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                      科技創新
                      這兩項關于煤炭開采的重要技術,將帶來巨大效益
                      2022-11-22 12:29:25   來源: 

                         導讀:“在我國‘晉陜蒙寧甘’5個省份,如果將地下水庫這項技術在西部適宜的地區推廣應用,預計每年能夠保護利用20億噸礦井水,可有效支撐礦區周邊的生態修復和煤電、煤制油、煤化工等產業發展,帶動工業增加值4000億左右。到2035年,如果礦井水利用率達到80%,西部礦區每年可多利用23億立方米礦井水,按每立方米水價格3元計算,可創造直接經濟效益115億元,能夠支撐32萬公頃的生態復墾、1億噸煤制油和2000萬噸煤制烯烴生產,帶動工業增加值4000億左右!

                        “一種地下水庫壩體及其構筑方法”,“多名院士高度評價該技術,認為該專利技術開辟了礦井水高效保護利用技術新途徑,為破解西部煤炭開發中水資源短缺的制約提供了有效途徑,對我國西部大型能源基地建設,保障我國能源安全具有重要意義。該技術整體處于國際領先水平,對于破解我國工業和生活缺水問題具有重大戰略意義!

                        黨的二十大報告指出,實現碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。要“深入推進能源革命,加強煤炭清潔高效利用,加大油氣資源勘探開發和增儲上產力度,加快規劃建設新型能源體系,統籌水電開發和生態保護,積極安全有序發展核電,加強能源產供儲銷體系建設,確保能源安全”。

                        2022年7月,“一種地下水庫壩體及其構筑方法”的發明獲得第二十三屆中國專利金獎,專利發明者為國家能源集團科技部主任、煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室副主任李全生教授。如何確保既發揮電力保供主體地位,又要實現靈活調峰,支撐新能源大規模大比例并網發展?煤礦地下水是否可以實現循環利用?煤化工領域下一步的重點攻關方向又有哪些?就煤炭、能源安全及專利發明相關話題,李全生教授回答了記者提問。

                      李全生教授。圖片由受訪者提供

                        1、煤炭是我國主體能源和能源安全供應的基石,也是未來我國“雙碳”目標實現的兜底保障能源,您認為煤炭能源結構中的基礎作用體現在哪幾個方面?

                        答:過去十年,中國以年均3%的能源消費增速支撐了平均6.6%的經濟增長。煤炭占我國已探明化石能源資源總量的94%左右,貢獻了新中國成立以來70%以上的一次能源;盡管煤炭消費占比在下降,但2021年仍占一次能源消費比重的56%,占化石能源產量的86%,其主體地位不言而喻,是我國能源安全供應的基石。去年煤炭供應緊缺造成20余個省區拉閘限電,嚴重影響國家能源安全,其主要原因是煤炭供應不足。

                        富煤貧油少氣是我國國情。而以煤為主的能源結構短期內難以根本改變。實現“雙碳”目標,必須立足國情,堅持穩中求進、逐步實現,不能脫離實際、急于求成,搞運動式“降碳”、踩“急剎車”。不能把手里吃飯的家伙先扔了,結果新的吃飯家伙還沒拿到手。煤炭作為我國主體能源,要按照綠色低碳的發展方向,對標碳達峰、碳中和目標任務,立足國情、控制總量、兜住底線,有序減量替代,推進煤炭消費轉型升級。

                        煤炭在未來能源結構中有三個基礎作用:一是煤炭在一次能源供應的基礎保障作用;二是煤電在新型電力系統中的基礎調峰作用;三是煤炭在工業領域的基礎能源和原料,特別是在化工、鋼鐵、水泥等工業領域的應用。

                        目前,國家已出臺了一系列煤炭增量保供的政策,保障了國民經濟穩定運行。中國工程院研究成果表明,煤炭作為我國主體能源的地位短時期內很難改變,預計2030年煤炭在我國一次能源消費中的占比為50%,2050年煤炭消費量在一次能源消費中的占比約為40%。

                        2、煤炭在國家能源保障中的重要性不言而喻。那么現階段我國煤炭開采存在哪些方面的難點?有哪些亟需解決的問題?對此我們國家又有哪些科技創新成果,取得了哪些成效?

