露天煤礦綠色礦山建設(shè)支撐保障體系

王忠鑫，趙 明，趙丹丹，辛鳳陽，王金金，曾祥玉

（1.中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.煤炭科學(xué)研究總院 沈陽露天采礦技術(shù)研究分院，遼寧 沈陽 110015；3.遼寧力康職業(yè)衛(wèi)生與安全技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司,遼寧 沈陽 110000）

煤炭行業(yè)以往研究只是注重煤炭開采中的科學(xué)技術(shù)問題，而忽視開采所引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題[1-2]，由此產(chǎn)生了諸如淮南礦區(qū)、濟寧礦區(qū)等礦井采煤沉陷區(qū)治理問題以及撫順西露天礦、平莊西露天礦等閉坑露天礦的災(zāi)害治理和綜合利用等難題。據(jù)統(tǒng)計，截止2017 年我國共有23 個省151 個縣（市區(qū)）分布有采煤沉陷區(qū)，部分資源型城市塌陷面積超過了城市總面積的10%[3]。截至2018 年，我國露天煤礦總數(shù)約為400 余座，主要分布在內(nèi)蒙古、山西、陜西、新疆、青海、寧夏等地區(qū)[1]，采掘場挖損土地面積合計約1.6×104km2，且每年以50 km2的速度遞增。這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)環(huán)境類型多以草原、荒漠或戈壁為主，一旦受到破壞，在短期內(nèi)很難自我恢復(fù)，如若人工干預(yù)使其在短期內(nèi)實現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)和重建，則需要付出巨大的經(jīng)濟代價。要實現(xiàn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，煤礦就必須進行“綠色礦山”的建設(shè)，尋求資源開發(fā)與環(huán)境保護的和諧統(tǒng)一，實現(xiàn)煤炭資源的科學(xué)開采[4]。

《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2008—2015 年）》中首次提出“建設(shè)綠色礦山、發(fā)展綠色礦業(yè)”的總體要求，制定了“大力推進綠色礦山建設(shè)，到2020 年綠色礦山格局基本建立”的總體目標(biāo)，露天煤礦綠色礦山建設(shè)也取得了一定的研發(fā)和實踐成果[5-7]。但各礦基本以礦山排土場的整形和覆土綠化工作為主，對于露天礦的科學(xué)開采、資源高效利用等涉及較少，可見“綠色礦山=綠化礦山”的誤區(qū)在行業(yè)內(nèi)仍廣泛存在。而我國露天煤礦煤層埋深大、厚度大、開采地質(zhì)條件較為復(fù)雜、多以軟巖深大邊坡為主、外排剝離量大占地多、采掘場挖損土地內(nèi)排恢復(fù)周期長、大多遠(yuǎn)離城市，上述特點決定了在進行綠色礦山建設(shè)時與井工礦所有不同，且面臨諸多難題亟待解決。為進一步推動露天煤礦綠色礦山建設(shè)工作更加系統(tǒng)化、科學(xué)化和規(guī)范化，在厘定新時期我國露天煤礦綠色礦山的定義及科學(xué)內(nèi)涵基礎(chǔ)之上，研究構(gòu)建了露天煤礦綠色礦山建設(shè)所需的支撐保障體系框架，包括政策體系、標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)體系3 個子系統(tǒng)，提出了3 個方面所必須解決的系列難題，以期促進我國露天煤礦的綠色與可持續(xù)發(fā)展。

