从煤矿采空区塌陷问题分析我国能源发展战略.pdf

中国资源综合利用 C h i n a R e s o u r c e s C o m p r e h e n s i v e U t i l i z a t i o n Vol.38， No.5 2020 年 5 月 - 7 3 - 综合利用 从煤矿采空区塌陷问题分析我国能源发展战略 杨国松 1，应 磊2 （1. 江苏筑森建筑设计有限公司，江苏 常州 213000；2. 中国能源建设集团，南京 210000） 摘要煤炭长期在我国能源结构中占据绝对主导地位，虽然我国在优化能源结构上做了很大的努力，但截 至 2018 年，煤炭在我国能源消耗中依然占据接近 60 的份额。随着大规模煤炭开采的持续进行，井下采煤 对我国生态环境的不利影响逐渐显现。煤矿采空区的塌陷不仅难以有效治理，还会严重影响矿区的生态环 境和经济发展。因此，进行能源结构调整对我国生态环境保护和可持续发展具有重要意义。 关键词煤炭；能源；生态环境；煤矿采空区；可持续发展 中图分类号TD325.3；F206 文献标识码A 文章编号1008-9500202005-0073-04 DOI10.3969/j.issn.1008-9500.2020.05.023 Analysis of the Energy Development Strategy in China from the Collapse of Coal Mine Goaf Yang Guosong1, Ying Lei2 1. Jiangsu Zhusen Architectural Design Co., Ltd., Changzhou 213000, China; 2. China Energy Construction Group, Nanjing 210000, China Abstract Coal has dominated the energy structure of China for a long time, although great efforts have been made to optimize the energy structure, coal still accounts for nearly 60 of our energy consumption in 2018. With the continuous of large-scale coal mining, the adverse impacts of underground coal mining on Chinas ecology and environment gradually emerge. The collapse of the coal-mined-out area is not only difficult to effectively manage, but also brings serious damage to the ecological environment and economic development of the mining area. Therefore, the adjustment of energy structure is of great significance to the ecological environment protection and sustainable development of China. Keywords coal; energy; ecological environment; coal mine goaf; sustainable development 作为世界人口最多和最大的工业品生产国，我国 的能源消耗总量已经位居世界第一，以煤、石油和天 然气为代表的化石燃料满足了我国主要的能源需求。 虽然我国在改善能源结构上做了很大的努力，但煤炭 依然占据了我国能源消耗的 60。2003-2018 年，我 国累计生产原煤 482 亿 t，超过其他时间采煤量的总 和 [1]。近年来，我国煤炭产量始终稳定在 35 亿 t 左 右，自中华人民共和国成立以来，我国共生产原煤超 过 800 亿 t，其中 90 的煤炭采用井下开采的方式， 这不仅给井下作业的煤炭工人带来巨大安全隐患，也 在矿区形成了大面积的采空区 [2]。随着废弃矿井内支 护结构的老化，煤炭采空区已经开始出现塌陷、滑 坡等地质灾害。大面积的塌陷不仅破坏了大量的耕 地，还对采空区上空生活的居民生命和财产安全造成 极大的威胁。