山西省关停矿山的绿色转型发展能力评价研究

张百胜，杨永康，孙 洁

(太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024)

近年来，随着经济发展进入新常态，我国大力推动供给侧改革，开展煤炭去产能，优化产业经济结构。随着煤炭去产能工作的深入推进，形成了大量的关停煤矿。关停矿山赋存有大量闲置资源，对闲置资源进行开发利用，培育发展替代产业，推进关停矿山绿色转型发展，对促进山西资源型地区经济转型和高质量发展具有重大的意义。

早在20世纪，国外就进行了关停矿山再利用的研究与实践，主要集中在欧美发达国家。如德国的鲁尔矿区是资源型城市转型的典范，该地区在关停煤矿区域创建了独具特色的鲁尔工业文化区[1]；美国南达科他州布莱克山废弃金矿的地下空间被用于提供粒子物理前沿领域的暗物质直接探测实验等重大研究课题所需要的深地低辐射环境[2]。亚洲范围内，韩国的SONG et al[3-4]通过对韩国部分废弃矿井的实力研究，评估了废弃矿洞发展风力发电、光伏发电的潜力，以此进一步探索利用可再生能源实现废弃矿区可持续发展的可能性。

国内关停矿山转型发展的研究和实践成果逐渐增多，指导了山西关停矿山的转型发展。袁亮系统阐述了我国关停矿山资源开发利用需解决的科学技术问题，并在此基础上提出我国关停矿山资源精准开发的主要方向，包括调研可利用空间资源、残余煤炭气化利用、非常规天然气开发利用、矿井水资源智能精准开发、油气储存与放射性废物处理、地下空间抽水蓄能发电、可再生能源开发利用、生态修复与接续产业培育以及工业旅游开发等[5]；谢和平调研了我国煤矿地下空间容量，建立了煤矿地下空间的估算方法，并系统提出了矿产资源再利用、地热资源利用、太空科学模拟、心理学科学探索等地下空间开发利用的构想[6]；汪秋菊对废弃矿区旅游开发条件进行了研究，建立了主成分分析模型，得出了中国废弃矿区旅游开发环境省域差异较大，从空间分布格局上来说，东部最好、东北次之、中部第三、西部最弱[7]。

我国在关停矿山开发利用实践方面已取得一定进展，部分较成功的案例如表1所示。全国已建成很多著名的矿山地质公园，比较著名的有4A级景区湖北黄石国家矿山公园、上海辰山植物园矿坑花园、江苏象山国家地质公园等，这类基于废弃矿山转型的公园普遍具有较强的工业遗迹文化及历史特色，便于实现对采煤技术的探索及发现。我国淮南矿区经过实地调查、开采沉陷预测和理论分析的前提下，结合矿区的有利条件，把塌陷区改建成蓄水水库。江苏常州的金坛地区，成功将3口废弃盐岩溶腔改造成地下储气库，形成近5 000万m3的工作气量[5]。特别值得一提的是利用废弃的采石矿坑建成的上海世茂深坑洲际酒店，依附采石深坑崖壁，就势而建，美国国家地理杂志将其称为“世界建筑奇迹”。

表1 国内关停矿山开发利用案例Table 1 Development and utilization cases of mines closed in China

1 山西关停矿山转型发展模式及问题

1.1 转型发展现状及模式

1.1.1转型发展现状

2000年以来，山西省煤炭行业经历了小煤矿关闭整顿、资源整合、兼并重组以及去产能等数次改革后，煤矿数量从9 800余座逐步减少至如今的970座，详见图1、图2。矿井关闭或废弃后，仍赋存着多种巨量的可利用资源。根据谢和平院士等人构建的山西省煤矿规模与其井巷可利用地下空间量的比例系数[6]，结合山西省政府发布的煤炭行业化解过剩产能关闭退出煤矿名单计算得出，2016年至2019年4年间，山西省关停煤矿共产生1 005.6万m3的地下空间。山西省具有开发利用价值的煤炭采空区面积大约有2 052 km2，残余可利用的煤层气资源量大约为726亿m3[8].此外关停煤矿区域还具有丰富的矿井水资源、地热资源、土地资源和旅游资源等。山西省关停矿山转型发展尚处于起步阶段，目前实践较少，模式主要集中在矿山公园建设、煤层气开发利用、压缩空气储能电站以及光伏电站建设方面，如表2所示。

