對我國煤炭主體能源地位與綠色開采的思考

王雙明

(1.陜西省煤炭綠色開發地質保障重點試驗室，陜西省西安市，710054；2.西安科技大學地質與環境學院，陜西省西安市，710054)

習近平總書記指出：美國能源發展重點是頁巖氣，我們對煤的注意力不要分散，關鍵是解決好煤的清潔高效利用問題。在相當長一段時間內，還是以煤為主的格局；在發展新能源、可再生能源的同時，要做好煤炭這篇文章。我國在著力推動能源革命，加大能源結構調整的進程中，煤炭作為我國主要能源的地位和作用是難以改變的。

缺油、少氣、相對富煤是我國能源資源國情，以煤為主的能源消費結構短時間內難以改變是能源資源稟賦決定的。研究表明，在未來相當長的時期內，在我國一次能源消費結構中，煤炭的比重將逐步降低，但是煤炭產量仍將保持低速增長，煤炭作為我國主體能源的地位短時間內難以改變，但按照生態文明建設的總體部署，煤炭在開采、加工以及利用方面面臨的生態環境約束將日益加大[1]。

1 煤炭主體能源地位短期內難以改變

1.1 缺油、少氣、相對富煤不可改變

我國能源資源稟賦特點為缺油、少氣、相對富煤，這是地質條件決定的，是根據地質勘查成果所得到的科學認識。據國土資源管理部門的資料顯示，2018年，我國石油剩余可采儲量為35.42億t，按現在的生產技術和規模計算，儲采比為18.7 a；天然氣剩余可采儲量為5.52萬億m3，按現在的生產技術和規模計算，儲采比為34.3 a；煤炭查明可采儲量為16666.73億t，按現在的生產技術和規模計算，可采年限至少為160 a以上。

1.2 煤炭作為主體能源在較長時期內沒有改變

據統計，1960年煤炭在我國一次性能源消費占比為90%，1970年煤炭在我國一次性能源消費占比為80%，2015年煤炭在我國一次性能源消費占比為70%，2017年煤炭在我國一次性能源消費占比為60%，2018年煤炭在我國一次性能源消費占比為59%。1978—2017年煤炭消費占比年均下降僅為0.25%，2018年煤炭消費占比雖然下降了1.2%，但是消費量卻增加了1%，產量增加了4.5%。也就是說，目前煤炭消費占比與消費量和產量處于逆向增長的過程，其主體地位并沒有發生改變。

1.3 燃煤發電實現清潔燃燒

作為我國的主體能源，煤炭在清潔利用方面近幾年取得了重大進展，特別是燃煤發電廠的低成本超低排放技術取得了突破。國家規定，煙塵、二氧化硫和氮氧化物的燃煤鍋爐重點地區排放標準限值分別不高于20 mg/Nm3、50 mg/Nm3和100 mg/Nm3，而煙塵、二氧化硫和氮氧化物的超低排放標準是不高于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3和50 mg/Nm3。河北省環境監測中心監測報告顯示，國華三河電廠改造后4臺機組的煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別為0.44～3.42 mg/Nm3、10.45～19.12 mg/Nm3、21.36～31.14 mg/Nm3，低于燃氣發電機組10 mg/Nm3、100 mg/Nm3、200 mg/Nm3的大氣污染物排放標準，且成本僅為燃氣發電的1/2，煤炭發電的成本優勢十分明顯 。

1.4 煤制液體燃料實現規模化生產

(1)煤炭液化實現規模化生產。2015年8月，兗礦集團陜西未來能源公司100萬t/a煤炭間接液化項目在榆林建成投產；2016年12月，國家能源寧煤集團400萬t/a煤炭間接液化項目在寧夏建成投產；2008年12月，國家能源集團100萬t/a煤直接液化項目一次投料試車成功，標志著我國煤制液體燃料進入了規模化工業生產階段。

(2)富油煤資源豐富，轉化油氣潛力巨大。應用中低溫熱解工藝將低階煤加工成氣、液、固這3種物質，實現了將我國相對豐富的年輕煙煤轉化成相對緊缺的油、氣資源，和可替代無煙煤和焦炭的半焦。據目前小規模熱解生產成果，每噸煤可熱解得到約10%的煤焦油、150 m3的氣和600 kg左右的半焦。 我國西部地區富油煤資源豐富，有替代1～2個大油田的廣闊前景。

