我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考

当前我国煤炭产能中部分矿井已到达其生命周期或不符合安全生产的要求或开采成本高亏损严重,直接关闭或废弃此类矿井不仅造成资源的巨大浪费,还有可能诱发后续的安全、环境及社会等问题。我国关闭/废弃矿井剩余资源开发利用难度大,〖JP2〗无法照搬国外利用模式,开展整体战略、基础理论和关键技术研究迫在眉睫。系统阐述了我国关闭/废弃矿井资源开发利用面临的5个科学问题:地下煤炭气化高效转化与开发利用耦合机制、基于安全智能精准控制的地下空间储物环境保障机理、基于多场耦合的矿井水及非常规能源智能精准开发模式、构建关闭/废弃矿井可再生能源开发与微电网输能模式、构建基于生态修复与环境支持的关闭/废弃矿井工业旅游开发模式。在能源生产与消费革命和推动煤炭供给侧改革的新时代背景下,开展我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究,具有重要的政治和经济战略内涵,对于提高关闭/废弃矿井资源开发利用效率意义重大。     

平顶山矿区煤矿地下空间资源开发利用探究

中国平煤神马集团所属平顶山矿区,经过近70年的煤炭开采,形成了大量的煤矿地下空间资源,包括井工煤矿开采后遗留的井筒、巷道、硐室、采空区以及遗留煤炭、煤层气、地热水等。有巨大开发利用潜力和价值的特殊资源,引起了诸多领域广泛的关注,开展了不同方向前期理论研究和初步试验,通过对平顶山矿区煤矿地下空间进行调查、分类和分析,结合空间赋存特点提出了开展抽水蓄能、压缩空气储能、CO₂地质封存、地热能利用、建立仓储库、煤层气抽采等针对性的开发利用方案,为关闭退出矿井多元化开发提供思路。     

“双碳”目标下煤矿采空区（废弃矿井）煤层气资源再利用的政策研究

在我国以煤炭为主导的能源结构背景下,要实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的目标,除了要大幅发展可再生能源外,还需要大力推进化石能源清洁高效利用。当前,煤炭行业供给侧结构性改革持续推进,国内绿色煤炭资源量逐年减少,煤炭采空区（废弃矿井）数量日益增多。开发利用好煤矿采空区（废弃矿井）残余煤层气资源,是实现“双碳”目标的重要举措。本文总结了山西省煤矿采空区（废弃矿井）煤层气资源赋存情况,分析了开发利用煤矿采空区（废弃矿井）煤层气资源的必要性和可行性,剖析了现阶段开发利用可能面临的诸多问题,如矿业权设置、经济成本等,提出了规范开发的政策性建议：1.矿业权设置方面,可以邀请招标等方式确定实施企业;2.出台政策方面。如免征矿业权使用费、鼓励煤矿闭坑后,继续运营瓦斯抽采系统、支持煤层气移动式发电站项目建设等。3.监管方面,加大监管力度,对恢复煤炭生产的企业依法实施处罚。     

山西省废弃矿井采空区煤层气地面抽采实践

历史上部分中小煤矿受回采工艺、技术等限制,采空区遗留有大量煤炭,所释放煤层气(瓦斯),对安全生产造成影响;部分煤层气通过上覆地表裂隙散放至大气中,造成环境污染。针对上述安全、环境及社会问题,以山西省废弃矿井采空区煤层气治理为工程背景,提出了废弃矿井采空区煤层气地面钻采技术及配套工艺体系。即使用惰性气体如氮气等作为地面钻井循环介质,安全揭露采空区顶板裂隙带及垮落带,根据煤层气浓度通过增压机组等设备进行负压抽采,实现分级抽采利用废弃矿井采空区煤层气的目的。应用实践表明,采空区地面井平均产能达2000m^3/d,部分高产井产能甚至达到6000m^3/d,抽采年限达6年以上。     

国内外废弃矿井资源化利用现状与关键技术研究

废弃矿井的处置是能源环境领域面临的一大关键问题,严重影响着全球资源开发与环境保护协调发展。为了更好地利用矿井废弃后遗留的大量资源,介绍了国内外废弃矿井现状以及废弃矿井资源化利用现状与特点,简述了废弃矿井的潜在危害,阐述了废弃矿井综合利用的内涵与关键科学问题,探讨了废弃矿井地热能开发利用、地下水资源精准利用、建设地下储气库等关键技术,指明了废弃矿井地热能资源勘察评估、地下水库煤柱坝体稳定性以及储水能力计算、地下储气库选址的技术难点,提出了废弃矿井资源化利用思路。研究表明,废弃矿井资源化综合利用在废弃矿井转型与可持续发展等方面具有广阔应用前景,可促进我国资源枯竭型城市转型发展。     

