露天煤矿绿色开采生态环境评价体系模糊评判研究

近年来，在我国一次能源消耗结构中，煤炭约占60%左右，仍然是我国的主要能源。据文献[1]中数据显示，以2016年为例，全国煤炭总产量3 410 Mt，其中露天矿煤炭产量710 Mt，占比达20.8%，煤炭露天开采呈现快速增长的势头，这是由于露天开采具有明显的优势，其特点有：①产量规模大为2 000万～3 000万t/a，个别达8 000万t/a；资源回收率高为90%以上；②露天采场作业空间大，可采用大型设备为电铲斗容20～60 m3，准格尔黑岱沟吊斗铲斗容90 m3，汽车载重100～320 t，带式输送机的带宽达1.4～3.2 m；③劳动生产率高。德国露天矿工效为81.8 t/工，平朔安太堡露天煤矿为20.4 t/工，黑岱沟露天煤矿为96.0 t/工；④安全条件好。露天开采没有瓦斯、顶板冒落等危害；⑤工人作业环境好。露天矿作业场地敞露于地表。进入新世纪以来，我国开发了一大批大型露天煤矿，大中型露天煤矿达405座，然而，这些煤矿主要分布内蒙古、山西、陕西、新疆、青海、宁夏等地区，这些地区生态环境脆弱，尤其在草原上，以沙地为主，一旦破坏后很难恢复，且破坏的生态环境有自我扩大的趋势。采用绿色开采技术保护生态环境，实现以最小的生态环境代价获得最大的开采经济效益的绿色开采目标是现代露天矿的必由之路。

煤矿绿色开采的概念是由钱鸣高院士提出来的[2-3]，阐述了井工煤矿绿色开采概念、理论基础、内涵及绿色开采技术体系。谢和平等[4]基于煤炭科学开采新理念提出了以智能、安全、绿色为特征的科学开采成为趋势；才庆祥等[5]建立了目标函数为复垦费用最小的露天矿采场表土层剥离与排土场土地复垦一体化优化模型，并建立了露天煤矿生产与生态重建一体化的人口、部门经济、景观、生态系统5个子模型，应用系统动力学原理探讨了子模型之间的因果关系；宋子岭等[6]建立了露天煤矿生态环境恢复与开采一体化的绿色开采理论与技术，提出了绿色开采的目标、绿色开采工艺理论、绿色开采技术支撑体系、评价指标体系等；王建国等[7]提出露天煤矿绿色开采的基本思路、绿色开采绿色因子的概念及内涵。袁迎菊等[8]提出了露天矿保水开采方法，即内排露天矿通过重构关键地层技术实现地下水系统的重构与恢复，未实现内排的露天矿通过重建地下水补给区的办法恢复地下水系统。裴多斐[9]用可持续发展的观点系统分析我国煤炭资源赋存与开发特点，及其对生态环境造成的影响，探讨了煤炭开发生态环境影响评价基本理论、技术方案；田会等[10]提出了露天开采产生环境

扰动及“扰动系数”的概念和计算方法，用于量化露天开采对环境的综合扰动程度，建立了露天开采对水、大气、土地和生态环境扰动的分类控制指标。乔宁[11]提出人们对环境要求也日益提高和发展可再生能源的同时，绿色开采势必成为开采的主要方式。

神华北电胜利一号露天煤矿是21世纪开发建设的大型露天煤矿之一，设计规模2 000万t/a，生产剥采比2.5 m3/t。该矿坐落于内蒙古锡林浩特市境内，矿区属于草原生态环境，露天煤矿的开发在给当地经济发展产生促进作用的同时，也对草原生态环境造成了极大的影响。采用绿色开采技术，走绿色发展之路是必然选择。然而，保护矿区的生态环境实现绿色开采的目标，对于露天矿来讲，必须具有一定的强制性，即通过对露天矿进行绿色开采评价，找到薄弱环节采取一系列的绿色开采措施以达到绿色开采的目标。笔者引入绿色度指标综合表征露天煤矿生态环境保护程度，建立露天煤矿绿色度评价指标体系，利用模糊综合评价法对露天煤矿的绿色度指标进行评价，通过评价指标分析露天煤矿存在的影响露天矿区生态环境问题和主要影响因素，制定改善露天煤矿区生态环境的技术与管理措施，以提高露天煤矿绿色度指标值。

