任一鑫，蘇海洋

（山東科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山東 青島266590）

煤炭大量開(kāi)采，引發(fā)植被退化、土地破壞、固體廢物污染等一系列問(wèn)題。建設(shè)綠色礦區(qū)成為保護(hù)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(duì)于綠色礦區(qū)建設(shè)的觀點(diǎn)，主要有兩類(lèi)。理論方面，主要總結(jié)綠色礦區(qū)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)——高效利用、規(guī)范管理、內(nèi)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(shè)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(shí)踐中，塌陷區(qū)修復(fù)、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(shè)生態(tài)礦山的方法開(kāi)始具體實(shí)施［4］。但資源的流動(dòng)存在相關(guān)關(guān)系、層次性和整體性，礦區(qū)的礦業(yè)與農(nóng)業(yè)［5］、礦業(yè)與相關(guān)工業(yè)、農(nóng)業(yè)與當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)之間關(guān)系很少被發(fā)掘，導(dǎo)致資源單獨(dú)利用、低質(zhì)資源效益不高［6］。要提高煤礦區(qū)綠色發(fā)展高度，應(yīng)建設(shè)資源高效綜合利用新模式、樹(shù)立資源共享利用的礦地和諧典范，提高礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)三方效益。

1 礦區(qū)資源分析

礦區(qū)產(chǎn)業(yè)主要是煤炭開(kāi)采、加工、利用及圍繞礦區(qū)生產(chǎn)和生活提供服務(wù)或輔助的相關(guān)產(chǎn)業(yè)。礦區(qū)生產(chǎn)的主要目的是把煤炭資源開(kāi)采出來(lái)，加工成能夠被利用的煤炭產(chǎn)品，該過(guò)程同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些副產(chǎn)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(shè)要把這些資源循環(huán)整合，高效利用，應(yīng)首先了解礦區(qū)資源種類(lèi)及作用。

表1 礦區(qū)資源分類(lèi)及相關(guān)性質(zhì)

1）土地資源是建設(shè)綠色礦區(qū)的基礎(chǔ)。工業(yè)廣場(chǎng)、洗煤廠、電廠等工業(yè)建筑，住宅小區(qū)、醫(yī)院等基礎(chǔ)建筑，及種植、養(yǎng)殖都需要利用土地資源。而煤炭開(kāi)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(wú)法使用。丘陵、山區(qū)等地形復(fù)雜，難以開(kāi)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(chǎn)養(yǎng)殖都離不開(kāi)水。水資源也是煤泥、河泥、無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)的載體。而由于區(qū)位差異，我國(guó)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(dòng)可持續(xù)發(fā)展的核心。煤礦生產(chǎn)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(fēng)化產(chǎn)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(jīng)過(guò)多年研究與實(shí)踐，該類(lèi)資源的利用技術(shù)不斷提高，利用方式不斷增多，利用領(lǐng)域主要覆蓋建筑行業(yè)、能源行業(yè)，利用價(jià)值也在逐步凸顯。

4）低質(zhì)能源是綠色礦區(qū)發(fā)展的動(dòng)力。低質(zhì)能源主要包括礦井水熱［9］，乏風(fēng)攜帶的瓦斯氣及太陽(yáng)能、風(fēng)能等自然能，主要用于替代原煤進(jìn)行礦區(qū)供暖、燃料和發(fā)電［10］。我國(guó)西北及黃土高原的礦區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，而自然能資源豐富，低質(zhì)能源存在利用的必要性。

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

2 礦區(qū)資源流動(dòng)規(guī)律

資源的流動(dòng)除受自身狀況影響外，還受流動(dòng)性、替代性等規(guī)律的限制。

1）資源的轉(zhuǎn)移服從空間移動(dòng)規(guī)律［11］。礦區(qū)資源可根據(jù)搬移屬性分為不可移動(dòng)資源與可移動(dòng)資源兩類(lèi)。不可移動(dòng)資源受自身特性及技術(shù)條件限制，如大氣、土地資源，無(wú)法搬移。而可移動(dòng)資源搬運(yùn)距離也存在差別。不能遠(yuǎn)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(shí)間及空間，資源搬運(yùn)過(guò)程中資源流失、分解致使其數(shù)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(shí)間延長(zhǎng)、搬運(yùn)距離增加，達(dá)到空間移動(dòng)的極限，資源流失、消耗殆盡，其使用效能基本喪失，此過(guò)程稱(chēng)為使用效能衰減；另一方面，資源的儲(chǔ)存、運(yùn)輸要付出物流成本，當(dāng)達(dá)到一定閾值時(shí)，資源的使用不經(jīng)濟(jì)，此過(guò)程稱(chēng)為經(jīng)濟(jì)效能衰減。資源的效能遞減規(guī)律決定了資源的儲(chǔ)存外延、運(yùn)輸半徑和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3）資源高效使用要依據(jù)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(shí)滿(mǎn)足同一領(lǐng)域需要；多用途是指一種資源具有多種用途或功能，能夠滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的需要。這些屬性決定了資源具有替代性、互補(bǔ)性、組合使用、層級(jí)利用、循環(huán)利用及共同需求的特性，為建立層面內(nèi)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(huì)使其物理、化學(xué)、機(jī)械等性能發(fā)生改變，這種沿不同路徑逐級(jí)蛻變的規(guī)律，也稱(chēng)為資源代謝［13］。理清資源的代謝路徑、代謝產(chǎn)品，可以合理設(shè)置不同資源利用的優(yōu)先級(jí)，為建立資源在不同層面的綠色經(jīng)濟(jì)體系奠定基礎(chǔ)。