1 綠色露天煤礦的科學(xué)內(nèi)涵

1.1 綠色露天煤礦的定義

目前，我國學(xué)者對綠色礦山的建設(shè)要求開展了大量的研究工作，提出了多種綠色礦山的定義方式，不一而同，如喬繁盛[8]認(rèn)為綠色礦山按照資源利用集約化、開采方式科學(xué)化、企業(yè)管理規(guī)范化、生產(chǎn)工藝環(huán)?；?、礦山環(huán)境生態(tài)化的要求開發(fā)經(jīng)營。王小娜[9]認(rèn)為綠色礦山是實現(xiàn)了礦產(chǎn)資源利用集約化、開采方式科學(xué)化、生產(chǎn)工藝環(huán)保化、企業(yè)管理規(guī)范化、關(guān)閉礦區(qū)生態(tài)化的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用與經(jīng)濟社會環(huán)境相和諧的礦山。黃敬軍等[10]認(rèn)為綠色礦山實現(xiàn)了開采方式現(xiàn)代化、資源利用高效化、礦山管理規(guī)范化、采礦作業(yè)清潔化、礦區(qū)環(huán)境生態(tài)化、礦山開采合法化、生產(chǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)化、內(nèi)外關(guān)系和諧化。2018 年自然資源部發(fā)布的DZ/T 0315—2018 煤炭行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范等9 項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均指出，綠色礦山實現(xiàn)了礦區(qū)環(huán)境生態(tài)化、開采方式科學(xué)化、資源利用高效化、管理信息數(shù)字化和礦區(qū)社區(qū)和諧化[11]。幾種定義在“開采方式科學(xué)化（現(xiàn)代化）、資源利用高效化（集約化）、礦山（礦區(qū)、關(guān)閉礦區(qū)）環(huán)境生態(tài)化、礦山管理規(guī)范化”等4 個方面獲得了普遍共識；而在企業(yè)文化（形象）、生產(chǎn)工藝、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、合法性、礦地關(guān)系和諧等方面表現(xiàn)出了一定的差異。

露天煤礦綠色礦山建設(shè)內(nèi)容如圖1。

圖1 露天煤礦綠色礦山建設(shè)內(nèi)容

科學(xué)開采、資源高效利用、生態(tài)環(huán)境保護及企業(yè)規(guī)范化管理是綠色礦山建設(shè)的關(guān)鍵核心內(nèi)容，應(yīng)為綠色礦山建設(shè)基本要求的核心要素和評價考核的主要指標(biāo)。而企業(yè)文化、合法性、礦地關(guān)系和諧等應(yīng)歸入企業(yè)管理規(guī)范化范疇，生產(chǎn)工藝及安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)歸入開采方式科學(xué)化范疇，可不必單獨提出和強調(diào)。露天煤礦智能化建設(shè)應(yīng)當(dāng)作為綠色礦山建設(shè)的重要內(nèi)容，由于“綠色礦山”所言之“綠色”是廣義的“綠色”，是貫穿于礦山“勘察-設(shè)計-建設(shè)-運營-閉坑-廢棄礦山綜合利用”全生命周期的發(fā)展理念，是集礦山“安全、高效、智能、精準(zhǔn)”開發(fā)于一體的系統(tǒng)性建設(shè)模式，礦山的智能化建設(shè)和智慧運維是不可或缺的重要內(nèi)容，而且是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求?？傊瑤追N定義的核心要義是統(tǒng)一的，根本目標(biāo)均是在恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自然、經(jīng)濟、社會系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

綜上所述，露天煤礦綠色礦山建設(shè)范圍應(yīng)包括露天煤礦及其配套的選煤廠工程，是指在煤炭資源開發(fā)全過程中，以綠色勘察、綠色開采和綠色分選加工利用技術(shù)為核心，以環(huán)境保護和生態(tài)恢復(fù)技術(shù)為基礎(chǔ)，以調(diào)控礦山對外部環(huán)境的擾動方向為關(guān)鍵，使煤炭資源露天開采和分選加工利用過程中對礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境的負(fù)向擾動控制在合理的范圍內(nèi)，并努力增強正向擾動效應(yīng)，實現(xiàn)礦區(qū)環(huán)境生態(tài)化、開采方式科學(xué)化、資源利用高效化、生產(chǎn)經(jīng)營智能化和礦山管理規(guī)范化的露天煤礦。

1.2 綠色露天煤礦的基本內(nèi)涵及其發(fā)展

綠色礦山往往側(cè)重通過植樹、種草等復(fù)綠措施做好礦區(qū)的“綠化”，而忽略了對礦山所處環(huán)境本底、生態(tài)恢復(fù)的條件、開采技術(shù)及工藝裝備的升級改造、資源利用水平、環(huán)境擾動管控等因素的統(tǒng)籌考慮。綠色露天煤礦應(yīng)包含3 層涵義：①礦山應(yīng)構(gòu)建環(huán)境友好型生產(chǎn)運行模式，即礦山周邊的生態(tài)環(huán)境不因煤炭資源的開發(fā)而發(fā)生根本性的、不可逆的破壞；②突出強調(diào)礦山的社會服務(wù)屬性，從過去單純的追求經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷崿F(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)境和社會發(fā)展的多重目標(biāo)，將綜合效益的最大化作為綠色礦山建設(shè)的重要目標(biāo)之一；③在礦山智能化建設(shè)內(nèi)容方面體現(xiàn)出了更多的融合性和擴展性特征，即在大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等新一代信息技術(shù)的強力支撐下，探索從地質(zhì)勘查、規(guī)劃設(shè)計、高端設(shè)備制造、建設(shè)施工、分選加工，到閉坑后礦山生態(tài)環(huán)境治理全過程的智能開發(fā)新途徑。