数据表明，截至 2015 年，仅山西省的 煤矿采空区总面积就达到 5 万 km2，其中塌陷面积为 3 000 km2，受灾人口达到 300 万人 [3]，随着时间的推 移，我国煤矿采空区和塌陷区的面积还会继续扩大。 另外，煤矿采空区的治理也面临很大的困难，采空区 的塌陷范围广，持续时间长，发生具有很强的随机性 和反复性。这些特点决定了煤矿采空区塌陷难以在短 期内根治，甚至可以肯定的是，在我国能源结构没有 得到根本改变之前，煤矿采空区所造成的生态问题将 长期存在。 收稿日期2020-03-09 作者简介杨国松（1991-），男，江苏宿迁人，硕士研究生，结构工程师，主要从事建筑结构设计工作。 中国资源综合利用第 5 期 - 7 4 - 综合利用 由此可见，从能源角度来看，要想实现真正意 义上的可持续发展，人们必须解决能源生产和生态治 理的问题，只有完全实现清洁能源革命，人与自然之 间的矛盾才能从根本上被消除。人口数量大是我国的 一个基本国情，为如此庞大的人口提供长期稳定的资 源供给就是一项非常具有挑战的任务，而作为世界工 厂，巨大的能源需求和能源生产又进一步加剧了我国 的人地矛盾，实现清洁能源革命必将为我国生态与环 境保护做出巨大贡献。本文首先以安徽省淮南市和山 西省为例，分别分析了这两个产煤区煤矿采空塌陷区 的发展与治理现状，从数据分析的结果来看，因采煤 而引发的地形变化将严重影响矿区的生态环境和经济 发展。因此，进行能源结构调整已经成为我国面临的 一个非常迫切的问题。我国陆地面积辽阔，地形和气 候特征多样，这为我国发展可再生能源提供了良好的 基础，积极发展以风能、光伏以及核能为代表的清洁 能源成为当前我国降低对煤炭等化石能源的依赖的主 要途径。随着科技水平的不断进步，我国的制造水平 和科研进展将逐渐赶上发达国家甚至成为领先者，在 没有标杆的情况下，我国更应坚持自主创新，依靠制 度和人才优势积极发展未来能源。 1 我国煤矿采空区的发展以及治理现状 1.1 我国煤矿采空区的发展 长期以来，煤炭为我国的能源供应提供了强有 力的保障，但煤矿因资源枯竭被废弃后没有及时回填 而形成了大面积采空区，随着废弃矿井内临时支护结 构的老化，矿井逐渐失去有效支撑，当采空区上方出 现较大压力或时间为汛期时，当地容易形成塌陷、滑 坡等地质灾害。由于矿区采煤的持续时间较长，因 此同一地区煤矿采空区的塌陷问题将长时间存在， 并且塌陷发生位置具有很大的随机性，很难准确预 测。以淮南市为例，作为我国主要的煤炭基地，淮 南市自 1903 年就开始建矿采煤，而淮南市最早记录 到煤矿塌陷的时间是 20 世纪 90 年代，此后便开始快 速蔓延，截至 2017 年，全市的塌陷面积已经达到了 298.6 km2，根据淮南市煤炭开发的远景规划，到 2135 年，淮南市的塌陷区及其影响区将达到 1 259 km2， 届时淮南市辖区耕地面积将减少一半 [4]。淮南地处我 国湿润区，海拔低，地下水位很高，采空区塌陷后形 成永久性积水湖，治理难度很大。若从全国范围来看， 按每万吨煤 0.2 hm2的塌陷系数，我国每年因采煤新 增塌陷区 700 km2，而 1949-2018 年，我国因采煤形 成的塌陷区总面积已经达到 16 400 km2。 1.2 塌陷区的治理 我国幅员辽阔，不同地区的地形和气候特点不 同，煤矿塌陷区的治理方法和难度也不同，东部平原 地区人口密集，塌陷区形成的积水湖不仅永久破坏耕 地，还会影响既有道路、输电线路等基础设施 [5]，而 降水量相对较少、人口密度较小的内陆地区则面临塌 陷区植被快速恢复的难题。以山西为例，作为我国严 重缺水的省份之一，山西省的森林覆盖率只有 12， 汛期水土流失面积占全省总面积的近 70，塌陷区的 出现和扩大会加剧汛期水土流失 [6]。此外，煤矿塌陷 区的治理还会面临反复的问题，主要原因是采空区 从开始塌陷到保持稳定需要经历相当长的时间；塌陷 区出现后不得不及时采取相关治理措施，否则会加剧 塌陷引起的次生灾害。 由此可见，治理和防止煤矿采空区面积的进一 步扩大已十分紧迫，而解决我国所面临的这一问题的 根本途径是彻底改变我国的能源结构，必须在现有水 平上大幅度降低煤炭在我国能源消耗中的比重，最终 实现煤炭的零消耗。 2 过渡时期的能源发展战略 在当前技术水平条件下，彻底摆脱对煤炭等化 石能源的依赖难以实现，但通过能源战略的调整和新 技术的开发，逐步降低能源消耗总量、提高可再生能 源的比重是可以实现的。如果将实现清洁能源革命前 的这一阶段称为过渡时期，那么这一时期需要根据技 术水平和所处国情制定适当的能源发展战略。