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煤炭是如何从地下挖出来的? 第1页

  

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我们生活在一个由能源驱动的世界。

以北京为例,每年需要251亿度电,才能让每一个市民家庭点亮家中的灯火,让冰箱储存下满满的食物,让空调送来“救命”的冷风。

每年更是需要915亿度电,才能让一幢幢写字楼昼夜通明,让无数的餐馆、工厂如常运转,才能保证成百上千万人的就业。

北京的用电量如此之多,但这里的市民却并不需要为此担忧。

因为在北京以西400km外,单一个内蒙古托克托电厂,年发电量就已经突破300亿度,这是世界上最大的火力发电厂,还不用说其他大大小小的电厂。

但是,这300亿度的背后,却是一种长期被嫌弃被差评的矿产,煤炭。

托克托电厂每生产1亿度电,便需要燃烧5万多吨煤炭,这些煤炭由煤矿供应。就在距离电厂50km处,中国最大的露天煤矿之一,内蒙古黑岱沟露天矿,铲车、卡车、运输带等各种大型机械昼夜运作,一天可以开采煤炭9万多吨,足够装满1500节列车货厢。

若放眼全国,在960万平方千米的广袤大地上,大大小小的煤矿散布各地,总数多达5300个。

5300多个煤矿“齐心协力”,已经连续10年年产量超过30亿吨,2019年的总产量更是高达38.5亿吨。

时至今日,煤炭仍然占到中国一次能源的近60%。正是这些巨量、却饱受争议的煤炭进入电厂、钢铁厂、化工厂等,构建了我们的生活,成为整个社会发展的基础动力。

煤炭与中国,到底有着怎样的故事?我们的生产能力又为何如此惊人?

这一切,都要从煤炭的形成讲起。


01、沧海桑田

亿万年以来,中国大地上的很多地方都曾经历过这样一幕:

温暖湿润的沼泽洼地中,各种植物竞相生长,郁郁葱葱、欣欣向荣。

伴随着水体的时进时退,大量的植物遗体得以迅速掩埋、堆积,隔绝空气。在厌氧环境中,它们被部分分解,形成一片片泥炭沼泽。

而后,沧海桑田、海陆升降,泥炭被掩埋于地下,在高温、高压等特殊条件下,发生一系列物理化学变化,最终形成煤炭。

这一幕还不止发生过一次,植物一次次地倒下,地层一层层地覆盖,煤炭也一次次形成。

于是,在今天的中国国土之上,煤炭的探明储量多达1400亿吨,含煤区面积超过80万平方千米,比东北三省的总面积还要大,占到陆地面积的8.3%,且几乎每个省级行政区内均有煤炭资源分布。

放眼全球,如此大的储量在233个国家和地区中高居第四位。

如此来看,我们的煤炭家底足够深厚。

可是要想将这些地下矿藏开采出来,我们还需用尽十八般武艺。


02、搬山卸岭

在内蒙古呼伦贝尔市附近,起伏的山丘变成了一个个平整的立面,伴随而来的是越发清晰的机器轰鸣声。

循声望去,映入眼帘的是一个硕大无比的洼地。洼地的上部,煤层上覆的岩土清晰可辨,只有将岩土剥离,煤炭才能重见天日。

一台“奇葩”的大铲车,凭借高大的臂架可以轻而易举地将自己脚下松散的岩土挖掘、转移至100米远的位置。

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与此同时,一台更加庞大的机器同样抓人眼球。它的前端是数个铲斗组成的硕大齿轮,每个铲斗都有一人之高,它的尾端则连接着数百米的运输带,蜿蜒伸向远方。