2 露天煤礦綠色礦山建設(shè)的支撐體系

我國露天煤礦的綠色發(fā)展仍然面臨十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①礦山單坑規(guī)模的結(jié)構(gòu)不合理，大型特大型露天礦數(shù)量占比不足10%，距離大規(guī)模、集約化開采的目標(biāo)尚有很大差距；②正在開采的大型、特大型露天煤礦后備資源儲量有限，除新疆地區(qū)以外的露天煤礦剩余服務(wù)年限普遍在20 年左右，部分露天煤礦剩余服務(wù)年限甚至不足15年，支撐礦山長期可持續(xù)發(fā)展的資源基礎(chǔ)不牢；③我國露天煤礦建設(shè)水平差異較大，礦山技術(shù)裝備水平極其不均衡，大多數(shù)中小型礦山企業(yè)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備較落后，且以外委承包施工為主，部分大型、特大型露天礦亦廣泛采用外委承包的施工模式；④綠色礦山建設(shè)方面的政策體系尚未健全，缺乏對綠色礦山的政策激勵和約束，與“由行政倡議向激勵約束并舉”的目標(biāo)要求不符；⑤對綠色礦山內(nèi)涵的理解不全面，在“創(chuàng)建”上投入多，在“運行管理”上思考少，部分企業(yè)自身生存壓力大，歷史遺留問題多，對于建設(shè)綠色礦山“有心無力”；⑥建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和評價考核機制尚不完善，缺乏針對性和有效性，亟待建立因地制宜、適應(yīng)性強的系列標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)由行政推動向標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)轉(zhuǎn)變。針對以上問題，有必要研究構(gòu)建露天煤礦綠色礦山建設(shè)所需的支撐保障體系，促進我國露天煤礦綠色礦山建設(shè)實現(xiàn)系統(tǒng)化、科學(xué)化和規(guī)范化。

露天煤礦綠色礦山建設(shè)的支撐體系圖譜如圖2。

圖2 露天煤礦綠色礦山建設(shè)支撐體系圖譜

3 政策體系

露天煤礦綠色礦山建設(shè)政策支撐體系圖譜如圖3。

圖3 露天煤礦綠色礦山建設(shè)政策支撐體系圖譜

3.1 財政金融類政策

目前礦山在地質(zhì)勘查、環(huán)境恢復(fù)治理、資源綜合利用和節(jié)能減排等都設(shè)有財政專項資金，但由不同的政府主管部門管理，資金使用效率較低，而礦山在綠色礦山建設(shè)發(fā)展中也要解決有關(guān)資源接續(xù)、環(huán)境恢復(fù)治理、資源綜合利用和節(jié)能減排等核心問題，建議將相關(guān)資金歸集統(tǒng)一到綠色礦山建設(shè)發(fā)展的目標(biāo)上，統(tǒng)籌安排，提升各專項資金的使用效率，使得綠色發(fā)展理念在政策層面貫通融通，得到充分發(fā)揮。還應(yīng)制定與綠色礦山建設(shè)相關(guān)的稅費政策，形成傾向綠色礦山企業(yè)的經(jīng)濟政策體系，包括減免資源稅費、對綠色礦山企業(yè)征收所得稅、增值稅和環(huán)保稅時給予優(yōu)惠等，形成綠色礦山建設(shè)的財政金融政策激勵機制。另外，在金融政策方面，應(yīng)鼓勵金融機構(gòu)在信貸產(chǎn)品開發(fā)、融資支持、企業(yè)征信和上市等方面積極做好對綠色礦山企業(yè)的金融服務(wù)和融資支持。

