2024-01-23
（1）着眼于“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角，探索了“煤”“废”“碳”协同发展路径，为推动煤炭绿色低碳发展提供新思路。（2）阐明了“煤”的减损化开采科学内涵，明确了生态脆弱区含（隔）水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题，提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术。（3）阐明了“废”的功能化利用科学内涵，明确了固废功能化利用的科学问题，包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论三个方面，形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系。（4）阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵，提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径，厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存空间构筑、CO2封存机理与调控、CO2封存长期环境效应和储库稳定性等方面的科学问题，明确了碎胀空间CO2封存、基于功能性充填的CO2封存等关键技术，形成了利用煤矿采空区实现CO2低碳封存的新模式。作者：王双明1, 刘 浪2, 朱梦博2, 申艳军3, 师庆民4, 孙 强4, 方治余2, 阮仕山2, 何 伟2, 杨 潘2, 王建友 5单位：1. 西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院;2. 西安科技大学 能源学院;3. 长安大学 地质工程与测绘学院;4. 西安科技大学 地质与环境学院;5. 西安弗 尔绿创矿业科技有限责任公司在“双碳”目标下，“煤” “废” “碳”构成了煤炭的“不可能三角”，严重制约着煤炭的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废” “从哪里来到哪里去”的原则，着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能 化利用、“碳”的低碳化处置三维视角，探索“煤”-“废”-“碳”协同发展路径，为破解煤炭“不可能三角” 和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体开展工作包括:（1） 阐明了“煤”的减损化开采 科学内涵，明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律 和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题，提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄 条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术;（2）阐明了“废”的功能化利用科学内涵， 明确了固废功能化利用的科学问题，包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论 3 个方面，形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、 全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系;（3）阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵，提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径，厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于 矿化材料制备、封存空间构筑、CO2 封存机理与调控、CO2 封存长期环境效应和储库稳定性等方面 的科学问题，明确了碎胀空间 CO2 封存、煤矿 CO2 固碳充填等关键技术，形成了利用煤矿采空区 实现 CO2 低碳封存的新模式。立足煤炭绿色低碳可持续发展，协同推进“煤”的减损化开采、“废” 的功能化利用与“碳”的低碳化处置，对推动煤炭行业“双碳”目标实现具有重要意义。煤炭工业承担着我国能源供应安全兜底保障 的重要使命，而立足于我国推进能源新战略和实现 “双碳”目标现实需求，绿色低碳化已成为新时代 煤炭工业高质量发展必须面对和破解的重大技术 难题。但煤炭绿色低碳发展进程中仍面临着诸多痛点:（1）存在煤炭损失、地质损伤与环境损害(“煤” 的问题)。（2）产生大宗煤基固废(“废”的问题)。（3）排放巨量 CO2(“碳”的问题)。“煤”“废” “碳”构成了煤炭发展的“不可能三角”，也是煤 炭绿色可持续发展的瓶颈所在。因此，突破煤炭高 效回收、减少对地质与环境损伤、固废规模化处置、 低成本 CO2 封存等技术瓶颈，探索“煤”“废”“碳”协同发展新模式，是煤炭工业可持续发展的必由之路。据此，笔者团队建议:以煤炭减损化开 采应对“煤”的问题、以固废功能化利用应对“废” 的问题、以 CO2 低碳化处置应对“碳”的问题，最终形成“煤”“废”“碳”协同发展新模式(图 1)。2.1 “煤”的减损化开采科学内涵
“煤”的减损化开采是在充分认识煤层覆岩结构及开采分区基础上，运用以充填开采为核心的减 损技术组合，实现减少煤炭损失、减少地质损伤和 减少环境损害的目的(图3)，从而确保煤矿区资源、经济、环境效益最大化。“煤”的减损化开采科学内涵主要体现在:通过精细地质探查厘清覆岩-煤-水空间组合，揭示科 学运用充填减损开采技术下的采动覆岩变化规律， 提出资源减损与地质环境减损相协调的地质判据 和开采分区，形成以充填技术为核心的减损工艺组合方案。从而最大限度采出地下煤炭资源，减少遗 煤量，并削弱对生态水位和地表生态的损害。2.2 “煤”的减损化开采科学问题
“煤”的减损化开采是以“减少煤炭损失、减 少地质损伤和减少环境损害”为目标的技术思路， 要求采煤工艺与减损组合技术相互匹配协调，并对 地质环境影响可控，充分考虑地质基础和多场耦合条件下的采动覆岩移动损伤和地表变形，确保资源 回采与生态效益最大化。其关键科学问题包括:矿 区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用 下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形 规律，最终建立采煤减损技术应用下隔水岩组稳定 与地表变形可控的地质量化判据(图 4)。2.3 “煤”的减损化充填开采关键技术
“煤”的减损化开采的核心之一是充填开采， 充填开采的关键则是将性质稳定的充填材料输送 至采空区置换资源并减少地质和环境损害。鉴于井 工开采面间煤柱、边角煤和三下压煤等或多或少存 在煤炭丢失问题，笔者分别提出了回收面间煤柱的 掘-充-留一体化方法、回收边角煤及小范围压煤的 窄条带式充填开采方法和回收大范围压覆煤炭的架后充填开采方法，以期为煤炭减损化开采提供技术支撑。......
