我國煤炭綠色開采技術(shù)進(jìn)展

劉 具,秦 坤

(1.中國煤炭工業(yè)協(xié)會咨詢中心,北京 100013; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100080)

我國“缺油、少氣、相對富煤”的能源資源稟賦決定了煤炭的基礎(chǔ)能源地位,其在能源供給產(chǎn)業(yè)鏈中一直起著“壓艙石”“穩(wěn)定器”的重要作用[1-2]。2022年,我國能源消費(fèi)總量達(dá)54.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤,比2021年增長2.9%,其中,煤炭消費(fèi)量增長4.3%,占能源消費(fèi)總量的56.2%,比2021年上升0.3%。未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi),我國煤炭年需求總量增速最低將保持在2%以上[3]。

煤炭開采會引發(fā)一系列環(huán)境問題,如:水資源污染與浪費(fèi)、瓦斯排放、地表沉陷。為最大限度降低對生態(tài)環(huán)境的影響,綠色開采理念在21世紀(jì)初被提出。隨著“綠水青山就是金山銀山”“可持續(xù)發(fā)展”“碳達(dá)峰、碳中和”等要求的實(shí)施,發(fā)展綠色礦業(yè)已成為新時代煤炭高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇與重大需求[4-9]。煤炭綠色開采被提出至今已有20年,隨著發(fā)展理念的轉(zhuǎn)變與新技術(shù)的推廣應(yīng)用,其展現(xiàn)出了顯著時代特征。筆者梳理了20年來煤炭綠色開采技術(shù)發(fā)展歷程,論述了煤炭綠色開采技術(shù)主要進(jìn)展,展望了未來發(fā)展方向。

1 我國煤礦綠色開采內(nèi)涵與要求

1.1 我國煤礦綠色開采內(nèi)涵發(fā)展歷程

我國煤礦綠色開采最早由錢鳴高院士2003年提出[10],以期實(shí)現(xiàn)煤礦的“低開采、高利用、低排放”。綠色開采是從廣義資源角度認(rèn)識煤炭、煤層氣、水等可用資源,出發(fā)點(diǎn)是降低開采過程對環(huán)境和共伴生資源的影響,目標(biāo)是獲得最佳的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

隨著技術(shù)進(jìn)步與新發(fā)展理念提出,綠色開采技術(shù)內(nèi)容不斷得到豐富。其中,開采過程中可利用資源種類不斷增多,如:之前被認(rèn)為是污染物的煤矸石,隨著化工、發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步,通過資源化利用使其從污染物轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂薪?jīng)濟(jì)價值的資源;煤礦廢棄地下空間,隨著碳封存、抽水蓄能等技術(shù)的成熟而轉(zhuǎn)化為可利用資源[11-14]。此外,煤礦地?zé)豳Y源利用也逐漸走向集約化、多樣化;瓦斯梯級利用技術(shù)的突破,可實(shí)現(xiàn)甲烷體積分?jǐn)?shù)為1%～6%的低濃度瓦斯通過蓄熱氧化與摻混技術(shù)轉(zhuǎn)化為熱能后進(jìn)行電、熱、冷三聯(lián)供[15]。

為最大程度減輕煤炭開采與自然生態(tài)環(huán)境之間的矛盾,2020年王雙明院士團(tuán)隊圍繞煤炭勘查與開采全過程,提出“采前精細(xì)勘查,采中有效減損,采后恢復(fù)利用”全生命周期煤炭綠色開采地質(zhì)保障理念[1],如圖1所示。此理念中“采前精細(xì)勘查”的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)是煤礦智能化的蓬勃發(fā)展。智能開采技術(shù)已在煤炭綠色開采領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,如:智能充填開采技術(shù)、智能保水開采技術(shù)、智能瓦斯抽采技術(shù)等。這種將智能化技術(shù)應(yīng)用于煤礦綠色開采的理念被廣泛稱為“智能綠色開采”。