3 礦區(qū)綠色經(jīng)濟(jì)體系構(gòu)建

礦區(qū)資源的空間移動(dòng)、經(jīng)濟(jì)效能衰減和使用效能衰減規(guī)律決定資源的服務(wù)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(chǔ)對(duì)我國(guó)礦區(qū)綠色經(jīng)濟(jì)體系展開(kāi)層次分析。

3.1 區(qū)塊內(nèi)部礦區(qū)之間協(xié)同發(fā)展

我國(guó)煤炭資源集聚地及煤炭開(kāi)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(nèi)部存在多個(gè)園區(qū)，或稱(chēng)礦區(qū)，礦區(qū)之間以煤田或地形為界。礦區(qū)距離遠(yuǎn)近不同，單個(gè)礦區(qū)的資源富集程度、種類(lèi)等客觀條件各有不同，生產(chǎn)產(chǎn)品種類(lèi)也不同，這就需要資源交互來(lái)調(diào)節(jié)平衡。經(jīng)循環(huán)化改造過(guò)或在產(chǎn)業(yè)聚集、集成規(guī)律作用下形成的礦區(qū)，是以生態(tài)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)理論作指導(dǎo)，以資源代謝路徑、社會(huì)分工等為依據(jù)由相關(guān)產(chǎn)業(yè)有機(jī)結(jié)合而成。

如圖1所示，為滿(mǎn)足綠色經(jīng)濟(jì)體系中資源的搬移經(jīng)濟(jì)利益，礦區(qū)之間應(yīng)利用資源流動(dòng)及利用的關(guān)系，依據(jù)礦區(qū)產(chǎn)業(yè)分布狀況、資源種類(lèi)及屬性，建立資源間的循環(huán)、縱向和橫向鏈接產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)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(guān)產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)通，將產(chǎn)業(yè)代謝關(guān)系進(jìn)行疏導(dǎo)，提高資源利用效率，減少不可再生資源的投入量；發(fā)展產(chǎn)業(yè)協(xié)同、替代與互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)煤炭企業(yè)交換資源與技術(shù)，提高整體實(shí)力；大力建設(shè)生態(tài)循環(huán)礦區(qū)，對(duì)保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境、發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈都有幫助［14］。

圖1 區(qū)塊內(nèi)部礦區(qū)之間協(xié)同發(fā)展關(guān)系

3.2 礦區(qū)內(nèi)部產(chǎn)業(yè)之間循環(huán)可持續(xù)發(fā)展

如圖2所示，以煤基產(chǎn)業(yè)為主，沿煤炭開(kāi)采橫向發(fā)展發(fā)電、焦化、煉鋼等產(chǎn)業(yè)；以農(nóng)基產(chǎn)業(yè)為主，沿農(nóng)業(yè)種植橫向發(fā)展的養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)、肥料產(chǎn)業(yè)及農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)。兩大產(chǎn)業(yè)集群以5種資源的能量交換、物質(zhì)傳遞為依托，發(fā)展礦農(nóng)協(xié)同集成模式。

圖2 礦區(qū)內(nèi)部產(chǎn)業(yè)之間循環(huán)發(fā)展關(guān)系

煤基產(chǎn)業(yè)群為上游產(chǎn)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(huì)破壞環(huán)境。農(nóng)基產(chǎn)業(yè)群作為下游產(chǎn)業(yè)，整合廢棄資源，從生態(tài)種植、養(yǎng)殖及農(nóng)產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)協(xié)調(diào)工業(yè)生產(chǎn)，創(chuàng)造礦區(qū)內(nèi)部整體的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈［15］。

3.3 產(chǎn)業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)之間系統(tǒng)層層嵌套

實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)等綠色發(fā)展理念，要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程組織、工程施工、產(chǎn)品生產(chǎn)、管理等過(guò)程實(shí)現(xiàn)。根據(jù)5種資源的具體形式來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)系統(tǒng)。如圖3所示，以礦農(nóng)協(xié)同為例，產(chǎn)業(yè)由基本生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及服務(wù)系統(tǒng)3部分構(gòu)成。系統(tǒng)之間相互聯(lián)系呈線(xiàn)性或網(wǎng)狀關(guān)系。