1 露天煤矿绿色度评价指标体系及模型建立

1.1 露天煤矿生态环境影响分析及环境灾害分类

露天开采对矿区环境引发固体环境、水环境、大气环境、生态环境综合性破坏和污染，如图1所示。

1.2 评价指标体系

根据上述露天煤矿生态环境影响及环境灾害分类，确定露天矿绿色开采评价指标体系由三级指标构成，综合评价指标为露天矿“绿色度”指标，是对露天矿绿色开采程度的综合评价指标，用G表示，取值范围为[0，1]，其值越大表明露天矿绿色度越高，其生态环境保护与治理越好。影响绿色度指标的主要因素由4个一级指标构成。

1)一级指标由影响露天矿“绿色度”的主要因素构成，包括固体环境影响因素、水环境影响因素、大气环境影响因素、生态环境影响因素4个指标。影响露天矿绿色度的主要因素是根据露天开采对生态环境影响的灾害分类而确定的。一级指标分别用G1、G2、G3、G4表示，其值用一级指标的“绿色因子”表示。一级指标绿色因子值的大小表示该一级指标对露天矿绿色度的贡献指标，其值由对其影响的二级指标确定。

2)二级指标由对二级指标的主要影响因素(即三级指标)构成。如：固体环境绿色因子G1的主要影响因素(二级指标)包括：土地占用、爆破震动、矿区条件，分别用g11、g12、g13表示；水环境绿色因子G2的主要影响因素(二级指标)包括：地下水、地表水，分别用g21、g22表示；大气环境绿色因子G3的主要影响因素(二级指标)包括：穿孔爆破、采装、运输、排土及选煤，分别用g31、g32、g33、g34、g35表示；生态环境绿色因子G4的主要影响因素(二级指标)包括：污染控制与废物利用、退化土地复垦质量、重建生态与资源利用，分别用g41、g42、g43表示。

3)三级指标是二级指标的主要影响因素。三级指标是露天矿绿色度的基础指标，是影响露天矿绿色度的绿色因子，用xi表示。三级指标绿色因子xi为一模糊变量，其值用隶属度μ(xi)表示，取值范围为[0，1]，xi值越大表明该三级指标的绿色度越高，该项指标对生态环境的保护越好。

神华北电胜利一号露天煤矿“绿色度”评价指标体系见表1 ，共73个三级指标构成(有重复交叉指标5个)。

1.3 评价指标的量化模型建立

在上述露天煤矿绿色评价指标体系中，影响绿色度的三级指标为73个，主要包括露天矿区自然条件影响因素、露天矿开采技术影响因素、露天矿区生态环境要求影响因素3类。对每个指标进行科学的指标量化是做好露天煤矿绿色评价的前提和基础。笔者提出采用“评价指标模糊隶属度”方法确定其量化指标。根据影响因素的特性和对露天煤矿绿色度的影响，采用半梯形分布隶属函数进行量化，分为正半梯形和负半梯形。

1)正半梯模型，即三级指标xi(i=1，2， 3，…，73)为连续型变量，xi值越大对绿色度贡献率越大，即对生态环境破坏越小。此指标取值区间为[Ximin，Ximax]，其模糊隶属度值量化模型为

2)负半梯型模型，即三级指标xi(i=1，2， 3，…，73)为连续型变量，xi值越大对绿色度贡献率越小，即对生态环境破坏越严重。此指标取值区间为[Ximin，Ximax]，其模糊隶属度值计算模型为

式(1)与式(2)中μ(xi)为第i种评价因子xi的隶度值，xi为露天煤矿第i种绿色评价因子的实测值。

1.4 评价方法与评价模型的建立

对露天煤矿绿色开采绿色度评价，采用逐层模糊综合评价法进行评价，其评价模型如下。

1)二级指标gkj的绿色评价因子指标值计算。根据各个三级指标的重要程度和对露天煤矿绿色度影响程度，利用层次分析法确定各个三级指标xi的权重系数Pi，则有

式中：gkj为第k个一级指标的第j个二级指标影响因素的绿色评价因子指标值；Pi为三级指标xi的权重系数。由层次分析法确定；μ(xi)为第i种评价因子xi的隶度值；k为一级指标的下标，k=1，2，3，4；ikj为第k个一级指标的第j个二级指标Gkj的影响因素xi的下标起始值；Nkj为第k个一级指标的第j个二级指标Gkj的影响因素xi的个数；mj为第k个一级指标的二级指标Gkj的个数。

