再论煤炭的科学开采

钱鸣高1,2,许家林2,3,王家臣1

(1.中国矿业大学(北京),北京 100083; 2.中国矿业大学,江苏 徐州 221116; 3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州 221116)

摘 要:科学采矿是指在保证安全的前提下、在环境容量的允许范围内,经济、高效、高采出率地采出煤炭。从人与自然相处的三大学问“获取—使用—回归”出发,再次明确了科学采矿的内涵与框架。综述了科学采矿理念指导下我国煤炭行业所取得的各项进展,分析了新形势下科学采矿面临的若干问题,并再次阐明了发展科学采矿的必要性。在此基础上,提出了全面实现科学采矿的条件,重点应从制定新建矿井准入标准、制定落后产能退出标准、分步实现科学产能以及加强行业协调和政策法规完善等方面做好煤炭科学开采的顶层设计,同时还要加强煤炭资源经济规律研究、加大科技投入和技术攻关以及改革人才培养模式。对煤炭的科学开采和煤炭行业的健康发展提出了方向性的意见。

关键词:科学采矿;安全高效;绿色开采;资源经济;科学产能

“获取—使用—回归”是人类与大自然相处的三大学问。人类通过从自然界获取资源,经过加工形成人类需要的生存用品,使用后形成同等数量的各类垃圾和废弃物,以固体、液体和气体的方式不规则地回归自然。在这一过程中,善待地球、善待环境就是善待人类自己。矿业是人类获取自然资源的重要手段,是人类永远需要研究的课题。煤炭作为大自然赋予人类的宝贵资源,一直是当代工业的粮食,为国家的经济发展提供了充足的能源保障。在我国煤炭的“黄金十年”中,为满足国民经济高速增长对能源的需求,煤炭产量以每年2亿t的速度增长。期间,人们更多地是从“使用”角度出发追求煤炭的产量,却较少关心煤炭资源的“获取”与“回归”,使得煤炭产业遇到了环境容量超标、煤炭资源经济规律研究缺失、地方资源优势并没有转变为经济优势、行业社会形象亟待改善等问题。尤其是在“黄金十年”的最初几年中,煤矿年死亡人数居高不下,全员工效和机械化水平不高且参差不齐,多数煤炭企业过于依赖资源优势而不思转型,采煤引起的环境问题凸现,尽管2000年绿色开采的提出从技术上对环境问题进行了一定程度的缓解,但煤炭行业仍然缺乏健康发展的统一指导思想[1-4]。在此背景之下,笔者于2006年提出了煤炭科学开采理念[5],并多次撰文对其内涵与框架进行系统阐述[6-14],以唤起煤炭行业的充分重视,使其走向健康发展的轨道。经过十余年发展,科学采矿内涵不断丰富、理念影响深远,取得的进展与成效显著,主要体现为:机械化换人、自动化减人推进迅猛,高效智能开采初露端倪;安全形势大幅好转,百万吨死亡率与国际标准差距不断缩小;绿色开采技术创新百花齐放,实施成效显著;煤炭开采成本有效降低,煤炭产业链得到延伸,这些充分证明了科学开采在煤炭行业发展中的重要指引作用,为保障我国能源供给作出了巨大贡献。

据预测,到2030年煤炭仍占一次能源消费总量的50%左右,说明在未来相当长的时间内煤炭消费量仍然很大,煤炭的安全、环保等科学开采技术研究面临着巨大的挑战。当前,随着我国经济发展进入新常态,煤炭行业面临的产能过剩、环境容量超标等问题愈发凸显,十九大报告中明确提出了大力推进生态文明建设、加大生态系统保护力度、坚决遏制重特大安全事故等,这些都是在对科学采矿的全面化实现提出要求。可以说,能否实现煤炭的科学开采也是一个社会文明的标志。因此,有必要再次对煤炭的科学开采进行论述,以引起国家和行业的重视。

1 煤炭行业的特点及其贡献

1.1 煤炭行业的特点

与其他行业相比,煤炭行业具有以下特点:

(1)煤炭产品质量的天赋性。

一般加工业的工业生产过程,是通过科学技术使加工对象增值的过程,科学技术直接与产品质量和价格挂钩,煤炭产业却有很大不同。由于煤炭是一种初级产品,其产品质量(如发热量、灰分等)是天然形成的,与开采时采用的技术手段先进程度无关,与安全投入的多少无关。因此不能像传统加工业那样通过改善工艺来提高产品附加值。同样,在一定的市场环境下,煤炭的价格主要取决于煤质,很少反映煤炭企业的技术、安全等成本投入。因此,在缺乏必要的监管时,有些煤矿为了扩大赢利空间,通过牺牲安全、资源回收率和破坏环境而取得低廉成本,如果不在安全、高效、高回收率和绿色环保等方面加以约束,很容易成为解决贫困地区农民劳动就业和脱贫致富的手段。

(2)煤炭资源赋存的非均布性。

煤炭作为一种化石能源,其形成环境与过程决定了资源赋存的非均布性,一方面体现在煤炭的赋存环境复杂且差异极大,另一方面则是煤炭质量和分布的高度不均衡,这不仅导致煤炭企业是天然的高危行业,还造成了企业之间的不公平竞争。首先,从赋存环境的角度而论,由于煤矿的工作环境是大自然中的地层,面临着水、瓦斯、构造、地温等各种天然条件的威胁,要想从自然界“获取”煤炭,就要首先克服这些复杂条件,而这一过程时常伴随着人员伤亡,导致煤炭行业成为高危行业。其次,不同区域的煤炭企业,其所开采煤层的地质条件差异极大,导致开采难度与开采成本悬殊,而煤价又与开采技术无关,因此,企业之间出现不公平竞争。加之矿井是否紧邻市场无法自行选择,一些远离市场的企业还将付出额外的调运成本,所面临的不公平竞争加剧。可见,煤炭企业盈利与否与煤层赋存条件及所在地区直接相关。

