“双碳”视角下我国露天煤矿的绿色可持续发展 | 科技导报
绿色低碳发展是当今时代科技革命和产业变革的鲜明特征，是推动我国经济社会高质量发展的内在要求。露天煤矿开采具有资源回收率高、生产能力大、建设工期短、吨煤投资低、劳动效率高、利于安全生产等优点而得到迅猛长久发展。与此同时，存在被动开展环境保护工作的矛盾、资源开发与矿权划分的矛盾、超能力生产造成矿区可持续发展困难以及露天煤矿资源开发土地征用与复垦中的诸多问题。
本文是在国内学者研究的基础上进行展开，从分析露天矿山面临的问题入手，最突出、最主要的问题源自于环境保护与可持续发展。
我国露天煤矿分布及特征
01露天煤矿地域分布
截止2021年12月，全国在籍的露天煤矿有361处，分布在内蒙古、新疆、山西、陕西等15省。其中大型露天煤矿有42处，中型露天煤矿104处，小型露天煤矿215处，30Mt/a以上的露天煤矿有6处。
02露天煤炭资源储量及煤种全国大型煤炭基地中适合露天开采的主要集中在蒙东基地、新疆基地、晋北基地、神东基地、云贵等基地。国内露天开采的煤种以褐煤、长焰煤、不黏煤和弱黏煤为主，其他煤种的储量不大。
03露天煤矿生态环境特征我国露天矿山分布地区属干旱、荒漠、高原以及草原地带，分布区域干旱少雨，整体生态属脆弱区，生态弹性力小，32处矿区气候植被及煤质特征见表1所示。
04露天矿产能调节韧性特征露天煤矿在产能调节方面具有独特优势，究其原因主要有以下2个方面：（1）露天矿山由于其安全系数高，加之开采活动具有机动灵活等特性，产能扩增容易实现；（2）露天矿山煤质主要为褐煤，煤炭主要用作发电和供暖，地处内蒙东北部地区的露天煤矿在保障东北能源运行平稳方面具有地域和距离优势。
表1 32处矿区的气候植被特征
我国露天煤矿低碳绿色发展面临的问题
低碳绿色露天煤矿应具备：开采环节的低能耗、耗能环节的低排放、排放环节的低污染和生态环节的低扰动4个特征。目前，我国露天矿山存在如下问题。
01生态扰动露天煤矿开采环境问题复杂、多样、特殊、敏感，对矿业城市地质环境和生态环境的影响较大。受开采环节、耗能环节、排放环节等多种因素影响，导致露天矿山在生产过程中造成生态扰动问题突出。
02端帮压煤露天矿山在开采过程中，形成永久端帮，露天矿山端帮下部压覆大量残煤，端帮残煤造成资源浪费、经济效益造成损失。典型的相邻露天煤矿如白音华一号和白音华二号露天矿，端帮压煤示意如图1所示。
03小型设备外包队伍设备能力相较矿山自营设备生产能力小、更新换代速度快、设备数量多且相互交织影响大、安全隐患大，采用燃油的动力方式，排放大量尾气，造成矿坑环境恶劣。小型设备应用问题在外包参与的矿山和小型露天矿山尤为明显。
04剥采时空失调我国露天煤矿主要以分区纵采的开采方式。采用纵采的开采方式，内排空间快速释放，但内排空间利用率低、内排滞后，易造成大量剥离物外排，侵占土地，从露天矿山全生命周期角度来看，虽然初期经济效益明显，但剥采时空协调关系呈现前期强扰动、后期弱扰动的特征，扰动时空特性不可逆。
（a）端帮压煤图
（b）白音华一号与白音华二号相邻露天矿
图1 相邻露天矿端帮压煤图
采矿源头低碳绿色生态减损关键技术
当前我国露天煤矿低碳绿色发展面临问题与采矿源头低碳绿色生态减损关键技术关联关系如图2所示。采矿源头低碳绿色生态减损要具备协同治理的理念，各项关键技术的实施和研究要综合考量露天矿山的可落地性和可实施性，始终针对不可再生的煤炭资源合理利用和可持续利用进行研究。
