0 引 言
煤炭是我国的主体能源，一直占我国能源生产和消费总量的60%左右。 据国家统计局《中华人民共和国2019 年国民经济和社会发展统计公报》，2019 年全国原煤产量达到38.5 亿t，比2018 年增长4.0%。 煤炭工业的可持续发展维系着国家的能源安全。 新疆的煤炭预测储量2.19 万亿t，占全国预测储量的40%以上[1]。 近年来新疆原煤产量逐年上升，2017 年达到 1.67 亿 t，2018 年达到 1.90 亿 t，全国省(区)排名由 2015 年的第 6 位上升至 2018年的第4 位。 国家能源“十三五”发展规划提出，新疆为国家5 大综合能源基地，同时又是14 个大型煤炭基地之一，14 个大型煤炭基地生产能力将达到全国95%以上，可以预见新疆煤炭资源的开发与利用在我国未来能源供应中起着举足轻重的地位。 在东部煤矿区资源量大幅减少的背景下，新疆已成为我国重要的能源接替区和战略能源储备区[2]。
大规模煤炭资源开采与干旱脆弱生态环境的空间耦合将会诱发日益严峻的社会、环境问题。 我国西部干旱区煤炭地下开采对植被、土壤水、地下水、土壤质量等关键环境要素的影响取得了一些研究进展[3]。 新疆地区煤炭开采引起的生态环境问题逐渐引起关注。 侯凤兰等[4]指出煤炭资源的大规模开发势必会导致地形地貌改变、地表植被破坏、生物多样性减少、水资源枯竭、水土流失加剧等一系列问题，加剧生态环境保护的压力，因此加强煤炭开采的生态环境保护工作已是当务之急。 侯艳军等[5]指出露天煤矿开采主要导致地表景观破坏(即地形地貌和土地利用的变化)、大气、土壤、水环境、声环境质量的变化和生物群落的破坏，尤其是对植被和土壤微生物的影响，并提出了一些对策。 张紫昭等[6]以新疆地区17 个煤矿的88 个评价单元作为学习样本，建立了新疆地区煤矿地质环境影响程度评价模型，采用回归估计方法对模型进行检验，符合率达96.6%。 将该评价模型应用到新疆科尔克煤矿，对该煤矿的9 个评价单元进行地质环境影响程度评价，结果表明，该评价指标体系和评价模型对新疆地区煤矿地质环境影响程度评价具有一定的参考价值，在实际应用过程中可作为规范评价的一个有力补充。
国内外煤炭开采对生态环境的影响与控制相关研究主要集中在采矿影响环境的传递规律、环境影响因素、绿色开采技术以及损伤环境的修复治理等方面。 前3 个方面的研究都直接为提出保护性开发技术或策略服务，后者也可从后治理过程反思开发过程的科学性。 我国过去的煤炭生产与消费集中在中东部地区及晋陕蒙接壤地区，已经积累的煤炭开发与生态环境保护的做法不完全适用于新疆地区的煤炭开发与生态环境保护。 新疆地理环境特殊，与中东部地区及晋陕蒙接壤地区存在较大的差异，特别是煤炭赋存条件及脆弱的地表生态环境，亟需有针对性地加强适合新疆生态环境条件下煤炭资源保护性开发与环境效应研究，为国家能源战略西移提供必要的理论支撑。
1 新疆煤矿区生态环境与煤炭资源赋存特征
1.1 煤田地质特征
新疆的煤炭资源成煤年代多为中侏罗纪，煤层层数多、厚度大、分布广，聚煤盆地主要有准噶尔盆地、伊犁盆地、塔里木盆地、吐哈盆地。 主要含煤盆地后期构造变形微弱，开采条件优越。 煤层巨厚，如准东煤田单层煤厚平均达71.85 m。 煤层变质程度低，以低阶烟煤为主，其次是中、高阶烟煤。 煤层顶底板岩性多为中硬～中硬以下，少部分达到硬岩，解理裂隙较发育，上部松散，深部较完整。 新疆煤炭资源的空间分布不均衡、不匹配的现象比较突出，呈现出“北多南少”的态势。 据现有的开采矿区揭示的灾害现象看，产生冲击矿压的采深明显小于东部矿区。 新疆煤矿的水文地质条件也不同于东部地区[7]。 新疆聚煤区构造褶皱和断裂系统均可打通地质体孔隙结构之间的联系，为流动介质提供运移通道，构造形迹与含水系统之间关系十分密切，如在构造复杂区及断层端部或两翼，地层富水性的概率就较大。 奇台山字型前弧两冀反射弧外侧北东东向的结构面，向西南方向撒开。 博格达山区冰雪融水和降水渗入补给乌鲁木齐一带的地下水，形成前述断裂破碎带的富水源泉。