                        答:當前,我國煤炭開發重心加快向西部和深部轉移,大規模煤炭開發受安全和生態約束加大,煤炭綠色開采和安全生產技術難度大,礦區生態修復任重道遠,安全事故還沒有完全消除,距離科學采礦的要求仍然存在明顯差距。要重點圍繞安全開采地質保障、煤炭開采水資源保護、減損開采與礦區生態系統修復、智能開采、災害防治等方面進行科技攻關突破。

                        其中,推進煤炭綠色開采是踐行習近平生態文明思想的必然要求,是實現煤炭清潔高效利用的基礎。我從大學到碩士、博士研究生都是學的采礦工程,也就是煤炭開采;工作以來,從煤炭科學研究總院到國家能源集團,長期從事煤炭開采研究工作,親身經歷了煤炭科技進步對安全、高效、綠色、智能開采的第一生產力、第一動力的根本作用。

                      勝利礦區南排土場生態修復效果。圖片由受訪者提供

                        隨著科技進步,我國煤礦開采實現了由炮采、普采、綜采、自動化開采、智能化開采初級階段的跨越,目前一次采全高采高超過9米,產量由上世紀90年代的百萬噸級礦井到千萬噸級礦井、甚至2千萬噸級礦井,礦井用工大幅度減少,礦井安全生產水平和全員工效持續提升。目前,我國煤田地質勘查、深部煤炭資源開采、煤礦災害防治、煤炭轉化等重大基礎理論研究取得重要進展,大型礦井建設、特厚煤層綜放開采、煤與瓦斯共采、智能開采、礦山生態保護、清潔煤電、煤炭轉化等重要領域實現跨越發展,煤機裝備制造水平位于世界先進行列。煤炭行業科技貢獻率從近40%提高到60%。大型現代化煤礦已經成為我國煤炭生產的主體,年產千萬噸級煤礦由33處發展到72處,產能由4.5億噸/年提高到11.24億噸/年。智能化煤礦建設從無到有,目前建成800多個智能化采掘工作面,多種類型煤礦機器人在煤礦井下示范應用,推動了煤礦質量變革、效率變革、動力變革。

                        煤炭開采的目標是實現安全、高效、綠色開采,而智能化是手段。煤炭開采經歷了由粗放開采到安全、高效、綠色、智能開采的轉變。從行業來看,在安全方面,2000年煤炭死亡人數約7000人,去年178人,百萬噸死亡率由6.096人/百萬噸降為0.044人/百萬噸,可以說有了根本性好轉。

                        高效開采方面,我國研發了7.0m特厚硬煤層超大采高智能化綜放、8.8m、9米一次采全高智能綜采成套技術裝備,現在正在試驗10米大采高,實現了厚及特厚煤層安全高效開采技術和裝備的重大突破。

                        在綠色開采方面,我們的目標是,依靠科技創新實現“開發金山銀山、再造綠水青山”;我們提出了“源頭保護+開采過程減損+系統修復”的生態保護理念,研發了煤炭安全高效開采與生態保護修復相協調的關鍵技術,通過全國產學研聯合科技攻關和成果推廣應用,推動我國煤礦區土地復墾率由原來的10%左右提高到2021年的57.5%;建設了一批國家級和省級綠色礦山,282處煤礦共入選國家自然資源部綠色礦山名錄庫。煤礦智能開采方面,國家能源局等聯合啟動了國家首批71處智能化示范煤礦建設,初步形成以采掘(剝)運主要系統減人提效、生產輔助系統無人值守、生產經營全面管控為主要特征的智能礦山運行模式。截至2021年年底,全國已建成800多個智能化采掘工作面。