(3)煤炭企业的全生命周期性。

由于煤炭开采企业的产品是一种自然资源,其开发都经过“勘探—前期开采—扩大生产—鼎盛—衰退—枯竭”的整个过程。由于自然资源的有限性,煤矿都要经历一个全生命周期。因此,对于煤炭企业而言,在建井之前不仅要对如何生产作出设计,还要考虑矿井退出时如何进行转型。如果没有在矿井发展鼎盛时期大力培育和发展接替性产业,使资源优势向经济优势转变,当煤炭资源枯竭时,往往会出现“矿竭城衰”和大量人员失业难题。

(4)煤炭开采的负外部性。

煤炭产业的另一个特点是煤炭开采的负外部性突出,也即采煤对其他人或企业造成了影响,并使其付出成本,但煤炭企业并未对其进行很好地补偿。由于煤炭作为企业从大自然中开采出的一种资源,在“获取”过程中必然会伴随着对自然环境的损伤,但企业没有完全承担这一部分成本,导致一部分环境成本被外部化;同时,在“获取”过程中,由于安全投入不足等各种原因导致事故时常发生,安全成本在一定程度上被外部化。实质上,传统意义的煤炭开采成本并非完全成本,只是企业自身由于采煤所付出的成本,其一部分安全、环境等外部成本被社会化,多数被转嫁给以煤炭为主的资源型城市,导致其产业结构单一、环境与经济风险突出,经济得不到实质发展,当煤炭行业进入低谷时,又无法得到所在地很好的支持。

1.2 煤炭行业的贡献

“УГОЛЬ ЭТО НАСТОЯЩИЙ ХЛЕБ ПРОМ ЫШЛЕННОСТИ”(煤是当代工业的粮食),这是20世纪初的一句名言。那时,正值工业化时代的初期,世界能源主要依靠煤炭,煤炭在国际能源构成中的比例高达70%~80%。之后,由于煤炭在保护环境和利用效率方面的劣势逐步被石油和天然气替代,所占比例下降到20%~30%。然而,我国是富煤国家,石油和天然气相对贫乏,新中国成立之时,煤炭在能源构成中的比例达90%,满足了当时的国家经济发展对能源的需求。进入20世纪90年代,由于产业技术进步,能源结构调整力度加大,我国煤炭消费在能源消费中的比重逐步下降。21世纪以来,我国大力发展城市化,汽车、房地产业、重化工业、电力工业出现了突飞猛进的发展态势,经济对能源的需求快速增长,煤炭在能源消费构成中的比重保持在70%左右。近5年以来,我国经济发展进入新常态,煤炭在能源消费构成中的比重虽然有所下降,但仍保持在60%以上(图1)。由此可见,煤炭一直是我国最重要的基础能源,在我国能源消费构成中占据主要地位。

图1 煤炭在能源消费构成中的比重
Fig.1 Proportion of coal in energy consumption

为满足国家经济发展需要,煤炭行业自建国以来累计开采了超过600亿t煤炭。尤其是近十几年来一度竭尽全力,在科技能力与产能并不匹配的情况下开采了大量煤炭。例如,2004年开采技术落后的乡镇小煤矿的产量占到我国煤炭总产量的39%。煤炭总产量从2000年的10亿t产量发展到2012年的40亿t。以此支撑钢铁、水泥和电力行业发展,使我国的基础设施得到长足发展,经济总量从2009年开始一直保持世界第二。仅仅在“十一五”期间,我国煤炭生产和主要用煤行业对GDP总量和增量的总贡献率就达到了15%和18%左右[15]。由此可见,煤炭行业保障了国家经济发展的能源安全,一直支撑着国民经济和支柱行业的发展。

然而,煤炭为国民经济发展做出了重要贡献,但社会却对行业的责难很多。“贡献和责难”并行,显然,煤炭行业的健康发展存在问题。

2 科学采矿的内涵与技术框架

科学采矿理念初创时,其核心内涵包括[5-9]:煤炭生产机械化、煤炭开采环境保护、煤矿安全生产、提高资源回收率。随着社会经济的不断发展,科学采矿的内涵也在不断丰富和完善。近年来,我国经济增长方式不断优化,能源消费结构在发生变化,对煤炭经济形势产生冲击,同时,对环境质量问题日益重视,因此资源经济学和环境经济学问题便成为科学采矿所涉及的重要内容。因此,在当今时代背景下,科学采矿是指在保证安全的前提下、在环境容量的允许范围内,经济、高效、高采出率的采出煤炭。

科学采矿技术框架主要包括安全开采、绿色开采、高效开采、节能低碳开采和经济开采等方面(图2)。安全开采要求以人为本,加大安全技术的研究和相关费用的投入,防范各种事故灾难的发生,百万吨死亡率达到国际水平。同时还应增强对井下职工作业环境中粉尘、高温、噪声等危害因素的防控,防止矿工伤亡与职业疾病的发生,提高对煤矿工人劳动的尊重和身心健康的保护程度。绿色开采旨在通过控制或利用采动岩层破断运动,从开采源头减轻采煤对环境的影响或进行环境修复,实现对煤层及共伴生资源的共采或保护。高效开采是指大力推进不同地质开采条件煤矿的机械化、自动化、智能化发展进程,提高生产效率,降低井下用工数量。节能低碳是指充分利用矿井开采的物质资源与能源(如地热)资源,达到节能和提高资源利用率、实现矿区低碳发展的目的。经济开采不仅要求采用先进的科学技术以降低生产成本,而且要将采矿的外部成本内部化,社会成本企业化,以构建包括资源成本、安全成本、环境成本、发展成本和生产成本在内的完全成本体系;同时,重视资源经济学研究,实现与环境容量相匹配的科学产能。

