我国煤炭绿色开采技术进展

刘 具,秦 坤

(1.中国煤炭工业协会咨询中心,北京 100013; 2.中国地质大学(北京),北京 100080)

我国“缺油、少气、相对富煤”的能源资源禀赋决定了煤炭的基础能源地位,其在能源供给产业链中一直起着“压舱石”“稳定器”的重要作用[1-2]。2022年,我国能源消费总量达54.1亿t标准煤,比2021年增长2.9%,其中,煤炭消费量增长4.3%,占能源消费总量的56.2%,比2021年上升0.3%。未来相当长的一段时间内,我国煤炭年需求总量增速最低将保持在2%以上[3]。

煤炭开采会引发一系列环境问题,如:水资源污染与浪费、瓦斯排放、地表沉陷。为最大限度降低对生态环境的影响,绿色开采理念在21世纪初被提出。随着“绿水青山就是金山银山”“可持续发展”“碳达峰、碳中和”等要求的实施,发展绿色矿业已成为新时代煤炭高质量发展的必然选择与重大需求[4-9]。煤炭绿色开采被提出至今已有20年,随着发展理念的转变与新技术的推广应用,其展现出了显著时代特征。笔者梳理了20年来煤炭绿色开采技术发展历程,论述了煤炭绿色开采技术主要进展,展望了未来发展方向。

1 我国煤矿绿色开采内涵与要求

1.1 我国煤矿绿色开采内涵发展历程

我国煤矿绿色开采最早由钱鸣高院士2003年提出[10],以期实现煤矿的“低开采、高利用、低排放”。绿色开采是从广义资源角度认识煤炭、煤层气、水等可用资源,出发点是降低开采过程对环境和共伴生资源的影响,目标是获得最佳的经济和社会效益。

随着技术进步与新发展理念提出,绿色开采技术内容不断得到丰富。其中,开采过程中可利用资源种类不断增多,如:之前被认为是污染物的煤矸石,随着化工、发电技术的进步,通过资源化利用使其从污染物转变为具有经济价值的资源;煤矿废弃地下空间,随着碳封存、抽水蓄能等技术的成熟而转化为可利用资源[11-14]。此外,煤矿地热资源利用也逐渐走向集约化、多样化;瓦斯梯级利用技术的突破,可实现甲烷体积分数为1%～6%的低浓度瓦斯通过蓄热氧化与掺混技术转化为热能后进行电、热、冷三联供[15]。

为最大程度减轻煤炭开采与自然生态环境之间的矛盾,2020年王双明院士团队围绕煤炭勘查与开采全过程,提出“采前精细勘查,采中有效减损,采后恢复利用”全生命周期煤炭绿色开采地质保障理念[1],如图1所示。此理念中“采前精细勘查”的关键技术基础是煤矿智能化的蓬勃发展。智能开采技术已在煤炭绿色开采领域得到广泛应用,如:智能充填开采技术、智能保水开采技术、智能瓦斯抽采技术等。这种将智能化技术应用于煤矿绿色开采的理念被广泛称为“智能绿色开采”。

图1 煤炭全生命周期绿色开采技术框架

近年来,随着“碳达峰、碳中和”理念的提出,我国煤炭绿色开采充分吸收这一理念并衍生出低碳开采概念,如:利用废弃矿洞开发碳封存技术与储能技术、基于数字化技术实现煤炭开采全过程能耗精准控制、矿区分布式光伏电站建设、沉陷区碳汇林建设等[11-12]。

我国煤炭绿色开采内涵在历经20年的发展后(见图2),已丰富拓展为以下5个方面:

图2 煤炭绿色开采内涵发展历程图

1)从广义资源角度认识和对待矿区地下、地上全空间尺度与采前、采中、采后全时间尺度一切可利用资源;

2)防止或尽可能减少煤炭开采对环境和其他资源的不良影响,并进一步修复、提升矿区生态环境;

3)关键路径是采前精细勘查、采中有效减损、采后恢复利用,以及煤矿全生命周期绿色低碳运行;

4)主要手段是持续推进智能化、数字化等先进技术对煤炭绿色开采技术的深度赋能;

