楊博宇，白中科，2，張笑然

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室， 北京100035）

特大型露天煤礦土地?fù)p毀碳排放研究
——以平朔礦區(qū)為例

楊博宇1，白中科1，2，張笑然1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室， 北京100035）

研究目的：露天煤礦能源消耗產(chǎn)生的碳排放是主要受控排放源，對于減緩溫室氣體具有重要意義。研究方法：采用IPCC碳排放計算方法，確定露天煤礦區(qū)碳排放因子，構(gòu)建露天煤礦區(qū)碳排放核算模型，確定直接碳排放、間接碳排放的計量模型。以平朔礦區(qū)三座大型露天煤礦為例，核算2011—2015年期間由于燃油、炸藥、逸散、電力產(chǎn)生的碳排放。研究結(jié)果：2011—2015年期間平朔礦區(qū)三座大型露天煤礦土地?fù)p毀碳排放量高達(dá)591.21萬t。燃油、爆破、逸散、電力產(chǎn)生的碳排放總量分別為302.60萬t、 16. 30萬t、 203.66萬t、 68.65萬t。研究結(jié)論：通過縮短運輸運距、優(yōu)化坑下采剝運輸?shù)缆吩O(shè)計、提高機械使用效率、優(yōu)化車鏟匹配、減少電鏟待裝時間等措施，能夠減緩大型露天煤礦土地?fù)p毀碳排放量。

土地整治；露天煤礦；土地?fù)p毀；碳排放因子；核算模型；碳排放量

Abstract:The purpose of this paper is that the carbon emissions from energy consumption in opencast mines are the main source of controlled emissions, which is meaningful for reducing greenhouse gas. The IPCC carbon emission calculation method was used to determine the carbon emission factors of opencast mine and to calculate the direct carbon emissions and indirect carbon emissions from the opencast mines. Based on the three large-scale opencast coal mines in Pingshuo mine, we calculated the total carbon emissions generated from the fuel use, explosion, self dissemination and electricity production during the period of 2011—2015. The results shows that there are 5.9127 million tons carbon emissions from the three large-scale opencast mines in Pingshuo during this time. The total amount of carbon emissions generated by fuel use was about 3.02 million tons. The amount of carbon emission from blasting was about 0.16 million tons, and the carbonemission from self dissemination was about 2.04 million tons. The amount of carbon emission from electricity production was about 0.69 million tons. In conclusion, we can further reduce the carbon emissions from large-scale opencast coal mines by shortening the transportation distance, optimizing the design of pavement roadway, improving the efficiency of machinery utilization, optimizing the match of shovels and reducing the time for installing shovels. These measures will reduce the amount of carbon emissions caused by land destruction from large-scale opencast mines.

Key words:land consolidation; opencast mines; land destruction; carbon emission factors; accounting model; carbon emission

1 引言

2015年中國確定了到2030年的自主減排行動目標(biāo)，即：CO2排放2030年左右達(dá)到峰值并爭取盡早達(dá)到峰值；單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降60%—65%，面對如此巨大的減排壓力，礦區(qū)成為國家節(jié)能減排的主要承擔(dān)者。截止到2015年，中國查明煤炭資源儲量為15663億t，煤炭產(chǎn)量為37.5億t，消費量為39.6億t，千萬噸級的煤礦數(shù)量有53處，煤炭產(chǎn)量為7.3億t[1]。依據(jù)《2013中國國土資源公報》，2013年各?。ㄊ?、自治區(qū)）煤炭資源量中，內(nèi)蒙古、新疆、山西分別占全國資源儲量的前三位，分別為全國的26%、23.6%和18.2%。同時，內(nèi)蒙古、山西、新疆三?。▍^(qū)）露天煤礦數(shù)量最多，內(nèi)蒙古有200多處，山西近30處，新疆20多處，其產(chǎn)量占全國露天礦煤炭總產(chǎn)量的90%左右。

