0.   引　　言

习近平总书记在党的二十大报告提出，到2035年“人均国内生产总值迈上新的大台阶，达到中等发达国家水平”。这个具有明确数量的目标，引起经济与能源等领域研究人员的广泛关注。而关于“中等发达国家”，现在国际组织没有明确的定义和统一标准。以世界银行、国际货币基金组织(IMF)、经济合作与发展组织(OECD)和联合国等4个国际机构的标准平均值来看，2019年发达国家人均GDP的中位数大约为2.5万美元，可以作为中等发达国家人均GDP水平(简称“中等收入”)。2021年中国人均GDP为1.26万美元，以静态法来看，未来14年，中国人均GDP年均实际增长速度保持在5.0%左右，方能实现这一极具挑战性的目标。参考其他发达国家的发展经验，经济发展对能源需求巨大，经济规模的快速扩张，势必会拉动能源需求、增加能源消费。因此，千方百计地保障我国能源供给，为经济快速增长提供重要的物质保障，对于国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要^[1]。

能源领域是实现“双碳”目标的关键领域，新形势下“双碳”目标促使能耗“双控”制度向碳排放“双控”转变，对我国能源发展既提出了新挑战，又指引了新方向。2020年国家主席习近平在第75届联合国大会上宣布，中国力争2030年前CO₂排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。实现“双碳”目标是贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求，而能源系统贯穿社会、经济、生态环境等各个领域，作为当前应对气候、环境和资源问题的主要阵地，肩负重要历史使命。为完成能耗“双控”指标，2021年部分地区和企业以限电停产等“一刀切”的方式控制能耗，导致多个地区陆续出现“拉闸限电”现象。为切实推动节能降碳工作进程，落实碳达峰、碳中和目标，2021年中央经济工作会议提出，要正确认识和把握碳达峰碳中和，创造条件尽早实现能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变，加快形成减污降碳的激励约束机制。“双碳”目标促使能耗“双控”制度转变，形成新“双控”制度，将更加聚焦降碳导向，实现经济发展与碳中和的有机统一，但给能源行业(碳排放最主要来源)带来巨大的挑战。

在“中等发达国家收入水平”和新“双控”制度背景下，如何立足以煤为主的基本国情，把握煤炭行业发展的新机遇，赋能煤炭行业高质量发展，将是一个充满挑战而又无法回避的重大时代课题。我国能源资源禀赋(富煤、贫油、少气)决定煤炭在能源消费结构中的主体能源地位，且这种能源格局在短期内很难发生根本性改变。时至今日，煤炭仍然是主要能源资源，在世界一次能源消耗结构中仍占26.9%^[2]，甚至在部分国家占据能源消费主导地位，如2021年我国煤炭消费量占一次能源消费总量的56%^[3]。目前我国是全球最大的碳排放国，碳排放来源主要是由于传统能源的使用，其中煤炭开发利用过程中产生的碳排放量占比达70%。值得注意的是，从煤炭开发全生命周期碳排放来说，煤炭利用过程中(燃煤发电、水泥等)的碳排放量占比近90%，而在煤炭开发过程产生的碳排放量仅占10%^[4]。新“双控”制度将深刻影响和改变我国煤炭行业的发展趋势和转型方向，促进煤炭消费减量和消费比重下降，给煤炭行业发展空间(销路)带来巨大冲击，也为煤炭行业留出减量、低碳、高质量、与其他行业协调发展的时间和空间，给煤炭行业带来转型升级的新机遇^[5-6]。

以“中等发达国家收入水平”和新“双控”制度为背景，立足以煤为主的基本国情，通过回顾煤炭工业对于我国国民经济发展的历史性贡献，深入分析煤炭发展过程中存在的安全、生态以及智能化程度低的难题，针对新“双控”背景下煤炭行业在碳减排领域面临的挑战及难题，提出煤炭行业发展的九大新机遇，为我国能源和煤炭相关决策、政策制定提供参考，以期助推煤炭工业绿色转型与高质量发展。

1.   煤炭对我国经济社会发展的历史贡献

我国严重依赖化石能源，化石能源长期在中国能源结构中占主体地位(图1)。总体来看，化石能源消费量在一次能源消费中的占比虽然逐步下降，但其占一次能源消费的比例始终高于84%。从2020年我国能源消费结构来看，以煤炭、石油和天然气为主的化石能源占比达84.1%(煤炭、石油和天然气消费量分别占能源消费总量的56.8%,18.9%和8.4%)^[3]。

图  1  1978—2020年中国一次能源消费总量及化石能源在一次能源消费中的占比变化

Figure  1.  Relationship between China’s total primary energy consumption and proportion of fossil energy in primary energy consumption from 1978 to 2020

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煤炭是我国的基础能源和重要工业原料，以煤炭为主导的能源体系支撑了国民经济的高速发展。图2为1949—2021年中国GDP与原煤产量的变化图^[3]，从中可以得出，国内生产总值GDP与煤炭生产量前期基本成正相关关系，国内生产总值的增加拉动煤炭生产量的增加后期虽然逐步脱钩，但煤炭对GDP的快速增长仍起保障作用。新中国成立之初，我国煤炭产量仅为0.32亿t，1978年我国煤炭产量为6.8亿t。经过几代人的不懈奋斗、改革创新，40多年后的2021年，我国煤炭产量达到41.3亿t，实现了从粗放型到集约型经营的转型发展。当前，我国的能源需求仍呈增长趋势，尽管煤炭在能源消费总量中的占比不断下降(煤炭占比从1978年的70.7%下降到2021年的56.0%)，但考虑到新能源发电存在随机性、波动性、间歇性、难并网等短板，短期内难以大规模替代传统化石能源，煤炭在相当长的一段时间内仍是我国能源供应的“压舱石”和“稳定器”。

