我國煤炭主體能源安全高質(zhì)量發(fā)展的理論技術(shù)思考

我國是全球最大的能源消費(fèi)國和生產(chǎn)國，能源是我國經(jīng)濟(jì)繁榮和可持續(xù)發(fā)展的前提與重要支撐，經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展與能源的需求緊密相關(guān)。2021年我國煤炭消費(fèi)占一次能源消費(fèi)的56%左右，從近年來的煤炭消費(fèi)占比可知，我國煤炭消費(fèi)占比雖然在逐年降低，但是煤炭消費(fèi)總量仍然逐年增大。習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)：“富煤貧油少氣是我國的國情，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以根本改變”，這說明我國煤炭消費(fèi)占比在相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍占主導(dǎo)作用。煤炭保障了我國能源安全與經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，圖1為我國近17年的煤炭產(chǎn)量、煤炭百萬噸死亡率和國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的發(fā)展趨勢。從圖1中可以看出，我國的煤炭百萬噸死亡率逐年降低，從2005年的2.76降低至2021年的0.044，相對減少了62.73倍；我國的煤炭產(chǎn)量呈波動變化，總體呈增加趨勢，從2005—2014年持續(xù)增長，從2014—2016年煤炭產(chǎn)量有所下降，2016年后煤炭產(chǎn)量又有所反彈，2005—2021年煤炭產(chǎn)量總體相對增加了1.92倍；我國GDP總量也在逐年增大，從2005年的18.73萬億增至2021年的114.4萬億，相對增大了6.11倍。

　　我國主體能源的高質(zhì)量發(fā)展是保障我國能源安全的重要前提，是實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本，同時也是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的全局性和戰(zhàn)略性問題。基于我國能源資源的稟賦特征和碳達(dá)峰與碳中和（以下簡稱“雙碳”）目標(biāo)的背景，我國能源安全的高質(zhì)量發(fā)展必須走“清潔、高效、安全、可持續(xù)”的科學(xué)發(fā)展道路，呼喚主體能源安全智能精準(zhǔn)開采和綠色清潔高效利用，引領(lǐng)能源安全、綠色、低碳的長期發(fā)展。在“雙碳”目標(biāo)的背景下，煤炭作為我國主體能源，要按照綠色低碳的發(fā)展方向，對標(biāo)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)任務(wù)，立足國情、控制總量、兜住底線，有序減量替代，推進(jìn)煤炭消費(fèi)轉(zhuǎn)型升級，而“雙碳”目標(biāo)的規(guī)劃也對我國主體能源安全的保障帶來了新要求。同時，國際局勢動蕩，新冠肺炎疫情及俄烏沖突等不確定因素加大了國際能源的市場波動，全天候的能源保障和供給成為能源行業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)?；诋?dāng)前的國際形勢和能源背景，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)需要大力發(fā)展新能源，而根據(jù)謝和平等研究表明，新能源消費(fèi)占比提升到49%，至少需要30年的時間。由此可知，新能源在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)無法取代常規(guī)能源，以國內(nèi)相對富裕的煤炭為主是保障國家能源安全的現(xiàn)實(shí)選擇，煤炭在我國能源安全基礎(chǔ)性保障地位短期內(nèi)難以根本改變，是我國能源安全的壓艙石。

　　近年來，黨和國家高度重視我國主體能源的創(chuàng)新發(fā)展，先后成立了多個國家重點(diǎn)實(shí)驗室、國家工程研究中心等研究機(jī)構(gòu)，專門從事煤炭工業(yè)科技的創(chuàng)新研究。本文是筆者在近5年內(nèi)承擔(dān)和參加的科學(xué)技術(shù)部、國家能源局和中國工程院等資助的項目研究過程中，基于對我國主體能源發(fā)展取得的成就和面臨的挑戰(zhàn)的分析，對我國主體能源安全高質(zhì)量發(fā)展的思考，以期為我國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和能源經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展提供參考。

　　我國主體能源創(chuàng)新發(fā)展成就顯著

　　在黨和國家的大力支持下，經(jīng)過幾代人的努力和創(chuàng)新，我國主體能源的發(fā)展在6個方面取得了顯著的成就，為我國主體能源安全的高質(zhì)量發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

