煤炭綠色開發(fā)利用的顛覆性技術(shù)發(fā)展對策研究

馬登玖

摘 要：煤炭資源是我國發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要資源。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，需要對煤炭進(jìn)行綠色開采。該文提出了煤炭綠色開發(fā)利用的顛覆性技術(shù)，在提高開采效率、降低人員傷亡和保護(hù)生態(tài)穩(wěn)定方面為行業(yè)提供一定的參考建議。

關(guān)鍵詞：煤炭5.0；煤炭開發(fā)；礦井設(shè)計

中圖分類號：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國是產(chǎn)煤和耗煤大國，每年我國煤炭在北方供暖、火力發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用占比超過煤炭應(yīng)用總量的90 %，其中，火力發(fā)電所產(chǎn)生的電能占所有發(fā)電量的60 %以上。雖然例如太陽能、核能、潮汐能等新能源手段不斷發(fā)展，但是煤炭資源仍是支撐我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源之一。當(dāng)前，我國發(fā)展過程中不斷出現(xiàn)環(huán)境問題，我國正在加快能源結(jié)構(gòu)向低碳型和清潔型轉(zhuǎn)化，我國煤炭的綠色開發(fā)與利用，是保證我國可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。因此，煤炭行業(yè)必須加快向綠色化、清潔化生產(chǎn)和應(yīng)用轉(zhuǎn)型。

1 煤炭技術(shù)改革的總體路線

我國煤炭行業(yè)技術(shù)改革，要在2050年逐步實現(xiàn)3個階段的改革與發(fā)展，這3個階段可以概括為“煤炭3.0”、“煤炭4.0”和“煤炭5.0”。

“煤炭3.0”是指在2025年之前，煤礦的總體開采深度在2 000 m以淺，逐步降低開采過程中對生態(tài)的破壞，以信息化手段提高煤炭開發(fā)和利用的效率。同時要求井下作業(yè)人員數(shù)量下降至30 %，開采過程中的數(shù)字化、信息化、自動化程度超過80 %，人員死亡率降低至每百萬噸不超過5 %。對于環(huán)境的影響中，對資源保護(hù)和利用率超過50 %，開采環(huán)境的生態(tài)恢復(fù)率要超過70 %，煤炭燃燒清潔排放程度要有所提高。

“煤炭4.0”是指在2025-2035年，開采深度達(dá)到3 000 m以淺，在開采過程中高度使用自動化、智能化開采體系，使開采過程中污染接近零排放。開采過程中的井下作業(yè)人員數(shù)量降低至20 %，人員死亡率降低至每百萬噸不超過1%，避免大型事故的發(fā)生，并且無工人患有職業(yè)病；對開采環(huán)境生態(tài)平衡恢復(fù)達(dá)到90 %以上，做到水、天然氣、煤炭和熱能的同步開采，提高資源的綜合利用率。

“煤炭5.0”是指在2035-2050年，開采深度達(dá)到3 000 m以深，采煤整個過程高度自動化、智能化和機(jī)械化，采煤整個過程中包括井下和井上作業(yè)人員不足10 %，盡量實現(xiàn)井下無人操作，降低井下事故率和死亡率，職工無職業(yè)病。在開采時對于天然氣、熱能、煤炭、水、石油等一體化供應(yīng)，優(yōu)勢資源和新能源協(xié)同開發(fā)，提高經(jīng)濟(jì)效益的同時不斷加強(qiáng)綠色化應(yīng)用，降低對環(huán)境的損害。

2 綠色開采顛覆性技術(shù)創(chuàng)新

近幾十年來，我國生態(tài)遭到了不同程度地破壞，其中對于資源的濫用和過度非科學(xué)開采，導(dǎo)致了例如土地沙漠化、水土流失和開采地生態(tài)破壞的嚴(yán)重后果。因此采用綠色開發(fā)技術(shù)，能夠?qū)ι鷳B(tài)發(fā)展做出有利的貢獻(xiàn)，建立綠色智慧煤礦也是為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供良好的保障。

2.1 綠色開采理論與技術(shù)

所謂綠色開采，就是要做到近乎零生態(tài)損害的資源開發(fā)。由于過去我國煤炭過度開采并且沒有先進(jìn)的科學(xué)治理手段，造成了開發(fā)地區(qū)的地面坍塌、植被生態(tài)遭到破壞、地下水遭到污染、廢物排放污染環(huán)境以及潛在資源遭到浪費，因此必須通過有效的新興手段，保證綠色開采不再重蹈覆轍。在綠色開發(fā)理論下，利用先進(jìn)科學(xué)手段提前規(guī)劃、綜合治理，開采煤炭的過程中對附屬資源一并開采，利用煤炭與水資源同時采集技術(shù)、煤炭與天然氣同時采集技術(shù)、煤炭深陷區(qū)功能重建及開發(fā)利用技術(shù)、煤炭與地?zé)豳Y源共同采集技術(shù)等。

2.2 深部開采的地質(zhì)保障技術(shù)