图  2  1949—2021年中国GDP和原煤产量变化

Figure  2.  Relationship between China’s GDP and raw coal production from 1949 to 2021

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煤炭支撑中国实现百年奋斗目标，对钢铁、电力、GDP贡献巨大^[7–9](图3)。在近40年的发展过程中，煤炭由1978年的6.8亿t增加到2018年的37亿t，增加近6倍，为电力、钢铁行业的发展奠定物质基础；钢铁由1978年的3178万t，增加到9亿t，增加29倍，而2018年钢铁行业焦炭、煤炭的消费总量分别为3.72亿t、2.93亿t，相当于消耗煤炭7.8亿t，约占煤炭生产量的21%；发电装机容量从5700万kW增加到178000万kW，增加33倍，其中，火电装机容量从1978年的3984万kW增加到2018年的114370万kW，火电装机容量在发电装机容量的占比从69.9%下降到64%，但仍占据重要地位；GDP由1978年的3600亿元增加到90万亿元，增加247倍。从中可以看出，煤炭是中国能源重要功臣，对钢铁、电力贡献巨大，有力支撑中国经济的快速发展。

图  3  煤炭与钢铁、电力发展相关性

Figure  3.  Relationship between coal, steel and electric power

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煤炭对我国国民经济的高速发展起到重要作用，在未来仍将发挥能源保障作用，支持实现“中等收入”目标，但由于我国煤炭资源赋存条件相对较差、开采技术水平整体有待提升、发展与管理理念落后等原因，导致煤炭行业出现一系列安全、生态等问题，使得煤炭行业在满足国家能源需求、促进社会进步的同时也付出了巨大的代价。

1)安全性取得显著成效，但仍有较大上升空间。安全问题是煤矿开采时不可忽视的重要问题^[10-11]。煤层赋存条件复杂多变，且地处欧亚板块结合部，地质构造复杂，且我国煤矿类型多为井工煤矿，截至2020年12月底，我国共有露天煤矿376处，占全国煤矿总数量的比例仅为8%。相比于露天矿，井工矿突水、自然发火、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等各类矿山灾害严重，威胁着煤矿生产安全。

近年来，随着煤矿装备制造水平、开采技术以及管理水平的提高，煤矿安全形势已经整体好转，但煤矿事故犹存，安全性亟待提升。图4为2002—2021年煤矿安全生产形势变化图，从中可以看出，2002—2021年，我国煤炭年产量增加2.7倍，但煤矿事故起数和死亡人数等指标均在逐年大幅下降，表明我国煤矿生产安全形势明显趋于好转。2002年全国煤炭产量15.5亿t，煤矿事故总起数达4143起，总死亡人数达6434人，百万吨死亡率为4.5129；2021年全国煤炭产量达41.3亿t，煤矿事故起数91起，下降了97.8%，死亡人数178人，下降了94.3%，百万吨死亡率为0.043，下降了97.2%。这主要归功于大型煤炭企业采煤机械化程度呈上升态势，降低了煤矿事故数量及死亡人数。但与发达国家相比，百万吨死亡率仍偏高，我国煤矿安全工作永远在路上。2020年美国、澳大利亚煤矿死亡人数分别为5人、7人，百万吨死亡率分别为0.009 3，0.016 7，而同年我国煤矿百万吨死亡率0.057，分别是美国、澳大利亚的6.1倍、3.4倍。

图  4  我国2002—2021年煤矿安全生产形势变化^[3]

Figure  4.  Changes in coal mine safety production situation in China from 2002 to 2021^[3]

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值得注意的是，现在煤矿井深平均400 m以上，且煤矿开采深度以平均10～25 m/a的速度快速向深部延伸。与浅部开采相比，深部煤矿开采基础研究薄弱、诸多重大科学技术难题亟待解决。深部煤岩体处于高地应力、高瓦斯、高温、高渗透压以及较强的时间效应的恶劣环境中，煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害问题更加严重，并且有多种灾害耦合发生的趋势，导致煤矿安全形势更加严峻。

2)矿区生态治理成效显著，但历史欠账不容忽视。由于煤炭行业较为粗放式的发展模式对矿区的生态环境造成了扰动破坏，在矿区的勘探、建设、生产以及闭坑等阶段带来了诸多生态环境问题^[12–15]。如地表沉陷、“三废”排放、含水层破坏以及其诱发的突水、供水与生态环保3者之间的矛盾日益突出等问题，严重威胁着矿工的身体健康与生命财产安全。煤矿开采诱发地质环境问题，主要表现在煤炭资源的大量开采造成矿区滑坡、岩体坍塌等相关的地质环境问题，并产生大量的煤矸石等附属物质，引起地质表面腐蚀、土壤辐射等环境问题；井工开采导致地表沉陷，大面积的土地遭到破坏^[15-16]，据统计，全国23个省的151个县市有采煤沉陷区，面积达3000多万亩，且随着矿井持续开发，其面积仍在增加；采矿对地表和地下水系的破坏，加剧了水资源的匮乏；每年因开采煤炭而排放到大气中的大量有害气体，对大气环境造成影响，煤炭开采环境成本与日俱增。

