“雙碳”目標(biāo)下煤炭企業(yè)綠色礦山建設(shè)路徑探究

高云飛，王 義，王國青，王一淑，劉海平，陳 靜，梁鼎成，吳鳳簫

(1. 國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719300；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京市海淀區(qū)，100083)

為應(yīng)對全球性的氣候變化和實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出了我國的“雙碳”目標(biāo)，即“力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。當(dāng)前，我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)沒有根本性改變，煤炭仍是我國能源安全的基石，并將在未來很長時間內(nèi)發(fā)揮巨大作用[1-3]。煤炭企業(yè)的綠色礦山建設(shè)是“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的前提與關(guān)鍵[4-5]。

筆者從當(dāng)前形勢下我國煤炭企業(yè)發(fā)展的前景入手，強調(diào)了綠色礦山建設(shè)與煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級間的關(guān)聯(lián)，旨在探究我國煤炭企業(yè)綠色礦山建設(shè)的可能路徑。

1 “雙碳”目標(biāo)下我國煤炭企業(yè)發(fā)展的前景

我國的能源賦存特點決定了石油和天然氣消費高度依賴進口，能源供應(yīng)安全風(fēng)險居高不下。國家統(tǒng)計局發(fā)布的《中華人民共和國2020年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，2020年我國全年煤炭消費量占能源消費總量的56.8%，雖與2019年相比下降0.9個百分點，但未來較長一段時間內(nèi)煤炭依然是我國高碳能源結(jié)構(gòu)的主力軍，扮演兜底保障的功能。實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，推動能源結(jié)構(gòu)整體趨于清潔、低碳，對煤炭行業(yè)將產(chǎn)生深刻影響[3]。

煤炭行業(yè)不斷推動供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，以實現(xiàn)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展?！笆濉币詠?，煤炭行業(yè)不斷淘汰落后產(chǎn)能，建設(shè)先進產(chǎn)能。與2015年相比，2020年全國累積淘汰退出煤礦5 500處左右，退出落后產(chǎn)能10億t/a以上。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，煤炭產(chǎn)能向資源稟賦好、開采條件優(yōu)、生產(chǎn)成本低的中西部產(chǎn)煤區(qū)集中，煤炭產(chǎn)量穩(wěn)中有升，如圖1所示。同時，煤炭企業(yè)戰(zhàn)略性重組步伐加快，神華集團與國電集團合并重組為國家能源投資集團，中煤能源兼并重組國投、保利和中鐵等企業(yè)的煤礦板塊，山西省戰(zhàn)略重組成立晉能控股集團，山東能源集團與兗礦集團聯(lián)合重組成立新山東能源集團，2021年這些煤炭集團的產(chǎn)量均超過2億t，全國煤炭產(chǎn)業(yè)集中度大幅提升。

圖1 “十三五”期間全國原煤產(chǎn)量情況

與此同時，煤炭行業(yè)積極響應(yīng)國家政策，開啟綠色礦山建設(shè)之路。2016年前，原國土資源部公布的661家國家級綠色礦山試點名單中，111家為煤炭企業(yè)?！笆濉币詠?，綠色礦山進入規(guī)范發(fā)展階段[6]。2019年，由自然資源部礦產(chǎn)資源保護監(jiān)督司指導(dǎo)、中國自然資源經(jīng)濟研究院聯(lián)合有關(guān)單位編制的《綠色礦山建設(shè)評估指導(dǎo)手冊》正式發(fā)布，自然資源部將555家通過遴選的綠色礦山與398家原國家級綠色礦山試點單位合并納入全國綠色礦山名錄，其中煤礦新增111家。到了2020年，自然資源部印發(fā)《綠色礦山評價指標(biāo)》和《綠色礦山遴選第三方評估工作要求》，新增了301家國家級綠色礦山，其中煤礦62家，使得國家級綠色礦山中煤礦的數(shù)量達到284家[7]。

