雙碳戰略中煤氣共采技術發展路徑的思考

李樹剛 ，張靜非 ，林海飛 ，丁 洋 ，白 楊 ，周雨璇 ，朱 冰 ，戴 政

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院, 陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點試驗室, 陜西 西安 710054；3.煤炭行業西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心, 陜西 西安 710054）

0 引 言

氣候變化是21 世紀人類面臨的重大挑戰之一[1]。自2020 年習近平總書記在第75 屆聯合國大會上首次提出中國“雙碳”戰略目標以來，“碳達峰、碳中和”理念已成為我國社會共識[2]。2023 年7 月召開的中央全面深化改革委員會第二次會議再次強調，要立足我國生態文明建設已進入以降碳為重點戰略方向的關鍵時期，完善能源消耗總量和強度調控，逐步轉向碳排放總量和強度雙控制度[3-4]，實現零碳能源替代高碳能源，解決能源消耗帶來的負面影響，消除“能耗雙控”無法實現能源結構優化、清潔低碳利用的弊端。碳減排作為一項復雜艱巨的系統工程，需要設計好“低碳排放→近零碳排放→（凈）零碳排放”的發展原則來保障能源供應安全，滿足經濟持續發展對能源的巨大需求[5-6]。

由于我國“缺油、少氣、相對富煤”的資源稟賦特征制約，煤炭作為兜底能源的地位短期內不會改變，能耗“雙控”向碳排放總量和強度“雙控”轉變的核心是碳減排，從煤炭生產和利用的整個產業鏈來看，以燃煤發電、煤化工等為主的煤炭利用行業的碳排放量（以CO2為主）占比近90%，煤炭生產過程中的碳排放量（以CH4為主）占10%[7]，實現煤炭開采及其下游加工利用行業CH4-CO2協同減排，是落實雙碳戰略的根本。根據國際能源署（IEA）相關統計發現，2022 年我國能源活動甲烷排放2 537.22 萬t，占比45.57%，其中，煤炭開采排放量達到2 102.94萬t，占比高達82.88%；2022 年全球煤炭使用產生的CO2排放增加了2.43 億t，達到近155 億t 的歷史新高[8-9]。因此，雙碳戰略推行逐漸成為新常態后，煤炭開采及其下游加工利用行業（燃煤發電、煤化工等）作為碳排放重要來源，應當在統籌兼顧、全面布局前提下，靈活制定CH4-CO2協同減排發展路徑，完善需求-政策雙重驅動型能源發展體系，強化清潔綠色低碳技術攻關的同時，突破當前負碳技術穩定性低、無法規?；瘧玫谋锥薣10]。

近年來，眾多學者專家面對“雙碳”戰略推行的新局面，對我國煤炭行業高質量綠色低碳發展路線及方向均開展了科學性的指導與探究。謝和平等[11]通過系統分析美國等發達國家碳達峰前后現代化進程、能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規律，提出了我國能源發展的3 大路徑；王國法等[3]分析了在“碳達峰、碳中和”目標下，我國煤炭工業面臨的任務和挑戰，提出在未來100 a 中，煤炭仍將在我國多能互補現代能源體系中扮演穩定器和壓艙石的重要角色，煤炭低碳利用技術的顛覆性創新將使煤炭成為最有競爭力的能源和原材料資源；袁亮等[12]提出了廢棄礦井綠色低碳多能互補體系，以實現廢棄礦區多維度分級分類分區域聯動清潔能源生產、儲備、供給與碳捕集、封存、利用；王雙明等[13]提出了賦煤區全生命周期能源開發理念，將賦煤區能源發展歷程劃分為煤炭、煤炭與新能源優化組合、新能源3 個階段；卞正富等[14]提出可通過清潔能源消納與源網荷儲協同優化、CO2地質封存、生態系統碳匯提升等實現煤炭開采過程CO2的近零排放；桑樹勛等[15]系統梳理評述了國內外CO2地質封存潛力及其評價方法以及CCUS 集群部署技術基礎與模式等領域的主要進展，討論展望了我國CO2地質封存潛力與能源資源協同理論方法體系的研究思路；蘇現波等[16]在對煤層氣開發與CCUS 技術系統分析的基礎上，以煤層氣生物工程為依托，探討和展望了地面煤層氣開發、煤礦瓦斯抽采以及采空區煤層氣開發過程中的低負碳減排關鍵技術；筆者團隊[17]針對煤礦CH4-CO2雙重碳減排問題，構建了以瓦斯高效精準抽采、瓦斯分級利用以及碳封存等關鍵技術為核心的全生命周期煤氣同采技術體系，并從低碳融合技術與負碳技術2 方面闡述了該體系的構想。

面對新形勢下全球能源格局復雜化態勢，俄烏沖突、巴以沖突加劇造成能源行業油氣產業鏈風險加劇，煤炭作為我國能源結構變革的壓艙石與穩定器，如何實現可持續綠色低碳發展，是關乎國家安全和發展全局的重要命題[18]?；诖?，筆者在精準分析碳達峰、碳中和階段煤礦CH4-CO2雙重碳減排面臨挑戰的基礎上，制定了“雙碳”戰略中煤氣共采技術的發展路徑，從瓦斯抽采-利用全周期碳減排關鍵技術、“CCUS+生態碳匯”全域負碳排放技術、全生命周期煤礦CH4-CO2排放智能監測及動態管控技術等方面論述了其中的關鍵科學問題及解決途徑，并對今后煤氣共采體系綠色低碳發展提出了自身見解與思考，以期為我國煤炭開采及其下游加工利用行業“雙碳”戰略目標落實提供助力。

