Study on carbon emission accounting and emission reduction path of coal production in coal mine
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摘要:
在能源行业，实现碳达峰和碳中和的目标是主要任务，随着双碳策略的持续推进，行业监管模式将逐步由当前的“能源双控”转变为“碳排放双控”，减排将成为坚定不移的原则。近年来，煤炭行业深入践行绿色低碳理念，各煤炭企业已从战略层面统一对双碳目标进行布局，制定了各自的碳达峰和碳中和行动计划，全面规划了战略目标、关键任务及重大项目，从而绘制出碳达峰和碳中和的具体实施路径。选择合适的碳排放计算模型和科学的减排策略对于优化煤炭产业的碳排放管理，以及推动我国煤炭行业的绿色低碳转型具有至关重要的作用。以二氧化碳近零排放为目标，结合《国家温室气体清单指南：IPCC—2019》和煤炭企业温室气体排放核算标准，提出了井工煤矿全生命周期中煤炭生产各环节二氧化碳排放的具体核算方法，构建了井工煤矿煤炭生产碳排放核算模型，并以典型煤矿为工程背景，对该井工矿开采过程中的碳排放进行计算和分析。结果显示，逸散排放和运输工序是煤炭井工开采碳排放的重要环节，分别占到了总量的38.2%和18.9%；按碳排放源进行分类，电力消耗所排放的二氧化碳占48.5%，是能源领域最大排放源。在此基础上，提出了井工煤矿碳减排路径及其“零碳矿井”的实施路径。研究结果可为井工煤矿低碳发展提供理论指导。
Abstract:In the energy industry, achieving the goal of carbon peak and carbon neutrality is the main task. With the continuous advancement of the dual-carbon strategy, the industry regulatory model will gradually change from the current “energy dual control” to “carbon emission dual control” and emission reduction will become a firm principle. In recent years, the coal industry has deeply practiced the concept of green and low-carbon. Coal enterprises have unified the layout of the dual-carbon target from the strategic level, formulated their own carbon peak and carbon neutralization action plan, and comprehensively planned the strategic objectives, key tasks and major projects, so as to draw the specific implementation path of carbon peak and carbon neutralization. Choosing the appropriate carbon emission calculation model and scientific emission reduction strategy plays a vital role in optimizing the carbon emission management of the coal industry and promoting the green and low-carbon transformation of China’s coal industry.Clarifying the characteristics of carbon emissions in underground coal mines is the premise and basis for achieving the goal of “double carbon” in underground coal mines. Aiming at the near-zero emission of carbon dioxide, combined with the “Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories: IPCC—2019” and the standards for greenhouse gas emission accounting of coal enterprises, a specific accounting method for carbon dioxide emissions in all aspects of coal production in the whole life cycle of underground coal mines is proposed, and a carbon emission accounting model for coal production in underground coal mines is constructed. Taking a typical coal mine as the engineering background, the carbon emissions in the mining process of the coal mine are calculated and analyzed. The results show that fugitive emissions and in-plant transportation are important parts of carbon emissions from coal mining, accounting for 38.2% and 18.9% of the total, respectively. According to the classification of carbon emission sources, the consumption of electricity accounts for 48.5% of carbon dioxide emissions, the largest proportion. On this basis, the carbon emission reduction path of underground coal mine and the implementation path of “zero carbon mine” are put forward. The research results can provide theoretical guidance for the low-carbon development of underground coal mines.