5)主要目标是取得最佳的环境效益、经济效益和社会效益。

1.2 我国煤矿绿色开采要求

我国始终积极应对全球气候变化,在绿色转型、低碳减排时代大势中勇担使命。煤炭作为当前我国的能源支柱,政府高度重视煤炭开采的绿色发展,并出台了系列政策、法律、法规和标准等。

1)结合新形势提出新要求

《煤炭法》修订更加注重与《环境保护法》《大气污染防治法》等相关法律衔接,修订条款充实了对煤炭绿色开发、煤炭清洁高效利用、采煤沉陷区综合治理、可再生能源等的支持,指导煤炭资源开发走向绿色发展道路。

2)重点关注生态脆弱区域

中国煤炭工业协会在煤炭行业“十四五”高质量发展报告中提出:做好黄河流域煤炭资源开发与生态环境保护总体规划和矿区规划,实现煤炭资源开发、建设和生产与生态环境保护工程同步设计、同步实施,提升矿区生态功能,建设绿色矿山。陕西、内蒙古等黄河流域重点产煤省份(区),要求符合绿色矿山创建条件的要做到“应建必建”。

3)绿色开采融合发展

中央及各产煤省结合实践实际,鼓励并引导煤炭行业走融合发展道路,提出绿色低碳开采、绿色智能开采、安全绿色开发等要求。

综上所述,随着智能化、数字化等新技术的进步与“双碳”等新理念的提出,我国煤炭绿色开采内涵不断被丰富,并被赋予新的时代定义。政府高度重视煤炭绿色开采,并结合当前新形势,从绿色开采内容、思路、要求等方面出台系列法律、法规、标准和政策,确保煤炭绿色开采落地实施。

2 采前绿色勘查与地质保障技术进展

地质勘查是煤炭开采的前提和保障,而绿色勘查是绿色发展理念在煤炭资源勘查过程的具体体现。煤炭绿色勘查技术是通过高效环保的技术、方法和设备,降低对生态环境的影响,同时强调煤炭开采与地质结构、地表生态环境变化的整体研究,以实现地质勘查与生态保护协同发展[16]。

煤炭绿色勘查关键技术主要包括遥感技术、快速精准钻探技术、高精度地球物理勘探技术及信息化探测技术[17]。经多年探索、研究,我国地质勘查技术取得极大进步,如:我国青海省地矿系统探索出“一基多孔”“一孔多支”等绿色勘查手段,开发了勘探痕迹复绿、勘探材料无公害处理等绿色勘查技术,为生态保护区矿产资源勘查找到一条创新之路。同时,我国煤炭地质保障技术取得重大进展,形成“开采前精细勘查、开采过程有效减损、开采后恢复利用”的发展模式。

未来我国应进一步加大绿色勘查技术方面的投入,重点研究遥感(RS)与地质测绘相结合的高分辨率、高精度地质填图技术,以及钻场生态环境快速恢复技术和煤中有害(益)组分精准测试技术,研制绿色无公害泥浆、泡沫、压裂液、压裂材料,形成一整套煤炭绿色勘查技术体系[16]。此外,引导企业加大对地质保障技术研究的相关投入,逐步构建透明工作面、透明采区、透明煤矿动态地质模型,形成“采前能查明、采中能减损、采后能利用”的煤炭绿色开采地质保障技术体系,这是实现煤炭资源绿色开采的重要基础[1]。

3 采中绿色开采技术进展

3.1 保水开采技术

保水开采是煤炭绿色开采的重要组成部分,也是解决干旱、半干旱地区煤炭开采与水资源和生态环境保护问题的重要途径。在我国西北地区,煤炭储量占全国总探明储量的33.1%,但年降水量多在400 mm以下,是全球同纬度最干旱地区之一[18-19]。煤炭大规模开发,导致具有供水意义的含水层失去储水功能,破坏了水资源平衡[20]。为解决我国西北地区煤炭开采和水资源保护之间的矛盾,我国学者开展了大量保水开采技术探索,目前大致形成2种技术路径:以“堵截法”为主的煤矿保水开采技术和以“疏导法”为主的矿井水储存再利用技术。

