安徽海螺建材设计研究院有限责任公司 安徽省芜湖市 241070
摘要：露天矿的生产过程仅仅是矿山生命周期中的多个阶段之一，而一座矿山仅仅是其所在矿田的一部分，因此，研究露天开采对环境的扰动问题，应该在矿田的视域下，以矿山的全生命周期为时间范畴展开。
关键词：露天开采；环境；扰动行为；控制技术
一、露天开采对环境的扰动问题
1、扰动的类型
露天开采对自然环境的扰动行为可以按扰动对象或矿田开发阶段进行分类。自然环境要素一般包括：水、大气、土壤及生态环境等。因此，按扰动对象可以分为对水、大气、土地和生态环境的扰动。矿田的开发阶段一般可划分为：矿业权设置、规划设计、建设施工、生产运行和闭坑等阶段，因此，按矿田开发阶段可以分为矿业权设置的扰动、规划设计的扰动、建设施工的扰动、生产运行的扰动和闭坑的扰动等。研究露天开采对环境的扰动行为，本质上是研究露天开采对自然环境要素的扰动，所以按扰动对象进行分类更具现实意义。
2、扰动的基本特征
（1）过程性。从时空关系角度分析，露天矿开采的过程就是矿坑在采剥方向上不断向前移动的过程。如果说地下采矿是地下移动的工场，则露天采矿就是地面移动的工场。矿山的生命周期是由若干个“原始生态—扰动—复垦/重构—新生态”的循环过程组成，可见扰动具有过程性的突出特点。我国绝大多数露天煤矿的采空区都可实现边开采、边内排，而表土会被单独堆存，用于内、外排土场重新覆土造田。如内蒙古呼伦贝尔地区的伊敏露天煤矿在多年的生产过程中，不断科学合理的重复着上述循环过程，目前矿区土地复垦率达98.89%，绿化率达96.09%，现状远好于原始的草原生态环境，使当地的生态环境得到了很好的改善。
（2）可控性。可控性也可以理解为重构性，露天采矿不可避免的会改变矿区的生态环境，即对矿区生态环境进行重构。露天采矿对生态环境的扰动并非只有破坏的一面，在科学规划、系统实施的前提下，可以保证当地生态环境的恢复，甚至实现生态环境的改善。加拿大有将闭坑的露天矿建成矿山公园的成功案例。国内的平朔安太堡露天煤矿，建矿伊始就按照开发与恢复治理并重的原则，统筹采掘－运输－排土－复垦一体化的生产工艺，应用地貌重塑、土壤重构、植被重建等技术，建成了比原黄土高原结构更合理、质量更高级的生态系统。通过近30年的生态重建工作，共复垦土地35420亩，复垦耕地10000亩。目前土地水源涵养量达244.8万m3，而开发之初（1996年）当地的土地水源涵养量仅为43.3万m3，提高了4.7倍。矿区现有各类植物213种，昆虫600余种，动物30余种，生物多样性大大超过开发之前。综上所述，露天开采对环境的扰动是可控的，只要因地制宜的采用科学的生态恢复、重构技术，即可对开采后的矿区环境进行恢复和改善。
二、扰动管理与控制理论
1、扰动管理与控制原理
根据项目开发阶段，矿业权设置、规划设计、建设施工、生产运行和闭坑全过程均宜对采矿活动对环境的扰动进行管理和控制，其基本原理是：在开发之前根据露天矿所在矿区的环境背景值科学确定第i类扰动行为控制指标的控制值VCi，在项目建设施工之前评估确定第i类扰动行为各阶段的预测值VFi，在建设施工之后的各阶段动态评估第i类扰动行为的实际值VAi，三者的关系应满足式（1）的约束：
式（1）即为扰动管理与控制的基本原理，其本质是将露天矿所在矿区的环境背景值作为基准值，以露天矿开采后恢复原始环境状态为最低控制目标，对扰动行为实施全生命周期的动态管理与控制，确保露天矿开采后的环境恢复到原始状态，力争实现对周边环境质量的重构和改善。
2、扰动控制指标
2.1综合控制指标