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0. 引 言
化石能源由于燃烧过程带来的大量二氧化碳排放，成为了气候变化领域讨论的焦点。根据IEA的报告[1]：“2022年，全球与能源相关的二氧化碳排放量增长了0.9%，约为3.21亿t，总的碳排放量超过368亿t。2022年排放量增幅最大的行业是发电和供热，增幅为1.8%，约为2.61亿t。特别是在亚洲新兴经济体的带动下，全球燃煤发电和供热的排放量增长了2.24亿t。” 以上数据说明了对煤炭相关领域的碳排放进行研究，对减缓气候变化、减少碳排放等具有重要意义。而我国能源的现状是“富煤贫油少气”[2]。煤炭开发利用过程中产生的碳排放是中国碳排放的主要来源，约占全国碳排放总量的60%～70%。从煤炭开发和利用过程看，煤炭利用过程的碳排放量占比近90%[3]，煤炭开发过程的碳排放量占比约10%[4]。尽管煤炭开发过程碳排放占比少，但仍然有减排的需要。所以煤炭作为国家能源安全的压舱石，如何引领绿色发展、低碳发展是煤炭行业发展的责任。
在碳排放核算方法的研究方面，国内学者梳理了煤炭企业碳排放核算方法，总结并完善了各类方法的核算模型、优缺点和适用范围。目前核算碳排放的方法主要有实测法、排放因子法和质量平衡法。现场测量法的数据是排放源的现场实测数据，该种方法获取数据需要通过一定的监测手段和方法或者运用可以进行连续测量的设备，并且这些设备是经国家有关部门认定的，来进行样品的采集和分析。排放因子法是 IPCC 提出的一种碳足迹估算方法[5]，其基本思路是将每个排放源的排放数据与其对应的排放因子相乘并求和，计算结果作为该排放源的碳排放估算值。质量平衡法原理是投入生产的物质能量总和等于所有产出的物质能量总和，即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[6]。上述方法中排放因子法非常适用于煤矿开采过程中的碳排放核算，很多学者都是利用此方法进行煤炭开采的碳排放研究[7-10]。
在煤炭行业的碳排放研究方面，IPCC 发布的《国家温室气体清单指南：IPCC—2019》提供了碳排放核算的基本方法论，国内学者对 IPCC清单指南提供的核算模型及排放因子进行了修正和扩展，使其更具适用性。ZHU等[11]更新分省煤矿区CH4排放因子，对中国2006—2010年煤矿区CH4排放进行估算，预测了2011—2020年中国煤矿CH4排放量。于胜民等[12]以中国
7575 处井工煤矿CO2相对涌出量测定数据为基础，统计得到井工煤矿开采过程CO2逃逸排放因子为每吨原煤逃逸CO2 6.57 m3，不同瓦斯等级矿井之间均值差异显著，低瓦斯矿井、高瓦斯矿井、突出矿井均值分别为每吨原煤产CO2 5.41、9.38和10.50 m3。薛香玉等[13]采用全生命周期 (LCA) 的评价方法，对富油煤原位热解项目从煤层改造、原位加热、产品加工、产品输运以及进入消费终端的全过程碳排放量进行了分析；刘韵等[14]和YU等[15]采用全生命周期评价法对燃煤电厂的碳足迹进行了定量研究；崔亚蕾等[16]采用全生命周期分析法对煤制天然气项目碳排放进行了分析。在煤炭行业的节能减排研究方面，自钱鸣高院士2003年提出煤炭绿色开采的概念与理论以来，绿色开采已深入人心，且在关键层理论、煤与瓦斯共采、保水采煤、煤矿固废采充选一体化技术、生态修复等方面取得了诸多创新成果[17]。MORRELL[18]通过改进硬岩采矿设备提高能源效率，降低采矿过程中的碳排放。BRODNY和TUTAK等[19]提出清洁煤炭技术必须涵盖煤炭生产、运输和发电、供暖和其他行业使用的所有阶段，煤炭的开采过程也要减少有害物质向环境的排放，目前波兰采取的最重要的技术之一就是CO2捕获和储存/利用技术。ZHU等[20]研究表明，生态治理可以有效提高碳汇，有利于煤炭资源型城市的健康发展。可以看出，对于煤炭产业，不仅是煤炭利用过程可以减碳，开采过程也可以通过节能、碳封存、生态修复等手段实现低碳甚至零碳排放的目标。刘淑琴等[21]提出地下气化是深部煤炭原位开采的潜力方式之一，耦合CCS/CCUS的深部煤炭地下气化制氢技术路线不仅可以利用丰富的深部煤炭资源，而且有望成为一种理想的煤基低成本制氢路线。
综上所述，虽然目前我国的煤矿碳排放核算及节能减排研究已在行业层面和企业层面上取得阶段性成果，但这些研究并未将井工煤矿煤炭生产的特点[5]与碳排放方法[6]很好地结合起来。笔者通过收集分析相关资料，依据《IPCC—2019指南》和国家标准《温室气体排放核算与报告要求 第11部分：煤炭生产企业：GB/T 32151.11—2018》 (以下简称《GB/T 32151.11—2018》)，构建了煤炭井工开采的碳排放核算模型，该模型基于生命周期法将碳排放理论与煤矿的采、掘、运、通等特点有机地结合起来，针对每一模块碳排放量的差异给出相应的减排措施。
