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葛世荣院士:如何从根本上减少矿难事故?

2023-08-24   中国新闻周刊   阅读量:113

    8月21日20时26分,陕西省延安市延川县新泰煤矿内,发生一起瓦斯闪爆事故。据央视新闻报道称,事故原因初步核实疑为瓦斯超限爆炸引发。目前,事故已致11人遇难。

    这起事故再度让公众聚焦到一个关键问题:为何在不断强化煤矿安全的背景下,矿难仍时有发生?近二十年间,国内煤矿安全治理水平已得到很大提升。综合历年《中国煤炭工业年鉴》等数据可知,2001~2018 年中国每年矿难死亡人数和百万吨煤死亡率都呈现出急剧下降趋势。

    2022年3月14日,中国国家矿山安全监察局公布的数据显示,2021年,中国矿山共发生事故356起、死亡503人,同比分别下降16%和12.7%。但另一方面,对中国来说,矿难治理仍是国家治理的重要任务。国家矿山安全监察局副局长张昕去年3月曾表示,矿山安全生产形势依然严峻复杂,重大灾害日趋严重,一些地区和企业违法违规行为屡禁不止、企业主体责任落实不到位、安全基础薄弱、监管监察能力不足等问题依然突出,亟待解决。

    如何让采矿更安全?是中国工程院院士、中国矿业大学(北京)校长葛世荣长期研究的问题。日前,身为国家矿山安全监察局矿山智能化专家委员会主任的他,在接受《中国新闻周刊》采访时,分析了近几年矿难事故成因的变化趋势。对于此前本刊报道的山西代县精诚铁矿瞒报事故,他还指出,精诚铁矿属于金属矿,人们今天常忽视的一点是:在3000余处煤矿之外,金属矿等非煤矿山数量达近3万处,且开采方式传统,更容易出现安全事故。

葛世荣 中国工程院院士,中国矿业大学(北京)校长、党委副书记

    非煤矿山安全生产值得重视

    中国新闻周刊:为何国内矿难时有发生?此前,我们调查报道了山西代县矿工死亡瞒报事件,事情发生在忻州代县的精诚铁矿。在涉及瞒报的17名死亡矿工中,调查显示,死亡原因有多种,如滑塌事故、矿洞内焊接风管时不小心把风管烤爆、冒顶和岩爆等。你如何看待这些原因?

    葛世荣:风管烤爆属于典型的违章作业,因为矿山风管里有的存有瓦斯,也会附着易爆粉尘,这些易爆物质极易引发爆炸事故。冒顶、岩爆也是矿难中常见事故,冒顶是在开采中巷道上部矿岩层塌落下来的现象,一般是源于防护不当或支护质量不好。岩爆就像矿区地震一样,岩体内被掏空后,上部岩体聚积的压力不断增加,最终导致岩石难以承受,发生爆裂崩塌而产生强烈冲击破坏。

    中国煤炭开采以深部地下开采为主,约85%的煤炭产量来自于地下600~1000米深的矿井,井下地质环境复杂,发生瓦斯、突水、岩爆等事故的概率大。而且,中国不仅地下深矿数量最多,井下矿工数量也最多,平均每天约有50万人在地下作业,属于世界上深部矿井最多、灾害矿井最多、煤炭产量最多的国家。这样“三多”因素叠加的煤矿开采条件中国独有,一旦发生事故,就会造成少则几人、多则数十人的惨重伤亡。近年来,由于大多数煤矿已采用全机械化开采,部分实现智能化生产,安全事故发生率已明显下降。

    精诚铁矿属于金属矿。人们今天常忽视的一点是,我国除有3000余处煤矿之外,还有非煤矿山近3万处,比如金属矿、化工矿等,量大面广。这几年,煤矿的安全形势大有好转,但非煤矿山安全生产值得高度重视。有些金属矿频发冒顶事故,因为还采用传统的开采方式,钻孔后用炸药炸矿石,再装载倒运,没有类似于采煤工作面的液压支架作为顶板支撑,暴露的顶部岩层很容易发生冒顶。

    中国新闻周刊: 你多年来一直在研究煤矿智能化技术,国内累计建成智能化采煤工作面1043个、掘进工作面1277个,建有智能化工作面的煤矿达694处。目前,国内煤矿智能化技术已发展到怎样的水平,能在多大程度上减少安全事故的发生?