煤矿绿色安全生产技术

从煤层气抽放、瓦斯的综合利用、煤炭地下气化、矿井水的循环利用和废弃矿井的再利用等方面,介绍了国内外煤矿绿色安全生产技术,论述了现在煤矿安全生产模式的不足之处,分析了煤矿绿色安全生产技术模式的可行性及其重要意义。     

废弃矿井地下空间反季节循环储能研究

随着我国“碳达峰,碳中和”目标的提出,煤炭在一次能源消费结构中的比例逐步下降,关停矿井数量逐年增多。直接关闭或废弃矿井不仅造成巨大的资源浪费,还极有可能诱发一系列的安全、环境等问题,需要因地制宜的提出符合我国废弃矿井现状的剩余资源开发利用模式。基于此,系统梳理了国内外废弃矿井开发再利用现状,着重讨论了废弃矿井地下空间储能的利用模式,针对性的提出了废弃矿井反季节循环储能工艺系统,该系统充分考虑了废弃矿井地下空间资源、地热资源、水资源和地上可再生资源,通过在沉陷区布置太阳能和风能发电设备,为周边用户和整个系统提供电能,以井下恒温岩土体中的巷道群和采空区为储能空间,以矿井水为储能介质,通过太阳能集热和地热能资源为周边用户供热/制冷,在无需供热/制冷的季节将热能储存至矿井地下,实现反季节循环储能。阐述了废弃矿井地下反季节循环储能亟需突破的3个关键技术：多尺度空间热储评估方法、废弃矿井反季节循环储能井上井下整体优化设计方法以及反季节循环储能多源耦合的运行模式。最后,以京西王平村废弃矿井为例研究了该系统的节能减排效益,结果表明：与传统化石燃料相比,应用反季节循环储能系统供热制冷,每年可减排二氧化碳...     

晋城矿区废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究进展

废弃矿井煤层气资源丰富,抽采废弃矿井煤层气,已成为煤矿区煤层气的重要资源之一.基于山西晋城矿区废弃矿井煤层气抽采实际,系统介绍了废弃矿井采空区煤层气赋存特征及其地面抽采技术的研究进展,分析了废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究现状和存在的问题,提出了目前我国废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究面临的关键科学问题和研究内容.研究...     

煤炭地下气化——回收报废矿井中煤炭资源的有效途径

介绍了在世界煤炭地下气化技术的发展状况及我国利用该技术回收报废矿井中废弃煤炭资源的工业性试验,阐明了煤炭地下气化技术是回收废弃矿井中煤炭资源的有效途径,认为利用煤炭地下气化技术回收井工采遗弃的煤炭资源技术是可行的,经济上是合理的。     

双碳目标下废弃矿井绿色低碳多能互补体系建设思考

双碳战略目标下煤炭行业高质量发展迎来新的机遇与挑战,充分释放废弃矿井负碳增能潜力,创新风、光、水、热等新能源开发利用耦合新型物化储能协同发展模式,推进绿色循环低碳能源体系稳定发展。应对清洁能源稳定供给与煤炭工业净零发展挑战,提出废弃矿井绿色低碳多能互补体系,集成全息地质结构重构、多种能源融合、物化联合储能、碳固结利用、多网智慧调控、智能应急救援的产-储-固智慧新型负碳绿色能源供储体系,以地表地下联合空间为载体,多源数据融合数字孪生技术为支撑,风险智能判识预警与灾害应急救援为保障,实现废弃矿区多维度分级分类分区域联动清洁能源生产、储备、供给与碳捕集、封存、利用。凝练了废弃矿井绿色低碳多能互补体系发展面临的数字工程地质、多场时空耦合演化、功能地层空间维稳、风险超前精准预警和智能应急抢修救援等5个关键科学问题,提出了数字孪生工程原态场景、工程扰动多场耦合灾变演化、创新多能互补技术体系、CO₂工程封存与生态碳汇、分布式智能电网建设、数字风险预警系统和应急救援技术装备等7个主要研究方向,将为实现清洁能源稳续供给、碳永久封存、能-碳平衡循环发展,保障国家能源安全与经济社会高质...     

煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想

从重大科学发现对能源科技发展重大促进作用的视角,研究煤炭科技革命的科学基础与技术演进趋势,提出了煤炭开发利用一体化、矿井建设与地下空间利用一体化、煤基多元清洁能源协同开发和煤炭洁净低碳高效利用四大煤炭革命理念;提出了近零生态损害的科学开采、近零排放的清洁低碳利用、矿井建设与地下空间一体化利用、深部原位流态化开采四大领域的全产业链煤炭技术革命路线图。结合我国煤炭开发利用的现状、资源空间分布以及能源结构随时间的变化规律,提出了煤炭革命3.0,4.0和5.0三个发展阶段构想,给出了每个阶段的战略目标;系统阐述了不同阶段实现目标需要突破的重大理论和前沿技术,形成了我国未来30年煤炭革命的技术路线及战略蓝图。     

关闭煤炭矿区资源利用与可持续发展的几点思考

随着中国能源结构的调整,煤炭开采从原来的分散式开采向精细化、集中化和精准化发展,矿井数量大幅度减少,大量资源枯竭及落后产能矿井面临关闭或废弃。这一转变将使中国现阶段及未来很长一段时间都将面临与德国相似的"后采矿"时代。从中国能源结构发展的大趋势以及煤炭资源开发的宏观战略来看,已经关闭和即将关闭的大量矿井或者矿区重新恢复开采的可能性不大。矿井的关闭或废弃不仅会带来水、大气等环境污染问题,还会带来企业职工难以安置、固定资产难以处理等社会经济问题。因此,本文针对矿区关闭或废弃后出现的问题,借鉴德国应对后采矿的处理方案、后采矿工业区资源可持续发展战略,对比中国对关闭矿区的处理案例,提出了应把矿区关闭后资源的利用纳入整个矿山开发的顶层设计中的理念,以及煤炭地下空间、矿井水等资源综合利用的思路。国内外虽提出了形式多样的废弃矿井利用方案,但总体利用率不高,仍需继续深入探究关闭矿区资源利用基础理论和手段方法,以及应对关闭矿区后发展需要的教育与技术人才培养措施。     

“我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究”专题特邀主编致读者

<正>我国“缺气、少油、富煤”,煤炭作为主体能源的地位在相当长一段时间内无法改变,仍将长期担负国家能源安全、经济持续健康发展的重任。随着我国能源供给侧结构性改革的深入以及能源产业淘汰落后产能工作的持续推进,加之华东、东北地区部分能源资源逐步枯竭,部分矿井已到达其生命周期,也有部分矿井不符合安全生产要求,或开采成本过高而亏损严重,正面临关闭或废弃,导致废弃矿井数量逐步增加。预计到2030年,我国关闭/废弃矿井将达到1.5万处。直接关闭或废弃此类矿井不仅会造成资源的巨大浪费和国有资产流失,还有可能诱发后续的安全、环境等问题。据调查,目前我国已关闭/废弃矿井中赋存煤炭资源量高达420亿t、非常规天然气近5000亿m³、地下空间资源约为72亿m³,并且还具有丰富的矿井水资源、地热资源、旅游资源等,这使得关闭或废弃矿井资源的综合开发利用成为我国面临的新课题、新难题。     

关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能发展战略研究

在双碳战略目标牵引下,中国深化能源革命,目前已成为世界上最大的可再生能源发电国。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题,新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展,但在生态红线与地形等因素约束下,传统抽水蓄能电站选址难题亟须解决。同时,煤炭去产能过程中形成了大量的关闭/废弃矿井与资源枯竭型城市。本研究详细概述了中国抽水蓄能电站的发展现状,分析了关闭/废弃矿井与抽水蓄能结合后对水资源压力的缓解与温室气体减排等环境效益。基于关闭/废弃矿井抽水蓄能电站不同模式,对关闭/废弃矿井抽水蓄能应用潜力展开了分析,最后提出中国废弃矿井抽水蓄能发展战略,并展望了关闭/废弃矿井+储能的多元产业愿景。     

河北省关闭煤矿“生态闭井”及关键技术探讨

以河北省为例,在对河北省主要矿区关闭煤矿多要素综合调查工作的基础上,阐述了煤矿关闭退出后,残存着规模可观的剩余资源,不仅造成资源的浪费,部分残存资源也易引发次生灾害。以“生态闭井”科学内涵为引点,详细分析了国内外研究现状、水平及发展趋势,以变废为宝、化害为利为目标,提出了地表资源开发利用技术、煤层气(瓦斯)资源开发利用技术、煤炭地下气化技术、地下空间开发利用技术、矿井水(地热)资源开发利用技术和地表生态修复技术等生态闭井关键技术和主要研究内容,以及资源开发利用、生态修复与重建、安全与环保等建议,以期推动关闭煤矿剩余资源高效开发利用与灾害科学预控防治等工作的发展。     

