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分布式矿区生态集成体系建设研究 ① 于晓燕1， 鞠 萍2， 任一鑫1， 刘丽莹1 （1.山东科技大学，山东 青岛 266590； 2.青岛黄海学院，山东 青岛 266427） 摘 要 以协同、集成理论为指导，分析高温丰水矿区资源丰富但利用率不高的问题，构建以矿区为依托、生态有机农业为发展目 标、土地为基础、种养殖为核心、水生态处理⁃利用为纽带、能源利用和肥料利用为辅助的分布式矿区生态集成体系；在对资源特性 及利用领域进行分析的基础上，构建生态土地复垦利用、水资源生态处理及利用、生态养殖种植、能源利用、有机肥加工 5 个子系 统，对各系统的特征、作用以及关系进行研究与界定，对功能进行划分，利用集成原理将其有机整合，并对体系运行进行分析。 该体 系通过内部与外部循环（矿业与农业循环是外部，生态农业自身为内部循环）协同运行，有效利用煤炭生产活动及生态农业自身产 生的静脉资源，为矿区生态建设及经济发展开辟新的路径。 关键词 高温丰水矿区； 矿区复垦； 矿区水资源； 生态集成体系； 矿区生态 中图分类号 F407文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253－6099.2019.06.037 文章编号 0253－6099（2019）06－0151－05 Construction of a Distributed Eco⁃integration System for Mining Areas YU Xiao⁃yan1， JU Ping2， SU Hai⁃yang1， Ren Yi⁃xin1 （1.Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， China；2.Qingdao Huanghai College， Qingdao 266427， Shandong， China） Abstract Guided by synergy and integration theories， problems and causes of low resource⁃utilization rate in the mining areas with high temperature and abundance water resources were analyzed and a distributed eco⁃integration system was constructed. The organic farming is planned to be developed based on the miner soil by farming and breeding industries， processing on⁃site water resources for ecological utilization of energy and fertilizers. Based on the analysis of resources characteristics and application areas， five subsystems are constructed， including ecological land reclamation and utilization， ecological water resource processing and recycling， ecological farming， energy utilization， and organic fertilizer processing. Based on the research and definition of their characteristics， functions and the interrelations， those