图2 问题与关键技术关联关系
01可持续循环经济理念与模式打破传统露天矿单纯依靠产煤-售煤的经营模式，坚持可持续循环经济理念与模式。首先，强化共伴生资源的开发和资源的综合利用；其次，发展采煤与煤炭清洁高效利用一体化产业；最后，对露天矿山排土场进行生态总体功能区规划，即科学规划养殖区、耕地区、发电区、碳回收区、旅游区和科研区，如图3所示。
图3 露天矿总体功能区域规划
02实施生命周期开采模拟与仿真露天矿全生命周期分析流程如图4所示。通过实施生命周期开采模拟与仿真，关联露天矿山生产设备数据，将计划任务下载至终端设备，分析露天矿设备工况数据，优化露天矿山总体规划和外包队伍租赁和自营设备分配、提升矿山精准开采、经济效益、成本分析和生命周期内的过程和流程管理，智能采矿生产计划开采仿真流程如图5所示。
图4 露天矿山全生命周期分析流程
图5 智能采矿生产计划开采仿真流程
03露天矿群协调开采技术为解决露天矿群协调开采需要完成的主要工作有：（1）根据相邻矿山开采现状，优化端帮被打通、贯通采场的开采程序，确保贯通期间端帮边坡的稳定性；（2）优化贯通采场后的双环运输路线，搭接运输排土桥；（3）建立资源回收经济置换的分配机制：对相邻端帮回采资源按照当年售价、成本进行当年、当量折算分配补偿；（4）优化两矿内排土场边坡形态及内排容积的充分利用。露天矿群协调开采贯通采场程序流程如图6所示。
图6 贯通采场的程序流程
04实施露天煤矿精准选采露天煤矿精准选采的实施需要从以下4个方面考虑：
（1）薄煤层及矸石精准建模，构建煤层厚度>0.5 m，矸石厚度>0.3 m的精准地质模型。赋予煤层灰分、挥发分、发热量、含硫量等属性信息，确定薄煤层开采范围，为薄煤层开采和选采提供基础数据支撑；
（2）根据不同开采工艺建立薄煤层选采程序及流程；
（3）建立相应成本、售价经济模型与煤层厚度、煤质关联关系模型，进一步动态优化可选采的煤层厚度及开采范围；
（4）优化薄煤层爆破方式，减少煤岩交界处的矸石混入。露天煤矿精准选采流程如图7所示。
图7 露天煤矿精准选采流程
05纵转横采强化内排技术实施纵采转横采强化内排技术的关键点如下：（1）统筹协调实施内排前横采区与纵采区工作线形态与产能分配比例。（2）优化设计部分内排时内排土场工作线形态。（3）优化确定全部内排时相邻端帮的内排留沟高度。通过优化调整开采程序和工作线形态，快速实现内排土场的建立，降低外排土地征占。
06生态承载分析及土地复垦从生态修复、环境治理、可持续发展的角度对矿区进行开发建设。
（1）重点研究南北生态脆弱区生态特征，甄选适宜当地气候特征的内外排土场土地复垦植被，推进荒漠区植被改造工程，形成开发一矿区，绿化一矿区的发展模式；
（2）构建露天矿区生态承载分析模型，从矿区碳排放、碳回收等方面开展研究，将环境保护贯穿于露天煤矿资源开发的规划布局、资源的开采以及矿山闭坑后土地利用的全过程，积极开发生态产业，在减小对环境扰动破坏的同时，提高企业经济效益。
07生产环节智能监测预警生产环节智能监测预警系统架构流程如图8所示。生产环节智能监测预警主要体现在3个方面：
（1）实现对生产环节的感知数据的全量接入，融合露天矿山开采空间位置信息，为监测预警提供数据支撑；
（2）构建符合露天矿山特定生产场景的算法模型，如基于时间序列的边坡预警模型、矿用重型设备故障诊断等模型；
