我國煤炭綠色開采技術進展

劉 具,秦 坤

(1.中國煤炭工業協會咨詢中心,北京 100013; 2.中國地質大學(北京),北京 100080)

我國“缺油、少氣、相對富煤”的能源資源稟賦決定了煤炭的基礎能源地位,其在能源供給產業鏈中一直起著“壓艙石”“穩定器”的重要作用[1-2]。2022年,我國能源消費總量達54.1億t標準煤,比2021年增長2.9%,其中,煤炭消費量增長4.3%,占能源消費總量的56.2%,比2021年上升0.3%。未來相當長的一段時間內,我國煤炭年需求總量增速最低將保持在2%以上[3]。

煤炭開采會引發一系列環境問題,如:水資源污染與浪費、瓦斯排放、地表沉陷。為最大限度降低對生態環境的影響,綠色開采理念在21世紀初被提出。隨著“綠水青山就是金山銀山”“可持續發展”“碳達峰、碳中和”等要求的實施,發展綠色礦業已成為新時代煤炭高質量發展的必然選擇與重大需求[4-9]。煤炭綠色開采被提出至今已有20年,隨著發展理念的轉變與新技術的推廣應用,其展現出了顯著時代特征。筆者梳理了20年來煤炭綠色開采技術發展歷程,論述了煤炭綠色開采技術主要進展,展望了未來發展方向。

1 我國煤礦綠色開采內涵與要求

1.1 我國煤礦綠色開采內涵發展歷程

我國煤礦綠色開采最早由錢鳴高院士2003年提出[10],以期實現煤礦的“低開采、高利用、低排放”。綠色開采是從廣義資源角度認識煤炭、煤層氣、水等可用資源,出發點是降低開采過程對環境和共伴生資源的影響,目標是獲得最佳的經濟和社會效益。

隨著技術進步與新發展理念提出,綠色開采技術內容不斷得到豐富。其中,開采過程中可利用資源種類不斷增多,如:之前被認為是污染物的煤矸石,隨著化工、發電技術的進步,通過資源化利用使其從污染物轉變為具有經濟價值的資源;煤礦廢棄地下空間,隨著碳封存、抽水蓄能等技術的成熟而轉化為可利用資源[11-14]。此外,煤礦地熱資源利用也逐漸走向集約化、多樣化;瓦斯梯級利用技術的突破,可實現甲烷體積分數為1%～6%的低濃度瓦斯通過蓄熱氧化與摻混技術轉化為熱能后進行電、熱、冷三聯供[15]。

為最大程度減輕煤炭開采與自然生態環境之間的矛盾,2020年王雙明院士團隊圍繞煤炭勘查與開采全過程,提出“采前精細勘查,采中有效減損,采后恢復利用”全生命周期煤炭綠色開采地質保障理念[1],如圖1所示。此理念中“采前精細勘查”的關鍵技術基礎是煤礦智能化的蓬勃發展。智能開采技術已在煤炭綠色開采領域得到廣泛應用,如:智能充填開采技術、智能保水開采技術、智能瓦斯抽采技術等。這種將智能化技術應用于煤礦綠色開采的理念被廣泛稱為“智能綠色開采”。

圖1 煤炭全生命周期綠色開采技術框架

近年來,隨著“碳達峰、碳中和”理念的提出,我國煤炭綠色開采充分吸收這一理念并衍生出低碳開采概念,如:利用廢棄礦洞開發碳封存技術與儲能技術、基于數字化技術實現煤炭開采全過程能耗精準控制、礦區分布式光伏電站建設、沉陷區碳匯林建設等[11-12]。

我國煤炭綠色開采內涵在歷經20年的發展后(見圖2),已豐富拓展為以下5個方面:

圖2 煤炭綠色開采內涵發展歷程圖

1)從廣義資源角度認識和對待礦區地下、地上全空間尺度與采前、采中、采后全時間尺度一切可利用資源;

2)防止或盡可能減少煤炭開采對環境和其他資源的不良影響,并進一步修復、提升礦區生態環境;

3)關鍵路徑是采前精細勘查、采中有效減損、采后恢復利用,以及煤礦全生命周期綠色低碳運行;

4)主要手段是持續推進智能化、數字化等先進技術對煤炭綠色開采技術的深度賦能;

