地下矿井煤炭碳排放量估算方法研究-以阜康矿区西部为例

彭仁东，韦 波,2，李 鑫，张 冀，张紫昭，王 博，张 娜，崔德广

(1.新疆大学 新疆中亚造山带大陆动力学与成矿预测自治区重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830017；2.新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队，新疆 乌鲁木齐 830009；3.新疆维吾尔自治区地质学会，新疆 乌鲁木齐 830009；4.新疆维吾尔自治区煤炭煤层气测试研究所，新疆 乌鲁木齐 830009；5.新疆维吾尔自治区煤田地质局，新疆 乌鲁木齐 830009)

2020 年9 月22 日，习近平总书记在第75 届联合国大会上庄严宣布，中国确保2030 年前碳达峰、2060年碳中和[1-2]。据相关报告数据测算，我国由化石能源消费产生的年碳排放量约为100 亿t，占全球29%左右。其中，煤炭消费产生的碳排放量占70%以上[3-4]。煤炭中温室气体的主要成分为CH4和CO2，其中CH4温室效应仅次于CO2且比CO2在大气中更为活跃。2021 年，我国CH4排放量煤炭行业占比最高，达到4 200 万t，相当于CO2排放11.76 亿t。根据IPCC 报告，虽然CH4在大气温室气体中只占小部分，但其对全球变暖的贡献率约为1/4，危害之大不逊于CO2[5-7]，且CH4在20 a 尺度下的全球增温潜势(GWP20)约为CO2的84 倍，在100 a 尺度下则为CO2的28 倍[8]。地下矿井煤炭CH4排放是我国矿井温室气体排放的主要来源之一[9]，且煤炭中的CH4排放往往被忽略[10]。煤炭碳排放量计算是量化地下矿井温室气体排放，实施和监督节能减排、低碳发展的前提和保证[11-12]。

2021 年全球多个国家(发达国家美国、澳大利亚等和发展中国家中国、印度、印度尼西亚等)煤炭年产量大于1 亿t，鉴于全球范围当前煤炭生产规模仍较庞大及其CH4直接排放温室效应问题，地下矿井煤炭碳排放问题受到了全球学者关注[13-15]。国内外核算碳排放量的常用方法有排放因子法、质量平衡法、投入产出法、过程分析法等[16]。然而这些方法对于地下矿井煤炭碳排放量的计算并不准确且缺乏针对性。排放因子法由于排放因子具有地域异质性，其系数具有不确定性，且忽略了系统参数和许多过程细节，对于煤炭微观尺度上的估算结果并不准确；质量平衡法是根据物质能量总和与产物能量总和的差值估算排放物的能量总和[17]，但缺乏对煤炭中CH4和CO2的具体估算；投入产出法是通过详细的投入产出数据全面评估生产过程中排放物产生、排放的一种科学有效的自上而下研究方法[18]，比起单一煤炭产业的碳排放量核算，更适用于国家、城市、产业之间的互相影响等方面；过程分析法由于存在较多不确定性因素，主要表现在碳排放核算边界选取的差异上，使得该方法并不能准确地描述出地下矿井煤炭碳排放量。就研究现状来看，我国煤炭行业碳排放量多是综述定性研究，缺乏行业具体的数据测算，对地下矿井煤炭碳排放的研究主要集中在煤炭开采过程中瓦斯的直接逸散和电力消耗导致的间接碳排放[19-20]。同时尚未有对新疆典型矿区地下矿井煤炭碳排放量的准确计算。针对这一问题，笔者基于阜康矿区西部地下矿井煤炭CH4与CO2赋存规律，将阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放划分为已生产煤炭碳排放、计划生产煤炭碳排放、未回采煤炭碳排放、井下煤柱碳排放四部分，建立了地下矿井煤炭分埋深计算不同排放源碳排放量的方法，最终得出阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放量。研究方法可获得较为准确的新疆典型矿区地下煤炭碳排放量数据，可为地下矿井煤炭碳排放量控制及减排措施制定提供依据。

