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这两项关于煤炭开采的重要技术,将带来巨大效益——访国家能源集团科技部主任、煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室副主任李全生教授
字号:[    ] 发布时间:2022-11-22 11:14:52 来源:光明日报 发布人:刘一鸣

  导读:“在我国‘晋陕蒙宁甘’5个省份,如果将地下水库这项技术在西部适宜的地区推广应用,预计每年能够保护利用20亿吨矿井水,可有效支撑矿区周边的生态修复和煤电、煤制油、煤化工等产业发展,带动工业增加值4000亿左右。到2035年,如果矿井水利用率达到80%,西部矿区每年可多利用23亿立方米矿井水,按每立方米水价格3元计算,可创造直接经济效益115亿元,能够支撑32万公顷的生态复垦、1亿吨煤制油和2000万吨煤制烯烃生产,带动工业增加值4000亿左右。”

  “一种地下水库坝体及其构筑方法”,“多名院士高度评价该技术,认为该专利技术开辟了矿井水高效保护利用技术新途径,为破解西部煤炭开发中水资源短缺的制约提供了有效途径,对我国西部大型能源基地建设,保障我国能源安全具有重要意义。该技术整体处于国际领先水平,对于破解我国工业和生活缺水问题具有重大战略意义。”

  党的二十大报告指出,实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。要“深入推进能源革命,加强煤炭清洁高效利用,加大油气资源勘探开发和增储上产力度,加快规划建设新型能源体系,统筹水电开发和生态保护,积极安全有序发展核电,加强能源产供储销体系建设,确保能源安全”。

  2022年7月,“一种地下水库坝体及其构筑方法”的发明获得第二十三届中国专利金奖,专利发明者为国家能源集团科技部主任、煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室副主任李全生教授。如何确保既发挥电力保供主体地位,又要实现灵活调峰,支撑新能源大规模大比例并网发展?煤矿地下水是否可以实现循环利用?煤化工领域下一步的重点攻关方向又有哪些?就煤炭、能源安全及专利发明相关话题,李全生教授回答了记者提问。

李全生教授。图片由受访者提供

  1、煤炭是我国主体能源和能源安全供应的基石,也是未来我国“双碳”目标实现的兜底保障能源,您认为煤炭能源结构中的基础作用体现在哪几个方面?

  答:过去十年,中国以年均3%的能源消费增速支撑了平均6.6%的经济增长。煤炭占我国已探明化石能源资源总量的94%左右,贡献了新中国成立以来70%以上的一次能源;尽管煤炭消费占比在下降,但2021年仍占一次能源消费比重的56%,占化石能源产量的86%,其主体地位不言而喻,是我国能源安全供应的基石。去年煤炭供应紧缺造成20余个省区拉闸限电,严重影响国家能源安全,其主要原因是煤炭供应不足。

  富煤贫油少气是我国国情。而以煤为主的能源结构短期内难以根本改变。实现“双碳”目标,必须立足国情,坚持稳中求进、逐步实现,不能脱离实际、急于求成,搞运动式“降碳”、踩“急刹车”。不能把手里吃饭的家伙先扔了,结果新的吃饭家伙还没拿到手。煤炭作为我国主体能源,要按照绿色低碳的发展方向,对标碳达峰、碳中和目标任务,立足国情、控制总量、兜住底线,有序减量替代,推进煤炭消费转型升级。

  煤炭在未来能源结构中有三个基础作用:一是煤炭在一次能源供应的基础保障作用;二是煤电在新型电力系统中的基础调峰作用;三是煤炭在工业领域的基础能源和原料,特别是在化工、钢铁、水泥等工业领域的应用。

  目前,国家已出台了一系列煤炭增量保供的政策,保障了国民经济稳定运行。中国工程院研究成果表明,煤炭作为我国主体能源的地位短时期内很难改变,预计2030年煤炭在我国一次能源消费中的占比为50%,2050年煤炭消费量在一次能源消费中的占比约为40%。

  2、煤炭在国家能源保障中的重要性不言而喻。那么现阶段我国煤炭开采存在哪些方面的难点?有哪些亟需解决的问题?对此我们国家又有哪些科技创新成果,取得了哪些成效?

