绿色开采作为一种先进的开采理念和技术,是在煤炭安全高效开采技术发展基础上,针对开采引发的生态问题而提出的技术愿景和实践解决技术途径。绿色开采也是煤炭规模化开采向现代生态文明开采的技术跨越。
绿色开采水平的科学评价则是建立适用绿色开采模式与实践效果检验的重要方法。
国家能源投资集团张建民教授研究团队在前人研究的基础上,从生态学视角将传统的采矿系统与生态系统相融合构建采矿生态系统,界定了系统的时空范围,分析了生态系统各要素(采动覆岩、地下水系统和地表生态)的原始状态与采动“激励”生态响应机制(采动耦合、水-岩耦合、水-土耦合和采动传导耦合及损伤外传导效应)及状态变化,参照生态系统原始状态提出反映生态状态变化的4个因子和16个比较参数,确定了采矿生态系统的“生态损伤系数”及计算模型。
研究人员认为绿色开采是人们借用自然绿色描述一种煤炭开采与自然和谐的情景。自然界中绿色则是代表安全、自然、环保等深意的颜色,从生态学角度则代表一种稳定、平衡且可持续的自然生态系统状态,而开采扰动导致生态损伤,破坏了生态系统原态的稳定与平衡状态。
从采矿生态系统视角,绿色开采则可定义为:遵从自然生态规律和煤炭开采生态约束机制,依托先进与适用的开采技术控制和降低生态损伤程度,最大限度保持生态系统原态自然稳定关系,实现采矿与生态环境相协调的特殊采掘活动。因此其本质上是在安全高效开采基础上,顺应自然生态规律,依靠技术进步重构开采过程或优化开采程序,协同煤炭开采与生态环境保护,实现煤炭规模开采的高安全度和生态系统原态的高保真度。
针对采矿生态系统的复杂结构、动态特性及环境不确定性,研究人员以采前自然稳定状态作为参考基点,通过采前与采后状态比较,度量开采绿色水平,引入“绿度”(G)进一步度量绿色开采保持自然生态系统原态的水平,绿度越高则原态保真程度越好,开采方式也越先进;采用G 还可进一步定量比较不同绿色开采方式的相对先进水平和实际效果。
研究人员依据生态损伤系数→绿度→绿色开采水平建立了绿色开采数学模型,分析发现:控制导水裂隙带高度和矿井水涌出量、含水层保护、近零排放等途径对提高开采绿度水平贡献较大。
绿色开采方式四级优化工况生态效果模拟分析表明,绿色开采水平与安全高效开采模式相比逐步提升,其中原态地下水保护对降低生态损伤作用更大。神东矿区15个生产矿绿度比较表明,大柳塔矿、上湾矿、榆家梁矿等优于全区平均绿度水平,在地表生态修复效果较好的矿,地下水系统保护是提升绿色开采水平的关键因素,污染排放也是绿色开采水平降低的重要因素。
最后,研究人员提出的绿色开采定量分析结果尽管与实践认知相近,但评价采用的描述参数是否适宜和全面、内在关系是否合理、采动覆岩与地表生态自修复等内在作用和大气降水等外在影响对生态损伤影响程度等,还需进一步探索和完善,以期为我国绿色开采实践提供更加适用的科学方法。
这项研究得到了国家重点研发计划的资金支持,成果以《绿色开采定量分析与深部仿生绿色开采模式》(点击查看)为题发表于《煤炭学报》2019年第11期。
采动“激励”生态响应机制
采矿生态系统耦合响应与绿度评价
神东矿区各矿绿色开采相对水平比较
深部“仿生”绿色开采模式