雙碳目標下煤氣同采技術體系構想及內涵

李樹剛，張靜非，尚建選，林海飛，王蘇健，丁 洋，侯恩科，趙泓超

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業化工集團有限責任公司,陜西 西安 710100；3.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054)

全球氣候變暖是21世紀人類面臨的最重大生存和發展危機之一。碳排放作為溫室效應加劇的主要源頭，與煤炭等化石能源使用密切相關，全球輻射脅迫增加貢獻率最高的溫室氣體是CO和CH。為應對氣候變化，191個國家先后加入了《巴黎協定》，承諾向低碳經濟轉型。2020-09-22，習近平主席在第75屆聯合國大會一般性辯論上向世界首次提出了“3060”目標。2021-12-08，中央經濟工作會議再次強調，要立足以煤為主的基本國情，狠抓綠色低碳技術攻關，創造條件盡早實現能耗“雙控”向碳排放總量和強度“雙控”轉變。在“碳達峰 碳中和”主導思想引領下，不同行業需因地制宜、精準施策，多途徑、多角度完善自身減排技術體系，我國作為最大發展中國家，以煤為主的資源稟賦決定了可供給碳排放空間及減排時效極其有限。根據統計顯示，煤炭消費產生的CO排放量占75%左右，CH作為煤炭開采行業主要碳排放源，增溫潛能(GWP)是同量CO的21倍，煤氣同采面臨綠色低碳的新要求。為盡早解決煤礦CH-CO雙重減排技術難題，實現低碳融合技術與負碳技術可持續發展，需對煤礦瓦斯抽采、利用及附加CO協同減排技術模式重新考量，完成“內部閉圈消化”。瓦斯抽采與利用環節，需積極探索精準高效一體化低碳發展手段，基于透明礦井-智慧礦山新型理念，結合瓦斯優勢賦存區域圈定、精準設計施工、多元強化抽采以及智能管控等技術“吃盡”煤層瓦斯，通過瓦斯全濃度梯級利用進一步完善高效低碳運行機制；瓦斯利用環節產生的CO減排則需重點攻關CCUS(碳捕獲、利用與封存)等負碳技術手段，達到煤礦CH-CO近零碳排放目的。對煤礦而言，CO封存目標地質體主要為不可采煤層及采空區等，CO驅替煤層氣(CO-ECBM)已進入商業化運行階段，而煤礦采空區作為非常規潛在封存地質體前景同樣不容小覷。據相關數據表明，至2030年，我國煤礦采空區地下空間將達234.52億m，如何實現采空區殘余瓦斯二次高效抽采以及廢棄資源再利用，是“十四五”期間重點解決的技術難題之一。

眾多學者在煤礦低碳發展及資源高效利用等方面取得了豐碩研究成果，隨著“雙碳”行動進一步深化，智能低碳高效技術勢必會推動煤氣同采發展進入新階段。筆者基于前人成果，以“碳中和”目標為導向，結合廢棄地下空間再利用(深部不可采煤層、采空區等)等理念，構建了以煤礦瓦斯高效精準抽采、煤礦瓦斯全濃度梯級利用及煤層CO捕獲-封存-利用為重點內容的全生命周期煤氣同采技術體系，明晰了涉及的關鍵技術問題，旨在為我國煤炭行業雙碳目標實現提供新的發展思路。

1 煤氣同采技術體系構想

本研究中煤氣同采技術體系下的全生命周期僅指瓦斯抽采階段、瓦斯利用階段以及利用過程產生CO的捕獲-封存-利用階段，包括瓦斯高效精準抽采、瓦斯全濃度梯級利用以及“CCUS+生態碳匯”環節。如圖1所示，總體思路為：在煤層瓦斯抽采利用的全生命周期創造一個封閉循環，以CH的形式從煤層中提取出碳，對利用后產生的CO進行捕獲，最終通過CCUS等負碳技術手段以CO的形式封存至地下，用以驅替煤層瓦斯或進行其他固碳手段，完成“內部閉圈消化”。精準抽采提高煤礦瓦斯抽采效率并為高效利用提供原料，2者作為煤炭行業綠色低碳發展的關鍵點可盡快完成碳達峰，“CCUS+生態碳匯”作為典型的負碳排放技術助力碳中和，3個環節相互疊加共同實現煤礦CH-CO近零碳排放甚至零排放愿景。