　　成就1：經(jīng)過幾代人的努力，我國初步形成了以煤炭資源勘探技術(shù)為核心的煤礦地質(zhì)保障體系。我國在煤炭資源勘探方面形成了以“地震主導(dǎo)-多手段配合-井上下聯(lián)合”的勘探方法，其中以高分辨三維地震勘探技術(shù)為核心，構(gòu)建了綜合立體式物探技術(shù)。該技術(shù)由于其精度高、成本低和探測速度快的特點(diǎn)，在我國煤炭資源勘探方面得到了廣泛的應(yīng)用，顯著提升了我國煤炭綜合勘查的效率?；诰C合立體式的煤炭勘探技術(shù)，我國初步形成了井上下一體和采前采中相互協(xié)同作用的煤礦地質(zhì)保障技術(shù)體系。

　　成就2：基于20多年的艱難探索，我國煤與瓦斯共采技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。我國煤與瓦斯共采技術(shù)方法主要包括三大類——巷道法煤與瓦斯共采、留巷鉆孔法無煤柱煤與瓦斯共采、地面鉆井法煤與瓦斯共采，三類技術(shù)方法適用于不同開采條件煤層。其中地面鉆井法煤與瓦斯共采技術(shù)較為常用，其主要包括煤氣共采的“淮南模式”和先抽后采的“晉城模式”，“淮南模式”的煤與瓦斯共采技術(shù)主要適用于復(fù)雜地質(zhì)條件的低透氣性煤層群的卸壓開采、采動區(qū)臨近層的卸壓瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽采，“晉城模式”的煤與瓦斯共采技術(shù)主要適用于地質(zhì)構(gòu)造簡單和滲透性較高的堅硬煤層。

　　成就3：經(jīng)過對基礎(chǔ)理論的深入探索和大量的工程試驗研究，我國煤礦典型動力災(zāi)害風(fēng)險判識和監(jiān)控預(yù)警技術(shù)取得重大進(jìn)展。筆者團(tuán)隊圍繞“煤礦典型動力災(zāi)害風(fēng)險判識和監(jiān)控預(yù)警技術(shù)”這一重大關(guān)鍵科學(xué)問題，以沖擊地壓和煤與瓦斯突出這兩種典型動力災(zāi)害為抓手，開展了沖擊地壓和煤與瓦斯突出的災(zāi)變機(jī)理及監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)平臺的研究。研究結(jié)果闡明了沖擊地壓和煤與瓦斯突出的多場耦合誘發(fā)機(jī)制，并基于此構(gòu)建了多元海量信息的大數(shù)據(jù)分析與挖掘的監(jiān)控預(yù)警模型和云平臺。該項成果已被國家礦山安全監(jiān)察局應(yīng)用到國家煤礦安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對3300余座礦井安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)與預(yù)警。

　　成就4：經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，我國在綜合采掘技術(shù)與成套裝備的研發(fā)方面獲得重大進(jìn)展，并基于此在智能開采技術(shù)及裝備方面也取得歷史性突破。自“十五”以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國在全煤層開采技術(shù)和裝備方面取得重大突破。針對薄煤層開采，開創(chuàng)了0.8—2.0m的全自動化無人開采薄煤層刨煤機(jī)安全高效開采技術(shù)模型，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯或突出煤層的安全高效開采。針對厚煤層開采，研發(fā)了淺埋煤層8.8m一次采全高綜采關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備，成功研制了14—20m的特厚煤層大采高綜采關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備，顯著提高了我國煤層開采效率和采收率。經(jīng)過持續(xù)的科研攻關(guān)，我國成功研制了智能化、無人化的開采技術(shù)及成套裝備。2013年，在黃陵一號煤礦的1001工作面首次開展了智能化開采的現(xiàn)場試驗工作，試驗效果顯著。在黃陵一號煤礦試驗成功的基礎(chǔ)上，我國已有近千個采煤工作面推進(jìn)實(shí)施了智能化、無人化開采技術(shù)，使我國在煤礦開采方面初步實(shí)現(xiàn)了“有人巡視，無人值守”的全自動化開采模式。