圖3 產(chǎn)業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)之間關(guān)系

主線(xiàn)部分以煤炭生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸與銷(xiāo)售為主系統(tǒng)，是整合礦區(qū)資源的基礎(chǔ)［16］。另外以土地資源為基礎(chǔ)建立起土地復(fù)墾、種植養(yǎng)殖及農(nóng)產(chǎn)品加工的支線(xiàn)系統(tǒng)。其次是利用垃圾資源的有機(jī)肥加工系統(tǒng)、利用低品質(zhì)能源的再生能源利用系統(tǒng)三大輔助系統(tǒng)。支線(xiàn)和輔助系統(tǒng)為旁系，為建設(shè)綠色礦區(qū)而人工設(shè)計(jì)建立，以科學(xué)的生物法取代傳統(tǒng)化學(xué)手段，幫助處理主系統(tǒng)對(duì)環(huán)境造成的土地塌陷、環(huán)境污染及當(dāng)?shù)鼐用袂肥諉?wèn)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(wù)系統(tǒng)，服務(wù)于整個(gè)礦區(qū)或區(qū)塊，保證系統(tǒng)之間的精確聯(lián)系與合理運(yùn)行。

3.4 礦區(qū)綠色體系整體化建設(shè)

以資源流動(dòng)為線(xiàn)索、社會(huì)分工為基礎(chǔ)，根據(jù)資源稀缺程度及需求構(gòu)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(fù)墾、低質(zhì)能源利用和尾礦資源回收5種體系組合而成，實(shí)現(xiàn)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(guò)礦井水在礦區(qū)內(nèi)循環(huán)往復(fù)，帶動(dòng)煤泥、水?dāng)y無(wú)機(jī)物、余熱、河泥等資源的回收利用［6］，又充分利用生物的自?xún)裟芰蛥^(qū)域小生態(tài)，吸收污染物，凈化空氣，改變礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量，減少傳統(tǒng)化學(xué)物質(zhì)的投入，生物法凈化水資源。風(fēng)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(lái)生態(tài)效益的同時(shí)，還促進(jìn)第一產(chǎn)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(guān)系

4 礦區(qū)綠色體系經(jīng)濟(jì)層面分析

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

式中Qi為資源i經(jīng)過(guò)距離L運(yùn)輸后剩余資源量；Oi為初始量；μi＞0，為衰減率。通過(guò)資源的數(shù)量和單位價(jià)值，可以求出資源的總價(jià)值。此處，利用資源的同功能多用途規(guī)律對(duì)這5種資源所替代的資源，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。以單一資源投入產(chǎn)出模型表示資源的替代系數(shù)，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(shù)；R價(jià)單i為產(chǎn)出效益。以電能為例，比較風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電的替代率，Q入i為風(fēng)能的投入量；P出i為風(fēng)電的單價(jià)；Q出i為電能產(chǎn)出總量；P出i為風(fēng)能發(fā)電效能，太陽(yáng)能發(fā)電亦同此。當(dāng)A替i＞1時(shí)，風(fēng)電比太陽(yáng)能發(fā)電更具高效率；當(dāng)A替i＜1時(shí)，使用后者更為合適；當(dāng)A替i＝1，可相互替代。

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

式中πi（L）為最終經(jīng)濟(jì)效益；C生為生產(chǎn)成本；C轉(zhuǎn)移為轉(zhuǎn)移成本，包括運(yùn)輸、儲(chǔ)存和耗損成本。

式中ΔP運(yùn)i為單位距離運(yùn)費(fèi)；ΔP儲(chǔ)i為資源單位儲(chǔ)存費(fèi)用；l1為每個(gè)倉(cāng)庫(kù)的距離。整理可得：

根據(jù)式（7），最終經(jīng)濟(jì)效益為單調(diào)遞減函數(shù)，5種資源所轉(zhuǎn)化的最終資源的售價(jià)基本不變動(dòng)，資源初始量Oi與煤碳產(chǎn)量密切相關(guān)，基本穩(wěn)定不變。

5 結(jié)論與建議

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

1）礦區(qū)的土地、水、尾礦、低質(zhì)能源和垃圾資源在輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、作為基礎(chǔ)能源、代替土地資源充填塌陷區(qū)時(shí)存在諸多協(xié)同作用。另外，5種資源還受轉(zhuǎn)運(yùn)距離極限、使用經(jīng)濟(jì)極限、資源蛻變極限及使用先后與組合協(xié)作等自身特性限制。所以資源利用過(guò)程中要依據(jù)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(zhì)與載體，來(lái)減少資源流失。

2）科學(xué)集成規(guī)劃模式，能有效分解低質(zhì)、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(jīng)濟(jì)層面的分析可以為企業(yè)提供建設(shè)依據(jù)。要從改進(jìn)資源收集、分類(lèi)、加工、利用等工藝抓起，降低副產(chǎn)品成本；提倡集成觀念，促進(jìn)地區(qū)主產(chǎn)業(yè)與副產(chǎn)業(yè)的有機(jī)結(jié)合，例如煤基產(chǎn)業(yè)與農(nóng)基產(chǎn)業(yè)，強(qiáng)化系統(tǒng)間聯(lián)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(shè)施，降低轉(zhuǎn)移成本；就近使用易流失資源，避免運(yùn)輸?shù)龋岣哔Y源最終使用效益。

3）提倡集成理念，提高企業(yè)對(duì)資源循環(huán)集成的認(rèn)識(shí)，有助于技術(shù)、設(shè)備及廢棄資源的高效互通，助力社會(huì)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)。