表2 山西省关停矿山开发利用案例Table 2 Development and utilization cases of mines closed in Shanxi province

图1 山西省煤矿数量变化Fig.1 Quantity change of coal mines in Shanxi province

图2 十三五期间山西省关闭退出煤矿情况Fig.2 Closure and withdrawal of coal mines in Shanxi province during the 13th Five Year Plan

1.1.2绿色转型发展模式研究

1)旅游+文化，构建综合型旅游景区

在山西省旅游业连年增长，形势向好的背景下，将关停矿山与旅游产业结合，以关停矿山生态修复为依托，将山西文化与废弃资源利用相结合，通过保护和展示采矿、地质遗迹、生态景观修复与提升，开发休闲体验旅游项目，打造具有当地文化特色的矿山公园，构建功能丰富的综合型旅游区，同时带动周边资源的优化利用，配合山西已形成的旅游资源，建立有山西资源特色的文化、工业、生态旅游路线，塑造新旅游品牌。

2)井下抽水蓄能、压缩空气蓄能(CAES)电站

井下抽水蓄能、压缩空气蓄能电站主要是利用广阔的井下空间储存水或者压缩空气，将机械能转化为电能发电，不产生环境污染，对生态环境十分友好。

抽水蓄能发电站的工作原理是：当电力负荷低谷时，用电能驱动水泵，将下水库的水抽到上水库存储，蓄积重力势能；当电力负荷高峰时，上水库根据电网调度计划规律性放水，水借助地势差冲到下水库，重力势能驱动水轮机转动再次转化为电能。抽水蓄能工程必须具有两个不同高程的水库，即上水库和下水库，对关停煤矿来说，建设抽水蓄能电站有着得天独厚的优势。对井下巷道和采空区进行防漏处理，改造井下坝体，即可建成地下水库，而地下水库与地面有充足的高程差，非常适合作为下水库，高水位差使得在枯水期上水库水位较低时也不影响发电。

压缩空气蓄能电站的工作原理是：当电力负荷低谷时，通过压缩空气蓄能系统，利用电能将空气压缩并储存于固定的储气室中；当电力负荷高峰时释放空气，高压空气进入燃气轮机燃烧后驱动汽轮机输出电能。压缩空气蓄能电站必须要固定的空间来储存压缩空气，同时需要利用压缩空气蓄能系统，包括压气机、储气装置、燃烧室及换热器、涡轮机以及电动机。压缩空气蓄能电站具有启动时间短、储存周期长、投资和运行成本较低、安全和可靠性高等优点。废弃矿井改造压缩空气蓄能电站的技术要点在于，第一对关停煤矿地下闲置硐室壁进行加固密封，提高硐室密封性，形成地下密闭空间作为压缩空气储藏空间；第二考虑关停煤矿存在瓦斯及地下水等对压缩空气的影响，需要安装瓦斯抽取装置、瓦斯浓度传感器以及抽水水泵并设置储水槽。另外还需安装测压装置和恒温加热装置以提高压缩空气的能量。

井下抽水蓄能、压缩空气蓄能电站不占用土地，可以为开发者省去基础设施投资，仅需要对储水/储气空间进行防漏、加固处理和购置设备，节约大量建设资金，并且能够通过国家峰谷电价差政策获得可观的经济收益。

3)生态光伏(PV)

山西省光照充沛，关停矿山有大面积的闲置土地资源，根据其地理位置和地质条件情况，可将生态恢复治理与关停矿山的开发利用结合起来同时一地多用，建设光伏电站，合理嫁接复耕复农等农业项目，光农互补，实现一举多得的综合开发利用转型模式。

