賀佑國,劉文革,李艷強
(應急管理部信息研究院,北京市朝陽區(qū),100029)
從生產(chǎn)端看,世界煤炭產(chǎn)量由1990年的4 764.3 Mt增加到2019年的8 129.4 Mt,年均增長1.86%;在一次能源生產(chǎn)中的占比由28.5%略增至28.7%,基本保持穩(wěn)定;我國的占比從1990年的78.8%降低到56.3%,仍在50%以上。從消費端看,世界煤炭消費量由1990年的4 455.9 Mt增加到2019年的7 545.7 Mt,年均增長1.83%;在一次能源消費中占比由27.2%降至27.0%,降幅僅0.2個百分點;2019年印度、南非、波蘭、哈薩克斯坦、越南等5個國家煤炭在一次能源消費構成中的占比在45%以上;我國的占比為57.7%。
1990-2019年,國外產(chǎn)煤國家煤炭產(chǎn)量由3 001.6 Mt增加到3 975.8 Mt,增長974.2 Mt,占世界煤炭生產(chǎn)增量的29.0%;其中,印尼、印度、澳大利亞等3國合計增長1 426 Mt,美國、德國、波蘭和英國等4國合計減少780.8 Mt。同期,國外產(chǎn)煤國家煤炭消費由2 648.1 Mt增加到3 095.3 Mt,增長447.2 Mt,占世界煤炭消費增量的13.4%;其中,印度、印尼、韓國、越南、日本等5國合計增加1 115.9 Mt,美國、俄羅斯、德國、英國、波蘭等5國合計減少904.4 Mt。
我國煤炭產(chǎn)量由1990年的1 079.9 Mt增加到2019年的3 850.0 Mt,增加了2 770.1 Mt,占世界煤炭生產(chǎn)增量的81%,約為國外產(chǎn)煤國家煤炭生產(chǎn)增量的2.8倍;煤炭消費量由1990年的1 055.4 Mt增加到2019年的3 903.8 Mt,增加了2 848.4 Mt,占世界煤炭消費增量的92.2%,約為國外產(chǎn)煤國家煤炭消費增量的26.6倍,如圖1所示。
國外煤炭的主要用途是發(fā)電,隨著《巴黎協(xié)定》簽署,許多國家以可再生能源替代火電,推動轉型清潔能源成為新的發(fā)展趨勢,英國決定在2025年前關閉所有煤電設施,德國計劃在2038 年前關閉現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠等。根據(jù)近30年國外產(chǎn)煤國家煤炭消費量及其在一次能源消費構成中占比的變化,國外產(chǎn)煤國家可以分為3類,如表1所示。
圖1 1990年和2019年世界、國外17國和中國的煤炭消費量與分別占其一次能源消費量比重的變化
表1 國外17國煤炭消費的變化與分類
這類國家以美國、英國、德國等歐美國家為主,調(diào)整能源結構、推動煤礦退出,完成了石油天然氣替代煤炭的過程,已經(jīng)完成或正在開展可再生能源替代煤炭的工作。美國和英國1990-2019年的一次能源消費構成如圖2和圖3所示,美國因天然氣價格低廉,開始推進燃煤發(fā)電向天然氣發(fā)電的轉化,降低了煤炭消費,煤炭消費量由918.7 Mt減少到634.8 Mt、煤炭消費占比由22.7%下降到11.3%;英國一次能源消費原以石油和煤炭為主,由于大幅增加天然氣用量,以及風能、太陽能等可再生能源的開發(fā),使煤炭在能源消費結構中的占比迅速下降,而且2016年可再生能源在一次能源消費結構中的比重首次超過了煤炭和核能的占比,煤炭消費量由130.0 Mt減少到15.3 Mt、煤炭消費占比由30.19%下降到3.30%。
圖2 1990-2019年美國一次能源消費構成變化
圖3 1990-2019年英國一次能源消費構成變化