1 煤氣共采技術發展面臨的挑戰

1.1 高濃度瓦斯抽采-利用效率亟需提高，低濃度及通風瓦斯碳排放量逐年增加

煤炭開采是我國最大的CH4逃逸排放源，據統計測算，我國煤礦地下開采造成的CH4排放量分別約占煤礦甲烷總排放量的80%[19]，盡管我國對煤炭地下開采過程中瓦斯抽采濃度及利用率出臺了相關規定，如《煤礦安全規程》《煤層氣（煤礦瓦斯）排放標準》等均提出了“應抽盡抽”的原則，但對煤炭行業甲烷的管控主要是出于安全生產考慮而開展的瓦斯防治工作，因而必須強化瓦斯抽采以提升高濃度瓦斯（甲烷體積分數≥30%）抽采量，減少因抽采全流程施工監管不合格產生更多的低濃度（甲烷體積分數<30%）或乏風瓦斯（甲烷體積分數<1%），例如：低滲煤層透氣性差、瓦斯富集區辨識誤差、抽采鉆孔精準性欠缺、鉆孔密封不達標等技術環節，均對瓦斯抽采提濃增效產生不利影響。除此之外，關閉/廢棄礦井中遺留甲烷逃逸泄漏也逐漸成為重要的煤礦CH4排放源，根據相關數據預測，截至2100 年，我國關閉/廢棄礦井的甲烷排放量占全球煤礦甲烷排放總量的比例將增加至27%，且因主要逃逸泄漏通道的復雜性（井筒、采動裂隙等）、隱蔽性以及逃逸量的難以預估性等特征，這部分碳排放數據缺失嚴重[20-21]，因此，高度重視我國關閉/廢棄礦井甲烷減排技術體系攻關對實現“雙碳”目標具有深遠意義。

高濃度瓦斯利用方面，直燃發電及化工用途技術成熟度相對較高，實現以提質增效、綠色低碳的利用模式成為當前發展重點，低濃度及通風瓦斯受利用率、技術成熟度及成本限制，是煤礦CH4排放的“主力軍”，雖然國內已具備了一系列區域性的示范工程，例如潘一關閉廢棄礦井采空區瓦斯再利用項目、彬長礦區大佛寺煤礦瓦斯“零排放”的綠色低碳發展模式等，但對于我國甲烷碳減排目標實現來說任重道遠，因而普適性、成體系的“零碳”技術模式結合政策驅動才能進一步深化能耗“雙控”向碳排放總量和強度“雙控”轉變的發展思路。

1.2 極端天氣及油氣能源依存不穩定性加劇煤炭生產及其下游加工利用行業碳排放

供給側結構調整是我國能源低碳轉型的核心，通過降低化石能源消費、發展新能源，構建綠色低碳的能源體系是減少碳排放、實現碳中和的重要舉措之一，但煤炭等傳統能源產業依存度需穩步降低，加之新能源供給具有的不確定性加大了新舊能源交替轉型的難度[22-23]。首先，21 世紀以來極端天氣頻現，預計到2030 年發生極端高溫的天氣數量將達到2001 年的3 倍，極寒天氣亦是如此，“保供”政策加劇了煤炭開采強度，造成甲烷排放強度增加[24]；其次，全球不安定局勢（俄烏沖突、巴以沖突）加劇了石油天然氣供給波動，國內煤炭消耗量大幅上漲，燃煤發電以及煤化工等下游產業產生的CO2排放量也出現了增長[7]。因此，國內對煤炭依賴性增加的同時如何實現碳排放總量和強度穩步減少，是降低碳達峰峰值的“破局”關鍵。

1.3 煤炭企業全生命周期CH4-CO2 動態監測及管控技術體系不完善

減碳降碳工作的基礎是對煤炭生產及其下游行業全生命周期CH4-CO2排放數據的動態監管。當前我國碳收支平衡核算監管體系不完善，例如陜西省環保廳主導的《陜西省大氣污染治理專項行動方案（2023—2027 年）》中提出，將現代煤化工、火電等重點行業碳排放納入環評管理，但并未對煤炭企業生產全流程碳排放進行精準動態核算，監測監控技術支撐薄弱。首先，碳排放監測技術手段與瓦斯抽采-利用環節、燃煤發電等環節匹配適應度不夠，碳排放遙感監測方法[25]、基于激光誘導擊穿光譜法的燃煤電廠碳排放在線監測方法[26]、基于遙感-衛星定位導航-無人機的三維空間碳排放監測系統[27]等先進技術應用耦合程度較弱；其次，碳排放監測管控云平臺與煤礦全局監控系統對接程度不足，盡管國內部分省份企業構建了相應的碳排放在線監測平臺[28]，但存在監測精準度差異大、監測指標單一、煤炭企業跟進度不足等問題，例如河北碳排放總量動態監測可視化核算平臺缺少部分溫室氣體監測數據、南方電網能源消費側碳排放監測平臺數據核算功能薄弱等。因此，如果無法建立政策驅動-技術適配-精準核算模式下的全生命周期CH4-CO2動態監測及管控技術體系，“雙碳”指標的實現將會受到極大干擾。