圖1 雙碳目標下煤氣同采技術體系構想Fig.1 Conception of gas simultaneous mining technologysystem under “dual carbon”target

(1)低碳融合技術。指瓦斯精準抽采與全濃度梯級利用環節，同時也是煤氣同采技術體系中煤礦CH-CO協同減排重點領域，實現該階段綠色低碳發展應針對瓦斯抽采-利用全域全流程，著重強調“精準”與“高效”作用，達到CH抽采零排放-CO低排放，實現“低碳”。

(2)負碳技術。“CCUS+生態碳匯”作為典型的負碳排放技術，本文包含煤層CO封存及采空區CO吸儲2部分內容。對瓦斯利用環節(燃料、發電為主)產生的CO進行地質封存或吸儲，一方面可以實現CO減排，另一方面可進行瓦斯二次強化抽采利用；文中提到的“煤層封存”及“采空區吸儲”區別：對于時間尺度而言，“吸儲”相對較短，且后期會加以利用，類似“儲氣庫”作用，而“封存”時間尺度更長。“生態碳匯”指將CO封存于地下空間后通過控制地面監測井(或其他控制單元)釋放合理范圍內的CO作為氣肥，用于設施農業溫室大棚增強植物光合作用，實現固碳的同時可產生部分經濟效益。

如圖1所示，煤氣同采全生命周期碳源總量包括瓦斯抽采、乏風及CH利用產生的碳排放量；碳匯總量包括煤層CO封存或采空區CO吸儲以及地表植被光合作用形成的碳匯量，要實現該體系下的CH-CO近零碳排放就必須滿足如下簡化條件：

(CH)+(CO)≈(CO)+′(CO)

(1)

式中，(CH)為瓦斯抽采、乏風階段產生的碳排放量，可近似看作0，即實現CH抽采零排放；(CO)主要為瓦斯發電及燃料產生的碳排放，即實現CO低排放；(CO)為封存于煤層/采空區的CO經過人工可控釋放至地表后，經植被光合作用吸收形成的碳匯量；′(CO)為瓦斯利用階段產生的CO封存/吸儲形成碳匯總量扣除(CO)。

由式(1)可以看出，低碳融合技術對達成瓦斯抽采利用階段CH抽采零排放-CO低排放至關重要；礦區地表原生植被及土壤碳匯能力較弱，探究高強碳匯能力植被及設施農業溫室大棚技術模式，是未來礦區植被固碳技術發展重點之一；該構想體系中大量的CO吸納需要通過煤層CO封存及采空區CO吸儲方式實現，因此，礦區CO地質封存技術是實現煤礦CH-CO近零碳排放目標的關鍵性技術單元。

煤氣同采技術體系框架以“碳達峰、碳中和”為主導思想，包括總體目標、基礎思路、技術支撐、研究方法、體系框架及關鍵技術問題組成(圖2)。該技術體系是以大數據云計算、人工智能、5G通信、物聯網等作為平臺支撐，融合透明地質、數字礦山、精準抽采、梯級利用以及地質封存的多空間、多維度全流程保障機制，應用基礎理論研究、物理/數值模擬、現場監測監控、區域性試驗及規模化示范工程的技術方法，旨在構建以煤礦CH-CO近零碳排放為核心的全生命周期煤氣同采技術體系，以煤礦瓦斯高效精準抽采、瓦斯全濃度梯級利用以及煤層CO捕獲-封存-利用作為關鍵技術。精準抽采為煤礦瓦斯治理利用的高質量發展提供基礎，瓦斯全濃度梯級利用為瓦斯綠色低碳發展的關鍵，煤層CO捕獲-封存-利用對瓦斯抽采、綜合利用階段產生的CO精細化管控(CCUS+生態碳匯)，既可起到負碳排放作用，亦可進行煤層氣(瓦斯)驅替產生經濟效益。3者相互銜接，最終實現協同低碳綠色發展，推動全生命周期煤氣同采工程示范，助力我國雙碳目標實現。

