礦區(qū)資源循環(huán)綠色體系構建①

任一鑫，蘇海洋

（山東科技大學 經濟管理學院，山東 青島266590）

煤炭大量開采，引發(fā)植被退化、土地破壞、固體廢物污染等一系列問題。建設綠色礦區(qū)成為保護生態(tài)環(huán)境、降低資源消耗、追求循環(huán)可持續(xù)發(fā)展的新途徑［1］。對于綠色礦區(qū)建設的觀點，主要有兩類。理論方面，主要總結綠色礦區(qū)建設的標準——高效利用、規(guī)范管理、內外和諧與礦區(qū)環(huán)境生態(tài)化［2］，提出具體措施——提倡資源節(jié)約、建設生態(tài)礦山、廢氣治理、廢水治理、固體廢物處理、采空區(qū)處理及改善礦區(qū)居民居住環(huán)境［3］。實踐中，塌陷區(qū)修復、礦井水生態(tài)凈化、煤矸石分選利用和余熱能供暖等資源循環(huán)利用，建設生態(tài)礦山的方法開始具體實施［4］。但資源的流動存在相關關系、層次性和整體性，礦區(qū)的礦業(yè)與農業(yè)［5］、礦業(yè)與相關工業(yè)、農業(yè)與當地產業(yè)之間關系很少被發(fā)掘，導致資源單獨利用、低質資源效益不高［6］。要提高煤礦區(qū)綠色發(fā)展高度，應建設資源高效綜合利用新模式、樹立資源共享利用的礦地和諧典范，提高礦區(qū)的經濟、生態(tài)和社會三方效益。

1 礦區(qū)資源分析

礦區(qū)產業(yè)主要是煤炭開采、加工、利用及圍繞礦區(qū)生產和生活提供服務或輔助的相關產業(yè)。礦區(qū)生產的主要目的是把煤炭資源開采出來，加工成能夠被利用的煤炭產品，該過程同時會產生一些副產品，主要有土地資源、水資源、尾礦資源、低品位能源和垃圾資源等，如表1所示。綠色體系建設要把這些資源循環(huán)整合，高效利用，應首先了解礦區(qū)資源種類及作用。

表1 礦區(qū)資源分類及相關性質

1）土地資源是建設綠色礦區(qū)的基礎。工業(yè)廣場、洗煤廠、電廠等工業(yè)建筑，住宅小區(qū)、醫(yī)院等基礎建筑，及種植、養(yǎng)殖都需要利用土地資源。而煤炭開采引發(fā)巖層斷裂、下沉，形成塌陷區(qū)。在降雨量豐富的地區(qū)，塌陷積水，影響土地種植，甚至無法使用。丘陵、山區(qū)等地形復雜，難以開發(fā)，這使得土地資源更加珍貴。

2）水資源是綠色礦區(qū)循環(huán)的紐帶。礦井除塵、滅火和降溫，電廠、洗煤廠等地面工業(yè)，以及員工生活、植被灌溉和水產養(yǎng)殖都離不開水。水資源也是煤泥、河泥、無機鹽等物質的載體。而由于區(qū)位差異，我國煤炭礦區(qū)偏西北分布，降雨量少，地表水、地下水、徑流水屬于稀缺資源，礦井水、生活污水、工業(yè)廢水的凈化和循環(huán)利用顯得尤為重要［7］。

3）尾礦資源是推動可持續(xù)發(fā)展的核心。煤礦生產伴生大量的尾礦資源，主要包括煤矸石、煤泥和粉煤灰。這些資源風化產生粉塵、自燃污染空氣、滲透到地下污染土壤［8］、流入水體中污染水體。經過多年研究與實踐，該類資源的利用技術不斷提高，利用方式不斷增多，利用領域主要覆蓋建筑行業(yè)、能源行業(yè)，利用價值也在逐步凸顯。

4）低質能源是綠色礦區(qū)發(fā)展的動力。低質能源主要包括礦井水熱［9］，乏風攜帶的瓦斯氣及太陽能、風能等自然能，主要用于替代原煤進行礦區(qū)供暖、燃料和發(fā)電［10］。我國西北及黃土高原的礦區(qū)，經濟發(fā)展相對落后，而自然能資源豐富，低質能源存在利用的必要性。