                      寶日希勒礦區北排土場生態修復效果。圖片由受訪者提供

                        以國家能源集團為例,井工煤礦煤炭開采機械化率達到100%,(69處采煤、44處掘進、30處選煤廠實現智能化,63臺礦用無人卡車正在工業測試),神東、準能等特大型核心煤炭生產企業主要技術經濟指標、綜合競爭力世界領先。開發的煤礦地下水庫、礦區地表生態修復和智能礦山等系列科技成果,使2億噸級神東現代化礦區安全、工效等技術經濟指標國際領先;神東礦區植被覆蓋率從開發初期的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、國內首個數字礦山示范礦井和世界首座智能煤礦地面集中控制中心,建成了2億噸智能礦井群,研發了基于純國產軟件自主研發智能一體化生產管控平臺,引領了煤炭智能開發的方向。露天煤礦,攻克了寬采掘帶高臺階拋擲爆破與吊斗鏟倒堆開采核心技術;從露天開采工藝前期環節的地表測量、地質建模和采礦設計,到作業環節的穿爆、采裝、運輸和排棄,已經全面實現數字化,并逐步實現智能化;形成了露天礦生態保護技術、節能減排技術、智能高效開采技術和安全保障技術等成套露天煤礦綠色開采理論和技術體系,建立了大型露天礦“采-復-農-園”四位一體的綠色協同開發示范區,探索出了脆弱環境下露天煤礦綠色開發的新模式。

                        3、黨的二十大報告提出,要“推動綠色發展,促進人與自然和諧共生”,要“深入推進能源革命,加強煤炭清潔高效利用”“加快規劃建設新型能源體系”“確保能源安全”。您認為應該從哪些技術領域進行突破以落實要求?目前哪些領域已取得成績,可否舉例介紹一些?

                        答:綠色發展在能源領域首先要做好煤炭的綠色開發。當前,煤炭開采逐步向深部轉移帶來的安全生產風險增大,煤炭開發帶來的地下水破壞、地表生態損傷和固體廢棄物處理利用問題仍未根本解決。在我國煤炭主產區,應重點解決西部深部安全開采、礦井水資源保護與利用、礦區減損開采和生態修復、煤基固廢無害化和資源化利用、煤及共伴生資源協同開發技術、煤炭開采粉塵防治技術、煤礦采-掘-運-選全生產鏈智能化技術等。

                      寶日希勒礦區北排土場720平盤蓄水工程。圖片由受訪者提供

                        煤炭綠色開發技術主要包括煤炭開采水資源保護技術、減損開采與礦區生態修復技術。在煤炭開采水資源保護技術方面,國內科研機構都為此開展了大量的研究工作,相繼提出了“堵截法”和“導儲用”兩種煤炭開采水資源保護技術思路!岸陆胤ā敝饕捎玫募夹g包括充填開采、限高開采、保水區域劃分、條帶式開采等,在工程實踐中取得了明顯成效。針對西部干旱、半干旱區水資源保護難題,我國首先提出了“導儲用”保護礦井水的技術思路,研發了分布式煤礦地下水庫技術,利用煤礦井下采空區存儲和利用礦井水資源,建立了煤礦地下水庫理論框架和技術體系。

                        在減損開采與礦區生態修復方面,我們研發了東部草原區大型煤炭基地開發系統性生態減損與修復技術,提出了“生態減損開采與系統修復”理念,揭示了煤炭開發生態累積效應,創建了生態減損開采與系統修復技術體系,構建了區域生態安全協調控制模式,實現了煤炭規模開發與生態修復相協調的技術突破;研發了條帶開采、矸石固體充填、膏體充填、高水材料充填開采技術,大幅降低了煤炭開采地表沉陷;研發了煤與瓦斯共采技術,提高了瓦斯的抽采率和利用率,減少了溫室氣體排放;提出了基于覆巖關鍵層位置的頂板導水裂隙帶高度預計方法,為保水采煤提供基礎;研發了覆巖隔離注漿充填綠色開采技術,單面年產量達到300萬t/a(噸/年),為東部礦區建筑物下壓煤開采和西部礦區保水采煤和矸石處理提供了高效低成本技術?蒲腥藛T還提出了“切頂短臂梁”理論,研發了無煤柱自成巷“110工法”和“N00工法”,實現了采(盤)區內無煤柱和無巷道掘進,形成了具有我國自主知識產權的采煤工藝和裝備系統;發明了柔模支護無煤柱開采技術及其配套裝備,開發了柔模支護充填開采技術和柔模充填支架,提出了錨桿與柔;炷另巯嘟Y合的巷道支護方法;提出了煤炭資源“采選充+X”綠色化開采技術構想,形成了煤炭“采選充+X”(控、留、抽、防、保)協同生產模式。