图2 科学采矿技术框架
Fig.2 Technological framework of sustainable mining

科学采矿的各个方面并不是孤立的,而是相互联系,相辅相成的。绿色开采使煤炭开采在环境容量的允许范围内进行,将瓦斯、水、土地、矸石等视为宝贵的自然资源,既实现了节能低碳又保障了煤矿的安全开采;高效开采提高了煤炭开采效率,减少了井下作业工人的数量,在实现巨大经济效益的同时提高了煤矿开采的安全性;节能低碳开采提高了资源的利用率,降低了能耗,节约了资源,对实现经济开采起到了巨大推动作用。因此,要实现煤炭科学开采就要针对矿井面临的主要问题,协同运用煤炭科学开采技术。

3 科学采矿的进展

自科学采矿理念提出以来,得到煤炭行业的积极响应。科学采矿内涵不断丰富,其外延不断拓展,科学采矿理念逐步深入人心,深刻影响着我国矿业法律、法规和宏观经济政策的制定。与此同时,国内矿业科技人员围绕科学采矿相关技术进行了一系列创新性研究,取得众多研究成果。显著进展主要包括以下5个方面。

(1)科学采矿内涵不断丰富、科学采矿理念影响深远。

科学采矿理念提出后不久便在全国范围内推广开来,2007年由中国矿业大学和《采矿与安全工程学报》编辑部组织的第一届科学采矿论坛举办,截至2017年,科学采矿论坛已成功举办7届。中国煤炭学会开采专业委员会连续以“科学采矿新理论与新技术”为主题召开学术年会。经过近10年的研究,国内学者构建了完整的科学采矿和科学产能的评价方法及评价体系,为实现科学采矿奠定了基础[16-18]。在谢和平院士等主持下,2016年中国工程院首次发布了中国煤炭企业科学产能排行榜,2017年科学产能排行榜第2次发布,参评矿井数量增加到406家,合计生产能力12.3 亿t。科学产能为煤炭行业综合评价矿井安全、高效、绿色生产水平提供了重要依据,为国家煤炭行业发展政策制定提供重要支撑,比如,国家煤炭主管部门秉持科学采矿理念,积极引导煤炭企业加快退出落后产能,“十三五”期间我国预计淘汰落后煤炭产能8 亿t。

(2)机械化换人、自动化减人稳步推进,高效智能开采初露端倪。

机械化是指矿井生产全过程的机械化,包括采掘全部生产工艺的机械化、运输提升机械化等。2006年,我国全国平均采煤机械化程度仅45%,国有重点煤矿为82.72%,乡镇煤矿几乎没有机械化。科学采矿理念提出10年来,煤矿采煤机械化程度得到显著改善,国有重点煤矿机械化程度大于95%,中型煤矿大于70%,小型煤矿大于55%[19],机械化程度的提高得益于小型煤矿的改造、兼并整合及淘汰。2005年我国30 万t以下的小型煤矿约2万处,小型煤矿产量占比达到38%,而2015年小型煤矿数量降低至4 875处,小型煤矿产量占比下降到10%。

“十二五”期间,我国煤炭产能大量向晋陕蒙地区集中,而南方与东部的产量比例进一步缩小。国家推动企业兼并重组,特别是在主要产煤省区地方政府的推动下,大型煤炭企业集团快速发展壮大,产业集中度大幅提升。10年来我国煤矿数量明显下降,由2005年的2.5万处降低至2016年的8 000处以内。经过整合提高进入门槛和大型煤炭基地的形成,逐步形成高度机械化的特大型矿井群,14个大型煤炭基地原煤产量占全国的94%左右。矿井机械化程度的提高使得煤矿人员工效不断增加,2005年国有重点煤矿全员功效仅为3.739 t/工,而2016年全国大型煤炭企业中中煤集团和神华集团原煤工效分别达到34.61 t/工和33.6 t/工,潞安集团、晋城煤业、陕西煤化、兖矿集团、开滦集团也都超过10.00 t/工[20]

目前,智能化技术逐步被引入并开始应用到煤炭生产过程中,我国已建成“有人巡视、无人值守”的智能化开采工作面47个,主要经济技术指标进入国际先进水平行列。神华神东、陕煤化等一批大型煤炭企业通过高起点设计、高标准建设,建成了以大柳塔、红柳林煤矿为代表的一批千万吨级矿井群和以锦界、黄陵一号井为代表的一批自动化矿山和智能化开采工作面,引领了煤炭安全高效智能化开采发展方向,推动了我国煤炭生产力总体水平的提升[21]

(3)煤矿安全形势逐步好转,百万吨死亡率与国际标准差距不断缩小。

2005年,我国煤矿因瓦斯事故死亡2 157人,冒顶事故1 995人,水害事故593人,运输事故559人(图3)[22]。经过十余年的不懈努力,我国煤矿安全形势逐步好转,根据公开事故信息统计得出[23],2016年我国煤矿瓦斯事故死亡170人,冒顶事故89人,水害事故26人,运输事故47人。国际标准百万吨死亡率为0.02,在我国煤炭产量高速增加的同时,煤矿百万吨死亡率由2006年的2.04降低到2016年的0.157(图4),与国际标准的差距进一步缩小。

图3 10年来我国煤矿事故死亡人数对比[22-23]
Fig.3 Death tolls of coal mine accidents in China of the past decade[22-23]

图4 近十余年来全国煤炭产量与煤矿百万吨死亡率
变化曲线[24]
Fig.4 Curves between death rate per million tons and coal yield in China of the past decade[24]