1. 井工开采的全生命周期碳排放模型构建
1.1 碳排放边界的确定
碳排放边界是指碳排放的核算范围[22]。井工煤矿煤炭生产碳排放量的核算主要指井工煤矿煤炭生产环节的碳排放量，包括逸散排放，巷道掘进，煤炭开采，运输工序和辅助工序。需值得注意的是，员工出行、办公等造成的碳排放量并不计入其中，该部分碳排放通常计入城市碳排放中[23]。井工煤矿煤炭生产全生命周期碳排放的核算边界如图1所示。
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图 1 井工煤矿煤炭生产碳排放核算边界Figure 1. Carbon emission accounting boundary of coal production in underground coal mine井工煤矿碳排放量核算的研究要从分析井工煤矿的碳排放源开始。碳排放源一般分为直接排放源、间接排放源和其他间接排放源。对于井工煤矿煤炭生产，直接碳排放源是指井工煤矿各个生产环节引起的碳排放[24]。间接碳排放源则是指为了满足井工煤矿开采作业而排放的属于其他公司拥有或控制的一些排放源，如外购电力。本研究仅核算井工煤矿煤炭生产的直接碳排放源和间接碳排放源。
1.2 井工煤矿碳排放源识别
通过对井工煤矿煤炭生产过程进行分析，井工煤矿煤炭生产温室气体的来源主要有4个方面：1）燃料消耗，如各种设备、车辆消耗柴油、汽油、煤油等油品，锅炉等设备消耗燃煤都属于化石燃料燃烧；2）井工煤矿巷道掘进过程中部分温室气体的逸散；3）在煤炭开采和掘进中为了减少粉尘的伤害会喷水，从而引起的水消耗；4）间接碳排放源—电力消耗。将井工煤矿巷道掘进的碳排放源归纳为4个：燃料（特指柴油，汽油，煤炭）消耗、开采过程中逸散、电力生产过程中引起的碳排放以及消耗水引起的碳排放。文中将4个碳排放源简称为：燃料、逸散、电力和水。
1）燃料。井工煤矿消耗的燃油种类主要是柴油，柴油主要是在无轨胶轮车运输时消耗。使用油和煤会释放的温室气体包括CO2、CH4和N2O。尽管生成的N2O和CH4量对比CO2量较小，但为保证核算的准确性，要将这2种温室气体换算为二氧化碳当量计入到碳排放量。
2）逸散。逸散是指在煤炭生产过程当中，因为采掘活动而对煤层的原始状态造成了破坏，使原本在煤层中赋存的CO2、CH4等温室气体排入到空气当中[25]。在井工煤矿巷道掘进、煤炭开采和矿后活动过程中逃逸的瓦斯是煤矿碳排放的主要来源。文中所指的逸散特指甲烷气体。
3）电力。井工煤矿煤炭生产过程中使用的各种大型采煤设备、掘进设备、支护设备、运输设备等多为电力驱动，功率很大。所以，井工煤矿煤炭生产的电力消耗是最主要的间接碳排放源。
4）水。井工煤矿煤炭生产过程中为了保护工作人员的身体健康会使用大量清水来降尘，例如在掘进工作面和开采工作面中的使用。然而清水的生产过程也会排放温室气体，这些间接排放的具体计算方法为消耗的电力与干净水的数量与其相应的碳排放因子的乘积[26]。
1.3 井工煤矿煤炭生产碳排放计算方法
碳排放考虑5个部分：逸散排放，巷道掘进，煤炭开采、运输工序和辅助工序，如图2所示。
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图 2 井工煤矿煤炭生产碳排放模块划分Figure 2. Carbon emission module division of coal production in underground coal mine井工煤矿煤炭开采包含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时会在前4个工序中产生大量碳排放，而运煤属于运输工序，所以笔者以破煤、装煤、支护为主要研究内容，对其作业过程中的碳排放量计算进行总结。
$$ {I_{\text{u}}} = \sum\nolimits_q {{A_{{\mathrm{u}}q}}} + \sum\nolimits_w {{B_{{\mathrm{u}}w}}} \times {F_{{w}}} $$ (1) $$ {G_{\text{u}}} = \sum\nolimits_q {{A_{{\mathrm{u}}q}}} \times {E_{{q}}} + \sum\nolimits_w {{B_{{\mathrm{u}}w}}} \times {F_{{w}}} \times {E_{{w}}} $$ (2) 式中：Iu为煤炭开采过程中材料、电力能源投入；Gu为煤炭开采产生的碳排放；Auq 为第q类材料的投入量；Eq为第q类材料的排放因子；Buw为第w类施工机械的台班数量；Fw为第w类施工机械单位台班能耗；Ew为第w类施工使用能源的排放因子。