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）評估報告指出影響全球氣候變暖的兩大碳源分別是化石燃料的大量使用和土地利用方式的變化[2]。目前中國75%的CO2溫室氣體都是由煤炭生產(chǎn)與消費導(dǎo)致，煤炭本身就是高碳能源，但是煤炭開采、分選、加工和利用全過程都存在直接或間接的碳排放[3]。Kawase等對碳排放進(jìn)行了因素分解研究，并對不同國家碳減排目標(biāo)進(jìn)行了情景預(yù)測[4]。Shao等嘗試?yán)砬宓V區(qū)碳排放的驅(qū)動因素，進(jìn)而找到節(jié)能減排的突破口[5]。Liu等通過比較礦區(qū)不同交通運輸模式，尋找碳排放量較少的運輸模式[6]。Li Lai等對中國1990—2010年碳排放進(jìn)行分析，表明科學(xué)的土地管理能使碳排放量降低[7]。才慶祥等構(gòu)建了露天礦溫室氣體碳排放計量模型[8]。劉福明等運用生命周期法研究了露天礦能源消耗引致的溫室氣體的計量方法[9]。付梅臣等從“減排”和“增匯”兩個方面，剖析當(dāng)前中國土地復(fù)墾政策對礦區(qū)低碳土地利用的要求[10]。張召等認(rèn)為礦區(qū)在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起著重要作用[11]。侯湖平等研究表明礦區(qū)碳儲量的年平均值的變化量與采礦生產(chǎn)能力呈高度負(fù)相關(guān)[12]。安英莉等對賈汪區(qū)1990—2010年煤炭開采形成的碳源/碳匯效應(yīng)進(jìn)行研究，認(rèn)為煤炭開采過程中瓦斯碳源溫室效應(yīng)明顯[13]。徐占軍對高潛水位礦區(qū)開采產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)沉陷區(qū)是否積水是影響沉陷區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的顯著因素[14]。張黎明等以淮北礦區(qū)為例，建立了礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排效果測度模型[15]。學(xué)者們多在探尋礦區(qū)碳減排途徑，低碳運輸、低碳土地復(fù)墾模式研究，構(gòu)建露天煤礦碳排放計量模型，或結(jié)合遙感數(shù)據(jù)分析碳源碳匯效應(yīng)，而本文主要針對大型露天煤礦土地?fù)p毀碳排放進(jìn)行分析研究。

露天煤礦土地?fù)p毀碳排放研究處于探索階段，本文以山西省平朔礦區(qū)三座大型露天煤礦為例進(jìn)行分析，依據(jù)《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，構(gòu)建露天煤礦碳排放核算模型，運用定性與定量相結(jié)合的方法對模型結(jié)果進(jìn)行剖析，提出露天煤礦在剝離、開采、運輸、排棄、造地過程中減少碳排放的建議，為今后露天煤礦的開采以及類似礦山的開采提供決策依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)位于山西省朔州市，平魯區(qū)境內(nèi)，海河水系永定河流域桑干河的上游，是中國東部農(nóng)耕區(qū)與西部草原牧區(qū)相連接的半干旱生態(tài)過渡帶，是典型生態(tài)脆弱區(qū)之一。該區(qū)總面積380 km2，其中三座大型露天煤礦面積為179.37 km2，探明地質(zhì)儲量127.5億t，是中國14個大型煤炭生產(chǎn)基地之一。平朔礦區(qū)已建設(shè)成為中國最大的露井聯(lián)采億噸級礦區(qū)、最大的煤矸石發(fā)電基地和具有典型示范意義的高標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)。復(fù)墾以每年200 hm2的速度擴(kuò)展，復(fù)墾面積已達(dá)到4萬畝。年均降水量為428.2 mm，年均氣溫4.8—7.8 ℃，年均風(fēng)速為2.5—4.2 m/s，最大風(fēng)速20 m/s。地帶性土壤為栗鈣土和黃綿土。平朔礦區(qū)包括三座特大型露天煤礦安太堡、安家?guī)X、東露天（表1），三座大型現(xiàn)代化井工礦，井工一礦、井工二礦、井工三礦，5座配套洗煤廠和兩條鐵路專用線，構(gòu)成了目前中國規(guī)模最大、現(xiàn)代化程度最高的露井聯(lián)采煤礦區(qū)之一。平朔露天煤礦采排工藝源于美國西部露天礦的作法，采用單斗挖掘機—卡車運輸?shù)牟膳殴に嚕５膭冸x搬運采用斗容48 m3的液壓鏟和載重360 t自卸式卡車，工作面和排土場的平整采用輪胎式大型（331 kW）推土機，其工藝所用機械是目前中國露天礦中現(xiàn)代化程度最高的。

表1 平朔露天煤礦基本情況表Tab.1 Basic information about opencast mine

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究用到的燃油消耗量、炸藥使用量、礦區(qū)年原煤產(chǎn)量、電力消耗數(shù)據(jù)由中煤平朔集團(tuán)有限公司提供。文中碳排放因子的選擇參照《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》和政府間氣候變化專業(yè)委員會IPCC第4次評估報告。