5)主要目標是取得最佳的環境效益、經濟效益和社會效益。

1.2 我國煤礦綠色開采要求

我國始終積極應對全球氣候變化,在綠色轉型、低碳減排時代大勢中勇擔使命。煤炭作為當前我國的能源支柱,政府高度重視煤炭開采的綠色發展,并出臺了系列政策、法律、法規和標準等。

1)結合新形勢提出新要求

《煤炭法》修訂更加注重與《環境保護法》《大氣污染防治法》等相關法律銜接,修訂條款充實了對煤炭綠色開發、煤炭清潔高效利用、采煤沉陷區綜合治理、可再生能源等的支持,指導煤炭資源開發走向綠色發展道路。

2)重點關注生態脆弱區域

中國煤炭工業協會在煤炭行業“十四五”高質量發展報告中提出:做好黃河流域煤炭資源開發與生態環境保護總體規劃和礦區規劃,實現煤炭資源開發、建設和生產與生態環境保護工程同步設計、同步實施,提升礦區生態功能,建設綠色礦山。陜西、內蒙古等黃河流域重點產煤省份(區),要求符合綠色礦山創建條件的要做到“應建必建”。

3)綠色開采融合發展

中央及各產煤省結合實踐實際,鼓勵并引導煤炭行業走融合發展道路,提出綠色低碳開采、綠色智能開采、安全綠色開發等要求。

綜上所述,隨著智能化、數字化等新技術的進步與“雙碳”等新理念的提出,我國煤炭綠色開采內涵不斷被豐富,并被賦予新的時代定義。政府高度重視煤炭綠色開采,并結合當前新形勢,從綠色開采內容、思路、要求等方面出臺系列法律、法規、標準和政策,確保煤炭綠色開采落地實施。

2 采前綠色勘查與地質保障技術進展

地質勘查是煤炭開采的前提和保障,而綠色勘查是綠色發展理念在煤炭資源勘查過程的具體體現。煤炭綠色勘查技術是通過高效環保的技術、方法和設備,降低對生態環境的影響,同時強調煤炭開采與地質結構、地表生態環境變化的整體研究,以實現地質勘查與生態保護協同發展[16]。

煤炭綠色勘查關鍵技術主要包括遙感技術、快速精準鉆探技術、高精度地球物理勘探技術及信息化探測技術[17]。經多年探索、研究,我國地質勘查技術取得極大進步,如:我國青海省地礦系統探索出“一基多孔”“一孔多支”等綠色勘查手段,開發了勘探痕跡復綠、勘探材料無公害處理等綠色勘查技術,為生態保護區礦產資源勘查找到一條創新之路。同時,我國煤炭地質保障技術取得重大進展,形成“開采前精細勘查、開采過程有效減損、開采后恢復利用”的發展模式。

未來我國應進一步加大綠色勘查技術方面的投入,重點研究遙感(RS)與地質測繪相結合的高分辨率、高精度地質填圖技術,以及鉆場生態環境快速恢復技術和煤中有害(益)組分精準測試技術,研制綠色無公害泥漿、泡沫、壓裂液、壓裂材料,形成一整套煤炭綠色勘查技術體系[16]。此外,引導企業加大對地質保障技術研究的相關投入,逐步構建透明工作面、透明采區、透明煤礦動態地質模型,形成“采前能查明、采中能減損、采后能利用”的煤炭綠色開采地質保障技術體系,這是實現煤炭資源綠色開采的重要基礎[1]。

3 采中綠色開采技術進展

3.1 保水開采技術

保水開采是煤炭綠色開采的重要組成部分,也是解決干旱、半干旱地區煤炭開采與水資源和生態環境保護問題的重要途徑。在我國西北地區,煤炭儲量占全國總探明儲量的33.1%,但年降水量多在400 mm以下,是全球同緯度最干旱地區之一[18-19]。煤炭大規模開發,導致具有供水意義的含水層失去儲水功能,破壞了水資源平衡[20]。為解決我國西北地區煤炭開采和水資源保護之間的矛盾,我國學者開展了大量保水開采技術探索,目前大致形成2種技術路徑:以“堵截法”為主的煤礦保水開采技術和以“疏導法”為主的礦井水儲存再利用技術。