                      寶日希勒礦區示范基地3號植物塘前后對比。圖片由受訪者提供

                        在煤炭清潔高效利用方面,國家能源集團引領了清潔高效靈活智能燃煤發電技術進步。燃煤電站大氣污染物超低排放技術已上升為國家規范,引領了燃煤發電超低排放技術進步,常規煤電機組100%實現超低排放;世界首創60萬千瓦超臨界循環流化床發電技術,大幅提高了劣質煤利用效率;自主研發的電站分散控制系統(DCS)打破國外壟斷;建成國內首個5G+智慧火電廠,IMS煤電智慧管控平臺國際領先。

                        但目前煤電生產經營面臨較大困難,虧損面增大,既要發揮電力保供主體地位,又要實現靈活調峰,支撐新能源發展。大部分燃煤發電機組按照基本負荷設計,調峰靈活性不足,難以支撐新能源大規模大比例并網,低負荷工況安全性、經濟性和環保性問題亟待解決。應重點解決支撐新能源大比例消納的靈活智能發電技術,煤炭與新能源耦合發電技術,多元燃料條件下鍋爐變負荷安全、經濟、環保運行技術,數字化、自學習、自適應、互動化特征顯著的智能發電技術,持續攻關高參數超超臨界發電技術,超臨界CO2發電技術和整體煤氣化燃料電池(IGFC)發電等前瞻性、顛覆性新型燃煤發電系統。

                        在煤炭清潔轉化方面,我們攻克了百萬噸級煤直接液化、400萬噸/年煤間接液化,獲國家科技進步獎一等獎兩項,60萬噸級煤制烯烴等系列技術,建成了世界規模最大的示范工程,開發了煤基特種燃料、煤基特種油品等系列產品,為提升我國能源安全保障水平開辟了新途徑;建成全球首套5萬噸/年聚乙醇酸可降解塑料項目,推動煤化工高端化發展。

                        但是,煤化工綜合轉化效能有待提升。煤化工產業鏈短,產品以油品、聚烯烴和乙二醇等大宗初級產品為主,產品同質化、附加值不高,經濟效益受國際油價影響較大,能源轉化效率和運行穩定性還有待提升。同時,受能耗“雙控”影響,即使是技術升級的煤化工項目也被普遍視為高耗能項目限制發展。在雙碳目標下,煤化工亟待解決碳排放強度高的問題。應重點攻關煤基特種燃料、煤基生物可降解材料、煤基碳素新材料、高端潤滑油、高端費托蠟等高端化工生產技術;煤化工與新能源、天然氣化工、生物化工、冶金材料的耦合技術;探索煤化工耦合可再生能源綠氫工藝過程減碳;富CO2合成氣轉化技術;加強煤化工特種裝備研制。

                        4、國家能源集團首創了煤礦地下水庫技術,請您介紹一下該技術?

                        答:煤礦地下水庫技術是實現煤炭綠色開采的重要技術途徑。眾所周知,綠色發展的關鍵因素是水資源。在我國煤炭的主產區,水資源存在嚴重不足的問題。具體來說,我國煤炭主產區為“晉陜蒙寧新”地區,煤炭儲量占全國82%,煤炭產量占全國76%,占全球41%,水資源量僅占全國6.7%,占全球的0.3%。該地區是我國最重要的煤炭資源富集區、原煤生產加工區和煤炭產品轉換區,分布著9個大型煤炭生產基地(全國14個)。根據中國工程院研究報告,“晉陜蒙寧新”地區探明煤炭資源保有儲量占全國的82%,但水資源僅占全國水資源總量的6.7%;能源金三角(寧東、榆林和鄂爾多斯)煤炭儲量占全國27%,水資源僅占全國的0.37%。我國西部部分地區一方面水資源短缺,嚴重制約區域發展,另一方面大量礦井水外排地表蒸發損失,不能有效利用。因此,實現西部煤炭主產區綠色發展的前提條件就是實現礦區水資源的保護利用。

