0 引 言
我国煤炭资源“西多东少、北裕南瘠”，与水资源呈逆向分布[1]。2020年西北地区原煤产量约占全国的60%，而水资源量仅占全国的3.9%。大规模、高强度开采煤矿不可避免对矿区周围水资源、生态环境、煤水赋存关系及赋存的地质结构产生扰动影响，同时诱发地表生态损伤、地下水系统破坏、矸石排放、地面沉降等，加剧了向旱生植被演变、土壤盐渍化或沙漠化等生态环境负效应。西北干旱半干旱地区生态环境脆弱、水资源匮乏，资源、环境与区域经济发展矛盾尤为突出，研究适宜的“保水采煤”技术、建立“以水定产”煤-水协调开发新模式是绿色开采的重点[2]。
绿色开采度是指在煤炭开发过程中通过绿色开采技术对矸石排放、地下水破坏、瓦斯排放、土地破坏等环境负外部效应的减小程度，是对矿井绿色开采程度和实施效果进行定量评价的指标。钱鸣高等[3-4]、许家林等[5]基于绿色开发理念系统的阐述了煤矿绿色开采技术框架体系。
依据“安全、绿色、高效、可持续、开放、共享”特征，王旭东[6]提出了新时代煤炭行业高质量发展的评价指标体系。王国法等[7]以煤矿水文地质条件、开采技术参数、开采效率、建设基础为要素，建立了智能化煤矿分级评价指标体系与评价方法。张建民等[8]将传统的采矿系统与生态系统相融合，构建了生态损伤和绿色开采分析模型，定量评价绿色开采水平和效果。
由于自然条件、水资源赋存特征、矿区煤层地质系统、开采方式及开采对周边环境扰动程度等诸多因素的复杂性，目前我国尚未形成一套系统的行之有效的煤-水绿色开发评价体系，存在评价指标不完善、考核指标量化程度低，未体现实时跟踪和动态调整功能等。尤其在西北生态脆弱区，如何科学全面的评价煤-水绿色开采度成为亟待解决的问题。基于源头减损及全生命周期理念，从矿井水资源利用、生态环境保护及煤矿安全生产等角度展开研究，探讨构建实时跟踪和动态调整的煤-水协调绿色开采度评价指标体系，为生态脆弱区绿色矿山建设与综合治理提供依据。
1 煤-水绿色开采理论
1.1 煤矿绿色开采理论技术
钱鸣高等[3-4]、许家林等[5]2003年提出了煤矿绿色开采理念，并系统的阐述了其技术框架。全生命周期绿色开采的基本出发点是防止或尽可能减轻煤炭开采对生态环境和其他资源的损伤，即在最小采动损害情况下取得最大的资源采出率，实现最佳的经济、环境和社会效益。
随着地下水保护意识的加强，对待矿井水逐步由“防治”转变为调整采煤方法控制导水裂隙发育的含水层原位保护技术体系。基于源头减损及全生命周期理念，从开采源头考虑煤共伴生资源与环境的保护与开发，建立“煤矿全生命周期绿色开采”科学开发模式。以煤炭资源与水资源共采为例，开采前(规划设计阶段)识别降水-地表水-地下水-矿井水转化机制，根据采煤驱动下围岩演化规律、裂隙分布规律和渗流场演化特征，研究设计“保水采煤”技术参数与方案[9-12]，控制岩层与地表沉陷。开采中(建设生产阶段)，充分利用煤矿涌水量动态预测与控制技术，避免发生突水事故；矿井水油污染处理技术，实现矿井水资源化利用，一定程度上实现“煤水共采”；探索充填采煤技术[13-15]，实现矸石资源化利用。开采后(闭坑治理阶段)对破坏含水层进行治理修复[16-18]，力求恢复至原始生态赋存状态。
1.2 煤矿绿色开采评价指标体系
2017年，充分考虑煤炭资源的自然禀赋特点，王佟等建立了绿色煤炭资源评价指标体系[19]，按绿色优先开发、非绿色可开发、非绿色难开发、难动用4个等级开展定量评价。2019年8月，国家发展改革委、生态环境部及工业和信息化部联合制定了《煤炭采选业清洁生产评价指标体系》，将清洁生产指标分为生产工艺及装备指标、资源能源消耗指标、资源综合利用指标、生态环境指标、清洁生产管理指标五类。依据煤炭行业高质量发展的“安全、绿色、高效、可持续、开放、共享”6大特征，2020年王旭东提出了新时代煤炭行业高质量发展的评价指标体系。
水资源影响下的煤炭资源开采系统评价重点强调煤炭资源的地质赋存特点、开采规模和经济社会效益3个维度。综合考虑不同区域(矿区)资源环境条件复杂、问题多样，采用的绿色开采技术模式侧重点不同，针对西北生态脆弱区，绿色开采度考核重点在“保水采煤”，考核其“以水定产”的实现程度。构建煤-水绿色开发评价指标与模型时，需体现绿色开发的综合效益，从资源、环境、经济效益等多方面开展全方位评价。