1.4 CH4-CO2 協同減排技術標準-法律法規布局滯后

我國碳減排政策現狀呈現出CH4、CO2規劃要求不均等現象。近年來，我國在甲烷資源化利用方面取得一定成效，但仍舊存在甲烷排放控制法規標準體系尚不完備等問題，僅以《中國應對氣候變化國家方案》（2007）、“十四五”規劃和《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》等總體性、建議性文件政策為主，缺乏精準可控、行之有效的落實性法律法規；2023 年11 月7 日生態環境部聯合有關部門發布《甲烷排放控制行動方案》也預示著國家將從頂層設計方面開展逐層級、各行業的甲烷減排政策體系制定落實行動，全面有序推進CH4-CO2協同減排控制工作。

2 煤氣共采技術發展路徑

2.1 發展路徑制定的核心原則

根據我國目前能源結構調整進程及面臨的挑戰，雙碳戰略中煤氣共采技術發展需結合現狀需求-技術攻關-政策驅動的核心原則。由圖1 可看出：

圖1 煤氣共采技術發展路徑制定的核心原則Fig.1 Core principles for development path of gas co-extraction technology

1）現狀需求。我國經濟增長伴隨著能源消費量的遞增，由于我國“缺油、少氣、相對富煤”資源稟賦特征制約，一次能源消費占比較大，2022 年我國煤炭消費量占能源消費總量的55.5%[7]，煤炭消費較高的占比導致了CH4、CO2減排難度高，解決碳減排與能源消費的矛盾性問題意義重大；碳排放導致的全球氣候變暖以及近些年極端天氣頻現等環境問題突出，根據聯合國2023 年氣候變化報告，2011—2020 年全球地表溫度比1850—1900 年高出1.1 °C，由此造成的自然災害越發嚴重，進一步推動了各國碳減排的雄心；以風電、光伏為代表的新能源供給存在時間尺度上的不確定性，空間尺度的受限也導致技術推廣適用性欠缺，新能源與傳統能源的深度耦合需要以煤炭行業高質量綠色低碳發展為基礎。

2）技術攻關。低碳融合技術的核心是煤氣共采體系中的瓦斯精準抽采-分級高效利用，從源頭提升高濃度瓦斯，減少低濃度/乏風瓦斯排放量，實現CH4抽采零排放—CO2低排放，加快碳達峰落實，進一步降低峰值；負碳技術即為“CCUS+生態碳匯”等，CCUS 作為典型負碳技術，可對瓦斯利用-發電階段產生的CO2進行捕集-封存，煤礦區生態碳匯可通過邊采邊修復、植被重建、土壤重構等措施，實現源頭減排、植被固碳、土壤固碳等效果。進一步探索新能源開發技術、儲能技術安全長效發展機制，使其達到經濟性、穩定性及普適性三者互補效果。

3）政策驅動?？傮w布局以“碳達峰、碳中和”為基礎，遵循能耗“雙控”向碳排放總量和強度“雙控”轉變的政策。國家層面需明確落實碳中和規劃的政策要求、管理機制、監管措施，有效引導國有及民營企業科學投資和戰略經營決策，煤炭行業既承擔著國家煤炭安全穩定供應和能源兜底保障的責任，也肩負著碳減排的重要責任，要在煤炭資源開發、煤礦生產、煤炭加工、儲運等環節研究提出煤炭清潔高效低碳利用的具體措施；通過優化結構、科技創新、推行清潔生產等降低生產加工過程中的碳排放水平；建立以碳減排為目標的煤炭生產與消費協同機制，研究重點耗煤行業和企業的碳減排、碳中和戰略和規劃，提出碳減排實施路線。

2.2 發展路徑

隨著全球能源消費結構變動，“發達國家去煤減煤、發展中國家控煤”已成為必然趨勢[29]?！绑w系減碳”作為雙碳戰略中煤氣共采體系的關鍵點，如何實現CH4-CO2近零碳排放甚至零排放愿景，應當結合碳達峰、碳中和總體規劃。我國在堅定煤炭兜底作用的前提下，煤炭開采及消費總量逐漸下降并保持穩定，CH4等煤系伴生氣低碳抽采-清潔利用以及“CCUS+生態碳匯”效能將會放大化。如圖2 所示，基于“雙碳”戰略的總體規劃，布局現狀需求-技術攻關-政策驅動體系下的煤氣共采技術發展路徑，最終實現低碳排放→近零碳排放→（凈）零碳排放的愿景模式。

圖2 “雙碳”戰略中煤氣共采技術發展路徑Fig.2 Development path of gas co-extraction technology in dual carbon strategy

碳達峰階段核心任務是實現CH4抽采零排放—CO2低排放，降低達峰峰值同時提升CH4-CO2減排技術精準性、穩定性與經濟性。CH4減排以排放源管控為基礎視角，核心為瓦斯抽采-利用全周期碳減排關鍵技術，包含瓦斯富集區靶向精準抽采技術[30]、低滲煤層增透及注氣驅替增流抽采技術[31]、關閉礦井瓦斯逃逸通道封堵減碳技術[20]、瓦斯富集-提濃-利用一體化技術[19]，目的是大幅提升高濃度瓦斯抽采-利用效率，降低低濃度及通風瓦斯碳排放；CO2減排以“CCUS+生態碳匯”全域負碳排放技術為核心，包含煤層CO2封存[32]、工業固廢采空區充填協同CO2地質封存、煤礦碳封存區域土壤-地表-大氣異常監測及生態碳匯技術，吸納煙道氣或純CO2排放。

