0.   引　　言

在全球气候变暖的大环境下，我国主动承担起应对全球气候变化的大国担当。为减缓和适应气候变化，我国积极提出了“30·60双碳”目标^[1-3]，即二氧化碳排放力争于 2030年前达到峰值并开始进入平稳下降阶段，努力争取 2060 年前实现“碳中和”（即二氧化碳“收支相抵”，净零排放）^[1-5]。在 “双碳”目标的推动下，我国能源向绿色、低碳发展，促进化石能源的清洁高效开发利用成为必然趋势。煤炭作为我国最重要的基础能源和能源安全的压舱石，必须走绿色矿山建设的创新之路^[4]。所谓绿色矿山，申斌学等^[6]认为绿色矿山包括建设环境友好型矿山和矿山经济体系绿色化，实现矿山资源开发与生态环境保护协调发展和可持续发展的目标。胡振琪等^[7]提出矿山绿色发展以全生命周期生态修复、边采边复和差异化治理为核心战略，以协同发展、创新发展为核心理念。

现阶段关于绿色矿山的研究主要集中在对绿色矿山的定义和绿色矿山建设评价与指标体系构建等方面^[6,8-13]，对绿色矿山建设模式的探索相对较少。准格尔矿区露天矿^[14]应用多项绿色开采技术，增强了开采扰动正效应，减弱了开采扰动负效应；邢东煤矿^[15]在煤矸石不升井、噪声治理、矿井水处理及循环利用、塌陷区治理和地面工业广场布置优化及绿化等方面取得了良好的效果；平煤十二矿^[9]、开滦唐山矿^[9-10]构建了井下煤炭开采、煤矸分选与煤矸石就地充填一体化生产系统，形成了深部煤炭采-选-抽-充-防协同生产模式，实现了深部煤炭及伴生资源的绿色开采；魏墙煤矿^[16]设计采用 “花园式”矿山建设标准实现了矿区环境优美；大佛寺煤矿^[17]形成了矿井瓦斯综合利用、废水循环复用零排放、煤矸石井下充填、煤炭洗选等循环经济产业链。此外，部分学者^[18-20]针对废弃（闭坑）矿井可再生资源开发利用提出了建设光伏发电站的建议，但关于正在建设或运营矿山的光能发电站、风能发电站研究极少。综上所述，我国绿色矿山建设仍处在建设水平不高、区域发展不均衡、标准体系及政策不健全^[21]及绿色矿山建设模式单一的探索阶段。我国在内蒙古、陕西、宁夏等煤炭生产大省的绿色矿山建设模式探索极少，其面临的绿色矿山建设形式十分迫切。

因此，笔者以位于内蒙古地区的龙王沟煤矿为背景，结合区域的土地资源和风光资源优势以及矿井现状，从如何响应国家号召实现矿区“碳达峰、碳中和”的目标；如何运用地区光能、风能等清洁资源优势实现自给自足，降低矿井用电压力；如何绿色高效处理煤矸石排放问题，建设创新型绿色矿山等多角度出发，开展新型绿色矿山建设探索，以期实现矿区节能减排的目标，为同类型矿山绿色可持续发展提供参考。

1.   地区资源及矿井现状

1.1   土地资源

龙王沟井田位于鄂尔多斯中部，地广人稀，资源丰富，属于典型的黄土高原地貌。该区域地表大部分被黄土掩盖，植被较少，地势总体西高东低，沟壑纵横。资料显示，龙王沟煤矿开采面积为2.34 km²，随着矿业开发，由煤炭开采引发的地表沉陷面积多达2.7216 km²，约为开采面积的1.16倍。据统计，在沉陷区域内有塌陷坑8处，地裂缝55条。其中，塌陷坑深度分布在1.5～11 m，面积为15～786 m²；地裂缝宽0.18～14 m，约83.64%分布在0.18～1 m，地裂缝长27～257 m，约81.82%分布在40～150 m，地裂缝落差0.15～2.1 m，约81.82%分布在0.3～1.2 m，地表塌陷坑及地裂缝特征如图1、图2所示。大面积塌陷坑和地裂缝发育，严重影响了地表植被生长，破坏了原有的地形地貌景观。

图  1  塌陷坑特征

Figure  1.  Characteristic map of the collapse pits

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图  2  地裂缝特征

Figure  2.  Characteristic map of the ground fissures

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1.2   风光资源

内蒙古地区风能资源丰富，属于国家I类风资源区，风能资源和风力发电占有量全国第一。全区风能资源储量为10.1亿kW，可开发利用的风能功率为1.01亿kW，占全国的39%。全区年平均风速为3.7 m/s，年可利用风时在4 380 h以上，风能丰富和较丰富区占全区总面积的80%^[22]。龙王沟矿区地广人稀、风能资源较丰富、地形相对平坦，风能开发条件好。