(3)煤制油品質量高，使用領域廣。煤制油品具有比重大、體積熱值、體積比熱容、熱安定性高以及氮、硫、灰、粉塵低等特點，可滿足航天航空領域對燃料的性能需求。煤基液體燃料用作航空發動機和火箭燃料試驗均取得成功，為我國航空航天燃料供給提供了戰略選項。

1.5 煤炭仍是我國能源革命定型期第一大能源

從人類誕生一直到19世紀后半葉，能源都以薪柴為主 ；1850年開始，煤炭取代薪柴成為第一大能源；1965年，油氣取代煤炭成為第一大能源；2010年之后，新能源發展提速，化石能源開始向非化石能源轉變，目前，全球煤炭消費尚處轉型上升通道，峰值將會出現在2040年左右。全球能源轉換階段如圖1所示。

根據我國能源安全發展的戰略需求，中國工程院組織能源領域院士和專家進行了推動能源生產和消費革命戰略研究，認為中國能源生產和消費革命需分 “三步走”：第一步，2020年以前為能源結構優化期，實現化石能源消費清潔高效利用，力爭2020年煤炭、油氣、非化石能源消費比例達到6∶2.5∶1.5；第二步，2021-2030年為能源變革期，實現能源消費顯著優化和能源綠色低碳發展，力爭2030年煤炭、油氣、非化石能源消費比例達到5∶3∶2；第三步，2031-2050年為能源革命定型期，形成新型能源體系，煤炭、油氣、非化石能源消費比例達到4∶3∶3。也就是說，直到2050年，煤炭仍然是中國第一大能源。

圖1 全球能源轉換階段

綜上所述，資源稟賦特點決定了煤炭的主體地位，清潔高效利用技術支撐了煤炭的主體地位，煤制液體燃料技術鞏固了煤炭的主體地位。我們有理由相信，科技創新將延續煤炭的主體地位，煤炭這篇文章只會越做越好。

2 西部煤炭開發和環境保護矛盾尖銳

我國煤炭資源呈現“西多、東少”的總體分布特征，西部煤炭資源量占全國煤炭資源總量的70%以上[1]，東部1000 m以淺煤炭資源趨于枯竭。在以煤為主體能源且短期內難以改變的背景下，開發西部煤炭資源已經成為保障國家能源安全的重大需求。然而，西部地處干旱-半干旱地區，水資源匱乏，地表植被稀少，生態環境脆弱，嚴重制約了西部煤炭資源的安全高效開發[2]。

2.1 生態環境脆弱

西部煤炭資源富集區主要位于降雨量小、蒸發量大的西部沙漠黃土廣泛覆蓋區，水資源匱乏，干旱少雨，生態環境脆弱，因此實現采煤與生態環境保護協調發展是西部煤炭工業面臨和必須破解的重大技術難題。

2.2 采動損害嚴重

目前，我國95%以上的煤炭生產采用井工開采方式，這種開采方式會形成大范圍的采空區，導致煤層圍巖發生復雜的移動變形，使上覆巖層發生冒落、產生裂隙和彎曲下沉，地表形成沉陷、塌陷并產生大量裂縫，帶來一系列生態環境問題。據陜西省地質調查院資料，榆林地區煤炭采空區目前地表塌陷面積已達 33 km2，導致地表植被受損，給當地居民的生產生活造成了嚴重影響；神木北部礦區煤炭大規模開發以來，區域性水位下降8～12 m，泉眼(組)從650處減少到379處，水面由163 km2下降到103 km2；2000年黃河一級支流窟野河斷流75 d，2001年斷流106 d，2002年斷流220 d，母河溝泉采煤前年均流量為5961 m3/d，最大流量為10627 m3/d，采煤后 2002年4月實測流量為1680 m3/d，2006年枯竭。采動損害導致地表植被受損如圖2所示。

圖2 采動損害導致地表植被受損

相關研究表明，西部煤炭開采對地表土壤損害明顯，導致塌陷區土壤質量與植被結構退化，雖然隨著時間的推移會逐漸恢復，但經過10 a 的自然演替，植物群落結構和土壤質量仍不能恢復至塌陷前的水平。研究結果表明，采煤塌陷區植物群落和土壤因子大體經過3 個不同的演替階段: 退化期(塌陷后1～2 a) →改善期(塌陷后5 a) →初步恢復期(塌陷后10 a) ; 塌陷地植被與土壤的耦合協調程度在塌陷1 a 表現為輕度失調衰退類植被損益型，塌陷2 a 為瀕臨失調衰退類植被土壤共損型，塌陷5 a為初級協調發展類植被土壤同步型，至塌陷10 a 仍表現為中級協調發展類植被土壤同步型，但尚未達到未塌陷地良好協調發展的生態類型。地表塌陷前與塌陷后植被與土壤的變化情況如圖3和圖4所示。