目前采用的“堵截法”技术手段主要包括:导水裂隙带发育高度抑制技术、关键隔水层再造与含水层再造技术、底板破坏深度或强度减缓技术[20]。王双明等[21-24]通过分析煤层厚度、含水层与煤层的空间位置关系,对榆神矿区、神东矿区、神南矿区、哈密煤田进行保水开采分区,提出各分区适宜的区域采煤方法规划方案;马立强等[25]研制了CO2矿化煤基固废负碳充填材料,推进了保水开采的协同技术发展,为保水开采与固碳减碳的协同发展提供了新思路;张东升等[26]从上覆岩层整体阻水性入手,综合覆岩阻水行为与地下水系统的动态响应关系,提出将上覆隔水岩层(组)虚拟为等效阻水层的学术思想,形成了基于等效渗透系数计算等效阻水厚度的保水采煤可行性评价新方法。针对矿区水资源紧张与矿井水外排造成的资源浪费问题,顾大钊等[27-29]学者提出并建立煤矿地下水库的保水技术体系,在神东矿区建成煤矿地下水库35座(见图3),极大解决了矿区水资源保护与利用难题,促进了煤炭开采与地下水资源保护利用协调发展[30]。

图3 煤矿地下水库示意图[31]

由于我国西部煤矿地质环境条件复杂,以“堵截法”为主的保水开采仍然面临许多重大科学与工程难题,如:覆岩应力场、裂隙场和渗流场演化特征及规律研究,大采高及多煤层开采条件下导水裂隙带高度预测[32]。而以“疏导法”为主的煤矿地下水库方面的研究需聚焦煤矿地下水库汇集地下水的过程及其对区域地下水系统的影响规律、煤柱坝体应力—渗流耦合特性及承载稳定性、东部大水矿区和东部草原区露天煤矿地下水库建设等问题[31]。

3.2 充填开采技术

煤矿充填开采是从源头防止地表沉陷,实现以最小的生态扰动获取煤炭资源的一种绿色开采技术。通过对充填开采工艺的设计、优化,可将开采过程对生态环境、水土资源和基础设施等的影响限制在可控范围内,促进煤炭开采和生态环境保护、经济社会发展的协调[33]。经过长期研究实践,我国逐渐形成以固体充填、膏体充填、超高水材料充填、覆岩离层注浆充填开采为主要技术手段的煤矿充填开采方法[33-34]。

近年来,充填开采技术实现了突破性发展,形成系列重大研究成果。针对西部蒙陕地区高产高效矿井煤矸石绿色低干扰处置需求,研发了井下煤矸智能采选充一体化技术,并逐步在黄陵二号井、大海则煤矿进行工业性试验,双工作面最大可实现矸石充填能力1.0 Mt/a[35-36]。2022年,冀中能源邢东煤矿建成我国首个固体智能充填采煤工作面,实现充填液压支架架后智能充填,达到充填率85%,月产6万t的应用效果,同时,充填工效提升54%,每班减少4～5名工人[37]。

但煤矿充填开采受充填材料短缺、充填成本高、充填效率低等因素限制。未来我国应继续在新型充填材料开发、关键充填装备研发、智能化充填新工艺构建等方面进行突破,同时也应加大对充填开采标准化体系建设方面的政策扶持力度。

3.3 煤与瓦斯共采

煤与瓦斯共采是煤炭绿色开采技术的重要组成部分,对于矿井瓦斯灾害防治、矿区温室气体减排和瓦斯资源开发利用具有重要意义。从开采时空关系看,瓦斯抽采贯穿煤矿全生命周期,包括采前预抽、采动卸压抽采及废弃采空区瓦斯抽采等阶段[38]。经过长期探索,我国煤与瓦斯共采逐渐形成3种模式:井上下联合抽采的晋城模式、卸压抽采的两淮模式、沁水盆地地面煤层气开发模式[39],如图4所示。

(a) 晋城模式[40]