3)煤矿智能化建设颇有成效，但距真正智能化尚有大步距离。煤矿机械化、自动化、信息化和智能化程度以及井下人数很大程度上决定了矿井的现代化水平和安全状况。煤矿井下的特殊性，制约着地面相关技术直接在煤矿井下应用，使得煤矿的机械化、信息化、智能化水平严重滞后于现代社会的发展步伐。近年来，我国智能化煤矿建设初步建立了煤矿智能化基础理论体系，为煤矿智能决策、精准控制奠定了理论基础；针对煤矿智能化建设是一个多系统、多层次、多领域相互配合融合的复杂系统工程，初步建立了煤矿智能化标准体系；考虑到煤矿赋存条件复杂多样、不同煤矿的开采技术与装备水平参差不齐等问题，提出和实施分类分级智能化煤矿建设路径，科学有序完善和推动智能化建设目标；通过对智能化开采技术与装备的创新研发，突破了多项关键核心技术，在薄和较薄煤层智能化综采、大采高和超大采高智能化综采、特厚煤层智能化综放开采技术与装备等方面取得了重要成果，各大煤炭企业全力推动技术落地，智能化煤矿建设示范取得了显著成效。截至2021年底，全国煤矿数量共有4500处以内，千万吨级煤矿72处。煤炭行业建成一批智能化示范煤矿，建成800多个智能化采掘工作面，已有29种机器人在煤矿井下示范应用，推动了煤矿质量、效率与动力变革。但值得注意的是，我国煤矿智能化发展尚处于初级阶段，还有很多不足之处有待加强，全面综合、扎实稳步地推进煤矿智能化发展，将人工智能、区块链、大数据、云计算、物联网、智能装备等新技术与煤炭开采技术继续深度融合，才能打赢煤矿智能化建设的攻坚战 ^[17-18]。

2.   煤炭行业面临新挑战

在我国大力推进碳达峰、碳中和的形势下，2021年三、四季度个别地方拉闸限电、电煤紧张问题，凸显了统筹能源安全保障和绿色低碳发展的不易。在“中等发达国家收入水平”和新“双控”制度背景下，做好能源转型将面临的新挑战是统筹保障能源供应和低碳转型压力增加。如何立足我国“富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋实际，夯实国内能源生产基础，保障能源安全、促进经济社会持续健康发展，已经成为当今社会经济高质量发展的重要时代课题。

2.1   实现中等收入的新挑战——保障能源供应要求提升

能源是人类赖以生存和发展的基础，是经济社会发展的重要物质基础和动力。2020年10月26至29日中国共产党第十九届中央委员会第5次全体会议在北京举行，会议提出到2035年基本实现社会主义现代化的远景目标，其中包括人均国内生产总值(人均GDP)达到中等发达国家水平。党的二十大报告重申，到2035年“人均国内生产总值迈上新的大台阶，达到中等发达国家水平”。这意味着从现在开始到2035年我国人均收入要翻1倍，每年经济增速5%左右。而经济的快速发展必然需要巨大的能源作为支撑。

我国未来能源保供面临巨大压力。预计“十四五”一次能源消费总量年均增长2.5%左右，2025年一次能源消费总量将达到54.6亿t标准煤。《中国能源展望2060》预计，我国一次能源消费量将在2030—2035年达峰，峰值约60.3亿t标准煤，而2021年我国一次能源消费总量为52.4亿t标准煤，能源需求仍处于刚性增长期。

再加上当前国内外环境的变化，能源保供面临更大的挑战和压力。主要体现在：①国际能源市场急剧动荡与变革。2022年以来，因投资放缓、产能扩张受限、供应偏紧，再加上俄乌冲突，国际油气、煤炭等能源价格多次冲高；俄乌冲突爆发后，西方国家对俄实行严厉制裁，导致全球能源格局重塑以及非俄地区的能源争夺激烈，国际能源市场贸易风险和不确定性将进一步提升。②保障新型能源体系建设以及极端天气、疫情等突发情况下的能源兜底供应。煤炭是我国的主体能源，一直在能源生产和消费结构中占据主导地位。煤炭在保障国家能源安全中一直发挥着重要作用，抓能源保供，重在抓煤炭保供。确保能源安全和保障供应，是能源行业的首要任务，也是煤炭企业的使命和担当。煤炭保供工作，既要发挥煤炭对能源安全供应的兜底作用，也要为构建新型电力系统、建设现代能源体系保驾护航。煤炭保供主要面临的新挑战为：①受地质生产系统和安全监管约束性强，煤炭实际产量增加空间有限；②我国煤炭供需呈逆向分布特征，由此构成北煤南运、西煤东运的总体格局。随着主产区进一步向晋陕蒙集中，跨省跨区调运需求持续增加，运输环节的联通作用愈发突出，亟待破解运力瓶颈；③煤炭储备是煤炭市场的“调节器”，煤炭应急储量能力有限将限制供应稳定；④落实中长期合同有缺口，电煤保供稳价存在风险。