1.2 生态环境特征
新疆属于典型的温带大陆性干旱气候，降水稀少、蒸发强烈，年均降水量154.8 mm。 水资源时空分布极不均衡，资源性和工程性缺水并存。 新疆土地资源丰富，全区农林牧可直接利用土地面积6 666.7 万hm2，占全国农林牧宜用土地面积的1/10以上。 天然草原面积占全区面积的34.4%，是全国五大牧区之一。 新疆煤矿区自然生态环境脆弱，煤炭资源开发与开采产生的生态环境问题也具有特殊性。 新疆准东、吐哈、伊犁、库拜、和什托洛盖5 个主要煤田，除伊犁地区降雨较充沛外，其他4 个煤田自然条件普遍恶劣，降雨量极少，蒸发量极大，严重干旱缺水，多属荒漠戈壁，植被稀少，生态脆弱，采动损伤后恢复难度大。 在干旱缺水、缺土和植被稀疏的大背景下，还有一些珍稀植物和野生动物生境需要保护，生态环境脆弱易毁，一旦损毁恢复难度极大。
1.3 新疆煤炭资源开采方式
由于新疆吐哈、准东、伊犁、库拜、和什托洛盖五大煤田的地形地貌、覆岩结构、水文地质及煤层赋存条件等存在差异，与东部矿区更不同，其先进的开采技术以及设备均表现出局限性[8]。 新疆煤炭资源开采有以下3 个特点：①新疆露天开采比例大，露天矿山数量占全国露天煤矿数量的近40%，产量占全国露天煤矿产量的30%[9]；②特厚煤层开采采取了分层放顶煤的开采工艺；③在新疆地区，属于急倾斜易自燃煤层的煤矿有100 多个[10]，约占新疆煤矿总数量的30%，是我国开采急倾斜煤层较多的地区。
2 新疆煤炭资源开采的环境效应
2.1 煤炭资源开发与自然生态环境的相容性
任何一个地区的人类活动都不应超过生态环境容量或承载能力，煤炭资源开发活动也不例外。 而煤矿区的人类活动除了煤炭资源开发活动外还有其他产业和人类活动也要占用一定的环境容量，因此，煤炭资源开发活动只能占用其允许的那一部分环境容量，其数学原理模型见式(1)—式(3)。
式中：Ecm为煤炭开发活动对环境容量的占用量；变量ms 为开采强度参数，md 为开采方式；Ecp-m为煤炭开发活动可占用环境容量；Ec-others 为其他产业与人类活动对环境容量的占用量；Ec-total为各类自然生态环境要素e1，e2，…，ei构成的生态环境总容量。
科学分析煤炭资源开发与自然生态环境的相容性关键问题在于，如何计算一个区域总的环境容量，以及煤炭资源开发活动及其他产业与人类活动对环境的占用量。 区域总的环境容量与多环境要素及其相互作用有关，对新疆煤炭资源赋存区域而言，水资源与水环境、土壤资源、植物资源等是非常重要的。煤炭资源开发活动对环境容量的占用与开发强度、开采方式有关。 2018 年新疆煤炭产量达到1.9 亿t，开发强度与晋陕蒙接壤区相比，开发强度不算大；开发方式包括开采方法及煤炭资源利用方式，露天开采与地下开采单位原煤所占用的环境容量是不一样的，采出的煤炭资源利用方式不同，占用的环境容量也不同。 不同的开采方法及煤炭资源利用方式对环境容量的占用与煤炭开采量和利用量并不成正比，即开采或利用2 亿t 和开采或利用1 亿t 煤炭所占用的环境容量并不是2 倍的关系。
2.2 采矿方式影响生态要素及系统的可逆性
煤炭开发开采活动会对多个生态要素产生影响，如水文循环、植被生长、土壤特性等，当煤炭开发这一外力施加在这一生态系统上，各个要素都会产生不同的响应，有的可以恢复，有的无法恢复，需要关注的是系统能否恢复，能恢复就是可逆的，不能恢复就是不可逆的。 采矿对生态系统的扰动如图1 所示，各子系统或生态要素受扰动后状态会发生变化，且各个子系统之间状态的变化还存在相互影响，进而使大系统的状态发生改变。