    葛世荣:矿山智能化的目标是“减人、增安、提效”,当前煤矿灾害监测与智能预警技术和智能化采掘运输技术正在推广应用,其显著成效是智能化煤矿的百万吨死亡率为0.024,比全国煤矿降低一半。

    今年2月,内蒙古阿拉善盟新井煤业公司露天煤矿发生大面积坍塌事故,50多名矿工被掩埋致死。从目前情况看,属于违章违规生产所致。从预防技术来看,如果有智能预警技术,就能对发生滑坡的边坡表面形变和内部受力状态进行监测和稳定性预判,一旦发现边坡趋于失稳滑动,就能提前预警预报。不过,现在的智能预警技术还不够精准,只能监测表面形变。此外,对于滑坡、瓦斯涌出、冒顶这种渐进性灾害,现在技术具有一定能力做到提前预警,但对岩爆、突水、瓦斯突出等突发性灾害,预测准确性和即时性还有待提高。

    解决减少矿难事故和伤亡人数的难题,最根本的办法就是做到两点:灾害提前预警和无化、少人化作业。通过使用煤矿机器人和无人驾驶技术,在危险作业区实现现场无人、远程操控,这些都需要大数据、5G、工业互联网等信息技术支持。

    中国新闻周刊:目前,我国的煤矿机器人研发和应用已经到了怎样的水平?尤其在高风险煤矿和深部煤层的采掘上,煤矿机器人能发挥什么作用?

    葛世荣:全国煤矿已投入使用1000多台煤矿机器人,采掘机器人和安全巡检机器人应用较为普遍,大型煤矿平均一个工作面已由原来需要二十几位矿工,减到了3~5人。总体而言,智能化采掘工作面人员减少了70%,效率提高了20%左右。

    整体而言,我国煤矿智能化技术目前处于初级阶段,运维过程中仍有约50%的人为干预,从初级到中级还要5~10年,中级智能化煤矿将实现半自主化操作,人为干预降至20%。按照国家相关规划,到2035年我国基本实现煤矿智能化,也就是总体达到高级水平:全自主操作运行模式,对所有生产和安全保障环节具有全面感知能力,机器人自主决策运行,但鉴于煤矿生产条件复杂性和危险性,仍需有约5%的工序人机交互监控。

    目前的煤矿智能化最大瓶颈,还在于煤矿“数据孤岛”“信息烟囱”问题突出。今年6月,国家矿山安全监察局发布了《智能化矿山数据融合共享规范》,就是为了打通“数据孤岛”和“信息烟囱”。由于煤矿智能化是按生产环节来逐步实现,比如掘进、开采、运输、安全监控等,每个环节各有系统,系统和系统间不兼容。我曾到一家煤矿调研智能化运行情况,其生产环节和管理部门就有100多个信息数据系统。现在,须把这些五花八门、种类繁多的数据系统、装备系统全部统一起来,才能提高煤矿智能化常态运行水平。

国家能源集团上湾煤矿8.8米世界最大采高智能化采煤工作面

    能源清不清洁,不能按照出身来论

    中国新闻周刊:除了煤矿智能化技术以外,作为煤炭工程专家,你还长期关注中国的能源结构转型以及煤炭在其中扮演的角色。最近两三年,当“靠天吃饭”的可再生能源遭遇到越来越“常态化”的极端天气,国家在政策层面开始调整并重新意识到煤炭重要的保供作用。你如何看待政策的这种调整?

    葛世荣:在2021年大规模拉闸限电之前,就出现了一些危险信号——当时,由于之前的退煤政策影响,煤矿数量削减很多,许多电厂的煤炭储备也不足。另一方面,煤电机组年运行小时数严重不足,很多机组达不到3000小时,一般须达到4500小时才具有盈利能力,当时的煤电企业亏损严重。对于这种情况,业界很担忧,一旦遇到枯水期或极端天气,风电、光伏、水电等“靠天吃饭”的可再生电力不稳定,火电供应又顶不上,就很容易出现突发性的电力短缺,后来发生的拉闸限电情况果然印证了这点。

    这一教训之后,国家层面意识到当前我国的煤炭保供能力和火电供应能力依然十分重要,因此,近两年及时调整了相关政策,强调要发挥煤炭的主体能源作用。2022年,我国煤炭新增产能3亿多吨,很多原来被关停的煤矿在保障安全前提下也重启生产,这些举措大幅度提高了煤炭保供能力。今年来看,我国煤炭供应调节能力很强,迎峰度夏的煤电“压舱石”十分稳固。

    我国“双碳”目标提出后,积极推进能源结构转型,新能源装机容量已经超过了火电装机容量。但在极端天气下,中国能源转型期带来的电力系统不稳定问题显现。这个问题的本质是转型期的电力生产结构还没有达到稳健状态。换句话说,较为稳定的煤电作用被削减得太多了,而受季节性影响较大的风光水可再生能源发展很快,但储能容量没有跟上,导致电力调峰能力存在差距,造成整个电力系统韧性不足。例如能源生产大省山东,新能源和可再生能源发电装机占比约40%,但却是电力缺口第一省份,今年迎峰度夏的晚高峰时段存在1000万千瓦的供电缺口,好在山东省在煤炭保供方面进行了前期预判,山能集团所属煤矿发挥了保供稳定器作用。