圖3 地表塌陷前與塌陷后植被變化情況

圖4 地表塌陷前與塌陷后土壤變化情況

3 維系地表生態系統的地質條件與采動損害機理

保障國家能源安全必須開發西部煤炭，而煤炭開采必然產生采動損害，因此綠色開采是西部煤炭工業高質量發展必須破解的重大技術難題，也是實現西部煤炭開發與生態環境保護協調發展的重要途徑。從2000年開始，陜西煤炭工業局(煤田地質局)、西安科技大學、長安大學、陜西省地質調查院協同攻關，揭示了鄂爾多斯盆地北部生態脆弱礦區環境損害機理，提出了以減少采動損害為途徑、以生態水位保護為核心的環境保護理念與技術。

3.1 地表生態與地下水埋深關系密切

西部水資源匱乏，地表生態系統與地下水埋深關系密切。其突出特點是，地下水埋藏既不能太深，也不能太淺。根據地下水位埋藏深度，可分為鹽漬化水位、植被適生水位、植被承受水位、警戒水位、喬木枯梢水位、喬木死亡水位。當地下水埋深小于1.5 m時，由于蒸發強烈，土壤會出現鹽漬化；當地下水埋藏大于15 m時，植被死亡，地表沙化。只有當地下水埋藏在1.5～5 m時，草本植物、農作物、灌木、喬木均能夠正常生長，此水位也稱為安全生態水位。地表生態與地下水位依存關系如圖 5所示。

圖5 地表生態與地下水位依存關系

3.2 植被適生水位是生態環境保護的核心

鄂爾多斯盆地北部地下水主要依靠大氣降水，大氣降水通過地表松散沙層下滲到基巖界面后形成地下徑流，在地形低洼部位形成地表徑流流入黃河，正是這樣的補徑排系統維系了地表生態系統。農作物主要生長在河谷地帶，適生水位為1.5～5 m。草本植物主要生長在濕地、河谷、沙地和黃土梁峁，適生水位為0～3 m。喬灌木主要生長在河谷和沙地，適生水位為1.5～8 m。農村生活用水主要來自于水井，水位為3～5 m，城市及工業用水主要來自于河流和水庫。

由此可見，維系農作物和植被正常生長的地下水位埋深為1.5～5 m，維系農村和城市生活用水的水源為淺井和河流。礦區地質環境保護的核心是保護地表生態系統，而地表生態系統保護的核心是控制地下水位不發生明顯下降。

3.3 采動隔水性變化是生態環境損害的根源

在生態脆弱地區，地下水是維系地表生態系統的基礎，位于煤層和含水層之間的隔水巖組是保持地下水位穩定的重要地質條件。大量探測和室內研究表明，由于煤炭開采會形成地下空間，導致應力場變化產生動力，隔水層損害產生通道，地下水流向采空區引起水位下降和生態退化。采動隔水性變化示意圖如圖6所示。

圖6 采動隔水性變化示意圖

3.4 隔水巖組是生態環境保護的重要地質條件

煤層開采后，位于含水層和煤層之間的隔水巖組自下而上產生裂隙，當裂隙切穿隔水巖組時，隔水巖組變成透水巖層，隔水性損壞；當裂隙發育高度小于隔水巖組時，隔水性和含水層保持穩定。煤層上覆隔水巖組巖性、厚度、力學性質以及礦井開采方式、開采高度是影響裂隙發育的主要因素。室內模擬實驗和采空區綜合探測結果表明，采動裂隙高度約為20～30倍煤層開采高度。隔水巖組厚度大于裂隙發育高度是保護含水層的基本地質條件，提高隔水巖組抗損害能力是減小裂隙發育高度的有效途徑。

4 支撐煤炭高質量發展的綠色開采技術

促進西部煤炭綠色開采，支撐西部煤炭工業高質量發展，要以煤水空間組合特征研究為基礎，以揭示采動地質條件變化規律為途徑，以減損地質工程為支撐，以防止隔水巖組破壞為目標，以保護生態水位為核心，實現采煤與生態環境保護協調發展。