(4)煤矿绿色开采技术创新百花齐放,工程实施成效显著。

我国煤层瓦斯储量为36.81 万亿m3,与陆上常规天然气储量相当,虽然整体瓦斯资源丰富,但我国大部分煤层透气性低(0.005~0.100 m2/(MPa2·d)),很难抽采。2006年,我国煤层瓦斯抽采量为32.4亿m3。10年来,我国在煤与瓦斯共采理论与技术方面取得了较大进展[25],2016我国煤矿瓦斯抽采量达到173 亿m3,与2006年相比提高了4.3倍(图5)[26]。随着我国煤层瓦斯抽采量的提高,瓦斯事故死亡人数在逐年下降,2016年瓦斯事故死亡人数为170人,与2006年相比降低了87.1%[25-26]。由于煤矿瓦斯事故死亡人数占比很大,因此煤与瓦斯共采技术的发展为我国煤矿百万吨死亡率的降低做出了巨大贡献。

图5 我国近年来瓦斯抽采量与瓦斯事故死亡人数[25-26]
Fig.5 Curves between death tolls of gas accidents and quantity of gas drainage in China of the past years[25-26]

在保水采煤、充填采煤及矸石减排方面,我国亦取得了重要进展。在保水采煤方面,形成了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计新方法[27-28],克服了传统经验公式中岩性均化处理带来的误差,有效指导了我国保水采煤工程实践。另外,针对我国西部水资源匮乏、煤炭开采破坏原有地下水系统的问题,提出了煤矿地下水库理念,并在神东矿区建成32座煤矿地下水库,为矿区提供了95%以上用水,为西部地区煤炭开采地下水资源保护利用提供了有效技术支撑[29]

在充填采煤方面,近10年来充填采煤技术迎来了快速发展,形成了以固体[30]、膏体[31]、高水材料[32]等为代表性的多种采空区充填采煤技术,在充填材料选择范围上得到了一定拓宽,充填工艺与装备水平也得到了大幅提高,并在一些矿井进行了成功应用。在采宽得到控制的条件下,采空区全部充填能够有效控制地表下沉,但从应用情况来看,存在成本高、充填与采煤干扰、充填采煤效率低的问题。针对上述问题,提出了部分充填采煤技术[33-39],从根本上强调了充填的3方面本质:充填目的是控制岩层与地表沉陷;充填减沉原理必须要充分利用岩层(关键层)自承载能力;充填方式要充分考虑岩层移动中采动裂(空)隙的演化特征[33]。在这些理念指导下,部分充填得到了长足发展,相继研发了覆岩隔离注浆充填[36-38]、短壁垮落区嗣后充填、长壁墩柱同步充填[39]等技术,充填范围与作业方式更加灵活,充填与开采效率大幅提升,将充填开采推向了新高度。

另外,通过开展煤矸石发电、煤矸石制建筑材料、煤矸石制砖、生产农用肥料、制取新型材料等综合利用手段,使得我国煤矸石综合利用率达到64.2%,矸石排放量大幅降低。

(5)多措并举降低煤炭开采成本,增加企业综合效益。

在市场经济条件下,采用先进的科学技术以降低煤炭开采成本,始终是科学采矿的主题。以山西省为例,2010年以后,随着科技投入增加,煤炭产量增加的同时,吨煤成本在不断下降(图6)。

图6 山西省吨煤开采成本[40]
Fig.6 Coal mining cost of per ton in Shanxi Province[40]

我国煤炭循环经济有所发展,其中同煤塔山煤矿循环经济、神华宁东煤化工产业等一大批循环经济园区相继建成,实现了集中生产、集约发展,初步形成了资源环境和区域经济协调发展的产业新格局。水煤浆、型煤、低阶煤提质等洁净煤技术攻关取得明显进展[41]

我国于2016-07-01起,全面推开资源税清费立税、从价计征改革,进一步完善绿色税制,理顺资源税费关系,着力构建规范公平、调控合理、征管高效的资源税税制。数据显示,资源税改革一年来,全国共为符合条件的煤炭企业减免资源税近42 亿元,通过资源税收的调节作用,推动绿色发展[42]。国家为鼓励煤炭企业采用先进采矿技术,充填开采方式采出的矿产资源,资源税减征50%[43],为企业降本提效指明了方向。

开采煤炭本身赢利有限,可以适当延长产业链作为企业补偿[3]。近年来,煤电一体化发展取得新进展,煤炭企业参股控股电厂权益装机容量由2012年的1.2亿kW增加到2016年的1.8亿kW,占全国火电装机的比重提高到18%左右。煤为基础,煤电、煤钢、焦化、建材、储运、金融等相关产业协同发展格局初步形成,煤炭产销协同、新产业、新业态等创新发展模式不断涌现。2016年底,全国煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制气产量分别达到200万t、650万t、160万t和15亿m3。在环境容量内发展现代煤化工产业,推动了煤炭由价值链低端向高端跃升,拓展了煤炭消费空间和煤炭企业综合经济效益[21]

4 新形势下科学采矿面临的若干问题

4.1 环境容量与经济风险

煤炭开发之前周围环境是协调一致的,而一旦开发建设必然影响环境,强烈的人为活动使环境发生巨大的变化,由此造成了独特的生态环境问题。煤炭的利用也与环境密切相关,在化石能源中显得更为突出。在煤炭开采中,面临着环境影响评价偏于简单的问题。由于资源的天赋性,决定了煤炭难以定价,同时在煤炭获取和利用中发生的环境破坏也难以用价格来量化,由此导致“市场失灵”,内部成本很容易转化为社会成本形成不完全成本。显然煤炭开发利用明显具有正负价值的两面性。因此在环境容量内开发和利用煤炭都是清洁和科学的,一旦超出环境容量,就要付出巨大的社会成本。