此外，内蒙古地区太阳能资源也非常丰富，年辐射量在4 860～6 931 MJ/m²，仅次于西藏，居全国第二^[23]。龙王沟矿区属于典型的温带大陆性半干旱季风气候区，四季温差大，全年日照充足，年平均日照3 305.3 h，年日照百分率70%，太阳能资源充裕，属于太阳能资源较丰富区，且有广阔的荒漠化草原，可利用土地面积大，光能开发具有显著优势。

1.3   矿井现状

龙王沟煤矿生产能力为10.0 Mt/a，预计煤矸石产量可达2.0 Mt/a。煤矿正常生产期间的用电多来源于火电，2020年龙王沟煤矿用电量约1.4亿kW·h，以每消耗1 kW·h电量排放0.96 kg二氧化碳计算，其二氧化碳排放量约为1.34亿kg。

2.   龙王沟新型绿色矿山建设构想

龙王沟矿区生态系统脆弱，矿产资源开发使得大面积的人造煤矸石山、采煤沉陷区以及大量的地裂缝和塌陷坑存在，对该区域的地质构造环境、水资源环境、大气环境及动物多样性和植被结构造成了不同程度的损害。

因此，结合矿区煤矸石量大、采煤塌陷区广和风、光等可再生清洁能源丰富的特点，为有效解决矿山煤矸石堆存和采煤沉陷区修复问题，充分发挥区域可再生资源优势，提高矿区资源综合利用率，推进新能源产业技术进步和矿区产业升级，提出了构建龙王沟新型绿色矿山资源开发内循环和新型绿色矿山建设技术原理。

2.1   新型绿色矿山建设研究思路

针对龙王沟矿区因资源开发造成的生态环境破坏、土地资源浪费以及生态环境保护的迫切需求，笔者提出了构建龙王沟新型绿色矿山资源开发内循环的研究思路（图3）。基于矿井采用的井工开采技术以及矿山所处区域风光资源丰富的优势，建立一套绿色可持续发展的新型矿山发展模式，形成矿产资源生产—煤基固废回填—风光电网建设—生态环境修复—风能光能发电—矿产资源生产的新型绿色矿山资源开发内循环。

图  3  龙王沟新型绿色矿山资源开发内循环

Figure  3.  Longwanggou new green mine resource development inner circle

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2.2   新型绿色矿山建设技术原理

笔者提出构建“采−选−充−控−平−建”一体化的新型绿色矿山建设技术（图4、图5）。将地下煤炭资源回采产出的原煤输送至地面选煤厂，经洗选后得到洁净煤炭和煤矸石；通过制浆系统将破碎研磨后的煤矸石制成特定浓度的料浆，随即泵送至采空区回填；同时，对地面塌陷坑和地裂缝进行煤煤矸石回填平整作业，待以上工序完成后，在采煤沉陷修复区建设风光微电网。

图  4  新型绿色矿山建设技术原理

Figure  4.  New green mine construction technology principle

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图  5  技术原理流程

Figure  5.  Technology Principle Flow Chart

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该技术将煤矸石充填技术与采煤沉陷区土地开发利用有机结合，既能处理大量煤矸石，避免采煤沉陷区的二次（持续）沉降，又为采煤沉陷区治理及微电网建设提供了基础保障。

3.   龙王沟新型绿色矿山关键配套技术

3.1   煤矸石综合处置及采煤沉陷区治理技术

近年来，国家陆续出台了一系列保护生态环境的相关政策，引导、鼓励煤炭企业开展绿色矿山建设，加强煤炭资源合理开发，提高煤矸石综合利用率。传统的堆矸成山手段已不能满足当前的环保要求。因此，开展煤矸石多元化处理、多领域利用，从单一的原矸石填埋逐步向原矸石有价值矿物提取，废矸石充填的方向进行研究是落实国家能源方针政策，建设新型绿色矿山，保护地区生态环境的必然选择。

3.1.1   煤矸石资源化综合利用

目前对煤矸石的综合利用主要集中在工业应用、化学原料提取、建筑材料制备及农业应用等方面^[24-25]，如图6所示。龙王沟煤矿煤矸石综合利用以提取高岭土、充填采空区、回填塌陷区及复垦土地为主。为提高复垦土地利用率，龙王沟煤矿将经过高岭土提取的废矸石用于采空区和塌陷区治理，并在沉陷修复区建设风光微电网，以期实现龙王沟煤矿区域用电自给自足，有效解决煤矸石堆存占用大量土地的难题。