决定矿区生态系统的可逆性可用生态系统恢复力表征，需要说明的是，生态系统的恢复力并不仅取决于各个要素的恢复力，还取决于各要素之间的相互作用。 生态系统恢复力测度的方法主要有阈值方法、替代指标法和实验方法，阈值方法应用最为广泛。 阈值方法必须满足 2 个假设条件，即生态系统必须表现出替代性稳定状态和能识别关键的控制变量[11]。 如鄂尔多斯煤炭资源开采导致地下水位下降，笔者研究发现地下潜水埋深3.2 m 和8.0 m 为2个不同的阈值，当低于3.2 m 之后，沟谷地区的湿生植被演替为旱生植被； 当低于8.0 m 之后，旱生植被演替为沙生植被，土地覆盖格局发生演替；从区域性植被指数与土壤含水率的相互关系来看，生长季土壤含水率8%为影响该区域植被生长的拐点，土壤含水率大于8%表现为区域植被系统具有较好的自修复能力[12]。 土壤含水率与地下水位、土壤特性、大气降水、植被覆盖等多因素有关，因此生态系统的恢复力不仅取决于各个因素，还取决于这些因素间的相互作用。 新疆的情况有其特殊性，多数矿山处在戈壁沙漠中心或边缘，植被稀疏、水资源极度匮乏，在原始荒漠中还有野生保护动物，如黄羊等，煤炭开采一旦破坏了这些野生动物的生境，将是难以逆转的。 图2 是本课题组2015 年在新疆库拜矿区调研时拍摄到的国家二级保护动物黄羊。
图1 煤炭开采对生态系统的扰动
Fig.1 Disturbances of coal mining to ecosystem
图2 新疆库拜矿区煤炭开采与矿区的黄羊
Fig.2 Coal mining and a running Mongolian gazelle in Kubai Mining Area，Xinjiang
2.3 考虑资源环境价值的煤炭资源的可采性
煤炭资源的可采性是新疆煤炭资源开发决策亟需回答的问题，它与资源环境价值、采矿技术进步、能源需求等多个因素有关，这些因素也都随时间变化。 之所以出现矿井建设已具备生产条件而不能按照设计产能投产，既是由担心大规模开发带来生态环境无法修复而造成的，更重要的是市场因素决定的。 因此评价新疆煤炭资源的可采性，既要对环境价值做出科学评价，又要对资源价值做出客观评价。而环境价值与环境的稀缺性和人们的认识水平、支付意愿以及发展阶段有关，资源价值受供需关系、采矿成本等因素影响，开发方式与开采方法和采矿技术的进步影响着采矿成本，能源需求和替代能源的有无与多少影响着供需关系。 煤炭资源可采性的影响因素可归结为图3。
图3 煤炭资源可采性影响因素
Fig.3 Influencing factors of coal resource minability
由图3 可看出，煤炭资源开发战略、开发方式及开采方法的选择是一个受多维因素影响，这些因素又处于动态变化的系统工程问题。 系统动力学是一门研究信息反馈的科学，能够将系统内的各个因素有效地组织起来，并对它们之间的相互作用与关系进行全面的分析，从而为科学判断提供有力的依据。高杰[13]利用系统动力学研究了薄煤层资源可采性(图4)。 因此系统动力学模型可为新疆煤炭资源开发战略选择及煤炭资源的可采性评价提供有效的工具。
图4 煤炭资源开发战略选择的系统动力学模型[13]
Fig.4 The system dynamics model of coal resource development strategy selection[13]
3 新疆煤炭资源与生态环境协调开发的基本问题
3.1 煤炭资源与生态环境协调开采研究进展