圖1 煤炭全生命周期綠色開采技術(shù)框架

近年來,隨著“碳達(dá)峰、碳中和”理念的提出,我國煤炭綠色開采充分吸收這一理念并衍生出低碳開采概念,如:利用廢棄礦洞開發(fā)碳封存技術(shù)與儲能技術(shù)、基于數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤炭開采全過程能耗精準(zhǔn)控制、礦區(qū)分布式光伏電站建設(shè)、沉陷區(qū)碳匯林建設(shè)等[11-12]。

我國煤炭綠色開采內(nèi)涵在歷經(jīng)20年的發(fā)展后(見圖2),已豐富拓展為以下5個方面:

圖2 煤炭綠色開采內(nèi)涵發(fā)展歷程圖

1)從廣義資源角度認(rèn)識和對待礦區(qū)地下、地上全空間尺度與采前、采中、采后全時間尺度一切可利用資源;

2)防止或盡可能減少煤炭開采對環(huán)境和其他資源的不良影響,并進(jìn)一步修復(fù)、提升礦區(qū)生態(tài)環(huán)境;

3)關(guān)鍵路徑是采前精細(xì)勘查、采中有效減損、采后恢復(fù)利用,以及煤礦全生命周期綠色低碳運(yùn)行;

4)主要手段是持續(xù)推進(jìn)智能化、數(shù)字化等先進(jìn)技術(shù)對煤炭綠色開采技術(shù)的深度賦能;

5)主要目標(biāo)是取得最佳的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1.2 我國煤礦綠色開采要求

我國始終積極應(yīng)對全球氣候變化,在綠色轉(zhuǎn)型、低碳減排時代大勢中勇?lián)姑?。煤炭作為?dāng)前我國的能源支柱,政府高度重視煤炭開采的綠色發(fā)展,并出臺了系列政策、法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)等。

1)結(jié)合新形勢提出新要求

《煤炭法》修訂更加注重與《環(huán)境保護(hù)法》《大氣污染防治法》等相關(guān)法律銜接,修訂條款充實(shí)了對煤炭綠色開發(fā)、煤炭清潔高效利用、采煤沉陷區(qū)綜合治理、可再生能源等的支持,指導(dǎo)煤炭資源開發(fā)走向綠色發(fā)展道路。

2)重點(diǎn)關(guān)注生態(tài)脆弱區(qū)域

中國煤炭工業(yè)協(xié)會在煤炭行業(yè)“十四五”高質(zhì)量發(fā)展報告中提出:做好黃河流域煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)總體規(guī)劃和礦區(qū)規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)煤炭資源開發(fā)、建設(shè)和生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程同步設(shè)計、同步實(shí)施,提升礦區(qū)生態(tài)功能,建設(shè)綠色礦山。陜西、內(nèi)蒙古等黃河流域重點(diǎn)產(chǎn)煤省份(區(qū)),要求符合綠色礦山創(chuàng)建條件的要做到“應(yīng)建必建”。

3)綠色開采融合發(fā)展

中央及各產(chǎn)煤省結(jié)合實(shí)踐實(shí)際,鼓勵并引導(dǎo)煤炭行業(yè)走融合發(fā)展道路,提出綠色低碳開采、綠色智能開采、安全綠色開發(fā)等要求。

綜上所述,隨著智能化、數(shù)字化等新技術(shù)的進(jìn)步與“雙碳”等新理念的提出,我國煤炭綠色開采內(nèi)涵不斷被豐富,并被賦予新的時代定義。政府高度重視煤炭綠色開采,并結(jié)合當(dāng)前新形勢,從綠色開采內(nèi)容、思路、要求等方面出臺系列法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和政策,確保煤炭綠色開采落地實(shí)施。

2 采前綠色勘查與地質(zhì)保障技術(shù)進(jìn)展

地質(zhì)勘查是煤炭開采的前提和保障,而綠色勘查是綠色發(fā)展理念在煤炭資源勘查過程的具體體現(xiàn)。煤炭綠色勘查技術(shù)是通過高效環(huán)保的技術(shù)、方法和設(shè)備,降低對生態(tài)環(huán)境的影響,同時強(qiáng)調(diào)煤炭開采與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地表生態(tài)環(huán)境變化的整體研究,以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘查與生態(tài)保護(hù)協(xié)同發(fā)展[16]。