一前一后,挖掘加运输的流水线作业,剥离岩土的效率可想而知。

岩土被剥离之后,黑乎乎的煤炭露出。灵活的单斗铲等上下左右挥舞着长臂,将整块的煤炭变得破碎。

而笨重的电铲,则在缆绳的拉扯下,将身边的煤炭装入卡车。

当然,它们也可以直接与运输带连接,组成更加连续、便捷的工作系统。

之后,勤劳的“搬运工”卡车,穿梭于坑场与地表之间,将煤炭和土石运出洼地。

最终,卡车们到达地表,将“货物”排卸至固定地点。

轰鸣声此起彼伏,各种机械组成一支庞大的装甲军团,有条不紊、密切配合,一派热火朝天的景象。

经年累月的挖掘,山丘被夷为平地,平地被掏空成洼地。从高空俯瞰,竟呈现出一层层、一圈圈的台阶,蔚为壮观。

这便是露天采煤的现场,一年之内,采出的煤炭将超过2000万吨。如此规模的露天煤矿,在全国范围内都屈指可数。

但是,这样惊人的生产能力却来之不易。

时间回溯至70年前,旧中国遗留下来的煤矿大都规模较小、设备简陋、技术落后,而百废待兴的新中国又急需煤炭资源来发展工业建设。于是,在前苏联的援建下,十几个年产量在500万吨左右的现代化露天矿点缀于大江南北。

在云南,有红河的小龙潭露天矿。

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在辽宁,有抚顺的抚顺西露天矿,

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也有阜新的海州露天矿。

这些露天矿都有一个共同特点,那就是配备了当时最先进的设备,挖掘可靠的铲车+装载量大的蒸汽机车,二者强强联合,可以保证较大的产量。

正因如此,辽宁阜新的海州露天矿还一举成为了当时亚洲最大的露天煤矿。

矿坑里,一列列满载煤炭的蒸汽机车,头顶着滚滚白烟沿着铁轨奋力爬升,是那个年代最动感的画面。

20世纪80年代,随着露天开采技术的进步,我们独立设计和建设了一众声名显赫的大型露天矿,分别是平朔、霍林河、伊敏河、元宝山、准格尔,人称“五大露天”。

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彼时的中国,汽车工业也取得了较大的发展,煤炭的运输工具开始放弃了体型庞大的列车,转而使用了灵活的卡车。

与大运量的列车相比,单辆卡车的运力虽然有限,但是无数辆卡车一齐出动,就如同一支灵活的机动部队,且总运力也绝不逊色。

铲车卡车这对新组合的加持下,生产效率得到大幅提升,这些煤矿的年产量可以突破1500万吨。

可是,随着矿坑越挖越深,卡车的运输距离变得越来越长,原本的高效运输已经不再。于是一项新设备应运而生,胶带输送机。

它的运输能力可与标准铁路抗衡,而成本只有卡车的50%,可谓是一举两得。

此外,受到特殊地形的限制,煤炭还可以“乘坐”索道,横跨峡谷、完成运输。

截至目前,这支装甲军团的成员越发庞大,在它们的灵活搭配下,露天煤矿的生产能力可以突破3000万吨。

进入新世纪,一大批露天矿更是喷薄而出。

2008年,内蒙古乌珠穆沁的白音华露天矿建成投产。

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2014年,内蒙古鄂尔多斯的哈尔乌素露天矿建成投产。

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2019年,陕西神木的西湾露天矿建成投产。

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截至2017年,全国露天煤矿约有420座,如今年产量超过1000万吨的大型露天煤矿达到19座。

不过,露天开采只适用于那些埋深较浅且较厚的煤层,而且其年产量也仅有5.28亿吨,只占到全国煤炭总产量的15%。

那么,面对深部的煤层,在没有像露天开采这样宽敞的环境下,我们又会遇到怎样的难题?


03、地下世界

超过29亿吨的煤炭将在黑暗的地下世界中采出,占到全国煤炭总产量的85%。

可是,地下煤层往往深达数百米,有的甚至超过1000米。想要采出如此之深又如此巨量的煤炭,谈何容易?