碳中和階段核心任務是實現CH4-CO2（近）零碳排放，完成我國能源結構優化（煤炭：基礎能源→保障能源→支撐能源，新能源：補充能源→替代能源→主體能源）的同時，構建技術可靠-成本低耗-長時安全的碳減排體系[10]。CO2減排方面應當由技術攻關示范工程轉變為規?；瘧秒A段，并建立全生命周期煤礦CH4-CO2排放智能監測及動態管控技術體系，實現監測管控技術手段與碳排放環節深度匹配、碳排放監測管控云平臺與煤礦全局監控系統深度對接。

3 關鍵技術問題及解決途徑

3.1 瓦斯抽采-利用全周期碳減排關鍵技術

CH4減排以排放源管控為基礎視角，核心為瓦斯抽采-利用全周期碳減排關鍵技術，包含瓦斯富集區靶向精準抽采技術、低滲煤層增透及注氣驅替增流抽采技術、關閉礦井瓦斯逃逸通道封堵及強化抽采技術、瓦斯富集-提濃-利用一體化技術，目的是大幅提升高濃度瓦斯抽采-利用效率，減少低濃度及通風瓦斯碳排放。

1）瓦斯富集靶向區辨識及精準抽采技術。瓦斯富集靶向區辨識是提高抽采設計可靠度、增強煤層瓦斯抽采效率的基礎，能夠有效降低煤炭開采中甲烷碳排放。主要以壓力拱、懸臂梁、砌體梁及關鍵層等理論為基礎，闡明采動覆巖裂隙分布特征具有“O”形圈[33]、高位環形裂隙區[34]、“橢拋帶”[35]、圓矩梯臺帶[36]等形態，通過裂隙分布形態分析煤層瓦斯運移滲流優勢通道。近些年來，筆者團隊基于采動裂隙橢拋帶理論，構建了多因素影響下的壓實區演化綜合效應模型，并提出了“采空區環形卸壓瓦斯富集區精準辨識+富集區內高效抽采設計”的采空區卸壓瓦斯精準高效抽采技術[37]；運用物理相似模擬試驗及理論分析相結合的研究方法，開展不同煤層傾角條件下采動覆巖卸壓瓦斯靶向區裂隙演化規律的研究，建立了靶向區演化煤層傾角效應模型[30]（圖3）；采用二維物理相似模擬試驗分析覆巖裂隙分布特征和瓦斯運–儲區的幾何變化規律，探究不同推進速度下運–儲區隨周期來壓交叉融合的變化特征，建立瓦斯運–儲區的推速效應量化表征模型，揭示推進速度影響下瓦斯運–儲區的對稱周期性構建機制[38]；以分形理論和灰色理論為基礎，運用平面物理相似模擬實驗研究的手段，開展了仰斜綜采面覆巖瓦斯緩滲區裂隙演化規律研究，得到了傾斜厚煤層仰斜綜采面覆巖瓦斯緩滲區的分域方法及分形特征[39]。結合以上成果為實現煤層瓦斯精準抽采功效最大化奠定了理論基礎。

圖3 傾斜厚煤層卸壓瓦斯靶向區分布[30]Fig.3 Distribution of target area for pressure relief gas drainage in inclined thick coal seam[30]

2）低滲煤層增透及注氣驅替增流抽采技術。我國深部煤層普遍具有低透氣性特征，強化瓦斯抽采的根本目的是達到煤層瓦斯“應抽盡抽”水準，提升高濃度瓦斯抽采效率。常規手段包括煤層增透及注氣驅替增流抽采技術。筆者建立了多場景精準增透技術體系，如圖4 所示，主要包括水力化系列措施、無水化措施以及深孔預裂爆破增透等技術[10]。

近年來，一些新型的增透技術得到研發，如：可控沖擊波增透[40]、氧化鈣無焰爆破致裂[41]等，豐富了精準增透體系內容，筆者則利用超聲致裂增透試驗系統，開展了不同功率超聲波致裂作用后煤體單軸壓縮試驗，借助聲發射監測系統及利用高清相機，研究超聲波致裂作用下煤體力學損傷參數及能量演化規律，為超聲波致裂增滲技術的現場應用及工藝參數優化提供指導[42]。隨著雙碳背景的進一步深化，對于增透技術而言，更應注重多工藝聯合使用，裝備技術應用集約化，建立增透效果提升與環境保護、資源節約協同發展技術模式，如：水力化增透措施中水資源保護與循環利用、無水化致裂措施中礦井生態平衡維持以及多種增透技術集成降低能耗、提升適配度等。

注氣驅替增流技術方面，主要以注液態N2與液態CO22 種媒介為主，以上2 種流體具有低溫、低黏、相變增壓的特性，將其注入煤體后在冷沖擊與相變壓力作用下，煤體微觀結構產生損傷，增加了煤體透氣性，改變了煤體滲透率；與此同時，二者相態轉化后，氣態的CO2、N2在其滲流范圍內起到驅替瓦斯的作用，達到強化瓦斯抽采的目的。筆者則根據注氣驅替煤體瓦斯增流機制的不同，從氣體因素、注能改性2 方面厘清了注氣驅替煤體瓦斯增流機制，氣體因素增流機制包括：充能攜載、分壓促解、稀釋促擴散、競爭吸附：注能改性增流機制包括：充能擴孔、促解擴孔、充能拓孔、脈沖氣流損傷孔隙結構/展布裂隙網絡，并提出了多方法協同注氣驅替增流抽采瓦斯技術[31]。