煤炭綠色勘查關(guān)鍵技術(shù)主要包括遙感技術(shù)、快速精準(zhǔn)鉆探技術(shù)、高精度地球物理勘探技術(shù)及信息化探測技術(shù)[17]。經(jīng)多年探索、研究,我國地質(zhì)勘查技術(shù)取得極大進(jìn)步,如:我國青海省地礦系統(tǒng)探索出“一基多孔”“一孔多支”等綠色勘查手段,開發(fā)了勘探痕跡復(fù)綠、勘探材料無公害處理等綠色勘查技術(shù),為生態(tài)保護(hù)區(qū)礦產(chǎn)資源勘查找到一條創(chuàng)新之路。同時,我國煤炭地質(zhì)保障技術(shù)取得重大進(jìn)展,形成“開采前精細(xì)勘查、開采過程有效減損、開采后恢復(fù)利用”的發(fā)展模式。

未來我國應(yīng)進(jìn)一步加大綠色勘查技術(shù)方面的投入,重點(diǎn)研究遙感(RS)與地質(zhì)測繪相結(jié)合的高分辨率、高精度地質(zhì)填圖技術(shù),以及鉆場生態(tài)環(huán)境快速恢復(fù)技術(shù)和煤中有害(益)組分精準(zhǔn)測試技術(shù),研制綠色無公害泥漿、泡沫、壓裂液、壓裂材料,形成一整套煤炭綠色勘查技術(shù)體系[16]。此外,引導(dǎo)企業(yè)加大對地質(zhì)保障技術(shù)研究的相關(guān)投入,逐步構(gòu)建透明工作面、透明采區(qū)、透明煤礦動態(tài)地質(zhì)模型,形成“采前能查明、采中能減損、采后能利用”的煤炭綠色開采地質(zhì)保障技術(shù)體系,這是實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開采的重要基礎(chǔ)[1]。

3 采中綠色開采技術(shù)進(jìn)展

3.1 保水開采技術(shù)

保水開采是煤炭綠色開采的重要組成部分,也是解決干旱、半干旱地區(qū)煤炭開采與水資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題的重要途徑。在我國西北地區(qū),煤炭儲量占全國總探明儲量的33.1%,但年降水量多在400 mm以下,是全球同緯度最干旱地區(qū)之一[18-19]。煤炭大規(guī)模開發(fā),導(dǎo)致具有供水意義的含水層失去儲水功能,破壞了水資源平衡[20]。為解決我國西北地區(qū)煤炭開采和水資源保護(hù)之間的矛盾,我國學(xué)者開展了大量保水開采技術(shù)探索,目前大致形成2種技術(shù)路徑:以“堵截法”為主的煤礦保水開采技術(shù)和以“疏導(dǎo)法”為主的礦井水儲存再利用技術(shù)。

目前采用的“堵截法”技術(shù)手段主要包括:導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度抑制技術(shù)、關(guān)鍵隔水層再造與含水層再造技術(shù)、底板破壞深度或強(qiáng)度減緩技術(shù)[20]。王雙明等[21-24]通過分析煤層厚度、含水層與煤層的空間位置關(guān)系,對榆神礦區(qū)、神東礦區(qū)、神南礦區(qū)、哈密煤田進(jìn)行保水開采分區(qū),提出各分區(qū)適宜的區(qū)域采煤方法規(guī)劃方案;馬立強(qiáng)等[25]研制了CO2礦化煤基固廢負(fù)碳充填材料,推進(jìn)了保水開采的協(xié)同技術(shù)發(fā)展,為保水開采與固碳減碳的協(xié)同發(fā)展提供了新思路;張東升等[26]從上覆巖層整體阻水性入手,綜合覆巖阻水行為與地下水系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系,提出將上覆隔水巖層(組)虛擬為等效阻水層的學(xué)術(shù)思想,形成了基于等效滲透系數(shù)計算等效阻水厚度的保水采煤可行性評價新方法。針對礦區(qū)水資源緊張與礦井水外排造成的資源浪費(fèi)問題,顧大釗等[27-29]學(xué)者提出并建立煤礦地下水庫的保水技術(shù)體系,在神東礦區(qū)建成煤礦地下水庫35座(見圖3),極大解決了礦區(qū)水資源保護(hù)與利用難題,促進(jìn)了煤炭開采與地下水資源保護(hù)利用協(xié)調(diào)發(fā)展[30]。