2.2   新“双控”政策的新挑战–低碳转型压力加大

“双碳”目标促使能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”(新“双控”)转变。新“双控”考核机制更加聚焦降碳导向，突出了碳排放在能源革命过程中的总领性，将进一步促进非化石能源的发展。目前我国处于工业化发展阶段，能源消耗量及碳排放量体量巨大且仍处于“双上升”阶段，实现碳中和目标面临着巨大的压力与挑战。我国碳排放量从建国初7858万t到改革开放14.6亿t，呈缓慢增长；进入2000年以后，快速增长，到2020年CO₂排放量已达到106.7亿t。据预测，到2030年中国碳排放总量达到峰值，接近120亿t，然后，碳排放量快速下降，2060年降至20亿t左右，达到碳中和。20亿t CO₂排放量(碳中和目标)，是根据我国CCUS利用技术、生态碳汇能力、煤化工固碳水平等进行综合确定的，2060年CO₂的排放量和吸收量基本保持平衡，从而实现“净零碳”排放。从中可以看出，我国实现“双碳”目标的碳排放强度起点高、实现时间紧(图5)。发达国家从碳达峰到碳中和一般需用40 a以上甚至70 a，而我国只有约30年时间，且碳排放量下降100亿t，降幅83%，意味着CO₂的排放量每年需要降低3.3亿t。

图  5  1750—2021年中国碳排放演变及2022—2060年碳排放预测

Figure  5.  Evolution of China’s carbon emissions from 1750 to 2021 and carbon emission forecasts from 2022 to 2060

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2.2.1   碳排放主要来源于煤炭利用过程，开发过程排放量较少

实现“双碳”目标，是一场广泛而深刻的系统性变革，而能源革命将是这场系统性变革的重中之重。当前，碳排放主要来源于化石能源的利用过程，从资源使用上，煤炭燃烧是碳排放量较大的主要原因。2020年，能源活动CO₂排放101亿t，占CO₂排放总量的87%。2020年，我国煤炭消费导致的CO₂排放量为80.8亿t，占CO₂排放总量的约70%^[19]。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%，煤炭开发过程的碳排放量占比约10%。

在煤炭利用方面，煤电行业煤炭消费量和碳排放量大。从碳排放行业来看，在能源活动CO₂排放中，电力(包含热电联产)、工业、交通和建筑部门CO₂排放量分别为46亿、38亿、11亿和5亿t^[19]，其中电力行业占CO₂总排放量的40%。而考虑到我国能源和电力结构，电力行业碳排放量主要为煤电贡献，2020年煤电碳排放量约为42亿t，占比近100%。

2.2.2   煤电减排首当其冲，煤炭销路将遭受重创

我国资源禀赋决定了煤电是我国保障电力供应和安全的主力电源，未来煤电在我国能源体系中仍将发挥压舱石的作用。无论从装机总量还是从发电量来看，煤电均占比最大，但是呈下降趋势。2021年底，全国煤电装机容量达到11.1亿kW，占比46.7%；煤电发电量5.34亿kW·h时，占比62.6%。在环保与碳减排高压背景下，煤电发展何去何从再次成为行业之问。未来煤电将由电量主体电源向支撑性、调节性电源转型，解决新能源发展要大规模开发、又要高水平消纳、更要保障电力系统安全可靠供应的难题。双碳目标下，预计我国煤炭和能源发展分为3个阶段^[20-21]。

1)缓慢过渡期(2022—2030年)。适应碳达峰的要求，风、光等新能源是满足能源增量需求的主体，规模增长速度快，但是由于基数小，在能源消费结构中的占比提高缓慢，成为补充能源。而由于我国能源消费保持在较高水平，新能源增量赶不上能源需求增量，煤炭消费量保持平稳增长，维持在35亿～45亿t/a，但是煤炭在能源消费中的占比逐步下降到50%左右。

2)关键过渡期(2031—2050年)。碳达峰后，新能源不仅满足新增能源需求，且逐步替代存量化石能源消费量，其在能源消费中的占比提高到45%～75%，逐步成为替代能源。而煤炭消费一定程度上被替代，煤炭利用逐步向电力调峰、碳质还原剂以及保障能源供应安全等集中，煤炭消费量下降到15亿t/a左右。

3)过渡结束期(2050—2060年)。进入碳中和攻坚期，传统化石能源将被新能源大幅度代替，新能源在能源消费中的占比增加到80%左右，成为主体能源。而受碳排放约束，煤炭只剩下电力调峰、碳质还原剂以及保障能源供应安全等不能被替代的用途，煤炭消费量下降到10亿t/a左右，主要承担兜底保障功能。

根据我国现代化进程、能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律^[22–24]，结合往年我国火电与风光电装机占比等信息^[19](图6)，以碳达峰碳中和为目标，可以预测，到2030年电力耗煤量达到20亿t，2060年下降到5.0亿t，降幅达到75%，煤炭年平均下降量为5000万t (表1)，电力用煤量大幅度下降，深度影响煤炭的销量，给煤炭行业带来巨大的挑战。

图  6  火电与风光电装机占比(预测)

Figure  6.  Forecast of proportion of thermal power and wind photovoltaic installed capacity