這類國家以日本、印尼、越南等亞太國家為主,經(jīng)濟發(fā)展對煤炭依賴性較強,可再生能源的替代沒有跟上,在核能等能源遇到問題時需要增加煤炭消費。日本1990-2019年的一次能源消費構成如圖4所示,煤炭消費量由156.2 Mt增加到234.5 Mt,煤炭占比由20.7%提高到28.1%。
圖4 1990-2019年日本一次能源消費構成變化
這類國家如澳大利亞、印度等國,主要依靠天然氣和可再生能源替代部分煤炭的消費;印度煤炭消費在一次能源消費量中的占比只下降了1個百分點,澳大利亞和南非正在增加可再生能源的使用。澳大利亞1990-2019年的一次能源消費構成如圖5所示,煤炭消費量由76.5 Mt增加到85.2 Mt,煤炭占比由43.7%下降到28.4%。
2018年國外主要國家與中國煤炭總產(chǎn)量及其井工煤礦與露天煤礦產(chǎn)量如圖6所示,國外優(yōu)先發(fā)展露天煤礦,2018年國外產(chǎn)煤國家煤炭產(chǎn)量3 975.8 Mt,其中露天煤礦產(chǎn)量3 224.0 Mt,約占全部煤炭產(chǎn)量的81.1%;而井工煤礦產(chǎn)量僅749.0 Mt,不足露天煤礦產(chǎn)量的1/4。2018年國外產(chǎn)煤國家煤炭產(chǎn)量、構成及露天礦占比如圖7所示。2018年,14個產(chǎn)煤國家的露天煤礦產(chǎn)量占比在50%以上,其中,印度、印尼、德國、蒙古國、土耳其、加拿大和英國等7個國家露天礦產(chǎn)量占比在90%以上;澳大利亞、俄羅斯和哥倫比亞等3個國家露天礦煤炭產(chǎn)量占比在70%~90%之間;美國、南非、哈薩克斯坦和越南等4個國家露天礦煤炭產(chǎn)量占比在50%~70%之間。同期,我國煤炭產(chǎn)量3 680.0 Mt,其中井工煤礦產(chǎn)量3 010.0 Mt,是國外井工煤礦產(chǎn)量的4倍,約占全國煤炭產(chǎn)量的81.8%;露天礦煤炭產(chǎn)量670.0 Mt,僅為國外露天煤礦產(chǎn)量的1/5。
圖5 1990-2019年澳大利亞一次能源消費構成變化
圖6 2018年國外主要國家與中國煤炭總產(chǎn)量及其井工煤礦與露天煤礦產(chǎn)量
圖7 2018年國外產(chǎn)煤國家煤炭產(chǎn)量、構成及露天礦占比
英國煤炭資源經(jīng)過100多年的開采,資源開發(fā)逐漸進入深部區(qū)域,經(jīng)濟可采的資源瀕臨枯竭,井工開采成本增加,企業(yè)經(jīng)營壓力增大,大量井工煤礦關閉,1990-2018年間英國井工煤礦產(chǎn)量占比由79%降至1%,目前井工煤礦產(chǎn)量僅有0.025 Mt/a。德國井工煤礦長期以來依靠政府補貼才能實現(xiàn)經(jīng)濟開采,隨著2018年相關補貼終止,最后2個井工煤礦于2018年底關閉,結束了德國長達數(shù)百年的井工煤礦開采歷史。美國自1990年以來,井工煤礦產(chǎn)量和數(shù)量降速均明顯高于露天煤礦降速;井工煤礦產(chǎn)量由385.14 Mt降至249.80 Mt,降幅35.1%;露天煤礦產(chǎn)量由548.42 Mt降至436.18 Mt,降幅20.5%;井工煤礦數(shù)量由1993年的1 196處降至2018年的236處,降幅80.3%;露天煤礦數(shù)量由1 279處降至430處,降幅66.4%。澳大利亞近30年煤炭產(chǎn)量保持增長,但增量主要來自露天煤礦,井工煤礦產(chǎn)量雖有增加,但井工煤礦數(shù)量由68處減至27處,降幅60.2%。我國囿于煤炭資源賦存特征和行業(yè)長期發(fā)展的慣性,井工開采仍處于主導地位,2019年井工煤礦數(shù)量和產(chǎn)量仍分別約占總量的92.6%和81.8%。