5）垃圾資源是綠色礦區(qū)建設的輔助。如礦山建設產生建筑垃圾、礦區(qū)居民產生的生活垃圾、礦區(qū)綠化產生的綠化垃圾、礦區(qū)養(yǎng)殖產生的糞便垃圾，這些資源通過分揀、剔除或堆肥處理，能再被用于礦區(qū)建設、種植或居民生活，屬于有使用價值卻缺少整合方式的資源［5］。

2 礦區(qū)資源流動規(guī)律

資源的流動除受自身狀況影響外，還受流動性、替代性等規(guī)律的限制。

1）資源的轉移服從空間移動規(guī)律［11］。礦區(qū)資源可根據搬移屬性分為不可移動資源與可移動資源兩類。不可移動資源受自身特性及技術條件限制，如大氣、土地資源，無法搬移。而可移動資源搬運距離也存在差別。不能遠距離搬移的資源主要是資源的自然屬性限定資源使用的時間及空間，資源搬運過程中資源流失、分解致使其數量減少。

2）資源的使用服從效能衰減規(guī)律。一方面，隨著使用時間延長、搬運距離增加，達到空間移動的極限，資源流失、消耗殆盡，其使用效能基本喪失，此過程稱為使用效能衰減；另一方面，資源的儲存、運輸要付出物流成本，當達到一定閾值時，資源的使用不經濟，此過程稱為經濟效能衰減。資源的效能遞減規(guī)律決定了資源的儲存外延、運輸半徑和經濟價值。

3）資源高效使用要依據同功能、多用途規(guī)律［12］。同功能是指不同種資源擁有相同功能，可同時滿足同一領域需要；多用途是指一種資源具有多種用途或功能，能夠滿足不同領域的需要。這些屬性決定了資源具有替代性、互補性、組合使用、層級利用、循環(huán)利用及共同需求的特性，為建立層面內部及不同層面之間的資源利用體系或路徑提供多種方案。

4）資源循環(huán)的性能蛻變規(guī)律。資源的利用環(huán)節(jié)，會使其物理、化學、機械等性能發(fā)生改變，這種沿不同路徑逐級蛻變的規(guī)律，也稱為資源代謝［13］。理清資源的代謝路徑、代謝產品，可以合理設置不同資源利用的優(yōu)先級，為建立資源在不同層面的綠色經濟體系奠定基礎。

3 礦區(qū)綠色經濟體系構建

礦區(qū)資源的空間移動、經濟效能衰減和使用效能衰減規(guī)律決定資源的服務范圍；性能蛻變決定資源使用先后；同功能多用途屬性決定資源使用組合。以此為基礎對我國礦區(qū)綠色經濟體系展開層次分析。

3.1 區(qū)塊內部礦區(qū)之間協同發(fā)展

我國煤炭資源集聚地及煤炭開采企業(yè)比較集中，主要分布在西北、東北、云貴和華北四塊。區(qū)塊內部存在多個園區(qū)，或稱礦區(qū)，礦區(qū)之間以煤田或地形為界。礦區(qū)距離遠近不同，單個礦區(qū)的資源富集程度、種類等客觀條件各有不同，生產產品種類也不同，這就需要資源交互來調節(jié)平衡。經循環(huán)化改造過或在產業(yè)聚集、集成規(guī)律作用下形成的礦區(qū)，是以生態(tài)經濟、環(huán)境經濟理論作指導，以資源代謝路徑、社會分工等為依據由相關產業(yè)有機結合而成。

如圖1所示，為滿足綠色經濟體系中資源的搬移經濟利益，礦區(qū)之間應利用資源流動及利用的關系，依據礦區(qū)產業(yè)分布狀況、資源種類及屬性，建立資源間的循環(huán)、縱向和橫向鏈接產業(yè)發(fā)展關系，確保通用性資源與保障資源的流通。該體系以資源為紐帶，增加了相關產業(yè)之間的聯通，將產業(yè)代謝關系進行疏導，提高資源利用效率，減少不可再生資源的投入量；發(fā)展產業(yè)協同、替代與互補優(yōu)勢，促進煤炭企業(yè)交換資源與技術，提高整體實力；大力建設生態(tài)循環(huán)礦區(qū)，對保護當地環(huán)境、發(fā)展生態(tài)產業(yè)鏈都有幫助［14］。