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表  1  煤电消费预测

Table  1.  Coal power consumption forecast

参数	年份			年平均降低量
	2020	2030	2060
碳排放量/亿t	107	120	20	3.3
总电力装机容量/亿kW	22.0	38.0	80	−1.4
煤电装机容量/亿kW	10.8	12.5	8	0.15
燃煤发电量/万亿kW·h	4.6	5.2	1.2	0.13
电力耗煤量/亿t	23.7	20	5.0	0.5

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同时，随着“碳排放权”市场建立，未来煤炭行业面临着巨大的成本风险和财务压力，若不能转嫁到下游产业，或一旦新能源技术突破形成成本优势，必将为煤炭行业的生存带来巨大威胁。煤炭行业转型升级和高质量发展面临着安全生产、生态保护、低碳消费、数字转型等一系列挑战^[17]，应对这些重大挑战，要求优化煤炭产能布局，强化先进煤炭清洁高效开发利用技术突破，统筹协调降碳与保供，继续进行改革和自我革命^[25–27]。

3.   煤炭行业新机遇

面对“碳达峰、碳中和”带来趋势性影响，煤炭行业唯有全面贯彻习近平生态文明思想，坚定不移贯彻新发展理念，深入践行“4个革命、一个合作”能源安全新战略，深刻认识能源趋势变革的必然性与紧迫性，抢抓时间窗口，“积蓄能量、苦练内功、滚动发展、杀出血路”，才能化危为机、危中寻机，为我国构建清洁低碳、安全高效的能源体系作出新的贡献，为“碳达峰、碳中和”历史大背景下世界能源结构的转型升级提供“中国方案”。

不同双碳时期，对能源和煤炭的发展和要求不同，发展机遇不同。目前–碳达峰时期，推动保供和低碳协同发展，应把握煤炭与煤电一体化、煤矿与循环经济工业园区一体化、矿区修复与生态协调发展、煤炭反哺教育战略、煤炭机械化开采与智能化开采耦合、瓦斯资源化与能源化利用等机遇，为实现“中等收入”目标提供能源支撑，在保供中实现高质量发展，为绿色低碳转型发展提供基础；在碳达峰–碳中和时期，大力发展煤炭与现代煤化工耦合、煤炭能源与新能源耦合等产业，在高质量发展基础上实现绿色低碳转型的跨越发展，助力碳中和目标的早日实现。

3.1   把握碳中和投资机遇，推动煤炭产业升级

中国碳中和目标下，全社会投资规模是百万亿级别的。中国投资协会发布的《零碳中国·绿色投资蓝皮书》中测算“碳中和”相关的投资规模约70万亿元；清华大学气候变化与可持续发展研究院预测投资规模在127.2万亿~174.4万亿元；国家发改委价格监测中心研究人员预测“碳中和”新增投资将超过139万亿元。综合各家结果，碳中和带来的相关投资总额将在140万亿元左右。碳中和投资资金需求巨大，碳中和所带来的绿色投资需求将为煤炭产业提供快速成长的机遇。图7为2019年山西主要煤炭企业资产负债率，从中看出，山西焦煤、大同煤业等七大煤炭企业负债率都超过70%，最高为77%(大同煤业集团)。碳中和将推动社会资本向低碳领域流动，有利于激发煤炭企业开发低碳技术和应用低碳产品，带动企业生产模式和商业模式发生转变，提高企业的市场竞争力，为培育和创新发展低碳经济提供动力。在碳中和投资际遇下，煤炭行业势必迎来新一轮的技术升级和产业转型。应大力建设智能煤矿，发展智能化开采，由自动化向智能化、无人化转变，由超低排放向近零排放、零排放迈进，实现安全高效绿色开采；依靠科技创新，大力发展现代煤化工技术，推动煤炭从资源能源化向原材料化利用转变，发展煤基高端化工、新型建材、新能源等方向；开展矿区全生命周期生态修复技术，增加生态碳汇；充分利用煤矿地面与地下的空间和资源，发挥矿区的优势，发展煤炭与新能源耦合技术，煤炭能源与新能源耦合发展，将煤矿矿区打造为多能协同的综合能源基地。

图  7  2019年山西煤炭企业资产负债率(山西国资委)

Figure  7.  The asset-liability ratio of Shanxi coal enterprises in 2019 (State-owned Assets Supervision and Administration Commission of Shanxi Provincial Government)

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3.2   煤炭与煤电一体化，为绿色低碳转型提供能源安全保障

煤电仍是我国当前最经济、安全、可靠的电源，煤电与煤炭存在唇齿相依的关系，在相当长时期内仍将承担保障我国能源电力安全的重要作用。2021年，煤电以不足50%的装机占比，生产了全国60%的电量，承担了70%的夏季用电高峰和迎峰度冬期间（顶峰）的用电量，发挥了保障电力安全稳定供应的“顶梁柱”“压舱石”作用。我国煤电发电技术在煤电效率、排放水平、发电性能等多项指标均处于国际先进水平，但煤电清洁化利用还存在不少技术瓶颈，在超临界CO₂发电技术、碳捕集利用与封存等技术方面仍需突破。截至2021年底，我国煤电总装机约11.1亿kW，平均供电煤耗302.5 g/kW·h；实现超低排放的煤电机组超过10亿kW，煤电机组排放的烟尘、氮氧化物、二氧化硫等不到全社会总量的10%。