圖2 雙碳目標下煤氣同采技術體系框架Fig.2 Technical system framework of gas co-mining under double carbon targets

2 煤氣同采技術體系內涵

雙碳目標下煤氣同采技術體系旨在以煤礦CH-CO近零碳排放理念為核心，構建以瓦斯高效精準抽采、瓦斯全濃度梯級利用及煤層CO捕獲-封存-利用為主體的全生命周期煤氣同采技術框架，各環節均需解決眾多關鍵技術問題。

2.1 煤礦瓦斯高效精準抽采

高效精準抽采作為煤礦瓦斯低碳發展基礎，不僅關乎安全生產，更直接影響CH精細管控及高效利用。筆者以國內外研究進展為基礎，結合課題組多年研究成果，構建了深部煤層瓦斯高效精準抽采體系，深入分析了關鍵技術問題。該體系融合地質勘探保障技術、協同抽采機制、多相多場耦合理論及災害防控預警模型，采用物理/數值模擬、基礎試驗、工程實踐及理論分析的“五位一體”研究方法，建立滿足煤礦CH抽采零排放的技術模式(圖3)。

圖3 深部煤層瓦斯高效精準抽采體系Fig.3 Accurate gas extraction system of deep coal mines

該體系以瓦斯含量精準原位測定及涌出量精準預測為基礎先導，多場耦合裂隙滲流、裂隙演化及分域判定對瓦斯高效抽采區域精準辨識，通過抽采參數優化、多相孔-裂隙滲流等內容，采用以孔代巷及智能封孔技術完善瓦斯抽采精準施工設計；利用各類精準增透技術強化瓦斯抽采功效；智能抽采調控系統可實現全方位監控、智能運維、輔助決策、全鏈條追溯與監管、可視化運營管理，促進瓦斯治理與管理高質量協同發展。

(1)瓦斯含量精準原位測定理論及技術。瓦斯含量精準原位測定理論及技術基于深部原位巖體力學理論體系、多場瓦斯吸附解吸規律，利用井下定向長鉆孔、地面大功率取心鉆機，重點開展目標區域瓦斯含量深孔原位測定，最大限度保證采集樣品的原始狀態及結果參數精準性。深部原位取心技術發展經歷了由最初的保壓密閉到“五保”(保壓、保溫、保質、保光、保濕)取心(圖4)，并開發出定精度需求提升，高精度、高保真瓦斯含量深孔原位測定技術優勢日益凸顯。

圖4 深部巖石原位“五保”取心系統[16]Fig.4 Coring system with retaining in-situ conditions the porepressure temperature,quality,luminosity and humidity of originalcores of deep rocks[16]

(2)瓦斯涌出量精準預測。瓦斯涌出量預測經歷了由單因素向分源/多元測算發展歷程，灰色理論、神經網絡、遺傳算法、蟻群算法等新式理論促使算法迭代速度及預測精度不斷提高。筆者及其所在團隊提出基于因子分析法的瓦斯涌出量預測指標選取方法，構建了BP神經網絡與卡爾曼濾波耦合的瓦斯涌出量預測模型，以MATLAB軟件為開發平臺，編制了基于因子分析及卡爾曼濾波的瓦斯涌出量預測軟件。構建了基于粒子群算法(PSO)優化誤差反向傳播(BP)神經網絡的瓦斯含量預測模型(PSO-BP模型)，研究試驗礦井煤層瓦斯含量與埋深、煤厚、底板標高以及測點與斷層垂距等因素之間關系，并運用高斯過程回歸、最小二乘支持向量機、梯度提升回歸樹和極限回歸機等4種經典有監督機器學習算法，得到煤層瓦斯含量預測模型，提出基于特征選擇和機器學習融合的煤層瓦斯含量最優預測模型。