由于缺乏对煤炭利用的合理环境容量的预测能力与防备意识,带来了行业的经济风险。随着经济增长方式的不断优化以及对环境质量的重视,煤炭消费迅速收缩,使得庞大的煤炭开采业措手不及,其经济断崖式地掉入了“冰窟窿”。这恰恰说明目前预测环境容量和煤炭消费量方面的科技能力不足,煤炭行业本身也缺乏相关的预警研究,导致本就脆弱的煤炭行业承受了巨大的经济风险。当前,煤炭在能源结构中的占比有所下降,预期还将持续下降,行业本身或面临更大的挑战。

因此,需要对煤矿资源条件评价、形成煤炭科学产能的评价与预测方法,保持产能稳定,与经济条件相适应,避免煤炭价格大幅波动。

4.2 安全问题依然严峻

尽管我国煤矿安全形势得到了大幅好转,但是,由于煤矿地质开采条件十分复杂,开采难度不断增大,面临各种采动灾害,我国煤矿安全问题依然严峻。尽管2016年的百万吨死亡率已趋于国际标准,但二者仍有一定差距。其中,大型煤炭企业的百万吨死亡率与先进国家没有差别,如神华集团仅为0.005,已优于国际标准,但是小煤矿的安全形势堪忧。据报道[44],2009年,我国小煤矿的死亡人数占比达到70%,极大地影响了行业的社会形象。如果关闭所有小煤矿,我国百万吨死亡率或可降低到0.08[11],充分说明小煤矿的安全问题突出。

没有技术难以保证安全,由于小煤矿地质条件复杂,而其自身恰恰缺乏技术,导致事故频发。仅在2016年,就出现了2次中小煤矿导致的特大事故:重庆永川区金山沟“10·31”瓦斯爆炸(6万t/a矿井死亡33人)[45]、内蒙古赤峰宝马煤矿“12·3”瓦斯爆炸(45万t/a矿井死亡32人)[46]。可以看出,开采技术与装备不完全适应复杂的地质开采条件是我国煤矿安全形势严峻的一个重要原因。

4.3 相关政策有待完善

我国煤炭的政策并不完善[16,47]。在管理层面,体制与机制不协调不完备问题仍然存在,管理机构频繁更迭、分散管理模式、纵向管理体制弱化国家管理职能,都制约着煤炭行业的发展。对于企业而言,还面临公平竞争的市场环境监管缺位的问题。市场经济在资源“使用”中发挥到极致,但在“获取”与“回归”时,由于对环境价值无法评估常常出现市场失灵,必须依靠法规和法制解决问题。

在煤炭“黄金十年”里,煤炭企业大量赢利,但数万亿的利润没有得到聚集和储备,尤其是未能很好地用于人才培养与职工安全健康投入方面。十年期间,并没有很好完善煤炭科技,没有改善资源城市经济转型的问题,最终未能使行业达到强国标准。尤其是乡镇煤矿,其赢利大部分流失,而有一些企业则盲目扩大产能,在产能过剩后投入的资金陷入困境。此外,煤炭行业依旧背负着近400万职工的生计问题以及很多随资源枯竭而衰落的资源型城市。国家得益于煤炭资源开发,但资源型城市的经济不能得到持续发展,反而破坏了环境,留下了大量的煤矿职工,这个沉重的包袱把煤矿困住了,难以靠自身实现转型发展。显然,如果有相关的政策法规指引,这些困境或将大大减小。

市场经济是企业家经济,企业家的行为直接影响行业的科学发展。煤炭生产企业家在发展科技方面的积极性一般不高。主要原因是煤炭企业生产的商品是初级产品,而且是一个自然产品,生产方式变革不能改变产品质量。这与煤炭使用行业的企业家心态明显不同,如在发电企业,就需要研究煤炭质量与发电量的关系问题。此外,在目前状况下,改善安全和环境与很多煤炭企业家的利益并没有直接关系,也是他们不积极的一个因素。一些煤矿存在超设计能力生产、“采肥丢瘦”,导致矿井实际寿命较设计服务年限大大缩短。因此,应该制定煤炭企业家和国家管理的规则,对煤炭企业家的利润使用、管理等进行规范。

可见,要想实现科学采矿,还需要有相应的政策法规出台,比如行业准入与退出制度、先进科技的鼓励推行政策、企业家管理等,从而进一步对煤炭的科学开采进行规范和促进。

5 全面实现煤炭科学开采的条件

矿业学科目前的主要矛盾是如何做到对大自然的“科学开发和科学利用”。在我国如此高的煤炭产能条件下,理应创立世界上最完整和最先进的的科学开采理念和科技;建立保证安全和保护生态环境的科技体系;建立适应我国国情的资源经济体系;形成健全的管理体制达到最优配置。为了全面实现煤炭科学开采,建议应重点从以下几个方面开展工作,如图7所示。

图7 全面实现煤炭科学开采的条件
Fig.7 Conditions to comprehensively realize sustainable mining

5.1 做好煤炭科学开采的顶层设计

煤炭只要在环境容量内使用仍然是可靠而经济的能源,是大自然赋予人类的天然财富,值得人类珍惜,因此,应实现科学开采。鉴于目前的煤炭行业发展现状和国家的能源需求,煤炭资源要实现科学开采,行业管理部门和政府机构必须做好煤炭行业发展的顶层设计。

5.1.1 覆盖煤矿“全生命周期”的新建矿井准入标准的制定

与其他行业不同,煤炭行业的发展水平不仅与煤炭开采技术及其装备有关,还受到煤炭资源的勘探程度和赋存条件的制约。由于煤炭资源的赋存条件(深度、地质构造、煤层厚薄及引发事故的可能性等)不同,开采所需要的科技水平会有很大差别。同时,煤炭的科学开采理念不仅体现在煤炭的生产过程中,还应该贯穿煤矿设计、生产、关井及废弃矿井综合利用的全过程中。因此,对于新建矿井而言,在现有科技水平条件下,要想实现科学产能的与环境容量相匹配、安全高效的要求,就必须从采前的资源条件、开采技术水平和采后的环境修复能力等煤矿的“全生命周期”把好煤炭产能的“入口关”,制定煤矿的新建矿井准入标准,使煤炭开发的“全生命周期”过程均实现安全、高效、环保。