3.1 “废”的功能化利用科学内涵
“废”的功能化利用是在明晰多元煤基固废 基础物理化学特性的基础上，进行固废材料改性， 使其满足安全、环境、稳定等性能要求，再基于固废协同处置理论制备固废基胶凝材料，胶结煤矸石、 气化渣等固废骨料制备全固废充填材料，实现大宗固废的规模化、无害化、功能化利用，为煤的绿色 低碳利用提供保障。“废”的功能化利用是以“固废原材料改性 →煤基固废协同处置→煤矿全固废充填”为技术 思路，使煤基固废具备煤矿充填所需的安全性、环 境性、流动性、水化活性、经济性等特性，在充分 考虑井下地质环境保护的前提下，最大化消纳地面固废，实现井上、下环境的双向优化和充填矿井及固废企业的可持续发展。其关键科学问题在图 12 中体现，包括:煤基固废原材料改性方法与机理、多 元固废协同作用机理、全固废充填材料性能调控理论，最终形成基于改性煤基固废协同处置的煤矿全固废充填处置模式。大量煤基固废自身缺陷难以克服，导致区域内煤基固废的减量化、无害化与资源化处置产业发展 阻力重重。如何解决固废自身问题使其具备功能化 利用条件以扩大固废的无害化处理规模，成为了当 前研究的关键。通过实施煤基固废改性技术，对各 类固废进行改性，消除缺陷，提升性能，是实现“废 的功能化利用关键技术”的前提，是拓展固废其他 功能化利用的基础。......
4.1 “碳”的低碳处置科学内涵
“碳”的低碳化处置(Negative Carbon Disposal, NCD)是在考虑地质条件和煤炭开发工艺的条件下， 充分利用采空区形成的地下空间，通过充填可以矿 化 CO2 的固体废弃物(如粉煤灰、气化渣、钢渣、 赤泥等)和废水(高矿化度、难处理污染水或废水)， 以化学反应固化和物理吸附等方式将 CO2 封存在采 空区内，在采空区充填的同时实现 CO2 的封存。4.2 “碳”的低碳处置科学问题
“碳”的低碳化处置是基于“功能性充填的 CO2 储库构筑与封存”学术构想，采用功能性充填 技术在煤炭开采过程中同步构筑 CO2 封存储库，用 控制功能性充填材料的方式，以满足充填体强度、 防渗等 CO2 封存条件;用控制储库单元与储库群结 构的方式，以保障 CO2 封存空间的稳定性与安全性; 用高富含 Ca/Mg 固废矿化反应的方式，以确保 CO2安全封存;形成“功能性充填材料制备→功能性充 填与 CO2 封存储库构筑→CO2 物理与化学协同封存 →CO2 封存安全及环境风险评价”的 CO2 封存新模 式，其涉及的科学问题如图 16 所示。4.3 “碳”的低碳处置关键技术
煤层开采后上覆岩层垮落后形成的碎胀空间为 CO2 物理封存提供了巨大的物理空间。在综合 评价盖层气密性与稳定性的基础上，为避免封存区 CO2 逸散至井下作业环境，需要将封存区与井下作 业空间隔绝开来，基于提出的封存区回字形充填密 封的技术路线，即采用功能性充填的方法在封存区 周围构筑回字形高强度、低渗透、充分接顶的功能 性充填体。从而由顶部低渗透的盖层、功能性充填 体和底板构成密闭的碎胀空间，为 CO2 物理封存提 供空间基础。将低浓度的CO2注入密闭的碎胀空间， 一部分 CO2 气体游离在垮落岩石间的间隙中，另一 部分吸附与岩石表面或者岩石孔隙中，实现 CO2 物理封存，具有较大的封存潜力。碎胀空间 CO2 封存 示意图如图17所示。