在綠色開采方面，煤炭行業(yè)清潔生產(chǎn)機制不斷完善，推進了行業(yè)全面綠色轉(zhuǎn)型。充填開采、煤與瓦斯共采、無煤柱開采等煤炭綠色開采技術(shù)得到推廣，煤炭資源回收率顯著提升。選煤技術(shù)快速發(fā)展，千萬噸級濕法全重介選煤技術(shù)、大型復(fù)合干法和塊煤干法分選技術(shù)、細粒級煤炭資源的高效分選技術(shù)、大型井下選煤排矸技術(shù)和新一代空氣重介干法選煤技術(shù)成功應(yīng)用。

煤礦區(qū)除了具有豐富的煤炭資源外，還有大量的土地、風(fēng)和光等發(fā)展可再生資源的先天優(yōu)勢，在碳中和目標(biāo)要求下，煤炭企業(yè)大力發(fā)展太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)，充分發(fā)揮煤礦區(qū)優(yōu)勢，以清潔煤電為核心，與太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建多能互補的清潔能源系統(tǒng)。

綜上所述，在“雙碳”目標(biāo)影響下，煤炭行業(yè)將面臨新一輪調(diào)整與重組，并且根據(jù)我國煤炭資源的稟賦狀況，傳統(tǒng)的老煤炭生產(chǎn)基地將逐漸向北部及西部轉(zhuǎn)移，使老煤炭基地逐漸退出市場，跨省區(qū)之間的企業(yè)重組與融合將是未來發(fā)展的合理路徑選擇。同時，大力建設(shè)綠色礦山和加強煤炭綠色開采技術(shù)的研究與應(yīng)用也將成為煤炭企業(yè)未來的發(fā)展方向。

2 建設(shè)綠色礦山是煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必由之路

2.1 綠色礦山建設(shè)是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的途徑之一

當(dāng)前，我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)沒有根本性改變，煤炭仍是我國能源安全的基石，但在“雙碳”背景下，煤炭企業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型是高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。其中煤炭綠色開采就是重要途徑之一[8-10]。

煤炭開采端主要涉及高耗能和環(huán)境污染，如粗放式開采導(dǎo)致的高耗能、矸石污染、瓦斯排放等。目前煤矸石堆存量多達50多億t，是我國積存量和占用土地最多的工業(yè)廢棄物；同時，長期的煤炭開采導(dǎo)致礦區(qū)植被損毀、土地破壞和生物多樣性減少等嚴(yán)重生態(tài)問題。建設(shè)綠色礦山，就是實現(xiàn)礦山的資源利用高效化、開采方式現(xiàn)代化、采礦作業(yè)清潔化、礦區(qū)環(huán)境生態(tài)化等目標(biāo)[11-13]。“十三五”以來，經(jīng)過綠色礦山建設(shè)，原煤入選率、礦井水綜合利用率、煤矸石綜合處理率及井下瓦斯抽采利用率都有不同程度的提高，煤矸石及低熱值煤綜合利用發(fā)電裝機持續(xù)增加，土地復(fù)墾率持續(xù)提高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)好轉(zhuǎn)，促進了礦區(qū)資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。2020年，礦井水綜合利用率、煤矸石綜合利用處置率、井下瓦斯抽采利用率分別達到78.7%、72.2%、44.8%，比2015年分別提高11.2、8.0、9.5個百分點；土地復(fù)墾率達到57%左右，提高9個百分點；大型煤礦原煤生產(chǎn)綜合能耗10.51 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t，下降11個百分點；煤矸石及低熱值綜合利用發(fā)電裝機達4 200萬kW，增加900 kW，年利用煤矸石達到1.5億t。

2.2 “雙碳”目標(biāo)下煤炭企業(yè)綠色礦山建設(shè)的新要求

“雙碳”目標(biāo)下煤炭企業(yè)綠色礦山建設(shè)的新要求主要體現(xiàn)在煤炭開采工藝過程中的節(jié)能和減排環(huán)節(jié)，如煤炭井下分選[14]、地源熱泵利用[15-16]、瓦斯利用[17]等。