five sub⁃systems are integrated by using the synergy theory. After the analysis of the cooperation of internal circulation （among ecological agriculture） and external circulation （between mining and agriculture）， it is found that this system can effectively utilize venous resources produced by coal production activities and ecological agriculture， which opens up a new path to ecological and economic development in mining areas. Key words mining area with high temperature and abundance water resources； mine reclamation； water resources； eco⁃integration system； mining ecology 我国高温丰水矿区煤矸石、煤泥、粉煤灰、土地、 水、余热资源丰富，但综合利用程度低，给矿区生态环 境建设带来了一定困难，也影响着矿区经济的可持续 发展。 本文以矿区协同发展为思路，以集成为视角，利 用矿区优势，构建矿区生态集成体系，推动矿区可持续 发展及生态建设的顺利进行。 1 高温丰水矿区资源赋存和利用现状 高温丰水矿区资源处理技术手段和利用现状如 表 1 所示。 由表 1 可知，矿区资源利用存在以下问题 1） 土地资源废弃严重，整合性不足。 煤炭开采对 矿区地质构造、地貌、地下水循环系统、自然植被等破 ①收稿日期 2019－06－14 作者简介 于晓燕（1978－），女，山东青岛人，讲师，博士，主要从事安全经济、循环经济方面的研究。 第 39 卷第 6 期 2019 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №6 December 2019 万方数据 表 1 高温丰水矿区资源类型及利用情况 资源种类类型技术手段利用手段 土地资源塌陷区、非建筑区生态复垦、台田农业 农田、鱼塘、水生养殖种植区、陆生养殖 种植区、观光湿地 能源资源 电能、余热、地热、风能、太阳能、生物 质能、煤层气 水源热泵、地源热泵、风力发电机组、 太阳能电板、沼气池 温室供暖、洗浴照明、沼气、生产生活 水资源矿井水、生活污水、工业废水、地表水 井下处理、井上化学处理、生态处理、 标准化处理 防尘、绿化、生活、家畜用水、工业用水、 农业用水、服务业用水 其他闲置资源 煤矸石、煤泥、粉煤灰、闲置劳动力、闲 置房屋 集中处理、收集利用、指派服务 制砖、发电、共享服务、温室建筑、景观园 林、旅游观光 坏严重［1－2］，煤矸石、粉煤灰、煤泥等堆放产生严重污 染，大量土地资源荒芜闲置，区位优势低，利用难度大。 部分矿区尝试进行塌陷区复垦与利用，但没有达到预 期的效果。 2） 水资源利用重视不够，缺乏系统设计。 矿区对 水资源利用重视程度不够、审批管理不统一、分级处理 缺乏系统配套、污水排放随意性大，矿区各单位在水处 理利用方面往往单独进行，尚未实现处理、储备、利用、 回收的一体化运行，有必要进行系统性设计和管理。 3） 能源综合利用水平有待提高。 矿区能源开发 利用过于孤立，消费顺序不科学，能源消费结构有待完 善［3］。 电、煤是矿区利用的常规能源，但其储量有限、 不可再生，且易造成污染；新能源清洁无污染，再生能 力强，但能量密度低、技术要求高、投入成本大；其他闲 置资源（如煤矸石、煤泥、余热等）浪费严重。 4） 矿区经济发展相对滞后。 