3）關閉礦井甲烷逃逸通道封堵減碳技術。煤礦關閉或廢棄后，甲烷排放的主要通道包括井口、通風口和采動裂隙帶。國內外研究者普遍認為，密封良好的廢棄煤礦井可以被視為潛在的氣藏，有助于減緩溫室效應，同時降低抽采中的漏風問題，提高采煤效率，其中采空區及其上覆巖層甲烷逃逸通道是主要研究熱點。如圖5 所示，為采空區及覆巖采動裂隙殘存甲烷排放路徑，采動作用導致甲烷在裂隙帶頂部形成富集區，回采工作面的推進造成上覆巖層發生變形，巖層裂隙的不斷擴展溝通地表巖層或土層，采空區及富集區的甲烷沿著裂隙網絡運移、滲流最終從裂隙網絡等逃逸通道排放至大氣。

圖5 采空區覆巖采動裂隙及殘存甲烷排放路徑Fig.5 Abandoned/closed coal mine mining-induced fractures and residual methane emission path

針對覆巖裂隙甲烷逃逸通道封堵問題，主要以人工覆巖隔離注漿技術、礦化反應裂隙自修復技術、微生物介導強化碳酸鈣沉淀封堵裂隙技術等。軒大洋等[43]提出了覆巖隔離注漿充填綠色開采技術，可通過在關鍵層下的主層位實施高壓注漿（粉煤灰、煤矸石、煤泥等），將下方覆巖的卸荷膨脹量重新壓縮轉化為可充填空間，封堵采動裂隙的同時大幅提升上覆巖層的密封性和穩定性；李全生等[44]以神東礦區為試驗區，開展了覆巖裂隙巖體自修復規律的工程實踐和理論研究，提出了應力壓實（初期）結合水-CO2-巖作用（后期）的裂隙自修復機理；鞠金峰等[45]通過將CO2與金屬離子反應劑（Ca2+和Fe3+）注入覆巖裂隙，發生礦化反應生產了膠結沉淀實現了覆巖導水裂隙的修復功能；梁運培等[20]提出了CO2直充采空區-裂隙帶注高堿性Ca(OH)2溶液的方法，通過氣液對流擴散以及陰陽離子交互作用快速實現Ca2+礦化沉淀封堵采動裂隙網絡；錢春香等[46]以含Ca2+的覆巖裂縫環境為研究對象，發現了細菌介入可誘導加速CaCO3沉積生成，實現微生物對裂縫的快速修復?；谝陨蠈W者專家提出的裂隙封堵修復方法可以發現，其實質為化學反應產生膠結沉淀進行裂隙封堵，然而采空區常溫微壓狀態下的化學反應動力學機理及效率需進一步采用創新理念加速反應，提升封堵修復機能；化學試劑注漿對礦區水環境的污染問題也不可忽略。

4）瓦斯富集-提濃-利用一體化技術。當前我國基本已經形成了較為完善的煤礦瓦斯全濃度梯級利用技術模式，見表1[21]，高濃度（30%～80%）瓦斯主要以直燃發電以及煤化工用途為主，利用率普遍能夠達到60%以上，典型項目如沁水寺河120 MW 瓦斯發電廠（世界第一）；低濃度瓦斯（6%～30%）發電利用技術已具備成熟的商業化模式，但普遍工作效率較低，僅為20%～30%，且存在附屬伴生污染物（排放NOx）的短板，典型項目如謝橋礦低濃度瓦斯氧化發電系統研發項目；對于超低濃度瓦斯（1%～6%）利用主要以蓄熱氧化、多孔介質預混燃燒、脈動燃燒和催化燃燒等技術為主，典型項目如彬長礦業小莊礦超低濃度瓦斯綜合利用項目；甲烷體積分數<1%的乏風瓦斯，其主要利用技術包括瓦斯蓄熱氧化、摻混燃燒發電等，典型項目如大佛寺煤礦瓦斯梯級利用；但超低濃度及乏風瓦斯利用率僅為≤2%，均存在燃燒穩定性差、產熱有限、技術效益較低問題，導致商業規?；茝V遇阻。

表1 煤礦瓦斯全濃度梯級利用技術及典型項目[21]Table 1 Coal mine gas full concentration cascade utilization technology and typical projects[21]

根據前述利用情況可以發現，我國煤炭甲烷高排放的直接原因是（超）低濃度和乏風瓦斯的大量排空，因此開展瓦斯富集-提濃-利用一體化技術研究，提高低濃度和乏風瓦斯利用率是減少煤炭甲烷排放的關鍵途徑。晉煤集團銘石公司負責實施的煤礦低濃度瓦斯直燃制熱一體化技術，在成莊礦白沙風井已成功替代燃氣鍋爐；山西藍焰煤層氣集團有限責任公司與四川達科特及澳大利亞蓋氏科技合作研制了不同類型吸附劑的撬裝式和工廠化提純工藝裝備，通過變壓吸附提純技術（PSA）實現了低濃度瓦斯的提純增效目的；潞安集團與中煤科工重慶研究院等單位合作建成了潞安高河乏風瓦斯氧化發電項目正式并網發電并穩定運行；中國礦業大學周福寶團隊提出了基于固體氧化物燃料電池的低濃度瓦斯清潔高效利用技術，可將（超）低濃度瓦斯的化學能直接轉化為電能，具有發電效率高和清潔無污染的顯著優勢。