煤、电应在市场竞争中建立“风险共担、利益共享”的长期稳定合作关系，保障国家能源安全的底线；煤炭企业与燃煤发电企业在合理区间内开展中长期交易，降低煤电双方生产成本，促进资源优化配置，防止煤炭炒作和价格大起大落，促进煤炭、电力等上下游行业的共同健康持续发展；努力发展碳捕获、碳利用技术，转变发展思路，把CO₂视为一种基础工业原料，加快CO₂资源化利用布局，开发高附加值的碳基新材料，形成具有商业价值的新型碳经济，以促进CCUS产业化落地与可持续发展。同时，CO₂利用行业布局应充分考虑当地的自然条件、产业分布、基础设施以及人才条件，并结合技术的区域局限性，提出最适合当地的发展路线。

3.3   煤炭与现代煤化工协调发展，促进煤炭原料化材料化高端低碳发展

我国现代煤化工产业发展迅速，以生产洁净能源和可替代石油化工的化学品为目标，在示范项目取得重大进展的基础上，建成多套大规模商业化装置。与传统煤化工相比，现代煤化工装置规模大，技术含量高，单位能耗低，原料利用率高，但生产过程仍消耗大量燃料煤，且煤炭作为主要原料，因此，现代煤化工行业仍属于高碳排放行业，在“双碳”背景下，煤化工企业将承受巨大的成本压力。我国煤炭资源高度集中在中西部地区，我国现代煤化工项目主要布局在国家规划建设的14个大型煤炭基地和9个大型煤电基地，其中新疆、陕西、宁夏、山西、内蒙古、河南等省份煤炭深加工发展速度较快，培育了宁东能源化工基地、鄂尔多斯能源化工基地、榆林能源化工基地等多个煤炭深加工产业集聚区，现代煤化工产业基地化格局初步形成。全行业可实现煤炭年转化能力2.5亿t以上，产业规模、产品产量均实现稳步增长。发展现代煤化工产业有效延伸了煤炭产业链，将煤炭资源优势转化为产业竞争优势，有助于推进中西部地区城市化进程、基础设施配套建设和服务业发展。

现代煤化工产业潜力巨大、大有前途，应抓住机遇提高煤炭作为化工原料的综合利用效能，促进煤化工产业高端化、多元化、低碳化发展，把加强科技创新作为最紧迫任务，加快关键核心技术攻关，积极发展煤基特种燃料、煤基生物可降解材料^[28–30]。积极推进煤炭消耗由能源型向能源型和原料型并举，不断减少能源型煤炭比例的同时，积极采用节能提效、优化工艺、与清洁能源耦合、推进CO₂捕集利用与封存等多种措施^[31]，努力走出一条高碳产业低碳排放、CO₂循环利用的新路子，实现绿色高质量发展。

3.4   煤炭能源与新能源耦合发展，促进绿色低碳转型

鉴于新能源波动性和间歇性，大规模并网发电对电网调峰能力提出更大的挑战，煤炭行业应该抓住煤炭能源与新能源深度耦合发展的机遇，在保障能源战略供给的同时，助力煤炭利用碳减排、新能源利用规模化提升，实现煤炭清洁高效转化和产业转型升级，为煤炭的清洁高效利用开辟路径。在“双碳”目标的驱动下，构建煤炭与新能源深度耦合发展的平衡系统，主要通过火电与风、光、地热等新能源并网发电达到平衡，具体如下：基于火电发电具有连续性的特点，可通过建立火电灵活性改造、启动响应快的响应机制，在实现碳中和过程中将火电作为电力调峰和保障能源安全的兜底能源，发挥“调峰–兜底”的作用；鉴于风电、光电、水电等新能源发电的不连续性，构建煤炭与新能源耦合平衡系统中的响应机制：提高预测准确度、降低误差率；通过2种响应机制实现火电与新能源并网发电，实现煤炭与新能源的耦合。在该系统中，可通过碳捕获、封存和利用技术处理灰氢制造过程中产生的CO₂，实现低碳制氢；通过风电、光电、水电等新能源制“绿氢”，实现氢储能，保证能源供给(图8)。

图  8  煤炭与新能源耦合发展系统

Figure  8.  Coupled development system of coal and new energy

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煤炭与新能源深度耦合利用可通过化学转化、电力、热力等多种耦合形式实现。风能、水能、太阳能等可再生能源通过发电制氢将不稳定能量转化为稳定能量，并提供煤转化过程的用氢需求，替代原有煤制氢路线，削减碳排放，最大限度降低转化过程煤炭消耗，充分利用清洁可再生资源。太阳能与燃煤互补，从原料侧降低煤耗及污染物排放的途径，主要采用聚光型太阳能发电与燃煤发电进行耦合，太阳能作为辅助，在保障太阳能发电效率的前提下尽量降低煤耗率、汽轮机热耗率、汽耗率；通过大力发展储能技术，参与调峰服务，实现优化火电调度频率、有效缓解火电厂的调峰压力、提高新能源消纳能力和减少弃风/弃光量。