2.3 研究方法

（1）文獻(xiàn)歸納法。通過大量閱讀國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)，借鑒前人已有研究成果，整理國內(nèi)外有關(guān)大型露天煤礦損毀土地碳排放的文獻(xiàn)和資料，尋找露天煤礦碳排放源及損毀土地碳排放核算模型，為研究的深入開展奠定理論基礎(chǔ)。本文問題的提出是建立在對現(xiàn)有理論和文獻(xiàn)總結(jié)和歸納的基礎(chǔ)之上。

（2）定性與定量結(jié)合法。定性分析是借鑒分析對象的過去和現(xiàn)在，對分析對象的特性、發(fā)展演變規(guī)律做出判斷的一種方法。定量分析是依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并運用數(shù)學(xué)模型和分析工具，計算出目標(biāo)具體數(shù)值的一種方法。本文先定量描述平朔露天礦2011—2015年期間產(chǎn)生的碳排放，再對平朔露天煤礦2011—2015年期間產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行定性分析。

3 露天煤礦碳排放量核算模型構(gòu)建

3.1 露天煤礦碳源分析

露天煤礦碳排放研究要從分析露天煤礦碳排放源開始。露天煤礦不僅是生產(chǎn)一次能源的重要基地，而且也是重要的碳排放源。平朔礦區(qū)三座大型露天煤礦年產(chǎn)量都在10—20 Mt（1 Mt = 106t），每年燃油和電力消耗相當(dāng)龐大。碳排放源一般劃分為直接碳排放源和間接碳排放源。直接碳排放源是指剝離、開采、運輸、排棄、造地各個環(huán)節(jié)引起的碳排放。直接碳排放包括：燃油消耗引起的碳排放（柴油的使用），一座千萬噸級的露天煤礦每年燃油的消耗量可達(dá)數(shù)萬噸；露天煤礦開采過程中硬巖爆破引起的碳排放，一座千萬噸級的露天煤礦每年需要消耗數(shù)萬噸的炸藥；開采過程中的甲烷逸散，指開采活動破壞了煤層原有的完整結(jié)構(gòu)，使煤層裂隙充分發(fā)育，將原來吸附在煤層中的甲烷等溫室氣體釋放到大氣中；露天煤礦原煤和煤矸石的非受控自燃。平朔礦區(qū)每年洗煤廠產(chǎn)生2000萬t煤矸石，全部用于低熱值煤發(fā)電或排土場復(fù)土造田?！笆濉蹦┢剿返V區(qū)已建成最大的煤矸石發(fā)電基地（由于缺少原煤和煤矸石自燃的相關(guān)數(shù)據(jù)，而原煤和煤矸石自燃與燃油、爆破、逸散、電力相比不是主要的碳排放源，所以本文不計算露天礦非受控自燃引起的碳排放）。間接碳排放指為了滿足露天煤礦的作業(yè)而排放的屬于其他公司擁有或控制的碳排放源。電力消耗屬于間接碳排放（圖1）。土地?fù)p毀過程的各個環(huán)節(jié)都需要產(chǎn)生大量的燃油和電力消耗，炸藥和逸散只有在大型露天煤礦開采過程中釋放出大量碳，在開采、排棄、造地環(huán)節(jié)可能會產(chǎn)生原煤自燃和煤矸石自燃。

圖1 露天煤礦碳排放源計量類型Fig.1 The types of carbon emission source in opencast mine

3.2 露天煤礦碳排放量核算模型構(gòu)建

3.2.1 直接碳排放量核算模型 根據(jù)露天煤礦碳排放源分析，構(gòu)建露天煤礦碳排放核算模型為：

式（1）中，E為露天煤礦的碳排放總量，ZE為露天煤礦直接碳排放量，JE為露天煤礦間接碳排放量，單位均為t。

其中：

式（2）中，RE為燃油碳排放量，BE為炸藥碳排放量，YE為逸散碳排放量，單位均為t。

因此：

（1）燃油碳排放核算模型。平朔露天煤礦生產(chǎn)作業(yè)主要以柴油為主，燃油不僅是露天煤礦采礦成本的主要組成部分，也是露天煤礦溫室氣體的主要排放源。燃油產(chǎn)生的溫室氣體主要有CO2、NO2、CH4三種溫室氣體。雖然NO2的絕對排放量與CO2相比甚至可以忽略不計，但單位體積NO2產(chǎn)生的溫室氣體是CO2的310倍，所以在計算燃油產(chǎn)生的碳排放時不能將NO2這一項忽略掉。碳排放因子參照《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中給出的柴油的缺省排放因子（表2），其核算模型為：

