综采工作面回采过程中碳排放的生命周期分析

雍海宁，许宸瑞，杨嘉豪，姬益邦，张玉权，王瀚艺

（中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院，北京100083）

0 引 言

在当代的生态问题中，全球变暖是一个首要的挑战。2020 年9 月22 日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上作出庄严承诺，中国的二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。据相关报告数据测算，我国由化石能源消费产生的碳排放总量为100 亿t左右。其中，煤炭消费产生的二氧化碳排放量占75%左右，其次为石油和天然气，占比分别为14%和7%。如今煤炭资源是我国的主体消费能源，尽管近年来中国一次能源消费结构不断改善，煤炭所占比重不断下降，但2018 年仍高达60%[1]。因此，分析其中各个环节的能耗碳排放就变得尤为重要。

一些学者对煤炭开发过程温室气体排放进行研究，取得了一系列的研究成果。张媛以晋城长河流域的11 个煤矿为研究区，更新矿区煤矿开采CO2和CH4排放强度，得出矿区开采吨煤炭排放量[2]。于胜民等以中国7 575 处井工煤矿CO2相对涌出量测定数据为基础，统计得井工煤矿开采过程CO2逃逸排放因子[3]。但从研究现状来看，我国煤炭行业碳排放相关研究多属于综述性质，从具体方面进行分析碳排放的研究较少。本文针对综采工作面回采过程中能耗和碳排放的生命周期分析问题，利用生命周期评价理论体系，对综采工作面作业过程中各个部分碳排放来源与数量进行研究，并构建对应的碳排放计算模型，同时进行实例分析，在此基础上就综采工作面节能减排工作提出建议。

1 煤矿地下开采过程碳排放分析

本文以人和矿A303 井下单一工作面为主要研究对象，以煤炭从开采到运出工作面回采巷道做为整个过程。基于生命周期评价理论和煤矿地下开采具体流程，将煤矿地下开采过程划分为3 大部分进行研究，即采煤、通风和供电损耗。其中，以采煤部分为核心，围绕其进行各阶段的碳排放计算[4]。

1.2 煤矿地下开采过程碳排放计算边界

煤矿地下开采碳排放是指煤矿在井下生产范围所涉及的各阶段过程，由于消耗了物资和能源而向外界环境排放产生的碳排放量，为了计算煤矿地下开采过程产生的碳排放总量，首先需要确定碳排放计算边界。由于整个矿井结构复杂，内部系统繁杂，设备流动频繁，不利于具体分析和计算。因此，本文以单一采煤工作面为主要研究对象，并对此进行相关计算和分析。

本文以采煤部分为主要研究方向，包括破煤、装煤、运煤、支护和采空区处理5 个阶段，其中采空区处理不做分析。煤矿地下开采过程碳排放边界示意图如图1 所示。

图1 煤矿地下开采过程碳排放边界示意Fig.1 Carbon emission boundary during underground coal mining

1.3 煤矿地下开采过程碳排放清单分析

煤矿地下开采过程碳排放清单分析是指将地下煤矿在生产过程中从外界输入资源及能源消耗的工程量进行具体量化，同时量化分析地下煤矿在生产过程中消耗资源及能源后向外界环境排放出的CO2总量。其中所需碳排放因子数据可从相关部门数据统计库和研究人员的文献中获得，见表1[5]。

表1 主要建材的碳排放因子Table 1 Carbon emission factors of main building materials

2 煤矿地下开采碳排放计算模型

2.1 碳排放计算方法及其计算模型

本文采用排放系数法，其基本原理是“碳排放量=活动数据×排放因子”。该方法方便直接、可信度高，得到了政府间气候变化专门委员会(IPCC)的推荐[6]。

依据煤矿地下开采过程中单一工作面的生产过程及其碳排放来源，可得到煤矿地下开采过程中每生产一吨煤的碳排放量计算模型，即：

式中：R 为煤矿地下开采过程中每生产1 t 煤的碳排放量；Res为工作面采煤部分吨煤碳排放量；Rsw为工作面通风部分吨煤碳排放量。

2.2 煤矿地下开采碳排放计算过程

2.2.1 工作面采煤回采

工作面采煤包含5 大工序，即破煤、装煤、运煤、支护和采空区处理。因为大型机械进行作业前有大量碳排放的为前四阶段，所以本文以破煤、装煤、运煤、支护为主要研究内容，就其作业过程中碳排放量计算过程进行总结。假定所选煤矿所用电力均为火力发电且以各机械额定功率计算。该部分碳排放总量为：