新建矿井准入标准可以考虑从以下几方面入手:

(1)煤炭资源条件。

一个煤矿的煤炭资源条件,将从根本上决定矿井的生产规模、开采技术水平要求、安全保障程度以及对生态环境的影响程度。因而,在制定新建矿井的资源条件准入标准时,可以从矿井产能、资源勘探程度、瓦斯等级、矿井水文地质条件、冲击地压等级、煤尘爆炸性、煤层自燃性、煤层倾角、开采深度和其他开采条件等方面设定最低门槛[48]。同时,对于新建矿井分布区域进行总体规划,通过产能置换的方式,达到“限制东部、稳定中部、发展西部”的格局。

(2)开采技术水平。

要实现煤炭科学开采的安全、高效和环保的要求,煤矿的开采技术水平必须要与煤矿产能相匹配。煤矿的开采技术水平主要包括采用的煤炭开采技术以及实施这些技术的人员专业素养。因此,要使新建矿井的煤炭产能达到科学产能的要求,可以从以下几方面制定具体的准入标准,主要包括:机械化开采程度、安全生产技术的科技水平、技术人员的占比(大学毕业生数量占全部职工的比例)及主要技术人员的专业知识能力、设计的资源采出率等。

(3)环境保护与修复能力。

采矿是从自然环境中获取资源,必然破坏煤矿所在区域的原有环境平衡。不同的地区环境条件存在较大差异,对采煤引起的环境破坏的容受能力也各不相同。因此,煤炭的科学开采就必须要求新建矿井的煤炭产能与当地的环境容量相匹配,在向自然索取煤炭资源时遵循自然规律(科学地面对复杂的地质体、地应力变化、水和瓦斯等)保证安全、保护环境,在环境容量内使用,从而在矿业和自然之间建立起复合的生态平衡机制。对于新建矿井而言,煤矿的环境修复能力的准入标准可以包括环境破坏的可修复程度、采用的绿色开采技术水平和采后的环境修复技术难度等几方面。对于国家和省级重点自然保护区,应严格作为禁采区。

5.1.2 落后产能退出标准的制定

煤炭科学开采首先要保障煤炭开采的安全,然而我国目前的安全事故主要来源于一些技术落后的煤炭企业或小煤矿。因此,要实现煤炭行业的全面科学开采,必须坚决淘汰存量的落后产能。煤炭行业的管理部门可以根据表1所示的不同类型煤矿制定相应的退出标准,使存量的落后产能分步逐渐淘汰。

表1 需要淘汰的落后产能的退出指标
Table 1 Indicators for the outdated coal mines out ofthe coal industry

产能类型退出指标生产能力机械化程度安全生产条件环保程度退出顺序I类<最低产能达不到不符合不符合强制退出II类>最低产能达到不符合不符合优先退出III类>最低产能达到符合不符合评估退出

5.1.3 科学产能的分步实现

由于现阶段我国能源消费还是主要以煤炭为主,煤炭仍然是我国的基础能源。为了适应社会经济发展需求,发展煤炭的科学开采已是基本国策。然而,面对我国煤炭行业的基本国情,现阶段要全面实现煤炭的科学开采是不现实的,分步实现煤炭的科学开采是其必然的途径。

第1步:淘汰落后产能,发展先进产能。

对于一些资源条件(煤质)差、机械化程度较低、产能较小、灾害(冲击地压、煤与瓦斯突出、水害)严重且不具备安全生产条件的落后产能,依据存量落后产能的退出标准和国家有关政策予以坚决清退,以提高现有煤炭产能中的先进产能和科学产能的占比。同时,虽然一部分煤炭产能在开采过程中会对环境造成破坏,但若不超越环境容量且其破坏的环境是可修复的、产能是安全和高效的,对于这一部分产能可认定为先进产能,予以优先发展。例如:露天开采等煤矿是符合安全和高效的特点,但其对环境破坏很严重;在现有科技水平条件下,采用采、排、复一体化等技术,可以实现先进产能。

第2步:依托技术进步和社会发展,实现科学采矿。

科技进步与推广应用是我国煤炭实现科学开采的先决条件。利用行业的技术攻关,可以提高我国煤炭开采的机械化、智能化和绿色化的普及程度,实现煤炭的安全、高效和高采出率,建立保护生态环境的科技体系。因此,在实现第1阶段的先进产能的基础上,依托行业技术进步和社会发展,可以逐渐全面实现我国煤炭的科学开采。

第3步:在科学开采的前提下实现“产需平衡”。

目前,国家大力开发页岩气、可燃冰和非化石能源,它们的成功必然不断地压缩煤炭的过剩产能。有的学者认为,到2050年煤炭可能还要占到国家能源消费总量的40%。虽然预测是困难的,但届时我国的能源效率将大幅度提高,煤炭行业已全面实现科学开采,煤炭科学产能将达到20亿~25亿t。由于煤炭产业的特点(产能的建设与退出周期长,且生产过程的连续性要求高),煤炭不适宜作为国家能源的“调节阀”。因此,应改变传统不科学的“以需定产”模式,根据社会经济发展状况科学预测合理煤炭需求,逐步调整煤炭的科学产能,从而使煤炭行业进入一个崭新的基于科学开采的“产需平衡”发展模式,即在保证产能科学的前提下,按照我国经济发展的实际需要实现煤炭生产与煤炭消费的平衡。

