摘 要：在我国大力推进“碳达峰、碳中和”的背景下，加快建设安全、高效、可持续发展的绿色矿山变得尤为迫切。因此，本文以龙王沟煤矿为例，建设了符合龙王沟煤矿的新型绿色矿山模式。笔者首次提出了龙王沟矿产资源生产—煤基固废回填—风光电网建设—生态环境修复—风能光能发电—矿产资源生产的新型绿色矿山资源开发内循环和“采-选-充-控-平-建”一体化的新型绿色矿山建设技术；构建了从煤矸石中提取高岭土，废矸石用于充填采煤沉陷区的煤矸石综合利用模式（实现了经济增益，处理了煤矸石约625.2万t）；建设了清洁、低碳、安全的风光微电网（初步估算平均年上网电量约13924.6万度）；减少了矿井二氧化碳排放量13367.6万千克；治理并利用了采煤沉陷区土地面积1060平方米。龙王沟新型绿色矿山建设大幅提高了矿区土地利用率，缓解了矿井用电压力，减少了二氧化碳排放量，从根源上解决了制约龙王沟煤矿发展的难题，为绿色矿山建设提供了新思路。
关键词：双碳；新型绿色矿山；沉陷区治理；风光微电网；煤矸石
一、龙王沟新型绿色矿山建设构想
龙王沟井田位于鄂尔多斯中部，地广人稀，资源丰富，属于典型的黄土高原地貌。该区域地表大部分被黄土掩盖，植被较少，地势总体西高东低，沟壑纵横。龙王沟煤矿生产能力为10.0Mt/a，预计煤矸石产量可达2.0Mt/a。煤矿正常生产期间的用电多来源于火电，2020年龙王沟煤矿用电量约1.4亿千瓦·时，以每消耗1千瓦·时电量排放0.96千克二氧化碳计算，其二氧化碳排放量约为1.34亿千克。
龙王沟矿区生态系统脆弱，矿产资源开发使得大面积的人造煤矸石山、采煤沉陷区以及大量的地裂缝和塌陷坑存在，对该区域的地质构造环境、水资源环境、大气环境及动物多样性和植被结构造成了不同程度的损害。因此，结合矿区煤矸石量大、采煤塌陷区广和风、光等可再生清洁能源丰富的特点，为有效解决矿山煤矸石堆存和采煤沉陷区修复问题，充分发挥区域可再生资源优势，提高矿区资源综合利用率，推进新能源产业技术进步和矿区产业升级，提出了构建龙王沟新型绿色矿山资源开发内循环和新型绿色矿山建设技术原理。
龙王沟新型绿色矿山资源开发内循环
新型绿色矿山建设技术原理
二、龙王沟新型绿色矿山关键配套技术
煤矸石综合处置及采煤沉陷区治理技术
近年来，国家陆续出台了一系列保护生态环境的相关政策，引导、鼓励煤炭企业开展绿色矿山建设，加强煤炭资源合理开发，提高煤矸石综合利用率。传统的堆矸成山手段已不能满足当前的环保要求。因此，开展煤矸石多元化处理、多领域利用，从单一的原矸石填埋逐步向原矸石有价值矿物提取，废矸石充填的方向进行研究是落实国家能源方针政策，建设新型绿色矿山，保护地区生态环境的必然选择。
煤矸石资源化综合利用
目前对煤矸石的综合利用主要集中在工业应用、化学原料提取、建筑材料制备及农业应用等方面，如图所示。龙王沟煤矿煤矸石综合利用以提取高岭土、充填采空区、回填塌陷区及复垦土地为主。为提高复垦土地利用率，龙王沟煤矿将经过高岭土提取的废矸石用于采空区和塌陷区治理，并在沉陷修复区建设风光微电网，以期实现龙王沟煤矿区域用电自给自足，有效解决煤矸石堆存占用大量土地的难题。
煤矸石综合利用
采煤沉陷区回填
现在主要应用的井下采空区充填技术有膏体充填技术、固体充填技术、高浓度胶结充填技术、高水充填技术和浆体充填技术。膏体、固体、高浓度胶结和高水充填技术虽对地表沉陷控制效果较好，但充填能力不足，不能满足龙王沟煤矿充填处理矸石（120万t/a）的需求，而注浆充填技术与之相比，充填能力大、充填成本较低、地表控制效果较弱但满足风光微电网建设要求。
因此，龙王沟煤矿废矸石采煤沉陷区回填采用的关键技术包括井下采空区浆体充填技术和地表塌陷区煤矸石回填技术。井下采空区浆体充填技术主要涵盖制浆输浆系统、地面充填系统和井下充填系统。结合井下采空区浆体充填技术关键难题的研究，对地面制浆系统布置方案、制浆输送关键参数、制浆输送主要设备选型、采动覆岩空间裂隙模型、覆岩空间三向分布规律、浆体充填系统布置、注浆钻孔实施方案确定、注浆钻孔布置参数确定、浆体充填系统工艺流程以及浆体充填安全保障技术等开展研究，以形成较完备的采煤沉陷区浆体充填综合治理技术，总体研究技术框架如图所示。
采煤沉陷区浆体充填技术研究框架
