矿区资源循环绿色体系构建①

任一鑫，苏海洋

（山东科技大学 经济管理学院，山东 青岛266590）

煤炭大量开采，引发植被退化、土地破坏、固体废物污染等一系列问题。建设绿色矿区成为保护生态环境、降低资源消耗、追求循环可持续发展的新途径［1］。对于绿色矿区建设的观点，主要有两类。理论方面，主要总结绿色矿区建设的标准——高效利用、规范管理、内外和谐与矿区环境生态化［2］，提出具体措施——提倡资源节约、建设生态矿山、废气治理、废水治理、固体废物处理、采空区处理及改善矿区居民居住环境［3］。实践中，塌陷区修复、矿井水生态净化、煤矸石分选利用和余热能供暖等资源循环利用，建设生态矿山的方法开始具体实施［4］。但资源的流动存在相关关系、层次性和整体性，矿区的矿业与农业［5］、矿业与相关工业、农业与当地产业之间关系很少被发掘，导致资源单独利用、低质资源效益不高［6］。要提高煤矿区绿色发展高度，应建设资源高效综合利用新模式、树立资源共享利用的矿地和谐典范，提高矿区的经济、生态和社会三方效益。

1 矿区资源分析

矿区产业主要是煤炭开采、加工、利用及围绕矿区生产和生活提供服务或辅助的相关产业。矿区生产的主要目的是把煤炭资源开采出来，加工成能够被利用的煤炭产品，该过程同时会产生一些副产品，主要有土地资源、水资源、尾矿资源、低品位能源和垃圾资源等，如表1所示。绿色体系建设要把这些资源循环整合，高效利用，应首先了解矿区资源种类及作用。

表1 矿区资源分类及相关性质

1）土地资源是建设绿色矿区的基础。工业广场、洗煤厂、电厂等工业建筑，住宅小区、医院等基础建筑，及种植、养殖都需要利用土地资源。而煤炭开采引发岩层断裂、下沉，形成塌陷区。在降雨量丰富的地区，塌陷积水，影响土地种植，甚至无法使用。丘陵、山区等地形复杂，难以开发，这使得土地资源更加珍贵。

2）水资源是绿色矿区循环的纽带。矿井除尘、灭火和降温，电厂、洗煤厂等地面工业，以及员工生活、植被灌溉和水产养殖都离不开水。水资源也是煤泥、河泥、无机盐等物质的载体。而由于区位差异，我国煤炭矿区偏西北分布，降雨量少，地表水、地下水、径流水属于稀缺资源，矿井水、生活污水、工业废水的净化和循环利用显得尤为重要［7］。

3）尾矿资源是推动可持续发展的核心。煤矿生产伴生大量的尾矿资源，主要包括煤矸石、煤泥和粉煤灰。这些资源风化产生粉尘、自燃污染空气、渗透到地下污染土壤［8］、流入水体中污染水体。经过多年研究与实践，该类资源的利用技术不断提高，利用方式不断增多，利用领域主要覆盖建筑行业、能源行业，利用价值也在逐步凸显。

4）低质能源是绿色矿区发展的动力。低质能源主要包括矿井水热［9］，乏风携带的瓦斯气及太阳能、风能等自然能，主要用于替代原煤进行矿区供暖、燃料和发电［10］。我国西北及黄土高原的矿区，经济发展相对落后，而自然能资源丰富，低质能源存在利用的必要性。

5）垃圾资源是绿色矿区建设的辅助。如矿山建设产生建筑垃圾、矿区居民产生的生活垃圾、矿区绿化产生的绿化垃圾、矿区养殖产生的粪便垃圾，这些资源通过分拣、剔除或堆肥处理，能再被用于矿区建设、种植或居民生活，属于有使用价值却缺少整合方式的资源［5］。

2 矿区资源流动规律

资源的流动除受自身状况影响外，还受流动性、替代性等规律的限制。

1）资源的转移服从空间移动规律［11］。矿区资源可根据搬移属性分为不可移动资源与可移动资源两类。不可移动资源受自身特性及技术条件限制，如大气、土地资源，无法搬移。而可移动资源搬运距离也存在差别。不能远距离搬移的资源主要是资源的自然属性限定资源使用的时间及空间，资源搬运过程中资源流失、分解致使其数量减少。