式（4）—式（5）中，RE為燃油碳排放量（t），RE（CO2）為CO2碳排放量（kg），RE（NO2）為NO2碳排放量（kg），a （NO2）為NO2全球變暖潛勢（GWP），RE（CH4）為CH4碳排放量（kg），a（CH4）為CH4全球變暖潛勢（GWP），1為由CH4中含的C在CO2中已經(jīng)計算過一次，為了避免重復(fù)計算，必須從CH4中去除；REχ為某種溫室氣體的排放量，此處指CO2、NO2、CH4，F(xiàn)a為消耗燃料的熱值（MJ），EFa為排放因子（kg/MJ）[16]。

（2）炸藥碳排放核算模型。露天煤礦上覆巖層硬度較大，設(shè)備不能進(jìn)行直接采掘，所以露天煤礦在進(jìn)行開采時需要增加爆破環(huán)節(jié)。平朔露天煤礦使用的是硝銨炸藥，因為硝銨炸藥是正氧平衡炸藥（正氧平衡指炸藥內(nèi)的含氧量除將可燃元素充分氧化之后仍有剩余），在爆炸時則生成大量的氧化氮氣體，硝酸銨的爆炸反應(yīng)方程式如下：

剩余的氧和氮氣在高溫下生成多種氮氧化物，這些氧化物多是有毒氣體，為了避免有毒氣體的污染，露天煤礦在炸藥配置是加入了柴油、瀝青等可燃劑以消耗炸藥自身氧的富余量，同時帶來溫室氣體的排放[17]。本文選取由威爾遜Brinkly-Wilson方法（簡稱B-W方法）計算得出的硝銨碳排放因子[18]（表2）。核算模型為：

式（6）中，BE為炸藥碳排放量（t），F(xiàn)為炸藥的消耗量（t），EF為炸藥的碳排放因子（t / t）。

（3）逸散碳排放核算模型。到目前為止露天煤礦開采產(chǎn)生的甲烷排放量還處于探索階段，沒有具體應(yīng)用的方法可以測得。逸散碳排放分為開采中排放和開采后排放。開采中排放是指露天煤礦在開采過程中釋放的甲烷。開采后排放是指煤炭在加工、運輸以及使用過程中所釋放的甲烷。參照IPCC2006中露天煤礦開采中的CH4碳排放因子（表2），本文選取平均CH4碳排放因子值進(jìn)行計算[18]。其核算模型為：

式（7）—式（8）中，YE為逸散碳排放量（t），GWPCH4為CH4的全球增溫潛勢值，YECH4為甲烷排放量（t），YECCH4為開采中的甲烷排放量（t），YEHCH4為開采后的甲烷排放量（t），G為露天煤礦的年原煤產(chǎn)量（t），ρ為單位轉(zhuǎn)換因子，這里取CH4標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度（0.714 kg/m3），EFC為開采過程中的CH4排放因子（m3/t），EFH為開采后的CH4排放因子（m3/t）。

所以，露天煤礦逸散排放量核算模型為：

3.2.2 間接碳排放量核算模型 平朔露天煤礦所用電量是國家上網(wǎng)用電，計算碳排放時可直接使用國家的碳排放因子。國家電網(wǎng)邊界統(tǒng)一劃分成6部分，東北、華北、華東、華中、西北和南方區(qū)域電網(wǎng)，不包括西藏自治區(qū)、香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)和臺灣省。平朔礦區(qū)位于山西省，系屬華北區(qū)域。華北區(qū)域2005—2007年電量邊際排放因子的加權(quán)平均值為1.0069 t/（MWh）[20]。其核算模型為：

式（12）中，JE為露天煤礦間接碳排放量（t），EG為露天煤礦用電量（kWh/a），EF為露天煤礦所在電網(wǎng)的碳排放因子（t/MWh）。

表2 露天煤礦碳排放因子Tab.2 The carbon emission factors of opencast coal mine

4 結(jié)果與分析

4.1 直接碳排放量

4.1.1 柴油產(chǎn)生碳排放量 根據(jù)燃油碳排放核算模型，計算出2011—2015年平朔三座大型露天煤礦由于燃油產(chǎn)生的碳排放總量為302.60×104t。其中，安太堡露天礦、安家?guī)X露天礦、東露天露天礦燃油產(chǎn)生的碳排放分別為129.01×104t、79.98×104t、93.61×104t，占露天礦燃油碳排放比例分別為42.63%、26.43%、30.93%（表3）。