公式（1）计算了煤炭开采过程施工机械的投入产出，但并未考虑材料运输。运输活动是井工煤矿煤炭生产的必要环节。运输作业主要为从地上运输到井下施工现场，不同的矿井类型有不同的运输系统包括巷道掘进、煤炭开采、辅助工序中的材料运输以及人员的运输。对应的模块投入和排放计算分别见公式（3）和公式（4）。
$$ {I_\mathfrak{m}} = \sum m \times {D_{\mathrm{c}}} \times {F_{\mathrm{c}}} $$ (3) $$ {G_\mathfrak{m}} = \sum m \times {D_{\mathrm{c}}} \times {F_{\mathrm{c}}} \times {E_{\mathrm{c}}} $$ (4) 式中：Im为从地面到施工现场运输材料的能源投入；Gm为从地面到施工现场运输材料产生的碳排放；m为载具c的运输量；Dc为从地面到施工现场的运距；Fc为载具c运输每吨材料每公里燃料消耗量；Ec为载具c燃料的排放因子。
巷道掘进包含3大工序，即破岩、装运和支护。装岩和运岩属于运输工序所以本节以破岩、支护为主要研究内容，就其作业过程中碳排放量计算进行总结。模块巷道掘进中的破岩和支护中材料的投入与排放计算分别见公式（5）和公式（6）。
$$ {I_{\mathrm{n}}} = \sum\nolimits_v {{M_{{\mathrm{n}}v}}} + \sum\nolimits_x {{C_{{\mathrm{n}}x}}} \times {F_x} $$ (5) $$ {G_{\mathrm{n}}} = \sum\nolimits_v {{M_{{\mathrm{n}}v}} \times {E_v}} + \sum\nolimits_x {{C_{{\mathrm{n}}x}}} \times {F_x} \times {E_x} $$ (6) 式中：In为巷道掘进的能源投入；Gn为巷道掘进产生的碳排放；Mnv为第v类材料的投入量；Ev为第v类材料的排放因子；Cnx为第x类施工机械的台班数量；Fx为第x类施工机械单位台班能耗；Ex为第x类施工机械使用能源的排放因子。
逸散排放公式如下：
$$ {G_{\mathrm{Q}}} = {G_{\mathrm{J}}} + {G_{\mathrm{P}}} $$ (7) $$ {G_{\mathrm{J}}} = \sum\nolimits_i T \times q \times {10^{ - 4}} $$ (8) $$ {G_{\mathrm{P}}} = \sum\nolimits_i T \times {E_{{\mathrm{CH}}_4}} \times {10^{ - 4}} $$ (9) 式中：GQ为瓦斯的总排放量；GJ为煤炭开采过程中的瓦斯排放量；GP为矿后活动过程中的瓦斯排放量；i为年份；T为矿井当年原煤产量；q为矿井当年相对瓦斯涌出量；$ {E}_{{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}} $为矿后活动瓦斯的排放因子。
当矿井掘进工作面瓦斯涌出量大于3 m3/min时，就需要采用抽采瓦斯的方法降低瓦斯含量保证安全生产。在进行瓦斯抽采的过程中也要纳入碳排放的计算。
$$ {I_{\mathrm{H}}} = \sum {_L} {J_{{\mathrm{H}}L}} + \sum {_U} {C_{{\mathrm{H}}U}} \times {F_U} $$ (10) $$ {G_{\mathrm{H}}} = \sum {_L} {J_{{\mathrm{H}}L}} \times {E_L} + \sum {_U} {C_{{\mathrm{H}}U}} \times {F_U} \times {E_U} $$ (11) 式中：IH为抽采瓦斯的能源投入；GH为抽采瓦斯产生的碳排放；JHL为第L类材料的投入量；EL为第L类材料的排放因子；CHU为第U类施工机械的台班数量；FU为第U类施工机械单位台班能耗；EU为第U类施工机械使用能源的排放因子。
将瓦斯总排放量换算成二氧化碳当量再加上瓦斯抽采的过程中的碳排放就是逸散排放这一环节中碳排放量。
$$ {G_{\mathrm{T}}} = {G_Q} \times 0.67 \times 10 \times GW{P_{{\mathrm{CH}}_4}} + {G_{\mathrm{H}}} $$ (12) 式中：GT为逸散排放环节中碳排放量；0.67 kg/m3为一个标准大气压、20℃下的CH4密度；$ {GWP}_{{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}} $为CH4全球变暖潜势值，为27。