(1) 煤炭减损化开采是以“减少煤炭损失、减少 地质损伤和减少环境损害”为目标，在充分认识地层结构基础上，协调匹配采煤工艺与减损组合技术， 建立采煤减损技术应用下隔水岩组稳定与地表变形可控的地质量化判据，论述了充填减损化开采关 键技术体系，包括面间煤柱“掘-充-留”一体化技术、 窄条带式充填开采、架后充填开采等关键技术和煤 矸石注浆充填技术，确保资源回采与生态效益最大化。(2) 基于多元煤基固废基础理化特性，从矿山充填的角度论述了“废”的功能化利用的科学内涵 和科学问题，提出了煤基固废源头改性方法、物理 活化和化学激发制备固废基胶凝材料方法，综合制备固废基胶凝材料、胶结煤矸石、气化渣等固废骨料制备全固废充填材料，初步形成“煤基固废改性→全固废胶凝材料研制→全固废充填材料制备”技术路径和工业化生产工艺，为大宗煤基固废的规模化、无害化、功能化利用提供了新思路。(3) 综合地质条件和煤炭开发工艺，提出了以化学反应固化和物理吸附的方式封存 CO2 与矿井充填开采-封存储库构筑一体化方法。确定了固废基 CO2 矿化封存材料制备与储库构筑、多相-多场耦合下 CO2 封存机理与调控机制与 CO2 封存长期环境 效应及储库稳定性等关键问题，提出了碎胀空间 CO2 封存、基于功能性充填的 CO2 封存以及煤矿 CO2 固碳充填等碳在地下空间的低碳处置关键技术， 为 CO2 封存提供新的模式。
图 1 “煤”-“废”-“碳”协同发展总体思路
图 2 “煤”-“废”-“碳”协同发展实施路径
图 3 煤炭减损化开采内涵
图 4 煤炭减损化开采的科学问题
图 5 覆岩隔水层采动损害条件
图 6 面间煤柱“掘-充-留”一体化技术原理
图 7 三倍基准短壁连采连充开采工艺
图 8 排水/气-补浆多功能充填管
图 9 综采架后充填采煤工作面平面
图 10 早强型充填材料
图 11 煤矸石浆体充填技术
图 12 “废”的功能化利用科学问题
图 13 胶凝材料的研发及生产规范路线
图 14 全固废充填材料制备及充填工艺
图 15 MF·C 胶结煤矸石全固废充填材料的单轴抗压强度
图 16 “碳”的低碳处置科学问题
图 17 碎胀空间 CO2封存
图 18 基于功能性充填的 CO2 封存
图 19 煤矿 CO2固碳充填工艺示意
王双明，男，1955年5月21日生，陕西岐山人，中国工程院院士，教授，博士生导师，陕西省“煤炭绿色开发地质保障”三秦学者创新团队带头人，陕西省煤炭学会理事长、陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室主任、西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院院长。获国家科技进步二等奖3项，省部级科技进步一等奖6项，发表学术论文50余篇，出版专著4部。李四光地质科学奖获得者，国家有突出贡献专家，享受国务院政府特殊津贴。2017年当选中国工程院院士。
研究方向
煤炭资源与地质勘查、煤炭开采地质保障、煤炭绿色低碳开发
主要成果
致力于鄂尔多斯盆地煤炭地质勘查与矿区地质环境保护关键技术研究与创新30多年，在找煤、勘探、采煤保水三个方面取得了创新性地质成果。找煤取得重大发现。揭示了鄂尔多斯盆地煤炭资源总体分布特征和赋存规律，发现了环带状聚煤规律，查明了全盆地煤炭资源总量，为煤炭工业战略西移提供了科学依据和资源保障。探煤取得重大突破。根据煤层地球物理特点，集成地震、磁法和钻探技术优势，建立了煤田综合勘查技术体系，勘查周期短，成本低，精度高，将煤炭地质勘查引领到了高效高精度勘查新阶段。矿区生态环境保护取得重要创新。揭示了煤炭开采对地表生态和地下水的损害机理，发现了地表生态系统与地下水水位的依存关系，提出了以生态水位保护为核心的矿区生态环境保护新技术，为煤炭绿色开采提供了理论基础和技术支撑。
来源：王双明，刘浪，朱梦博，申艳军，师庆民，孙强，方治余，阮仕山，何伟，杨潘，王建友．“双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路[J/OL]．煤炭学报.https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.YH23.1690
责任编辑：宫在芹