露天开采对土地的扰动强弱主要表现为扰动土地面积的大小；对水环境的扰动强弱主要表现为地下水疏干的范围大小，基本上与扰动土地的面积大小相当；对大气的扰动强弱主要表现为粉尘等污染物的排放量大小，而粉尘量的大小主要与产尘面积有关，可由采场和排土场的扰动范围近似替代；对生态环境的扰动强弱主要表现为生态系统结构和功能的改变，改变的程度与扰动区域的面积有关且呈正相关。为了便于评估矿田开发在矿业权设置、规划设计、建设施工和闭坑阶段对生态环境的扰动，笔者提出一个统一的系数来表征露天开采对环境的扰动强弱，此系数即为“扰动系数”（DisturbanceCoefficient，DC），DC的计算方法见式（2）。
式中，DCt为露天矿t时期的扰动系数，m2/kt；Seft为露天矿t时期的采掘场面积，m2；Sodt为露天矿t时期的排土场面积，m2；Qct为露天矿t时期的采煤量，t。该系数简便易行，数据易于获得，克服了以往其它评价指标体系指标数量多、数据难获取、指标叠加影响大、指标权重难确定等问题，是反映露天矿开发对环境扰动程度强弱的全新综合指标。
2.2分类控制指标
2.2.1水环境的扰动控制指标
为了保障露天矿开采作业的安全和高效，需要对矿区的地下水进行疏干排放，从而扰动了地下水的径流结构，形成的降落漏斗会造成矿坑周围土地的沙化。同时，排土场的煤矸石经过大气降水淋溶，有害元素随淋溶水汇入地表水，渗入地下含水层，导致水体污染。另外还有坑内汇水排放污染地表水体的情况。可采用地下水疏干强度（DewateringIntensity，DWI）表征露天开采过程中对地下水的扰动强弱，DWI的计算方法见式（3）；采用水污染物当量排放强度（EmissionIntensityofPollutionWater，EIPW）表征露天开采过程中污水排放对水体的扰动程度，EIPW的计算方法见式（4）。
式中，DWIt为露天矿t时期的地下水疏干强度，m3/kt；Qdwt为露天矿t时期的疏干水量，m3。
式中，EIPWt为露天矿t时期的水污染物当量排放强度，kg/t；Wet为露天矿t时期的水污染物排放当量数，kg；Wij为第i个生产环节第j种水污染物的实际排放量，t；wj为第j种水污染物的当量值，取值标准见《中华人民共和国环境保护税法》，kg；m为水污染物种类数；n为露天矿生产环节个数。
2.2.2大气环境的扰动控制指标
露天开采各生产环节均有粉尘排放的问题，虽然近年来大部分矿山已经采取了有效的除尘、抑尘措施，但是仍有相当一部分中小矿山对此控制不够。另外，露天开采过程中需要投入大量的燃油设备，还会产生废气排放的问题。因粉尘排放问题是露天开采扰动大气环境的最主要方面，其它污染物所占比重较小且种类较多，所以，可采用粉尘排放强度（DustE-missionIntensity，DEI）表征露天开采对大气的扰动程度，DEI的计算方法见式（5）。
式中，DEIt为露天矿t时期的粉尘排放强度，kg/kt；Wdt为露天矿t时期的粉尘排放总量，kg；wit为露天矿t时期第i个生产环节的产尘量，kg。
结束语
我国露天煤炭事业历经百年发展，在规划设计、矿山建设、工艺技术、开采装备、安全生产及生态重构等各方面都取得了空前的成就。从露天开采对环境的扰动行为和控制理论研究结果可知，为了将露天开采对生态环境的扰动降到最小，在一个矿田中应尽可能少的划分矿区。大矿田、大矿区、大规模、大设备、大转化、多股权将是露天矿山实现绿色、安全、高效发展的必由之路。
参考文献：
［1］王家臣，王忠鑫，王卫卫，等．露天矿开采扰动效应：概念、特征与评价指标体系框架［J］．煤炭学报，2017，42（S2）：295－301．
［2］王家臣，刘峰，王蕾．煤炭科学开采与开采科学［J］．煤炭学报，2016，41（11）：2651－2660．
论文作者:奚小虎
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第23期
论文发表时间:2019/7/22
标签：露天矿论文; 露天论文; 生态环境论文; 矿区论文; 环境论文; 时期论文; 矿山论文; 《建筑模拟》2019年第23期论文;