(3)瓦斯高效抽采區域精準辨識。瓦斯儲運區精準判識主要以壓力拱、懸臂梁、砌體梁及關鍵層等理論為基礎，闡明采動覆巖裂隙分布特征具有“O”形圈、高位環形裂隙區、“橢拋帶”(圖5)、圓矩梯臺帶等形態，通過裂隙分布形態分析煤層瓦斯運移滲流優勢通道，為鉆孔布設及抽采設計提供理論依據。筆者及其團隊結合多年科研成果提出了理論推導、數值/物理模擬結合現場反演的辨識方法，即通過推導計算采動覆巖垮落帶、裂隙帶范圍，基于此開展大型三維物理相似模擬試驗或全尺度數值模擬，并結合鉆孔窺視、微震監測、地空電磁等方法現場反演高效抽采區，深化研究多場耦合裂隙滲流、裂隙演化規律及分域判定，實現瓦斯高效抽采區域的精準辨識。

圖5 橢拋帶示意[27]Fig.5 Signs of elliptic paraboloid zone[27]

(4)瓦斯抽采精準施工設計。將煤層瓦斯“盡數”抽采加以分級利用，對于煤礦瓦斯高效低碳發展至關重要。鉆孔設計主要采用理論結合現場的方法優化設計合理施工層位、鉆孔參數、施工參數、密閉/封孔參數等關鍵設計單元，主要研究手段以理論計算、物理模擬試驗平臺(二維/三維物理相似模擬試驗臺、真三軸“應力-滲流-能量”一體化試驗臺等)、數值模擬(FLUENT,COMSOL)為主。

基于精準施工環節及遵循原則，大功率定向鉆機、固/護孔工藝、智能密封及抽采等裝備技術的成功應用，切實保障了瓦斯抽采施工的精準有效性。定向鉆進技術及裝備方面，國產化定向鉆機在“十一五”至“十三五”期間開發了ZDY6000LD,ZDY12000LD以及ZDY15000LD(圖6)等一系列大功率定向鉆機，完成了順煤層鉆孔深度3 353 m的世界紀錄，并逐漸研制出針對碎軟煤層的氣動定向鉆進技術以及自動化智能鉆機，為煤礦瓦斯精準抽采提供了裝備支撐；鉆孔密封理論及技術方面，經歷由一次注漿至多次動態密封過程，“強弱強”帶壓式封孔、稠化膨脹漿體密封、柔性膏體密封等技術的發展大幅提高了鉆孔密封的可靠性；集成鉆探、注漿、封孔、抽采功能一體化的智能礦用機器人也逐漸成為發展趨勢。

圖6 ZDY15000LD型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機[37]Fig.6 ZDY15000LD full hydraulic track drilling rig for coal mine[37]

(5)瓦斯抽采精準增透。低滲煤層增透理論及技術主要借助中間介質傳遞能量來擴展煤巖體裂隙網絡，產生瓦斯滲流優勢通道提高抽采效果。主要包含水力化單一/聯合增透理論技術，如分段水力(加砂)壓裂，卸壓裂隙帶的滲流擴散及高壓水置換甲烷雙重效應實現高效抽采；水力割縫-CO相變致裂技術通過水力割縫擴張瓦斯運移通道結合CO相變致裂攜帶、置換作用，增強瓦斯抽采率；可控沖擊波以高功率脈沖技術為基礎，可通過液電效應機理進行多次重復的致裂增透。筆者及其所在團隊開發出的水力致裂-超聲激勵協同增流技術，為深部低透煤層礦井瓦斯災害防治及資源開發提供了新思路；精準增透依托瓦斯高效抽采區域精準辨識及施工設計，逐步形成了“點-面-體”綜合性增透體系，為煤礦瓦斯精準抽采發展增添技術支撐。