2)一级指标Gk(k=1,2,3,4)的绿色评价因子指标值计算。计算式为

式中：Gk为第k个一级指标的绿色评价因子指标值；Jk为第k个一级指标的二级指标数；wkj为二级指标Gkj的权重系数，由每个一级指标下的二级指标的权重系数由层次分析法确定。

3)露天煤矿绿色度评价指标值G计算。计算式为

式中：G为露天煤矿“绿色度”评价指标值；Wk为一级指标Gk的权重系数。一级指标均为重要指标，其权重系数根据不同露天矿区的特点采用层次分析法确定。

2 胜利露天煤矿评价指标的量化及绿色度评价

2.1 胜利露天煤矿概况

胜利矿区是国家大型煤炭基地东蒙煤炭基地的蒙东矿区之一。矿区位于内蒙古自治区锡林浩特市北郊3 km。胜利一号露天煤矿位于煤田的中西部，距锡林浩特市6 km，露天矿境界地表东西走向平均长6.84 km，南北倾向平均宽5.43 km，面积37.1 km2。胜利一号露天煤矿设计规模20 Mt/a，达产时的生产剥采比2.5 m3/t。剥离采用单斗—卡车开采工艺；5号煤层采用单斗—卡车+地面破碎站—带式输送机半连续开采工艺；6号煤层采用单斗—卡车+坑内可移式破碎机—带式输送机半连续开采工艺。

2.2 评价指标的量化取值

2.2.1 三级指标的选取与量化

根据胜利一号露天煤矿矿床赋存状况、地质地形地貌、地理位置等自然条件，露天煤矿设计开采规模、开采工艺等开采现状，利用上述评价指标体系中三级指标的量化模型，其取值见表2，表中各三级指标的权重系数是由层次分析法确定的。

2.2.2 评价指标体系和评价模型

对胜利一号露天煤矿进行绿色开采评价，露天矿评价指标取值见表2，得出露天矿各二级指标值、一级指标值及综合“绿色度”值见表3。胜利一号露天煤矿综合“绿色度”为G=0.707。依据文献[6]中对我国露天煤矿绿色度划分标准，胜利一号露天煤矿达到了“良”的标准，在我国现有的大型露天煤矿中得分是相对较高的，标明该矿生态环境保护较好。

3 胜利露天煤矿生态环境绿色度的影响因素

从表3的一级指标和二级指标值可以看出：神华北电胜利露天煤矿的一级指标中水环境G2、大气环境G3的得分较高大于露天矿的综合绿色度指标值，而固体环境G1、生态环境G4得分分别为0.646、0.671，小于综合“绿色度”指标G值，因此，该矿的固体环境、生态环境是薄弱环节，采取相应的技术与管理措施改善其固体环境和生态环境是提高绿色度的有效途径。

3.1 露天矿一级指标“固体环境”G1分析

从表2中的二级指标分析，影响“固体环境”的3个二级指标中，“爆破震动”G12得分较高，而“土地占用”G11和“矿区地形条件”G13两个指标得分分别为0.513、0.684，小于综合“绿色度”指标G值。

1)“土地占用”指标g11影响分析。组合台阶开采x3、外排土场最终帮坡角x10两个三级指标得分为0，改善这2个指标的技术措施：一是采场工作帮采用组合台阶开采，以提高工作帮坡角，可以实现陡帮开采降低生产剥采比，缩小露天矿坑的地表范围，可以达到减小土地占用的目标。二是采用合理布置外排土场的物料排放顺序、土工布等技术，适当加陡外排土场最终帮坡角，以达到减少外排土场占用土地的目标。

工作帮坡角x4、非工作帮坡角x5、开采规模x6、外排土场数量x8、外排土场最终排弃高度x9、剥离物内排率x11等三级指标的得分较低均小于0.6。改善这些指标的技术措施：采场工作帮采用组合台阶开采或调整开采参数，以提高工作帮坡角；采用内排压脚等措施提高非工作帮坡角；科学合理规划开采规模；减少外排土场数量；尽量减少外排土量提高内排量。