圖1 區(qū)塊內部礦區(qū)之間協同發(fā)展關系

3.2 礦區(qū)內部產業(yè)之間循環(huán)可持續(xù)發(fā)展

如圖2所示，以煤基產業(yè)為主，沿煤炭開采橫向發(fā)展發(fā)電、焦化、煉鋼等產業(yè)；以農基產業(yè)為主，沿農業(yè)種植橫向發(fā)展的養(yǎng)殖產業(yè)、肥料產業(yè)及農產品加工行業(yè)。兩大產業(yè)集群以5種資源的能量交換、物質傳遞為依托，發(fā)展礦農協同集成模式。

圖2 礦區(qū)內部產業(yè)之間循環(huán)發(fā)展關系

煤基產業(yè)群為上游產業(yè)，末端代謝輸出的廢棄資源——礦井水、生活污水、建筑垃圾與生活垃圾等會破壞環(huán)境。農基產業(yè)群作為下游產業(yè)，整合廢棄資源，從生態(tài)種植、養(yǎng)殖及農產品加工多方面入手，利用ETS生態(tài)污水處理法凈化礦井水與生活污水回收再利用于生產生活，堆肥處理生活垃圾用于肥料，分揀、粉碎有用的建筑垃圾充填塌陷區(qū)等，輔助農業(yè)生產協調工業(yè)生產，創(chuàng)造礦區(qū)內部整體的生態(tài)產業(yè)鏈［15］。

3.3 產業(yè)內部系統(tǒng)之間系統(tǒng)層層嵌套

實現節(jié)能減排、清潔生產等綠色發(fā)展理念，要從系統(tǒng)設計、生產過程組織、工程施工、產品生產、管理等過程實現。根據5種資源的具體形式來設計相應系統(tǒng)。如圖3所示，以礦農協同為例，產業(yè)由基本生產系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及服務系統(tǒng)3部分構成。系統(tǒng)之間相互聯系呈線性或網狀關系。

圖3 產業(yè)內部系統(tǒng)之間關系

主線部分以煤炭生產、加工、儲存、運輸與銷售為主系統(tǒng)，是整合礦區(qū)資源的基礎［16］。另外以土地資源為基礎建立起土地復墾、種植養(yǎng)殖及農產品加工的支線系統(tǒng)。其次是利用垃圾資源的有機肥加工系統(tǒng)、利用低品質能源的再生能源利用系統(tǒng)三大輔助系統(tǒng)。支線和輔助系統(tǒng)為旁系，為建設綠色礦區(qū)而人工設計建立，以科學的生物法取代傳統(tǒng)化學手段，幫助處理主系統(tǒng)對環(huán)境造成的土地塌陷、環(huán)境污染及當地居民欠收問題。最后是以信息收集、處理、反饋為中心的管理、安全、后勤等服務系統(tǒng)，服務于整個礦區(qū)或區(qū)塊，保證系統(tǒng)之間的精確聯系與合理運行。

3.4 礦區(qū)綠色體系整體化建設

以資源流動為線索、社會分工為基礎，根據資源稀缺程度及需求構建綠色礦區(qū)。具體由水資源循環(huán)、垃圾資源循環(huán)、土地資源復墾、低質能源利用和尾礦資源回收5種體系組合而成，實現資源集成回收、整合利用、循環(huán)再生的礦區(qū)綠色體系。

如圖4所示，該體系通過礦井水在礦區(qū)內循環(huán)往復，帶動煤泥、水攜無機物、余熱、河泥等資源的回收利用［6］，又充分利用生物的自凈能力和區(qū)域小生態(tài)，吸收污染物，凈化空氣，改變礦區(qū)環(huán)境質量，減少傳統(tǒng)化學物質的投入，生物法凈化水資源。風力、光能與余熱能等清潔能源的引入，減少了煤炭的消耗，養(yǎng)殖-種植-沼氣池的循環(huán)體系在帶來生態(tài)效益的同時，還促進第一產業(yè)的發(fā)展，給礦區(qū)居民增加了就業(yè)崗位。