辅助系统包含排水系统，通风系统，供热系统，供电系统等。在井工煤矿煤炭生产过程中辅助系统起着举足轻重的作用，其保障了井下煤炭开采作业的安全进行。同时也会消耗大量电力、燃料而造成大量的碳排放。所以辅助系统碳排放公式如下：
$$ {I_{\mathrm{S}}} = \sum\nolimits_r {{M_{{\mathrm{S}}r}} + } \sum\nolimits_e {{C_{{\mathrm{S}}e}}} \times {F_e} $$ (13) $$ {G_{\mathrm{S}}} = \sum\nolimits_r {{M_{{\mathrm{S}}r}} \times {E_r} + } \sum\nolimits_e {{C_{{\mathrm{S}}e}}} \times {F_e} \times {E_e} $$ (14) 式中：IS为辅助系统的能源投入；GS为辅助系统产生的碳排放；MSr为第r类材料的投入量；Er为第r类材料的排放因子；CSe为第e类施工机械的台班数量；Fe为第e类施工机械单位台班能耗；Ee为第e类施工机械使用能源的排放因子。
综上，公式（1）—公式（14）明确了巷道掘进、运输工序、煤炭开采、辅助工序和逸散排放中碳排放的计算方法。井工煤矿煤炭生产总的碳排放量计算公式如下：
$$ I = \sum\nolimits_y {{M_{Z{\mathrm{I}}}}} $$ (15) $$ G = \sum\nolimits_y {{M_{Z{\mathrm{G}}}}} + {E_{{\mathrm{CH}}_4}} $$ (16) 式中：I为井工煤矿煤炭生产总的材料能源投入；G为井工煤矿煤炭生产的碳排放；MZI为第Z个模块的材料能源投入；MZG为第Z个模块的碳排放。
2. 实例核算
以山西某煤矿作为研究对象，该煤矿的煤炭总量为7 425 968 t。煤矿的年产量为240 Mt，矿井相对瓦斯涌出量为3.19 m3/t，矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井。矿井采用斜井‒平硐开拓方式，综采放顶煤开采，中央分列抽出式通风，主平硐、副平硐进风，回风斜井回风。主运输为输送带运输，辅助运输为无轨胶轮车运输。
笔者通过对该矿区井进行实地调研得到各项活动水平数据以及充分考虑该矿的环保政策，现以该煤矿的2022年的数据为例进行核算前的分析，2022年该煤矿年产量为240 Mt，消耗的辅助原料包括水1 272 122 t、柴油99.6 t、汽油62.33 t，消耗的能源有电能75 308.701 kWh、原煤5 846.11 t，2022年度瓦斯相对涌出量为3.19 m3/t，矿后活动碳排放因子为0.94 m3/t，瓦斯密度为0.000 67 t/m3，该矿为低瓦斯矿井，所以不存在对瓦斯的抽采利用，因此抽采的量在该矿中为0。该煤矿的原料消耗中也包括对类似钢材、水泥和木材等的消耗，以及产生的掘进矸石、矿井水等废弃物，在文中暂不做核算。通过分析可得该煤矿2022年的活动水平数据，见表1。
表 1 2022年的活动水平数据Table 1. Activity level data for 2022排放源 原煤/t 汽油/t 柴油/t 水/t 电/kWh 原煤产量/t 活动水平数据 5 846.11 62.33 99.6 1 272 122 75 308.701 2 400 000 （备注：本表数据来自煤矿提供的资料） 2.1 碳排放因子选择
碳排放因子选择如下，电力的碳排放因子采用山西省能源局提供的数据，电力排放因子取值为0.724 2 tCO2/(MW·h)；新鲜水的二氧化碳排放因子参考王莉莉[26]、刘静静等[27]的研究成果，水的排放因子取值为2.12×10‒4 tCO2e/t；逸散排放因子参考一些学者对 2010—2016 年我国煤矿数据进行科学测算，得到的高瓦斯和低瓦斯煤矿矿后活动CH4排放因子，分别约为3 m3/t和0.94 m3/t。该矿使用的碳排放因子见表2。
表 2 最终的碳排放因子Table 2. Ultimate carbon emission factor能源类别 排放因子 车用汽油/(tCO2e∙t‒1) 3.073 柴油/(tCO2e∙t‒1) 3.193 原煤/(tCO2e∙t‒1） 2.019 7 电力/[t∙(MWh)‒1] 0.780 2 矿后活动/(m3∙t‒1) 0.94 水/(tCO2e∙t‒1） 2. 12×10‒4 2.2 碳排放核算软件开发
以碳排放模型为基础理论，利用Python语言开发了一款碳排放核算软件，该软件主要用于解决企业核算耗时、耗力、准确率的问题。
软件主要采用了Python语言编程，适用于多种软件环境。该软件的主程序计算流程图如图3所示。
该软件设计的具体功能：
1）设计选择煤矿所处的电网区域；
2）设计选择碳排放核算的模块；
3）设计选择逸散瓦斯的浓度；
4）设计核算各排放源的碳排放量；