國外產(chǎn)煤國家從煤礦區(qū)環(huán)境和煤炭利用兩方面保證了煤炭與環(huán)境和諧發(fā)展。美國、澳大利亞等主要產(chǎn)煤國先后于20世紀60年代末和70年代初出臺了一系列適合本國國情的、關于煤礦區(qū)環(huán)境治理的法律法規(guī),主要可以歸為四大類,即基本環(huán)境保護法、單項介質(zhì)環(huán)境保護法、礦業(yè)法和專項礦山環(huán)境保護法,基本上形成了一套從聯(lián)邦到州(省)的完整體系,立法較為詳盡、明確,可操作性強,要求開采企業(yè)將采后地區(qū)恢復到土地生態(tài)原貌。日本、韓國、印度、美國等主要煤炭消費國制定了關于煤炭利用方面有害空氣污染物、水污染物、固體廢物等污染物排放標準,日本將煤炭利用的環(huán)保政策納入總體環(huán)保政策體系進行管理,對燃煤企業(yè)提出強制性排放限值。
我國關于煤礦區(qū)環(huán)境治理的規(guī)定散見于有關采礦與環(huán)境保護的法律法規(guī)中,缺乏專門的立法;在煤炭清潔利用方面,2011年我國頒布了最為嚴格的《火電廠大氣污染物排放標準》,2019年底我國達到超低排放限值煤電機組達到8.9億kW,已建成全球最大清潔煤電供應體系。
近30年來,世界各主要產(chǎn)煤國家的煤礦安全生產(chǎn)總體形勢持續(xù)向好。從煤礦安全生產(chǎn)主要指標成效來看,當前世界主要采煤國家可分為4個梯隊:第1梯隊是澳大利亞、加拿大、英國、德國,煤礦安全生產(chǎn)狀況屬于世界領先水平,百萬噸死亡率在0.01以下,千人死亡率低于0.05,部分年份已實現(xiàn)“零死亡”,煤礦安全生產(chǎn)工作已轉向職業(yè)健康保障。第2梯隊是美國、南非,煤礦安全生產(chǎn)狀況屬于世界先進水平,事故死亡人數(shù)已達到或接近個位數(shù),百萬噸死亡率在0.03左右,千人死亡率在0.10~0.15之間,正在向著“零死亡”目標邁進。第3梯隊是俄羅斯、印度、波蘭、中國,煤礦安全生產(chǎn)狀況屬于較高水平,煤礦安全生產(chǎn)形勢在波動中逐步趨于穩(wěn)定下降,事故死亡人數(shù)仍維持在兩位數(shù),較大及以上事故仍時有發(fā)生,煤礦百萬噸死亡率在0.03~0.10之間,千人死亡率在0.15左右。第4梯隊為烏克蘭、土耳其、哈薩克斯坦、哥倫比亞等國家,煤礦百萬噸死亡率在0.10以上,重特大事故時有發(fā)生,如表2所示。
表2 2018年世界主要產(chǎn)煤國家煤礦安全生產(chǎn)相關指標
近30年來,我國煤礦安全生產(chǎn)取得舉世矚目的成效,實現(xiàn)由事故多發(fā)頻發(fā)向安全生產(chǎn)形勢總體穩(wěn)定的歷史性跨越。2019年我國發(fā)生煤礦事故170起,死亡316人,死亡人數(shù)與最高峰值7 016人相比,下降95.5%,重特大事故由最多時的108起、死亡2 148人,減少到3起、死亡52人,分別下降97.2%、97.6%,如圖8所示。
圖8 1990-2019年我國煤礦安全生產(chǎn)主要指標變化情況
盡管從煤礦事故起數(shù)和死亡人數(shù)來看,我國與世界產(chǎn)煤發(fā)達國家相比仍有一定差距,但綜合行業(yè)體量、產(chǎn)能、礦井數(shù)量、從業(yè)人員數(shù)量素質(zhì)、井工露天開采比、煤層賦存條件、機械化程度、管理體制機制等多種因素,我國煤礦安全治理取得這樣的成績實屬不易,煤礦安全生產(chǎn)已經(jīng)處于世界較高水平,如圖9所示。
圖9 1990-2019年世界主要產(chǎn)煤國家煤礦百萬噸死亡率變化趨勢