3.2 資源配置類政策

在資源配置政策方面應(yīng)向綠色礦山傾斜，對于綠色礦山應(yīng)依法優(yōu)先配置資源，特別是在“去產(chǎn)能”和產(chǎn)能指標(biāo)優(yōu)化配置環(huán)節(jié)，應(yīng)優(yōu)先保留綠色礦山的先進產(chǎn)能。我國一直以來受礦業(yè)權(quán)設(shè)置方式的影響長期處于同一礦區(qū)多個露天煤礦同時開采的局面，經(jīng)過近30 多年的露天煤礦開采實踐證明，該礦權(quán)設(shè)置方式對于露天煤礦綠色開發(fā)是不利的，如白音華礦區(qū)、勝利礦區(qū)、準(zhǔn)格爾礦區(qū)、準(zhǔn)東大井礦區(qū)等均存在類似問題。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[4]均研究表明，同一礦區(qū)多個露天礦同時開發(fā)，對生態(tài)環(huán)境的開采擾動指數(shù)遠(yuǎn)大于由1 個露天礦實現(xiàn)相同產(chǎn)能時的情景，其主要原因是各露天礦獨立設(shè)計規(guī)劃，僅尋求各自最優(yōu)方案，而無法實現(xiàn)礦區(qū)整體最優(yōu)。因此，對符合露天煤礦綠色礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能在進行礦業(yè)權(quán)設(shè)置、產(chǎn)能核增等過程中，如果新立或核增的產(chǎn)能指標(biāo)符合國家和地區(qū)煤炭產(chǎn)能總量指標(biāo)調(diào)控的要求，符合“去產(chǎn)能”和“產(chǎn)能指標(biāo)交易”等相關(guān)政策的要求，應(yīng)給予優(yōu)先支持。

3.3 用地保障類政策

用地是制約露天煤礦可持續(xù)發(fā)展的“卡脖子”難題。我國規(guī)模最大的2 個露天煤礦——黑岱溝露天煤礦（煤碳產(chǎn)量34.0 Mt/a）和寶日希勒露天煤礦（煤碳產(chǎn)量35.0 Mt/a）均在2017 年受征地制約而被迫近于停產(chǎn)。此外，白音華一號露天礦因征地問題不得不將采剝工作線長度縮短至原來的1/2；平朔東露天煤礦因征地問題導(dǎo)致工作線形態(tài)不規(guī)則且長度過短，不得不將剛剛投入的半連續(xù)開采工藝系統(tǒng)停用，改為間斷開采工藝。上述幾個露天煤礦均為國家級綠色礦山和國家級安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化一級礦山，屬于“先進產(chǎn)能”的代表，但在用地問題上卻并無相應(yīng)的政策予以支持和保障，因“無地可用”不得不停產(chǎn)或改變原來合理的開采程序、開采工藝甚至停用已購置的大型成套裝備，對企業(yè)的經(jīng)濟效益造成巨大影響的同時也增強了礦山開采擾動的“負(fù)效應(yīng)”，顯然與綠色礦山的目標(biāo)和要求是不符的。建議在保障用地指標(biāo)、降低用地成本和復(fù)墾土地占補平衡等方面制定相應(yīng)的政策和措施，向綠色礦山傾斜，依法優(yōu)先配置用地指標(biāo)。

4 標(biāo)準(zhǔn)體系

露天煤礦綠色礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)支撐體系圖譜如圖4。

圖4 露天煤礦綠色礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)支撐體系圖譜

1）地質(zhì)勘查標(biāo)準(zhǔn)。綠色礦山的建設(shè)涵蓋了礦山建設(shè)的全過程，其中包括露天煤礦開發(fā)建設(shè)的源頭工作—地質(zhì)勘查階段。資源勘查與環(huán)境保護之間的矛盾一直存在，在綠色礦山建設(shè)的大背景下，應(yīng)采用環(huán)境影響相對較小的勘查技術(shù)手段，研究開發(fā)航空物探和遙感等新方法，適度調(diào)整或取代地表環(huán)境影響大的槽探和淺井等對生態(tài)環(huán)境影響較大的資源勘查技術(shù)，逐步建立綠色勘查新模式。目前，應(yīng)梳理和研究現(xiàn)行9 大類標(biāo)準(zhǔn)體系，即鉆探、地球物理勘查、遙感地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)測量、地質(zhì)實驗測試、資源儲量管理和礦產(chǎn)勘查管理，根據(jù)綠色勘查的理念要求制定煤礦綠色地質(zhì)勘查標(biāo)準(zhǔn)。