表3 2011—2015年露天煤礦燃油產(chǎn)生的碳排放量Tab.3 The carbon emission from fuel consumption from 2011 to 2015

剝離、開采、運輸、排棄、造地各個環(huán)節(jié)都需消耗大量柴油，產(chǎn)生大量碳排放，露天煤礦燃油消耗是主要受控碳源，可以通過相關(guān)措施減少碳排放。燃油消耗量和露天煤礦巖土剝離量呈正相關(guān)（圖2），巖土剝離量取決于露天煤礦原煤開采量（圖3）。由圖2可看出1995—2015年巖土剝離量呈現(xiàn)“緩慢增加—迅速增加—迅猛下降”趨勢。2002—2012年是煤炭的黃金十年， 2013年后因煤炭價格的大幅度下跌，使得露天礦巖土剝離量、開采量開始下降。由表2看出燃油碳排放從2013年后也開始逐年下降，安家?guī)X礦巖土剝離量2013年后開始下降，東露天為新開采露天煤礦，巖土剝離量在增加，導(dǎo)致2014年總的巖土剝離量增加，但2015年巖土剝離總量同比2014年下降45.18%。在巖土剝離過程中可通過縮短運輸運距、優(yōu)化坑下采剝運輸?shù)缆吩O(shè)計、提高機械使用效率相關(guān)措施減少燃油消耗。

圖2 平朔三座大型露天煤礦巖土剝離量（1995—2015）Fig.2 The amount of rock and soil stripping of the three opencast mine in Pinshuo（1995-2015）

由圖3可看出平朔三座大型露天煤礦自1985—2015年原煤產(chǎn)量變化趨勢。東露天礦為新開采的大型露天煤礦，原煤開采量逐年增加；安太堡礦、安家?guī)X礦開礦較早，原煤產(chǎn)量變化趨勢大致相同，2013年后開始下降。2011—2015年燃油碳排放量與露天煤礦原煤開采量變化趨勢相同，在露天煤礦開采過程中應(yīng)對開采設(shè)備進(jìn)行定期維修和養(yǎng)護(hù)，對駕駛?cè)藛T進(jìn)行定期培訓(xùn)，防止操作人員不專業(yè)、機具不配套，損壞、浪費、耗油高可能引起高排放的現(xiàn)象發(fā)生，逐步實現(xiàn)礦區(qū)生產(chǎn)的“低碳化”。

4.1.2 爆破產(chǎn)生碳排放量 根據(jù)爆破碳排放核算模型，計算出2011—2015年平朔三座大型露天煤礦由于爆破工程產(chǎn)生的碳排放總量為16.30×104t。其中，安太堡露天礦、安家?guī)X露天礦、東露天露天礦爆破產(chǎn)生的碳排放分別為6.37×104t、4.99×104t、4.94×104t，占露天煤礦爆破碳排放比例分別為39.06%、30.65%、30.29%（表4）。

圖3 平朔三座大型露天煤礦原煤產(chǎn)量圖Fig.3 The coal production from the three opencast mine in Pinshuo

表4 2011—2015年露天煤礦爆破產(chǎn)生的碳排放Tab.4 The carbon emission from explosion from 2011 to 2015

炸藥使用量與巖層硬度、露天煤礦原煤開采量相關(guān)，2013年后安太堡礦、安家?guī)X礦原煤開采量開始下降，與此同時安太堡礦、安家?guī)X礦碳排放量也開始下降；東露天礦是最近幾年新開采的露天煤礦原煤產(chǎn)量逐年增加，2015年炸藥使用量較2014年減少58.6%，與此同時2015年碳排放量較2014年相比也大幅下降。

4.1.3 逸散產(chǎn)生碳排放量 根據(jù)逸散碳排放核算模型，計算出2011—2015年平朔三座大型露天煤礦由于逸散產(chǎn)生的碳排放總量為203.66×104t。其中，安太堡露天礦、安家?guī)X露天礦、東露天露天礦逸散產(chǎn)生的碳排放分別為84.29×104t、83.15×104t、36.22×104t，占露天礦逸散碳排放比例分別為41.39%、40.83%、17.78%（表5）。

表5 2011—2015年露天煤礦開采逸散產(chǎn)生的碳排放Tab.5 The carbon emission from self dissemination from 2011 to 2015