1.3 煤-水绿色开采评价指标体系
煤矿开采造成的采空区及覆岩裂缝导致了矿区水资源量的减少和水质污染(图1)。同时，采煤引起的采场覆岩裂缝及地表破坏引发了水土流失、土壤退化等[20]，最终影响到地表植被及农作物。
图1 煤矿开采对水资源的影响
Fig.1 Impact of coal mining on water resources
考虑西北生态脆弱区水资源承载力特征，以维系矿区生态系统稳定为基准，查阅水资源与能源资源开发利用关联研究、水资源及水生态系统等可持续利用评价、煤炭绿色开采技术的文献分析[21-24]和专家咨询，研究从地质系统、采动系统、自然资源系统、生态环境系统、地质灾害系统和社会经济系统6个方面影响因子构建煤-水绿色开采度评价体系(图2)。基于“全生命周期绿色开采”理论，评价体系可划分规划设计阶段、建设生产阶段和闭坑治理阶段。考虑不同阶段煤矿绿色开采要求不同，考核指标也各有侧重。
D1—D94—煤-水绿色开发评价指标体系的各项指标编号
图2 煤-水协调绿色开采度评价指标体系
Fig.2 Evaluation index system of coal water coordinated green mining degree
煤炭资源与水资源协调开发，不是几个系统间指标的简单叠加，综合考虑各系统间、各指标间的相互影响方式以及影响程度，把煤-水协调开发当做一个整体，根据系统特点和内在联系，将不同指标之间的联系进行明确分析、量化研究，综合把握指标间的相关性、系统结构搭建。
2 基于GT-ANP理论确定指标权重
引入图论(Graph Theory)与网络分析法(Analytic Network Process)，构建GT-ANP模型。研究各指标间的相互关系，兼顾各因素或相邻层次之间的相互影响，利用“超矩阵”对各相互作用并影响的因素进行综合分析得出其混合权重。
综合考虑煤矿开采特点，各指标之间相互影响、相互作用，采用中心性概念来描述判定评价指标体系中的节点重要性，并引入度中心性(DC)、介数中心性(BC)、接近中心性(CC)3个指标作为直接刻画节点中心性的度量指标。
1)度中心性。在无向图中，网络中一个节点与所有其他节点相联系的程度用度中心性来表示。节点的度中心性越高，则该节点的重要性越高。考虑到评价指标网络体系结构复杂，采用消除网络规模影响的公式对度中心性进行计算。计算公式(1)如下
(1)
式中:
为节点i与其他节点的最大直接联系比例；
xij为节点i的度中心性值；g为网络中所有节点个数。
用节点i的度中心性值除以其它
为节点i到其他节点最短平均距离g-1个节点最大可能的连接数，得出与节点i有直接联系的网络节点的比例，用该比例对节点中心性加以描述。比例取值范围为0～1，比例为0时，说明i节点与其他任何节点都无联系，为孤点；比例为1时，说明节点i与网络中任一节点均有联系。用节点i的度中心性值除以其他g-1个节点最大可能的连接数，得出与节点i有直接联系的网络节点的比例，用该比例对节点中心性加以描述。比例取值范围为0～1，当比例为0时，说明i节点与其他任何节点都无联系，为孤点；当比例为1时，说明节点i与网络中任一节点均有联系。
2)介数中心性。介数中心性是指，经过某节点i并且连接节点j与节点k的线路占节点j与k之间线路总数之比。以网络分析角度来看，节点i能够控制节点j与k的交往能力，介数中心性就是以节点i处于节点j和k之间线路上的概率来衡量。计算公式(2)如下
(2)
式中:CABi为节点i介数中心性值；bjk(i)为节点i在连接节点j与节点k的线路上的几率。
3)接近中心性。接近中心性是指每个节点到其他节点最短路程的平均长度。而一个点的接近中心度，以图中该节点与其他节点的捷径距离之和为衡量依据。计算公式(3)如下
(3)
式中：
为节点i到其他节点最短平均距离；
为节点i到其他节点最短距离之和。
由于上述3个参数重要程度不同，因此需要对这3个参数进行权重分配。首先利用三标度法将3个参数对比，构建判断矩阵见表1。
表1 中心性度量指标影响程度