　　成就5：歷經(jīng)20余年的科研攻關(guān)，我國在煤炭高效清潔利用與煤基清潔能源高效轉(zhuǎn)化技術(shù)方面取得顯著進(jìn)步。在燃煤發(fā)電技術(shù)方面，成功研制出了百萬千瓦級600℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)和成套裝備，新型燃煤發(fā)電技術(shù)在減煤降碳方面效果顯著，大幅提升了我國燃煤電廠的熱能利用率，該設(shè)備已在全國推廣應(yīng)用。在低濃度瓦斯燃燒利用方面，成功研制了全球首套3%—9%煤礦低濃度瓦斯安全穩(wěn)定燃燒裝置，入選了國家能源局2021年度能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備項目清單。該設(shè)備的成功研制標(biāo)志著我國自主創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了1%—100%全濃度的甲烷利用?；诮堤荚鲂Оl(fā)展方向的背景，我國大力發(fā)展煤基能源高效轉(zhuǎn)化利用技術(shù)，建成了全球單體規(guī)模最大的400萬噸/年的煤間接液化項目，且能夠?qū)崿F(xiàn)安全穩(wěn)定清潔運(yùn)行，該技術(shù)填補(bǔ)了多項國內(nèi)空白，打破了國外的技術(shù)壟斷。

　　成就6：在煤炭開采利用和新能源快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，我國在煤與新能源多能協(xié)同技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)突破。煤與新能源多能協(xié)同是構(gòu)建互補(bǔ)現(xiàn)代能源體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在此背景下，我國成功構(gòu)建了抽水蓄能+多能互補(bǔ)分布式智慧能源系統(tǒng)，提出了“國家級廢棄礦洞地下空間儲能云”戰(zhàn)略構(gòu)想。在“光伏發(fā)電-電解水制氫-合成氨-氨輸運(yùn)-煤摻氨燃燒”五位一體技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展，國內(nèi)首創(chuàng)的8.3 MW純氨燃燒器一次點(diǎn)火成功。

　　我國主體能源安全高質(zhì)量發(fā)展依然面臨諸多挑戰(zhàn)

　　隨著煤炭淺部資源的枯竭，我國煤炭的開采深度以每年10—25m的速度向深部蔓延，煤礦開采進(jìn)入深部后面臨的科學(xué)問題和技術(shù)難題更為復(fù)雜。在2016年全國科技創(chuàng)新大會上，習(xí)近平總書記提出“向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題”。近年來，我國科技投入逐漸增加，法律法規(guī)逐漸健全，安全監(jiān)管不斷加強(qiáng)，產(chǎn)能結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，煤礦的事故發(fā)生率也在逐漸降低。但在深部煤炭開采過程中，伴隨著智能安全開采問題、環(huán)境安全問題、粉塵防控與職業(yè)安全健康問題、煤與共伴生資源的開采矛盾及煤與瓦斯的清潔高效利用問題等依然較為嚴(yán)峻。

　　挑戰(zhàn)1：隨著淺部煤炭資源的枯竭，我國面臨深部煤炭開采的挑戰(zhàn)，而深部煤炭安全開采形勢依然嚴(yán)峻。我國的煤炭開采主要以井工開采為主，由于我國特殊的地質(zhì)特征，隨著開采深度的增加，煤層賦存和開采環(huán)境較為復(fù)雜，且在開采過程中面臨多重災(zāi)害的威脅，各類災(zāi)害相互影響，嚴(yán)重危害煤礦的安全生產(chǎn)。2021年，我國煤礦共發(fā)生事故90余起，死亡百余人，較大以上的事故仍然時有發(fā)生。同時，2021年我國煤礦百萬噸死亡率仍是美國的2—3倍，與發(fā)達(dá)國家仍存在一定的差距。而伴隨著煤礦開采進(jìn)入深部，我國可供開采的綠色煤炭資源量變得更為有限，在可見的未來或?qū)⒅饾u進(jìn)入非綠色煤炭賦存區(qū)的開采，非綠色煤炭賦存區(qū)開采面臨的安全問題更為復(fù)雜嚴(yán)峻。我國目前探明的1000m以深的煤炭資源量占比約為53%，當(dāng)前我國煤炭產(chǎn)量的30%來自深部開采，最大采深已達(dá)1500m[15]。在未來10—20年，包括西部在內(nèi)的全國70%煤炭產(chǎn)能都將進(jìn)入深部開采。而深部開采面臨的煤與瓦斯突出、沖擊地壓等多種災(zāi)害威脅更大，日本、英國、德國等國家相繼關(guān)井，我國需要迎難而上。