露天煤礦開采過程中會釋放出大量甲烷氣體，中國強力推進(jìn)煤礦瓦斯“先抽后采、抽彩達(dá)標(biāo)”，采煤采氣一體化，但目前對于露天煤礦而言還未找到具體可行的措施，露天煤礦原煤開采過程中逸散出的甲烷氣體排入大氣中，產(chǎn)生大量碳排放。逸散產(chǎn)生碳排放量與露天煤礦原煤開采量直接相關(guān)，在2011—2015年5年內(nèi)變化趨勢相同。從圖4看出2011—2015年安太堡礦、安家?guī)X礦原煤開采量先增后減，與逸散產(chǎn)生的碳排放變化趨勢相同；東露天礦自2011年開采原煤產(chǎn)量逐年增加，逸散產(chǎn)生的碳排放量也在逐年增加。在國際氣候談判巨大壓力下，中國作為煤炭大國，應(yīng)合理開采煤炭資源，減少煤炭開采產(chǎn)生的碳排放。

4.2 間接碳排放量

根據(jù)電力碳排放核算模型，計算出2011—2015年平朔三座大型露天煤礦電力消耗產(chǎn)生的碳排放量（表6）。平朔三座大型露天煤礦由于電力產(chǎn)生的碳排放總量為68.65×104t。其中，安太堡露天礦、安家?guī)X露天礦、東露天露天礦逸散產(chǎn)生的碳排放分別為27.67×104t、13.80×104t、27.18×104t，占露天煤礦逸散碳排放比例分別為40.31%、20.10%、39.59%。

電力作為一種間接碳排放源，也是礦區(qū)碳排放源的重要組成部分。電能消耗量與很多因素相關(guān)，電能產(chǎn)生的碳排放是受控碳源，可以通過相應(yīng)措施減少電能消耗來減少電能的碳排放。露天煤礦電能消耗產(chǎn)生大量碳排放，是僅次于燃油的第二大碳排放源。礦區(qū)應(yīng)積極更新使用節(jié)能設(shè)備，淘汰高耗設(shè)備；加強用電管理，減少非生產(chǎn)用電；合理調(diào)整坑下配電方式及配置線路負(fù)荷，控制電壓衰減指標(biāo)，減少電路損耗；優(yōu)化車鏟匹配，減少電鏟待裝時間；也可以通過使用綠色照明燈等相關(guān)措施減少電能的消耗，在節(jié)約能源的同時減少碳排放，實現(xiàn)露天煤礦開采的“低碳化”、“綠色化”。

表6 2011—2015年露天煤礦電力消耗產(chǎn)生的碳排放Tab.6 The carbon emission from electricity production from 2011 to 2015

4.3 2011—2015年碳排放總量

中國是世界上能源消費大國和碳排放大國，在減排方面承擔(dān)著巨大壓力。煤礦的不合理開發(fā)利用會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染資源浪費。燃油、電力、炸藥等能源消耗數(shù)量相當(dāng)龐大，會產(chǎn)生大量的碳排放。2011—2015年期間平朔礦區(qū)三座大型露天煤礦土地?fù)p毀碳排放量高達(dá)591.21×104t，向空氣中釋放出大量溫室氣體，是露天煤礦主要的碳排放源。僅2013年平朔三座大型露天煤礦碳排量達(dá)148.78×104t，與2012年相比增長30.88%，占2011—2015期間總碳排放的25.16%。2013年后碳排放量開始逐年下降，2015年同比上一年減少26.86%。2013年后安太堡礦、安家?guī)X礦原煤開采量、巖土剝離量、燃油消耗量、炸藥使用量以及電力消耗量都開始下降；東露天礦作為新開采的礦山，原煤開采量在逐年增加，但燃油消耗量、炸藥使用量、電力消耗均在2013年有所下降。首先，“十二五”期間國家出臺一系列節(jié)能減排政策同時對煤炭資源進(jìn)行管控，“十八”大提出“綠色、循環(huán)、低碳”發(fā)展目標(biāo)；其次，“十二五”期間，山西省進(jìn)一步強調(diào)節(jié)能減排約束性指標(biāo)，節(jié)能減排要求也進(jìn)一步提高，“十二五”末，平朔煤礦區(qū)建設(shè)最大的煤矸石發(fā)電基地；最后，煤炭價格的下跌也導(dǎo)致了煤炭開采量的減少，進(jìn)一步導(dǎo)致了露天煤礦碳排放量的下降（圖4）。