對于深度礦區(qū)的開采，首先要進(jìn)行地質(zhì)評估和預(yù)判，提前做出方案；其次，要建立無人化礦井，以機(jī)械化、自動化和智能化設(shè)備代替人工從事危險的井下作業(yè)任務(wù)，只需在地面留下技術(shù)人員即可。在深部開采過程中做到邊開采、邊重構(gòu)，可以獲得諸多資源的情況下減少對地質(zhì)的損害，可避免塌陷和生態(tài)破壞。

2.3 無人化智能開采技術(shù)

幾十年前我國開采煤礦資源主要依靠人工為主、設(shè)備輔助的方式，開采過程中在不斷造成人員傷亡的同時，其開采效率也普遍較低。目前，我國科技水平不斷提升，很多大型設(shè)備例如機(jī)械設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人設(shè)備、自動化生產(chǎn)線設(shè)備等諸多新科技設(shè)備的發(fā)展，提升了我國工業(yè)自動化水平，同時向智能化和無人化發(fā)展。因此，在當(dāng)今煤炭開采過程中，可以應(yīng)用多種井下無人技術(shù)，例如無人開采機(jī)器人、無人轉(zhuǎn)運運輸設(shè)備、智能監(jiān)控設(shè)備、遠(yuǎn)程控制設(shè)備和大數(shù)據(jù)安全預(yù)警設(shè)備等，全面降低井下工人的參與程度，同時提升開采效率。

3 清潔低碳技術(shù)的創(chuàng)新

3.1 梯級的綜合利用

按照“應(yīng)選盡選、深度洗選”原則，提高商品煤的入選率，加快研究低階煤熱解，建設(shè)百萬噸級大規(guī)模低階煤高效轉(zhuǎn)化工程，開發(fā)半焦燃燒或氣化綜合利用技術(shù)、煤氣深加工等技術(shù)。梯級利用煤中固定碳、油氣等各種有效組分，充分利用即為少排放。

3.2 煤炭高效燃燒技術(shù)

煤炭在不充分燃燒時極易產(chǎn)生例如一氧化碳等危害物質(zhì)，為了提高煤炭的燃燒利用率，降低資源浪費的同時減少有害物質(zhì)的產(chǎn)生，在利用煤炭資源的企業(yè)中應(yīng)用高效煤炭燃燒鍋爐、加強(qiáng)有害氣體的過濾、降低污染物排放、煤炭與瓦斯噴談爆炸發(fā)電技術(shù)，可以實現(xiàn)近乎零排放的目的。

3.3 煤炭溫和精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化技術(shù)

在煤炭使用過程中，要研發(fā)出新的煤炭催化氣化和煤油共煉技術(shù)，節(jié)約整個過程中水與化工廢水的處理成本，提高效率，實現(xiàn)溫和條件下環(huán)境友好的煤炭精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化高規(guī)格、高附加值化工品。

4 礦井設(shè)計建設(shè)和地下空間利用技術(shù)

4.1 地下空間與安全保障技術(shù)

煤炭礦井的地下空間較為復(fù)雜，其空間利用技術(shù)屬于世界性難題。如果能夠充分合理地利用井下空間，提升井下空間安全管理技術(shù)，那么對我國礦業(yè)生產(chǎn)將是一項重大突破。對于井下空間，可以采用井下智能機(jī)器人進(jìn)行空間的遙感探測技術(shù)，對環(huán)境空間進(jìn)行評估，在合適的位置進(jìn)行空間的綜合設(shè)計與建設(shè)，提升地下空間的利用率，同時保證地下空間的安全性。

4.2 地下空間綜合利用技術(shù)

煤炭開采運輸后會在地下留下較大的空間，可以利用該空間進(jìn)行地下設(shè)施的建設(shè)，象人防工程或者大型地下空間實驗室或者地下軍事儲備工程。通過合理的勘探和設(shè)計后，在一定大型的空間內(nèi)建設(shè)相應(yīng)的地下室，同時匹配相應(yīng)的恒溫恒濕系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、供水排水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，拓展人類生活和生存空間。再如，在發(fā)達(dá)城市我國地面空間較為緊張，可以利用淺層地下礦洞建設(shè)成大型地下停車場，可緩解城市停車問題。同時，可以吸引投資商進(jìn)行地下商場建設(shè)的投資，將該區(qū)域建設(shè)成為旅游景點和購物景點，依次促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)，還能緩解政府關(guān)于治理礦洞地下空間的財政壓力。

5 結(jié)語

未來，我國煤炭綠色開發(fā)技術(shù)必將全面鋪開，保證發(fā)展的同時還必須注重環(huán)境和生態(tài)的保護(hù)。利用顛覆性綠色煤炭開采技術(shù)，提高煤炭產(chǎn)量的同時，能夠降低氣體排放、降低人員傷亡、提高機(jī)械化運行效率。此外，綠色開采技術(shù)在保證煤炭產(chǎn)量的同時，還能保證附屬資源如石油、天然氣、地?zé)帷⑺荣Y源的產(chǎn)出，做到全面科學(xué)地利用資源。

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