3.5   煤矿与循环经济工业园区一体化开发，实现共伴生资源联合开发

发展煤矿循环经济对我国实现中等收入和碳中和目标具有重要价值。一方面，煤矿循环经济有助于实现废弃物资源有效回收，提升资源循环效率，减少经济发展对煤炭及伴生资源的依赖，保障国家资源安全，有助于解决实现中等收入目标面临的能源缺口难题；另一方面，煤炭循环经济能够有效提高煤炭及伴生资源的产出率，降低单位产品碳排放强度，减少全生命周期过程中的碳排放，顺应新“双控”政策，助力碳中和目标的尽早到来。根据中国循环经济协会的测算，循环经济在“十三五”期间对我国碳减排的综合贡献率超过25%。

煤矿与循环经济工业园区一体化开发，是以科学发展观为指导，走资源开发与节约发展、安全发展和可持续发展的路子，以提高资源利用率、减少废弃物排放、清洁生产和循环利用为目标，以技术创新和制度创新为动力，建设以“绿色开采”为核心的横向耦合、纵向闭合特征突出的循环经济产业群。按照“减量化、再利用、资源化”的循环经济基本原则，提高资源利用效率，拉长资源利用链条，实施清洁生产，减少废弃物排放，获得经济、环境与社会效益的最大化。塔山循环经济园区充分利用煤炭及其伴生资源和各种生产废弃物进行深加工，将传统的从资源到产品再到废弃物的单项直线式经济发展模式，变为由资源到产品到废弃物，再到再生资源的反馈式经济发展模式(图9)。如塔山园区内的“一矿九厂一条路”11个项目^[32-33]，共同组成了“煤–电”、“煤–建材”和“煤–化工”完整的产业链，做到了多业并举，实现煤炭资源利用低消耗、低排放、高效率，从而更加有效地利用资源和保护环境。

图  9  塔山经济循环园区

Figure  9.  Map of the economic cycle park of Tashan Coal Mine

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3.6   矿区修复与生态协调发展，践行绿色发展

矿区修复与生态协调发展以生态保护和高质量发展为重点，统筹煤炭资源开发、煤矿生产、分选加工与煤炭转化、利用全过程，构建煤炭开采与生态文明协调发展新模式，加强过程控制，减少末端治理和生态扰动，推动清洁生产、控制污染物排放，将煤炭资源开发利用对环境的扰动降到最小程度，同时，加大生态环境修复治理，恢复或提高矿区生态功能，实现人与自然和谐发展^[12-13]，积极响应新“双控”政策，提高生态系统碳汇水平，践行“绿水青山就是金山银山”理念。如唐山南湖公园(图10)，改造前是开滦煤矿130多年开采形成的采煤沉陷区，经过生态绿化治理，成为融自然生态、历史文化和现代文化为一体的大型城市中央生态公园，成为可持续发展自然资源的典范。同时，煤矿行业应该充分利用煤炭开采过程中形成的巨大地下空间^[15]，实现储水、蓄能发电、矿井水循环利用和新能源开发等多重目标，对我国可再生能源产业发展以及水资源严重短缺的西部地区煤炭开发提供重要的技术保障。

图  10  开滦煤矿南湖公园

Figure  10.  Nanhu Park reconstructed from Kailuan Coal Mine

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以黄河流域生态保护为例，首先应搭建矿区岩层–生态环境智能监测系统，综合运用北斗系统、卫星遥感、无人机、地面传感设备等“空天地井”技术，对矿区地层破坏、地质灾害、气、水、土壤质量、复垦质量等进行动态监测；研究水系扰动的开采岩层控损技术，通过调研黄河流域煤–热-水–气赋存特征，提出煤–热-水–气协同开采模型，并探究采场及巷道智能支护、充填等稳控保水模式，建立煤矿开采与黄河流域生态保护的岩层稳控体系；构建“控损+愈合”双模式下的黄河流域煤矿开采与生态修复体系；研究黄河流域清洁煤炭开采的减排与加工工艺，理清黄河流域煤炭分选系统设计、工艺流程、全过程水循环等过程中的生态影响，提出聚焦煤炭洗选不同维度的生态保护策略；提出基于生态保护的黄河流域煤炭绿色开采工艺，建立“以采促控、以控保采”的黄河流域和生态保护性开采模式；最后，根据采煤沉陷的具体情况，综合利用各种工程技术、生物修复等手段，实现多生态系统要素(植被、土壤、水和景观)的恢复。

3.7   推动煤炭反哺教育战略，谱写煤炭清洁低碳高效利用新篇章

煤炭资源大省应充分利用煤炭资源优势和市场行情，提高教育水平和科技创新能力，助力煤炭产业的转型和高质量发展。中西部四省(山西、内蒙古、新疆、陕西)无论在煤炭储量，还是在产量上都占据绝对优势地位。2021年我国煤炭储量2 078.85亿t^[34]，中西部四省储量约占比72%。2021年，我国原煤产量41.3亿t，其中，山西、内蒙古、陕西、新疆等四省(自治区)煤炭产量分别为11.93、10.39、7、3.2亿t，煤炭产量合计32.52亿t，占比约80%。受煤炭供需持续处于紧平衡状态影响，自2021年下半年以来，煤炭市场价格持续走高，能源主管部门通过多种方式稳定煤炭价格，取得了积极成效，但区域性和时段性供需结构不平衡仍然存在，煤炭价格一直维持高位。煤炭行情助推了资源型城市的再度崛起。2022上半年资源型城市经济增长高歌猛进，成为上半年城市经济一大显著现象。上半年，云南曲靖市、山西吕梁市、陕西榆林市和内蒙古鄂尔多斯市分别以7.7%,7.4%,7.2%和6%的GDP增速在各自省份内领跑，同时也成为全国城市经济中领跑的第1方阵。因此，资源型城市应该乘煤炭产业高速增长之东风，提前布局，投资教育，加快调整产业结构，实现煤炭产业转型发展。