(1)煤炭井下分選。為了提高煤炭質(zhì)量，原煤需經(jīng)過分選，并伴有煤矸石產(chǎn)生。煤矸石作為副產(chǎn)品，除少量用作發(fā)電燃料以外，多數(shù)被作為固廢堆放或運回井下實施充填作業(yè)。采用煤炭井下分選，使矸石在井下實現(xiàn)就地充填，既可以實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，解決了矸石運輸成本的問題，又間接提高了煤礦的開采效率。

(2)地源熱泵利用。煤礦中的回風(fēng)和礦井水含有大量潛在的地?zé)崮埽ㄟ^地源熱泵技術(shù)，將低品位地?zé)崮苓M行利用，可部分替代傳統(tǒng)空調(diào)和燃煤鍋爐，用于夏天制冷和井筒防凍、生活取暖、熱水洗浴等；從而將綜合利用余熱、余壓等地?zé)崮艿南冗M節(jié)能技術(shù)和裝備應(yīng)用到煤炭開采的各個環(huán)節(jié)，達到節(jié)能減排和煤礦資源綜合利用的目的。

(3)瓦斯利用。煤炭開采過程中往往伴有大量瓦斯排放，易發(fā)生安全事故，并且瓦斯直接排放到大氣中，又與當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)相違背。將瓦斯抽采至地面并用作燃料或化工原料的技術(shù)，不僅有利于礦井安全生產(chǎn)，更能減少碳的排放。針對不同的開采煤層瓦斯，通過智能抽采、高效抽采技術(shù)的應(yīng)用，加大對低濃度煤礦瓦斯的抽采、濃縮提純技術(shù)和低濃度煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)等的研究及應(yīng)用，大幅提高低濃度煤礦瓦斯利用效率。

3 “雙碳”目標(biāo)下煤炭企業(yè)綠色礦山建設(shè)路徑

圍繞綠色礦山的建設(shè)目標(biāo)，以“雙碳”目標(biāo)下綠色礦山建設(shè)的預(yù)測結(jié)果為指導(dǎo)，圍繞礦區(qū)和諧發(fā)展、清潔生產(chǎn)工藝升級、礦山生態(tài)治理和加強科技支撐4個方面，提出以下基于碳達峰、碳中和的綠色礦山建設(shè)路徑。

3.1 大力加強科技支撐力度

(1)加強科技創(chuàng)新投入，推進智能礦山建設(shè)。開展自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化等應(yīng)用，優(yōu)化簡化系統(tǒng)，退出高耗能、高污染煤炭項目；煤礦所需物資、設(shè)備、輔助積極采用新能源或地?zé)岬鹊吞技夹g(shù)。實現(xiàn)薄及中厚煤層智能化采煤工作面無人化，智能掘進工作面用工控制在5人以內(nèi)，逐步推進100%井工煤礦實現(xiàn)智能化，100%采煤工作面實現(xiàn)智能化，100%掘進工作面實現(xiàn)智能化，100%固定崗位實現(xiàn)無人值守，100%選煤廠實現(xiàn)智能化，100%主要災(zāi)害實現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)警，100%通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)遠程控制，100%實現(xiàn)5類機器人全覆蓋。

(2)引進先進設(shè)備與人才，探索發(fā)展節(jié)能低碳的新能源與新技術(shù)。按照“煤礦采煤沉陷區(qū)生態(tài)治理+光伏發(fā)電+生態(tài)農(nóng)業(yè)+礦井水利用+氫能+儲能+其他”綜合立體循環(huán)開發(fā)思路，探索有關(guān)清潔能源發(fā)展利用+儲能技術(shù)、生態(tài)+新能源+X的創(chuàng)新建設(shè)與能耗雙控和碳達峰、碳中和技術(shù)研究。結(jié)合高效供暖項目、新型熱管乏風(fēng)余熱回收利用項目、造林項目和光伏項目，積極參與國家核證自愿減排項目(CCER項目)，助力煤礦區(qū)綠色礦山發(fā)展。