　　挑戰(zhàn)2：煤礦智能化安全開采技術(shù)水平亟待提高。自改革開放以來，我國煤礦開采從炮采、普采跨越到了煤礦機(jī)械化、自動化開采，并逐漸向智能化、無人化開采邁進(jìn)。煤礦的智能化和無人化程度決定了我國煤礦安全開采的水平，我國井工煤礦在采煤和掘進(jìn)的機(jī)械化、自動化程度已分別達(dá)到78.5%、60.4%，大型煤礦企業(yè)的機(jī)械化程度更是達(dá)到98%以上。但是，目前全國只有不到1000個采掘工作面推進(jìn)實(shí)施智能化和無人化技術(shù)，煤礦智能化、無人化開采是機(jī)械化、自動化開采的進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展，是我國煤礦安全生產(chǎn)變革的新方向，將會有效促進(jìn)我國主體能源安全高質(zhì)量發(fā)展。因此，我國煤礦亟須發(fā)展智能化安全開采技術(shù)，提高和推進(jìn)全國煤礦智能化、無人化開采水平。

　　挑戰(zhàn)3：由于煤礦開采引起的環(huán)境危害日益嚴(yán)重，環(huán)境安全亟待改善。對大氣環(huán)境的影響方面，煤礦開采伴隨著瓦斯氣體的排放，井下開采過程中瓦斯利用率較低，大部分瓦斯直接排放到大氣中。而瓦斯也是一種溫室氣體，其引起的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍左右。除瓦斯外，煤礦開采過程中還伴隨著大量粉塵的產(chǎn)生和排放，進(jìn)而造成霧霾現(xiàn)象。對水資源的影響方面，在煤礦開采過程中會利用大量的水資源，絕大部分礦井水直接排放，回用率較低，造成大量水資源的浪費(fèi)，而大量水資源的浪費(fèi)也會造成礦井周圍的水土流失和環(huán)境污染。對生態(tài)環(huán)境和土地資源的影響方面，煤礦開采過程中會伴隨著煤矸石的排放和堆積，煤矸石的堆積占用了大量的公用土地，且煤矸石的自燃會產(chǎn)生大量的二氧化硫和二氧化碳等有毒有害氣體，影響礦區(qū)周圍的生態(tài)平衡。煤礦的過度開采也會導(dǎo)致礦區(qū)周圍的土地塌陷，進(jìn)而造成植被破壞和地表沙化等問題，嚴(yán)重危害礦區(qū)周圍居民的生活和安全（圖2）。

　　挑戰(zhàn)4：粉塵防控一直是煤礦開采過程中的難題，由粉塵引起的職業(yè)安全健康問題不容忽視。截至2021年，全國累計報告職業(yè)病例約為102.5萬例。其中，職業(yè)性塵肺病例約為91.5萬例，占比約為89.27%，且每年新增煤工塵肺病例仍然高居不下。圖3為2008—2021年我國職業(yè)病、煤工塵肺病和塵肺病占比的變化趨勢。從圖3中可以看出，我國每年的煤工塵肺病例呈波動增大，且每年煤工塵肺病例基本占總職業(yè)病例的40%以上。2020年全國因煤工塵肺死亡人數(shù)較多，約是煤礦生產(chǎn)事故死亡人數(shù)的17倍，煤礦粉塵已成為危害安全生產(chǎn)和礦工健康的“頭號殺手”。

　　挑戰(zhàn)5：我國聚煤盆地伴生多種資源，煤與共伴生資源單獨(dú)開采的矛盾日益突出。我國聚煤盆地賦存煤炭的同時，伴生著豐富的煤層氣、天然氣、致密砂巖氣、石油、鈾等油氣資源。煤及共伴生資源開采過程涉及多相多物理場的復(fù)雜耦合作用，煤炭開采和共伴生資源開采相互作用、相互影響。煤炭開采過程中引發(fā)的煤與瓦斯突出、沖擊地壓等典型動力災(zāi)害對共伴生資源的開發(fā)影響劇烈，同時油氣開采過程中的井噴、氣竄等也會影響煤炭開采。資源開發(fā)時序不合理則會破壞其他能源的賦存及穩(wěn)定開采狀態(tài)，甚至造成井漏、天然氣泄漏爆炸等安全事故，導(dǎo)致能源回收率低且安全風(fēng)險較大。