2）綠色礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。2018 年自然資源部發(fā)布了DZ/T 0315—2018 煤炭行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范，但該標(biāo)準(zhǔn)并未就不同地區(qū)、不同地貌環(huán)境下露天煤礦綠色礦山的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)做出規(guī)定，未形成區(qū)域、規(guī)模和技術(shù)手段差別化及治理恢復(fù)特色鮮明的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范體系本身尚不夠健全，未形成完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，與露天煤礦綠色礦山建設(shè)和評價的需求不相適應(yīng)。分析認(rèn)為，我國露天煤礦分布地域廣，所處的生態(tài)環(huán)境差異大，難以以一個統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)所有露天煤礦綠色礦山的建設(shè)，因此，應(yīng)遵循“因地制宜”的原則，加強地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，需要地方政府和企業(yè)結(jié)合礦山實際情況，依據(jù)綠色礦山建設(shè)要求，細(xì)化建立符合地域?qū)嶋H需求的綠色礦山建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)體系，包括礦山環(huán)境面貌標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)利用方式、資源節(jié)約集約利用、礦山智能化建設(shè)、礦地和諧和企業(yè)文化等綠色礦山建設(shè)的分項建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

3）評價標(biāo)準(zhǔn)。綠色礦山評價標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系相匹配，因地制宜地制定符合地區(qū)實際的分項評價標(biāo)準(zhǔn)。

5 技術(shù)體系

自錢鳴高院士及其研究團隊提出綠色開采概念以來[12]，國內(nèi)學(xué)者對相關(guān)理論和技術(shù)關(guān)系展開較為廣泛的研究，逐步形成了露天煤礦綠色開采的研究方向和技術(shù)成果。我國露天煤礦基本都以分區(qū)的方式進行開采，剝離物分區(qū)內(nèi)排時也采用壓幫內(nèi)排方式。學(xué)者們秉承煤炭資源科學(xué)開采與綠色開采理念，研發(fā)了相鄰露天煤礦協(xié)調(diào)開采技術(shù)[13-14]、靠幫開采技術(shù)[15]、高陡時效邊坡穩(wěn)定性分析理論與技術(shù)[16]、復(fù)雜煤層選采技術(shù)[17]、多場景抑塵技術(shù)[18]等系列技術(shù)成果并取得了一定的應(yīng)用進展，初步形成了露天煤礦綠色開采技術(shù)體系。從露天煤礦綠色開采的技術(shù)范疇分析，已有技術(shù)體系尚存在以下不足：①缺少自上而下的技術(shù)系列劃分，導(dǎo)致各類技術(shù)邊界不清晰，難成體系。比如露天煤礦協(xié)調(diào)開采技術(shù)、靠幫開采技術(shù)、高陡時效邊坡穩(wěn)定性分析理論與技術(shù)均涉及邊坡穩(wěn)定分析與控制和邊坡監(jiān)測預(yù)警等安全保障領(lǐng)域的關(guān)鍵共性技術(shù)，同時還涉及地質(zhì)透明化等地質(zhì)保障領(lǐng)域的關(guān)鍵共性技術(shù)；②缺少對綠色勘查、地下水保護、開采工藝及裝備、閉坑治理利用技術(shù)等內(nèi)容。針對以上問題，基于綠色礦山“安全、高效、智能、精準(zhǔn)”的本質(zhì)，研究構(gòu)建了露天煤礦綠色礦山建設(shè)的技術(shù)支撐體系，即綠色開采技術(shù)體系。露天煤礦綠色礦山建設(shè)技術(shù)支撐體系圖譜如圖5。

圖5 露天煤礦綠色礦山建設(shè)技術(shù)支撐體系圖譜

5.1 地質(zhì)保障技術(shù)

露天煤礦綠色開采地質(zhì)保障技術(shù)主要包括綠色勘查技術(shù)和采前地質(zhì)透明化技術(shù)等方向。綠色勘查技術(shù)主要解決在保證勘探精度和效率的前提下，盡可能減弱勘查階段對外部環(huán)境影響的難題，研發(fā)精準(zhǔn)高效的勘查技術(shù)。采前地質(zhì)透明化技術(shù)主要解決露天礦大尺度范圍精細(xì)化地質(zhì)模型構(gòu)建的難題，服務(wù)于礦山規(guī)劃設(shè)計和開采方案技術(shù)決策，實現(xiàn)精準(zhǔn)開采的目標(biāo)，重點研發(fā)多源異構(gòu)地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)的融合、解釋和模型化技術(shù)。

5.2 安全保障技術(shù)