矿区一般远离城市， 属于一种独立的经济系统，关联度低，未形成协调统一 的整体，难以产生集聚效应、规模效应、辐射效应和共 享效应。 矿区经济长期处于滞后状态，无法带动当地 经济的繁荣发展。 2 分布式矿区生态集成体系的构建 分布式矿区生态集成体系旨在建立内外循环（外 部循环指矿业与农业，内部循环指农业内部）体系，实 现动脉资源、静脉资源的充分利用，并达到在利用中处 理、在处理中利用的目的，通过体系耦合运行实现矿区 生态的协同发展。 2.1 体系构成 该体系包括土地生态复垦利用系统、水资源生态 处理及利用系统、生态种养殖系统、能源加工利用系统 和有机肥加工利用系统五大系统。 2.1.1 土地生态复垦利用系统 该系统结合高温丰水矿区特点进行构建利用台 田方式对土地进行治理，低处挖深形成水塘，高处垫 高，形成台田；台田之间、池塘之间用渠道连通，并与外 部水系连通，形成半封闭生态系统。 通过土地复垦利 用煤矸石、粉煤灰及建筑垃圾等资源，降低这些资源对 生态环境的影响。 该模式以建设“土壤⁃植被⁃水”三方 综合互馈系统为核心，实行土壤改良、植被恢复、“水 养”供给三步走［4］，提高土地资源的利用效率。 2.1.2 水资源生态处理及利用系统 该系统依据水资源种类、水质和用途的差异，对各 类水资源进行集成分析，以生物桶原理作指导，建立温 室，利用水生生物等进行水处理，利用池塘进行水储备 与调节，实现水资源的循环利用。 该系统集水收集⁃处 理⁃储备调节⁃利用为一体，其中，矿井水、生活污水和 工业废水是主要研究和处理部分，地表水、雨水等作为 辅助部分。 2.1.3 生态种植养殖系统 该系统主要包括水生、陆生生物的种养殖。 养殖 种植耐受力强并具有净水能力的水生动物，利用他们 的调解、降解和吸收能力，完成水资源的净化处理和储 备调节。 陆生动物种养殖消纳矿区产生的部分有机资 源，收获农产品。 具体来说，建设温室，按照矿井水 浑浊程度、污染状况，养殖种植不同等级、科属层次、 种群的生物，建立复杂程度不同的生物链，依次形成 初级、中级和高级生态池，收集、处理、利用水资源； 陆生生物的生长利用煤矸石、粉煤灰、煤泥、树叶、秸 秆、水、余热、粪便等资源，为矿区静脉资源利用开辟 途径。 2.1.4 能源加工利用系统 该系统充分利用各种能源（工业余热、太阳能、风 能、地热能等），依据“温度对口，梯级利用”的原理［5］， 结合矿区能源及其利用领域的特点，以替代、互补、组 合、层级、梯级利用为方法，构建能源集成体系，实现余 热、风能等的综合利用。 2.1.5 有机肥加工利用系统 有机肥加工利用主要包括堆肥、沼气等方式。 该 系统利用的固废包括四部分① 水塘、沉淀池产生的 固废，如淤泥等；② 种养殖产生的副产品与废弃物，如 秸秆和杂草等；③ 加工产生的下脚料，如麸皮、果壳 等；④ 矿区产生的粉煤灰、煤矸石及生活固废等。 该 251矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 系统以农业发展需要为目标，建立有机肥生产设施、沼 气生产设施，生产有机肥供生态农业使用，做到废弃物 不外流、污染物不外排。 2.2 体系框架构建 分布式矿区生态集成体系如图 1 所示，其基本思 路是以生态化有机农业为目标、以矿区为依托、以土 地复垦利用系统为基础、以生态种养殖为核心、以水资 源生态处理利用为纽带、以能源加工利用和有机肥利 用为辅助进行构建，通过系统元素的改进和各子系统 的有机结合，构建一个各系统要素互联、互动的统一 体，在保证低成本低投入的情况下，实现矿区资源的最 优配置和矿区生态的协同发展。 沉淀池 矿井水 标淮化处理 外域水循环 标淮化处理 陆生养殖 服务业用水 标淮化处理 高污染业 生态处理池 种植、养殖 矿井水储备池 种植、养殖 水库 种植、养殖 矿井水 一级处理 矿井水 二级处理 自然处理池 种植、养殖 生态处理池 种植、养殖 自然处理池 种植、养殖 生活水储备池 种植、养殖 1 3 工业用水工业废水 陆生种植 生活用水 生活污水 生态处理池 种植、养殖 自然处理池 种植、养殖 绿化 洒水 除尘 2 雨水地表水 图 1 分布式矿区生态集成体系 3 分布式矿区生态集成体系的运行 该体系包括五大子系统，每个系统在各自稳定运 行的同时，彼此互补、协同运行，达到集成体系的整体 最优，实现经济效益、生态效益和社会效益多赢［6］。 