Table 1 Influence degree of centrality measurement index
判断矩阵度中心性DC介数中心性BC接近中心性CC度中心性DC11/33介数中心性BC311/3接近中心性CC1/331
经计算得到一致性比率为0.021 9，认为一致性良好，同时得出各参数权重系数分别为WDC=0.449 8，WBC=0.230 4，WCC=0.319 8。利用Neo4j数据库，采用Cypher图形查询语言对层次关系梳理分析，获得煤矿开发3个阶段6大系统影响因子的权重结果，如图3所示。由图3可知，规划设计阶段，6大系统影响程度较均匀，地质系统、采动系统相对重要，与规划设计阶段保水采煤技术方案设计参数相关。建设生产阶段，采动系统、矿区灾害及生态环境影响程度增加，尤其采动系统影响最大，与开采过程中矿井涌水控制技术、突水防治、充填采煤及资源化利用技术等更为相关。闭坑治理阶段，自然和生态环境系统影响程度较大，主要与含水层修复、生态环境恢复治理方案等有关。
图3 各阶段主要影响因子权重
Fig.3 Weight results of main influencing factors
3 应用案例
3.1 煤矿概况
以陕西省榆横矿区北部大海则煤矿为例，如图4所示。大海则煤矿位于毛乌素沙漠南缘，该区气候干燥、少雨多风，生态环境脆弱，植被发育良好，属于沙生植被生态序列。大海则煤矿煤层巨厚，且埋深较浅，层位稳定、倾角接近水平。矿区水文地质条件简单，直接充水含水层为碎屑岩类裂隙孔隙含水层，补给条件差，隔水层稳定性好。围岩基本为陆相碎屑沉积岩，局部地段易产生矿山地质问题。煤矿设计规模15.0 Mt，主采2号煤层(埋深547.95～654.95 m)厚度6.19 m，可采储量78.08 Mt。
图4 大海则煤矿地理位置示意
Fig.4 Geographical location of Dahaize Coal Mine
3.2 基于GT—ANP模型的构建
大海则煤矿处于规划设计阶段。采用规划设计阶段的评价指标体系进行评价。系统从上到下共4层，A层为目标，即煤-水绿色开采度；B、C、D层分别为准则层(6)、子准则层(17)、指标层(33)。根据指标间内在关系，建立各指标间的关系矩阵，结构如图5所示。
图5 层次结构示意
Fig.5 Schematic of hierarchical structure
3.3 指标量化
实现评价结果的量化分析，是学界重视的问题之一。研究规划设计阶段选取的33项评价指标由定量与定性2类构成。选取合理的量化分析方法和建立普适性量化方程是关键环节。
定量指标属数值型指标，但由于各煤矿地质条件、管理体制及部分定量指标采用的计量标准不同，使各评价指标的权重不具有可比性。本次查阅现行发布的国家、地方分级标准或文献计算方法将各定量指标划分4个等级。定性指标难以直接用数值描述，为客观、准确的量化定性指标，通过实地调研，综合考虑指标性质、特点、变化规律等进行判断识别，采用模糊语言确定，参考已发布标准或文献将定性指标划分3个等级。通过以上分级量化方法最终获得统一的评价等级(表2)。经量化计算分析，大海则煤矿绿色开采度为0.838 9，按照等级划(表2)分属于“优良”，一定程度上实现了煤水共采。
表2 大海侧煤矿规划设计阶段评价指标量化
Table 2 Evaluation index quantification in planning and design stage of Dahaize Coal Mine
系统指标现状评价等级划定评价标准/文献地质矿床水文地质条件简单ⅠGB 12719—1991和MT/T 1091—2008矿床围岩及岩体结构简单ⅠDZ/T 0223—2011矿山地质环境影响程度分级表(含水层因素)较轻ⅠDZ/T 0223—2011隔水层位置一般ⅡMT/T 1197—2020,鄂尔多斯盆地侏罗系煤田保水开采技术与应用,隔水土层孔隙水压畸变与顶板突水灾变的时空响应特征模拟研究煤层埋藏深度分类表中层ⅡDZ/T 0216—2020煤层厚度厚煤层ⅠMT/T 1197—2020煤层倾角简单ⅠMT/T 