經(jīng)計算得出燃油是露天煤礦區(qū)主要的碳排放源，礦區(qū)燃油產(chǎn)生的碳排放占礦區(qū)總碳排放的51.18%，而燃油的消耗產(chǎn)生的碳排放是主要受控的碳排放源，可以通過合理規(guī)劃路徑、生產(chǎn)工藝和管理水平改善減少燃油的使用。其次露天煤礦開采釋放出的甲烷氣體也是露天煤礦的重要碳排放源，占礦區(qū)總碳排放的34.45%， 對于露天煤礦而言現(xiàn)有的技術(shù)手段還無法實現(xiàn)對瓦斯氣體進(jìn)行先抽后采，導(dǎo)致了礦區(qū)開采過程中產(chǎn)生大量的碳排放，伴隨著技術(shù)的發(fā)展，露天開采所釋放出的甲烷氣體也日益可獲。電力消耗和炸藥的使用雖不是露天煤礦主要碳源但也是不可忽略的重要組成部分，分別占總碳排放的11.61%和2.76%。

5 結(jié)論

（2）參照《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》和政府間氣候變化專業(yè)委員會IPCC第4次評估報告確定了燃油、炸藥、逸散、電力碳排放因子，構(gòu)建出了燃油、炸藥、逸散、電力碳排放核算模型，并根據(jù)具體環(huán)節(jié)提出相應(yīng)減排措施。

圖4 2011—2015期間露天礦煤碳排放Fig.4 The carbon emission from opencast mine from 2011 to 2015

（3）2011—2015期間平朔三座大型露天煤礦土地?fù)p毀碳排放量高達(dá)591.21 t。燃油和電力消耗是礦區(qū)主要碳排放源，可以通過縮短運輸運距、優(yōu)化坑下采剝運輸?shù)缆吩O(shè)計、提高機械使用效率、優(yōu)化車鏟匹配、減少電鏟待裝時間等措施，進(jìn)一步減緩大型露天煤礦土地?fù)p毀碳排放量。

6 討論

本文對2011—2015期間平朔三座大型露天煤礦損毀土地的碳排放源進(jìn)行分析，計算得出2011—2015期間直接碳排放量和間接碳排放量,能夠在一定程度上反應(yīng)特大型露天煤礦土地?fù)p毀碳排放。煤炭開采過程中破壞了原地貌上原有植被類型，會產(chǎn)生大量的碳損失；而露天煤礦土地復(fù)墾過程又會重新固定大量碳[21]。研究表明采取科學(xué)土地復(fù)墾以及重建措施，有利于整個礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳匯量的增加。中國是世界上能源消費大國和碳排放大國，承擔(dān)著巨大減排壓力，在礦區(qū)土地復(fù)墾方案編制和評價過程中都應(yīng)考慮碳效應(yīng)問題，甚至土地整治工程中也需要考慮，作為生態(tài)環(huán)境效益指標(biāo)。

柴油碳排放因子和電力碳排放因子是露天煤礦碳排放量核算中很重要的兩個因子。碳排放因子選擇只能參照IPCC2006清單指南，碳排放因子是否適合中國露天煤礦還有待研究，可嘗試通過測量或?qū)嶒灧椒ǐ@得更適合中國露天煤礦的碳排放因子。露天煤礦卡車耗能為柴油，而汽車行業(yè)的能源動力已不再局限于此，發(fā)展節(jié)能與新能源汽車已成為全球汽車行業(yè)應(yīng)對能源和環(huán)境問題的共同選擇。

大型露天煤礦自燃包括原煤自燃和煤矸石自燃，可以對露天煤礦中的各種燃料取樣進(jìn)行實驗，測量燃料的含碳量和凈發(fā)熱值，從而得到最真實的排放因子。中國露天煤礦瓦斯含量較低，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實測，進(jìn)一步提高瓦斯排放量的精確度。礦體狀況、采掘作業(yè)方式等對碳排放量影響較大，可以進(jìn)一步分析碳排放與生產(chǎn)工藝流程的關(guān)系，以便從生產(chǎn)環(huán)節(jié)上有效控制碳排放。露天煤礦碳排放核算模型是對實際發(fā)生的碳排放量進(jìn)行核算，可以進(jìn)一步完善該模型，并嘗試進(jìn)行預(yù)測性的核算?？梢試L試對全國大型露天煤礦碳排放量進(jìn)行核算，并根據(jù)不同區(qū)域提出不同的碳減排措施。

（References）:

［1］ 田會，洪寧，李東，等. 中國露天煤炭事業(yè)百年發(fā)展報告［M］ . 北京：煤炭工業(yè)出版社，2015：38 - 42.

［2］ IPCC. Climate Change 2001-Synthesis Report: Third assessment report of the intergovernmental panel on climate change［M］ . New York: Cambridge University Press，2001：36 - 39.