3.1 土地复垦利用系统的运行 该系统是集成体系运行的基础。 采矿活动使土地 构造、地貌、地下水循环系统等遭受破坏，因此复垦利 用应从生态恢复和塌陷区治理开始。 土地流转后可利 用相关技术及方法对土地进行复垦，具体做法是利用 台田法进行改造，即低处深挖、高处垫高，构成池塘与 陆地交错的水网体系；然后依据地理位置及需要，把池 塘分为矿井水生态净化处理区、生活污水净化处理区、 工业废水处理区、水资源深度处理区、自然水聚集区、 中水储备区等，各区域用沟渠连通，并与外部水域连 通。 陆地划分为设施农业区（温室、大棚等）、有机传 统农业区、农产品加工区、有机肥生产区（堆肥与沼 气），并建立道路、灌溉、排污等基础设施，实现土地的 生态化利用。 矿区土地塌陷根据稳定程度可划分为稳定区与非 稳定区。 稳定区可建立永久性生态发展区域，重点发 展设施农业及产品加工等；非稳定区主要发展传统农 业，只建临时性的基础设施。 塌陷区治理需要修建道 路、水坝及填充等工作，这些工程为煤矸石、粉煤灰、建 筑垃圾的利用提供了途径，解决了煤矸石、粉煤灰占地 和污染环境的问题。 煤矸石、粉煤灰和煤泥灰中多种 富含钾、磷、镁、钼、硫、钙等矿质元素，能够用以改良塌 陷区的土壤结构和肥力，为植物生长提供了丰富的养 分。 根据塌陷程度将严重区建成水资源储备调节区， 中度区建成水生养殖种植区域，轻微区改造成台田区 域，未积水区可改造成陆生农业用地。 矿区台田及非 塌陷区的陆地部分可充当生态种植、养殖场，或作为工 业、生活或景观的用地；台田及塌陷区深挖部分服务于 水处理和水储备系统。 该系统可与水资源生态利用系 统、生态种养殖集成系统协同构建人造水资源处理储 备池和温室系统，为矿区生态发展奠定基础。 3.2 水资源生态处理利用系统的运行 该系统作为整个体系运行的纽带，贯穿所有资源 整合利用的每一个环节，将各子系统联系在一起。 矿 区水资源主要来源于 5 个部分，其中矿井水、生活污水 和工业废水作为主要研究和处理部分，地表水和雨水 作为辅助部分。 351第 6 期于晓燕等 分布式矿区生态集成体系建设研究 万方数据 1） 矿井水处理利用遵循层级利用的原则，依据 水质与用途进行分配。 其中，老塘水属于清水，经过初 步处理直接作为井下作业用水，多余部分直接输送到 地面，经过温室净化后，进行深度处理，用作生活用水。 产生的浊水首先经过井下初步处理，然后利用水源热 泵提出携带的热量，最后进入温室处理系统进行净化， 再依据用途进行处理，分配到相关领域。 浊水通过一 级处理，可用于工业用水或农业养殖种植及加工，也可 用于绿化及工业广场洒水用，条件允许时可用作景观 用水。 清水通过二级处理达到国内用水标准，可作为 矿区的生活用水和服务业用水。 2） 生活污水处理利用生活污水收集进入“温室 处理系统”，经过生物净化，通过水渠汇入生活用水储 备池，用于绿化、洒水或矿井工作面除尘等，形成一个 完整的系统内循环。 3） 工业废水处理利用工业废水依据污染程度可 分为高污染水和轻微污染水，前者经物理化学方法处 理后流入生态系统，形成产业内循环。 后者直接通过 “温室处理系统”的生态处理池净化后使用。 最后，矿区利用现有地形优势，建立一定量的储备 池来储备待用水资源，区外水资源及区内雨水、地表水 可与水资源储备池相连通，通过闸门调节，丰水季和缺 水季进行人工干预，保证矿区需水平衡。 3.3 生态种养殖系统的运行 该系统包括陆生种养殖、水生种养殖和产品加工。 通过水生动物和微生物的种养殖达到净化处理水资源 的目的。 通过陆生动物的种养殖、肥料加工基地、产品 加工基地的建立开发利用土地资源。 