具有一对多的映射关系。为了明确模式的差异化特征，在目标的倒逼下就需要选择适宜的主体与辅助目标之下的子目标及其技术方法，并将这种优化组合构建为正效应开发利用模式，使技术方法的效益得以最优表达（图3）。
图 3 矿山环境正效应开发利用模式构成
从资源利用最大化的角度看，模式的目标选择要实现多种资源的综合利用，如地下和地上空间的组合利用；从我国未来能源结构转型和发展的角度看，要确保开发方式的可持续性和低碳环保性；从我国未来城市发展的结构和功能要求看，要服务矿山周边的经济和社会体系，推动城镇经济转型、服务城市发展。笔者结合我国矿山环境正效应开发利用的现状，通过开发利用对象分析、目标制定以及模式技术厘定，构建了服务于不同的开发目标的矿山环境正效应开发利用理论模式。
2
理论模式的工程应用
2.1
矿山环境背景
民达露天煤矿位于鄂尔多斯市东胜区铜川镇，矿区面积20.71km2。该矿地处鄂尔多斯高原东部丘陵沟壑区，原始地貌沟多坡陡地形切割侵蚀强烈、冲沟发育，属半干旱高原大陆性气候，年平均降水量350mm，年平均蒸发量为2297.4～2833.7mm。矿区地处华北植物区系，地带性植被为典型草原，原始地表多被第四系风积砂与黄土覆盖，土壤贫瘠，水土流失严重。
2.2
“生态立体农牧业”开发利用工程
充足的土地资源、适宜的气象水文条件是生态立体农牧业模式使用的前提。但是，受地理条件和气象水文影响，该矿区原始地表侵蚀强烈、冲沟发育，属宜林宜牧地区，适宜农业开发的土地资源极少。而在排土场达到设计标高、各平盘和坡面覆土修复后可形成大面积土地资源。根据生态立体农牧业模式技术构成，这些土地经改良土壤、增加肥力后，结合农业开发技术、立体饲养技术，辅以矿井水资源化利用和节水灌溉技术以及地下空间改造技术，可实现生态立体农牧业、矿山水资源和地下空间的综合开发利用（图4）。
图 4 民达煤矿生态立体农牧业开发利用工程
（1）土地修复与土壤改良。在内外排土场平台和坡面上分别覆盖0.7和 0.5m以上的表土，并在顶部修筑土埂和中间田埂网格减少水土流失，坡面修沙柳网格防风固沙。重覆表土后，针对土壤质量较低且保水、保肥性差的特点，添加生物炭、有机肥、风化煤和秸秆等有机物料，将其改良为适宜玉米等农作物生长的耕地。
（2）生态立体农牧养殖。根据农牧产品对空间位置需求不同的特点，在排土场地势较高且平整连片的区域，利用现代农业技术，种植玉米、小麦、蔬菜瓜果等农作物，局部开发为人工灌木林地和草地，林下养殖鸡、鸭等家禽；在地势较低处构筑淡水鱼、虾养殖区，形成耕地、林草地、禽畜、水产等立体化农牧养殖布局。
（3）矿山水资源利用。矿区内修建了截伏流和多处场外径流拦蓄工程，设置了大量截水沟、引水渠用于回收自然降水，并建设了矿坑内涌水澄清池、雨水回收池和排土场滴灌喷淋系统，确保生态用水。建成城市中水调蓄工程，与城镇水中水处理系统联通，每年可补充200Mt生态用水。
（4）地下空间改造。利用废弃石英岩矿洞，并配备冷藏、冷冻设施，用于存储生产的瓜果蔬菜、肉类食品。
2.3
模式效益与讨论
该矿区采用生态立体农牧业开发利用模式，取得的生态服务正效应效益显著，已修复耕地1.26km2，林地、灌木林地7.23 km2，牧草地10.58km2，种植玉米、蚕豆等农作物，杨、松树等乔木，柠条、沙棘等灌木，苜蓿、草木樨等牧草。土壤改良与农牧养殖组合后，修复的土地为牛棚、猪舍、鸡舍、鱼塘等提供建设场地，修建果蔬、花卉温室大棚270余栋，养殖牛羊等家畜4000余头，家禽类3000余只，建成数座水产养殖鱼塘。动物排泄物、鱼塘底泥为生态修复提供养分，而耕地、林草地的农作物以及牧草可成为畜牧饲料，形成了生态资源循环开发利用，而废弃石英岩矿洞的开发为农林牧产品的储存、加工提供了地下空间。