                        為實現這一目標,針對煤炭安全高效規;_采與地下水資源保護利用相協調的技術難題:為保護地下水資源,若采用限高開采將使神東煤炭回收率大幅度下降(如大柳塔礦5-2煤層下降約40%),充填開采將使工作面產量僅能達到90萬噸/年左右;為實現安全生產,須將礦井水外排地表,導致水資源蒸發損失等問題。為此,我們首次提出了煤礦地下水庫(即地下水“導儲用”)理念,創建了煤礦地下水庫設計、建設與運行的技術體系,成功建設和運行了煤礦地下水庫示范工程,實現了礦井水有效保護與利用和化“水害”為“水利”,對西部生態礦區建設具有示范作用,對我國煤炭科學開發具有引領作用。

                        圍繞煤礦地下水庫,開展了一系列研究工作,包括:

                       。1)系統研究了煤礦地下水庫建設技術基礎,包括井下涌水量來源及預測、地下水庫庫容確定方法和選址方法等,為地下水庫設計建設提供了理論依據。

                       。2)采用物理和數值模擬以及現場工程試驗等方法,研究煤礦地下水庫建設關鍵技術,包括煤柱和人工壩體結構和強度計算模型,建立壩體參數設計方法,研究確定了兩種壩體連接方式;開發了大垂距、高水壓差的不同煤層地下水庫連接通道施工工藝,為水體調運和安全保障提供了基礎;創新應用了超大采高和超長工作面推進距離開采工藝,并將多個采空區組合加大水庫儲水能力。

                       。3)研究了采動、水庫水壓對壩體結果穩定性的影響,創建了煤礦地下水庫運行“三重保護”安全保障體系,包括煤層群開采水體轉移、地下水庫安全運行監控和應急保障,實現了煤礦水庫的安全運行。

                       。4)通過物理模擬和現場試驗,研究了礦井水在井下滲流匯集過程中與巖體的耦合作用,摸清了巖體對礦井水自凈化機理,開發了煤礦地下水庫水質“三位一體”處理技術,使水庫水質滿足井上下用水要求。

                        圍繞煤礦地下水庫申請的發明專利“一種礦井地下水的分布式利用方法”和“一種地下水庫壩體及其構筑方法”分別獲第十七屆與第二十三屆中國專利金獎;以該技術為核心支撐的研究成果獲國家科技進步獎二等獎2項,內蒙古自治區科學技術進步一等獎1項。

                        在我國“晉陜蒙寧甘”5個省份,如果將地下水庫這項技術在西部適宜的地區推廣應用,預計每年能夠保護利用20億噸礦井水,可有效支撐礦區周邊的生態修復和煤電、煤制油、煤化工等產業發展,帶動工業增加值4000億左右。到2035年,如果礦井水利用率達到80%,西部礦區每年可多利用23億立方米礦井水,按每立方米水價格3元計算,可創造直接經濟效益115億元,能夠支撐32萬公頃的生態復墾、1億噸煤制油和2000萬噸煤制烯烴生產,帶動工業增加值4000億左右。

                      寶日希勒礦區示范基地4號潛流濕地前后對比。圖片由受訪者提供

                        5、“一種地下水庫壩體及其構筑方法”是您的發明,獲得了第二十三屆中國專利金獎?煞裾埬唵谓榻B一下該專利的關鍵技術?

                        答:之前提到,為解決煤炭綠色開發方面的技術難題,國家能源集團提出了煤礦地下水庫技術,該技術明確了礦井水保護利用全新的技術路線,將礦井水的處置模式由“外排—蒸發損失”變為“儲存-保護利用”,變“水害”為“水利”,既大幅提高了礦井水利用率,又保障了煤炭的安全高效開采,是煤炭開采水資源保護和利用的有效途徑。該科技成果為保護和利用我國年70億立方米礦井水資源提供了有效的技術支撐,對實現煤炭綠色開采具有重大意義。

                      “一種地下水庫壩體及其構筑方法”發明專利證書。圖片由受訪者提供

                        煤礦地下水庫是利用地下自然空間即煤礦采空區作為儲水空間、充分利用自然規律的礦井水儲用設施。煤礦地下水庫壩體包括人工壩體和煤柱壩體,人工壩體是煤礦地下水庫的核心構筑物,占水庫總工程量約60%,人工壩體安全穩定直接關系著煤礦地下水庫整體安全運行,成本直接決定了水庫建設成本,施工效率直接決定水庫建設周期;谌斯误w的重要性,該專利提出了“主動防滲、系統安全”的煤礦地下水庫人工壩體設計與施工理念,突破了傳統的局部加固被動防滲模式,研發了一種與煤柱壩體及圍巖耦合協同、裝配式、楔形人工壩體結構及構筑方法,具有安全可靠、主動防滲、高效快捷和經濟最優顯著特征,壩體整體安全系數提高75%,建設效率提高40%,成本降低40%,為煤礦地下水庫高效建設與安全穩定運行和行業推廣提供了保障。