（3）形成智能监测预警信息综合展示、预警发布、预警研判、应急决策等全流程管控预警机制。
图8 露天矿山生产监测预警架构流程
露天矿全息生产系统能源环节及耗能终端设备和能源种类如图9所示。通过能源在线监测系统，以时间切片的方式对全矿能源消耗和能源流向进行分析，生成能源消耗分析图，如图10。
图9 露天矿能源消耗终端及系统
图10 能源消耗和能源流向分析图
通过建立吨煤介质能耗评价方式，如公式（1）所示。同时根据露天矿山全息能源流向消耗体系，建立露天矿山生产全过程能源消耗模型，如公式（2）所示。
吨煤能耗分析指数=生产煤炭投入的能源总量/总煤量 （1）
露天矿能源消耗总量=穿孔+爆破+采掘+运输+排土+地面+辅助+...（2）
08低能耗工艺优化布局在实现低碳绿色发展进程中，露天矿山在工艺变革过程中需要在低能耗、连续工艺等方面进行深入研究。
（1）针对高寒地区、富水区域、高温差地区连续开采工艺环节的适用性、应用性、可靠性等方面进行深入分析与研究，通过连续工艺环节改善间断设备运输带来的粉尘、碰撞、违章、有毒气体等问题，如图11是采用长距离带式输送机运煤系统；
（2）针对不适宜连续开采工艺的露天矿山，创新应用电动矿卡技术，改变设备动力方式，降低燃油卡车碳氧化物排放，降低有毒有害气体排放，降低设备源头污染；
（3）加快推进无人驾驶技术的落地应用，提升设备运行效率，减少运输环节能源消耗，提升安全水平。
图11 长距离带式输送机
结 论
我国露天煤矿主要分布在北方区干旱、荒漠、高原以及草原地带，分布区域干旱少雨，整体生态属脆弱区，生态弹性力小。露天煤矿在产能调节中，具有强烈的“缓冲仓”作用。
本文在“双碳”视角下对未来我国露天煤矿绿色可持续发展进行问题总结和关键技术分析，得到如下结论：
1）目前我国露天煤矿低碳绿色发展过程中面临生态扰动、端帮压煤、小型设备以及剥采时空失调等问题，上述问题严重制约了我国露天煤矿绿色低碳发展。
2）结合当前露天煤矿低碳绿色发展面临问题，构建采矿源头低碳绿色生态减损关键技术与问题的逻辑关联关系。提出基于采矿源头低碳绿色生态减损8项关键技术，涵盖实施可持续循环经济理念模式、生命周期模拟仿真、露天矿群协调开采、精准选采、强化内排、生态承载、智能监测预警以及低能耗工艺优化。
本文作者：付恩三、白润才、刘光伟、郭伟强、赵浩
作者简介：付恩三，辽宁工程技术大学矿业学院，应急管理部信息研究院，博士研究生，研究方向为矿山开采理论与技术、智能化矿山总体规划及应急管理。
论文发表于《科技导报》2022年第19期，本文有删减，欢迎订阅查看。内容为【科技导报】公众号原创，欢迎转载
白名单回复后台「转载」
苯乙烯衍生物的γ－酮腈等系列双官能团化反应研究 | 科技导报
受生物脑与行为机制启发，中科院团队实现无人机群体自主避障行为 | 科技导报
《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的成果报道、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、智库观点、科技评论、热点专题、综述、论文、学术聚焦、科学人文等。
《科技导报》微信公众平台创建于2014年，主要刊登《科技导报》期刊内容要点，报道热点科技问题、科技事件、科学人物，打造与纸刊紧密联系又特色鲜明的新媒体平台。科技导报公众号聚集了数万名专心学术的未来之星和学术大咖，添加编辑微信，让优秀的你有机会与志趣相同的人相遇。