　　挑戰(zhàn)6：在“雙碳”目標(biāo)背景下，我國煤炭清潔高效利用關(guān)鍵技術(shù)亟待提高。面對“雙碳”目標(biāo)，煤炭作為我國的主體能源必須走清潔高效利用的道路。盡管當(dāng)前煤炭消費(fèi)占比逐漸降低，但是將煤炭直接燃燒利用占煤炭消費(fèi)總量的80%以上。我國目前在燃煤工業(yè)領(lǐng)域仍然具有燃煤利用率低、排放污染嚴(yán)重和技術(shù)裝備落后的缺點(diǎn)。當(dāng)前我國的煤炭清潔高效利用技術(shù)科技支撐相對不足，基礎(chǔ)研究相對薄弱，關(guān)鍵核心技術(shù)相對落后。因此，在“雙碳”背景下，我國亟須優(yōu)化煤炭清潔高效利用方式和路徑，研發(fā)煤炭清潔高效利用關(guān)鍵技術(shù)和成套裝備，促進(jìn)我國主體能源的高質(zhì)量發(fā)展。

　　未來創(chuàng)新的發(fā)展方向

　　上述研究內(nèi)容闡述了近年來我國主體能源發(fā)展過程中取得的成就和面臨的挑戰(zhàn)。回顧過往，筆者經(jīng)過多年思考，提出我國主體能源安全高質(zhì)量的發(fā)展必須走安全智能精準(zhǔn)開采之路。當(dāng)今社會，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖，以人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等為代表的新一代信息技術(shù)正在快速發(fā)展，我國主體能源的開發(fā)和利用必須踏上新一代的信息革命之路，讓信息技術(shù)為主體能源高質(zhì)量發(fā)展賦能。早在2016年筆者就提出了煤炭精準(zhǔn)開采的科學(xué)構(gòu)想，煤炭精準(zhǔn)開采將引領(lǐng)主體能源的高質(zhì)量發(fā)展，改變傳統(tǒng)能源發(fā)展格局，重塑主體能源發(fā)展戰(zhàn)略。煤炭精準(zhǔn)開采是以透明地球物理和多物理場耦合理論為基礎(chǔ)的智能化、無人化開采新技術(shù)，涉及多個關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難題。基于這一理念，我們必須統(tǒng)籌考慮不同地質(zhì)條件下煤炭開采擾動的影響因素、致災(zāi)機(jī)理及開采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境的負(fù)外部性等，創(chuàng)建時空上準(zhǔn)確高效的煤炭無人（少人）智能開采與災(zāi)害防控一體化的煤炭開采新模式。

　　實(shí)現(xiàn)這一理念，必須加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。以工程實(shí)際為背景，從工程問題中提煉關(guān)鍵科學(xué)問題，采用現(xiàn)場工程試驗和數(shù)據(jù)收集、大型物理模擬實(shí)驗、數(shù)值仿真與模擬驗證的“三位一體”綜合科學(xué)研究方法（圖4），以煤炭智能化綠色安全開采理論與技術(shù)、環(huán)境安全防護(hù)與職業(yè)健康理論與技術(shù)、煤及共伴生資源精準(zhǔn)協(xié)同開發(fā)理論與技術(shù)、煤炭清潔高效利用和碳中和科學(xué)發(fā)展理論與技術(shù)為主要研究方向，深入開展基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為我國主體能源科技創(chuàng)新發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐。

　　煤炭智能化綠色安全開采理論與技術(shù)

　　理論研究。煤礦的智能化和無人化程度表明了我國礦井現(xiàn)代化的水平，也決定了安全開采的能力。煤礦智能化綠色安全開采主要涉及兩大理論： ①透明地球物理基礎(chǔ)理論，該理論是以微震監(jiān)測技術(shù)、CT掃描技術(shù)、VR可視化技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)為基礎(chǔ)，研究具有全方位可視化的礦山開采理論方法，真實(shí)反演礦山地質(zhì)概況及瓦斯賦存等情況；②采動煤層多場耦合致災(zāi)基礎(chǔ)理論，煤礦開采過程中涉及煤體應(yīng)力場、裂隙場、瓦斯擴(kuò)散場、滲流場、溫度場和化學(xué)場等多物理場的復(fù)雜耦合作用，各物理場交叉作用，相互影響。這兩大理論是研究煤礦智能化綠色安全開采的前提條件，在兩大理論研究的基礎(chǔ)上開展相關(guān)技術(shù)與裝備的研究。