关停矿山生态光伏电站的基本思路为：对土地进行综合治理，创造适宜农垦的地质条件；利用广阔的土地面积布置太阳能电板；布置光伏组件时预留给农业种植、养殖需要的空间；光伏电站建设完成后，选择适宜的农作物进行种植；可配合光伏带动水泵进行灌溉。图3为关停矿山的生态光伏思路示意图。

图3 关停煤矿生态光伏示意图Fig.3 Schematic diagram of ecological photovolt in closed mine

4)煤层气(CBM)综合利用

废弃矿井煤层气综合开发利用的关键是实现从已停止开采的煤矿井筒中抽取煤层气并开发利用。井下瓦斯抽放、地面垂直开采等技术在我国已经比较成熟，关停矿井的煤层气开发还处在发展之中，现阶段以地面抽采为主。采动裂隙是废弃矿井煤层气赋存的基本条件[9]，煤矿关停后，煤层气抽采不再受煤炭生产的制约，可操作性大幅增加。煤层气的利用渠道包括工业、商业、交通等行业以及城乡居民生产生活，利用方式包括瓦斯发电、压缩天然气(compressed natural gas，CNG)、液化天然气(liquefied natural gas，LNG)、化工燃料、汽车燃气等。

5)矿井水地热能开发利用工程

将关停煤矿矿井水与矿井深部地热能资源结合开发利用，建设矿井水地热能开发利用工程，可为周边建筑物提供洗浴用水和采暖制冷功能。首先需要对关停煤矿地热能资源的赋存状况进行调查，根据资源赋存情况来制定矿井水地热能综合利用方案。其次建立抽水井和矿井水抽采输送管道，通过资源化利用系统进行热能的提取和释放，我国应用比较成熟的地热资源化技术包括HEMS系统和水源热泵系统。

利用矿井水地热能开发利用工程实现“空调”功能，可大大降低碳排放，基于功能实现的载体，这一模式适合在城市周边进行利用，并可为构建的地下城市配套设施服务。

6)地下城市配套设施

城市土地资源日益紧张，对山西省来说，可探索结合近郊的关停煤矿建设地下城市配套设施，缓解地面压力。关停煤矿建设开发地下城市配套设施对关停煤矿的位置要求较高，开发利用需要解决安全问题，与城乡规划相结合。在太原市近郊关停煤矿科学规划，在地下设置立体停车库、图书馆、疗养院、会议中心、音乐厅等城市配套设施，促使关停煤矿的地下空间得到充分利用，在满足城市资源优化转型发展需求的基础上，创建出新颖的地下经济带。

7)地下垃圾处理

工业垃圾和生活垃圾处理一直以来都是城市发展的难题之一，如果不能妥善处理，对生态和环境卫生都会造成破坏性的影响。垃圾处理最常用的方法是填埋。不管是生活垃圾还是工业垃圾，填埋都需要大量的空间，利用关停煤矿大量的地下巷道、硐室空间进行垃圾填埋，可有效缓解土地压力。我国井工矿采深一般在1 200 m之内，单口矿井的地下空间通常可达到上万m3.根据不同垃圾的不同密度，初步计算一口废弃矿井大约可填埋16 000 t普通建筑垃圾，4 885 t压缩后的生活垃圾。利用废弃矿井填埋垃圾，一方面可解决地面环境污染，另一方面还可以对地面沉降起到支撑作用。井下空间用作垃圾处理填埋场地，其关键技术是充填、运输和防污染渗透系统，以保证垃圾的安全处理，不造成二次污染。运输系统可以对矿井原有的架空乘人装置、输送机等提升运输设备加以改造利用，减少前期投资。井下空间还可贮存其他各种形态的物质，将地下巷道想象成地库，可以构建各种适宜的储存系统。