  答:当前,我国煤炭开发重心加快向西部和深部转移,大规模煤炭开发受安全和生态约束加大,煤炭绿色开采和安全生产技术难度大,矿区生态修复任重道远,安全事故还没有完全消除,距离科学采矿的要求仍然存在明显差距。要重点围绕安全开采地质保障、煤炭开采水资源保护、减损开采与矿区生态系统修复、智能开采、灾害防治等方面进行科技攻关突破。

  其中,推进煤炭绿色开采是践行习近平生态文明思想的必然要求,是实现煤炭清洁高效利用的基础。我从大学到硕士、博士研究生都是学的采矿工程,也就是煤炭开采;工作以来,从煤炭科学研究总院到国家能源集团,长期从事煤炭开采研究工作,亲身经历了煤炭科技进步对安全、高效、绿色、智能开采的第一生产力、第一动力的根本作用。

胜利矿区南排土场生态修复效果。图片由受访者提供

  随着科技进步,我国煤矿开采实现了由炮采、普采、综采、自动化开采、智能化开采初级阶段的跨越,目前一次采全高采高超过9米,产量由上世纪90年代的百万吨级矿井到千万吨级矿井、甚至2千万吨级矿井,矿井用工大幅度减少,矿井安全生产水平和全员工效持续提升。目前,我国煤田地质勘查、深部煤炭资源开采、煤矿灾害防治、煤炭转化等重大基础理论研究取得重要进展,大型矿井建设、特厚煤层综放开采、煤与瓦斯共采、智能开采、矿山生态保护、清洁煤电、煤炭转化等重要领域实现跨越发展,煤机装备制造水平位于世界先进行列。煤炭行业科技贡献率从近40%提高到60%。大型现代化煤矿已经成为我国煤炭生产的主体,年产千万吨级煤矿由33处发展到72处,产能由4.5亿吨/年提高到11.24亿吨/年。智能化煤矿建设从无到有,目前建成800多个智能化采掘工作面,多种类型煤矿机器人在煤矿井下示范应用,推动了煤矿质量变革、效率变革、动力变革。

  煤炭开采的目标是实现安全、高效、绿色开采,而智能化是手段。煤炭开采经历了由粗放开采到安全、高效、绿色、智能开采的转变。从行业来看,在安全方面,2000年煤炭死亡人数约7000人,去年178人,百万吨死亡率由6.096人/百万吨降为0.044人/百万吨,可以说有了根本性好转。

  高效开采方面,我国研发了7.0m特厚硬煤层超大采高智能化综放、8.8m、9米一次采全高智能综采成套技术装备,现在正在试验10米大采高,实现了厚及特厚煤层安全高效开采技术和装备的重大突破。

  在绿色开采方面,我们的目标是,依靠科技创新实现“开发金山银山、再造绿水青山”;我们提出了“源头保护+开采过程减损+系统修复”的生态保护理念,研发了煤炭安全高效开采与生态保护修复相协调的关键技术,通过全国产学研联合科技攻关和成果推广应用,推动我国煤矿区土地复垦率由原来的10%左右提高到2021年的57.5%;建设了一批国家级和省级绿色矿山,282处煤矿共入选国家自然资源部绿色矿山名录库。煤矿智能开采方面,国家能源局等联合启动了国家首批71处智能化示范煤矿建设,初步形成以采掘(剥)运主要系统减人提效、生产辅助系统无人值守、生产经营全面管控为主要特征的智能矿山运行模式。截至2021年年底,全国已建成800多个智能化采掘工作面。