首先,人们必须想方设法,在地表和煤层之间开凿出一条条或水平、或倾斜又或垂直的通道,搭建起一个合理的井下生产空间。

这些通道不仅是输送煤炭、土石的运输通道,

也是输送人员、设备的运输通道,

更是一个保障深井之下人员、运输、通风、排水、供电、通信、救援等的安全通道。

沿着这些通道,人们终于能够触及深埋于地下的煤层。

然而有些煤层却过于庞大,它们的距离延伸超过数千米,厚度可以达到上百米,在没有机械的时代,面对这样的“庞然大物”,人们只能手刨肩背,将煤炭一点点从煤层上剥落,再一筐筐背送至地面。

在条件相对优越的地方,可以使用炸药破碎煤层,借助井下轨道和矿车完成运煤。即便如此,难度仍然超出想象。

幸好,有了机械化的进步,让一切发生了转机。

煤层破碎、装载、运输、地下空间的支护等工作,开始一一被机械所取代,开采效率也随之大幅提升。

其中最先进的是,所有的地下工作均能使用机械自动完成,彻底了告别人工采煤的时代。

以神东矿区的上湾煤矿为例,它位于内蒙古鄂尔多斯境内,在200多米深的矿井下,工作人员通过控制台便可以操控世界上首台最大采煤机,一次性采出8.8米厚的煤层。

与此同时,在开采的工作面上,128台液压支架一字排开,长度接近300米。它们接收指令、有序进退,实现对采煤现场顶部岩石的支护安全。

而后,破碎的煤炭沿着数千米长的运输胶带,被及时输送至地表,所有工作井然有序,一气呵成。

截至2019年,全国已有98%的大型煤矿实现了机械化采煤,井下事故的遇难者人数也随之从2004年的6027人,减少至316人,事故发生系数下降超过97%。

不仅如此,在多种机械的助力下,面对错综复杂的地下世界,人们的采煤工作也变得游刃有余。

对于近水平状、厚度小于7.5米、赋存条件简单的煤层,人们可以沿着煤层推进,一次性将煤炭采出。

对于近水平状、厚度一般超过5米的厚煤层,人们可以自上而下,分多层开采。

当然也可以自下而上,进行放顶煤开采,即先在底部采出2-3米的高度,同时利用顶板压力或者辅以人工方法,使剩余的顶部煤层直接垮落、破碎、放出。

任凭地下煤层千奇百怪的肆意展布,人们只管见招拆招。

截至目前,我国的采煤方法多达十几种,是世界上采煤方法种类最多的国家。

就在数以亿计的煤炭从地下成功采出之后,地下世界的忙碌却丝毫不减。开采结束后,原本由煤层填充的空间变成了巨大的采空区,如果置之不顾,将发生岩层垮落和地面沉陷。

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尤其是地面之上有建筑、铁路、水体等分布时,对采空区的处理更加重要。