现有采矿影响环境的传递规律研究认为一切采矿产生的环境影响根源在于覆岩的破坏与原岩的力学平衡被打破。 井工开采影响环境的传递过程是开采煤炭—岩层破断—地表沉陷—植被损伤—生态退化，露天开采的影响传递顺序为清理地表植被—剥离排弃表土—剥离排弃岩层—采出煤炭—生态退化，在此过程中需要疏干地下水。 井工开采沉陷的规律、露天矿岩土剥离及边坡稳定性的研究是传统的研究方向，并形成了较为成熟的理论方法[12]。 但是传统的理论主要服务于安全高效地采出矿产资源，没有考虑环境保护，直至1996 年，钱鸣高院士提出了关键层理论，认为采场上覆岩层的变形、破断、离层和地表沉陷等一系列矿压显现规律主要由坚硬岩层中的关键层控制，才使得采场矿压、岩层移动和地表沉陷等方面的研究有机地统一成一个整体，为绿色开采或煤炭资源与环境协调开采奠定了基础[14-16]。 但是迄今为止，采矿活动对环境，尤其是对生态系统的影响传递规律研究尚不充分[12，17-19]。
采矿影响环境的因素是多样的，但是现有的研究集中在对水环境、土壤环境、大气环境、景观生态、地质环境、植物及其多样性、人类健康的影响等方面[20-26]。 普遍认为水是众多环境因素中最为关键的因素[27-31]。 煤矿开采造成的地下水资源的破坏和流失，取决于非饱和带与地下水之间的水力联系。若在开采之前地下水位深度大于植物根系可利用的深度时，采矿引起的地下水位下降对植物生长的影响较小。 如果地下水位埋深较浅，在采矿之前可用于植物生长，那么采矿将对植物生长产生显著影响[30，32]。 采矿引起地下水位下降，在停止采矿活动和地下水开采后，基于长期的外界补给，地下水位能够得到一定程度的恢复，但是恢复可能需要数年，在干旱和半干旱区域地下水位的恢复耗时则会显著延长；矿井排水造成的地下水位降低若是由地层断裂带造成，则一般不会恢复。 由于煤炭开采引起地形地貌的改变，露天矿排土场形成堆垫地貌、采场形成深坑，井工开采形成塌陷盆地和地裂缝，必然对地表径流产生较大影响。 煤炭开采产生的沉降、地裂缝、滑坡等次生地质灾害也不容忽视[24，33]，其直接或间接地影响到土壤微生物以及地表植被群落的组成、分布、丰富度以及覆盖度，并进一步在景观生态尺度的基质稳定、斑块和廊道的连通性以及整体景观生态功能方面造成整体性和区域性的影响，有造成区域整体生态类型和相关产业逐步退化和消亡的风险[25，34-39]。 综上所述，受采矿影响的环境因素之间的综合作用的研究还很不充分，如矿区生态系统退化、采矿次生地质灾害的诱因及其相互作用机制等。
煤炭绿色开采由我国采矿学家钱鸣高院士提出，已得到世界采矿界的广泛认同，并已成为保护性开发的主要研究方向。 煤炭绿色开采的理论基础是开采后岩层中的关键层运动形成的节理裂隙与离层规律以及瓦斯与地下水在破断岩层中的渗流规律。绿色开采技术是从广义资源的角度上重新认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的资源，防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响，以取得最佳的经济效益和社会效益为目标，其中，实现对岩层移动的控制是绿色开采的根本任务[40]。 新疆丰富的煤炭资源和恶劣的风沙环境是一个完整的系统，为此有学者提出了煤矿绿色开采与沙漠综合治理的互补性设想，提出以沙漠沙为主要原材料，对煤炭资源实施充填开采，一方面可从根本上控制采煤引发的岩层移动，避免地下水系和地表环境遭到破坏，从而实现煤炭绿色开采；另一方面通过科学采沙减少沙源，矿井水的资源化利用增加水源，可以有效地遏制土地沙化[41]。 充填开采最符合绿色开采的各项要求，但实施充填开采之前必须解决好充填体积量与充填料供应量、采矿生产能力与充填生产能力、充填成本与采矿效益这 3 个采充均衡问题[18，42-44]。 面对煤炭开采所带来的种种环境和生态问题，矿区环境治理与生态修复方面的理论研究和技术研发也得到了很好的发展，如针对半干旱地区提出的自然修复、人工引导型自修复等[12，45]。
3.2 新疆煤炭资源保护性开发的基本问题
新疆资源保护性开发是目前我国各大煤矿区研究最不充分的一个地区。 研究的不充分性主要表现在以下3 个方面。