(6)瓦斯抽采精準調控。筆者及其團隊立足于精準化、智能化理念，建立了瓦斯精準抽采云平臺，主要由抽采數據動態感知、抽采效果評價及抽采系統決策與調控等部分組成(圖7)。抽采數據動態感知是結合5G技術開發高精度監測傳感器，實現抽采鉆孔、管網節點以及整個礦井抽采系統信息的動態感知；通過內嵌自迭代評判模型提取瓦斯動態變數的異常特征，綜合各監測點瓦斯數據實現抽采系統的工況參數實時最優匹配；開發基于物聯網的管道調節控制閥門，實現動態分配抽采單元鉆孔參數，保障瓦斯抽采系統始終運行在安全、高效、能耗最優的狀態。

圖7 瓦斯精準抽采云平臺[13]Fig.7 Accurate cloud extraction platform for gas[13]

2.2 煤礦瓦斯全濃度梯級利用

瓦斯全濃度梯級利用作為煤礦瓦斯低碳排放技術關鍵點，直接影響煤電行業雙碳目標實施效果。體積分數大于30%的高濃度瓦斯可直接利用，但體積分數低于30%的低濃度瓦斯尤其是體積分數低于0.75%的乏風瓦斯需要進行提濃、催化氧化或作為輔助性介質才可進一步利用。當前我國瓦斯利用主要以民用/工業燃料、發電用途為主，形成了高濃度瓦斯直接利用、乏風及低濃度瓦斯提濃增效技術為主的階梯式綜合利用體系(圖8)；同時，對瓦斯高效利用產生的CO進行捕集，應用至CCUS技術領域，最大限度實現煤礦CH-CO近零碳排放目標。

圖8 煤礦瓦斯全濃度梯級利用Fig.8 Cascade utilization of total gas concentration in coal mine

高濃度瓦斯直燃發電以及民用/工業燃料作為瓦斯利用階段主要的CO排放端口，燃燒效率及低碳運行工藝為關注重點。依托智慧礦山先進手段，大功率高效發電機組與碳捕集工藝相結合的綠色低碳模式逐漸成為趨勢，區域性煤炭基地抽采-提濃-利用-捕集技術體系得到了快速發展，例如沁水寺河120 MW瓦斯發電廠(世界第1)、蘆家峪瓦斯電站(全國首個配套智慧電廠平臺)以及山西省首個F級“二拖一”燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產等項目引領煤炭行業瓦斯全濃度梯級利用新方向。

乏風及低濃度瓦斯作為煤礦主要的CH排放端口，提濃增效技術是“十四五”期間重點解決任務之一，目前主要形成了以蓄熱氧化結合催化氧化為主的技術框架，其中蓄熱式燃燒器(VAMRAB)、旋轉式蓄熱氧化、熱逆流反應器(TFRR)、催化逆流反應器(CFRR)、整體式催化反應器(CMR)、貧燃氣輪機(LBGT)等先進技術得到了廣泛推廣。其次，煤礦五床式乏風瓦斯蓄熱氧化裝置、低濃度甲烷部分預混式旋流燃燒器等各類裝備的革新進一步推動了瓦斯綜合利用的綠色發展。典型項目如謝橋礦低濃度瓦斯氧化發電系統研發項目、潘一關閉廢棄礦井采空區瓦斯再利用項目、貴州能化龍鳳煤業低濃度智慧瓦斯電廠、晉能控股集團低濃度瓦斯直燃制熱技術研究等，對實現煤礦瓦斯全濃度梯級利用起到了引領作用。其中，彬長礦區大佛寺煤礦以“資源化利用、余熱余壓梯級利用”為指導理念，形成了低濃度瓦斯(8%以下)、乏風瓦斯(0.2%～0.3%)摻混發電結合有機朗肯循環(ORC)煙氣余熱梯級利用技術體系，基本實現了全礦瓦斯“零排放”的綠色低碳發展模式。

在大力倡導清潔能源的時代背景下，煤炭的兜底保障地位至關重要，瓦斯作為煤系伴生資源其作用同樣不容忽視。CH及CO作為煤礦主要碳排放源，如何進行有效的“內部消化”，攻關低碳融合與負碳技術以期達到近零碳排放效果，是未來煤炭領域應積極關注的問題。