近年来,煤与瓦斯共采技术得到进一步推广,并在卸压开采抽采瓦斯、无煤柱煤与瓦斯共采、煤层群开采条件下井上下立体抽采、深井低透气性煤层揭煤防突等关键技术方面取得系列创新性研究成果,关键技术指标达到世界领先水平,为复杂地质条件下高瓦斯、突出矿井安全高效开采奠定了坚实基础。

但我国大部分矿区煤层透气性低,且随着开采深度增加,煤层瓦斯压力、瓦斯含量、地应力和瓦斯涌出量不断增大,瓦斯灾害愈发严重,瓦斯抽采难度进一步增大[8]。因此,应重点开展低透气性煤层改性增透机理、低透气性煤层瓦斯抽采方法研究。同时,以岩层移动与采动裂隙分布规律等为基础理论,力争在瓦斯抽采技术、设备和装备研究中有所突破。

3.4 煤炭地下气化

煤炭地下气化是从根本上解决传统采煤方法存在的一系列技术和环境问题的重要途径,也是实现煤炭绿色开采的一项革命性技术。其通过将处于地下的煤炭在原位进行有控制的燃烧,变传统的物理采煤为化学采煤(见图5),具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点。

图5 煤炭地下气化工程示意图[42]

我国自1950年代在鹤岗、大同等16个矿区进行巷道式煤炭地下气化试验[43],通过近40年的技术攻关,首创了以“长通道、大断面、两阶段”为核心的巷道式煤炭地下气化新工艺[44-45],先后在徐州新河二号井和河北唐山市刘庄煤矿开展工业性试验[46],实现持续运行长达5年的技术突破。21世纪以来,我国在多个矿区开展了煤炭地下气化试验,产气量在2万～8万m3/d,其中,中梁山北矿产出气热值高达11.5 MJ/m3(标准状态下)[47]。2017年8月,新疆首个煤炭地下气化一期前置工程开工建设,煤层埋深达到450 m,是目前我国钻井式气化采煤埋深最深项目。2019年3月,山东省首个大型煤炭地下气化发电工程开建,同年11月,准格尔旗唐家会矿区煤炭地下气技术工业化示范项目正式投产[48]。

大量工业性试验表明,煤炭地下气化技术可行,但仍存在单炉产气量小、运行不稳定、运行时间短、对污染物扩散规律认识不清等问题。因此,应加强煤炭地下气化基础研究和工程技术开发方面的研究,包括实体煤层燃烧、热解、气化、贯通特性,以及气化过程特征场演化规律、地下煤气化污染物在燃空区富集与迁移规律、规模化生产地下气化炉结构及构建技术、地下气化连续稳定控制技术、煤炭地下气化多联产技术等[49]。

3.5 智能绿色开采技术

智能绿色开采是推进煤炭生产方式和发展模式深层次变革的重要方式,其实质是将智能开采技术应用到绿色开采过程中,实现煤炭资源开发与生态环境保护协调发展。

近年来,随着煤矿智能化建设的不断推进,智能绿色开采技术和装备取得了长足进步。如:伊犁新矿煤业有限责任公司将智能化技术运用于弱胶结地层保水开采当中,构建了融合矿区水资源承载力的长壁工作面开采参数智能决策技术体系,可实现保水开采智能决策与智能控制和长壁工作面日均8 m/d以上、涌水量10 m3/h以下的安全、高效、智能保水开采;邢东矿采用智能充填开采技术,使工作面生产能力得到大幅提高,工作面月产由3.6万t增加至7.2万t,每班人员减少8～10人,1个循环作业时间减少约2.5 h,效率提高约50%[50]。

智能绿色开采技术主要包括智能保水开采技术、智能充填开采技术、煤—岩—水—环智能一体化技术、瓦斯智能抽采技术、矿井灾害智能预警技术等。智能绿色开采已涉及绿色开采技术的方方面面,其根本在于通过高精度传感器、智能化设备、大数据智能分析、数字化协同等手段实现:①减人、提效、增安,如智能化跳汰远程集控、智能化刮板运输等;②提高精细化作业水平,如瓦斯智能化精准抽采技术、煤岩界面识别技术、设备姿态检测技术等;③多场景协同,如煤与瓦斯共采、井上下精细勘探等[37,51-58]。