图  6  煤煤矸石综合利用

Figure  6.  Comprehensive utilization of coal gangue

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3.1.2   采煤沉陷区回填

现在主要应用的井下采空区充填技术有膏体充填技术、固体充填技术、高浓度胶结充填技术、高水充填技术^[26-29]和浆体充填技术^[30]。膏体、固体、高浓度胶结和高水充填技术虽对地表沉陷控制效果较好，但充填能力不足，不能满足龙王沟煤矿充填处理矸石（120万t/a）的需求，而注浆充填技术与之相比，充填能力大、充填成本较低、地表控制效果较弱但满足风光微电网建设要求。因此，龙王沟煤矿废矸石采煤沉陷区回填采用的关键技术包括井下采空区浆体充填技术和地表塌陷区煤矸石回填技术。

井下采空区浆体充填技术主要涵盖制浆输浆系统、地面充填系统和井下充填系统。结合井下采空区浆体充填技术关键难题的研究，对地面制浆系统布置方案、制浆输送关键参数、制浆输送主要设备选型、采动覆岩空间裂隙模型、覆岩空间三向分布规律、浆体充填系统布置、注浆钻孔实施方案确定、注浆钻孔布置参数确定、浆体充填系统工艺流程以及浆体充填安全保障技术等开展研究，以形成较完备的采煤沉陷区浆体充填综合治理技术，总体研究技术框架如图7所示。

图  7  采煤沉陷区浆体充填技术研究框架

Figure  7.  Research Framework for Slurry Filling Technology in Coal Mining Subsidence Areas

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浆体充填工艺：将废矸石破碎至满足制浆要求粒径，再汇入搅拌池与一定比例的水和外加剂充分混合，制成特定浓度的浆体，进一步利用管道输送系统将其输送至采空区附近，根据工况需求合理选择地面高位注浆、井下邻位注浆和井下低位灌浆的方式将料浆充填至采空区。

此外，还需要对地表塌陷区进行废矸石回填，平整地表塌陷坑和地裂缝。上述煤矸石处理方法满足安全、绿色、高效的要求，同时能够实现采场覆岩空间改善，控制岩层二次沉降，确保采煤沉陷修复区的稳定和微电网工程的安全。

3.1.3   沉陷区治理效果数值分析

采用UDEC软件对龙王沟煤矿61601工作面采空区充填进行数值模拟计算分析。根据龙王沟煤矿61601工作面的地质柱状图，结合围岩地质力学测试结果，建立如图8所示的数值计算模型，模型总长度为975 m，高度为443.1 m，并以煤岩体力学参数为基准进行参数校核，在模型的两侧及底部施加位移边界约束，上部施加应力边界约束以模拟上覆岩层的作用效果。61601工作面埋深400 m，根据现场水压致裂法测量的原岩应力场数据，对模型内部施加12 MPa的水平应力以及10 MPa的垂直应力，并将模型运算致平衡状态模拟开挖前的原岩应力。之后进行工作面开挖，以此获得更加真实的模拟工作面开采过程中上覆岩层的围岩环境。

图  8  龙王沟煤矿61601工作面地层建模

Figure  8.  Stratigraphic modeling of the 61601 working face of Longwanggou coal mine

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数值计算结果显示煤层开挖后采空区未充填垂直方向地表沉降量（图9）大于已充填垂直方向地表沉降情况量（图10），且采空区未充填的地表沉陷最大深度达12.156 m，采空区已充填的地表沉陷最大深度为7.012 m，地表沉陷量减少约42%，充填对地表沉陷控制效果显著。从地表沉陷云图10和采空区垂直方向地表沉陷图11中可以看出，采空区已充填工作面推进距离在150～500 m地表呈现出整体下沉的状态，有利于地面微电网的建设。

图  9  采空区未充填垂直方向地表沉陷云图

Figure  9.  Cloud map of surface subsidence in the vertical direction of unfilled goaf

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图  10  采空区已充填垂直方向地表沉陷云图

Figure  10.  Cloud map of Vertical Surface subsidence after filling of unfilled goaf

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3.2   矿区风光微电网系统建设技术

拟在本采区完成煤炭资源回采后，对地表裂缝和塌陷坑进行回填作业，待以上工序完成，对沉陷修复区地基稳定性进行观测，待修复区地基稳定性满足风光微电网建设需求，在沉陷修复试验区范围内建设风光微电网。

龙王沟煤矿风光微电网主要由光伏系统、风电系统、储能系统以及负载组成，如图12所示。微电网设计负荷容量不小于10 kW·h，负荷类型为10 kV电压用电接入。按当地最小日照辐射量的日照时数和年平均风速，建设发电峰值容量50 kWp的光伏发电系统2套，装机容量18 MW的风力发电系统1套。此外，还配置储能系统和微电网管理系统，实现矿区微电网供电网络的协调运行，建成包含风、光、控、储、微一体的供电系统。