    这说明,关键时刻能顶得上的能源目前还是煤电,面对我国能源禀赋国情,去煤炭和减煤电不可操之过急。统筹能源安全和双碳目标时,首先要保障我国能源的安全性和可靠性,再有序稳妥地对能源结构调整和优化。在能源结构转型期,整个电力系统要多元化发展,煤电、可再生能源、核电、新能源、智慧电网发挥各自优势,提高电力系统韧性。尤其要考虑到经济发达地区的用电需求量一定是不断增长,我国煤炭生产供应处于“西多东少、北煤南运”的格局,构建煤炭的柔性供应能力很重要。

    中国新闻周刊:多元化的电力系统中,煤电至少应占多大比例?要想不操之过急,煤炭在整个能源结构中又该如何渐进式减容?

    葛世荣:截至2022年底,中国煤电发电量占比仍然高达58.4%,应该属于战略性能源,如果战略性能源不稳定,整个能源系统的安全就会受到冲击。因此,我认为比较合适的速度是在未来30~40年内,把煤电占比从超过50%降到20%左右,不能切换得太快,而且这20%的煤电不再是固体煤炭直接燃烧发电,而是变革性的低碳化煤基能源发电。

    上海交通大学教授、中国工程院院士黄震发表的论文中提出了一个很有价值的参考数据:很多已实现碳达峰的发达国家,新能源发电比例并没有超过50%,日本的煤电目前仍在40%左右。我国提出的目标是到2060年,中国非化石能源消费比重要达到80%,其中,风电、光伏和水电占比合计达到60%。这种结构下,留给煤电的比例只有10%左右,这是当前高碳排放的燃煤发电比例。那么这样的电力系统是否有足够的韧性?我想,如果非化石能源消费占比调整为60%~65%,相应地抬高低碳化煤电占比,这样既可以增强电力系统的韧性,又可以减轻新能源大规模储能容量的压力。

    中国新闻周刊:这样调整之后,煤炭发电占比提高,减碳的目标是否就更难达成?

    葛世荣:这还是一种基于传统煤炭利用方式的看法。未来,通过煤炭清洁利用技术创新,可以在保障煤电供应能力的同时,减少二氧化碳排放。去年3月,我们团队开展了我国“以煤为主”的能源结构研究,探讨碳达峰目标下煤炭能源的“压舱石”作用如何体现。我们研究发现,已实现碳达峰的国家有“三个20%”:实现碳达峰之前,这些国家的煤炭在能源消费结构占比长期在20%以上;美欧通过“减煤增气”实现达峰,平均增加了20%的天然气发电,才减少相应比例的燃煤发电;一些碳达峰国家的煤电占比仍保持在20%以上。

    从中,我们想到的一个重要问题是:到2060年,我国实现了碳中和,10%的煤炭发电占比是不是太低了?中国的能源禀赋是富煤缺油少气,煤炭储量占化石能源储量的94%,石油和天然气的对外依存度很高,无论管道运输还是海运,都是一种可能受制于人的“卡脖子”能源依赖,而可再生能源则是“靠天吃饭”的“卡嗓子”能源供应。美国能生产大量页岩气,实现天然气自主之后的减煤是可控的,中国不适合完全复制西方“减煤增气”的碳达峰路径,中国实现碳中和要按照我们自身的能源结构特点设计路径。因此,煤炭在我国能源发展中的主体作用体现为:近期保供,远期降碳。

    中国新闻周刊:中国的碳中和路径应该是怎样的?

    葛世荣:要确保我国能源安全和保障能力,其中立足国情的重要方面在于煤炭清洁化利用。近期,我们提出了一个新概念:煤基能源。传统的煤炭能源是煤炭“一烧了之”。煤基能源是把煤炭资源通过各种清洁化方式,转换为更低碳的液态、气态能源产品,包括煤制油、煤制气、煤制氢、富油煤开发等。我认为,煤基能源可以支撑中国式碳中和实现,走出一条从煤炭能源向煤基能源变革之路。我们预测,煤基能源到2060年可为我国提供至少20%的能源供应,其二氧化碳排放量比传统煤炭利用方式降低一半。