2）资源的使用服从效能衰减规律。一方面，随着使用时间延长、搬运距离增加，达到空间移动的极限，资源流失、消耗殆尽，其使用效能基本丧失，此过程称为使用效能衰减；另一方面，资源的储存、运输要付出物流成本，当达到一定阈值时，资源的使用不经济，此过程称为经济效能衰减。资源的效能递减规律决定了资源的储存外延、运输半径和经济价值。

3）资源高效使用要依据同功能、多用途规律［12］。同功能是指不同种资源拥有相同功能，可同时满足同一领域需要；多用途是指一种资源具有多种用途或功能，能够满足不同领域的需要。这些属性决定了资源具有替代性、互补性、组合使用、层级利用、循环利用及共同需求的特性，为建立层面内部及不同层面之间的资源利用体系或路径提供多种方案。

4）资源循环的性能蜕变规律。资源的利用环节，会使其物理、化学、机械等性能发生改变，这种沿不同路径逐级蜕变的规律，也称为资源代谢［13］。理清资源的代谢路径、代谢产品，可以合理设置不同资源利用的优先级，为建立资源在不同层面的绿色经济体系奠定基础。

3 矿区绿色经济体系构建

矿区资源的空间移动、经济效能衰减和使用效能衰减规律决定资源的服务范围；性能蜕变决定资源使用先后；同功能多用途属性决定资源使用组合。以此为基础对我国矿区绿色经济体系展开层次分析。

3.1 区块内部矿区之间协同发展

我国煤炭资源集聚地及煤炭开采企业比较集中，主要分布在西北、东北、云贵和华北四块。区块内部存在多个园区，或称矿区，矿区之间以煤田或地形为界。矿区距离远近不同，单个矿区的资源富集程度、种类等客观条件各有不同，生产产品种类也不同，这就需要资源交互来调节平衡。经循环化改造过或在产业聚集、集成规律作用下形成的矿区，是以生态经济、环境经济理论作指导，以资源代谢路径、社会分工等为依据由相关产业有机结合而成。

如图1所示，为满足绿色经济体系中资源的搬移经济利益，矿区之间应利用资源流动及利用的关系，依据矿区产业分布状况、资源种类及属性，建立资源间的循环、纵向和横向链接产业发展关系，确保通用性资源与保障资源的流通。该体系以资源为纽带，增加了相关产业之间的联通，将产业代谢关系进行疏导，提高资源利用效率，减少不可再生资源的投入量；发展产业协同、替代与互补优势，促进煤炭企业交换资源与技术，提高整体实力；大力建设生态循环矿区，对保护当地环境、发展生态产业链都有帮助［14］。

图1 区块内部矿区之间协同发展关系

3.2 矿区内部产业之间循环可持续发展

如图2所示，以煤基产业为主，沿煤炭开采横向发展发电、焦化、炼钢等产业；以农基产业为主，沿农业种植横向发展的养殖产业、肥料产业及农产品加工行业。两大产业集群以5种资源的能量交换、物质传递为依托，发展矿农协同集成模式。

图2 矿区内部产业之间循环发展关系

煤基产业群为上游产业，末端代谢输出的废弃资源——矿井水、生活污水、建筑垃圾与生活垃圾等会破坏环境。农基产业群作为下游产业，整合废弃资源，从生态种植、养殖及农产品加工多方面入手，利用ETS生态污水处理法净化矿井水与生活污水回收再利用于生产生活，堆肥处理生活垃圾用于肥料，分拣、粉碎有用的建筑垃圾充填塌陷区等，辅助农业生产协调工业生产，创造矿区内部整体的生态产业链［15］。

3.3 产业内部系统之间系统层层嵌套

实现节能减排、清洁生产等绿色发展理念，要从系统设计、生产过程组织、工程施工、产品生产、管理等过程实现。根据5种资源的具体形式来设计相应系统。如图3所示，以矿农协同为例，产业由基本生产系统、辅助系统及服务系统3部分构成。系统之间相互联系呈线性或网状关系。

图3 产业内部系统之间关系

主线部分以煤炭生产、加工、储存、运输与销售为主系统，是整合矿区资源的基础［16］。另外以土地资源为基础建立起土地复垦、种植养殖及农产品加工的支线系统。其次是利用垃圾资源的有机肥加工系统、利用低品质能源的再生能源利用系统三大辅助系统。支线和辅助系统为旁系，为建设绿色矿区而人工设计建立，以科学的生物法取代传统化学手段，帮助处理主系统对环境造成的土地塌陷、环境污染及当地居民欠收问题。最后是以信息收集、处理、反馈为中心的管理、安全、后勤等服务系统，服务于整个矿区或区块，保证系统之间的精确联系与合理运行。