圖3 煤礦地下水庫示意圖[31]

由于我國西部煤礦地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜,以“堵截法”為主的保水開采仍然面臨許多重大科學(xué)與工程難題,如:覆巖應(yīng)力場、裂隙場和滲流場演化特征及規(guī)律研究,大采高及多煤層開采條件下導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測[32]。而以“疏導(dǎo)法”為主的煤礦地下水庫方面的研究需聚焦煤礦地下水庫匯集地下水的過程及其對區(qū)域地下水系統(tǒng)的影響規(guī)律、煤柱壩體應(yīng)力—滲流耦合特性及承載穩(wěn)定性、東部大水礦區(qū)和東部草原區(qū)露天煤礦地下水庫建設(shè)等問題[31]。

3.2 充填開采技術(shù)

煤礦充填開采是從源頭防止地表沉陷,實(shí)現(xiàn)以最小的生態(tài)擾動獲取煤炭資源的一種綠色開采技術(shù)。通過對充填開采工藝的設(shè)計、優(yōu)化,可將開采過程對生態(tài)環(huán)境、水土資源和基礎(chǔ)設(shè)施等的影響限制在可控范圍內(nèi),促進(jìn)煤炭開采和生態(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的協(xié)調(diào)[33]。經(jīng)過長期研究實(shí)踐,我國逐漸形成以固體充填、膏體充填、超高水材料充填、覆巖離層注漿充填開采為主要技術(shù)手段的煤礦充填開采方法[33-34]。

近年來,充填開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性發(fā)展,形成系列重大研究成果。針對西部蒙陜地區(qū)高產(chǎn)高效礦井煤矸石綠色低干擾處置需求,研發(fā)了井下煤矸智能采選充一體化技術(shù),并逐步在黃陵二號井、大海則煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗,雙工作面最大可實(shí)現(xiàn)矸石充填能力1.0 Mt/a[35-36]。2022年,冀中能源邢東煤礦建成我國首個固體智能充填采煤工作面,實(shí)現(xiàn)充填液壓支架架后智能充填,達(dá)到充填率85%,月產(chǎn)6萬t的應(yīng)用效果,同時,充填工效提升54%,每班減少4～5名工人[37]。

但煤礦充填開采受充填材料短缺、充填成本高、充填效率低等因素限制。未來我國應(yīng)繼續(xù)在新型充填材料開發(fā)、關(guān)鍵充填裝備研發(fā)、智能化充填新工藝構(gòu)建等方面進(jìn)行突破,同時也應(yīng)加大對充填開采標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)方面的政策扶持力度。

3.3 煤與瓦斯共采

煤與瓦斯共采是煤炭綠色開采技術(shù)的重要組成部分,對于礦井瓦斯災(zāi)害防治、礦區(qū)溫室氣體減排和瓦斯資源開發(fā)利用具有重要意義。從開采時空關(guān)系看,瓦斯抽采貫穿煤礦全生命周期,包括采前預(yù)抽、采動卸壓抽采及廢棄采空區(qū)瓦斯抽采等階段[38]。經(jīng)過長期探索,我國煤與瓦斯共采逐漸形成3種模式:井上下聯(lián)合抽采的晉城模式、卸壓抽采的兩淮模式、沁水盆地地面煤層氣開發(fā)模式[39],如圖4所示。

(a) 晉城模式[40]