　　關(guān)鍵技術(shù)與裝備。煤礦智能化綠色安全開采主要涉及5個方面的關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研究：①智能精準(zhǔn)開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備，主要涉及智能綜采技術(shù)與裝備、智能巷道掘進(jìn)技術(shù)與裝備、智能鉆抽技術(shù)與裝備、智能輸運(yùn)技術(shù)與裝備、智能調(diào)控技術(shù)與裝備5個方向的研究。②智能感知與多網(wǎng)融合技術(shù)裝備，主要涉及采掘擾動區(qū)的信息傳感技術(shù)裝備、采掘擾動區(qū)的全方位監(jiān)測布控技術(shù)裝備、非接觸式抗干擾高性能傳感技術(shù)裝備、多種災(zāi)害前兆信息采集與傳輸分析技術(shù)裝備4個方向的研究。③動態(tài)信息挖掘與融合處理技術(shù)，主要涉及多源海量信息的融合技術(shù)與方法、構(gòu)建海量數(shù)據(jù)挖掘模型及災(zāi)害預(yù)警知識體系關(guān)鍵技術(shù)與方法、潛在災(zāi)害預(yù)測技術(shù)與方法、典型動力災(zāi)害危險區(qū)域快速識別技術(shù)與方法4個方向的研究。④動力災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警技術(shù)與裝備，主要涉及煤礦采掘擾動應(yīng)力、瓦斯壓力、構(gòu)造特征參數(shù)及煤巖力學(xué)參數(shù)等多參量信息的識別和分析技術(shù)與方法，構(gòu)建監(jiān)控預(yù)警云平臺。⑤智慧礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)體系，以采礦工程、安全工程、巖石力學(xué)、滲流力學(xué)和損傷力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合信息學(xué)、大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+智慧礦山”技術(shù)體系。

　　環(huán)境安全防護(hù)與職業(yè)健康理論與技術(shù)

　　煤炭開采過程中會伴隨著地表沉陷、水土流失、瓦斯和粉塵的排放等環(huán)境有害因素的發(fā)生，影響礦工的職業(yè)健康和礦區(qū)周圍的生態(tài)環(huán)境。構(gòu)建環(huán)境安全防護(hù)技術(shù)體系和職業(yè)健康理論是煤炭安全開采的重要前提和保障。

　　理論研究。煤炭開采中的環(huán)境安全防護(hù)主要涉及3個方面的理論：①煤礦低損傷開采力學(xué)與控制理論，主要涉及煤礦低損傷開采的力學(xué)機(jī)制、低損傷開采過程中的多場耦合特性、低損傷開采的影響機(jī)制3個方向的研究。②煤炭開采污染機(jī)理及生態(tài)響應(yīng)機(jī)制，主要涉及煤炭開采污染源產(chǎn)生機(jī)理、煤炭開采污染源對環(huán)境的影響機(jī)制2個方向的研究。③煤炭保水開采基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，主要涉及煤炭開采過程中上覆巖層的裂隙演化特征、開采擾動作用下覆巖裂隙水滲流動態(tài)演化特征、采掘擾動工作面涌水監(jiān)測預(yù)警技術(shù)3個方向的研究。

　　關(guān)鍵技術(shù)與裝備。煤炭開采中的環(huán)境安全防護(hù)主要涉及4個方面關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研究：①井下采選充一體化開采技術(shù)及裝備，主要涉及井下采選充協(xié)同開采關(guān)鍵技術(shù)、井下采選充一體化開采裝備2個方向的研究。②井下精準(zhǔn)局部充填開采技術(shù)與裝備，主要涉及精準(zhǔn)充填技術(shù)、充填材料的研制技術(shù)及方法、局部充填的監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)及裝備3個方向的研究。 ③覆巖離層注漿減沉關(guān)鍵技術(shù)與裝備，主要涉及覆巖離層裂隙帶探測技術(shù)、覆巖離層注漿填充技術(shù)與裝備、覆巖離層注漿減沉的監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)與裝備3個方向的研究。④煤礦開采過程污染物防控關(guān)鍵技術(shù)，主要涉及煤炭開采過程中固體污染物的防控技術(shù)、煤炭開采過程中氣體污染物的防控技術(shù)、煤炭開采過程中防止水資源和土壤污染的關(guān)鍵技術(shù)3個方向的研究。