1999年以來,國外發(fā)生一次死亡30人以上的特大煤礦事故19起,共造成1 001人死亡,其中18起是瓦斯爆炸事故。這些特大事故全部發(fā)生在發(fā)展中國家,發(fā)達國家已基本杜絕煤礦特大事故的發(fā)生,但近20年來煤礦重大事故卻偶有發(fā)生,如2010年4月5日,美國西弗吉尼亞州羅利縣的上科大煤礦發(fā)生煤礦瓦斯粉塵爆炸事故,造成29人死亡。
我國自1999年底建立垂直管理的國家煤礦安全監(jiān)察體制以來,煤礦重特大事故得到有效遏制。2019年發(fā)生重特大事故3起、死亡52人,比2000年的81起、1 518人分別下降96.3%和96.6%。2015-2019年,我國煤礦發(fā)生一次性死亡人數(shù)30人以上的特別重大事故共2起,近3年未發(fā)生特別重大事故;發(fā)生一次性死亡人數(shù)10~29人的重大煤礦事故共25起,平均每年發(fā)生5起。而國外自2015年以來發(fā)生特別重大事故也是2起,重大事故在俄羅斯、烏克蘭、土耳其等國家也時有發(fā)生。因此,我國作為占世界煤炭產(chǎn)量近一半的產(chǎn)煤大國,在防范遏制煤礦重特大事故方面已經(jīng)達到國外平均水平,如圖10所示。
圖10 2000-2019年我國煤礦重特大事故變化情況
我國煤礦以井工開采為主,隨著采深和開采強度不斷增加,我國井工礦井逐步向深部、高溫、高瓦斯、高水壓、大地壓、大傾角、特厚、特薄等條件轉移,開采條件越來越差,災害越來越嚴重且相互疊加,生產(chǎn)系統(tǒng)越來越復雜,災害治理難度越來越大。因此,我國是世界上煤炭開采難度最大、災害最為嚴重的國家。
我國煤礦安全生產(chǎn)整體水平主要受限于井工開采,目前露天煤礦安全生產(chǎn)已達到世界先進水平。2018年我國露天煤礦發(fā)生死亡事故8起、死亡10人,百萬噸死亡率為0.015,與美國相當,但還未實現(xiàn)“零死亡”,距澳大利亞、加拿大等國家還有一定差距;井工煤礦發(fā)生死亡事故218起、死亡323人,百萬噸死亡率為0.108,低于波蘭的0.260,與俄羅斯相當,但與澳大利亞、加拿大和美國還有一定差距,如表3、圖11所示。
表3 2018年世界主要產(chǎn)煤國家井工與露天煤礦安全生產(chǎn)指標
圖11 部分主要產(chǎn)煤國家2018年露天和井工煤礦百萬噸死亡率
長期實踐證明,我國煤礦安全生產(chǎn)在體量龐大、條件復雜、企業(yè)總體管理水平差、技術裝備并不先進的情況下仍然取得舉世矚目的成績,其根本原因是黨和政府的堅強領導和嚴格執(zhí)法,形成了中國特色的煤礦安全管理制度,這是一套具有生命力和優(yōu)越性的制度體系,是能夠持續(xù)推動擁有50億t煤炭產(chǎn)能、近300萬煤礦從業(yè)人員的世界產(chǎn)煤大國進步和發(fā)展、確保擁有世界最復雜開采條件的中國煤礦實現(xiàn)安全生產(chǎn)形勢根本好轉的制度體系。我國煤礦安全制度體系在堅持黨的堅強領導、依法治安、優(yōu)化管理體制、防范化解重大風險、堅持以人為本、堅持精準治理、堅持安全發(fā)展等方面展示出的顯著優(yōu)勢,是我國煤礦安全生產(chǎn)取得歷史性成效的根本原因。
近30年來世界煤炭科技發(fā)展迅速,綜合來看,美國、澳大利亞、德國等國煤炭科技發(fā)展處于領先位置。目前美國井工煤礦長壁開采方法屬于最先進的井工開采技術,自動化、信息化、智能化相關技術廣泛應用,已經(jīng)實現(xiàn)了自動化開采和采煤機遠程控制,裝備先進可靠,用人精簡高效,員工健康和安全有保障;2018年美國原煤生產(chǎn)效率8 295 t/(人·年)。