1 地下矿井煤炭碳排放量计算方法

全球不同矿区煤炭地质禀赋(埋深、煤级、构造复杂程度等)有着较大差异，造成煤炭生产碳排放量计算结果精度较低。由此须从不同矿区煤炭地质禀赋角度着手，厘清煤炭碳排放机理与规律，精细计算地下矿井煤炭碳排放量。本文以新疆阜康矿区西部为例，在充分搜集研究区基础地质资料和钻孔瓦斯样品数据等基础上，总结煤层CH4和CO2赋存基本规律，参照GB/T 32151.11-2018《温室气体排放核算与报告要求第11部分：煤炭生产企业》标准中煤炭生产碳排放核算方法，确立出合适的核算边界，建立了地下矿井煤炭分埋深计算不同排放源碳排放量的方法。

1) 碳排放量核算边界

阜康矿区西部地下矿井煤炭含以CH4为主的烃类气体以及CO2、N2等非烃类气体，因为烃类气体中C2H6等含量小，此次忽略C2H6排放且不参与计算。阜康矿区西部地下矿井煤炭开采深度范围甲烷抽采及利用量较少，本次计算忽略其减排效应，同时假设地下矿井煤炭在开采条件下充分暴露。本文确定的核算边界为地下矿井煤炭CH4及CO2的逸散排放和矿后活动煤炭CH4及CO2的排放。

2) 碳排放源分类

本文计算的地下矿井煤炭碳排放量来源于4 类碳排放源，即已生产煤炭、计划生产煤炭、未回采煤炭、井下煤柱的CH4和CO2的排放。

3) 数据测定及获取

煤层CH4和CO2含量由含气煤心含气量现场测试获得，煤心现场含气量分为损失气量、解吸气量和残余气量3 部分。由上述3 类气量排放构成的碳排放量分别表示为损失气碳排放量m1、解吸气碳排放量m2和残余气碳排放量m3三部分。煤层CH4、CO2含量测定遵照GB/T19559-2021《煤层气含量测定方法》执行，数据来源于企业统计台账和统计报表。

4) 碳排放量计算方法

井下4 类煤炭碳排放源的碳排放量分别为MA、MB、MC、MD。具体计算流程如下：

(1) 在对地质条件分析的基础上，结合样品数据分析煤层CH4和CO2含量变化与煤层埋深的关系，总结煤层CH4和CO2赋存规律。

(2) 计算不同埋深煤炭资源量；计算不同埋深CH4、CO2含量；计算不同埋深煤储层损失气量、解吸气量和残余气量。

(3) 计算已生产煤炭碳排放量MA，由于已生产煤炭CH4和CO2在地下开采过程的排放中包含损失气和解吸气的碳排放，在矿后活动中残余气绝大部分最终也会排向大气，所以认为MA≈m1+m2+m3。

(4) 计算计划生产煤炭碳排放量MB，计划生产煤炭碳排放源与已生产煤炭相同，MB≈m1+m2+m3。

(5) 计算回采区未回采煤炭碳排放量MC，回采区未回采煤炭在井下会发生气体逸散和解吸，由于未回采煤炭块度较大，认为残余气总体不发生排放，MC≈m1+m2。

(6) 计算井下煤柱碳排放量MD，井下煤柱大多为边界预留煤柱和井下安全煤柱，不进行生产，其损失气量可作为碳排放量来源，MD≈m1。

(7) 计算一个地下矿井煤炭碳排放总量(即上述4 部分资源量的碳排放量总和)，以此计算出阜康矿区西部所有地下矿井煤炭的碳排放总量。

具体研究思路如图1 所示。

图1 地下矿井煤炭碳排放量计算研究思路Fig.1 Philosophy for calculating carbon emissions from coals in underground mines

2 研究区地质背景与煤层气赋存规律

2.1 地质背景

阜康矿区西部构造位于准噶尔盆地东南缘博格达山山前断褶带，西至阜康矿区西界，东至四工河，南至南阜康向斜轴线，北至阜康逆掩断层，面积约180 km2(图2)。受南部博格达复背斜的推覆，研究区内构造较为复杂，褶皱及断裂构造发育，由西向东逐渐抬高。主要褶皱有阜康背斜、阜康向斜、南阜康背斜、南阜康向斜，主要断层有水磨河-李家庄断层(F1)、阜康逆掩断层(F2)、池钢逆断层(F3)、南池钢逆断层(F4)、南阜康向斜压扭性断层(F5)、南阜康背斜北翼走向断层(F6)、夹皮沟逆断层(F7)等(图2)[21-23]。

图2 阜康矿区西部构造纲要[21-23]Fig.2 Geological structure outline map of the western Fukang mining area[21-23]