2.3 煤層CO2捕獲-封存-利用

低碳融合及負碳技術攻關作為煤炭行業綠色低碳發展重點，不僅是行業轉型的需求，更是國際競爭的熱點，成熟穩定可持續性良好的碳減排技術才能切實推動3060碳中和目標實現。煤層CO捕獲-封存-利用作為典型負碳技術，對于吸納抵消煤氣同采技術體系中抽采-利用環節產生的碳排放(CO)起到關鍵作用。煤炭領域碳封存地質體主要包括煤層以及采空區等，煤層CO驅替增產煤層氣技術已較為成熟，具備一定商業化規模，其發展趨勢以“經濟效益型+技術完善型”為主；采空區CO吸儲的提出進一步踐行了國家能源體系綠色可持續發展要求，主要契合廢棄礦井資源再利用理念，盡管該技術尚處于基礎研究階段，在安全可靠與經濟性方面存在短板，但巨大發展潛力及重要戰略意義使其具備了較高的科研實踐價值，主要技術難點包括：① 多場、多相耦合吸儲作用機理；② 技術可行性、安全性評價體系；③ 全生命周期CO實時監測預警機制；④ 規模化商業運作模式。

2.3.1 深部煤層CO封存理論及技術

深部煤層CO封存具備碳減排與驅替煤層氣(瓦斯)增加經濟效益雙重作用。目前針對煤層CO封存尚處于基礎研究及先導性試驗階段，研究重點集中于煤層CO封存安全性評價以及深部煤層注氣驅替技術應用方面(圖9)。

(1)深部煤層CO封存安全性評價作為關鍵理論基礎，主要以封存地質體結構失穩為核心，圍繞CO泄漏途徑、工程擾動、煤巖儲蓋層細觀破壞及宏觀地質災害影響等方面展開研究。煤巖儲蓋層細觀破壞主要包括超臨界CO注入深部煤層物化反應、CO-CH氣體吸附置換、擴散滲流及驅替機理以及深部煤層CO封存有效性等。

圖9 深部煤層CO2地質存儲與CH4 強化開采(CO2-ECBM)技術及應用(據文獻[10,47]修改)Fig.9 Schematic diagram of CO2 geological storage and CH4 enhanced mining (CO2-ECBM) technology andapplication in deep coal seams (Modified according to References[10,47])

(2)裝備技術及應用方面，在我國與加拿大政府合作支持下，中聯煤層氣有限責任公司等單位承擔了國內首個深部煤層注入/埋藏CO開采煤層氣技術研究項目，在沁水-鄂爾多斯盆地的柳林和柿莊開展了一系列試注與監測研究，主要涵蓋了煤層氣強化開發及CO埋藏、注CO提高煤層氣采收率效果評價、先導性試驗數值模擬及經濟評價以及深煤層注氣驅替技術研究及裝備研制等一系列關鍵課題，為我國煤層CO封存技術應用推廣奠定了重要基礎。

2.3.2 CO煤礦采空區吸儲與植被固碳機理

隨著國內綠色煤炭資源量逐漸減少，關閉礦井以及采空區等廢棄地下空間日益增多。據統計，“十三五”期間全國累計退出煤礦約5 500處，“十四五”期間煤礦數量還將進一步壓縮。針對廢棄/關閉礦井二次利用問題，采空區作為CO封存潛在地質體，成為當前眾多學者關注熱點，袁亮、謝和平、黃炳香等對關閉礦井及采空區資源再利用均提出了指導性意見。