从以上可以看出，理论模式在工程应用中，具有相同主体或辅助目标的正效应模式可以组合、叠加。如图5所示，多个模式组合开发利用应注意模式目标和产品之间的彼此关联、配合，地表、地下空间充分利用，减少独头目标的出现。例如，“生态立体农牧业”与“生态景观旅游”模式叠加，共享土壤改良、动植物培育和生态景观等技术，打造具有观赏价值的动、植物园区，形成矿山农业与生态休闲一体化开发。再如，在以上为基础，继续叠加“光风互补发电” 模式，为农牧养殖、副产品加工提供必要的电能，深化农牧产品种养植和加工产业链。
图5 矿山环境正效应开发利用模式组合示意
3
机遇与展望
碳中和背景下，新的能源格局形势和矿山环境 “市场化运作和开发式”治理3.0阶段使矿山环境研 究面临一系列新情况、新问题、新挑战。
3.1
正效应对能源格局演变的意义
国家能源结构调整和消费占比变化，势必对国家资源和能源安全保障提出挑战。同时，矿业转型升级加快和废弃矿山数量持续增多，倒逼资源型城市转型和矿山环境保护与修复要走市场化道路。而正效应开发利用模式的研究为这些问题提供了可行的解决途径。
（1）矿山环境保护与资源安全保障
能源行业转型的核心是低碳能源对化石能源的替代。但是，能源结构调整将增加资源安全的风险，因此有必要在顶层设计层面，结合我国能源基础与社会经济状况，从能源消费格局演变、资源保障体系、能源替代技术等角度，建立矿山环境保护与资源安全保障体系，耦合资源供应安全保障与正效应资源开发利用。基于矿山环境正效应开发利用模式，评估和利用矿山潜在的正效应资源和产品， 如光、风电产能、储电能力、生态服务产品碳汇能力、地下空间开发潜力等，构建低碳清洁能源产业，在推进能源结构调整的同时保障能源安全和资源产业链稳定。
（2）资源型城市转型
我国以矿业为主的资源型城市数量在我国所有地级市占比超40％，这些城市大都面临着资源枯竭、产业单一、人才流失等状况，急需转变城市产业结构。从负效应修复治理的角度看，生态环境改善是城市可持续发展的基础。而正效应的发掘对资源性城市的转型起关键作用，正效应开发利用模式从资源开发、能源利用、文化旅游、生态服务等方面为资源型城市的多元化发展提供方向、落地技术和方法，有助于优化城镇、矿业、生态等方面的国土空间布局，建设“矿－农－城”的资源、经济、社会共同体，使矿业城市形成新的多元产业集群。
（3）矿山环境市场化道路
矿山环境效应的开发与修复是关乎能源结构转型和矿业城市升级的关键环节，2者均需要资本市场和相关政策为其提供强有力的保障。虽然正效应产出的生态、旅游、能源等产品收益可观，但是从绿色循环经济的角度，其规划、建设、运行及非技术成本集中在开发利用初期，影响矿山企业内生动力。这些瓶颈问题的解决需要矿山环境正效应开发利用模式在实践中走市场化道路，坚持“谁修复治理、谁受益”和“谁开发、谁受益”原则，吸引市场各方资金以减轻财政和企业负担。此外，碳排放权交易市场、交易品种和方式的成熟将激励企业主动开发碳汇和低碳、清洁产品，节能降耗、减少碳排放。
3.2
矿山环境保护与治理3.0阶段
矿山环境研究的目的是保护和修复治理环境并加以开发利用。我国矿山环境研究经历了“被动式”治理1.0阶段（1999年前）、“主动式”治理2.0阶段（1999—2019年）、“市场化运作与开发式”治理3.0阶段（2019—至今）3个阶段。3.0阶段在“两山” 理论和绿色矿业体系的指导下，针对生产矿山，强调“边开采—边修复—边恢复—边开发”的矿山环境保护新模式，寻求基于自然的解决方案，建立前端规划、中端修复、末端市场运行开发式治理的全生命周期矿山环境保护理念，将亡羊补牢式的修复治理转变为未雨绸缪的保护与开发利用；针对历史遗留的废弃矿山，在调查、设计、修复治理矿山环境负效应、确保修复治理质量的同时，调查、评估正效应的资源潜力并将正效应资源加以综合开发利用，引入市场机制，进入正效应资源开发利用与负效应修复治理相互补偿、协同实施的良性循环轨道，实现可持续性的开发式治理目标。而矿山环境正效应开发利用模式不仅适用于生产矿山，也适用于废弃矿山，其应用将有助于矿山环境3.0阶段发展期和全胜期的到来。