3.2 重點加強清潔生產(chǎn)工藝升級

(1)提升采出率、選礦回收率，加強清潔生產(chǎn)。發(fā)展綠色開采工藝，積極推廣無煤柱回采工藝，進一步推廣應(yīng)用范圍。針對薄煤層開采數(shù)量逐漸增加情況，引進國外高效薄煤層掘錨機、配套薄煤層錨運破一體機和大跨距橋式轉(zhuǎn)載機，形成薄煤層高效掘進系統(tǒng)，最大限度減少割巖量、減少掘進能耗。推進礦井采掘設(shè)備變頻改造、變頻永磁同步電機替換，降低設(shè)備耗能，積極研發(fā)引進刮板輸送機自動調(diào)速。

(2)推動清潔低碳能源替代。針對主要碳排放設(shè)備和工藝排放統(tǒng)計情況，開展開采、掘進、運輸、通風(fēng)、排水、選煤清潔低碳能源替代工作。包括但不限于運輸環(huán)節(jié)電動車輛、純電自卸礦卡、氫能重卡等示范和應(yīng)用；探索實施其他生產(chǎn)及輔助環(huán)節(jié)電能替代和分布式“綠電”使用；推動礦區(qū)集中供熱，因地制宜實施燃煤鍋爐電能或清潔能源替代。推廣余熱能源回收，因地制宜推廣新型熱管回收礦井乏風(fēng)余熱，天然氣鍋爐用于風(fēng)井等用熱量較大的分散場所采暖。

(3)提升礦產(chǎn)資源綜合利用率和廢棄資源回收率。提高礦井水、煤矸石、沉陷土地、瓦斯等伴生資源的綜合利用，推進煤矸石充填與資源化轉(zhuǎn)化利用、礦井水的高效處理運行利用技術(shù)與工程實踐。加快推進煤矸石覆巖離層注漿或井下充填項目，采掘矸石井下充填率實現(xiàn)100%。

3.3 持續(xù)推進礦山生態(tài)治理

(1)強化礦井水處理及利用。建立以去向為主線的水量、水質(zhì)管理模式，以解決礦區(qū)水資源節(jié)約、環(huán)保達標(biāo)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展等問題。在礦井水存儲方面，建成具有存放一年以上涌水量能力的井下水庫或采空區(qū)水庫，確保地面出現(xiàn)處理、排放或利用問題時，能在井下貯水，從而確保環(huán)境安全。在礦井水凈化方面，對礦井水進行深度處理，處理后水質(zhì)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838-2019中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。在礦井水利用方面，對礦井水及生活污水進行灌溉利用，利用率達到100%。

(2)強化煙氣和粉塵治理。分散區(qū)域采用新型熱管換熱技術(shù)，全面替代在用的燃煤鍋爐，解決鍋爐煙氣超標(biāo)超總量排放的環(huán)境風(fēng)險。新建封閉環(huán)保儲煤場和物料堆場封閉改造，粉塵和揚塵污染治理率達到100%。

(3)強化噪聲處理。對廠界噪聲進行降噪，噪聲排放達到《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》GB12348-2008規(guī)定二類或三類標(biāo)準(zhǔn)。

(4)推進塌陷區(qū)治理、露天排土場復(fù)墾綠化，大力建設(shè)生態(tài)林。一方面，進行自然恢復(fù)和保護，采取人工封禁措施，撒播草籽，進行自然恢復(fù)；另一方面進行人工修復(fù)與營造，采取林草措施，種植樟子松、油松、楊樹、山杏、紫穗槐和檸條等適生樹種。其中，主要栽植喬木分為兩部分，經(jīng)濟林和生態(tài)林，經(jīng)濟林主要包括杏樹、桃樹、棗樹、海紅果、蘋果樹等，生態(tài)林主要包括樟子松、油松、云杉等；主要栽植灌木為沙棘。