筆者及其所在團隊則聚焦全生命周期煤礦CH-CO近零碳排放理念，提出CO煤礦采空區吸儲與植被固碳技術。煤礦采空區作為非常規地質圈閉構造，可作為CO吸儲的潛在地質體，其總體思路為：CO的注入會與采空區殘留的CH產生競爭吸附(CO吸附優勢強于CH)，促排采空區瓦斯同時進行火災管控；最終通過控制地面監測井(或其他控制單元)釋放合理范圍內的CO作為氣肥，用于地表設施農業溫室大棚實現植被固碳。采空區作為受到煤炭開采擾動后形成的特殊地質體，CO吸儲的技術安全性及經濟可行性是該理念實現的關鍵點。

技術安全性方面，采空區儲蓋組合地質體密封性是評價CO注入風險的先決條件，王雙明等通過探討內蒙古烏蘭煤礦采空區上覆蓋層地質條件、美國Leyden煤礦采空區改為天然儲氣庫等內容，提出不受開采擾動影響的穩定地質蓋層和良好儲集空間密閉性可為采空區CO封存提供基本地質條件，且通過儲層空間再造、開采方式優化等手段創造良好的“儲+蓋”組合條件，即可實現煤礦采空區CO規模化封存；因此，該技術的落地很大程度取決于吸儲場地的適宜性，煤炭開采上覆巖層垮落形成的裂隙網絡尚未擴展延伸至采空區上部低滲蓋層且采空區整體已處于穩定狀態(形成時間長)是滿足技術應用的基礎；利用煤礦采空區進行CO吸儲在經濟性方面存在以下優勢：① 煤礦采空區地質條件資料齊備，前期勘探投入成本低；② 采空區吸儲以氣態CO方式注入，操作成本低，封存機理相對簡單；③ 采空區滲透率高，儲蓋層穩定條件下，CO擴散范圍更大；④ 可進行采空區甲烷二次抽采，具備一定經濟效益；⑤ 大型火電廠等CO集中排放源和煤礦礦井伴生，有利于CO就地封存，減少CO的長距離輸送。探究CO煤礦采空區吸儲與植被固碳關鍵技術，并實現CO地質吸儲封存與地表生物質補償吸收雙重目的(圖10)。

圖10 CO2煤礦采空區吸儲與植被固碳關鍵技術研究思路Fig.10 Key technologies of adsorption storage,transportation and carbon sequestration of vegetation in goaf of CO2

對我國煤礦采空區二次利用、煤炭行業“碳中和”目標落實起到關鍵性作用。

總體而言，CO煤礦采空區吸儲與植被固碳技術的安全經濟可持續發展，依賴于關鍵技術理論的突破以及低成本運行的探究，這也為今后的研究指明了方向。重點研究內容包括：

(1)CO吸儲場地選址及環境風險評估。主要包含CO吸儲場地地質條件及吸儲能力分析、目標場地選址適應性評價等方面(圖10)：① 儲層和蓋層的結構性和完整性；② 場地CO吸儲能力評價；③ 構建吸儲選址適宜性評價指標與方法體系。

(2)采空區煤巖體對CO吸附解吸規律、注入井布設技術及儲存移棲機制。以CO封存的時間序列“封前-封時-封后”為切入點，重點開展CO/CH二元氣體吸附解吸規律、CO注入井布設工藝技術以及CO儲存移棲機制等內容的研究工作：① 研究CO置換含瓦斯煤體中CH過程及吸附介質形變的特征，明確煤巖溶解溶脹作用對CO可注性的影響，探究CO礦化機理；② 采空區CO理論吸儲量估算分析，并探究CO吸儲區注入井布設技術；③ 采空區、蓋層和地表三維空間內的CO移棲規律，采用近地表/淺層土壤氣/水質分布式監測技術，明確近地表/淺層土壤氣/水質情況，揭示采空區CO吸儲區氣體長時間緩釋規律；④ 建立地面環境CO緩釋源強反演模型，構建CO煤礦采空區儲運緩釋全周期立體安全監測體系。