5）设计核算某环节各排放源的碳排放总量；
6）设计核算某环节各排放源的碳排放比例。
2.3 碳排放量核算
通过软件计算出煤炭开采的全生命周期各个环节的二氧化碳排放量，计算结果如图4所示。
以2022年的数据为例，从上述计算可以看出，该矿年二氧化碳排放量为121 081.572 tCO2e，二氧化碳排放强度为0.053 tCO2e/t煤。逸散产生的碳排放量的占比最大，占煤炭开采总排放量的38.2%。此外，辅助工序和运输环节是造成碳排放的重要环节，分别占到了总量的23.36%和18.9%。按碳排放源进行分类，结果见表3。煤炭开采全生命周期碳排放主要来自外购电力消耗、逸散排放和燃料消耗，分别占总排放量的48.5%、38.2%和13.1%。
表 3 碳排放源占比Table 3. Proportion of carbon emission sources碳排放源 二氧化碳/t 各环节排放占比/% 燃料 15 826.034 3 13.1 电力 58 755.849 48.5 逸散 46 230 38.2 水 269.689 0.2 总计 121 081.572 100 2.4 煤炭开采碳减排措施
在煤炭开采的全生命周期中，逸散产生的碳排放量的占比最大，此外，运输工序和运输环节是造成碳排放的重要环节，从排放源的角度来看，消耗电力造成的碳排放占比最大，其次是逸散造成的碳排放。根据前述分析以及充分考虑该矿的环保政策，提出该矿的减排路径如图5。
结合该矿生产工艺、重点排放源、重点排放点情况，笔者认为：
1）将50%的油耗无轨胶轮车替换成用电无轨胶轮车。通过理论验证该方法可以减少该环节30%左右的碳排放。
2）该矿引进余热利用技术替代小锅炉，该技术是煤矿清洁高效利用的明智之举。煤矿的热源包括矿井水、矿井回风、地温等工业余热，充分利用这些余热资源取代小锅炉，实现低成本冬季供热供暖和夏季制冷，同时还可以减少煤矿煤炭消费，节约煤炭资源，减少燃煤污染物排放。
3）乏风瓦斯逃逸也是碳减排的重要方面[28]，所以笔者通过分析目前一些煤矿对瓦斯排放的先进治理措施，总结提出了CH4减排路径与技术方案：该矿属于低瓦斯矿井，瓦斯体积分数小于1%，该矿主要考虑推进CH4浓度利用技术。目前我国对于CH4利用技术已经形成了比较完善的技术模式，主要的利用方面包括发电、工业燃料等，CH4气体的分级利用如图6所示。
主要通过高浓度提纯和直燃发电这2个途径来利用体积分数为30%～80%的CH4气体。高浓度甲烷可以用作汽车燃料，如许多汽车通过加气续航，将甲烷的燃烧热能转化为电能。一些发电厂也通过燃烧甲烷进行发电，如沁水寺河瓦斯发电厂。
低浓度提纯的方法可以将体积分数为5%～30%的CH4气体变为高浓度气体，从而被更好地利用。其也可以用于天然气供应、化学品制造、燃料电池等，现在许多城市可以通过净化处理将甲烷注入天然气管道，并通过燃烧天然气为城市居民供热。通过催化和化学反应将CH4转化为化学品，如甲醇、合成气等，可用于工业化学制品的生产。同时，低浓度瓦斯发电技术在我国已有了成熟的运作模式，如谢桥矿低浓度瓦斯氧化发电项目等。
体积分数为1%～5%和小于1%的CH4的气体虽然可以通过浓缩分离提浓、蓄热氧化、催化氧化和助燃空气等措施来提升浓度，然后用于余热发电，但利用率太低，仅为2%，均存在产热有限、燃烧稳定性差、经济效益低下等问题，这导致商业推广困难。
4） 通过调研发现该矿存在能源管理不合理现象，在运输和煤炭开采工序中有些设备空转时间长，如带式输送机每天会空载运行90 min以及采煤机跑空刀时间较长。因此，提出如下建议：
① 该矿在电能方面主要引进风光新能源的利用，通过绿电替代火电可以大幅减少净购入电力的间接碳排放。
②对于各种用电指标数据实时监控。基于大数据、物联网、软件系统等矿山物联网技术，建立煤矿系统性智慧管控平台，实现对各种用电指标数据实时监控，并对耗能情况进行分析、统计和预测，实现自动、及时、准确、完整、安全地耗电量采集、储存和应用，提升能源利用效率，减少能源消费总量。
③引进先进的节能设备。发展煤矿智能化节能技术，推进煤炭开发系统性节能技术研究。例如在采煤机、掘进机、带式输送机、刮板输送机、煤层气抽气机等设备中采用智能变频驱动等高效节能装备。在主运输系统中使用全系统智能调速，该系统主要以电流敏感型为主、煤流视频AI识别为辅，该调速方式弥补了煤量不平衡、煤量突变带来的瞬间堆煤和撒煤的隐患，提高主运输系统自动调速的精准性和可靠性。通过减少无功消耗，节省电能减少碳排放。引进顺煤流启动与停机系统解决带式输送机空载运行造成的浪费问题，该系统通过带式输送机工控系统实现所有带式输送机和刮板输送机按顺序逻辑智能停机，完全消除中班开机生产前和夜班停机前的系统空载损耗。