综上所述,智能化与数字化技术对提升煤炭绿色开采技术水平意义重大。目前智能绿色开采存在多系统协同程度尚需加强、关键设备智能化适配度有待优化、相关人才紧缺等问题。

4 采后生态修复与资源综合利用进展

4.1 采后生态环境修复

4.1.1 土壤改良技术

土壤是植物生长所需水分、养分和生存环境的基础,矿区土地复垦土壤改良对采后生态环境修复具有重要意义。目前我国矿区复垦的土壤改良方法主要有物理法、化学法、生物法及联合改良法[59]。

近年来,我国也逐渐开始将RS、GPS和GIS等技术应用于露天煤矿土壤改良,采用RS技术获取矿区复垦地影像,确定土壤改良范围、面积和类型,采用GPS技术对复垦土地进行定位、测绘,采用GIS技术对复垦后土地进行适宜性评价。

我国虽在矿区土壤改良研究方面取得丰硕成果,但仍有许多问题亟待深入研究,如:分析土壤改良原理、提高矿区土壤改良方面的认知水平、加大相关资金的投入、加强土壤改良法制标准的研制、创新土壤改良技术等[60-61]。

4.1.2 植被重建技术

不同植物对矿区复垦土壤改良效果及生态环境的恢复能力并不相同,且其生长状况、适应能力与气候条件密切相关。因此,依据矿区地理、气候条件选择合适的植被类型对恢复矿区生态环境十分关键[62]。矿区植被重建应综合所处区域、地形、气候等方面因素,选择根系发达、适应力强、抗逆性好、成活率高、能够改良土壤的植物,这是矿区生态修复的前提和基础[63]。

4.2 矿区资源综合利用

4.2.1 抽水蓄能技术

为提升废弃矿井综合利用水平,我国积极开展废弃露天矿坑建设抽水蓄能电站和煤矿地下水库建设(见图6),如:辽宁省阜新市利用海州废弃露天煤矿作下位水库,并将其改建成抽水蓄能电站[13];顾大钊院士团队在大柳塔煤矿开展了煤矿地下水库建设的工程实践[64]。此外,我国积极探索利用盾构机(TBM)改造废旧矿洞,采用盾构技术建设抽水蓄能电站工程。目前,已将TBM应用于抽水蓄能电站排水廊道、自流排水洞、引水斜井、通风安全洞、排风竖井、交通洞等的建设当中[65]。

图6 金属矿和煤矿地下蓄能设施示意图[13]

4.2.2 CO2封存技术

煤矿开采结束后的残煤对CO2有较强的吸附能力,可用于井下碳吸附和碳储存。因此,在关闭矿井/煤矿采空区/残采区开展CO2地质封存是“双碳”背景下煤炭绿色低碳发展重点方向之一[12],而采空区CO2封存有希望成为煤炭基地碳捕集、利用、封存的特色技术。利用煤层采空区碎裂煤体、地下气化灰渣进行CO2地下封存的可行性已被证实。黄定国等[66]认为,将CO2封存于煤层中应考虑封存安全性,而开采工程扰动、封存地质体结构、地质灾害等因素都会对CO2封存的安全性造成影响;王双明等[67]提出CO2煤矿采空区吸储与植被固碳理念,构建以煤矿近零碳排放为核心的全生命周期煤气同采技术体系,但目前相关技术仍处于理论研究水平,尚未进行现场试验。

采空区关键区域充填储碳空间重构研究任重而道远,需从基础理论出发,深入系统开展创新攻关,积极推进废弃矿井CO2封存地质工程响应规律研究,以保障“双碳”目标下废弃矿井绿色、低碳、多能互补体系建设。同时,煤炭企业应高度重视相关方面的科技创新,以实现采空区关键区域充填储碳空间重构基础理论与关键技术的突破。

此外,除CO2封存外,废弃矿井还被用于压缩空气储能、氢氨储能等新用途[68]。

4.2.3 低热值煤发电技术

低灰高热值煤泥可用于燃烧发电或制备水煤浆、型煤,高灰低热值煤泥主要作为工业填料和建筑掺合料。但将煤泥用作填料、制砖或制水泥的经济附加值较低,经济和社会效益不显著,造成资源浪费[69]。

