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。     

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。     

再论废弃矿井利用面临的科学问题与对策

在经济发展新常态和供给侧改革背景下,关闭/废弃矿井数量逐年增多,仍遗留大量可开发利用资源,开展关闭/废弃矿井资源开发利用意义重大。目前,相关研究工作仍相对滞后,难以系统解决遗留能源资源及地下空间开发利用等方面存在的科学问题和技术瓶颈。基于山西省关闭/废弃矿井资源禀赋与开发现状分析,结合关闭/废弃矿井遗留煤炭地下气化、遗留煤层气地面抽采、地下空间储能储物等重大需求,亟需研究关闭/废弃矿井能源资源协同综合利用评价方法、固-液-气及应力-位移-渗流-温度等多相多场动态演化机制、复杂遗留空间煤层气运移规律与储集成藏机理、复杂岩体多场耦合作用机理及稳定性控制等4个关键科学问题,攻克关闭/废弃矿井能源资源协同利用安全与风险评价技术、遗留煤炭地下气化炉构建及气化工艺、遗留煤层气资源地面抽采与利用、地下储库(储水、储油、储气等)库容探测与防渗等4项关键核心技术。基于矿井全生命周期绿色利用科学理念,以白家庄煤矿为例,提出了山西省关闭/废弃矿井遗留资源和空间资源"能源化、资源化、功能化"协同利用综合性解决方案,创新了"政产学研用金"协同机制为基础的关闭/废弃矿井能源资源精准开发与利用新模式。     

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。     

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。     

“后煤矿时代”地下空间开发利用的设计思考

实施煤炭去产能政策以来,我国已退出煤炭产能4.4亿t,大量煤矿企业面临转型,进入"后煤矿时代"。文章从"后煤矿时代"的概念切入,梳理当前关停矿井的转型现状,指出后煤矿时代历经的三个阶段,并提出"主动式后煤矿时代"阶段的观点,列举了煤矿井下的空间类型,结合利用现状和前景从设计角度总结出地下空间开发利用的设计理念,为相关行业的规划和设计指出关键方向,同时也为关停矿井的转型方向提供了参考。     

关停矿井“木矿千坑”转型发展为技术研发实训基地的设计

随着国家实施煤炭战略性去库存去产能,煤矿转型在"双去"模式下进入发展的关键期,煤炭产业在严峻的行业形势中面临着结构深度调整、转型升级的新趋势和新挑战。为了给关停矿井的转型提供实例参考,介绍了北京木城涧煤矿"木矿千坑"转型为技术研发实训基地的设计实例,研究了矿井空间再利用建设的细节和布局,并估算了投资,为类似关停矿山的转型开发利用提供思路。     

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...     

“双碳”目标下赋煤区新能源开发——未来煤矿转型升级新路径

“双碳”目标下我国能源结构正加速转型升级，以太阳能、风能、地热能等为代表的新能源正逐步替代传统煤、油、气等化石能源。推动煤炭和新能源优化组合是实现“双碳”目标提出的新要求，也是未来煤矿绿色低碳转型的重要路径。分析我国赋煤区能源分布特点，发现以煤为主的化石能源分布区域，往往也是太阳能、风能、热能等新能源富集区，适宜于在赋煤区大规模开发新能源。研究结果如下：(1)提出了赋煤区全生命周期能源开发理念，将赋煤区能源发展历程划分为煤炭、煤炭与新能源优化组合、新能源3个阶段，并搭建了赋煤区新能源开发总体架；(2)在太阳能开发方面，基于赋煤区与太阳能资源富集区的重叠关系对赋煤区太阳能理论储量与开发潜力进行评估，提出了分布式/集中式光伏发电、太阳能热利用和太阳能制氢等光化利用耦合的太阳能分级综合利用方案，实现太阳能多元高效转化与利用以及与煤炭资源的协同开采；(3)在地热能开发方面，基于赋煤区与地热能资源富集区的重叠关系对赋煤区地热能开发潜力进行评估，结合矿井地热形成机理、分布规律和矿井采掘情况，构建深部矿产资源与地热资源协同开发系统，形成包含矿井热水型、岩温型、混合型的矿井地热能分级开采与热用户梯级利...     

煤矿废弃井巷抽水储能理论与技术框架

废弃井巷抽水储能能够实现废弃矿井资源化利用及可再生能源电力的消纳,但煤矿废弃井巷抽水储能的理论及技术体系仍需进一步完善。通过分析我国主要产煤省份煤炭开采空间分布情况,揭示了我国煤矿废弃井巷抽水储能发展的巨大潜力;从工程背景、科学问题、关键技术和工程实践等方面阐述了废弃井巷抽水储能的理论与技术框架。研究结果表明:采空水赋存规律及资源化利用方法、人工坝体及煤柱多场耦合变形机理、废弃井巷抽水储能技术经济原理及煤矿回采与废弃井巷抽水储能过渡机制是废弃井巷抽水储能开发的亟需解决的科学问题;采空水资源评估及生态利用技术、煤柱防渗改造技术、人工坝体设计建设技术及底板防渗改造技术等技术是废弃井巷抽水储能需要攻关的关键技术。进一步厘清了废弃井巷抽水储能开发的理论研究体系,并为废弃井巷抽水储能技术研发及推广应用提供了参考。     