式中：Rec为工作面生产过程碳排放量总和；Rbc为破煤阶段碳排放量；Rcl为装煤阶段碳排放量；Rt为运煤阶段碳排放量；Rw为支护阶段碳排放量。

（1） 破煤。

破煤部分中割煤机等大型机械在进行作业过程中产生的碳排放量不可忽视。首先确立其碳排放计算模型，再依据煤矿给出的工作面日产出W，进而可得到吨煤产生碳排放量。则破煤过程机械能耗：

式中：Ebc为破煤过程总机械能耗，kWh；m采为采煤机数量；e采为采煤机作业能耗，kWh；m喷为喷雾泵数量；e喷为喷雾泵作业能耗，kWh；P采为喷雾泵额定功率，kW；t采为喷雾泵工作时间，h。

则吨煤破煤机械能耗Jbc=Ebc/W；吨煤碳排放量Rbc=Jbc×C。

（2） 装煤。

装煤过程即将破煤过程中割下的原煤装载进入运输系统。而在采煤工作面生产过程中装煤阶段主要机械为刮板输送机。则其能耗公式：

式中：m刮为刮板输送机数量；e刮为刮板输送机作业能耗，kWh。

则吨煤装煤机械能耗Jcl=Ecl/nW（n 为采煤工作面每日进刀循环数）；吨煤碳排放量Rcl=Jcl×C。

（3） 运煤。

运煤阶段主要产生途径为运输机械所消耗能源而引起的碳排放。根据相关调查，煤矿地下运输阶段的主要运输机械设备为桥式转载机、破碎机和胶带输送机。

运煤阶段的单日碳排放量计算为：

式中：Rd为运输阶段的单日碳排放量，kg；Ni为运输机械个数；Pi为运输机械功率，kW；Ti为运输机械日工作时长，h；Ei为不同能源的碳排放因子。

运煤阶段运输引起的碳排放量计算为：

式中：Rt为运输1 t 煤所引起碳排放量，kg；Rd为运输阶段单日碳排放量，kg；n 为工作面单日循环数。

（4） 支护。

巷道支护在煤矿生产过程中存在能源和建材的损耗，可分为2 部分：一为移架过程中由液压泵站供能的液压支架能耗；二为在巷道初步支护过程中所需消耗的建材及安装设备能耗。则支护部分碳排放量：

液压支架移架能耗：

式中：Ehs为液压支架移架能耗，kWh；n1为液压泵站数量；P泵为液压泵站额定功率，kW；t移为液压支架每日移架所用时间，h。

则吨煤能耗Jhs=E/w；吨煤碳排放量Rhs=Jhs×C。

建材消耗及安装设备能耗：

式中：Rm为建材吨煤碳排放量，kg；Mi为某建材总质量，kg；Ci为某建材相应碳排放因子，tCO2/t；a 为采煤工作面服务年限，d。

安装设备能耗为：

式中：E1为安装设备能耗，kWh；P1为安装设备额定功率，kW；t1为打孔时间，h；t2为搅拌时间，h；n1为打孔数目。

2.2.2 工作面通风

通风系统确保了矿井中人员和设备的安全，其设备包括通风机组、电气设备、通风网路、辅助装置等。

对于单一工作面而言，可通过对工作面所需最大通风量Q1的计算，与矿井总进风量Q 做对比，得到单一工作面风量占比系数K，即：

后可对矿井风机功耗Etw及占比系数进行计算，可得通风所需能耗Esw，进而可得出吨煤能耗Jsw和吨煤碳排放量Rsw，即：

2.2.3 井下供电损耗

对单一工作面而言，损耗主要来自于设备能源损耗和照明系统2 方面。但相对于采煤和通风过程机械的能量损耗，照明系统所带来的损耗过小，可忽略不计。而煤矿设备一般分布较广，利用率、负荷率、电能效率一般较低。采煤生产系统电能效率和用电量所占比例见表2[8]。

表2 矿井各生产系统电能效率及用电比例Table 2 Power efficiency and power consumption ratio of each production system in the mine

3 实例研究

新疆人和矿A303 回采工作面为A3 采区第3个采煤工作面，该工作面切眼斜长174 m，A303轨道运输顺槽长1 242 m，A303 胶带运输顺槽长1 214 m。