宝日希勒矿区北排土场生态修复效果。图片由受访者提供

  以国家能源集团为例,井工煤矿煤炭开采机械化率达到100%,(69处采煤、44处掘进、30处选煤厂实现智能化,63台矿用无人卡车正在工业测试),神东、准能等特大型核心煤炭生产企业主要技术经济指标、综合竞争力世界领先。开发的煤矿地下水库、矿区地表生态修复和智能矿山等系列科技成果,使2亿吨级神东现代化矿区安全、工效等技术经济指标国际领先;神东矿区植被覆盖率从开发初期的3%-11%增加到目前的70%以上。建成世界首套8.8米超大采高智能工作面、国内首个数字矿山示范矿井和世界首座智能煤矿地面集中控制中心,建成了2亿吨智能矿井群,研发了基于纯国产软件自主研发智能一体化生产管控平台,引领了煤炭智能开发的方向。露天煤矿,攻克了宽采掘带高台阶抛掷爆破与吊斗铲倒堆开采核心技术;从露天开采工艺前期环节的地表测量、地质建模和采矿设计,到作业环节的穿爆、采装、运输和排弃,已经全面实现数字化,并逐步实现智能化;形成了露天矿生态保护技术、节能减排技术、智能高效开采技术和安全保障技术等成套露天煤矿绿色开采理论和技术体系,建立了大型露天矿“采-复-农-园”四位一体的绿色协同开发示范区,探索出了脆弱环境下露天煤矿绿色开发的新模式。

  3、党的二十大报告提出,要“推动绿色发展,促进人与自然和谐共生”,要“深入推进能源革命,加强煤炭清洁高效利用”“加快规划建设新型能源体系”“确保能源安全”。您认为应该从哪些技术领域进行突破以落实要求?目前哪些领域已取得成绩,可否举例介绍一些?

  答:绿色发展在能源领域首先要做好煤炭的绿色开发。当前,煤炭开采逐步向深部转移带来的安全生产风险增大,煤炭开发带来的地下水破坏、地表生态损伤和固体废弃物处理利用问题仍未根本解决。在我国煤炭主产区,应重点解决西部深部安全开采、矿井水资源保护与利用、矿区减损开采和生态修复、煤基固废无害化和资源化利用、煤及共伴生资源协同开发技术、煤炭开采粉尘防治技术、煤矿采-掘-运-选全生产链智能化技术等。

宝日希勒矿区北排土场720平盘蓄水工程。图片由受访者提供

  煤炭绿色开发技术主要包括煤炭开采水资源保护技术、减损开采与矿区生态修复技术。在煤炭开采水资源保护技术方面,国内科研机构都为此开展了大量的研究工作,相继提出了“堵截法”和“导储用”两种煤炭开采水资源保护技术思路。“堵截法”主要采用的技术包括充填开采、限高开采、保水区域划分、条带式开采等,在工程实践中取得了明显成效。针对西部干旱、半干旱区水资源保护难题,我国首先提出了“导储用”保护矿井水的技术思路,研发了分布式煤矿地下水库技术,利用煤矿井下采空区存储和利用矿井水资源,建立了煤矿地下水库理论框架和技术体系。

  在减损开采与矿区生态修复方面,我们研发了东部草原区大型煤炭基地开发系统性生态减损与修复技术,提出了“生态减损开采与系统修复”理念,揭示了煤炭开发生态累积效应,创建了生态减损开采与系统修复技术体系,构建了区域生态安全协调控制模式,实现了煤炭规模开发与生态修复相协调的技术突破;研发了条带开采、矸石固体充填、膏体充填、高水材料充填开采技术,大幅降低了煤炭开采地表沉陷;研发了煤与瓦斯共采技术,提高了瓦斯的抽采率和利用率,减少了温室气体排放;提出了基于覆岩关键层位置的顶板导水裂隙带高度预计方法,为保水采煤提供基础;研发了覆岩隔离注浆充填绿色开采技术,单面年产量达到300万t/a(吨/年),为东部矿区建筑物下压煤开采和西部矿区保水采煤和矸石处理提供了高效低成本技术。科研人员还提出了“切顶短臂梁”理论,研发了无煤柱自成巷“110工法”和“N00工法”,实现了采(盘)区内无煤柱和无巷道掘进,形成了具有我国自主知识产权的采煤工艺和装备系统;发明了柔模支护无煤柱开采技术及其配套装备,开发了柔模支护充填开采技术和柔模充填支架,提出了锚杆与柔模混凝土碹相结合的巷道支护方法;提出了煤炭资源“采选充+X”绿色化开采技术构想,形成了煤炭“采选充+X”(控、留、抽、防、保)协同生产模式。