    煤炭清洁高效利用的关键,是有颠覆性的技术变革支撑。例如,低温热解技术可以让富油煤转变为高端成油品和化学品。另一种更革命性的技术,是地下煤炭原位气化。简单来讲,就是不将煤炭开采出来燃烧,直接在地下进行煤炭气化利用,产出含有氧气、氢气、一氧化碳等组分的合成气。

    地下气化对实现双碳目标的贡献何在?我的回答是“二分之一”,即煤炭地下气化转换出燃气,其二氧化碳排放只有原来煤炭燃烧利用的一半,具有与天然气同样的“清洁能源”排放水平。苏联、美国、澳大利亚、英国、中国等国都曾大规模研究过煤炭地下气化技术,至今只有苏联建设的安格连煤炭地下气化站运行了60余年,年产25亿方燃气。究其原因,一方面,很多国家已通过各种渠道拥有富裕的天然气供应;另一方面,也是最主要的阻力,来自人们对环境污染的顾虑,这也是中国多年来的研究一直停留在试验层面的原因。

    实际上,国内外研究表明,煤在地下燃烧过程中产生的重金属元素进入地下水后,一两年后就会降解,总体对环境的影响是可控的。而且,现在我们提出要在2000米以下的煤层进行地下气化,一方面远离地下饮用水层,另一方面是开发更加丰富、目前机械开采无法触及的煤炭资源。近五年,中石油、中石化、国家能源集团等央企都在布局煤炭变革地下气化,它们认为这是未来的新型油气藏资源。

    中国新闻周刊:如果未来可以变采煤为采气,让二氧化碳排放减少一半,是否意味着不能再单纯把煤炭视为传统化石能源?

    葛世荣:我个人认为,能源清不清洁,不能按照出身来论,而是看它能够清洁化利用的程度。煤炭地下气化产出的是煤基燃气,能做到和天然气一样的排放水平,应该是一种清洁化能源产品。如果把此前300年称为传统煤炭时代,在煤炭可以清洁化利用的时代,就是“后煤炭时代”。

    行业特色大学求大求全会削弱优势

    中国新闻周刊:前一段时间,高等工程教育界对“工科理科化”的讨论和关注很多,你如何看待这一现象背后的成因?

    葛世荣:工科理科化的一个主要原因,是大学同质化发展。原本工科、理科各有所侧重,在工科大学,理科能力是重要基础。但在同一套评价体系之下,多数大学都在追求综合化发展,从专业设置到学科发展都求大求全,使大学逐渐丧失了自身特色和独特竞争力,工科优势也就被削弱了。

    我认为大学定位有三种类型,一种是服务于区域,一种是服务行业,还有一种服务于国家战略需求。我对中国矿业大学(北京)的定位是服务行业的特色大学。这类行业特色大学最重要的责任和使命,就是为行业培养专门化拔尖人才,做行业最前沿的科技研究。比如100年后,矿大(北京)可能不再研究采煤,而是研究深地、深海、深空采矿,但始终不离开矿业这个行业核心。

    在中国,地矿油、农林水这几个领域,一定要有高水平行业特色型大学,因为一个行业内有很多专门问题需要这类大学去解决。其他大学虽然也有相关研究,但矿业大学应该做得更多更深更好。

    中国新闻周刊:这种大学发展求大求全的环境下,中国的行业特色大学面临的主要困境是什么?

    葛世荣:目前的大学评价体系以论文数量、学术称号、成果奖励、学生规模等作为指标。在学科评估、专业评估的压力下,行业特色大学被迫向综合性大学指标体系靠拢,有时会适当削减行业特色专业,发展一些并非其特色优势专业,在一定程度上挤占了行业特色大学原本用来发展强项专业的办学资源。

    以德国弗莱贝格矿业大学为例,这是世界上最早的矿业大学,只设置了地质、能源、环境、材料等四个领域的二十多个专业。现在,中国矿业大学(北京)的奋斗目标是在30年之后,成为世界一流的能源科技大学。我认为当今先把低碳化煤基能源做好,未来要聚焦关键矿产开发,解决未来制约新能源发展的稀有金属瓶颈。

    近几年,学校采矿工程等传统王牌专业出现招生难现象。所以从2021年起,我校新增了智能采矿工程、碳储科学与工程、机器人工程、人工智能工程、大数据管理与应用等新专业,学生们都很感兴趣。

    我国是世界第一的矿业大国、农业大国、冶金业大国、制造业大国,我感觉目前国家对行业特色大学的重视和支持还不够充分。建设教育强国,不仅要建设一批高水平大学,还要建设专门行业领域的世界一流大学。但如何体现这些行业型大学的重要性,是值得思考的。我希望能有针对行业特色大学的差异化评价方式。

    作者:霍思伊