近年來,煤與瓦斯共采技術(shù)得到進(jìn)一步推廣,并在卸壓開采抽采瓦斯、無煤柱煤與瓦斯共采、煤層群開采條件下井上下立體抽采、深井低透氣性煤層揭煤防突等關(guān)鍵技術(shù)方面取得系列創(chuàng)新性研究成果,關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平,為復(fù)雜地質(zhì)條件下高瓦斯、突出礦井安全高效開采奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

但我國大部分礦區(qū)煤層透氣性低,且隨著開采深度增加,煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、地應(yīng)力和瓦斯涌出量不斷增大,瓦斯災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重,瓦斯抽采難度進(jìn)一步增大[8]。因此,應(yīng)重點(diǎn)開展低透氣性煤層改性增透機(jī)理、低透氣性煤層瓦斯抽采方法研究。同時,以巖層移動與采動裂隙分布規(guī)律等為基礎(chǔ)理論,力爭在瓦斯抽采技術(shù)、設(shè)備和裝備研究中有所突破。

3.4 煤炭地下氣化

煤炭地下氣化是從根本上解決傳統(tǒng)采煤方法存在的一系列技術(shù)和環(huán)境問題的重要途徑,也是實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開采的一項革命性技術(shù)。其通過將處于地下的煤炭在原位進(jìn)行有控制的燃燒,變傳統(tǒng)的物理采煤為化學(xué)采煤(見圖5),具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 煤炭地下氣化工程示意圖[42]

我國自1950年代在鶴崗、大同等16個礦區(qū)進(jìn)行巷道式煤炭地下氣化試驗[43],通過近40年的技術(shù)攻關(guān),首創(chuàng)了以“長通道、大斷面、兩階段”為核心的巷道式煤炭地下氣化新工藝[44-45],先后在徐州新河二號井和河北唐山市劉莊煤礦開展工業(yè)性試驗[46],實(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)行長達(dá)5年的技術(shù)突破。21世紀(jì)以來,我國在多個礦區(qū)開展了煤炭地下氣化試驗,產(chǎn)氣量在2萬～8萬m3/d,其中,中梁山北礦產(chǎn)出氣熱值高達(dá)11.5 MJ/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)[47]。2017年8月,新疆首個煤炭地下氣化一期前置工程開工建設(shè),煤層埋深達(dá)到450 m,是目前我國鉆井式氣化采煤埋深最深項目。2019年3月,山東省首個大型煤炭地下氣化發(fā)電工程開建,同年11月,準(zhǔn)格爾旗唐家會礦區(qū)煤炭地下氣技術(shù)工業(yè)化示范項目正式投產(chǎn)[48]。

大量工業(yè)性試驗表明,煤炭地下氣化技術(shù)可行,但仍存在單爐產(chǎn)氣量小、運(yùn)行不穩(wěn)定、運(yùn)行時間短、對污染物擴(kuò)散規(guī)律認(rèn)識不清等問題。因此,應(yīng)加強(qiáng)煤炭地下氣化基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)開發(fā)方面的研究,包括實(shí)體煤層燃燒、熱解、氣化、貫通特性,以及氣化過程特征場演化規(guī)律、地下煤氣化污染物在燃空區(qū)富集與遷移規(guī)律、規(guī)?；a(chǎn)地下氣化爐結(jié)構(gòu)及構(gòu)建技術(shù)、地下氣化連續(xù)穩(wěn)定控制技術(shù)、煤炭地下氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等[49]。

3.5 智能綠色開采技術(shù)

智能綠色開采是推進(jìn)煤炭生產(chǎn)方式和發(fā)展模式深層次變革的重要方式,其實(shí)質(zhì)是將智能開采技術(shù)應(yīng)用到綠色開采過程中,實(shí)現(xiàn)煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