為了全方位打造瓦斯綜合利用近零碳排放工藝體系，助力煤炭行業碳中和目標實現，應當進一步從技術革新及裝備開發方面系統開展瓦斯全濃度梯級利用一體化示范研究，積極對接煤電、機械、材料以及清潔能源行業先進工藝，完善瓦斯利用領域“上-中-下”全產業鏈低碳循環發展路徑，大幅提高（超）低濃度和乏風瓦斯富集-提濃效能和利用率，從根本上減少甲烷碳排放。

3.2 “CCUS+生態碳匯”全域負碳排放技術

1）深部煤層CO2封存。國內針對深部煤層CO2封存技術的探索主要以基礎研究結合先導性工程試驗為主，具備碳減排與驅替煤層氣（瓦斯）增加經濟效益雙重作用。目前僅有沁水-鄂爾多斯盆地的柳林和柿莊開展的國內首個深部煤層注入/埋藏CO2開采煤層氣技術研究項目可作為現場試驗參考對象，為我國煤層CO2封存技術應用推廣奠定了重要基礎[47]。研究重點集中于細微觀尺度上的CO2-CH4氣體吸附置換及驅替機理[48]、流固耦合條件下的煤巖體結構破壞[49]、CO2-水-煤巖體物化反應機制[50]、CO2注入對煤巖體孔隙結構影響[51]等；宏觀工程尺度的研究主要通過數值模擬、巖體力學試驗等手段開展CO2封存地質體結構穩定性、蓋層密閉性以及CO2運移-滲流-泄漏[52]等內容研究；深部煤層CO2封存潛力評價方面，主要CO2吸附解吸實驗為基礎，建立煤層CO2封存容量評價模型（物理），進一步分析其理論封存量及有效封存量，并建立了以適宜性評價方法、封存容量評估方法、封存選址方法、源匯匹配所構成的CO2地質封存潛力評價方法體系[15,47]。

如圖6 所示，筆者從蓋層穩定性、儲層密閉性以及斷層穩定性3 方面構建了深部煤層CO2封存儲蓋組合地質體力學穩定性評價指標體系，根據熵權法確定各指標權重，運用雙基點法對多時空維度下CO2封存安全狀態進行偏序比較，并采用改進哈斯圖法劃分各評價方案層次，確定不同時空效應下CO2封存儲蓋組合地質體的穩定性等級；基于集對分析與可拓學耦合理論確定可拓關聯函數值并得到評價指標與研究對象的從屬關系，進而確定某一限定狀態下CO2封存地質體可能發生的風險種類及風險程度，最終建立深部煤層儲蓋組合地質體系力學失穩及CO2滲漏評價方法。

圖6 深部煤層CO2 地質封存安全性評價體系Fig.6 Safety evaluation system of CO2 geological storage in deep coal seam

2）工業固廢采空區充填協同CO2地質封存。采空區作為CO2封存潛在地質體，得到了國內外眾多學者的廣泛關注。國外關于關閉礦井或煤礦采空區CO2封存的技術研究與應用多集中于德國、比利時等歐洲國家，ANDREAS BUSCH 等[53]和BERNHARD M.KROOSS 等[54]提出了利用廢棄礦井吸儲純CO2或煙道氣，探討了采礦固廢回填與CO2吸儲協同技術的可行性，并以西德魯爾地區廢棄的韋斯特法倫煤礦為研究目標，量化分析了該礦井CO2吸儲潛力；PARIA JALILI 等[55]通過分析深度、煤炭儲量、密封性等因素，評估了位于新南威爾士州和昆士蘭州的廢棄煤礦中CO2隔離的潛力。國內關于煤礦采空區CO2吸儲的相關研究還處于理論構想及可行性分析階段，王雙明院士等[56]探討和展望利用煤炭開采、地下氣化及原位熱解等形成的擾動空間進行CO2地下吸儲的技術途徑；劉浪等針對采空區碳吸儲技術，提出了基于功能性充填的CO2儲庫構筑與吸儲方法學術構想[57]；筆者[17]則聚焦全生命周期煤礦CH4-CO2近零碳排放理念，提出了CO2煤礦采空區吸儲與植被固碳技術。

CO2在采空區中的封存形式主要包括物理封存（構造封存、殘余氣封存）與化學封存（溶解封存、礦化封存）。就安全性而言，化學封存尤其是礦化封存被認為是安全性最高的封存方式。采空區CO2封存技術中構造及束縛氣封存占到了地質封存總量的絕大部分，但根據現有研究發現，后期CO2泄漏風險較高，采用更有效的強化固碳技術是未來的發展方向之一，工業固廢采空區充填協同CO2地質封存技術，可有效解決自然狀態下關閉礦井采空區CO2化學吸儲反應緩慢的問題。筆者及其團隊構建了工業固廢采空區充填協同CO2地質封存技術體系（圖7a），其整體思路為：在地面將堿性工業固廢（粉煤灰、鋼渣、電石渣、鎂渣等）預制成漿，通過化學改性方法進一步提升金屬陽離子含量（如Ca2+、Mg2+等），與CO2混注進入采空區，通過增大反應接觸面積以及鈣鎂等金屬陽離子含量等加快化學封存反應速率的同時起到充填采空區緩解下沉的作用，作者則進一步通過明確環境溫壓條件、采空區水環境對界面張力（IFT）及CO2溶解度的影響規律，闡明CO2-地層水氣液界面效應及溶解傳質機理（圖7b）所示，以期為采空區CO2封存安全性及封存量評估提供理論基礎[58]。