④ 推进先进适用的开采布局和采煤工艺。精确确定采煤区域，合理安排开采布局，尽可能简化采煤工序，消除或降低因安全、技术、经济和环境等制约因素造成的高能耗现象。合理选择井筒形式及布置，优选平硐开拓或斜井开拓。推广先进适用开采工艺，推广“一矿一水平一面”建设，简化煤矿生产系统。结合煤矿地质条件，大力推广“小煤柱”开采工艺及沿空掘（留）巷技术，提高煤炭资源回收率。
5）充分发挥煤矿区土地资源优势开发碳汇源，对加快实现煤矿区碳自平衡具有重要意义。构建煤矿区碳汇技术体系，通过土壤重构、植被重建、减损开采、碳汇监测计量、碳汇交易等具体工程技术手段，有效利用煤矿区植被、土壤和水体等的固碳作用[30-32]，提升煤矿区生态碳汇能力[33]，是煤矿实现碳减排的重要途经。
6）开发、利用当前较为成熟的碳捕集封存技术，通过多流程碳捕集、多方式碳封存，将排放的CO2、甲烷等温室气体收集利用起来，推动企业发展。
2.5 减排效果分析
根据上章节的计算结果，该矿井2022年碳排放121 801 t，其中电力碳排放58 755.849 t、用燃料碳排放15 826.034 3 t、逸散碳排放46 230 t。通过电能、热能、油能、CH4全浓度利用技术、生态碳汇等方面的项目建设，该煤矿预计可实现近零碳排放。
1）电能方面，2023年我国的绿电占比为33.8%[34]，可以通过购买一部分的绿电，例如水电、风电等实现降碳15 897.086 1 t/a。上仓、主井、盘区主运巷及巷道带式输送机已经实现电流敏感型为主、煤流视频AI识别为辅的全系统智能调速，通过调研该矿，全系统智能调速可实现减排11 703 t/a。顺煤流启动与停机系统可节省电能25 700 kWh，减少CO2排放20.051 t/a。
2）热能方面，通过理论验证该矿井采用乏风余热利用供井筒供暖项目可实现节约煤耗2 400 t/a，减排二氧化碳6 290.4 t。
煤矿余热利用取代燃煤锅炉的环境效益主要体现在节约煤炭和减少燃煤污染物排放方面。重点核算取代1 t/h燃煤锅炉的环境效益。
1 t/h燃煤锅炉耗煤量为
$$\begin{gathered} {M} \mathrm= {Q} /( {\gamma } {\times } {Q} _{\mathrm{c}} )=（700 \times 10^{ 3} \times 3\;600）/0.8\times \\ 5\;000 \times 10^ {3} \times 4.186=150 \end{gathered} $$ 式中：M为耗煤量，kg/h；Q为燃煤锅炉功率，J；γ为燃煤锅炉效率；Qc为煤炭发热量，J/kg。煤矿1 t/h燃煤锅炉年耗煤量核算见表4。
表 4 燃煤锅炉年耗煤量核算Table 4. Annual coal consumption accounting of coal-fired boiler1 t∙h‒1锅炉年耗煤量估算表 锅炉容量/t 1 1×1/3 运行季节 冬 春/秋 运行时间/d 120 125 每天运行时数/h 24 12 １t锅炉小时耗煤量加10%损耗 0.165(0.15) 年耗煤量/t 475.2 82.5 年耗煤总量/t 557 因此，该矿余热利用取代ｌt/h燃煤锅炉可节约煤炭用量557 t/a，减排二氧化碳1 460 t/a。
3）油能方面，通过理论验证该矿将50%的油耗无轨胶轮车替换成用电的无轨胶轮车：通过改方法可以每年减少42.73 t CO2排放。
重型胶轮车：WC5E和WC3E型胶轮车30 L柴油可跑12 000 m，百公里耗油量250 L。轻型胶轮车：WC2J型胶轮车30 L柴油可跑2
7000 m，百公里油耗量为112 L。电动胶轮车的百公里电耗40 kWh，所以利用上节公式可以得出：一辆重型胶轮车百公里排放798.25 kg CO2，一辆电动胶轮车百公里排放30.1 kg CO2。暂定每年的里程数为47 000 km，假设重型胶轮车一年行驶34 000 km，轻型胶轮车一年行驶13 000 km。
5万km全使用柴油型胶轮车：34 000/100×0.25+13 000/100×0.112=99.6 tCO2e
将50%的油耗无轨胶轮车替换成用电的无轨胶轮车：49.8+23 500/100×
0.0301 =56.87 tCO2e通过上述计算得出此方法可以每年减少42.73 t CO2排放。
4）CH4全浓度利用技术方面，该矿为低瓦斯矿井，瓦斯体积分数小于1%，在当前浓度下催化氧化技术发展最好，因此笔者建议在逸散环节引进该技术。体积分数小于1%的瓦斯通过高温氧化、催化剂反应等方法将甲烷转化为二氧化碳和水蒸汽。通过使用该技术将逸散环节的瓦斯进行利用，能减少
43551 t/a CO2排放。5）生态碳汇方面，通过土壤重构、植被重建、减损开采、碳汇监测计量、碳汇交易等具体工程技术手段，有效利用煤矿区植被、土壤和水体等的固碳作用，提升煤矿区生态碳汇能力。该矿井田面积为8.146 km2，若全部绿化为碳汇林，按林地碳汇能力375 t/km2计算[35]，可实现固碳3 054 t/a (8.146 km2×375 t/km2=3 054 t CO2。