5.1.4 行业协调的加强和政策法规的完善

由于我国煤炭工业缺少行业的全国直接主管部门,加之煤炭企业数量众多,行业协调不够。必须进一步增强全国煤炭企业的沟通协调,加强行业自律与煤炭资源合理利用的宏观配置,在诸如产能控制、新技术攻关与推广应用等方面协调一致,避免各自为战。

从政府层面适时制订出台有利于实现煤炭科学开采的法律法规,约束煤矿企业践行科学开采的责任。同时要求国家在制订税收等相关政策时,考虑对企业实现科学开采承担的完全成本进行合理补偿与分担。煤炭行业实现科学开采的完全成本化将导致吨煤开采成本大幅度增加,但目前煤炭的税收政策并没有考虑这一问题,因此制订新形势下煤炭税收政策,让利于企业,使煤炭企业有能力支付安全、环境、社会责任等费用十分必要[49-50]

5.2 加强煤炭资源经济规律研究

“采煤大国”依靠资源和劳动力,而“采煤强国”需要依靠的是人才、科技和资金。要实现煤炭的科学开采,必须使煤炭行业成为能聚集资金和吸引人才的行业。为此,还应加强煤炭资源经济规律研究,包括以下几方面。

(1)加强煤炭定价机制研究。

煤炭形成于大自然之中,受成煤过程环境影响其质量与获取难易程度均有很大差别。因此,在市场经济条件下天然资源难以价格化。煤层赋存条件复杂的矿区与条件简单的矿区相比,其煤炭价格存在差异。显然,从这个角度来看,目前各个煤炭企业之间存在着不公平竞争。资源条件赋存对煤炭的科学开采起决定作用,因此,要重点研究煤炭价值的科学评价方法。同时,针对资源赋存条件相对较差的矿井,应研究相关的支持政策,实现煤炭企业之间的公平竞争。

(2)加强环境影响评价研究。

包括矿区的环境容量评价与采动对环境的影响评价。应该说煤炭在环境容量内使用是洁净而且低成本的能源,但由于煤炭在利用过程中超越了环境容量,由此对煤炭能源引起争议。但是不同矿区的环境容量大小受多个因素约束,而这些约束的解决需要依靠科技进步。其次,如何对采动环境影响进行科学的评价,也是需要研究的问题。在开采过程中利用绿色开采技术(如充填开采)对岩层、含水层和地表进行保护,与不采用绿色开采技术而是采用采后修复的方法相比,对环境的影响究竟存在何种差异,以及采煤引起的环境问题能否货币化衡量,仍然需要探索。

(3)加强煤炭开采的完全成本研究。

完全成本是指科学开发合理利用煤炭资源所付出的各种成本的总和,是全社会为煤炭资源利用而付出的真实成本。按照科学采矿的要求,就是将采矿的外部成本内部化,社会成本企业化,其完全成本应包括资源成本、生产成本、安全成本、环境成本和发展成本[14]。由于采出煤炭的成本仅占一部分,而用于珍惜资源、保护环境和安全等各项费用的外部成本又难以商品化,管理不善形成不完全成本和低廉的价格以换取利润,导致损失转而由社会支付。例如,一些乡镇煤矿(煤老板)和经济状况差的国有煤矿,为了生存就以不正当手段获取资源,同时以牺牲资源、安全、环境而获得低成本,从而将内部成本转化为社会成本。显然,要实现煤炭的科学开采,必须研究煤炭开采的完全成本及其实现方式,同时,要研究实现完全成本所需配套的政策等。

(4)实现对煤炭市场的科学预测。

要实现煤炭的科学开采,还应具备对煤炭市场的科学预测能力与方法。从煤炭行业的发展过程来看,既存在“黄金十年”的辉煌阶段,也经历过“冰窟窿”式的低迷阶段,即未能维持煤价市场的稳定,对煤炭企业的影响极大。显然,造成这一结果的重要原因之一是缺乏对煤炭需求的科学预测,无法确定出合理的煤炭产能,从而对煤炭市场产生不利影响,造成煤价失稳。因此,科学预测出煤炭在资源中的合理占比,保持煤炭价格的稳定,也是实现煤炭科学开采的重要条件。

5.3 加大科技投入和行业共性技术攻关

科技是第一生产力。科技是保障煤矿安全生产、高效生产、保护环境从而实现科学采矿的第一生产力。为此,必须推动采矿科技的创新性发展。正如前文所述,我国煤炭科技已取得了巨大的进展。然而,由于我国煤层赋存和开采条件的复杂性,煤矿科技研究是长期的、艰巨的,并非一蹴而就,只有持续不断地攻克基础理论和相关技术,才能破解目前制约煤矿生产的安全、环保、高效等方面的难题。

在科研体制上,由于煤炭科研院所的企业化运作在一定程度上弱化了一些重要的基础理论研究;同时,由于科研人员浮躁、过分追求名利的工作心态,科研项目就事论事的多,很难实现由实践到理论的抽象与本质跨越,导致我国煤矿基础性、普遍规律性的理论与技术研究不够。尽管很多大型煤炭企业成立了自己的研究院,但由于经费投入不足和缺乏人才,目前大部分企业研究院仅起到企业对外合作科研项目的管理作用,并没有形成针对矿区特点和问题开展研究的能力。需要从进一步加强煤矿企业的创新主体作用和提高国家对煤矿基础理论和共性关键技术研发专项资金的投入规模等两个方面来解决这些问题。加强煤炭企业创新主体作用首先需要企业加大科技研发经费投入力度,应该按煤炭销售收入一定的比例(如不低于煤炭销售收入的2%)提取研发经费,并且形成制度,不能因为煤炭市场波动就随意降低比例甚至取消研发经费的投入。而针对采动岩层运动规律及其引起的应力场、裂隙场和渗流场演化规律;严重影响煤矿安全生产的煤与瓦斯突出、冲击矿压等动力灾害发生机理;煤矿全生命周期的绿色开采理论与关键技术;特厚煤层安全高效开采技术;深部开采;智能开采等煤矿开采中尚需突破的基础理论和共性关键技术需要国家加大研发经费投入。