宝日希勒矿区示范基地3号植物塘前后对比。图片由受访者提供

  在煤炭清洁高效利用方面,国家能源集团引领了清洁高效灵活智能燃煤发电技术进步。燃煤电站大气污染物超低排放技术已上升为国家规范,引领了燃煤发电超低排放技术进步,常规煤电机组100%实现超低排放;世界首创60万千瓦超临界循环流化床发电技术,大幅提高了劣质煤利用效率;自主研发的电站分散控制系统(DCS)打破国外垄断;建成国内首个5G+智慧火电厂,IMS煤电智慧管控平台国际领先。

  但目前煤电生产经营面临较大困难,亏损面增大,既要发挥电力保供主体地位,又要实现灵活调峰,支撑新能源发展。大部分燃煤发电机组按照基本负荷设计,调峰灵活性不足,难以支撑新能源大规模大比例并网,低负荷工况安全性、经济性和环保性问题亟待解决。应重点解决支撑新能源大比例消纳的灵活智能发电技术,煤炭与新能源耦合发电技术,多元燃料条件下锅炉变负荷安全、经济、环保运行技术,数字化、自学习、自适应、互动化特征显著的智能发电技术,持续攻关高参数超超临界发电技术,超临界CO2发电技术和整体煤气化燃料电池(IGFC)发电等前瞻性、颠覆性新型燃煤发电系统。

  在煤炭清洁转化方面,我们攻克了百万吨级煤直接液化、400万吨/年煤间接液化,获国家科技进步奖一等奖两项,60万吨级煤制烯烃等系列技术,建成了世界规模最大的示范工程,开发了煤基特种燃料、煤基特种油品等系列产品,为提升我国能源安全保障水平开辟了新途径;建成全球首套5万吨/年聚乙醇酸可降解塑料项目,推动煤化工高端化发展。

  但是,煤化工综合转化效能有待提升。煤化工产业链短,产品以油品、聚烯烃和乙二醇等大宗初级产品为主,产品同质化、附加值不高,经济效益受国际油价影响较大,能源转化效率和运行稳定性还有待提升。同时,受能耗“双控”影响,即使是技术升级的煤化工项目也被普遍视为高耗能项目限制发展。在双碳目标下,煤化工亟待解决碳排放强度高的问题。应重点攻关煤基特种燃料、煤基生物可降解材料、煤基碳素新材料、高端润滑油、高端费托蜡等高端化工生产技术;煤化工与新能源、天然气化工、生物化工、冶金材料的耦合技术;探索煤化工耦合可再生能源绿氢工艺过程减碳;富CO2合成气转化技术;加强煤化工特种装备研制。

  4、国家能源集团首创了煤矿地下水库技术,请您介绍一下该技术?

  答:煤矿地下水库技术是实现煤炭绿色开采的重要技术途径。众所周知,绿色发展的关键因素是水资源。在我国煤炭的主产区,水资源存在严重不足的问题。具体来说,我国煤炭主产区为“晋陕蒙宁新”地区,煤炭储量占全国82%,煤炭产量占全国76%,占全球41%,水资源量仅占全国6.7%,占全球的0.3%。该地区是我国最重要的煤炭资源富集区、原煤生产加工区和煤炭产品转换区,分布着9个大型煤炭生产基地(全国14个)。根据中国工程院研究报告,“晋陕蒙宁新”地区探明煤炭资源保有储量占全国的82%,但水资源仅占全国水资源总量的6.7%;能源金三角(宁东、榆林和鄂尔多斯)煤炭储量占全国27%,水资源仅占全国的0.37%。我国西部部分地区一方面水资源短缺,严重制约区域发展,另一方面大量矿井水外排地表蒸发损失,不能有效利用。因此,实现西部煤炭主产区绿色发展的前提条件就是实现矿区水资源的保护利用。