笔者认 为，可以从能源的消费和生产两个角度分别制定相关 的发展策略。 2.1 能源消费端 2.1.1 国民节约意识需要加强 2018 年，我国的发电量约为 7 万亿 kWh，第 三产业和居民生活用电占比约为 30，绝对值为 2.1 万亿 kWh。目前，居民的家用电器纷繁复杂，不良 的使用习惯造成一定程度的浪费。例如，用电器的过 度充电 [7]、用电器的长时间待机[8] 等，此外，很多大 型公共场所和及政府机关的电能浪费十分严重 [9]。通 过节能教育以及相关规定，通过全民努力，在满足生 活和工作所需的前提下节约电能依然应该作为一种良 好传统被传承。 第 5 期 - 7 5 - 综合利用杨国松等 从煤矿采空区塌陷问题分析我国能源发展战略 2.1.2 提高能源利用效率 我国作为世界上最大的工业产品生产国，几乎所 有行业机械设备的动力和照明设备所需的能源都由电 力提供，提高电能向光能和机械能的转化率能够在保 证工业产量增长的前提下有效降低能源的需求 [10]。政 府和市场在提高能源利用方面分别起到不同的作用， 政府可以通过制定严苛的市场准入条件，限制高耗能 设备投入市场，同时可以在政策上鼓励工业设备企业 采取技术革新。而市场调节的作用体现在行业之间的 竞争，淘汰落后的生产技术。 人类在提高化石燃料利用率的努力上推动了两 次工业革命的出现。蒸汽机时代，能源的最高利用效 率为 20，而内燃机的最高热效率可以达到 46。 2018 年，我国火力发电占发电总量的比重为 73.2， 同年我国火力发电煤耗均值为308 g标准煤/ （kWh） ， 经换算，煤炭的电能转化率为 40，目前国内最好、 国际领先的燃煤发电利用率为 48，即 256.2 g 标准 煤 /（kWh）。2018 年，我国火电发电量约为 5 万 亿 kWh，若将我国所有火电机组的能源利用率提高 到 48，将节约 2.6 亿 t 标准煤。虽然火力发电设备 效能的提高不能一蹴而就，但值得持续进行改造和技 术升级。 2.2 能源生产端 2.2.1 提高非化石能源的比重 与化石能源相比，可再生能源对环境的破坏较 小，但是也有很大的缺陷，除了核电之外，水电、风 电、光伏发电都存在明显的缺点，那就是设备的发电 量受天气和季节变化影响，能源供应的稳定性较差。 在特定的时间段，比如，当我国所在的北半球处于冬 季时，光照强度和水能资源都将出现显著下降，要增 加火力发电来弥补清洁能源发电量的不足。经过多年 的建设，我国电网的整体性和稳定性都有了很大的提 高，电力在全国范围内的跨区域调度已经基本实现。 目前，我国电网的稳定性要远高于美国等电网分别掌 握在大量不同电力公司手中的国家，我国已经基本可 以避免发生纽约大停电级别的电力故障问题，这为我 国在中西部开发可再生能源提供了基本保障。 我国西北有广袤的戈壁荒滩，那里地广人稀，具 有丰富的风能和太阳能资源，是绝佳的风电和太阳能 发电场。近年来，我国风电和光伏装机容量快速增加， 但是由于配套输电网规划和建设的滞后，因不能及时 消纳而导致我国风电和光伏的弃用率逐年提高 [11]。此 外，我国大量的建筑为分离式光伏发电提供了基本条 件，将分离式光伏发电并入国家电网既能够提高电网 的稳定性，也能在夏季和冬季用电高峰期降低对火力 发电的依赖 [12]。 我国西部海拔高，东部海拔低，从西向东，地 形呈三级阶梯分布，发源自青藏高原的众多河流为 我国提供了丰富的水能资源，截至 2018 年底，我 国水电装机容量达到 3.5 亿 kW，发电量约为 1.2 万 亿 kWh，双双位居世界第一。但是，水电的过度开 发一直饱受争议，大型水电站或是梯级水电站的建设 会诱发生态、环境以及地质问题，对流域附近地区形 成长远威胁 [13]。 从目前来看，核电依然是最稳定、利用率最高的 清洁能源，此外，核电具有根据需求就近建设的特点， 从而避免远距离输电。2018 年，我国 44 台核电机 组平均利用小时数为 7 499 h，远高于火电的 4 361 h 和水电的 3 613 h。同年，我国核电发电量占全国发 电总量的 4.22，低于全球平均水平的 10。从国家 来看，法国核电占比高达 71.6，日本、美国等发达 国家也超过 20，由此可见，我国的核电还有巨大的 发展空间。 自日本福岛核电事故以来，全球范围内掀起了 一次废核电浪潮，其中德国计划到 2022 年关闭境内 所有的核电站。在这种背景下，我国核电项目的审批 也在数年内处于停滞状态。目前，安全性是影响核电 发展的主要因素。