3）煤礦碳封存區域土壤-地表-大氣異常監測及生態碳匯技術。在碳封存技術中，CO2可能會出現異常泄漏問題，將會對周圍人員、環境產生嚴重影響，所以對于煤礦CO2泄漏監測是碳封存系統安全保障的重要環節。王昊等[59]在剖析CO2泄漏進入地下含水層后的空間運移及時間響應特征的基礎上建立了面向黃土塬地區CO2驅油封存CO2泄漏的全時空立體化地下水監測體系；蔣金豹等[60]通過高光譜遙感監測地表植被變化進一步間接探測了CO2輕微泄漏信息；程萌等[61]利用CO2模擬泄漏平臺，開展了不同CO2泄漏速率下水稻生長、稻田土壤性質與土壤細菌組成及多樣性的變化特征研究。筆者構建了煤礦碳封存區域土壤-地表-大氣異常監測體系（圖8），大氣監測方面主要以紅外激光氣體分析技術為主，例如便攜式紅外氣體分析儀、機載紅外激光氣體分析技術以及大氣監測站和衛星監測等；近地表監測包括衛星/無人機遙感監測、超光譜成像技術等等；土壤監測包括土壤碳含量、菌落、氣體（以CO2為主）以及水質監測等；其中針對地表植被監測及固碳能力研究方面，筆者進一步提出了典型煤礦采空區地表植被改良及固碳機制，包含了植物篩選與評估（CO2耐受度）、CO2對土壤碳庫及土壤理化性質的影響以及光合富碳捕獲-生物炭碳封存技術開發及碳中和效果估算等方面內容，以期為煤礦區“雙碳”目標實現提供新思路。

圖8 煤礦碳封存區域土壤-地表-大氣異常監測及生態碳匯技術Fig.8 Soil-surface-atmosphere anomaly monitoring and ecological carbon sink technology in coal mine carbon sequestration area

3.3 全生命周期煤礦CH4-CO2 排放智能監測及動態管控技術體系

當前，針對CH4與CO2排放的智能監測技術多以地區型-國家型-全球型的大范圍監測手段為主。見表2，為目前部分國內外煤炭CH4、CO2監測技術發展情況，基本以溫室氣體監測衛星/碳衛星或大氣環境監測衛星為主。

表2 部分國內外煤炭CH4、CO2 監測技術發展情況[21]Table 2 Development of coal CH4 and CO2 monitoring technology at home and abroad[21]

但針對煤炭企業CO2與CH4監管技術仍存在碳排放監測技術手段與瓦斯抽采-利用環節、燃煤發電等環節匹配適應度不夠，碳排放監測管控云平臺與煤礦全局監控系統對接程度不足等問題，需進一步得到重視和推行，從精準度、高匹配度、智能化等角度，建立政策驅動-技術適配-精準核算模式下的煤炭企業全生命周期CH4-CO2排放智能監測及動態核算體系，主要應該從以下幾方面開展工作：

1）建立健全礦井瓦斯全流程監管體系。針對CH4減排應遵循源頭減碳的核心理念，從井下抽采階段、礦后活動等精準監測甲烷排放情況，中國安全生產科學研究院突破了顆粒煤甲烷殘余量測定、等效粒徑快速計算、礦井回風極低濃度甲烷排放量精準計量等核心技術，建成了國內首套礦井甲烷排放智能監測計量系統。還應進一步在煤氣共采階段試點監測中，通過開展“衛星+無人機+走航”綜合監測，大幅提升生產過程中CH4無組織排放核算的全面性和準確性。

2）構建火電等重點CO2排放單位動態監測與核算機制。積極推動火電等行業研發搭載CO2排放在線監測系統，完善行業企業碳排放核算機制，建立健全重點產業碳排放核算方法，推動適用好、成熟度高的核算方法逐步形成國家標準；加強動態排放因子等方法在國家溫室氣體清單編制中的應用。

4 思考與建議

4.1 繼續深化“高效精準抽采+全濃度梯級利用”煤礦CH4 零排放技術模式

CH4作為煤炭開采行業主要碳排放源，增溫潛能（GWP）是同量CO2的21 倍，基于源頭減碳的可持續發展理念，繼續深化以“高效精準抽采+全濃度梯級利用”為核心的煤礦CH4零排放技術模式，應當從以下兩方面開展：

1）積極完善并落實“抽采體系低碳化-鉆孔施工精準化-裝備開發智能化-流程調控動態化”的瓦斯高效精準抽采發展路徑，從技術整合和裝備革新層面強化煤層瓦斯抽采效率的同時保障整個抽采體系的“雙低”（低能耗、低碳排放）運行，例如，構建以地質透明化結合瓦斯富集區辨識為理論基礎、以多層位“鉆-護-封”一體化盾構成孔及智能精準增透為核心的“采前-采中-采后”全流程高濃度、大流量瓦斯智能抽采技術體系，從源頭提質增效，弱化乏風瓦斯綜合利用效率較低的弊端。