目前采用的“堵截法”技術手段主要包括:導水裂隙帶發育高度抑制技術、關鍵隔水層再造與含水層再造技術、底板破壞深度或強度減緩技術[20]。王雙明等[21-24]通過分析煤層厚度、含水層與煤層的空間位置關系,對榆神礦區、神東礦區、神南礦區、哈密煤田進行保水開采分區,提出各分區適宜的區域采煤方法規劃方案;馬立強等[25]研制了CO2礦化煤基固廢負碳充填材料,推進了保水開采的協同技術發展,為保水開采與固碳減碳的協同發展提供了新思路;張東升等[26]從上覆巖層整體阻水性入手,綜合覆巖阻水行為與地下水系統的動態響應關系,提出將上覆隔水巖層(組)虛擬為等效阻水層的學術思想,形成了基于等效滲透系數計算等效阻水厚度的保水采煤可行性評價新方法。針對礦區水資源緊張與礦井水外排造成的資源浪費問題,顧大釗等[27-29]學者提出并建立煤礦地下水庫的保水技術體系,在神東礦區建成煤礦地下水庫35座(見圖3),極大解決了礦區水資源保護與利用難題,促進了煤炭開采與地下水資源保護利用協調發展[30]。

圖3 煤礦地下水庫示意圖[31]

由于我國西部煤礦地質環境條件復雜,以“堵截法”為主的保水開采仍然面臨許多重大科學與工程難題,如:覆巖應力場、裂隙場和滲流場演化特征及規律研究,大采高及多煤層開采條件下導水裂隙帶高度預測[32]。而以“疏導法”為主的煤礦地下水庫方面的研究需聚焦煤礦地下水庫匯集地下水的過程及其對區域地下水系統的影響規律、煤柱壩體應力—滲流耦合特性及承載穩定性、東部大水礦區和東部草原區露天煤礦地下水庫建設等問題[31]。

3.2 充填開采技術

煤礦充填開采是從源頭防止地表沉陷,實現以最小的生態擾動獲取煤炭資源的一種綠色開采技術。通過對充填開采工藝的設計、優化,可將開采過程對生態環境、水土資源和基礎設施等的影響限制在可控范圍內,促進煤炭開采和生態環境保護、經濟社會發展的協調[33]。經過長期研究實踐,我國逐漸形成以固體充填、膏體充填、超高水材料充填、覆巖離層注漿充填開采為主要技術手段的煤礦充填開采方法[33-34]。

近年來,充填開采技術實現了突破性發展,形成系列重大研究成果。針對西部蒙陜地區高產高效礦井煤矸石綠色低干擾處置需求,研發了井下煤矸智能采選充一體化技術,并逐步在黃陵二號井、大海則煤礦進行工業性試驗,雙工作面最大可實現矸石充填能力1.0 Mt/a[35-36]。2022年,冀中能源邢東煤礦建成我國首個固體智能充填采煤工作面,實現充填液壓支架架后智能充填,達到充填率85%,月產6萬t的應用效果,同時,充填工效提升54%,每班減少4～5名工人[37]。

但煤礦充填開采受充填材料短缺、充填成本高、充填效率低等因素限制。未來我國應繼續在新型充填材料開發、關鍵充填裝備研發、智能化充填新工藝構建等方面進行突破,同時也應加大對充填開采標準化體系建設方面的政策扶持力度。

3.3 煤與瓦斯共采

煤與瓦斯共采是煤炭綠色開采技術的重要組成部分,對于礦井瓦斯災害防治、礦區溫室氣體減排和瓦斯資源開發利用具有重要意義。從開采時空關系看,瓦斯抽采貫穿煤礦全生命周期,包括采前預抽、采動卸壓抽采及廢棄采空區瓦斯抽采等階段[38]。經過長期探索,我國煤與瓦斯共采逐漸形成3種模式:井上下聯合抽采的晉城模式、卸壓抽采的兩淮模式、沁水盆地地面煤層氣開發模式[39],如圖4所示。

(a) 晉城模式[40]