(5)推進生態(tài)光伏產(chǎn)業(yè)。發(fā)展基于生態(tài)+光伏的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)水灌溉、智能化灌溉，有灌溉的區(qū)域全部選擇經(jīng)濟作物。發(fā)展以光伏發(fā)電為主的可再生能源綜合供給體方案，研究抗沉陷光伏電站技術(shù)，破解25年沉陷穩(wěn)定問題。

(6)提高瓦斯利用效率。針對不同的開采煤層瓦斯，研究智能抽采等瓦斯高效抽采技術(shù)。研究低濃度煤礦瓦斯?jié)饪s提純技術(shù)和低濃度煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)等，提高低濃度煤礦瓦斯利用效率。

(7)建設(shè)零碳礦區(qū)示范工程。通過大力發(fā)展可再生能源、替代燃煤鍋爐、增加碳匯等手段大幅減少煤礦的二氧化碳排放，逐步實現(xiàn)用電零排放、用熱零排放、光伏中和瓦斯逃逸排放量的“零碳礦井、零碳礦區(qū)”。

3.4 全面提升礦區(qū)內(nèi)外和諧發(fā)展

(1)推進煤炭生產(chǎn)區(qū)域的環(huán)境保護設(shè)施建設(shè)。加大綠色礦山發(fā)展投入和社區(qū)投入，推進礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)，發(fā)展沉陷區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)，推進機械化、設(shè)施化、自動化、智能化、節(jié)能低碳的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，如太陽能型溫室為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)。按照城市、礦企一體，適度超前、共建共享的思路，推進交通、供電、供水、管網(wǎng)、通訊、消防、減災(zāi)等礦山基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)，推進交通、水利、通訊、環(huán)衛(wèi)等基礎(chǔ)設(shè)施向周邊社區(qū)的延伸，實現(xiàn)礦區(qū)和城市基礎(chǔ)設(shè)施的對接和共享。

(2)轉(zhuǎn)變環(huán)保理念，提升公眾資源開發(fā)活動的參與程度。通過電視、廣播、報紙、公眾調(diào)查等傳統(tǒng)媒體和短視頻、公眾號等新媒體渠道讓公眾參與到綠色礦山發(fā)展中來；一方面讓公眾了解并掌握發(fā)展綠色礦山的現(xiàn)實意義和深遠意義，另一方面對企業(yè)在發(fā)展綠色礦山過程中實施的各項措施、工程進度等進行監(jiān)督，充分表達意見和建議，提高礦山企業(yè)和有關(guān)人員發(fā)展綠色礦山的積極性和自覺性，推動綠色礦山發(fā)展。

4 結(jié)語

“雙碳”目標(biāo)對煤炭行業(yè)是挑戰(zhàn)與機遇并存，在實現(xiàn)煤炭高質(zhì)量發(fā)展的同時，應(yīng)搶占新能源主陣地。煤炭行業(yè)建設(shè)綠色礦山是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑，綠色礦山中推進節(jié)能降耗、推廣清潔生產(chǎn)工藝、加大礦山土地復(fù)墾本身就是煤礦碳減排的重要方面。綠色礦山是綜合考慮資源開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境影響的現(xiàn)代礦山建設(shè)模式，構(gòu)建綠色礦山，就是實施礦山企業(yè)的清潔生產(chǎn)及其伴生的綠色技術(shù)體系。煤炭企業(yè)基于碳達峰、碳中和的綠色礦山建設(shè)路徑應(yīng)該圍繞科技支撐、清潔生產(chǎn)工藝升級、生態(tài)治理和礦區(qū)和諧發(fā)展等4個方面全面開展。