                        該專利的創新性在于,一是發明了楔形結構主動防滲裝配式人工壩體,上部為楔形密封頂梁,下部為壩體基座的裝配式壩體,充分利用側向壓力,將側向壓力作用由壩體破壞力變為壩體的加固力,提高防滲性能,使其與側向壓力呈正相關關系,有效解決了傳統人工壩體受采動壓力導致產生裂隙而滲漏的難題;二是建立人工壩體基座厚度計算模型,確定了合理優化的基座厚度,實現壩體基座結構參數的精確控制;三是發明了地面預制井下裝配式施工工藝,即密封頂梁由地面預制澆筑后井下裝配,單個壩體最快建設周期由6天縮短為2.5天,提高了施工安全性,降低了井下工人勞動強度、安全風險和工作量,有效解決井下施工空間受限的難題,大幅提高了施工安全性和效率;四是發明了人工壩體注漿密封防滲結構與工藝,研發了速凝早強防滲專用注漿材料(丙凝防水材料、普通硅酸鹽水泥、水玻璃和石灰,質量比為25:15:10:1 ),設計了密封頂梁與基座構成注漿通道的空腔,通過注漿確保楔形頂梁與基座密封連接,有效提高了壩體結構的整體可靠性和防滲性能。

                        多名院士高度評價該技術,認為該專利技術開辟了礦井水高效保護利用技術新途徑,為破解西部煤炭開發中水資源短缺的制約提供了有效途徑,對我國西部大型能源基地建設,保障我國能源安全具有重要意義。該技術整體處于國際領先水平,對于破解我國工業和生活缺水問題具有重大戰略意義。

                        6、所有煤礦都適用該技術嗎?西部地區有多少煤礦可以應用該技術?

                        煤礦按照開采工藝主要分為井工煤礦和露天煤礦,我國煤炭產量的80%為井工煤礦,該技術主要適用井工煤礦地下水庫。目前,我們已經在井工煤礦的水平煤層和緩傾斜煤層中建成40多座地下水庫,其中利用該技術建成12座,正在建設和規劃建設的有50座。

                        西部地區是我國煤炭的主產區,產量和儲量占全國的70%以上,隨著煤炭生產區域的西移,產量占比還會進一步增加。該技術在我國西部煤礦的水平煤層和緩傾斜煤層中均可以使用,在急傾斜煤層中,如果采用上行開采也可以使用。西部近水平煤層和緩傾斜煤層占整個區域的70%以上,急傾斜煤層煤層占20%,合計西部90%的地區均可使用本專利發明。

                      李全生教授及其團隊發明專利證書。圖片由受訪者提供

                        7、國外是否有類似技術?

                        國外未見相同或者類似技術報道。技術最接近的報道是,2018年德國首次利用廢棄礦井建設煤礦蓄能水電站,平時用過剩的風能和太陽能將下層水抽入改造過的廢棄煤礦的上層,高峰時將上層的水放到下層去發電,可作調峰使用。這是近年來唯一和煤礦地下水庫技術較為接近的報道。我們的煤礦地下水庫技術從2005年就開始建設應用,早于德國技術10多年。

                        8、該技術是否可以適用其他領域,未來的發展前景和空間如何?

                        在我國穩妥推進碳達峰碳中和的大背景下,相關專家、學者和企業在新能源開發和二氧化碳封存方面提出了針對性的對策。其中煤炭開采后遺留了大量的地下空間,可以成為二氧化碳封存、井巷儲能天然的場地。這些地下空間利用必須進行人工壩體構筑,對安全型和防滲性提出了極高的要求。本專利技術能夠解決地下空間人工構筑物安全穩定和防滲難題,具有廣闊的應用前景。

                      (光明日報全媒體記者張亞雄 通訊員嚴曉輝)


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