近年來,隨著煤礦智能化建設(shè)的不斷推進(jìn),智能綠色開采技術(shù)和裝備取得了長足進(jìn)步。如:伊犁新礦煤業(yè)有限責(zé)任公司將智能化技術(shù)運(yùn)用于弱膠結(jié)地層保水開采當(dāng)中,構(gòu)建了融合礦區(qū)水資源承載力的長壁工作面開采參數(shù)智能決策技術(shù)體系,可實(shí)現(xiàn)保水開采智能決策與智能控制和長壁工作面日均8 m/d以上、涌水量10 m3/h以下的安全、高效、智能保水開采;邢東礦采用智能充填開采技術(shù),使工作面生產(chǎn)能力得到大幅提高,工作面月產(chǎn)由3.6萬t增加至7.2萬t,每班人員減少8～10人,1個循環(huán)作業(yè)時間減少約2.5 h,效率提高約50%[50]。

智能綠色開采技術(shù)主要包括智能保水開采技術(shù)、智能充填開采技術(shù)、煤—巖—水—環(huán)智能一體化技術(shù)、瓦斯智能抽采技術(shù)、礦井災(zāi)害智能預(yù)警技術(shù)等。智能綠色開采已涉及綠色開采技術(shù)的方方面面,其根本在于通過高精度傳感器、智能化設(shè)備、大數(shù)據(jù)智能分析、數(shù)字化協(xié)同等手段實(shí)現(xiàn):①減人、提效、增安,如智能化跳汰遠(yuǎn)程集控、智能化刮板運(yùn)輸?shù)?②提高精細(xì)化作業(yè)水平,如瓦斯智能化精準(zhǔn)抽采技術(shù)、煤巖界面識別技術(shù)、設(shè)備姿態(tài)檢測技術(shù)等;③多場景協(xié)同,如煤與瓦斯共采、井上下精細(xì)勘探等[37,51-58]。

綜上所述,智能化與數(shù)字化技術(shù)對提升煤炭綠色開采技術(shù)水平意義重大。目前智能綠色開采存在多系統(tǒng)協(xié)同程度尚需加強(qiáng)、關(guān)鍵設(shè)備智能化適配度有待優(yōu)化、相關(guān)人才緊缺等問題。

4 采后生態(tài)修復(fù)與資源綜合利用進(jìn)展

4.1 采后生態(tài)環(huán)境修復(fù)

4.1.1 土壤改良技術(shù)

土壤是植物生長所需水分、養(yǎng)分和生存環(huán)境的基礎(chǔ),礦區(qū)土地復(fù)墾土壤改良對采后生態(tài)環(huán)境修復(fù)具有重要意義。目前我國礦區(qū)復(fù)墾的土壤改良方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法及聯(lián)合改良法[59]。

近年來,我國也逐漸開始將RS、GPS和GIS等技術(shù)應(yīng)用于露天煤礦土壤改良,采用RS技術(shù)獲取礦區(qū)復(fù)墾地影像,確定土壤改良范圍、面積和類型,采用GPS技術(shù)對復(fù)墾土地進(jìn)行定位、測繪,采用GIS技術(shù)對復(fù)墾后土地進(jìn)行適宜性評價。

我國雖在礦區(qū)土壤改良研究方面取得豐碩成果,但仍有許多問題亟待深入研究,如:分析土壤改良原理、提高礦區(qū)土壤改良方面的認(rèn)知水平、加大相關(guān)資金的投入、加強(qiáng)土壤改良法制標(biāo)準(zhǔn)的研制、創(chuàng)新土壤改良技術(shù)等[60-61]。

4.1.2 植被重建技術(shù)

不同植物對礦區(qū)復(fù)墾土壤改良效果及生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)能力并不相同,且其生長狀況、適應(yīng)能力與氣候條件密切相關(guān)。因此,依據(jù)礦區(qū)地理、氣候條件選擇合適的植被類型對恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境十分關(guān)鍵[62]。礦區(qū)植被重建應(yīng)綜合所處區(qū)域、地形、氣候等方面因素,選擇根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)力強(qiáng)、抗逆性好、成活率高、能夠改良土壤的植物,這是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的前提和基礎(chǔ)[63]。

4.2 礦區(qū)資源綜合利用

4.2.1 抽水蓄能技術(shù)