近年來,煤與瓦斯共采技術得到進一步推廣,并在卸壓開采抽采瓦斯、無煤柱煤與瓦斯共采、煤層群開采條件下井上下立體抽采、深井低透氣性煤層揭煤防突等關鍵技術方面取得系列創新性研究成果,關鍵技術指標達到世界領先水平,為復雜地質條件下高瓦斯、突出礦井安全高效開采奠定了堅實基礎。

但我國大部分礦區煤層透氣性低,且隨著開采深度增加,煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、地應力和瓦斯涌出量不斷增大,瓦斯災害愈發嚴重,瓦斯抽采難度進一步增大[8]。因此,應重點開展低透氣性煤層改性增透機理、低透氣性煤層瓦斯抽采方法研究。同時,以巖層移動與采動裂隙分布規律等為基礎理論,力爭在瓦斯抽采技術、設備和裝備研究中有所突破。

3.4 煤炭地下氣化

煤炭地下氣化是從根本上解決傳統采煤方法存在的一系列技術和環境問題的重要途徑,也是實現煤炭綠色開采的一項革命性技術。其通過將處于地下的煤炭在原位進行有控制的燃燒,變傳統的物理采煤為化學采煤(見圖5),具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優點。

圖5 煤炭地下氣化工程示意圖[42]

我國自1950年代在鶴崗、大同等16個礦區進行巷道式煤炭地下氣化試驗[43],通過近40年的技術攻關,首創了以“長通道、大斷面、兩階段”為核心的巷道式煤炭地下氣化新工藝[44-45],先后在徐州新河二號井和河北唐山市劉莊煤礦開展工業性試驗[46],實現持續運行長達5年的技術突破。21世紀以來,我國在多個礦區開展了煤炭地下氣化試驗,產氣量在2萬～8萬m3/d,其中,中梁山北礦產出氣熱值高達11.5 MJ/m3(標準狀態下)[47]。2017年8月,新疆首個煤炭地下氣化一期前置工程開工建設,煤層埋深達到450 m,是目前我國鉆井式氣化采煤埋深最深項目。2019年3月,山東省首個大型煤炭地下氣化發電工程開建,同年11月,準格爾旗唐家會礦區煤炭地下氣技術工業化示范項目正式投產[48]。

大量工業性試驗表明,煤炭地下氣化技術可行,但仍存在單爐產氣量小、運行不穩定、運行時間短、對污染物擴散規律認識不清等問題。因此,應加強煤炭地下氣化基礎研究和工程技術開發方面的研究,包括實體煤層燃燒、熱解、氣化、貫通特性,以及氣化過程特征場演化規律、地下煤氣化污染物在燃空區富集與遷移規律、規?；a地下氣化爐結構及構建技術、地下氣化連續穩定控制技術、煤炭地下氣化多聯產技術等[49]。

3.5 智能綠色開采技術

智能綠色開采是推進煤炭生產方式和發展模式深層次變革的重要方式,其實質是將智能開采技術應用到綠色開采過程中,實現煤炭資源開發與生態環境保護協調發展。

近年來,隨著煤礦智能化建設的不斷推進,智能綠色開采技術和裝備取得了長足進步。如:伊犁新礦煤業有限責任公司將智能化技術運用于弱膠結地層保水開采當中,構建了融合礦區水資源承載力的長壁工作面開采參數智能決策技術體系,可實現保水開采智能決策與智能控制和長壁工作面日均8 m/d以上、涌水量10 m3/h以下的安全、高效、智能保水開采;邢東礦采用智能充填開采技術,使工作面生產能力得到大幅提高,工作面月產由3.6萬t增加至7.2萬t,每班人員減少8～10人,1個循環作業時間減少約2.5 h,效率提高約50%[50]。

智能綠色開采技術主要包括智能保水開采技術、智能充填開采技術、煤—巖—水—環智能一體化技術、瓦斯智能抽采技術、礦井災害智能預警技術等。智能綠色開采已涉及綠色開采技術的方方面面,其根本在于通過高精度傳感器、智能化設備、大數據智能分析、數字化協同等手段實現:①減人、提效、增安,如智能化跳汰遠程集控、智能化刮板運輸等;②提高精細化作業水平,如瓦斯智能化精準抽采技術、煤巖界面識別技術、設備姿態檢測技術等;③多場景協同,如煤與瓦斯共采、井上下精細勘探等[37,51-58]。