此外，矿山环境的研究要以“山水林田湖草砂（海）”生命共同体为理念，把矿山环境定位于山水林田湖草砂（海）大系统中的一个子系统，以流域作为矿山环境研究和构筑生态安全屏障的基本单元，统筹流域矿业、农业、工业、商业及服务业对环境造成的点、线、面及体源负效应和潜在的正效应，开展多地区、多部分、多行业的系统性修复治理和开发利用工作。开展全流域水文长期动态监测和评价模型研究，仿真模拟流域系统地表水、地下水的水量均衡过程和水质演化规律，揭示矿业工程活动、气候变化和地下水系统演化之间的耦合关系，结合矿山水“控制、处理、利用、回灌与生态环保”五位一体系统理论，实现流域内矿业开采集中区域水资源精准调控与利用，打造流域单元的环境空间立体化、一体化生态廊道和水网格局。
3.3
正效应开发利用示范引导和工程试点
基于模式理论的研究成果推广正效应示范应用，根据正效应资源种类、赋存条件、开发利用价值、技术经济水平和管理能力等，在神东、冀中、蒙东、宁东等14座煤炭基地推广煤炭矿山正效应工程试点，示范煤炭资源生产与正效应开发利用协同管理技术，将大多数负效应转化为正效应并将其资源化开发利用，并探索矿山环境正效应差异化的开发利用规程、技术方法标准等。此外，利用在试点推行模式的工程数据可进一步改进和优化正效应开发利用模式，为在全国范围内推广矿山环境正效应开发利用模式提供参考和依据。
3.4
矿山环境研究的数字化和智能化转型
工业4.0是利用信息化技术促进产业变革的时代，也是智能化时代。推进矿山环境研究向数字化转型，将元宇宙技术、虚拟交互、光学虚拟以及3D打印技术等引入矿山环境研究领域，通过模拟，可以更加直观地展示正效应开发利用的效果。此外，加快物联网、大数据、区块链和智能化等信息技术在矿山环境研究领域的应用，有利于矿山环境正、负效应动态监测、碳排放和碳汇集能力监测、正效应模式产出效益的评估与预测，有助于正效应开发利用模式得到最大化应用。
4结语
矿产资源业正处于供给侧改革和能源结构转型的关键阶段，矿山环境研究也在经历一个由修复治理转向开发利用的时代，矿山环境保护与开发由“人工修复”为主转向了“自然恢复”为主、由“被动式”治理、“主动式”治理转向了“市场化的开发式”治理，其本质是人类运用自然科学研究对工程活动与自然生态环境关系认识的深化。
矿山环境正效应研究建立在多学科理论交叉的基础之上，笔者按照“对象－目标－技术－模式”的系统化思维，构建出矿山环境正效应开发利用技术模式，旨在为系统化、资源化开发利用矿山环境正效应提供理论支撑，并以内蒙古典型煤矿为例，示范和说明了模式的工程应用和效果。在目标的导向下，规模化的正效应开发利用会产生累积价值，要从绿色循环经济角度看待开发利用的投入和产出，从长远的角度看待矿山环境正效应深远的生态环境、经济和社会价值。要将正效应的产品链、生态链与矿山环境负效应研究联结为完整的矿山环境效应研究系统，既要实现各类负效应的有效治理，又要实现正效应资源的优劣互补与循环利用。
在能源格局演变的形势下，矿山环境正效应研究与资源安全战略保障、城镇产业结构转型以及市场化发展密切相关，是实现碳中和背景下能源结构调整的重要途径。在矿山环境修复治理3.0阶段，坚持“人与自然和谐共生的美丽中国”理念，推进矿山环境开发式修复治理、以流域为单元的系统化修复治理与开发利用，推动矿山环境正效应开发利用模式的示范与工程落地，以及数字化、智能化研究，将有助于实现我国在矿山环境修复治理与开发利用的“双赢”目标。
来源：煤炭学报