　　職業(yè)健康防護(hù)。煤炭開采中的職業(yè)健康防護(hù)主要涉及6個方面的研究：①粉塵產(chǎn)塵機(jī)制及時空演化規(guī)律，主要涉及粉塵的產(chǎn)塵來源、粉塵的運(yùn)移特性、粉塵的潤濕特性、壓抽混合強(qiáng)氣流擾動下粉塵產(chǎn)運(yùn)的時空演化特征4個方向的研究。②粉塵智能監(jiān)測預(yù)警理論與技術(shù)，主要涉及粉塵高性能傳感器制備理論和方法、復(fù)雜產(chǎn)塵環(huán)境多源信息融合分析技術(shù)、礦井環(huán)境分布式時空監(jiān)測預(yù)警技術(shù)3個方向的研究。 ③粉塵高效智能防控理論與技術(shù)，主要涉及采掘工作面產(chǎn)塵區(qū)域的監(jiān)測及精準(zhǔn)防控技術(shù)、不同開采條件下粉塵產(chǎn)塵特性及精準(zhǔn)控制技術(shù)、產(chǎn)塵區(qū)域干霧除塵智能控制技術(shù)及裝備3個方向的研究。④職業(yè)危害接觸限值與致病機(jī)制，主要涉及致病粉塵誘發(fā)人體組織病變的接觸限值、煤工塵肺細(xì)胞等多組態(tài)樣本庫的構(gòu)建、病變樣本的大數(shù)據(jù)分析、影響人體組織病變的主要控制因素及致病機(jī)制4個方向的研究。⑤職業(yè)危害研判與快速篩查技術(shù)，主要涉及煤工塵肺基因的快速判別和篩查技術(shù)、煤工塵肺損傷程度的判別技術(shù)2個方面的研究。⑥職業(yè)危害智慧診療理論與技術(shù)，主要涉及基于物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉的智能檢測和監(jiān)測理論及方法，基于血液、尿液和唾液等多樣本多元素的快速研判及治療技術(shù)和裝備，以及基于不同塵肺損傷程度的精準(zhǔn)治療技術(shù)和裝備3個方向的研究。

　　煤及共伴生資源精準(zhǔn)協(xié)同開發(fā)理論與技術(shù)

　　煤及共伴生資源的精準(zhǔn)協(xié)同開發(fā)是符合新時代國家能源戰(zhàn)略需求，保障國家能源安全高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。煤及共伴生資源的精準(zhǔn)協(xié)同開發(fā)可以有效解決煤與共伴生資源的單獨(dú)開采矛盾、資源開發(fā)過程中的多場耦合作用災(zāi)害以及能源資源的采收率低等問題，是我國未來能源資源開發(fā)的主導(dǎo)方向。

　　煤及共伴生資源的精準(zhǔn)協(xié)同開發(fā)主要涉及5個方面的研究：①煤鈾資源精準(zhǔn)協(xié)同開發(fā)流固耦合基礎(chǔ)理論，主要涉及開采擾動作用下煤巖體的動態(tài)損傷演化機(jī)制及滲流特性、協(xié)同開發(fā)過程中應(yīng)力場-損傷場-化學(xué)場-能量場多物理場的時空演化特征2個方向的研究。②煤與油氣精準(zhǔn)協(xié)調(diào)開發(fā)多場耦合基礎(chǔ)理論，主要涉及非均質(zhì)煤巖體多孔介質(zhì)中的多相多場流體運(yùn)移規(guī)律、協(xié)同開發(fā)過程中應(yīng)力場-損傷場-流體運(yùn)移場-化學(xué)場-能量場多物理場的復(fù)雜耦合機(jī)制及致災(zāi)機(jī)理2個方向的研究。③煤及共伴生資源精準(zhǔn)協(xié)調(diào)開發(fā)協(xié)同機(jī)制與方法，主要涉及構(gòu)建煤及共伴生資源精準(zhǔn)協(xié)調(diào)開發(fā)的綜合評價模型、闡明煤及共伴生資源精準(zhǔn)協(xié)調(diào)開發(fā)機(jī)制及開發(fā)工序2個方向的研究。④煤及共伴生資源安全高效開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與裝備，主要涉及煤巖體的高效增透技術(shù)及蓋層防護(hù)體系、液態(tài)二氧化碳壓裂和驅(qū)油氣的關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)2個方向的研究。⑤煤及共伴生資源開發(fā)災(zāi)害防控與智能預(yù)警平臺，主要涉及油氣管道的智能監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、含鈾溶浸液及氡運(yùn)移控制理論、基于多參量的數(shù)據(jù)挖掘智能預(yù)警防控技術(shù)3個方向的研究。