以上转型发展模式都是基于绿色发展的理念，结合山西省的实际情况，综合环境影响、资金投入以及经济效益等因素，对山西关停矿山绿色转型发展模式做出的系统性构建。事实上，每一座关停矿山都因其交通位置、资源赋存条件等因素具有不同的发展潜力，需统一综合情况和个体情况，科学规划，统筹安排，积极创新，选择可持续发展的绿色转型发展模式。这就要求建立发展能力评价模型来对关停矿山情况进行评价，为关停矿山企业科学选择绿色转型发展模式提供决策依据。

1.2 山西关停矿山转型发展存在的问题

1.2.1实施力度不足

随着废弃矿井数量的增多和资源转型的推进，山西省煤炭企业废弃矿井再利用的意识开始进步，在关闭煤矿采空区煤层气抽采及关闭矿井的地下、地上空间资源利用效果取得一定成效；但多数矿井仍直接关闭或废弃，并未开展资源的再开发利用。这不仅造成资源的巨大浪费，还有可能诱发后续的安全、环境及社会等问题。

1.2.2转型路线选择难

由于缺乏有效的路线评估手段和理论指导，使得目前大多数关停矿山的转型路线选择缺乏科学性和可持续性，难以择取最佳的转型发展路线。因此现阶段山西关停矿山要想真正走上转型最佳路线，就需明确现阶段资源型经济的转型难题，突破关停矿山转型发展屏障。

1.2.3转型实践缺乏科学的理论指导

目前关停矿山资源型经济绿色转型的研究相对滞后于其转型实践的需要，由于缺乏具体科学理论指导，已有的转型实践还带有一定盲目性，而在研究方法上，已有的研究成果多为叙述性的论述，缺乏可靠的关停矿山绿色转型发展能力评价方法，以进一步研究关停矿山区域产业结构调整升级、经济高质量发展的体制、机制和政策。

2 关停矿山绿色转型发展能力评价模型

关停矿山绿色转型发展能力是一个无法用定量指标分析的复杂系统问题。本文结合德尔菲法、模糊评价法、数理统计等方法，基于AHP层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)为主要结构建立关停矿山绿色转型发展能力评价模型，将复杂系统的决策思维过程模型化和数量化，从而准确评价关停矿山绿色转型发展能力。

2.1 评价指标体系

实现关停矿山绿色转型发展，是由各要素相互联系、相互影响、相互作用的。本文在梳理分析的基础上，结合关停矿山转型发展的特点，从驱动力、压力、状态、效应四个方面构建关停矿山绿色转型发展评价指标体系。评价指标主要是根据项目投资的准则，结合经济和技术方面的专家意见拟定。

1)驱动力指标。顾名思义，是指推动关停矿山绿色转型发展的指标，主要选取政策与行业支持、绿色科技创新、人才激励3个指标。

2)压力指标。压力指标是指直接作用于关停矿山绿色转型发展系统的压力，主要选取资源利用率、安全稳定性、管理先进性、能耗先进性4个指标。

3)状态指标。状态指标是指关停矿山自身所具备的条件，是分析影响指标的基础。主要选取交通位置、资源储量、资源赋存条件3个指标。

4)效应指标。效应是指关停矿山转型发展后带来的影响和结果，主要选取环境友好、经济效益、就业机会、持续发展4个指标。

本文将关停矿山绿色转型发展评价作为目标，将驱动力、压力、状态、影响作为评价准则，另外这4个评价准则下设14个评价指标，构建了一个包括目标层(A)、准则层(B)、指标层(C)的关停矿山绿色转型发展评价指标体系，结合层次分析法，对关停矿山绿色转型发展模式进行评价。评价指标体系如表3所示。

表3 关停矿山绿色转型发展能力评价指标体系Table 3 Evaluation index system green transformation and development of closed mines

2.2 评价模型的构建

2.2.1建立层次结构模型

根据上述指标体系，建立层次结构模型如图4所示。

图4 关停矿山绿色转型发展评价层次结构模型Fig.4 Evaluation hierarchy model of green transformation and development of closed mines