露天煤礦綠色開采安全保障技術(shù)主要包括邊坡穩(wěn)定控制技術(shù)和移動設(shè)備防撞預(yù)警技術(shù)等方向。邊坡穩(wěn)定控制技術(shù)主要解決在保障露天開采過程中采掘場和排土場邊坡穩(wěn)定的前提下，尋求最佳環(huán)境和經(jīng)濟效益的綜合優(yōu)化問題，與露天開采程序和采礦方法結(jié)合衍生出了陡幫開采技術(shù)、控制開采技術(shù)、排土場增高擴容技術(shù)和邊坡穩(wěn)定性空-天-地一體化安全監(jiān)控預(yù)警技術(shù)等。以上技術(shù)從不同角度或途徑實現(xiàn)了減少剝離量、推遲剝離量發(fā)生的時間、提高煤炭采出率、減小采掘場和排土場的占地面積、縮短煤巖運距、保障邊坡安全等1 個或多個目標(biāo)，從而實現(xiàn)綠色開采。移動設(shè)備防撞預(yù)警技術(shù)主要是針對露天礦開采場景下移動設(shè)備種類、規(guī)格和數(shù)量繁多的特點，研發(fā)礦用重型設(shè)備定位導(dǎo)航、限速行駛、防撞預(yù)警、智能制動一體化預(yù)警預(yù)控技術(shù)，解決露天礦移動設(shè)備安全運行的難題。

5.3 開采工藝及裝備技術(shù)

露天煤礦綠色開采工藝及裝備技術(shù)主要包括露天礦開采工藝優(yōu)化決策技術(shù)和核心裝備研制等方向。露天開采工藝優(yōu)化決策技術(shù)主要解決在成本和環(huán)保雙重約束下因地制宜的選擇露天煤礦開采工藝的難題，重點解決開采工藝和開采條件的科學(xué)匹配問題。從已有的研究成果可知，露天礦開采工藝的連續(xù)化和設(shè)備大型化是綠色開采工藝及裝備技術(shù)發(fā)展的必然要求[1－2，4]，但大型化核心開采裝備的國產(chǎn)化替代一直是我國露天采礦面臨的“卡脖子”難題之一，雖然經(jīng)歷了多年的科技攻關(guān)，但在斗容55 m3級以上的電鏟、斗容20 m3級以上的液壓鏟、處理能力9 000 t/h 以上的半移動破碎站、處理能力3 000 t/h以上的自移式破碎機、線切割力80 kN/m 以上的緊湊型輪斗挖掘機等核心裝備均完全依賴進口，亟待實現(xiàn)國產(chǎn)化。需要重點研發(fā)攻克大功率交流變頻調(diào)速傳動技術(shù)、數(shù)字智能控制、整機運行及故障檢測技術(shù)、重型履帶設(shè)計技術(shù)、露天礦大型復(fù)雜裝備動力學(xué)分析及優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵核心技術(shù)。

5.4 智能開采技術(shù)

井工煤礦智能開采技術(shù)思路為通過鉆探和采掘，確定工作面煤層賦存形態(tài)；通過陀螺儀獲取采煤機三維坐標(biāo)，兩者相結(jié)合實現(xiàn)全自動化割煤。該思路避開了煤巖識別難題，以地質(zhì)條件為載體，頂層規(guī)劃自動化采煤過程[19]。露天煤礦智能開采與井工煤礦有著本質(zhì)的區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下6 個方面：①露天礦的開采對象比礦井復(fù)雜，既包括煤層還包括上覆巖層及煤層內(nèi)的大夾矸層，與之對應(yīng)的智能開采技術(shù)也包括剝離、采煤和選采3 個方面；②露天煤礦單臺階工作線長度大，一般為1 000～2 000 m 以上，相當(dāng)于礦井開采工作面長度的3～7 倍，但工作面年推進強度一般為400 m/a 以內(nèi)，是礦井開采工作面年推進強度的1/10～1/15，長工作面低推進強度的特點決定了露天煤礦對工作面地質(zhì)模型的精度和更新速度要求遠(yuǎn)低于礦井；③露天礦的采剝作業(yè)均在敞露的環(huán)境下進行，對剝離和采煤臺階的煤巖等物料特征是可見的，也可以實現(xiàn)實時精準(zhǔn)測量和模型化，因此露天煤礦智能開采不涉及煤巖識別的難題，自動化采剝作業(yè)對煤巖分界面的識別精度要求很低，對設(shè)備的精確站位、自主作業(yè)、智能調(diào)度和安全預(yù)警預(yù)控等技術(shù)要求較高；④露天開采工藝成套裝備的數(shù)量不是唯一的，而是多套設(shè)備分布在不同的平盤、采掘帶或運輸?shù)缆飞?，具有動態(tài)離散分布及位姿信息時變的特征，因此對設(shè)備定位、導(dǎo)航和集群智能調(diào)度技術(shù)要求較高；⑤露天開采移動設(shè)備的用人數(shù)量較多，對設(shè)備遠(yuǎn)程遙控和無人駕駛技術(shù)要求較高；⑥露天礦開采工藝對于連續(xù)和半連續(xù)工藝的智能開采還應(yīng)實現(xiàn)帶式輸送機的遠(yuǎn)程集控、無人巡檢和智能控制等。綜上所述，露天煤礦智能開采方向應(yīng)重點研發(fā)攻克露天礦地測采三維信息模型動態(tài)更新技術(shù)，設(shè)備智能定位導(dǎo)航、自主作業(yè)、安全預(yù)警和集群智能調(diào)度技術(shù)，移動設(shè)備遠(yuǎn)程遙控和無人駕駛技術(shù)，固定設(shè)備的遠(yuǎn)程集控、無人巡檢和智能控制技術(shù)等，最終實現(xiàn)“少人或無人開采”的目標(biāo)。