3.1 计算过程

3.1.1 工作面采煤

依据A303 回采工作面相关信息参数可计算得工作面采煤各阶段由机械工作产生得能耗与碳排放见表3。

表3 工作面采煤阶段由机械工作产生的能耗与碳排放Table 3 Energy consumption and carbon emission generated by mechanical work in coal mining stage of working face

根据相关文献及调查部分建材碳排放因子，见表4[9]。

表4 建材碳排放因子Table 4 Carbon emission factors of specific building materials

依据A303 回采工作面相关信息参数可计算得工作面采煤各阶段由支护建材消耗产生的碳排放量如表5 所示[10]。

表5 工作面支护建材消耗产生的碳排放量Table 5 Carbon emissions from the consumption of support building materials in the working face

由上述数据可得工作面采煤部分吨煤碳排放总量为12.397 kg。

3.1.2 工作面通风计算

已知该工作面所需最大风量为830 m3/min[11]。依据矿井设备资料可知，通风机的型号为2 台KDF-6.3 对旋轴流式局部通风机，额定功率P 为120 kW，全压效率为85%，通风量为975 m3/min，且通风机工作时间T 为24 h，则：

可得：

3.1.3 井下供电损耗

对上述各个阶段的能耗计算，通过对表2 中各个系统电能利用效率进行查询计算（支护阶段损耗较小可忽略不计）：

3.1.3.1 工作面采煤电能损耗

（1） 破煤阶段吨煤电能损耗。

（2） 装煤阶段吨煤电能损耗。

（3） 运煤阶段吨煤电能损耗。

3.1.3.2 工作面通风电能损耗

由该矿井局部通风机作业参数可知，该通风机全压效率为85%。

通风机电能损耗：

则供电部分每生产1 t 煤产生的碳排放量Rs为3.471 kg。

综上可得出，该工作面生产过程中吨煤碳排放为16.484 kg。

3.2 数据分析

由3.1 中计算结果可得，该工作面生产过程各部分吨煤碳排放量占比、工作面采煤部分各个阶段碳排放量占比和井下供电损耗各项占比，如图2所示。

图2 工作面生产过程各部分吨煤碳排放量占比Fig.2 Proportion of carbon emission per ton of coal in the production process of working face

图3 工作面采煤部分各个阶段碳排放量占比Fig.3 Proportion of carbon emission at each stage of coal mining working face

图4 井下供电损耗各项占比Fig.4 Proportion of underground power supply loss

依据图表可知，在工作面生产过程中，采煤部分碳排放所占比例远大于通风和供电部分，达69%。且在工作面采煤和井下供电部分中，又以运煤阶段为主要占比部分，分别达到79%和63%。可见，煤炭运输方面是碳排放的重点。可知该年产量约为18 万t 的采煤工作面，其年产碳排放量，相当于约3 000 m3的林木生长蓄积量[12]。

4 建 议

针对本文研究结果，就煤矿地下开采过程，尤其是煤炭运输阶段，进行节能减排提出改进建议。

（1） 对运煤机械勤加保养，减少故障率。运煤阶段的能耗损失占据工作面总体能耗损失的大半，从节能减排的角度看，对该阶段作业机械的维护保养应放在第一位，减少其故障率，使之减少不必要的能耗和碳排放。

（2） 建立健全合理的管理制度，在工时不变的前提下，进行更为精细合理的人员配置及设备管理，降低生产过程中各个阶段设备的不必要能耗，进而降低能耗，减少碳排放量。

5 结 论

论文针对单一综采工作面采煤、通风和供电3部分生产的碳排放量，利用生命周期评价方式，对其生产过程所产生碳排放进行边界划分和清单分析，主要结论如下。

（1） 使用IPCC(2006)中排放因子及排放系数等计算方法，以工作面采煤5 大工序为基础，建立了综采工作面生产过程中碳排放的生命周期计算模型。

（2） 以新疆人和矿A303 综采工作面为例，分析该工作面的能耗和碳排放，得出该工作面生产过程中吨煤碳排放为16.484 kg，工作面采煤部分碳排放占比约69%，其他部分占31%，且在工作面采煤部分，运煤阶段碳排放占比最大，达79%。因此，运煤阶段可作为节能减排的重点对象。