1） 生态水生系统的运行该系统设施主要由六个 子系统（矿井水水生温室处理、生活污水生态温室处 理、工业废水处理、温室养殖、传统水生养殖种植、水上 娱乐）构成。 水生动植物的种养殖包括四类生长吸 收类（在极差的环境中生存繁殖并对水中的有害物质 有一定吸收效果）、涵养水源类（具有净化水质的作 用）、生态平衡维护类（构建完整生态网，帮助生态系 统正常运行和循环）、经济类生物（为矿区投资带来回 报，又不至于让水中所含有益营养元素流失）。 系统 应按需将四类不同的动物、微生物、植物放养或种植到 不同区域，在处理中利用、在利用中处理，通过其生长 活动达到水资源处理、净化、储备、调节和利用之目的， 并收获水生动植物等产品。 2） 生态陆生系统的运行陆生动植物的种养殖以 发展生态农业为目标，根据地域特征及动植物类型不 同，以设施农业和传统农业相结合的方式，利用有机农 业、白色农业、微生物农业等现代农业技术进行种养 植。 其功能是充分利用矿区的水、土地、能源、固废等 资源及净化矿区空气质量。 生态水生系统的运行实现了水资源收集、处理、储 备调节、利用为一体的目标；生态陆生系统的运行在利 用水资源、土地资源、能源资源的同时，其本身形成循 环（以种植、加工产生的副产品作为养殖的原料，而养 殖产生的固废也可作为种植的原料）。 生态种养殖不 仅在系统内形成循环（水生系统中产生的淤泥和副产 品可作为陆生种养殖的肥料，而陆生系统的部分副产 品，如植物秸秆、沼渣等可作为水生种养殖的原料）， 也与系统外的煤炭生产形成循环，如煤矸石、煤泥、粉 煤灰、矿井水、建筑垃圾及余热等利用，同时为煤矿生 活提供各种农副产品。 3.4 能源加工利用系统的运行 能源加工利用作为集成体系的推动力，以多能互 补，“温度对口，梯级利用”为原则［5］，依据矿区各类耗 能领域的特点、重要程度，进行分等级配置、安排能源 利用领域，保证能源的有效利用。 该系统运行主要包 括 3 方面 1） 矿区能源的综合利用。 通过相关技术对生产 产生的余热、瓦斯、煤泥等，矿井水携带的热能、势能 等，乏风携带的热能等进行收集与储备［7－8］，用于矿区 生活和工业活动、温室系统中的养殖种植和生态处理、 产品的加工（如烘干、发酵）等，在寒冷时维持沼气池 和堆肥设施的运行。 2） 新能源的有效利用。 运用太阳能、风能、生物 质能发电，或直接进行采暖、制冷，为生产、温室的正常 运行提供保障。 3） 矿区生产的余热利用。 电厂、煤化工、焦化、设 施设备运行等产生的余热和乏风携带的热能等除了用 于矿区采暖、制冷、井口防冻等，应重点应用于生态农 业生产及农产品加工。 3.5 有机肥加工利用系统的运行 有机肥生产系统是系统产生固废利用的核心，主 要为生态农业提供绿色无害的肥料。 矿区有机肥主要 包括陆生水生种植产生的秸秆等，水处理、净化产生的 固废，水生动物排放的粪便（以淤泥形式出现）、陆生 养殖产生的粪便，农产品加工产生的固废，煤矿产生的 煤矸石、煤泥、粉煤灰，居民产生的生活垃圾等。 该系 统应按照层级利用原理，根据资源及需求特点进行配 置，最终构建固废利用的集成体系。 该体系中需求和 要求最高的是生态养殖系统，因此秸秆、加工副产品等 资源首先应该满足陆生、水生养殖的需要，然后满足种 植的需要。 种植主要需要有机肥，但肥料生产也应该 依据层级原理进行，首先满足沼气生产需要，主要是秸 秆、粪便、加工产生的下脚料等，适当利用小量淤泥，其 次是用作堆肥的原料，条件成熟直接用作有机肥，如粉 451矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 煤灰、煤泥、草木灰等。 沼气池产生的沼气用作能源， 产生的沼渣、沼液既可用于水生养殖、陆生养殖的饲 料，也能用作陆生种植的有机肥；堆肥产生的肥料主要 供陆生种植使用。 最后，矿区煤矸石占煤炭产量的 15％～20％［9］，其 他尾矿废弃物，例如煤泥、粉煤灰、煤泥灰也数量巨大， 在整个系统中循环利用意义重大。 