2）大力推廣（超）低濃度和乏風瓦斯綜合利用成熟技術，建立一系列瓦斯清潔低碳利用工業示范基地。積極推進各礦區搭載先進瓦斯利用新技術，例如艾仁曼環境技術（上海）有限公司開發的乏風與低濃抽排瓦斯摻混、蓄熱式氧化爐（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）、余熱蒸汽鍋爐的組合系統；袁亮院士團隊建立了低濃度瓦斯安全穩定燃燒的理論體系，自主研發了煤礦低濃度瓦斯安全穩定燃燒技術；彬長小莊礦實施的超低濃度瓦斯綜合利用項目，該項目可將0.3%～1.2%的超低濃度瓦斯輸入RTO 氧化爐中氧化蓄熱，采用蒸汽余熱實現礦區供暖。對于超低濃度及乏風瓦斯綜合利用應注重降本提效問題，更有利于技術規?；茝V應用。

4.2 持續攻關“CO2 工程封存+生態碳匯”CO2 零排放技術體系

1）CCUS 是目前實現化石能源低碳化利用的主要技術選擇，深部煤層及采空區CO2工程封存的工業化示范及規?；瘧靡蕾囉诩夹g模式及施工成熟度的提升、整體應用成本的下降以及政策法規的相關保障等方面。深部煤層CO2封存技術需進一步從目標區域封存潛力與適宜性評價、源匯匹配與管網輸送因素、封存效能動態監測及風險預警防范措施等方面開展體系化的整合研究；采空區CO2封存在經濟效益方面勢能較弱，應積極結合工業固廢充填技術、覆巖隔離注漿技術、強化抽采采空區瓦斯技術等作為運行補充措施，推動企業主動開展技術攻關與應用。

2）生態碳匯作為礦區綠色可持續發展的工作重心，應當將礦產資源開發形成的碳源/匯與區域生態系統碳循環機制交織耦合，構成獨特的礦區碳循環系統。積極開展煤礦區典型植被碳匯功能增強技術開發，構建“地上植被-地表生物覆被層-地下植物根系與菌落”協同固碳機制；進一步探索采空區作為“儲氣庫”功能性氣肥運作模式，強化區域光合固碳作用。

4.3 積極探索煤礦“零碳智慧園區”綜合解決方案，形成激勵和倒逼并重的煤礦碳減排政策支持體系

1）構建“零碳智慧園區”是煤礦區實現碳中和的終極目標。通過舊礦區升級改造及新礦區零碳搭建模型落地，以數字化、智能化整合節能、減排、固碳、碳匯等碳中和措施，保證煤炭開采-瓦斯抽采（煤層氣開發）-瓦斯清潔利用全流程零碳運行，依托智慧園區零碳操作平臺，動態感知碳排放-碳吸納全過程，完善風-光-電-地熱等新能源開發和利用，實現園區內部碳排放與吸收自我平衡，生產生態生活深度融合的新型產業園區。

2）煤形成激勵和倒逼并重的煤礦碳減排政策支持體系。完善并強化甲烷、二氧化碳減排規章制度，推動《煤礦安全規程》《中華人民共和國安全生產法》等法律法規修訂工作，以適應新形式下的碳減排現狀；制定能源轉型和低碳發展相關法規，使約束條款具體化的同時完善碳核算、碳交易市場，在技術應用推廣上建立獎懲和問責機制，保證社會經濟與科學技術的共同發展；創新完善經濟激勵政策，推動具有煤礦碳減排效益的項目納入生態環境導向的開發項目庫；完善溫室氣體自愿減排交易機制，支持符合條件的甲烷利用和減排項目開展溫室氣體自愿減排交易，鼓勵甲烷排放控制工程項目開展氣候投融資。

5 結 論

1）以煤炭生產及其下游加工利用企業碳減排為分析視角，提出了雙碳戰略中煤氣共采技術發展面臨的挑戰。高濃度瓦斯抽采-利用效率亟需提高，低濃度及通風瓦斯碳排放量逐年增加；極端天氣及油氣能源依存不穩定性加劇煤炭生產及其下游加工利用行業碳排放；全生命周期CH4-CO2動態監測及管控技術體系不完善。

2）基于現狀需求-技術攻關-政策驅動的核心原則，探討了雙碳戰略中煤氣共采技術發展路徑。碳達峰階段核心任務是實現CH4抽采零排放-CO2低排放，CH4減排以排放源管控為基礎視角，核心為瓦斯抽采-利用全周期碳減排關鍵技術；CO2減排以“CCUS+生態碳匯”全域負碳排放技術為主體內容。碳中和階段任務是實現CH4-CO2（近）零碳排放，構建技術可靠-成本低耗-長時安全的碳減排模式，并建立全生命周期煤礦CH4-CO2排放智能監測及動態核算技術體系，實現監測管控技術手段與碳排放環節深度匹配、碳排放監測管控云平臺與煤礦全局監控系統深度對接。

3）提出了煤礦區“雙碳”目標實現的思考與建議：繼續深化“高效精準抽采+全濃度梯級利用”煤礦CH4零排放技術模式；持續攻關“CO2工程封存+生態碳匯”CO2零排放技術體系；積極探索煤礦“零碳智慧園區”綜合解決方案，形成激勵和倒逼并重的煤礦碳減排政策支持體系。