為提升廢棄礦井綜合利用水平,我國積極開展廢棄露天礦坑建設(shè)抽水蓄能電站和煤礦地下水庫建設(shè)(見圖6),如:遼寧省阜新市利用海州廢棄露天煤礦作下位水庫,并將其改建成抽水蓄能電站[13];顧大釗院士團(tuán)隊在大柳塔煤礦開展了煤礦地下水庫建設(shè)的工程實(shí)踐[64]。此外,我國積極探索利用盾構(gòu)機(jī)(TBM)改造廢舊礦洞,采用盾構(gòu)技術(shù)建設(shè)抽水蓄能電站工程。目前,已將TBM應(yīng)用于抽水蓄能電站排水廊道、自流排水洞、引水斜井、通風(fēng)安全洞、排風(fēng)豎井、交通洞等的建設(shè)當(dāng)中[65]。

圖6 金屬礦和煤礦地下蓄能設(shè)施示意圖[13]

4.2.2 CO2封存技術(shù)

煤礦開采結(jié)束后的殘煤對CO2有較強(qiáng)的吸附能力,可用于井下碳吸附和碳儲存。因此,在關(guān)閉礦井/煤礦采空區(qū)/殘采區(qū)開展CO2地質(zhì)封存是“雙碳”背景下煤炭綠色低碳發(fā)展重點(diǎn)方向之一[12],而采空區(qū)CO2封存有希望成為煤炭基地碳捕集、利用、封存的特色技術(shù)。利用煤層采空區(qū)碎裂煤體、地下氣化灰渣進(jìn)行CO2地下封存的可行性已被證實(shí)。黃定國等[66]認(rèn)為,將CO2封存于煤層中應(yīng)考慮封存安全性,而開采工程擾動、封存地質(zhì)體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)災(zāi)害等因素都會對CO2封存的安全性造成影響;王雙明等[67]提出CO2煤礦采空區(qū)吸儲與植被固碳理念,構(gòu)建以煤礦近零碳排放為核心的全生命周期煤氣同采技術(shù)體系,但目前相關(guān)技術(shù)仍處于理論研究水平,尚未進(jìn)行現(xiàn)場試驗。

采空區(qū)關(guān)鍵區(qū)域充填儲碳空間重構(gòu)研究任重而道遠(yuǎn),需從基礎(chǔ)理論出發(fā),深入系統(tǒng)開展創(chuàng)新攻關(guān),積極推進(jìn)廢棄礦井CO2封存地質(zhì)工程響應(yīng)規(guī)律研究,以保障“雙碳”目標(biāo)下廢棄礦井綠色、低碳、多能互補(bǔ)體系建設(shè)。同時,煤炭企業(yè)應(yīng)高度重視相關(guān)方面的科技創(chuàng)新,以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)關(guān)鍵區(qū)域充填儲碳空間重構(gòu)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的突破。

此外,除CO2封存外,廢棄礦井還被用于壓縮空氣儲能、氫氨儲能等新用途[68]。

4.2.3 低熱值煤發(fā)電技術(shù)

低灰高熱值煤泥可用于燃燒發(fā)電或制備水煤漿、型煤,高灰低熱值煤泥主要作為工業(yè)填料和建筑摻合料。但將煤泥用作填料、制磚或制水泥的經(jīng)濟(jì)附加值較低,經(jīng)濟(jì)和社會效益不顯著,造成資源浪費(fèi)[69]。

循環(huán)流化床技術(shù)(Circulating Fluidized Bed,CFB)是重要的清潔煤燃燒技術(shù),具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)(見圖7)。CFB鍋爐流態(tài)化燃燒特點(diǎn)為低熱值燃料的使用創(chuàng)造了有利燃燒條件,使其成為煤矸石、煤泥等低熱值煤資源工業(yè)化綜合利用的有效途徑[70]。目前,煤矸石和煤泥在CFB鍋爐中摻燒技術(shù)較為成熟,通過對CFB鍋爐進(jìn)行特殊設(shè)計,可進(jìn)行更低熱值燃料燃燒,并取得良好應(yīng)用效果[71-72]。

圖7 CFB鍋爐循環(huán)運(yùn)行圖[73]