2)“矿区地形条件”指标g13影响分析。从表2可以看出，影响矿区地形条件g13的3个三级指标得分均大于等于0.6，地形起伏度x19指标值为0.6是最低者，但是该项指标是客观形成的，无法改变。边坡影响x21指标可以通过加强边坡管理减少滑坡来提高其得分值。

3.2 露天矿一级指标“生态环境”G4分析

从表3可以看出，影响“生态环境”的3个二级指标中，退化土地复垦质量g42得分较高，而污染控制与废物利用g41、重建生态资源保护利用g43两个指标得分为0.675、0.594，均小于综合“绿色度”指标G值。

1)“污染控制与废物利用”g41指标影响分析。煤矸石综合利用率x64得分为0，改善此指标的措施是加强露天矿煤矸石的综合利用。其他指标得分均较高，改善的余地不大。

2)“重建生态资源保护利用”g43指标影响分析。复垦土地资源开发率x72得分0.260较低，改善此指标的措施是加强露天矿复垦土地的资源开发。其他指标得分较高，改善的余地不大。

3.3 其他一级指标(G2、G3)分析

从表3分析可知，胜利一号露天煤矿的“水环境”G2、“大气环境”G3的得分虽然相对较高(大于综合“绿色度”指标G值)，但是，这2个指标的三级指标也有薄弱环节，现对三级指标中得分较低(低于0.6)的因素及其改善措施分析如下。煤层埋藏深度x22得分0.568，是矿床赋存条件决定的，无法改变；煤炭开采量x26得分0.441，得分较低的原因是露天矿的开采规模较大(设计2 000万t/a)，可以通过综合分析确定合理的开采规模，以改善此指标；开挖面积x27得分0.501，得分较低的原因露天矿的开采规模较大，露天矿的工作线长度较长，工作帮及端帮的帮坡角较小等。改善措施是适当降低常量规模，露天矿采用陡帮开采技术和陡边坡技术；降水量x30得分0.325，得分较低的原因是该矿区降水量较小；蒸发量x31得分0.547，得分较低的原因是蒸发量较大所致；污水处理利用率x35得分0.570，得分较低的原因是露天矿污水处理利用率较低，应提高污水处理利用率；煤岩硬度x38得分为0，其原因是露天矿煤岩硬度较低，不利于飞尘的控制；炮孔填塞方式x39得分0.500，得分较低的原因是采用人工充填，改善指标的措施是采用机械充填；装药结构x41得分0.500，得分较低的原因是采用连续装药结构，改善指标的措施是采用分段装药结构；风速x44得分0，其原因是风速大所致；装载设备类型x46得分0.568，得分较低的原因是露天矿采掘设备以但都挖掘机居多，装载作业时易产生飞尘，改善措施是尽量采用连续作业设备；车型x48得分0.503，得分较低的原因是露天矿的运输设备载重较大，易产生飞尘，改善措施是适当降低运输设备的载重级别；带式输送机转载点数x54得分0.300，得分较低的原因是带式输送机的转载点数较多，改善措施是尽量减少转载点数；破碎站卸料落差x55得分0.100，得分低的原因是破碎站的卸料落差较大，可考虑适当降低卸料落差；破碎转载站防尘罩x57得分0.500，得分较低的原因是防尘罩高度相对较低，可以通过加高防尘罩高度改善此指标；与城镇市距离x58得分0.570，得分较低的原因是露天矿区距离锡林郭勒市较近所致。

4 结论

1)通过建立露天煤矿“绿色度”评价指标体系和评价模型，对胜利一号露天煤矿进行生态环境保护评价，得出其综合绿色度指标为0.707，达到了“良”的标准，在我国现有的大型露天煤矿中得分是相对较高的。

2)通过对评价指标体系中的一级指标得分分析，神华北电胜利露天煤矿的“固体环境”G1、“生态环境”G4得分较低，是露天煤矿生态环境的薄弱环节。

3)通过对二级指标得分情况分析，该矿“土地占用”指标g11、“矿区地形条件”指标g13，“污染控制与废物利用”指标g41、“重建生态资源保护利用” 指标g43得分较低。并提出了改善其得分的技术与管理措施。

4)通过对该矿“水环境”G2、“大气环境”G3中三级指标分析，得出了15个得分较低的三级指标，并对其中10个指标提出了改善措施，其他5个指标是客观因素造成的。

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