2.2 煤层CH4 和CO2 赋存规律

由阜康矿区西部八道湾组和西山窑组两个重要的含煤建造的煤层气赋存规律可知煤层含气量随埋深的增加而增加，但埋深增加至1 200 m 后，含气量趋向不变。CH4含量在煤层埋深小于600 m 时基本小于2 m3/t[24](图3)。

图3 阜康矿区西部煤层CH4 和CO2 含量与埋深的关系Fig.3 Relationships between the CH4 and CO2 contents in coal seams and burial depth in the western Fukang mining area

3 地下矿井煤炭碳排放量计算结果及分析

本文计算的碳排放量为煤炭中CH4和CO2的气体排放总和，其占比已转化为标准大气压下的体积。以下以气煤一号井为例论述阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放量的计算过程和结果。

3.1 气煤一号井煤炭资源量

气煤一号井地面平均高程为900 m，以50 m 等高距，采用地质块段-等高线法，分块段、分级别、分埋深计算资源量。按矿井工业资源储量＝探明的经济基础储量(111b)+控制的经济基础储量(122b)+推断的内蕴经济资源量333K(K=0.8，为矿产资源可信度系数)计算统计，矿井工业资源储量为46.981 Mt，统计结果见表1。

表1 资源量统计结果Table 1 Statistics of resources

3.2 气煤一号井煤层含气量

3.2.1不同深度CH4、CO2含量计算结果

根据气煤一号井统计的多个样品的埋深和对应的CH4、CO2含量，通过Origin 软件分别拟合出CH4、CO2含量和埋深的关系(图4)，再按图4 拟合关系反推出不同埋深CH4和CO2含量，这项工作有助于获取未测含气量埋深点CH4和CO2含量估算数据。

图4 气煤一号井气体含量随埋深变化关系Fig.4 Relationships between gas content and burial depth of the Qi-Mei No.1 coal mine

气煤一号井的煤层含气量随埋深增加而增加，但埋深增加至1 200 m 以后，含气量随埋深趋向缓慢增长。在煤层埋深小于500 m 时CH4的含量基本小于2 m3/t。所以在计算CH4含量时结合图4a 和样品数据，按埋深分段计算，0～500 m 以样品CH4含量平均值0.03 m3/t 计算，埋深500～900 m 运用拟合公式计算；CO2含量依据图4b 取平均值0.3 m3/t 计算。据上述方法计算出500～900 m 不同埋深段的CH4含量，计算结果见表2。

表2 气煤一号井不同埋深煤层C H4 含量统计Table 2 Statistics of the CH4 content in coal seams at different burial depths in the Qimei No.1 coal mine

3.2.2不同埋深段煤层CH4和CO2损失量、解吸量、残余气体量占比

根据GB/T 19599-2008《煤层气含量测定方法》测定的样品数据做出了不同埋深下损失气量、解吸气量、残余气量占比图，如图5 所示。

图5 气煤一号井不同埋深各气体含量占比Fig.5 Proportions of gas content in coals at different burial depths of the Qimei No.1 coal mine

由图5 所示，可将损失气量、解吸气量占气体总量百分比根据埋深分为两部分计算，埋深0～600 m 为一段，损失气量和解吸气量占比各取平均值分别为7.07%和91.93%；埋深600～900 m 为另一段，损失气量和解吸气量占比各取平均值分别为13.52%和85.48%；残余量百分比可全段取平均值1%。

3.3 气煤一号井煤炭碳排放量计算

统计出不同埋深已生产煤炭量、计划生产煤炭量、井下回采区未回采煤炭量，统计结果见表3。

表3 气煤一号井不同碳排放源资源量统计Table 3 Statistics of coal resources from different carbon emission sources in the Qi-Mei No.1 coal mine

3.3.1已生产煤炭碳排放量计算

气煤一号井的矿井生产能力是0.6 Mt/a，生产年限为32.9 a，该井于2012 年开始生产，距今10 a 已生产煤炭5.99 Mt。

结合不同深度的CH4、CO2含量规律可计算出已生产煤炭CH4排放量为Q1=399.23 万m3，已生产煤炭CO2排放量Q2=179.7 万m3。由于CH4在20 a 尺度下的全球增温潜势(GWP20)约为CO2的84 倍，在100 a尺度下全球增温潜势为CO2的28 倍，本文选取100 a尺度下的全球增温潜势。CH4标准状态下密度为ρ1=0.714 3 g/L，CO2标准状态下密度为ρ2=1.977 g/L。所以已生产煤炭CH4碳排放质量转化为CO2排放质量M1=Q1×ρ1×28=7.98 万t；已生产煤炭CO2排放质量M2=Q2×ρ2=0.36 万t。所以MA=M1+M2=8.34 万t。