4.1 研究煤水空間組合特征

煤水空間組合特征研究就是將含水層、隔水層、煤層、地形坡向、地層產狀，隔水巖組與巖性結構等作為系統工程進行整體研究。含水層主要研究其分布范圍、厚度和富水性變化規律；隔水層不僅要研究土層隔水層分布范圍、厚度變化規律，更重要的是要研究隔水巖組總體厚度和巖性組合特點，分析隔水巖組抗擾動能力，預測隔水巖組的隔水性在開采過程的變化，為實施減損地質工程提供依據。

4.2 揭示采動地質條件變化規律

采動地質條件變化，特別是隔水巖組的隔水性變化是生態環境保護的關鍵地質因素。通過室內相似材料模擬、數字模擬和采空區探測工程研究發現，煤炭開采后，煤層和含水層之間隔水巖組的隔水性變化具有分區性。可分為隔水性穩定區、隔水性變化區、隔水性損害區以及貧水或無水區。在隔水性穩定區，隔水巖組厚度大于30倍采高，由于采動損害高度小于隔水巖組厚度，煤炭開采不會對含水層造成損害；在隔水性變化區，隔水巖組厚度為20～30倍采高，煤炭開采對含水層的影響主要取決于煤層采高與隔水巖組巖性組合；在隔水性損害區，隔水巖組厚度小于20倍采高，在綜合機械化開采背景下，無論采取何種開采方式，隔水巖組隔水性和含水層都會受到損害；貧水或無水區主要分布在黃土溝壑區，屬地表無含水層的水土流失區，保護對象是地表道路和相關設施。采動隔水性變化分區圖如圖7所示。

4.3 綠色開采理念與保水采煤技術

綠色開采理念是用最小的環境擾動換取最大的煤炭資源開采效益，實現煤炭開采與生態環境保護協調發展。采煤保水技術包括減沉、減損、保水以及防崩4種類型，是綠色開采的地質保障。在隔水性穩定區，可以建設大-特大型礦井，采用綜采或綜采放頂開采方式，同步實施減沉地質工程，控制地表沉降幅度小于地下水位埋深，防控地下水溢出地表出現鹽澤化；在隔水性變化區，也可以建設大-特大型礦井，但對煤層厚度大于10 m的區域，必須采用分層限高開采方式，同步實施減損地質工程，防控隔水巖組隔水性損害；在隔水性損害區，可以建設大型礦井，但對煤層上覆含水層的富水區域，必須采用充填開采方式，同步實施保水地質工程，防控含水層損害。貧水或無水區位于黃土溝壑區，水土流失嚴重，地下水貧乏，地表地形破碎，可以建設大型礦井，采用綜合機械化開采方式，同時實施防控滑坡、崩塌地質工程。

4.4 工程實踐

(1)大型煤礦限高分層開采實現了隔水性保護。礦井位于隔水性變化區，煤層厚度平均為11 m，上覆基巖為120 m，土層隔水層為75 m，隔水巖組厚度為195 m。根據研究成果采用限高分層開采，實現了隔水性和含水層保護，地下水位沒有發生明顯變化。由于大幅度減少了礦井排水費用，礦井實現了安全高效生產。

(2)中小型煤礦局部充填開采效果良好。中小型煤礦主要分布于隔水性損害區，煤層平均厚度為5.23 m，上覆基巖為77 m，土層隔水層為17 m，隔水巖組厚度為94 m，根據研究成果采用充填40%開采。基巖和隔水層保持穩定，含水層未受影響，實現了保水位開采。

5 結語

缺油、少氣、相對富煤是中國能源資源的國情，煤炭作為主體能源短期內是難以改變的。受中國煤炭資源東少西多稟賦特征制約，開發西部煤炭資源已成為保障國家能源安全的重大需求。西部水資源匱乏，生態環境脆弱，實現煤炭綠色開采是我國西部煤炭工業高質量發展必須破解的重大科學難題。以煤水共生地質特征研究為基礎，以采動地質條件變化分區為手段，以減小隔水巖組損害為目標，以保護生態水位為核心的減沉、減損、保水綠色開采地質保障技術，是實現西部煤炭工業高質量發展的重要技術支撐。