圖4 礦區(qū)綠色體系整體關系

4 礦區(qū)綠色體系經濟層面分析

依據效能衰減規(guī)律，資源的衰減速度主要與時間、位移、溫度有關。如表1所示，水資源在運輸過程中的流失大部分屬于蒸發(fā)，而蒸發(fā)率與濕度、風速有關，屬于常數衰減；水中攜帶物質移動符合一級動力學擴散原理，屬于指數衰減；低質能源的電能運輸部分，電損率與溫度、位移關系較大，符合指數衰減；低質能源的熱能部分，散失方式與溫差有關，根據傳熱系數，符合常數衰減；垃圾資源屬于分解流失資源，其中的生物質部分降解速率符合指數衰減。其余資源，如尾礦，可以通過灑水減緩分解速率，且本身分解較慢，所以不考慮運輸過程中的流失?？傊?，假設水資源和余熱資源符合常數衰減法則，其余符合指數衰減規(guī)律，且受其中一種因素——時間、位移或溫度的影響效果較大，計算時可只考慮影響最大因素，以距離為例：

式中Qi為資源i經過距離L運輸后剩余資源量；Oi為初始量；μi＞0，為衰減率。通過資源的數量和單位價值，可以求出資源的總價值。此處，利用資源的同功能多用途規(guī)律對這5種資源所替代的資源，進行數據標準化處理。以單一資源投入產出模型表示資源的替代系數，從而分析資源的同功能屬性：

式中A替i為資源i與資源i－1之間的替代系數；R價單i為產出效益。以電能為例，比較風電與太陽能發(fā)電的替代率，Q入i為風能的投入量；P出i為風電的單價；Q出i為電能產出總量；P出i為風能發(fā)電效能，太陽能發(fā)電亦同此。當A替i＞1時，風電比太陽能發(fā)電更具高效率；當A替i＜1時，使用后者更為合適；當A替i＝1，可相互替代。

已知資源的最終量，可根據A替i確定資源的單位價值，以此確定該資源的總效能P，即：

式中πi（L）為最終經濟效益；C生為生產成本；C轉移為轉移成本，包括運輸、儲存和耗損成本。

式中ΔP運i為單位距離運費；ΔP儲i為資源單位儲存費用；l1為每個倉庫的距離。整理可得：

根據式（7），最終經濟效益為單調遞減函數，5種資源所轉化的最終資源的售價基本不變動，資源初始量Oi與煤碳產量密切相關，基本穩(wěn)定不變。

5 結論與建議

增加資源循環(huán)收益，加強礦區(qū)綠色體系建設的結論與建議如下：

1）礦區(qū)的土地、水、尾礦、低質能源和垃圾資源在輔助農業(yè)生產、作為基礎能源、代替土地資源充填塌陷區(qū)時存在諸多協同作用。另外，5種資源還受轉運距離極限、使用經濟極限、資源蛻變極限及使用先后與組合協作等自身特性限制。所以資源利用過程中要依據這些特性，著重發(fā)掘可替代清潔能源，減少一次能源投入和末端資源排出；控制外部條件，如改變溫度或壓力、尋找介質與載體，來減少資源流失。

2）科學集成規(guī)劃模式，能有效分解低質、污染環(huán)境的資源，加大清潔、高效、可再生資源的利用率。礦區(qū)循環(huán)綠色體系經濟層面的分析可以為企業(yè)提供建設依據。要從改進資源收集、分類、加工、利用等工藝抓起，降低副產品成本；提倡集成觀念，促進地區(qū)主產業(yè)與副產業(yè)的有機結合，例如煤基產業(yè)與農基產業(yè)，強化系統(tǒng)間聯系；建立區(qū)塊間資源特殊通道，如公路、鐵路或管道等，完善物流設施，降低轉移成本；就近使用易流失資源，避免運輸等，提高資源最終使用效益。

3）提倡集成理念，提高企業(yè)對資源循環(huán)集成的認識，有助于技術、設備及廢棄資源的高效互通，助力社會發(fā)展與生態(tài)建設。