3.3.2计划生产煤炭碳排放量计算

根据生产规划和生产能力统计出未来23 a 规划生产不同深度的煤炭量，计划生产煤炭量共1 380 万t。

结合不同深度CH4、CO2含量规律可计算出未来23 a 计划生产煤炭的碳排放量。计划生产煤炭CH4排放量为Q3=799.39 万m3，计划生产煤炭CO2排放量Q4=414 万m3。根据甲烷100 a 尺度下全球增温潜势转化为CO2排放质量，可得计划生产煤炭CH4碳排放质量M3=Q3×ρ1×28=15.99 万t；计划生产煤炭CO2排放质量M4=Q4×ρ2=0.82 万t。所以MB=M3+M4=16.81 万t。

3.3.3井下回采区未回采煤炭碳排放量计算

井下回采区未回采煤炭CH4和CO2的损失气量及解吸气量作为碳排放量。不同埋深未回采煤炭量按矿井储量核实结果计算，其结果见表3，未回采煤炭共计104.14 万t。

结合不同深度CH4、CO2含量规律可计算出未回采煤炭CH4排放量为Q5=71.14 万m3，未回采煤炭CO2排放量Q6=30.93 万m3。根据甲烷100 a 尺度下的全球增温潜势转化为CO2排放质量，得未回采煤炭CH4排放质量M5=Q5×ρ1×28=1.42 万t；未回采煤炭CO2排放质量M6=Q6×ρ2=0.06 万t。所以MC=M5+M6=1.48 万t。

3.3.4井下煤柱碳排放量计算

矿区煤柱规划量为10.27 Mt，根据资源量分布，估算出煤柱分布在平均埋深425 m 处约5.27 Mt；平均埋深625 m 处约5 Mt。结合不同深度CH4、CO2含量规律及其损失气量占比，即可得出井下煤柱碳排放量。井下煤柱CH4排放量为Q7=297.82 万m3，井下煤柱CO2排放量Q8=31.46 万m3。根据甲烷100 a 尺度下的全球增温潜势转化为CO2排放质量，得转化后煤柱CH4排放质量M7=Q7×ρ1×28=5.96 万t，煤柱CO2排放质量M8=Q8×ρ2=0.06 万t。所以MD=M7+M8=6.02 万t。

3.3.5气煤一号井碳排放总量计算结果

气煤一号井的煤炭碳排放总量M计算公式如下：

式中：Mi为气煤一号井煤炭碳排放各分量，包括已生产煤炭、计划生产煤炭、未回采煤炭和煤柱的碳排放量，i=1,2,···,8，分别对应3.3.1-3.3.4 节的各分量。

最终计算得出气煤一号井的煤炭碳排放总量为32.65 万t。

3.4 现行煤炭生产碳排放量计算方法结果对比

根据现行《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南2019 修订版》及GB∕T 32151.11-2018《温室气体排放核算与报告要求第11 部分：煤炭生产企业》计算出本文核算边界条件下的碳排放量，排除了化石燃料燃烧、电力和热力排放，只是煤炭本身的碳排放量，计算公式如下：

(1)地下开采的CH4逸散排放量计算公式：

式中：C1为地下开采的CH4逸散排放量，104m3；i为以地下方式开采各个矿井编号；Ai为地下矿井i当年的原煤产量，t；ui为地下矿井i当年的相对瓦斯(CH4)涌出量，m3/t。

(2)矿后活动CH4的排放量计算公式：

式中：C2为矿后活动的CH4逸散排放量，104m3；j为煤炭生产企业地下矿井的瓦斯等级；Bj为瓦斯等级为j的所有地下矿井原煤产量之和，t；Ej为瓦斯等级为j的地下矿井矿后活动CH4排放因子，m3/t。