煤矿地下空间容量估算及开发利用研究

以煤矿地下空间科学利用为主线,以提升煤矿地下空间综合利用为目标,系统调研分析了我国煤矿地下空间容量,首次绘制了全国生产煤矿井下可利用空间分布图、距地级市50 km内煤矿可有效利用的地下空间分布图、全国煤矿有序退出井巷可利用地下空间分布图,并由此建立了煤矿地下空间的判识和估算方法,对煤矿采空区可利用地下空间进行了估算。进行了不同开发利用功能的围岩适建性研究,提出了煤矿地下空间开发利用的六大设计原则和四大设计理念,系统提出了煤矿地下空间利用的方向、技术及构想。结合京西煤矿地下空间可利用容量、关停顺序和内外部建设条件提出了合理的开发利用规划目标,作为典型案例设计了京西煤矿地下空间开发利用的构想。     

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。     

双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径

煤炭是我国的主体能源和重要原料,为中华民族伟大复兴做出了不可磨灭的历史贡献,在今后较长时期内,特别是推动我国能源转型发展中还将发挥不可或缺的兜底保障作用.作为"双碳"目标的主战场,能源产业的减碳、降碳是我国"双碳"工作的重点方向.由于我国以煤为主的能源禀赋现状,在保障能源安全的基础上,降低煤炭消费总量及其消费过程中的碳...     

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。     

煤-热共采的理论与技术框架

煤炭与地热资源共采是煤及煤系共伴生资源共采的积极探索,是煤炭安全开采和地热能利用的有机结合,开发和利用矿山地热,可为绿色矿山建设和地热能发展做贡献。总结了我国高地温矿井的类型及其成因,统计了我国高地温矿井的分布情况,论述了开发和利用矿山地热资源的必要性和可行性。提出了煤-热共采的概念,从工程背景、科学问题、关键技术和工程实践等方面阐述了煤-热共采的基本理论与技术框架。探讨了煤-热共采的科学问题,包括煤系储层的地质力学问题,高地温矿井热源分析及深部地温分布规律,矿山地热资源的技术经济评价方法,煤-热共采的多场耦合及其演化规律等问题。在此基础上,分析了煤-热共采的关键技术,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。     

我国煤炭工业科技创新进展及“十四五”发展方向

煤炭是我国的基础能源和工业原料,长期以来为经济社会发展和国家能源安全稳定供应提供了有力保障。作为煤炭工业健康有序发展的核心动力,“十三五”以来,我国煤炭行业自主创新能力得到了大幅提升,实现了从跟踪、模仿到部分领域并跑、领跑的转变,取得了突出的成就。系统总结了“十三五”以来我国煤炭科技取得的主要成果,梳理了煤炭地质勘探、矿井建设、煤及共伴生资源开采、矿井灾害防治、煤机装备与智能化、洁净煤技术、节能环保与职业健康等7个领域所取得的理论、技术及工程应用方面的进展。分析了当前煤炭科技发展面临的共性问题,指出煤炭科技创新支撑我国煤炭工业高质量发展的能力依然不足。提出了煤炭科技自立自强、完善现代化煤炭开发利用理论与技术体系的“十四五”煤炭科技发展目标。围绕煤炭安全绿色智能开采和清洁高效低碳利用,明确了“31110”科技创新主要任务,包括煤炭绿色智能开采、煤矿重大灾害防控、煤炭清洁高效转化三大煤炭基础理论研究,煤炭资源勘查与地质保障、大型现代化矿井建设、煤炭与共伴生资源协调开采、煤矿灾害防治、煤矿智能化与机器人、煤炭清洁高效加工、煤炭高效转化利用、煤矿职业危害防治、煤矿应急救援、资源综合利用与生态保护十大重点领域核心技术攻关,煤矿井巷全断面快速掘进、复杂地质条件煤层智能综采、智能化煤矿建设、智能精细高效洗选、煤炭分质利用技术、煤炭液化及高端化工品制备、废弃矿井地下空间资源综合利用、矿区大宗固废资源利用、大型矿区生态修复、煤炭产品质量精准调控10项重大技术创新示范,复杂地质构造槽波地震探测、导井竖井掘进机凿井、掘支运一体化全断面岩巷掘进、煤矿井下水力压裂增透、干法矿物高效分离、采煤沉陷区土地复垦与农业生态再塑、智能无人综采工作面等百项先进适用技术推广应用,为“十四五”时期煤炭科技的发展方向提供了指导意见。     

井工开采技术的创新与发展

总结了近年来我国井工开采技术的发展与创新,探讨了我国井工开采技术的发展方向。新的发展阶段,通过理念创新、技术创新、制度创新、管理创新,建设以"集约高效、智能安全、生态和谐、科学发展"为特征的安全高效大型井工煤矿,促进煤炭工业结构调整和产业升级,全面提升煤炭行业可持续发展水平,对确保国家能源供应安全具有重要的战略意义和现实意义。