循环流化床技术(Circulating Fluidized Bed,CFB)是重要的清洁煤燃烧技术,具有燃料适应性广、燃烧效率高、排放低、负荷调节力强等优点(见图7)。CFB锅炉流态化燃烧特点为低热值燃料的使用创造了有利燃烧条件,使其成为煤矸石、煤泥等低热值煤资源工业化综合利用的有效途径[70]。目前,煤矸石和煤泥在CFB锅炉中掺烧技术较为成熟,通过对CFB锅炉进行特殊设计,可进行更低热值燃料燃烧,并取得良好应用效果[71-72]。

图7 CFB锅炉循环运行图[73]

我国在资源综合利用方面已取得长足进步,并形成地上、地下全空间维度和采前、采后全时间维度的广义资源观念。然而,一些现象仍需重视,煤炭资源本身回采率并不理想,如放顶煤不彻底、煤柱过大,以及机械化采煤引起边角区域原煤回采率低等问题依然突出。煤炭回采率和高效的资源综合利用技术不匹配,在提高资源综合利用的同时应进一步提高煤炭回采率。

4.2.4 煤矿地热开发

随着浅部煤炭资源逐渐枯竭,煤炭开发正在以8～25 m/a速度向深部转移[74],面临的深部地热问题也愈发显著。而地热作为一种资源,将其进行资源化利用,对煤矿绿色开采、“双碳”目标的实现具有重要意义。

地热资源开发利用,尤其是地热供暖和制冷技术取得长足进步,煤—热共采成为研究热点[74]。万志军等[75]提出煤—热共采概念,阐述了煤热共采基本理论与技术框架,分析了煤—热共采关键技术,包括共采工艺、井下钻井与成井工艺、井下抽采与回灌技术、高效能热泵技术、高效能集输与间接换热技术、动态监测和智能调峰技术等;亢方超等[76]提出基于开挖的增强型地热系统,为高温区域地热资源大规模开采提供了全新解决方案;张吉雄等[77]针对地热与煤炭资源协同开发问题,提出充填埋管采热、采空区储水采热、采动区封闭采热及深部原位钻井采热4种采热方法;曾一凡等[78]提出一种集约型煤水热多资源正效协同开采模式,并以陕西榆林小纪汗煤矿为案例,评估了系统运行节能减排效益,结果表明该开采模式减少了矿区24.2%的CO2排放量,节能减排效果显著。

目前,常见取热方式包括充填埋管取热、采空区矿井水取热和深部煤矿含水层取热等[79],主要技术途径包括水源热泵、地源热泵、空气源热泵技术等。而在提取巷道围岩热能的同时降低矿井温度是地热利用的关键,将地埋管换热器布置于采空区充填材料或巷道围岩内[80-81]提取围岩热能是未来矿山地热利用的发展方向。

综上所述,矿区采后生态修复技术的发展使煤炭开采与生态环境保护之间的冲突逐渐缓和,而资源综合利用技术的发展进一步将煤炭开采中的负担转化为发展优势。因此,采后生态修复与资源综合利用越来越成为我国煤炭绿色开采发展的重点。

5 结束语

煤炭绿色开采在平衡煤炭开采与生态环境保护中发挥着举足轻重的作用。近年来,煤炭绿色开采不断向全生命周期方向发展,并逐渐形成智能绿色“采前精细勘探、采中有效减损、采后恢复提升”发展新模式。此外,绿色开采不断吸收新发展理念与新技术,走出了一条智能绿色低碳发展道路。以煤矿地下水库、智能绿色充填开采、矿区生态重构等技术为代表的煤炭绿色开采技术,为推动煤炭行业绿色低碳转型与高质量发展做出了重大贡献。

未来,我国应充分利用智能化、数字化等新兴技术赋能煤炭绿色开采,进一步在降低煤炭绿色开采综合成本、提高效率等方面发力,为我国煤炭行业高质量发展夯实基础。