星球研究所，一群国家地理控，专注于探索极致世界 阅读原文 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。 ▼ 02.上文数据引自《北京市 2019 年国民经济和社会发展统计公报》，图为北京夜晚灯火通明的居民楼和写字楼，摄影师@张登科 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。 ▼ 03.从高空俯瞰内蒙古呼和浩特市的托克托火电厂，摄影师@陈剑峰 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。 ▼ 04.内蒙古鄂尔多斯的黑岱沟露天煤矿，源自@Esri Image Map 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。 ▼ 05.各省区在产煤矿数量分布，制图@陈志浩 / 星球研究所 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。 ▼ 06.“一次能源”即直接来自自然界，未经加工转化的能源。图为山西长治煤焦化工业园区，摄影师@傅鼎 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。 ▼ 07.小兴安岭森林湿地，图片来源@VCG 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。 ▼ 08.四川霍尔章谷国家湿地公园，摄影师@李贵云 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。 ▼ 09.煤炭形成示意，制图@陈随 / 星球研究所 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。 ▼ 10.中国煤炭资源分布图，制图@陈志浩 / 星球研究所 放眼全球，如此大的储量在 233 个国家和地区中高居第四位。 ▼ 11.世界煤炭资源探明储量排名，制图@陈志浩 / 星球研究所 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。 ▼ 12.被煤矿改造的地表呈现出特殊形态，画面的远处为自然起伏的山丘，中部为近乎直立的矿坑边坡，近处为地面设施，摄影师@邱会宁 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。 ▼请横屏观看 13.这是全球首台、亚洲唯一一台无齿轮传动的吊斗铲，本身重达 5300 吨，作业占地面积超过 3 万平方米，图片来源@准能集团 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。 ▼ 14.如钢铁巨兽一般的轮斗铲，图片来源@VCG 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。 ▼ 15.正在工作的单斗铲，摄影师@李乐 而笨重的电铲，则在缆绳的拉扯下，将身边的煤炭装入卡车。 ▼ 16.电铲与重型卡车的配合，摄影师@邱会宁 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。 ▼ 17.内蒙古魏家峁[mǎo]露天矿的胶带运输系统，图片来源@VCG 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。 ▼ 18.辽宁抚顺西露天矿中往返运输的卡车，摄影师@杨诚 最终，卡车们到达地表，将“货物”排卸至固定地点。 ▼ 19.排卸土石的卡车，摄影师@邱会宁 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。 ▼ 20.从高空俯瞰内蒙古高头窑露天矿，摄影师@陈剑峰 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。 ▼请横屏观看 21.小龙潭露天矿，摄影师@祁凯 在辽宁，有抚顺的抚顺西露天矿， ▼请横屏观看 22.抚顺西露天矿，摄影师@陈韶华 也有阜新的海州露天矿。 ▼ 23.海州露天矿，图片来源@Esri Image Map 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。 ▼ 24.新疆哈密三道岭露天矿中配合工作的电铲与蒸汽机车，摄影师@徐晨宇 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。 ▼ 25.新疆哈密三道岭露天矿中行驶的蒸汽机车，摄影师@王璐 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”。 ▼请横屏观看 26.内蒙古呼伦贝尔的伊敏河露天矿，摄影师@在远方的阿伦 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。 ▼ 27.山西安太堡露天矿中自卸式重型卡车，卡车轮胎的高度约 3.5 米，摄影师@朱哲 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。 在铲车与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。 ▼ 28.新疆准东经济开发区中的卡车车队，图片来源@VCG 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。 ▼ 29.内蒙古伊敏河露天矿中的胶带运输作业，摄影师@在远方的阿伦 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。 ▼ 30.新疆红山煤矿的运煤缆车，位于安集海大峡谷附近，摄影师@张波 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。 ▼ 31.辽宁抚顺西露天矿中繁忙的开采场景，摄影师@李乐 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。 ▼请横屏观看 32.白音华露天矿，摄影师@飞猫先生 2014 年，内蒙古鄂尔多斯的哈尔乌素露天矿建成投产。 ▼请横屏观看 33.哈尔乌素露天矿，图片来源@准能集团 2019 年，陕西神木的西湾露天矿建成投产。 ▼请横屏观看 34.西湾露天矿，摄影师@任世明 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。 ▼ 35.全国千万吨级露天煤矿分布，制图@陈志浩 / 星球研究所 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。 ▼ 36.井下生产空间系统示意，为了便于理解，图中标注与专业术语稍有差异，制图@陈随 / 星球研究所 这些通道不仅是输送煤炭、土石的运输通道， ▼ 37.江苏徐州的姚桥煤矿，地下运输巷道上的铁轨，摄影师@刘利顺 也是输送人员、设备的运输通道， ▼ 38.江西萍乡的青山煤矿，工人乘坐升降机下井，摄影师@胡寒 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。 ▼ 39.江苏徐州的姚桥煤矿，井下整洁宽敞的高压供电系统空间，摄影师@王标 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。 ▼ 40.早些年间四川山区的人力运煤，图片来源@VCG 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。 ▼ 41.江苏徐州姚桥煤矿的地面控制中心，摄影师@李新建 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。 ▼ 42.江苏徐州的姚桥煤矿，智能工作面的自动化采煤，摄影师@李新建 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。 ▼ 43.新疆吐鲁番博斯坦煤矿下的运输胶带，摄影师@于建伟 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%。 ▼ 44.事故发生系数即百万吨死亡率，指的是每生产 100 万吨煤炭死亡的人数比例，图为 2002-2018 年全国煤矿死亡人数变化，制图@陈志浩 / 星球研究所 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。 ▼ 45.上述开采方式即为长壁采煤法，制图@陈随 / 星球研究所 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。 ▼ 46.放顶煤开采示意，制图@陈随 / 星球研究所 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。 ▼请横屏观看 47.抚顺煤矿的地面沉陷，摄影师@陈韶华 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。 ▼ 48.唐山市区的开滦煤矿，摄影师@姚金辉 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。 ▼ 49.突水指大量水流突然涌入井下巷道的现象。姚桥煤矿东临微山湖的昭阳湖，部分煤矿在昭阳湖区下方，源自@Esri Image Map 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。 ▼ 50.抚顺西露天矿，垂直深度达到 400 米，摄影师@李乐 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。 ▼ 51.山西平朔安家岭煤矿，在露天矿场的周围已经开始地下开采，摄影师@崔永江 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。 ▼ 52.1949-2019 年全国原煤产量变化，制图@陈随 / 星球研究所 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。 ▼ 53.广州南沙华润热电厂，摄影师@林宇先 钢铁产量增长了 6300 倍，总量居世界第一。 ▼ 54.河南洛阳洛矿钢水浇铸的场景，摄影师@黄政伟 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。 ▼ 55.河南能源化工集团生产的尿素，图片来源@VCG 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。 ▼ 56.上海火车站，远处是上海陆家嘴，摄影师@胡楠 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。 ▼ 57.河南辉县采煤沉陷湖区，摄影师@傅鼎 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。 ▼ 58.北京雾霾天气，摄影师@陈剑峰 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。 ▼ 59.新疆三道岭开采的废石堆放的场景，摄影师@姚金辉 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。 ▼ 60.内蒙古呼伦贝尔的扎赉诺尔国家矿山公园，摄影师@赵高翔 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。 ▼ 61.江苏徐州姚桥煤矿的矿井水处理，摄影师@刘利顺 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。 ▼ 62.阜新火电厂与远处的海州露天矿坑同框，摄影师@Rose Gold 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。 ▼ 63.新疆哈密天山脚下的风力发电场，摄影师@常力 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。 ▼ 64.冬日里热火朝天的工业生产，摄影师@雁海 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 ... 星球研究所 ↑一群国家地理控，专注于探索极致世界 阅读原文