提高科技创新能力是资源型城市转型升级的有力支撑，煤炭大省应该学习鲁尔矿区转型发展的成功经验，加大教育投资，以煤炭反哺教育，大力培养创新人才，提高科技创新能力，推动煤炭清洁低碳高效利用。鲁尔矿区用50多年时间，建立22所高等院校，完成由30万煤矿工人变为30万大学生的壮举，实现从矿井到大学的置换。当前中西部高等教育仍然存在着诸多薄弱环节和突出问题，国家高水平大学和重点学科数量相对偏少，学科专业设置和师资队伍结构不尽合理，教育经费不足，制约中西部高等教育实现高层次发展。

3.8   煤炭机械化开采与智能化开采耦合，实现安全高效低碳发展

针对矿山感知能力低与可用信息不全、异构网络融合差、数据传输效率低等信息流高耗低效问题，研究全面感知泛在网络体系下的多源多项异构信号持续感知与智能感知集成控制方法，实现矿山人–机-环–管全面信息刺激下低感知阈值的高精度感知；针对煤矿生产系统中物质流–能量流–碳流调配失衡、核心信息流高效滚动机理缺失的问题，通过优化煤矿生产管理复杂巨系统信息流数据的采集传输、数字孪生系统的监测监控和集群管控系统的闭环交互，建立安全生产预警、效益预测、物质流–能量流–碳流最佳配伍理论模型，构建全生命周期碳足迹计算监督模型；以绿色生产和低碳管理为目标，形成一套基于大数据引擎驱动、AI数据赛道加持、BI业务分析指导，容纳智慧矿山生态系统的分布式模块化智能煤矿综合管控系统，提升煤矿生产安全高效智能低碳运行水平(图11)^[35]。

图  11  边缘协同群体智能

Figure  11.  Collaborative swarm intelligence at the edge

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3.9   煤炭瓦斯资源化开发与能源化利用，推动瓦斯减排

煤矿瓦斯是一种优质清洁能源，又是煤矿主要灾害源及强温室气体。我国已经探明瓦斯资源总量超过38万亿m³，但由于我国煤层地质构造复杂，煤体微裂隙、瓦斯强吸附、低渗透导致瓦斯抽采难、抽采瓦斯体积分数低。2021年中国煤层气产量仅为104.7亿m³，利用率低于50%。煤层气排放到大气中，每千克甲烷的温室效应是等量CO₂的20倍。据测算，中国每年煤矿排出的瓦斯约为2400万t，其温室效应相当于5亿t左右的CO₂。因此，在“双碳”目标背景下，亟需破解煤层气利用率低的难题，攻克煤矿瓦斯高效开发利用技术瓶颈，实现瓦斯资源化开发、高效利用与近零排放，促进煤炭瓦斯资源化开发与能源化利用。

加快研发低浓度瓦斯利用技术，提高瓦斯利用率。截至目前，煤矿瓦斯(甲烷体积分数>20%)利用技术已经很成熟，已在晋城矿区成庄矿等多个矿区建设了处理能力为12 000 m³/h的示范装置；而对于甲烷体积分数<10%的低浓度瓦斯，可以采用直燃技术、蓄热氧化与掺混技术等进行利用，并已经在山西重点煤矿区进行了成功示范，但目前仍存在很多技术经济难题，如低浓度直燃技术安全性争议较大、蓄热氧化能耗高及设备国产化有待加强；对于甲烷体积分数<0.3%的低浓度瓦斯，蓄热氧化技术需要外部能源加热才能运行，增加能耗(图12)。因此，亟需对低浓度瓦斯发电掺混技术、安全直燃技术机理研究、蓄热氧化催化剂研究等各项技术经济难题进行持续攻关并快速提高利用率^[35]。

图  12  煤层气梯次利用示意

CNG、LNG分别表示压缩天然气、液化天然气

Figure  12.  Schematic diagram of the utilization of coalbed methane ladders

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4.   结语及建议

党的二十大报告为中国经济发展擘画了宏伟蓝图，也为能源高质量发展指明了前进方向。“双控”内涵的转变既是长期深度减碳的战略需求，也是保能源安全、经济稳定的现实需要。我国能源结构将因碳排放的双控举措而改变，作为能源主体的煤炭，应树立与多种能源长期共存或深度融合发展的战略思想，有序替代、平稳过渡、多能互补。新“双控”背景下，煤矿企业应立足行业特点，系统谋划和总体部署碳达峰工作，扎实数据基础，抓住未来10 a左右(碳达峰前)的机遇期，提前进行产业结构布局优化，推进节能减碳。深入开展“碳科学”研究，充分发挥产–学-研–用的优势，开发新材料、新技术、新装备，实现成本更低的CO₂捕集、转化和利用，推动煤炭行业转型和高质量发展。