5.5 環(huán)境保護與生態(tài)修復(fù)技術(shù)

露天礦環(huán)境保護與生態(tài)修復(fù)的技術(shù)需求日益迫切，主要包括露天煤礦排土場土層重構(gòu)與微生物修復(fù)、露天煤礦表土替代材料研發(fā)、采場粉塵控制和煤系地下水降落漏斗內(nèi)回灌保水開采等方向。我國大部分露天煤礦分布地區(qū)普遍存在表土層薄、肥力和微生物活動較為微弱、土壤貧瘠的特點，礦區(qū)復(fù)墾用土量不足和生態(tài)自修復(fù)能力欠佳的問題突出，露天礦復(fù)墾后期的養(yǎng)護投入巨大。應(yīng)研發(fā)露天煤礦排土場土層重構(gòu)與微生物修復(fù)技術(shù)，重點攻克露天礦排土場土層重構(gòu)難度大，土層過薄且難以涵養(yǎng)水分和養(yǎng)分，微生物活動弱，生態(tài)自修復(fù)難度大的技術(shù)瓶頸，通過約束排土程序，研發(fā)微生物群落修復(fù)技術(shù)，提升土壤肥力和排土場生態(tài)自修復(fù)能力，達(dá)到控制水土流失與快速恢復(fù)區(qū)域生態(tài)的目標(biāo)。針對表土匱乏地區(qū)露天礦復(fù)墾表土不足，研究經(jīng)濟適宜的表土替代材料制備技術(shù)，解決露天礦復(fù)墾環(huán)節(jié)表土不足的問題。在露天礦采場粉塵控制方面，主要針對露天礦坑內(nèi)產(chǎn)塵點多、產(chǎn)塵面積大且分散、控制難度高等特點，研發(fā)爆破水霧降塵技術(shù)和露天礦道路抑塵劑制備技術(shù)，解決坑下爆破、路面和工作面抑塵的難題。在露天煤礦保水開采方面，針對露天礦富余疏干水外排，導(dǎo)致水資源浪費、地下水位下降等環(huán)境地質(zhì)問題，研發(fā)煤系裂隙含水層降落漏斗內(nèi)地下水回灌技術(shù)，減弱富水地區(qū)露天煤礦開采對地下水的擾動效應(yīng)。

5.6 閉坑治理利用技術(shù)