5.4 改革人才培养模式和人才队伍建设

科学采矿需要人才的支撑,需要对现有人才培养模式进行深入变革[51-52]。行业人才培养涉及建立完整的人才培养体系,培养优秀的科技带头人和企业家。

(1)建立完整的人才培养体系

煤炭要改革,需要人才,需要与煤炭科学开采和利用方面相关的科技、经济、管理和法律知识的人才,方能找到改革的突破点,取得改革的成果。目前采矿教育的知识面窄、又不深,处于只见树木不见森林的状态,典型的表现是分隔了完整的采煤科技与安全、环境、经济和力学等相关学科。采矿工程专业的煤炭利用知识更不全面,而且优势不在煤炭行业的学校。这些都导致采矿工程专业所培养学生的基础知识应付不了复杂的工程环境,但实际状况则是,这个专业恰恰最应该具备驾驭采矿全局的能力。

过去,采矿工程专业的知识只讲授如何出煤,学习到的采煤方法只是采煤系统和工艺。事实上,采矿是在对大自然破坏中求其稳定的科学,开采破坏的对立面就是要保证安全和环境。还有各类地质开采条件下的机械化,以及行业所面临的经济风险。这些问题哪些是由企业负责,哪些应该由国家负责,都还远远没有完成,在教科书中并没有完整的回答。

因此,学校教学必须具备上述完整的“知识结构”。通过不断改革教学内容,给学生一个完整的和具备创新能力的“知识结构”,才能完成我国需要而发达国家还做不成的科技和经济成果。

(2)培养优秀的科技带头人

科技发展必须要有代表人物,优秀的科技带头人本身应该具备一定的基本素质。首先,做研究要有思路,能找准方向,明确研究重点。其次,要具有充分的学术自信心,又要不断地学习,能够在学术争议中完善自己。再次,还要能很好地团结更多的优秀人才,形成氛围良好的学术团队。

优秀的科技带头人不仅要会研究,更要能甘于寂寞,真正把做好学问、在科学领域中创新作为自己的第一快乐。科学研究人员只有具备虔诚地进入科学殿堂的精神,才能排除名利的干扰,才能逐步形成正确的思路。

6 结 语

没有煤炭工业的贡献,就没有我国经济的快速发展,煤炭行业在为国民经济发展做出巨大贡献的同时也付出了巨大的社会成本。这意味着原有的煤炭开采技术和理念需要重大变革,实行“科学采矿”是必然选择,即在保证安全的前提下、在环境容量的允许范围内,经济、高效、高回收率的采出煤炭,主要包括安全开采、绿色开采、高效开采、节能低碳和经济开采等方面。

科学采矿提出10年来,我国煤炭行业科学化发展水平取得了明显进展。科学采矿内涵不断丰富、理念影响深远;机械化换人、自动化减人稳步推进,高效智能开采初露端倪;安全形势逐步好转,百万吨死亡率与国际标准差距不断缩小;绿色开采技术创新百花齐放,工程实施成效显著;多措并举降低煤炭开采成本,产业链延伸增加企业综合效益。充分证明了科学开采在煤炭行业发展中的重要指引作用。

新形势下,煤炭行业仍面临着环境容量与经济风险、安全、政策等问题。必须总结煤炭发展的经验和教训,加强科学开采的顶层设计,制定新建矿井准入标准与落后产能退出标准、制定分步实现科学产能计划以及加强行业协调和政策法规完善,综合煤炭的经济、管理和科技形成体系和规范,加大科技投入和技术攻关,改革人才培养模式,才能使煤炭进入全面科学开采的健康行业之列,实现由煤炭大国向煤炭强国的转变。

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Further on the sustainable mining of coal

QIAN Minggao1,2,XU Jialin2,3 ,WANG Jiachen1

(1.China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083; 2.China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 3.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,Xuzhou 221116,China)

Abstract:Sustainable mining refers to extract coal economically,efficiently and with a high recovery rate while ensuring safety and within the allowable range of environmental capacity.This paper again clarifies the connotation and technological system of sustainable mining from the relationship between human and nature of coal acquiring,consuming and returning.Additionally,the paper reviewed the developments of the coal industry under the guidance of sustainable mining in China,analyzed some problems of sustainable mining in the new situation,illustrated the necessity of developing sustainable mining and put forward the conditions of comprehensively realizing sustainable mining.The top priority should be accomplishing the top-level design of sustainable coal mining by setting new standards for the entrance of new coal mines into the coal industry and the elimination of outdated coal mines out of the coal industry,implementing the sustainable capacity step-by-step,strengthening industry coordination as well as improving policies and regulations.At the same time,we should also enhance the study of economic law of coal resources,increasing the investment in science and technology and tackling key problems in technology,reforming the personnel training mode.Proposed directional suggestions for sustainable mining and healthy development of coal industry.

Key words:sustainable mining;safety and efficiency;environmental protection;resource economics;sustainable capacity of coal mining

中图分类号:TD821

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2018)01-0001-13

钱鸣高,许家林,王家臣.再论煤炭的科学开采[J].煤炭学报,2018,43(1):1-13.

doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.4400

QIAN Minggao,XU Jialin,WANG Jiachen.Further on the sustainable mining of coal[J].Journal of China Coal Society,2018,43(1):1-13.

doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.4400

收稿日期:2017-10-26

修回日期:2017-11-27 责任编辑许升阳

基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0501100)

作者简介:钱鸣高(1932—),男,江苏无锡人,中国工程院院士,教授,博士生导师。E-mail:mgqian@cumt.edu.cn