当在建筑下采煤时,往往需要在开采的同时同步进行采空区的充填,或者预留部分煤柱提供支撑,以减小地表的变形和下沉,保证建筑不被破坏。

在铁路下采煤时,条件变得更加苛刻,必须最大程度减小地表的变形,以保证列车的安全通行。

而在河流、湖泊等水体下采煤时,一切工作必须更加谨慎,不仅要防止矿井内突然发生的大规模突水事故,还要保证地表的水体不流失。

从挖掘各种地下通道,到应对不同形态的煤层和地表,地下开采的每一步相较于露天开采都异常艰难。

当然,煤层开采的“艺术”也并非一成不变。当露天开采剥离的岩土与采出的煤炭超出合理经济范围时,需要转向地下开采。

有时地下环境变得恶劣,以宁夏石嘴山的大峰煤矿为例,煤层的自燃使得地下温度居高不下,严重危害人员安全。自2007年起,开采方式从地下转向了露天。

如果煤层向地层深处延伸极大时,可以露天和地下同时开采。

至此,从浅部煤层的露天开采,到深部煤层的地下开采,5300多座大大小小的煤矿在中国大地上遍地开花,它们热火朝天、日夜不休,让中国成为了名副其实的“煤炭帝国”。


04、功与过

但是,故事到这里还未结束。

时至今日,中国的煤炭年产量已经超过38.5亿吨,是70年前的120倍之多。

与此同时,全国的火力发电装机容量增长了708倍,总量居世界第一。

钢铁产量增长了6300倍,总量居世界第一。

化工行业所用的合成氨、甲醇等产量,还有尿素农肥产量等,已经多年位居世界第一。

熊熊燃烧的煤炭,点亮了万家灯火,筑起了钢铁森林,也融进了14亿人的生活,更成为这个觉醒的东方大国拼命追赶、飞速前进的动力。

然而,我们也付出了不小的代价。

煤炭的大规模生产占用了大量土地,尤其是露天开采,直接破坏了地表土层和植被,地下开采还污染了地下水,也引发了地面沉陷等各种问题,让生态脆弱区不堪重负。

煤炭的直接燃烧还将烟尘、二氧化硫、氮氧化物等大量污染物排入大气,如此粗犷的使用造成了酸雨、雾霾等环境污染问题,给人们的生活空间带来了极大的挑战。

煤炭的开采和利用,真的就一定要付出这些沉重的代价吗?

答案显然不是。

人们把开采产生的矸石用作采空区回填的材料,以减少地表沉陷。

对露天矿场进行复土造田,重新种植植被。以山西平朔煤田为例,截至2017年,土地复垦面积超过4万亩,形成了采矿、复垦、还地的绿色开采模式,曾经的露天开采现场也可以变身为绿色的矿山公园。

对矿井水统一进行洁净处理,再用作矿井及矿区的生产、生活用水。

正是通过这些方式,如今我国煤矿区的土地复垦率占比52%,煤矸石综合利用率达到71%,矿井水综合利用率已经超过75.8%。

不仅如此,人们也在改变着煤炭的使用方式。比如在大型煤矿附近,人们直接建造起坑口火电厂,改煤炭运输为电力运输,实现污染物的统一管理和排放。

而且,在煤炭燃烧之后,还要经过除尘、除硫、脱硝等层层处理,确保气体达标排放,以实现清洁利用。

正所谓

煤炭用好了,就是清洁能源。
——引自中国工程院院士谢克昌

与此同时,人们还在积极寻找其他替代品。除了石油、天然气等传统化石能源以外,水能、风能、光能、核能等各种新型清洁能源,已经逐渐进入国家的能源结构。

以一次能源消费来看,煤炭的消费占比已经从70年前的90%以上,下降至60%左右,而且未来还会继续降低。

是的,在未来的某一天,煤炭的能源效用或许会被彻底取代,从此在我们的世界中消失。

但到那时,当我们再次谈及煤炭,一定还会感慨万千。

正是它,点燃了新中国的第一把工业之火,也正是它,点燃了一个热火朝天的时代。



全文完,感谢阅读。


本文创作团队

  • 撰文:艾蓝星
  • 图片:蒋哲睿
  • 设计:陈随
  • 地图:陈志浩
  • 审校:黄超

专家审核

  • 煤炭科学研究总院深部开采与冲击地压研究院 李春元 博士
  • 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院 张洪伟 博士

【致谢】

本文的图片内容得到了中国神华准能集团的大力支持,特此感谢。

【参考文献】

  • [1] 朱训. 中国矿业史[M]. 地质出版社, 2010.
  • [2] 中国煤炭志编纂委员会. 中国煤炭志 · 综合卷[M]. 煤炭工业出版社, 1999.
  • [3] 徐永圻. 煤矿开采学[M]. 中国矿业大学出版社, 2015.
  • [4] 宋子岭. 露天开采工艺[M]. 中国矿业大学出版社, 2018.
  • [5] 田会,白润才等. 中国露天采矿的成就及发展趋势[J]. 露天采矿技术, 2019.
  • [6] 2019年煤炭行业年度发展报告.


... The End ...


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