綜上所述,智能化與數字化技術對提升煤炭綠色開采技術水平意義重大。目前智能綠色開采存在多系統協同程度尚需加強、關鍵設備智能化適配度有待優化、相關人才緊缺等問題。

4 采后生態修復與資源綜合利用進展

4.1 采后生態環境修復

4.1.1 土壤改良技術

土壤是植物生長所需水分、養分和生存環境的基礎,礦區土地復墾土壤改良對采后生態環境修復具有重要意義。目前我國礦區復墾的土壤改良方法主要有物理法、化學法、生物法及聯合改良法[59]。

近年來,我國也逐漸開始將RS、GPS和GIS等技術應用于露天煤礦土壤改良,采用RS技術獲取礦區復墾地影像,確定土壤改良范圍、面積和類型,采用GPS技術對復墾土地進行定位、測繪,采用GIS技術對復墾后土地進行適宜性評價。

我國雖在礦區土壤改良研究方面取得豐碩成果,但仍有許多問題亟待深入研究,如:分析土壤改良原理、提高礦區土壤改良方面的認知水平、加大相關資金的投入、加強土壤改良法制標準的研制、創新土壤改良技術等[60-61]。

4.1.2 植被重建技術

不同植物對礦區復墾土壤改良效果及生態環境的恢復能力并不相同,且其生長狀況、適應能力與氣候條件密切相關。因此,依據礦區地理、氣候條件選擇合適的植被類型對恢復礦區生態環境十分關鍵[62]。礦區植被重建應綜合所處區域、地形、氣候等方面因素,選擇根系發達、適應力強、抗逆性好、成活率高、能夠改良土壤的植物,這是礦區生態修復的前提和基礎[63]。

4.2 礦區資源綜合利用

4.2.1 抽水蓄能技術

為提升廢棄礦井綜合利用水平,我國積極開展廢棄露天礦坑建設抽水蓄能電站和煤礦地下水庫建設(見圖6),如:遼寧省阜新市利用海州廢棄露天煤礦作下位水庫,并將其改建成抽水蓄能電站[13];顧大釗院士團隊在大柳塔煤礦開展了煤礦地下水庫建設的工程實踐[64]。此外,我國積極探索利用盾構機(TBM)改造廢舊礦洞,采用盾構技術建設抽水蓄能電站工程。目前,已將TBM應用于抽水蓄能電站排水廊道、自流排水洞、引水斜井、通風安全洞、排風豎井、交通洞等的建設當中[65]。

圖6 金屬礦和煤礦地下蓄能設施示意圖[13]

4.2.2 CO2封存技術

煤礦開采結束后的殘煤對CO2有較強的吸附能力,可用于井下碳吸附和碳儲存。因此,在關閉礦井/煤礦采空區/殘采區開展CO2地質封存是“雙碳”背景下煤炭綠色低碳發展重點方向之一[12],而采空區CO2封存有希望成為煤炭基地碳捕集、利用、封存的特色技術。利用煤層采空區碎裂煤體、地下氣化灰渣進行CO2地下封存的可行性已被證實。黃定國等[66]認為,將CO2封存于煤層中應考慮封存安全性,而開采工程擾動、封存地質體結構、地質災害等因素都會對CO2封存的安全性造成影響;王雙明等[67]提出CO2煤礦采空區吸儲與植被固碳理念,構建以煤礦近零碳排放為核心的全生命周期煤氣同采技術體系,但目前相關技術仍處于理論研究水平,尚未進行現場試驗。

采空區關鍵區域充填儲碳空間重構研究任重而道遠,需從基礎理論出發,深入系統開展創新攻關,積極推進廢棄礦井CO2封存地質工程響應規律研究,以保障“雙碳”目標下廢棄礦井綠色、低碳、多能互補體系建設。同時,煤炭企業應高度重視相關方面的科技創新,以實現采空區關鍵區域充填儲碳空間重構基礎理論與關鍵技術的突破。

此外,除CO2封存外,廢棄礦井還被用于壓縮空氣儲能、氫氨儲能等新用途[68]。

4.2.3 低熱值煤發電技術

低灰高熱值煤泥可用于燃燒發電或制備水煤漿、型煤,高灰低熱值煤泥主要作為工業填料和建筑摻合料。但將煤泥用作填料、制磚或制水泥的經濟附加值較低,經濟和社會效益不顯著,造成資源浪費[69]。