(3) CO2排放量计算公式：

式中：C3为CO2逸散排放量，104m3；Di为地下矿井i当年的原煤产量，t；vi为矿井i的相对瓦斯CO2涌出量，m3/t。

根据式(2)-式(4)计算出气煤一号井的煤炭碳排放量结果为27.11 万t，较本文方法的计算结果少5.54 万t，其主要原因是排放因子法存在碳排放源排放因子系数的不确定性，亦没有将井下未回采煤炭及遗留煤柱的碳排放量计算在内。而本文方法对于地下矿井煤炭CH4和CO2的排放量计算更加全面准确且更具针对性。

3.5 阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放总量

阜康矿区西部其余地下矿井煤炭CH4与CO2含量与埋深的拟合关系亦符合该矿区整体CH4与CO2随埋深变化的赋存规律(图3)。因此可根据上述阜康矿区西部气煤一号井的煤炭碳排放量计算方法计算出阜康矿区西部其余地下矿井煤炭的碳排放量，其计算结果见表4。

表4 阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放量统计Table 4 Statistics of carbon emissions from different sources in underground mines in the western Fukang mining area

据表4 可知阜康矿区西部各地下矿井煤炭碳排放源排放量构成(图6)。计划生产煤炭碳排放量平均占比最大为61.82%；已生产煤炭碳排放量次之，平均占比25.04%；井下煤柱碳排放量排位第三，平均占比8.53%；未回采煤炭碳排放占比最少，平均为4.62%。已生产和计划生产的煤炭为主要碳排放源。阜康矿区西部地下矿井平均服务年限为30.5 a，已生产煤炭碳排放量计算结果为2.17 万t/a；计划生产煤炭碳排放量计算结果为5.35 万t/a；未回采煤炭碳排放量计算结果为0.40 万t/a；井下煤柱碳排放量计算结果为0.74 万t/a。阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放量计算结果为8.66 万t/a。

图6 阜康矿区西部各地下矿井煤炭碳排放源排放量构成Fig.6 Carbon emissions from different sources in various underground mines in the western Fukang mining area

3.6 地下矿井煤炭碳排放量影响因素分析

结合阜康矿区西部煤岩分析数据、依据本文碳排放量计算方法分析，可知地下矿井煤炭碳排放量主要受以下几个方面影响：(1) 煤层气解吸率越大，解吸量相对越多，其解吸率与碳排放量呈正相关(图7a)；(2) 煤储层中CH4与CO2含量越高，其相对的碳排放量越高(图7b)；(3) 阜康矿区西部多为中低阶煤，随变质程度的增大，镜质体反射率相对增大，其等温吸附的Langmuir 体积也相对增大，表明含气量增加，碳排放量也会相应增大(图7c)；(4) 煤炭总产量即开采的煤炭总量越多，其碳排放量越多(图7d)。

图7 地下矿井煤炭碳排放量影响因素Fig.7 Factors influencing carbon emissions from coals in the underground mines

建议在生产过程中强化充填抑制未回采资源及煤柱排放；针对煤炭产量大、CH4含量高的矿井先采气后采煤；加大对煤炭采中、采后、废弃矿井等碳排放量的监测力度；对易燃煤层，采取相关措施降低煤层可燃性；对于高瓦斯矿井，应减少瓦斯逸散，同时加强对解吸和逸散的不同浓度瓦斯开展梯级回收利用[20]。

4 结论

a.阜康矿区西部各地下矿井平均服务年限为30.5 a，已生产煤炭碳排放量计算结果为2.17 万t/a；计划生产煤炭碳排放量计算结果为5.35 万t/a；未回采煤炭碳排放量计算结果为0.40 万t/a；井下煤柱碳排放量计算结果为0.74 万t/a。阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放量计算结果为8.66 万t/a。

b.本文方法对于地下矿井煤炭中CH4与CO2的排放量计算更加全面、准确。现行煤炭生产碳排放量计算方法存在碳排放源排放因子系数的不确定性，亦没有将井下未回采煤炭及遗留煤柱的碳排放量计算在内。

c.阜康矿区西部地下矿井计划生产煤炭碳排放量>已生产煤炭碳排放量>井下煤柱的碳排放量>未回采煤炭的碳排放量，建议生产过程中采用先采气后采煤、强化充填抑制未回采资源及煤柱排放，加强对解吸、逸散的不同浓度瓦斯开展梯级回收利用及减排。

d.阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放量主要受煤炭总产量(已生产和计划生产煤炭总量)、煤层CH4和CO2含量、解吸率、煤变质程度等影响，碳排放量随这些影响因素量值的增大而增大。