我國在資源綜合利用方面已取得長足進(jìn)步,并形成地上、地下全空間維度和采前、采后全時間維度的廣義資源觀念。然而,一些現(xiàn)象仍需重視,煤炭資源本身回采率并不理想,如放頂煤不徹底、煤柱過大,以及機(jī)械化采煤引起邊角區(qū)域原煤回采率低等問題依然突出。煤炭回采率和高效的資源綜合利用技術(shù)不匹配,在提高資源綜合利用的同時應(yīng)進(jìn)一步提高煤炭回采率。

4.2.4 煤礦地?zé)衢_發(fā)

隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭,煤炭開發(fā)正在以8～25 m/a速度向深部轉(zhuǎn)移[74],面臨的深部地?zé)釂栴}也愈發(fā)顯著。而地?zé)嶙鳛橐环N資源,將其進(jìn)行資源化利用,對煤礦綠色開采、“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

地?zé)豳Y源開發(fā)利用,尤其是地?zé)峁┡椭评浼夹g(shù)取得長足進(jìn)步,煤—熱共采成為研究熱點(diǎn)[74]。萬志軍等[75]提出煤—熱共采概念,闡述了煤熱共采基本理論與技術(shù)框架,分析了煤—熱共采關(guān)鍵技術(shù),包括共采工藝、井下鉆井與成井工藝、井下抽采與回灌技術(shù)、高效能熱泵技術(shù)、高效能集輸與間接換熱技術(shù)、動態(tài)監(jiān)測和智能調(diào)峰技術(shù)等;亢方超等[76]提出基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng),為高溫區(qū)域地?zé)豳Y源大規(guī)模開采提供了全新解決方案;張吉雄等[77]針對地?zé)崤c煤炭資源協(xié)同開發(fā)問題,提出充填埋管采熱、采空區(qū)儲水采熱、采動區(qū)封閉采熱及深部原位鉆井采熱4種采熱方法;曾一凡等[78]提出一種集約型煤水熱多資源正效協(xié)同開采模式,并以陜西榆林小紀(jì)汗煤礦為案例,評估了系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能減排效益,結(jié)果表明該開采模式減少了礦區(qū)24.2%的CO2排放量,節(jié)能減排效果顯著。

目前,常見取熱方式包括充填埋管取熱、采空區(qū)礦井水取熱和深部煤礦含水層取熱等[79],主要技術(shù)途徑包括水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵技術(shù)等。而在提取巷道圍巖熱能的同時降低礦井溫度是地?zé)崂玫年P(guān)鍵,將地埋管換熱器布置于采空區(qū)充填材料或巷道圍巖內(nèi)[80-81]提取圍巖熱能是未來礦山地?zé)崂玫陌l(fā)展方向。

綜上所述,礦區(qū)采后生態(tài)修復(fù)技術(shù)的發(fā)展使煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的沖突逐漸緩和,而資源綜合利用技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步將煤炭開采中的負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)化為發(fā)展優(yōu)勢。因此,采后生態(tài)修復(fù)與資源綜合利用越來越成為我國煤炭綠色開采發(fā)展的重點(diǎn)。

5 結(jié)束語

煤炭綠色開采在平衡煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。近年來,煤炭綠色開采不斷向全生命周期方向發(fā)展,并逐漸形成智能綠色“采前精細(xì)勘探、采中有效減損、采后恢復(fù)提升”發(fā)展新模式。此外,綠色開采不斷吸收新發(fā)展理念與新技術(shù),走出了一條智能綠色低碳發(fā)展道路。以煤礦地下水庫、智能綠色充填開采、礦區(qū)生態(tài)重構(gòu)等技術(shù)為代表的煤炭綠色開采技術(shù),為推動煤炭行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型與高質(zhì)量發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。

未來,我國應(yīng)充分利用智能化、數(shù)字化等新興技術(shù)賦能煤炭綠色開采,進(jìn)一步在降低煤炭綠色開采綜合成本、提高效率等方面發(fā)力,為我國煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。