2.2.2构造判断矩阵

判断矩阵的构造：1)基于层次分析法的原理，将关停矿山绿色转型发展能力评价(A)这一复杂问题解析成相互关联的18个因素；2)将相互关联的18个因素根据其特点和重要性进行分层、分类；3)依据分层、分类后的18个相互关联的因素，由矿山及相关专业教师、煤矿行业设计人员、煤矿管理人员、煤矿投资方、工程咨询机构人员和矿山工程专业的硕士生和本科生共计32位专业人士通过问卷调查的形式对各评价指标的重要程度进行判断打分；4)应用标度构造法结合德尔菲法构造判断矩阵。

其中，标度构造法采用1～9度标度法设定比较值，对关停矿山绿色转型发展能力评价准则层(B)和指标层(C)各因素进行两两对比；排定各评价指标的相对优劣顺序。构造判断矩阵时比较值的设定标准如表4所示。

表4 比较值的设定标准Table 4 Standard definition of comparison values

构造各指标层级判断矩阵，量化关停矿山绿色转型发展评价指标，对各指标权重值进行计算并计算特征向量(Wi)、最大特征值(λmax)，计算结果如表5(a)-表5(e)所示。

表5(a) B-A判断矩阵Table 5(a) B-A judgment matrix

表5(b) C-B1判断矩阵Table 5(b) C-B1 judgment matrix

表5(c) C-B2判断矩阵Table 5(c) C-B2 judgment matrix

表5(d) C-B3判断矩阵Table 5(d) C-B3 judgment matrix

表5(e) C-B4判断矩阵Table 5(e) C-B4 judgment matrix

2.2.3指标权重计算及一致性检验

引入随机一致性指标RI值，检验判断矩阵是否有满意的一致性。随机一致性指标(RI)如表6所示，一致性(RC)检验结果如表7所示。

表6 随机一致性指标(RI)Table 6 Random consistency index

表7 单层指标权重值和一致性检验结果Table 7 Weight value of single evaluation index and consistency test

综合以上内容，得出关停矿山绿色转型发展能力评价模型各指标对决策目标的权重，如表8所示。

表8 总权重统计确定表Table 8 Weight value of evaluation index and Consistency test

2.3 评价指标分析

从整体来说，关停矿山绿色转型发展模式的选择，首先要对该模式产生的生态、经济以及社会效益(就业机会)进行测算；其次要对其发展的驱动力进行分析，在技术、人才和政策方面获得支持；并分析关停矿山本身的状态和压力，结合交通位置、资源储量、资源赋存条件和安全、管理、能耗、资源利用率各要素。

根据前述计算结果对14个指标层因素进行排序分类，可以分成3类，如图5所示。第一类是权重大于10%的指标，共有3个指标：环境友好(0.181 7)、持续发展(0.162 5)、绿色科技创新(0.113 3).第二类是权重在5%～8%的指标，共有5个指标：经济效益(0.077 6)、资源储量(0.071 0)、资源赋存条件(0.062 1)、政策与行业支持(0.056 6)、人才激励(0.056 6)、安全稳定性(0.055 5).第三类是权重小于5%的指标，共有五个指标：资源利用率(0.039 4)、能耗先进性(0.032 6)、管理先进性(0.032 6)、就业机会(0.031 2)、交通位置(0.027 1).

图5 评价指标分类排序Fig.5 Ranking of evaluation indexes

环境友好、可持续发展性和绿色技术创新是关停矿山绿色转型发展的首要要素。提高生态环境承载力，实现人与自然的和谐共生，是关停矿山绿色转型发展的本质，是发展的前提和基础，而这一基础需要通过不断创新，对技术进行绿色升级来实现。在生态平衡的前提下追求经济效益的最大化，这是绿色发展的目标所在，因此经济效益是关停矿山绿色转型发展的重要指标。资源储量和资源赋存条件的重要性体现了“因地制宜”的原则，加强资源勘查，充分调研关停矿山可利用资源及其赋存条件，根据其状态探索开发利用技术，是实现关停矿山绿色转型发展的关键。转型发展离不开政策与行业的支持和人才的保障，将人才激励与转型结合起来，才能更好地实现发展。关停矿山有其独特的条件，选择何种发展模式都要保证其安全性。与生态平衡的大前提相比，资源利用率、能耗先进性、管理先进性、就业机会、交通位置等因素可通过技术水平和管理水平的提升来改进，相对权重较低。