图  11  采空区垂直方向地表沉陷

Figure  11.  Surface subsidence in the vertical direction of the extraction area

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图  12  风光微电网建设示意

Figure  12.  Wind and solar microgrid construction schematic

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3.2.1   光伏发电系统

矿区光伏发电系统由DSPV800-200WP太阳能电池组件、DMPV-S7/50K3并网逆变器、光伏阵列防雷汇流箱、直流配电柜以及防雷接地装置组成。设计 2套发电峰值容量为50 kW·h的光伏发电系统，布置2个光伏阵列，每个阵列单元设计为单列16个组件串联，16列支路并联，共计256块太阳能电池组件。根据当地太阳辐射量数据和当地经纬度，光伏组件的方位角取正南方向，设计倾角为15°，光伏电池组件前后排阵列间距1.56 m，预计占地面积约1 060 m²。

3.2.2   风力发电系统

矿区小型并网风力发电系统由风力机、发电机、并网控制器、并网逆变器、隔离变压器组成。该风力发电系统设计总容量为18 MW，选择启动风速为2.5 m/s的3 MW小型风力发电机组6台，安装于矿区预留煤柱上。据观测数据，以平均风速3.0 m/s计，该区域3.0～20.0 m/s有效风能利用小时数在2 700 h以上。

3.2.3   风光发电系统并网

将建成的光伏发电系统和风力发电系统接入110 kV变电站10 kV出线间隔供电网络。通过由微电网能量管理系统、微电网集中控制器、微电网集中管理系统组成的矿区微电网控制管理中心，对光伏发电系统监控、风力发电系统监控、储能系统监控以及微电网综合监视与统计。

4.   绿色矿山建设效果及展望

4.1   绿色矿山建设效果

龙王沟煤矿从煤矸石中提取高岭土增加了经济效益；废矸石充填采煤沉陷区处理了煤矸石约652.2万t，；矿区微电网建设，初步估算年平均上网电量约13 924.6万度，实现矿井二氧化碳减排13 367.6万kg。龙王沟建设新型绿色矿山不仅能提高采煤沉陷区土地利用率，有效开发利用当地丰富的风光资源，还可以降低煤炭生产能耗，缓解地区供电压力。龙王沟新型绿色矿山建设模式为矿区煤矸石处理、生态环境保护以及地质灾害防治提供了一种全新的方法。

4.2   绿色矿山建设展望

随着大数据、云计算、物联网、人工智能等技术的快速发展，我国矿业领域开创安全、高效、绿色的智能化矿山已成为必然趋势。龙王沟煤矿新型绿色矿山建设模式对促进矿区优化能源结构、保护生态环境和减少碳排放量具有重要意义。未来该新型绿色矿山建设有望从煤炭生产、浆体充填、微电网建设3方面逐步实现智能化。

1）煤炭生产智能化。煤炭生产智能化^[31-33]的实现必须将数字矿山建设与煤炭安全高效生产、创新技术开发、管理模式改革相结合，逐步解决制约煤炭生产智能化的开采装备精确制导、海量数据传输分析、运行参数自主决策、关键设备元件研制、设备故障自主处理等技术短板。

2）浆体充填智能化。浆体充填智能化^[30]是将智慧管道技术与煤矸石综合利用技术和煤矸石井下充填技术有机结合。基于现有的多项成熟技术进行优化、改进和集成，补齐智能监测控制系统、故障自诊处理系统、智能钻进装备研制和设备健康智能管理等技术短板，以期实现远程操控，故障自诊、风险预警和一键启停，最大限度地提高系统煤基固废处理效率，减少系统人员配备，降低工作人员劳动强度，增加系统的稳定性和抗风险能力。

3）微电网建设智能化。

智能化微电网^[34]是将信息技术、计算机技术、通信技术和原有输、配电基础设施高度集成化的新型电网。新型绿色矿山微电网建设有望从实时自动化控制、智能调节、在线分析决策和协同互动与智能化储能技术^[34-36] 等方面进行深度结合，通过智能化储能系统和矿区用电实况综合调度管理，实现多能流互补融合、提高能源效率、保障供电安全、减少环境影响、增强供电可靠性、降低输电网电能损耗。

5.   结　　论

1）提出了构建龙王沟煤矿新型绿色矿山资源开发内循环的研究思路和新型绿色矿山建设技术原理，为该区域新型绿色矿山建设提供了一种新思路。

2）通过从原煤矸石中提取高岭土，废矸石充填沉陷区，实现了龙王沟煤矿矸石综合处理，从根源上解决了制约龙王沟煤矿发展的煤矸石堆存问题。

3）龙王沟煤矿建设风光微电网，提高了矿区土地利用率，实现了清洁电能年上网量约13 924.6万度，减少了二氧化碳排放13 367.6万kg，改善了矿区单一的电能供给模式，解决了矿区用电紧张的难题。

4）对未来新型绿色矿山建设进一步发展，提出了向煤炭生产智能化、浆体充填智能化和微电网建设智能化方向发展的憧憬。