循環流化床技術(Circulating Fluidized Bed,CFB)是重要的清潔煤燃燒技術,具有燃料適應性廣、燃燒效率高、排放低、負荷調節力強等優點(見圖7)。CFB鍋爐流態化燃燒特點為低熱值燃料的使用創造了有利燃燒條件,使其成為煤矸石、煤泥等低熱值煤資源工業化綜合利用的有效途徑[70]。目前,煤矸石和煤泥在CFB鍋爐中摻燒技術較為成熟,通過對CFB鍋爐進行特殊設計,可進行更低熱值燃料燃燒,并取得良好應用效果[71-72]。

圖7 CFB鍋爐循環運行圖[73]

我國在資源綜合利用方面已取得長足進步,并形成地上、地下全空間維度和采前、采后全時間維度的廣義資源觀念。然而,一些現象仍需重視,煤炭資源本身回采率并不理想,如放頂煤不徹底、煤柱過大,以及機械化采煤引起邊角區域原煤回采率低等問題依然突出。煤炭回采率和高效的資源綜合利用技術不匹配,在提高資源綜合利用的同時應進一步提高煤炭回采率。

4.2.4 煤礦地熱開發

隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭,煤炭開發正在以8～25 m/a速度向深部轉移[74],面臨的深部地熱問題也愈發顯著。而地熱作為一種資源,將其進行資源化利用,對煤礦綠色開采、“雙碳”目標的實現具有重要意義。

地熱資源開發利用,尤其是地熱供暖和制冷技術取得長足進步,煤—熱共采成為研究熱點[74]。萬志軍等[75]提出煤—熱共采概念,闡述了煤熱共采基本理論與技術框架,分析了煤—熱共采關鍵技術,包括共采工藝、井下鉆井與成井工藝、井下抽采與回灌技術、高效能熱泵技術、高效能集輸與間接換熱技術、動態監測和智能調峰技術等;亢方超等[76]提出基于開挖的增強型地熱系統,為高溫區域地熱資源大規模開采提供了全新解決方案;張吉雄等[77]針對地熱與煤炭資源協同開發問題,提出充填埋管采熱、采空區儲水采熱、采動區封閉采熱及深部原位鉆井采熱4種采熱方法;曾一凡等[78]提出一種集約型煤水熱多資源正效協同開采模式,并以陜西榆林小紀汗煤礦為案例,評估了系統運行節能減排效益,結果表明該開采模式減少了礦區24.2%的CO2排放量,節能減排效果顯著。

目前,常見取熱方式包括充填埋管取熱、采空區礦井水取熱和深部煤礦含水層取熱等[79],主要技術途徑包括水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵技術等。而在提取巷道圍巖熱能的同時降低礦井溫度是地熱利用的關鍵,將地埋管換熱器布置于采空區充填材料或巷道圍巖內[80-81]提取圍巖熱能是未來礦山地熱利用的發展方向。

綜上所述,礦區采后生態修復技術的發展使煤炭開采與生態環境保護之間的沖突逐漸緩和,而資源綜合利用技術的發展進一步將煤炭開采中的負擔轉化為發展優勢。因此,采后生態修復與資源綜合利用越來越成為我國煤炭綠色開采發展的重點。

5 結束語

煤炭綠色開采在平衡煤炭開采與生態環境保護中發揮著舉足輕重的作用。近年來,煤炭綠色開采不斷向全生命周期方向發展,并逐漸形成智能綠色“采前精細勘探、采中有效減損、采后恢復提升”發展新模式。此外,綠色開采不斷吸收新發展理念與新技術,走出了一條智能綠色低碳發展道路。以煤礦地下水庫、智能綠色充填開采、礦區生態重構等技術為代表的煤炭綠色開采技術,為推動煤炭行業綠色低碳轉型與高質量發展做出了重大貢獻。

未來,我國應充分利用智能化、數字化等新興技術賦能煤炭綠色開采,進一步在降低煤炭綠色開采綜合成本、提高效率等方面發力,為我國煤炭行業高質量發展夯實基礎。