  为实现这一目标,针对煤炭安全高效规模化开采与地下水资源保护利用相协调的技术难题:为保护地下水资源,若采用限高开采将使神东煤炭回收率大幅度下降(如大柳塔矿5-2煤层下降约40%),充填开采将使工作面产量仅能达到90万吨/年左右;为实现安全生产,须将矿井水外排地表,导致水资源蒸发损失等问题。为此,我们首次提出了煤矿地下水库(即地下水“导储用”)理念,创建了煤矿地下水库设计、建设与运行的技术体系,成功建设和运行了煤矿地下水库示范工程,实现了矿井水有效保护与利用和化“水害”为“水利”,对西部生态矿区建设具有示范作用,对我国煤炭科学开发具有引领作用。

  围绕煤矿地下水库,开展了一系列研究工作,包括:

  (1)系统研究了煤矿地下水库建设技术基础,包括井下涌水量来源及预测、地下水库库容确定方法和选址方法等,为地下水库设计建设提供了理论依据。

  (2)采用物理和数值模拟以及现场工程试验等方法,研究煤矿地下水库建设关键技术,包括煤柱和人工坝体结构和强度计算模型,建立坝体参数设计方法,研究确定了两种坝体连接方式;开发了大垂距、高水压差的不同煤层地下水库连接通道施工工艺,为水体调运和安全保障提供了基础;创新应用了超大采高和超长工作面推进距离开采工艺,并将多个采空区组合加大水库储水能力。

  (3)研究了采动、水库水压对坝体结果稳定性的影响,创建了煤矿地下水库运行“三重保护”安全保障体系,包括煤层群开采水体转移、地下水库安全运行监控和应急保障,实现了煤矿水库的安全运行。

  (4)通过物理模拟和现场试验,研究了矿井水在井下渗流汇集过程中与岩体的耦合作用,摸清了岩体对矿井水自净化机理,开发了煤矿地下水库水质“三位一体”处理技术,使水库水质满足井上下用水要求。

  围绕煤矿地下水库申请的发明专利“一种矿井地下水的分布式利用方法”和“一种地下水库坝体及其构筑方法”分别获第十七届与第二十三届中国专利金奖;以该技术为核心支撑的研究成果获国家科技进步奖二等奖2项,内蒙古自治区科学技术进步一等奖1项。

  在我国“晋陕蒙宁甘”5个省份,如果将地下水库这项技术在西部适宜的地区推广应用,预计每年能够保护利用20亿吨矿井水,可有效支撑矿区周边的生态修复和煤电、煤制油、煤化工等产业发展,带动工业增加值4000亿左右。到2035年,如果矿井水利用率达到80%,西部矿区每年可多利用23亿立方米矿井水,按每立方米水价格3元计算,可创造直接经济效益115亿元,能够支撑32万公顷的生态复垦、1亿吨煤制油和2000万吨煤制烯烃生产,带动工业增加值4000亿左右。

宝日希勒矿区示范基地4号潜流湿地前后对比。图片由受访者提供

  5、“一种地下水库坝体及其构筑方法”是您的发明,获得了第二十三届中国专利金奖。可否请您简单介绍一下该专利的关键技术?

  答:之前提到,为解决煤炭绿色开发方面的技术难题,国家能源集团提出了煤矿地下水库技术,该技术明确了矿井水保护利用全新的技术路线,将矿井水的处置模式由“外排—蒸发损失”变为“储存-保护利用”,变“水害”为“水利”,既大幅提高了矿井水利用率,又保障了煤炭的安全高效开采,是煤炭开采水资源保护和利用的有效途径。该科技成果为保护和利用我国年70亿立方米矿井水资源提供了有效的技术支撑,对实现煤炭绿色开采具有重大意义。

“一种地下水库坝体及其构筑方法”发明专利证书。图片由受访者提供

  煤矿地下水库是利用地下自然空间即煤矿采空区作为储水空间、充分利用自然规律的矿井水储用设施。煤矿地下水库坝体包括人工坝体和煤柱坝体,人工坝体是煤矿地下水库的核心构筑物,占水库总工程量约60%,人工坝体安全稳定直接关系着煤矿地下水库整体安全运行,成本直接决定了水库建设成本,施工效率直接决定水库建设周期。基于人工坝体的重要性,该专利提出了“主动防渗、系统安全”的煤矿地下水库人工坝体设计与施工理念,突破了传统的局部加固被动防渗模式,研发了一种与煤柱坝体及围岩耦合协同、装配式、楔形人工坝体结构及构筑方法,具有安全可靠、主动防渗、高效快捷和经济最优显著特征,坝体整体安全系数提高75%,建设效率提高40%,成本降低40%,为煤矿地下水库高效建设与安全稳定运行和行业推广提供了保障。