如果从技术和故障原因分析核电站 的安全性，可以发现，发生严重核泄漏事故的切尔诺 贝利核电站、三哩岛核电站以及福岛核电站都属于第 二代核电站，其中福岛核电站在服役 40 年后因遭遇 8 级地震而发生核泄漏事故。我国除了早期建成服役 的核电站在技术上属于第二代之外，在建的核电站全 部为安全性能更好的第三代核电站。因此，如果核电 站的选址建设避开地震带，配合科学的维护，在达到 设计服役期限后及时进行退役处理，其安全性还是能 够得到保障的。 2.2.2 开发未来能源 从能效和环境影响角度来看，氢能将在未来的 能源供应格局中占据重要地位，无论是直接燃烧氢气 还是受控核聚变，氢能都能提供稳定而持久的能源供 应。更重要的是，水可以作为制氢的原材料，而水几 乎是取之不尽的，一旦开发出低成本的制氢技术，人 类即可以实现清洁能源革命。目前，氢燃料电池已经 中国资源综合利用第 5 期 - 7 6 - 综合利用 被成熟地应用到机动车动力设备中 [14]，但大规模低成 本的制氢技术以及长时间稳定的受控核聚变装置尚未 出现，氢能的利用依然因产能问题受到很大的限制。 另外，由于最终大多以电能的形式被利用，清洁能源 的储存是一个至今都难以有效解决的问题，氢能的出 现也将彻底改变这一现状，直接燃烧氢气发电只需要 在现有发电厂附近建设制氢设备，将氢气直接输送到 燃烧室燃烧发电从而实现氢能对煤炭的取代，氢气燃 烧的产物只有水，只要能够将燃烧后的水收集即可循 环利用。因此，开发以氢能为代表的清洁能源是解决 因使用化石燃料造成的环境污染和生态破坏的最有效 方法。 3 结论 我国因长期采煤形成的采空区已经对生态环境 造成了很大的破坏，这种破坏会因大规模的煤炭需求 而长期存在，践行可持续发展理念和“十三五”期间 的环保政策对我国改善能源结构提出了更高的要求， 进一步降低对煤炭等化石燃料的依赖性是实现我国可 持续发展目标的重要组成部分，为此我国急需新的能 源发展战略。 作为世界上人口最多的国家和最大的工业国， 通过技术升级提高工业设备能源利用率，既能够降低 能源需求，也能提高我国产品的国际竞争力。我国风 能和光伏装机容量在政策的推动下得到了快速发展， 但由于输电线路建设相对滞后或规划不合理，风电和 光伏发电难以充分消纳的问题十分突出，这也反映出 政策引导下部分可再生能源的开发存在盲目性。我国 现存大量的民用和工业建筑非常适合分离式光伏发电 设备的布设，核能发电虽然存在一定的安全隐患，但 依然是目前最稳定、高效的清洁能源，在确保安全的 前提下，我国应积极发展核能发电。氢能是未来重要 的能源，无论是以氢气作为燃料发电还是受控核聚变 发电，氢能都是高效、清洁、安全的可再生能源。目 前，大规模、低成本的制氢技术和稳定的热核反应设 备尚未出现，我国可以利用这一机遇尽可能在氢能源 利用方面实现对发达国家的超越。 参考文献 1 葛维琦 . 中国煤矿采空区塌陷灾害治理对策 [J]. 中国能源，2004，10（26）27-30. 2 武 杰 . 煤矿采空区地质灾害分析及治理 [J]. 内 蒙古煤炭经济，2018，（3）102-103. 3 荆和平 . 山西煤矿采空区底层特征及勘察方法 [J]. 地质灾害与环境保护，2015，（1）52-56. 4 李月林，查良松 . 淮南煤矿塌陷区生态恢复研 究 [J]. 资源与环境，2008，24（10）899-901. 5 古 峰，李济生，翟迎新 . 煤矿采煤塌陷区高压 供电线路常规治理技术研究与应用 [J]. 煤矿现代 化，2011，（3）43-45. 6 王 强， 浅谈山西省水土流失问题及防治措施[J]. 科技情报开发与经济，2010，20（27）166- 168. 7 晓 天 . 过 度 充 电 浪 费 惊 人 [J]. 应 用 写 作， 2012，（3）8. 8 李 毅 . 家用电器待机耗电分析与家庭节电模式 探讨 [J]. 建筑电气，2013，（2）40-44. 9 池 墨 . 政府机关电能何以浪费惊人 [J]. 中国 老区建设，2008，（8）24. 10 邓 健 . 我国工业能源利用效率分析及相关对 策 [J]. 中国行政管理，2009，（2）61-63. 11 朱 敏 . 我国新能源消纳困难原因及其对策 [J]. 中国发展观察，2018，201（21）37-39. 12 赵西安 . 我国光伏建筑的进展 [J]. 中国建筑金属 结构，2010，（1）48-53. 13 晏志勇 . 对我国水电发展的思考 [J]. 水力发电， 2008，（12）14-17. 14 赵永志 , 蒙 波 , 陈霖新，等 . 氢能源的利用现 状 分 析 [J]. 化 工 进 展，2015，34（9）3248- 3255.