其中含碳量低的白 矸石可直接用来填充土地，改良土壤，含碳量高的黑矸 石和煤泥可直接利用热能发电，白矸石和发热量低无 法作热源的黑矸石也可以进行加工，生产成矸石砖、空 心砖、矸石水泥等建筑材料。 另外，粉煤灰和煤泥灰可 直接制成钙镁磷肥或者煤灰复合肥，或者与沼气结合 制成其他有机肥，用于改良土壤，也可以用于生产粉煤 灰水泥、煤泥灰水泥和混凝土等建筑材料。 这些尾矿 废物生产的建筑材料既可以正常建筑施工和筑路，也 可用于井下回填和塌陷区填充，达到了保护环境节约 土地的目的。 3.6 五大子系统的协调运行 依据集成理论，五大子系统既有相对独立性，又相 互嵌套、互为辅助。 土地复垦利用是条件，为其他系统 的构建及运行创造基础；生态种养殖系统是核心，体系 内每一项活动，如水资源收集、净化、处理、储备、利用 等都围绕它展开，而固废、能源的利用以陆生种养植为 主要领域。 该系统起到处理净化水资源、利用固废等 资源、吸收温室气体及尘埃的作用，还可收获农产品， 安置就业和稳定社会；水生态处理利用系统是纽带，水 的流动（包括收集、净化、处理、储备、利用等）将五大 系统及单元联系在一起。 水处理系统利用复垦治理的 土地，通过温室、池塘中的动植物和微生物进行水的净 化与处理，用于储备调节的池塘在种植水生植物、养殖 水生动物的同时，也为陆生种养殖、绿化、防尘等提供 水源，深度处理后也可满足生活、工业及服务业之需。 有机肥加工利用系统作为辅助，可利用固废、副产品、 下脚料等，为该体系提供肥料，为养殖提供给饲料，同 时将其他系统（水处理、种养殖、能源、生产、生活等） 产生的废弃物加工成有机肥，供种养殖使用，产生的沼 气等能源供其他系统使用。 能源利用系统起辅助、服 务作用，为系统保温、工业加工、土地治理、水处理、种 养殖、有机肥生产提供动力。 有机肥加工系统与能源 利用系统具有互助关系，而两者产生的能源和有机肥 又可帮助水陆生生物的种养殖。 4 结 论 分布式矿区生态集成体系是通过资源配置的集成 优化而构建的矿区一体化发展生态体系。 五大系统的 协同运行推动了集成体系的高效运行和资源能源的高 效利用，实现了水资源、固废、能源等资源的循环利用 和最优配置。 通过处理⁃开发⁃利用一体化发展，使原 先无收益的末端处理转变为有收益的利用处理，能调 动社会各界治理环境的积极性，为矿区生态建设和发 展提供了新的思路与方法。 参考文献 ［1］ 田 超，曾凡勇，谢水波，等. 煤矿矿区生态恢复研究实践 以 耒阳石界煤矿为例［J］. 南华大学学报（自然科学版）， 2012，26 （4）25－30. ［2］ 尹伶俐，张芹芹. 煤矿塌陷区的治理对策分析［J］. 绿色科技， 2011（1）93－94. ［3］ 任一鑫，曾宪迪，张士强. 煤炭矿区能源集成利用方式研究［J］. 矿冶工程， 2013，33（4）123－126. ［4］ 吴 杰. 基于园林景观改造的生态化农业示范园构建实践及规 划 以司马矿区为研究对象［J］. 中国农业资源与区划， 2017， 38（4）148－153. ［5］ 任一鑫，曾宪迪，张士强，等. 滨湖煤矿能源集成利用研究［J］. 中 国煤炭， 2013，39（2）111－115. ［6］ 唐晓城，张 伟，任一鑫，等. 煤炭矿区能源集成利用体系研究［J］. 矿冶工程， 2014，34（1）110－114. ［7］ 倪深海，彭岳津，张 楠，等. 面向园区的煤矿矿井水利用产业链 模式研究［J］. 能源与环保， 2019（3）113－116. ［8］ 刘 涛，宣永梅. 低温余热回收方式及其适用性［J］. 广州化工， 2013，41（5）183－185. ［9］ 徐 莉，余红伟，徐 晟. 煤矸石综合利用投入产出模型［J］. 技 术经济， 2012，31（8）105－110. 引用本文 于晓燕，鞠 萍，任一鑫，等. 分布式矿区生态集成体系建设 研究［J］. 矿冶工程， 2019，39（6）151－155. 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