　　煤炭清潔高效利用及碳中和科學(xué)發(fā)展理論與技術(shù)

　　在“雙碳”目標(biāo)背景下，為了保證我國主體能源安全高質(zhì)量發(fā)展，必須走煤炭清潔高效利用以及科學(xué)的碳中和發(fā)展之路。煤炭的清潔高效利用既能滿足我國能源的安全，又能促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的發(fā)展，同時也是我國社會主義生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　煤炭的清潔高效利用主要涉及6個方面的研究：①超超臨界煤電燃燒基礎(chǔ)理論，主要涉及超超臨界煤電高效燃燒理論、超超臨界煤電高效傳熱理論、超超臨界煤電高效熱轉(zhuǎn)化理論和技術(shù)3個方向的研究。②干法與細(xì)顆粒級煤分選技術(shù)，主要涉及大型復(fù)合和塊煤干法分選理論及技術(shù)、大型復(fù)合式干法流化床分選理論和技術(shù)、構(gòu)建氣固流態(tài)化和模塊式高效干法分選系統(tǒng)3個方向的研究。③低品階煤分級高效提質(zhì)技術(shù)，主要涉及大型低品階煤高效分質(zhì)分級利用技術(shù)、低品階混煤高效熱解技術(shù)、構(gòu)建低品階煤分級高效利用技術(shù)體系3個方向的研究。④煤液化氣化現(xiàn)代煤化工技術(shù)，主要涉及大型水煤漿高效氣化關(guān)鍵技術(shù)、干煤粉氣流床高壓氣化關(guān)鍵技術(shù)、煤直接和間接高效液化技術(shù)、超厚超大煤化工成套設(shè)備的設(shè)計與制造、構(gòu)建現(xiàn)代化煤化工技術(shù)體系5個方向的研究。⑤煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的集成技術(shù)，主要涉及煤基多聯(lián)產(chǎn)的基礎(chǔ)理論、煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的耦合機(jī)制、煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵集成技術(shù)3個方向的研究。⑥煤利用污染物協(xié)同控制技術(shù)，主要涉及燃煤煙氣污染物的高效快速脫除技術(shù)、燃煤煙氣的凈化裝置、大型燃煤工業(yè)領(lǐng)域煙氣脫硫除塵關(guān)鍵技術(shù)、現(xiàn)代煤化工污染物高效深度控制關(guān)鍵技術(shù)、固體廢物高附加值利用技術(shù)5個方向的研究。

　　煤炭的清潔高效利用依托于我國科學(xué)的碳中和發(fā)展戰(zhàn)略體系，主要包括：碳中和新型能源體系、全網(wǎng)節(jié)能的管理體系、多元化綠色金融體系、碳排放交易優(yōu)化機(jī)制、碳中和行為激勵機(jī)制、低碳化發(fā)展制度體系、碳排放管理標(biāo)準(zhǔn)體系等成套的管理及發(fā)展體系。加強(qiáng)碳中和行為激勵機(jī)制與碳排放優(yōu)化研究，構(gòu)建煤礦區(qū)碳中和科學(xué)發(fā)展技術(shù)理論體系，為我國碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供保障。

　　隨著我國煤炭精準(zhǔn)開采與清潔高效利用不斷發(fā)展，力爭用最少的煤礦數(shù)量、最少的開采面積、最少的煤炭消費(fèi)量支撐國家的能源需求，加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系，為保障我國能源安全、推動經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。以我國主體能源發(fā)展取得的成就為根基，依托于我國主體能源發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和未來創(chuàng)新發(fā)展方向，力爭2025年，主體能源高質(zhì)量發(fā)展取得重大突破；2030年，主體能源高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)；2050年，主體能源高質(zhì)量發(fā)展全面實(shí)現(xiàn)。

（作者：袁亮，安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗室；《中國科學(xué)院院刊》供稿）

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