澳大利亞露天煤礦開采理念先進,選用世界一流裝備制造商產(chǎn)品,裝備載重量大、可靠性高,無人駕駛礦車實現(xiàn)了1 000 km以上的遠程控制;長壁工作面自動化技術(LASC)能夠實時監(jiān)測長壁工作面情況,且已經(jīng)開始向數(shù)字化方向發(fā)展,井工煤礦單礦規(guī)模大幅提高,生產(chǎn)率普遍提升;2018年澳大利亞原煤生產(chǎn)效率10 900 t/(人·年),為所有國家中最高水平。德國井工開采已經(jīng)結束,但德國的智能化開采技術仍處于世界先進水平,煤礦開采設備在世界市場占有比較優(yōu)勢;采礦業(yè)提出的“采礦4.0”,以機械化、自動化、信息化為基礎,建立智能化的新型生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)結構,推動了智能化開采技術在煤礦開采中的廣泛應用。
智能化開采是指在不需要人工直接干預的情況下,由采掘裝備自動完成回采的作業(yè)過程,是煤炭開采技術的變革。20 世紀90年代以后,美國、德國、澳大利亞等國開始著手研究自動化綜采關鍵技術,并取得了一些顯著性的成果。1995年,美國第一代的半自動長壁開采系統(tǒng)問世,經(jīng)過單機自動化、系統(tǒng)自動化和遠程控制3個階段,目前美國的智能化長壁采煤工作面單臺設備可靠性達到98.5%以上,整個礦井系統(tǒng)的可靠性達到80%以上,采煤工作面需要4~8名工作人員,全礦約需350~600人;房柱式開采技術也實現(xiàn)了開采系統(tǒng)的自動化、信息化、智能化。
2005年,澳大利亞LASC試驗成功,該技術隨后被廣泛應用于澳大利亞煤礦,自動化的開采過程既提高了礦井生產(chǎn)力,又使礦工遠離了危險的采煤工作面;2017年以來,澳大利亞煤礦又從自動化逐步邁向數(shù)字化的智能化發(fā)展新階段。
德國依托工業(yè)4.0戰(zhàn)略,以機械化、自動化、信息化為基礎,建立智能化的新型生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)結構;德國采礦業(yè)提出“采礦4.0”的概念,最終的目標是實現(xiàn)自動化無人工作面采煤,最大限度地減少井下輔助運輸和崗點作業(yè)人數(shù),降低勞動強度,減少事故發(fā)生概率,提升礦井自動化、智能化生產(chǎn)水平。
與國外相比,我國井工煤礦開采技術整體上經(jīng)歷了“跟跑”、“并跑”兩個階段,目前部分領域進入“領跑”階段;露天煤礦開采技術經(jīng)歷了“跟跑”“并跑”2個階段。
1990-1999年,我國井工煤礦開采技術整體上處于“跟跑”階段,重點研發(fā)了中厚煤層普通綜采裝備,煤礦安全高效開采技術和重大裝備制造能力取得重大進步,10年間大型煤礦原煤生產(chǎn)效率提高85.53%。2000-2009年,井工煤礦開采技術整體上處于“并跑”階段,攻克了厚煤層綜采技術瓶頸,研制成功了大采高綜采成套技術與裝備;建成將近40處千萬噸級煤礦,礦井生產(chǎn)效率指標與美國和澳大利亞先進礦井處于同一水平。2010年以來,井工煤礦開采技術部分領域進入“領跑”階段,8.8 m超大采高綜采技術與裝備成功應用,單個工作面年產(chǎn)突破16 Mt,刷新世界超大采高綜采工作面采高、產(chǎn)量與工效記錄;建成世界上規(guī)模領先的494處智能化采掘工作面,開創(chuàng)井工煤礦智能化開采新局面。
20世紀80年代以后,我國露天開采技術處于“跟跑”階段,先后建成五大露天煤礦,大型露天開采主要設備研制列入國家重點攻關項目,露天開采技術取得長足進步;2000年之后,我國露天開采技術逐步邁入“并跑”階段,五大露天逐步達到世界一流現(xiàn)代化露天煤礦水平,2018年大型露天煤礦原煤生產(chǎn)人員效率達到到96.03 t/工,超過美國露天煤礦平均生產(chǎn)效率,僅低于澳大利亞露天煤礦的生產(chǎn)效率,我國露天煤礦開采水平接近世界先進水平。