國內(nèi)很多露天煤礦經(jīng)過采剝排工程，形成了幾百米采深、十幾平方公里占地面積的礦坑及十幾億立方米剝離巖土堆積的排土場，引發(fā)了一系列的環(huán)境和地質(zhì)問題，這是一個極其復(fù)雜、多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程。目前，國內(nèi)主要是針對以下幾個方面進行治理：加固邊坡、防止地面塌陷、填補地表裂縫、填補沉陷區(qū)、消滅火災(zāi)隱患，保持水土、建立排水工程和生態(tài)綠化等。但國內(nèi)廢棄礦山的地災(zāi)治理工作在能力、設(shè)備和高新技術(shù)的研究與應(yīng)用上和國際領(lǐng)先水平還是有很大差距。另外，國內(nèi)廢棄礦山運行機制和能力與國外礦產(chǎn)資源可持續(xù)利用的先進水平相比，也存在許多不足。主要表現(xiàn)在以下4 個方面：①現(xiàn)行相關(guān)法規(guī)涉及廢棄礦山方面甚少，也缺乏此方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與實踐規(guī)范；②相關(guān)閉坑規(guī)章主要側(cè)重礦產(chǎn)資源保護和防止損失浪費，而缺乏對廢棄礦山與礦區(qū)經(jīng)濟和社會關(guān)系的認(rèn)知；③礦山全生命周期建設(shè)，短期經(jīng)濟回報考慮較多，而不重視閉坑后廢棄礦山引發(fā)的礦區(qū)經(jīng)濟社會負(fù)面影響與可持續(xù)發(fā)展等長期問題；④僅有少數(shù)露天礦對廢棄礦坑進行了較好的開發(fā)和再利用，大多數(shù)廢棄礦山利益相關(guān)方缺乏協(xié)商，同時政府規(guī)制不足、企業(yè)缺乏自律、社會參與不力，造成礦山廢棄或遺棄，引發(fā)嚴(yán)重的礦區(qū)環(huán)境、安全和健康問題。

廢棄礦山地質(zhì)災(zāi)害演化涉及多學(xué)科交叉融合，國內(nèi)外尚未解決其演化規(guī)律。復(fù)雜環(huán)境下，大面積的廢棄礦山地質(zhì)災(zāi)害演化過程更加復(fù)雜，機理認(rèn)識不清，災(zāi)害后果嚴(yán)重。露天礦經(jīng)過長期開采與廢棄，會弱化地層結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)弱化后經(jīng)過一段時間可能導(dǎo)致弱化加強，減弱抵抗環(huán)境干擾能力，有可能隨時間的積累而形成二次或數(shù)次災(zāi)害。在廢棄礦山遺留資源與空間綜合開發(fā)利用方面，受困于露天礦傳統(tǒng)設(shè)計方法存在的弊端，開采參數(shù)等既定結(jié)果的不可逆性為地質(zhì)災(zāi)害的治理增加難度。比如傳統(tǒng)設(shè)計中露天礦最終坑幫坡角確定理論存在不足。前期設(shè)計只是追求技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性，以增加煤炭開采儲量，沒有或很少考慮閉坑后逐漸充水，幫坡巖體強度降低、穩(wěn)定性下降，可能引發(fā)滑坡等災(zāi)害。所以廢棄礦山作為露天礦全生命周期最后遺留的產(chǎn)物，其地質(zhì)災(zāi)害的治理與控制技術(shù)也只能基于傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)展開研究，難度增大。廢棄露天礦坑開發(fā)再利用技術(shù)涉及政府多個部門和諸多學(xué)科領(lǐng)域，是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，我國的閉坑礦山又具備特殊性，目前的研究都是以個例、個別要素研究為主，但整體研究尚處于探索階段，未建立起完整的再利用體系和具有普適性的框架方法，無經(jīng)驗可供借鑒。對再利用條件的研究和運行管理模式的設(shè)計是目前要重點突破的技術(shù)難題。

6 結(jié)語

綠色礦山建設(shè)不只是表示礦山復(fù)墾和綠化，而是一項復(fù)雜的巨系統(tǒng)工程，貫穿的全過程，涉及到多方面的內(nèi)容，但其“安全、高效、智能、精準(zhǔn)”的本質(zhì)是確定的。對于露天煤礦綠色礦山建設(shè)而言，應(yīng)結(jié)合露天礦開采的特點進行具體的研究，因地制宜地確定建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)目標(biāo)，露天煤礦綠色礦山的建設(shè)方案、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是“差別化定制式”的。我國露天煤礦的綠色發(fā)展仍然面臨對綠色礦山的概念內(nèi)涵不清晰、規(guī)模結(jié)構(gòu)分布不合理、資源基礎(chǔ)不牢、建設(shè)水平差異大、政策體系不健全、標(biāo)準(zhǔn)不完善、技術(shù)邊界不清晰和技術(shù)內(nèi)容不系統(tǒng)等諸多尚待解決的問題，亟待研究構(gòu)建露天煤礦綠色礦山建設(shè)所需的支撐體系，才能指導(dǎo)我國露天煤礦綠色礦山建設(shè)系統(tǒng)化、科學(xué)化和規(guī)范化。