1197—2020煤层稳定程度简单ⅠMT/T1197—2020保水采煤环境工程地质模式类型环境友好型Ⅰ生态脆弱区保水采煤矿井(区)等级类型自然水资源承载能力承载力一般Ⅳ基于生态优先的水资源承载力分源评价及应用———以河北保定平原为例煤层气利用率/%瓦斯涌出量0.16 m3/min,未达综合利用水平—GB/T 28754—2012涌水量/(m3·h-1)4 480ⅢGB/T 22205—2008瓦斯类型简单ⅠMT/T 1197—2020采动系统工作面采出率/%93ⅡHJ 446—2008设备出动率/%100ⅠHJ 446—2008矿山地质环境影响程度分级表(采空区因素)简单IDZ/T 0223—2011电力消耗量/(kW·h·t-1)20ⅡHJ 446—2008水资源消耗量/(m3·t-1)0.2ⅠDB61/T 943—2020含水层距裂隙带顶端距离/m(裂隙发育高度)未导通上覆含水层ⅠGB/T 22205—2008工作面宽度/m300ⅠGB/T 22205—2008生态系统矸石利用率/%100塌陷土地治理率/%85沙漠化轻度石漠化植被覆盖情况低覆盖度土壤侵蚀轻度矿井水利用率/%水资源短缺地区100一般水资源矿区—水资源丰富矿区—水质复杂矿区—生态控制水位/m1.70～8.43ⅠHJ 446—2008ⅡHJ 446—2008Ⅱ西部重点煤矿区土地退化的影响因素及其评估Ⅲ西部重点煤矿区土地退化的影响因素及其评估Ⅱ西部重点煤矿区土地退化的影响因素及其评估ⅠHJ 446—2008Ⅳ中深部煤层开采对地表生态环境的影响及修复提升途径研究,西北干旱区地下水生态功能评价指标体系构建与应用,基于“生态水位-水质-水源地”协同作用的地下水环境风险评价方法研究地质灾害受影响人数/人危害程度小(≤10人)ⅠDZ/T 0286—2015地裂缝发育程度中等ⅡDZ/T 0286—2015地面沉降深度/m中等(3.92 m)ⅡDZ/T 0286—2015破坏土地面积较轻ⅠDZ/T 0223—2011社会影响搬迁移民安置率/%95.60Ⅰ地方搬迁移民政策煤矿开发对社会经济影响程度较严重ⅡDZ/T 0223—2011
大海则煤矿201盘区设计采用一次采全高大采高采煤法，工作面控制采用全垮落法。规划开采过程将煤矸石用于井下废弃联络道的填充与矿区周围土地整平，煤矸石利用率100%。该矿井疏干水高浊、高硬度，规划建设3级处理系统，采用“分级分质+时空协同+智能调配”的综合利用技术[23]，矿井水利用率达到100%，污废水无外排。同时，采用边开采边修复理念、技术，煤矿塌陷土地复垦率保持在85%左右。综上所述，大海则煤矿设计开采方案、治理恢复方案较合理，达到了一部分保水采煤效果，认为本次评价结果合理，即构建的煤-水绿色开采度评价指标体系基本可以客观反映西北生态脆弱区煤碳资源与水资源协同开发特征。
表3 煤-水绿色开采度评价等价划分
Table 3 Equivalent division of coal water green mining degree evaluation
评价等级不合格合格良好优异隶属度0.6～0.70.7～0.80.8～0.9≥0.9
4 结 论
1)煤-水协调是绿色开采研究领域的前沿课题，实现西北生态脆弱区煤-水协调开发，应综合考虑地质、采动、自然资源、生态环境、地质灾害和社会经济等6个系统多影响因子相互作用。
2)“煤矿全生命周期”的不同开采阶段，各系统影响程度不同。规划设计阶段，地质、采动系统相对重要；建设生产阶段，采动、矿区灾害影响程度增加；闭坑治理阶段，自然和生态环境系统影响程度较大。因此，构建煤-水绿色开采度评价指标体系应基于“煤矿全生命周期”理论。
3)煤-水资源协调开发，应考虑各系统间、各指标间的相互影响方式及影响程度，将不同指标之间的联系进行量化研究，综合把握各指标间的相关性，系统结构搭建评价。
4)评价体系的指标由定量、定性2类构成。由于各煤矿地质条件、管理体制及定量指标采用的计算标准不同，使得各指标权重不具有可比性；定性指标难以直接用数值描述。因此，选取合理的量化分析方法、建立普适性量化方程是客观、准确量化指标的关键环节。
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