浆体充填工艺：将废矸石破碎至满足制浆要求粒径，再汇入搅拌池与一定比例的水和外加剂充分混合，制成特定浓度的浆体，进一步利用管道输送系统将其输送至采空区附近，根据工况需求合理选择地面高位注浆、井下邻位注浆和井下低位灌浆的方式将料浆充填至采空区。此外，还需要对地表塌陷区进行废矸石回填，平整地表塌陷坑和地裂缝。上述煤矸石处理方法满足安全、绿色、高效的要求，同时能够实现采场覆岩空间改善，控制岩层二次沉降，确保采煤沉陷修复区的稳定和微电网工程的安全。
三、矿区风光微电网系统建设技术
拟在本采区完成煤炭资源回采后，对地表裂缝和塌陷坑进行回填作业，待以上工序完成，对沉陷修复区地基稳定性进行观测，待修复区地基稳定性满足风光微电网建设需求，在沉陷修复试验区范围内建设风光微电网。
龙王沟煤矿风光微电网主要由光伏系统、风电系统、储能系统以及负载组成。微电网设计负荷容量不小于10kWh，负荷类型为10kV电压用电接入。按当地最小日照辐射量的日照时数和年平均风速，建设发电峰值容量50kWp的光伏发电系统2套，装机容量18MW的风力发电系统1套。此外，还配置储能系统和微电网管理系统，实现矿区微电网供电网络的协调运行，建成包含风、光、控、储、微一体的供电系统。
微电网建设示意图
光伏发电系统
矿区光伏发电系统由DSPV800-200WP太阳能电池组件、DMPV-S7/50K3并网逆变器、光伏阵列防雷汇流箱、直流配电柜以及防雷接地装置组成。设计2套发电峰值容量为50kWp的光伏发电系统，布置2个光伏阵列，每个阵列单元设计为单列16个组件串联，16列支路并联，共计256块太阳能电池组件。根据当地太阳辐射量数据和当地经纬度，光伏组件的方位角取正南方向，设计倾角为15°，光伏电池组件前后排阵列间距1.56米，预计占地面积约1060平方米。
四、绿色矿山建设效果及展望
绿色矿山建设效果
龙王沟煤矿从煤矸石中提取高岭土增加了经济效益；废矸石充填采煤沉陷区处理了煤矸石约652.2万t；矿区微电网建设，初步估算年平均上网电量约13924.6万度，实现矿井二氧化碳减排13367.6万千克。龙王沟建设新型绿色矿山不仅能提高采煤沉陷区土地利用率，有效开发利用当地丰富的风光资源，还可以降低煤炭生产能耗，缓解地区供电压力。龙王沟新型绿色矿山建设模式为矿区煤矸石处理、生态环境保护以及地质灾害防治提供了一种全新的方法。
绿色矿山建设展望
随着大数据、云计算、物联网、人工智能等技术的快速发展，我国矿业领域开创安全、高效、绿色的智能化矿山已成为必然趋势。本文的龙王沟煤矿新型绿色矿山建设模式对促进矿区优化能源结构、保护生态环境和减少碳排放量具有重要意义。未来该新型绿色矿山建设有望从煤炭生产、浆体充填、微电网建设三方面逐步实现智能化。
（1）煤炭生产智能化煤炭生产智能化的实现必须将数字矿山建设与煤炭安全高效生产、创新技术开发、管理模式改革相结合，逐步解决制约煤炭生产智能化的开采装备精确制导、海量数据传输分析、运行参数自主决策、关键设备元件研制、设备故障自主处理等技术短板。
（2）浆体充填智能化浆体充填智能化是将智慧管道技术与煤矸石综合利用技术和煤矸石井下充填技术有机结合。基于现有的多项成熟技术进行优化、改进和集成，补齐智能监测控制系统、故障自诊处理系统、智能钻进装备研制和设备健康智能管理等技术短板，以期实现远程操控，故障自诊、风险预警和一键启停，最大限度地提高系统煤基固废处理效率，减少系统人员配备，降低工作人员劳动强度，增加系统的稳定性和抗风险能力。
（3）微电网建设智能化智能化微电网是将信息技术、计算机技术、通信技术和原有输、配电基础设施高度集成化的新型电网。新型绿色矿山微电网建设有望从实时自动化控制、智能调节、在线分析决策和协同互动与智能化储能技术等方面进行深度结合，通过智能化储能系统和矿区用电实况综合调度管理，实现多能流互补融合、提高能源效率、保障供电安全、减少环境影响、增强供电可靠性、降低输电网电能损耗。
五、结论
1）提出了构建龙王沟煤矿新型绿色矿山资源开发内循环的研究思路和新型绿色矿山建设技术原理，为该区域新型绿色矿山建设提供了一种新思路。
2）通过从原煤矸石中提取高岭土，废矸石充填沉陷区，实现了龙王沟煤矿矸石综合处理，从根源上解决了制约龙王沟煤矿发展的煤矸石堆存问题。
3）龙王沟煤矿建设风光微电网，提高了矿区土地利用率，实现了清洁电能年上网量约13924.6万度，减少了二氧化碳排放13367.6万千克，改善了矿区单一的电能供给模式，解决了矿区用电紧张的难题。
4）对未来新型绿色矿山建设进一步发展，提出了向煤炭生产智能化、浆体充填智能化和微电网建设智能化方向发展的憧憬。
作者：顾成进 ，杨宝贵 ，路绍杰 ，古文哲 ，杨发光
来源：《煤炭科学技术》