1)影响采矿后环境变化的地质条件与特征不明。 影响采后环境变化的煤炭资源赋存因素包括地质构造、覆岩与围岩性质、关键层识别、含水层分布等。 以水文地质特征研究为例，就目前的认知，新疆各煤田含(导)水介质主要是空隙和裂隙2 大类，由于对含水、隔水、透水层划分不准，很容易造成含水层类型及其特征描述不明；由于新疆地广人稀，通常出现矿区范围小于水文地质单元，从而对地下水径流与补给条件揭示不清。
2)煤炭开采引起覆岩活动与地质灾害规律不清。 不同的构造、不同的岩性、不同的煤层赋存条件、不同的采煤方法导致上覆岩层破断及次生地质灾害的类型、程度、范围都是不一样的。 单就地下采矿方法而言，新疆就采取了内地从未采用的方法，如分层放顶煤方法，如果考虑新疆多种类型的煤炭资源赋存条件，如不同的构造及岩性等，采矿引起的覆岩破断、岩层运动与变形传递、次生地质灾害就更具特殊性。 目前因缺乏深入研究而对其规律性认识不清。
3)煤炭开发与环境的相容性以及可采性不确定。 尽管关于城市或特定区域的环境承载力和环境容量已有一些研究成果[46-47]，但是矿产资源开发区域的环境承载力、环境容量以及矿产资源开发开采活动产生的环境压力尚无成熟的定量评价方法；而资源是否具有开采价值不仅取决于技术经济条件，还取决于资源环境价值及其变化。 现有的研究成果，虽然已经提出资源与环境协调开采，但是尚无科学的方法评判是否协调，与环境的相容性及可采性无判断标准。
4 新疆煤炭资源与生态环境协调开发的基础研究建议
目前，新疆区域环境容量对煤炭资源开发规模与布局已形成倒逼机制，与环境容量不相匹配的煤炭开发方式必须退出。 因此，开展新疆煤炭资源保护性开发与环境效应研究，是优化煤炭产业布局、制定合理的煤炭开发规划、选择合适的开采方式、因地制宜划定生态红线的需要，同时对加大矿区生态环境保护力度，研究推广矿山绿色开采技术，促进自治区煤炭产业可持续发展，保证区域经济健康发展具有重要的现实意义。 为此笔者提出以下建议研究内容：
1)从煤田聚煤规律、煤系岩层胶结成岩特征、煤田构造运动特征、聚煤区水文循环与转换特征、采矿扰动与水文循环、水文地球化学过程变化等方面深化新疆煤田地质条件研究，结合自然生态环境与土地利用特征，划分出新疆煤炭资源-水资源-自然生态环境组合类型，为干旱聚煤区煤炭开发扰动水文循环与水环境预测提供依据。
2)从煤田环境背景调查、环境承载力与环境容量计算、不同开发方式占用环境容量的计算、生态环境脆弱性评价、生态系统退化过程、关键环境因子的可逆性及其阈值判定等方面深化新疆煤田生态环境研究，建立煤炭资源开发强度与规模的分析模型，为采矿占用环境容量的计算与生态系统损伤的可逆性判据的提出提供依据。
3)加强井工开采方式引起的覆岩运动与开采沉陷规律，露天开采引起的土壤退化、粉尘传播及水环境破坏机理研究，揭示矿区地质环境灾害的形成机理，划分煤炭开采诱发地质环境灾害类型，总结诱发地质环境灾害的因素，提出各种井工开采方式和露天开采方式的适用条件，为提出适合新疆地质环境条件的煤炭开采方式和采矿工艺提供依据。
4)从宏观层面的开发视角与细观层面的开采视角，研究新疆煤炭资源开发的战略选择与开采技术选择。 从新疆煤炭资源可采性评价出发，对新疆煤炭资源远、中、近期可开发范围、禁止开发范围和保护性开发范围进行划定；从减轻采矿环境损伤程度、约束采矿影响的空间扩散、缩短开采影响时长的采矿措施对开发强度与开采方法进行优化；综合考虑资源环境价值与技术经济条件对新疆煤炭资源可采性作出评价，综合考虑自然环境背景、环境要素损伤与生态系统退化特征，多资源协同开发与利用、多环境要素协同保护，为提出新疆煤炭资源的开发战略和开发方式提供依据。
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