通过上述分析，该矿可共减排80 558.267 1 t/a CO2，减少近70%。利用CCUS技术[36]将剩下的CO2进行封存，使矿井实现“零碳矿山”建设目标。
3. 结 论
1）基于全生命周期视角，构建了井工煤矿煤炭生产碳排放核算模型。根据井工煤矿工作特点,其全生命周期大致可分为煤炭开采、巷道掘进、运输工序、逸散排放和辅助工序几个环节，结合《IPCC—2019指南》设计了井工煤矿煤炭生产全生命周期碳排放核算方法。
2）以山西某煤矿作为研究对象，应用碳排放计量模型进行实际案例研究。在该煤矿煤炭开采的全生命周期中，年二氧化碳排放量为
121081.572 tCO2e，年二氧化碳排放强度为0.053 t CO2e/t煤。逸散排放产生的碳排放量的占比最大，占煤炭开采总排放量的38.2%。此外，辅助工序和运输环节是造成碳排放的重要环节，分别占到了总量的23.36%和18.9%。煤炭开采全生命周期碳排放主要来自外购电力消耗、逸散排放和燃料消耗，分别占总排放量的48.5%、38.2%和13.1%。3）通过对实例的分析以及对环保政策的研究，针对重点碳排放环节提出在井工开采环节应通过能源结构转型、实现能源清洁化、低碳化，实现CH4利用，开展合同能源管理、建设节能智能化矿井，开发绿色高效开采工艺，大力发展洁净采煤技术与 CCUS 技术，在矿井设计、建设和应用等环节应多采用绿色、清洁、低碳的材料、发展碳汇等措施以减少碳排放。同时，煤炭企业应积极开展“绿色矿山”等生物固碳技术，积极参与碳排放权交易，加强瓦斯、煤矸石、矿井水等各类副产品利用率，推动地下煤炭气化、煤与瓦斯共采等创新技术发展，从技术手段解决煤炭开采环节的低碳问题，实现“零碳矿山”建设目标。
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图 1 井工煤矿煤炭生产碳排放核算边界
Figure 1. Carbon emission accounting boundary of coal production in underground coal mine
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图 2 井工煤矿煤炭生产碳排放模块划分
Figure 2. Carbon emission module division of coal production in underground coal mine
表 1 2022年的活动水平数据
Table 1 Activity level data for 2022
排放源 原煤/t 汽油/t 柴油/t 水/t 电/kWh 原煤产量/t 活动水平数据 5 846.11 62.33 99.6 1 272 122 75 308.701 2 400 000 （备注：本表数据来自煤矿提供的资料） 
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表 2 最终的碳排放因子
Table 2 Ultimate carbon emission factor
能源类别 排放因子 车用汽油/(tCO2e∙t‒1) 3.073 柴油/(tCO2e∙t‒1) 3.193 原煤/(tCO2e∙t‒1） 2.019 7 电力/[t∙(MWh)‒1] 0.780 2 矿后活动/(m3∙t‒1) 0.94 水/(tCO2e∙t‒1） 2. 12×10‒4
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表 3 碳排放源占比
Table 3 Proportion of carbon emission sources
碳排放源 二氧化碳/t 各环节排放占比/% 燃料 15 826.034 3 13.1 电力 58 755.849 48.5 逸散 46 230 38.2 水 269.689 0.2 总计 121 081.572 100
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表 4 燃煤锅炉年耗煤量核算
Table 4 Annual coal consumption accounting of coal-fired boiler
1 t∙h‒1锅炉年耗煤量估算表 锅炉容量/t 1 1×1/3 运行季节 冬 春/秋 运行时间/d 120 125 每天运行时数/h 24 12 １t锅炉小时耗煤量加10%损耗 0.165(0.15) 年耗煤量/t 475.2 82.5 年耗煤总量/t 557
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