［3］ 臧文栓，陳甲斌，郭寶峰. 煤炭行業(yè)形勢分析及政策研究［J］ . 中國礦業(yè)，2007，16（9）：6 - 9.

［4］ Kawase R, Matsuoka Y, Fujino J. Decomposition Analysis of CO2Emission in Long-term Climate Stabilization Scenarios［J］ . Energy Policy，2006，（34）：2113 - 2122.

［5］ Shao S, Liu J, Geng Y, et al. Uncovering driving factors of carbon emissions from China’s mining sector［J］ . Applied Energy，2016，166：220 - 238.

［6］ Liu F, Cai Q, Chen S, et al. A comparison of the energy consumption and carbon emissions for different modes of transportation in open-cut coal mines［J］ . International Journal of Mining Science and Technology，2015，25（2）：261 - 266.

［7］ Li Lai, Xianjin Huang, Hong Yang, et al. Carbon emission from land-use change and management in China between 1990 and 2010［J］ . Science Advances，2016，11（2）：1 - 8.

［8］ 才慶祥，劉福明，陳樹召. 露天煤礦溫室氣體排放計算方法［J］ . 煤炭學(xué)報，2012，37（1）：103 - 106.

［9］ 劉福明，才慶祥，陳樹召，等. 露天煤礦能源消耗引致溫室氣體排放計量模型建構(gòu)［J］ . 中國礦業(yè)，2012，21（6）：61 - 64.

［10］ 付梅臣，郭衛(wèi)斌，李建民，等. 我國煤礦區(qū)低碳型土地復(fù)墾現(xiàn)狀與展望［J］ . 中國礦業(yè)，2015，24（5）：49 - 52.

［11］ 張召，白中科，賀振偉，等. 基于RS與GIS的平朔露天礦區(qū)土地利用類型與碳匯量的動態(tài)變化［J］ . 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28 （3）：230 - 236.

［12］ 侯湖平，張紹良，丁忠義，等. 煤礦區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲量的影響——以徐州垞城礦為例［J］ . 煤炭學(xué)報，2013，38（10）：1850 - 1855.

［13］ 安英莉，卞正富，戴文婷，等. 煤炭開采形成的碳源/碳匯分析——以徐州賈汪礦區(qū)為例［J］ . 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，42（2）：1 - 8.

［14］ 徐占軍. 高潛水位礦區(qū)煤炭開采對土壤和植被碳庫擾動的碳效應(yīng)［D］ . 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2012.

［15］ 張黎明，張紹良，侯湖平，等. 礦區(qū)土地復(fù)墾碳減排效果測度模型與實證分析［J］ . 中國礦業(yè)，2015，24（11）：65 - 70.

［16］ 馬忠海. 中國幾種主要能源溫室氣體排放系數(shù)的比較評價研究［D］ . 北京：中國原子能科學(xué)研究院，2002.

［17］ 張萌. 露天礦爆破工程［M］ . 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1986：43 - 44．

［18］ 張振芳. 露天煤礦碳排放量核算及碳減排途徑研究［D］ . 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

［19］ Eggleston S, Buendia L, Miwa K, et al. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories fourth Volume［M］ . Published IGES.

［20］ Ling, LIN. Enterprise Greenhouse Gas Accounting and Reporting［M］ . The Standard Publishing House of China，2011.

［21］ 劉鶴云. 礦區(qū)生態(tài)減排能力評估與提升對策研究——以平朔礦區(qū)為例［D］ . 北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2016.

（本文責(zé)編：王慶日）

Carbon Emission from Land Damage Area in Large Opencast Coal Mines: A Case Study of Pingshuo Mining Area

YANG Bo-yu1, BAI Zhong-ke1，2, ZHANG Xiao-ran1
（1. Shool of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. Key Lab of Land Consolidation, Ministry of Land and Resources, Beijing 100035, China）

F301.2

A

1001-8158（2017）06-0059-11

10.11994/zgtdkx.20170622.133614

2017-03-14；

2017-05-04

黃土高原大型露天煤礦區(qū)復(fù)墾土壤空間異質(zhì)性特征及指示意義（41571508）。

楊博宇（1993-），女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生。主要研究方向為土地整治與生態(tài)恢復(fù)。E-mail: yangboyu1247@126.com

白中科（1963-），男，山西運城人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為土地整治與生態(tài)修復(fù)、環(huán)境影響評價。E-mail: baizk@cugb.edu.cn