  该专利的创新性在于,一是发明了楔形结构主动防渗装配式人工坝体,上部为楔形密封顶梁,下部为坝体基座的装配式坝体,充分利用侧向压力,将侧向压力作用由坝体破坏力变为坝体的加固力,提高防渗性能,使其与侧向压力呈正相关关系,有效解决了传统人工坝体受采动压力导致产生裂隙而渗漏的难题;二是建立人工坝体基座厚度计算模型,确定了合理优化的基座厚度,实现坝体基座结构参数的精确控制;三是发明了地面预制井下装配式施工工艺,即密封顶梁由地面预制浇筑后井下装配,单个坝体最快建设周期由6天缩短为2.5天,提高了施工安全性,降低了井下工人劳动强度、安全风险和工作量,有效解决井下施工空间受限的难题,大幅提高了施工安全性和效率;四是发明了人工坝体注浆密封防渗结构与工艺,研发了速凝早强防渗专用注浆材料(丙凝防水材料、普通硅酸盐水泥、水玻璃和石灰,质量比为25:15:10:1 ),设计了密封顶梁与基座构成注浆通道的空腔,通过注浆确保楔形顶梁与基座密封连接,有效提高了坝体结构的整体可靠性和防渗性能。

  多名院士高度评价该技术,认为该专利技术开辟了矿井水高效保护利用技术新途径,为破解西部煤炭开发中水资源短缺的制约提供了有效途径,对我国西部大型能源基地建设,保障我国能源安全具有重要意义。该技术整体处于国际领先水平,对于破解我国工业和生活缺水问题具有重大战略意义。

  6、所有煤矿都适用该技术吗?西部地区有多少煤矿可以应用该技术?

  煤矿按照开采工艺主要分为井工煤矿和露天煤矿,我国煤炭产量的80%为井工煤矿,该技术主要适用井工煤矿地下水库。目前,我们已经在井工煤矿的水平煤层和缓倾斜煤层中建成40多座地下水库,其中利用该技术建成12座,正在建设和规划建设的有50座。

  西部地区是我国煤炭的主产区,产量和储量占全国的70%以上,随着煤炭生产区域的西移,产量占比还会进一步增加。该技术在我国西部煤矿的水平煤层和缓倾斜煤层中均可以使用,在急倾斜煤层中,如果采用上行开采也可以使用。西部近水平煤层和缓倾斜煤层占整个区域的70%以上,急倾斜煤层煤层占20%,合计西部90%的地区均可使用本专利发明。

李全生教授及其团队发明专利证书。图片由受访者提供

  7、国外是否有类似技术?

  国外未见相同或者类似技术报道。技术最接近的报道是,2018年德国首次利用废弃矿井建设煤矿蓄能水电站,平时用过剩的风能和太阳能将下层水抽入改造过的废弃煤矿的上层,高峰时将上层的水放到下层去发电,可作调峰使用。这是近年来唯一和煤矿地下水库技术较为接近的报道。我们的煤矿地下水库技术从2005年就开始建设应用,早于德国技术10多年。

  8、该技术是否可以适用其他领域,未来的发展前景和空间如何?

  在我国稳妥推进碳达峰碳中和的大背景下,相关专家、学者和企业在新能源开发和二氧化碳封存方面提出了针对性的对策。其中煤炭开采后遗留了大量的地下空间,可以成为二氧化碳封存、井巷储能天然的场地。这些地下空间利用必须进行人工坝体构筑,对安全型和防渗性提出了极高的要求。本专利技术能够解决地下空间人工构筑物安全稳定和防渗难题,具有广阔的应用前景。

(光明日报全媒体记者张亚雄 通讯员严晓辉)

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