國外美國、俄羅斯、澳大利亞等17個采煤國煤炭生產(chǎn)與消費分別占國外煤炭產(chǎn)量和消費量的90%和80%以上,但近30年這些國家煤炭生產(chǎn)與消費在世界煤炭生產(chǎn)與消費增量中占比很??;而且在世界一次能源消費構成中的占比下降了6個百分點左右。對國外17國煤炭消費量和在一次能源消費構成中所占比重的變化進行研究分析之后,可將其分為3類,歐美國家屬于“雙下降”的第1類、亞太一些國家歸屬“雙上升”的第2類、澳大利亞等為消費量上升占比下降的第3類國家,我國屬于第3類;我國雖然煤炭消費量超過國外17個采煤國的總和,但在天然氣和新能源的替代下,煤炭在一次能源消費中的比重逐漸降低,是亞太地區(qū)降幅最大的國家。
國外產(chǎn)煤國家煤炭產(chǎn)量的增長主要依靠露天煤礦的產(chǎn)量,露天開采產(chǎn)量占煤炭總產(chǎn)量的80%以上;這些國家井工煤礦從個數(shù)、產(chǎn)量等方面呈現(xiàn)退出態(tài)勢,特別是英國和德國,美國和澳大利亞的井工煤礦也在逐漸減少。我國因煤炭資源條件限制等原因,煤炭開采方式以井工開采為主,井工開采產(chǎn)量占煤炭總產(chǎn)量的80%,與國外17國露天開采產(chǎn)量的占比幾乎相同;近30年,我國井工煤礦煤炭產(chǎn)量快速增長,2018年我國井工煤礦煤炭產(chǎn)量是國外17國井工煤礦產(chǎn)量的4倍。
近30年來,我國煤礦安全生產(chǎn)工作實現(xiàn)了由事故多發(fā)頻發(fā)向安全生產(chǎn)形勢總體穩(wěn)定的歷史性跨越,處于世界較高水平。我國露天煤礦安全生產(chǎn)已達到世界先進水平、井工煤礦安全生產(chǎn)狀況超過世界平均水平、重特大事故發(fā)生頻率已接近國外平均水平,中國特色社會主義制度優(yōu)勢保證世界最復雜開采條件的煤礦實現(xiàn)了安全生產(chǎn)形勢根本好轉。
近30年,國外產(chǎn)煤國家煤炭開采正在由自動化向數(shù)字化的智能化邁進;我國煤礦開采技術水平和煤機制造水平得以迅速提升,煤炭生產(chǎn)效率大幅提高,井工煤礦厚煤層綜采技術整體指標和大型露天煤礦的原煤生產(chǎn)效率指標達到國際先進水平,井工煤礦厚煤層綜采部分指標達到國際領先水平。未來,我國大型井工煤礦的開采工藝和技術裝備將“領跑”世界井工煤礦的發(fā)展。
隨著《巴黎協(xié)定》的通過,各國政府采取積極措施應對氣候變化,綠色開采和低碳發(fā)展日益成為煤炭工業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容。國外主要煤炭生產(chǎn)國和消費國在煤炭的清潔生產(chǎn)、高效利用、溫室氣體減排等方面做了大量工作,不僅制定了切實可行的政策法規(guī),而且加大相關技術研發(fā)的政府投入;我國在推進礦區(qū)生態(tài)文明建設、重點用煤行業(yè)節(jié)能減排及超低排放等方面亦取得了較好的成績,進入世界先進行列。
國外產(chǎn)煤國家特別是德國、英國等國經(jīng)歷了煤礦大規(guī)模開發(fā)和關閉的歷程,其共同特點是從政府層面給予煤炭產(chǎn)業(yè)轉型長達數(shù)10年的政策和資金支持,在老礦區(qū)推動新興產(chǎn)業(yè)的多元化發(fā)展、與周圍區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展。我國一些以煤為主的老工業(yè)基地正處在資源日漸枯竭、迫切需要轉型的階段,可以充分借鑒這些國家的成功經(jīng)驗,盡早做好規(guī)劃,給新興產(chǎn)業(yè)足夠的成長時間。