3 转型发展案例研究

白家庄矿位于太原市西部吕梁山东麓，距离太原市中心约15 km，井田面积16.149 7 km2，生产能力为100万t/a，低瓦斯矿井，有二号井和南坑两对井口，均为斜井开拓方式，主体企业为西山煤电集团[10]。白家庄矿在山西省煤炭去产能改革中于2016年第一批关闭。安源矿处于晋中市榆次区太行山西缘山脉，位于榆次以西17 km，太原以东22 km处，井田面积3.407 8 km2，生产能力45万t/a，低瓦斯矿井，井田开拓方式为斜井开拓，主体企业为榆次官窑煤业。安源矿于2018年因去产能关闭退出。本文通过实地调研和德尔菲法对其转型发展进行分析。

根据前文构建的关停矿山转型发展模型，对白家庄矿和安源矿进行专家打分，由专家结合实际情况进行打分，将关停矿山绿色转型发展能力各评价指标进行量化，并将量化结果进行线性加权计算，从而得到其发展能力评价得分，如表9所示。

从表9的评价得分可以看出，对于白家庄矿和安源矿来说，构建综合性旅游景区是最适合的转型发展模式。白家庄矿区域内分布有首座现代化矿井旧址、日伪炮楼、火药库等遗迹，离城市中心距离较近，交通便利，通过矿山地质环境恢复治理建设矿山公园，可将自然景观与人文景观融合起来，展示西山悠久的矿业开发历史，构建包含工业遗迹保护、爱国主义教育、绿色生态休闲旅游以及科普教学实习等功能的综合旅游景区。安源矿毗邻AAAA级乌金山国家森林公园和华北最大的欢乐谷乌金山狂欢谷主题公园。选择建设景观公园，可与周边已有的旅游业态集合起来，形成综合性旅游线路，在保护了生态的前提下，以旅游产业获取经济效益。

表9 发展能力评价得分Table 9 Evaluation scores of development ability

4 结束语

关停矿山有其自身独特性，煤炭资源已不能再开发，其绿色转型发展主要是实现产业的绿色转型，因此转型发展的模式选择非常重要，需要科学可靠的决策依据。本文基于现场调研、理论分析等方法研究山西关停矿山转型发展的现状、问题及发展趋势，在此基础上建立了基于AHP层次分析法的关停矿山绿色转型发展评价模型，得出以下主要结论：

1)关停矿山转型发展主要有七种模式，分别是综合型旅游景区、井下抽水蓄能、压缩空气蓄能电站、生态光伏、煤层气综合利用、矿井水地热能开发利用工程、地下城市配套设施以及地下垃圾处理。

2)将关停矿山绿色转型发展能力评价作为目标，将驱动力、压力、状态、影响作为评价准则，构建了一个包括目标层(A)-准则层(B)-指标层(C)的关停矿山绿色转型发展评价指标体系，建立了基于AHP的评价模型。

3)以白家庄矿和安源矿为例对关停矿山转型模式进行评价，目前建设综合旅游景区更适合山西关停矿山实现绿色转型发展。

根据本文基于AHP层次分析法建立的关停矿山绿色转型发展能力评价模型，对关停矿山实现绿色转型发展提出以下几点建议：

1)改善关停矿山区域的生态环境，寻求可持续发展模式，建设生态文明。

2)积极绿色创新，结合关停矿山现存条件，培育替代产业，实现经济效益的产出。

3)以因地制宜为原则，提高管理水平，实现经济、社会、生态和谐发展。