3.4 矿区绿色体系整体化建设

以资源流动为线索、社会分工为基础，根据资源稀缺程度及需求构建绿色矿区。具体由水资源循环、垃圾资源循环、土地资源复垦、低质能源利用和尾矿资源回收5种体系组合而成，实现资源集成回收、整合利用、循环再生的矿区绿色体系。

如图4所示，该体系通过矿井水在矿区内循环往复，带动煤泥、水携无机物、余热、河泥等资源的回收利用［6］，又充分利用生物的自净能力和区域小生态，吸收污染物，净化空气，改变矿区环境质量，减少传统化学物质的投入，生物法净化水资源。风力、光能与余热能等清洁能源的引入，减少了煤炭的消耗，养殖-种植-沼气池的循环体系在带来生态效益的同时，还促进第一产业的发展，给矿区居民增加了就业岗位。

图4 矿区绿色体系整体关系

4 矿区绿色体系经济层面分析

依据效能衰减规律，资源的衰减速度主要与时间、位移、温度有关。如表1所示，水资源在运输过程中的流失大部分属于蒸发，而蒸发率与湿度、风速有关，属于常数衰减；水中携带物质移动符合一级动力学扩散原理，属于指数衰减；低质能源的电能运输部分，电损率与温度、位移关系较大，符合指数衰减；低质能源的热能部分，散失方式与温差有关，根据传热系数，符合常数衰减；垃圾资源属于分解流失资源，其中的生物质部分降解速率符合指数衰减。其余资源，如尾矿，可以通过洒水减缓分解速率，且本身分解较慢，所以不考虑运输过程中的流失。总之，假设水资源和余热资源符合常数衰减法则，其余符合指数衰减规律，且受其中一种因素——时间、位移或温度的影响效果较大，计算时可只考虑影响最大因素，以距离为例：

式中Qi为资源i经过距离L运输后剩余资源量；Oi为初始量；μi＞0，为衰减率。通过资源的数量和单位价值，可以求出资源的总价值。此处，利用资源的同功能多用途规律对这5种资源所替代的资源，进行数据标准化处理。以单一资源投入产出模型表示资源的替代系数，从而分析资源的同功能属性：

式中A替i为资源i与资源i－1之间的替代系数；R价单i为产出效益。以电能为例，比较风电与太阳能发电的替代率，Q入i为风能的投入量；P出i为风电的单价；Q出i为电能产出总量；P出i为风能发电效能，太阳能发电亦同此。当A替i＞1时，风电比太阳能发电更具高效率；当A替i＜1时，使用后者更为合适；当A替i＝1，可相互替代。

已知资源的最终量，可根据A替i确定资源的单位价值，以此确定该资源的总效能P，即：

式中πi（L）为最终经济效益；C生为生产成本；C转移为转移成本，包括运输、储存和耗损成本。

式中ΔP运i为单位距离运费；ΔP储i为资源单位储存费用；l1为每个仓库的距离。整理可得：

根据式（7），最终经济效益为单调递减函数，5种资源所转化的最终资源的售价基本不变动，资源初始量Oi与煤碳产量密切相关，基本稳定不变。

5 结论与建议

增加资源循环收益，加强矿区绿色体系建设的结论与建议如下：

1）矿区的土地、水、尾矿、低质能源和垃圾资源在辅助农业生产、作为基础能源、代替土地资源充填塌陷区时存在诸多协同作用。另外，5种资源还受转运距离极限、使用经济极限、资源蜕变极限及使用先后与组合协作等自身特性限制。所以资源利用过程中要依据这些特性，着重发掘可替代清洁能源，减少一次能源投入和末端资源排出；控制外部条件，如改变温度或压力、寻找介质与载体，来减少资源流失。

2）科学集成规划模式，能有效分解低质、污染环境的资源，加大清洁、高效、可再生资源的利用率。矿区循环绿色体系经济层面的分析可以为企业提供建设依据。要从改进资源收集、分类、加工、利用等工艺抓起，降低副产品成本；提倡集成观念，促进地区主产业与副产业的有机结合，例如煤基产业与农基产业，强化系统间联系；建立区块间资源特殊通道，如公路、铁路或管道等，完善物流设施，降低转移成本；就近使用易流失资源，避免运输等，提高资源最终使用效益。

3）提倡集成理念，提高企业对资源循环集成的认识，有助于技术、设备及废弃资源的高效互通，助力社会发展与生态建设。