废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式研究

废弃矿井地下空间利用是煤炭行业重点支持的方向。将地下空间利用、汛期蓄洪和冬季供热相结合,提出了基于地面引水蓄洪、井下蓄水储能和热泵取热技术的废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式,阐述了该模式的概念、关键技术和科学问题;分析了我国废弃矿井分布及其与降水量分布之间的关系,论证了废弃矿井地下空间的蓄洪储能潜力。研究发现,安徽、河南、山东等13个省份的废弃矿井地下空间近6 000万m³,可储存约6个西湖的水量,适宜开展废弃矿井地下蓄洪储能和取热的工程示范。其中,仅淮南矿区5个废弃矿井的地下空间资源高达30万m³,储能量达94 500 GJ,可满足21万m²的建筑供暖需求。以旗山矿为例,设计了地面引水沟渠布置、井下储水空间布置以及矿井水提取和利用等方案,初步测算旗山矿蓄洪储能方案的供热功率可达6 835 kW,可为13.67万m²的建筑供暖,减少二氧化碳排放量约5 330 t,经济效益达350.75万元,初步论证了废弃矿井地下空间蓄洪储能的可行性。废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式既可有效利用废弃矿井地下空间,...     

废弃矿井改建能源储库的发展现状及方法研究

石油和天然气等战略资源的储备问题一直是国家能源安全的重点。随着“双碳”共识的进一步深化,大量退出煤矿产生。为更好地推进废弃矿井改建地下能源储库,在总结归纳已有工程实例和分类基础上,介绍了国内外利用矿井作为能源地下储库的相关案例;通过对比分析国内废弃矿井地下空间的不同规模,综述了改建地下能源储库的基本标准;根据我国矿井开采方式和岩性特征,总结了不同岩性围岩改建地下能源储库的支护方案,有助于促进废弃矿井空间资源的再利用。     

我国关闭煤矿潜在资源分析及二次利用前景

供给侧结构性改革的提出加速了我国煤矿落后产能的退出，但同时关闭煤矿的合理再利用提上日程。为探讨关闭煤矿潜在的可利用资源及其利用前景，基于关闭煤矿彻底废弃的负面效应分析，对其潜在资源类型进行了划分，并对各种资源的利用前景进行了分析，最后指出其在二次利用中亟待解决的问题。研究表明：我国关闭煤矿潜在资源主要包括剩余煤炭、矿井水、煤层气、地下空间以及生态开发与工业旅游资源；厘清剩余煤炭资源赋存特征、提高关闭煤矿信息化程度、构建关闭煤矿剩余资源评价体系以及建立健全关闭煤矿综合开发利用政策对关闭煤矿资源二次利用具有重要意义。     

煤矿采动稳定区煤层气资源评估方法及其应用

受多煤层赋存条件和煤矿井下回采工艺影响,采空区内的大量遗煤导致废弃矿井或老采空区内赋存丰富煤层气资源,对这一资源的准确评估、合理开发和高效利用是我国进行非常规油气资源开发的重大需求,如何准确评估废弃矿井或老采空区的可抽采煤层气资源量是进行高效开发的关键问题。因此,通过分析煤层气的来源、赋存空间和关键影响因素,建立了基于“间接减法”理念的采动稳定区(废弃矿井或老采空区)煤层气资源评估模型,提出了进行采动稳定区煤层气资源评估的方法。运用建立的评估模型和方法,在晋城矿区成庄矿5310工作面区域进行了采动稳定区煤层气资源的地面井抽采试验,单井连续抽采433 d,抽采煤层气资源243.27万m3,抽采量核算与评估结果基本一致,初步证明了评估方法的适用性。     

我国转型煤矿井下空间资源开发利用新方向探讨

随着煤炭资源的长期开采、采矿技术的进步以及能源结构的调整,近年来越来越多的煤矿面临关闭或已关闭。目前针对废弃煤矿采取的主要措施是矿山环境恢复治理,以致遗留许多社会、经济和生态环境问题,且造成了矿区井上下资源的严重浪费。因此,如何科学、高效地解决煤矿关闭后的资源利用问题,实现矿山的成功转型利用,对煤炭工业乃至国民经济的发展具有重要战略意义。分析了转型煤矿资源类型,介绍了我国转型矿山开发利用现状,主要包括废弃工业广场建筑物、废弃土地(工业广场土地、沉陷区土地)的开发利用及建设矿山公园等。并指出国内废弃煤矿资源利用存在开发利用不充分、运行成本高等问题,特别是井下空间资源的开发利用率低。如井筒、巷道、硐室等井下空间资源,在封井后几乎全部浪费。因此,针对转型煤矿井下空间资源利用率低的问题,重点分析探讨了煤矿井下空间资源开发利用新方向,如利用煤矿井下空间资源储存石油、天然气,建设蓄能站以及地下城市等等,为我国关闭矿山的转型开发利用提供思路。