(3)采空區CO緩釋增強地表植被光合作用機制。CO緩釋增強地表植被光合作用重點關注高耐受CO植物篩選、CO影響植被光合作用及固碳機制、產業化碳吸收固定技術推廣潛力等方面：① 探究采空區和CO吸儲區地表高二氧化碳濃度分布特征，明確高CO濃度區域土壤生產力限制因素；② 構建基于CO吸儲區CO控制輸送技術的富碳設施農業模式，明確適宜礦區CO吸儲區的最佳設施富碳農業碳利用技術；③ 完善制備新型土壤改良劑生物炭-層狀雙氫氧化物(LDH)復合物技術，評估不同碳吸收及碳固定技術對礦區CO吸儲區經濟收益及綜合環境收益。

3 煤氣同采技術發展方向

3.1 “地質透明化-抽采智慧化”與瓦斯精準抽采深度融合技術

(1)地質保障是煤氣同采綠色發展的基石與先行者。煤田地質透明化對于瓦斯精準抽采構想的實現起著關鍵作用。“十四五”期間煤炭行業地質保障領域重點研究煤系資源精細化勘查及時空變化條件下的礦產煤系地質精準探測及建模理論，針對瓦斯抽采工程時空屬性的動態變化問題，進一步深化解決復雜條件下礦井地質環境動態監測及精細化分域判定技術。

采用煤系裂隙帶屬性疊前地震反演技術、4D-GIS透明地質技術、全數字高密度三維三分量地震勘探技術、槽波地震聯合勘探、槽波雷達探測、高密度電法勘探試驗等先進透明地質精細化解譯技術，全方位保障礦井瓦斯抽采體系精準運轉。

(2)智慧礦山是煤氣同采創新發展的突破及決策者。以5G通信、AI技術以及數字孿生等為推動力的礦山運維智慧化理念從根本上決定著瓦斯精準抽采實現的可能性。瓦斯抽采的發展核心為技術體系的可靠準確性、運作精確性以及精細化管理，因此智慧礦山與瓦斯精準抽采深化對接應著重關注智能化鉆探、智能動態封孔、抽采方案智能設計、抽采計量智能調控、抽采全流程可視化管理、評價反饋及決策等方面，多源、多空間、多維度保證瓦斯精準抽采體系的智慧轉型。

3.2 瓦斯富集-提濃-利用一體化技術及裝備

瓦斯全濃度梯級利用的關鍵在于低濃度瓦斯富集提濃以及中高濃度瓦斯高效利用。隨著國家積極推行“雙碳”目標落地，“十四五”期間乃至更長時間，以高效利用、綠色發展為主線的低碳利用技術會成為主流。

(1)技術層面，大力發展超低濃度乏風瓦斯銷毀和余熱利用、低(超低)濃度瓦斯超遠安全輸送及提質增效技術，系統開展瓦斯全濃度梯級利用一體化示范研究。

(2)裝備開發層面，積極對接煤電、機械、材料以及清潔能源行業先進工藝，完善瓦斯利用領域“上—中—下”全產業鏈低碳循環發展路徑，升級改造低品質瓦斯化學能熱電轉換裝置、高效氧化提熱、改性催化循環利用、大功率高效發電機組等裝備，全方位打造瓦斯綜合利用近零碳排放工藝體系，助力煤炭行業碳中和目標實現。

3.3 “CCUS+生態碳匯”全域負碳排放技術

CCUS技術作為“雙碳”背景下硬減排技術的主抓領域，是提高煤炭行業碳循環利用水平的關鍵技術；土壤-地表-大氣生態修復技術對于增加碳匯、實現近零碳排放具有重大意義。結合廢棄地下空間(深部不可采煤層、采空區等)再利用理念，建立“CCUS+生態碳匯”全域負碳排放技術體系，重點解決如下問題：

(1)深部地下空間CO封存技術適用性。深部不可采煤層等應重點解決注入工藝、封存資源評估、CO運移實時監測監控等核心技術開發，積極開展面向復雜地層的CO-ECBM技術適用性研究；廢棄礦井、采空區等應重點解決CO封存地質體泄漏路徑探查、地下空間封堵工程(帷幕注漿等)、泄漏風險識別及監測監控預警、應急救援及處置等方面。

(2)碳封存區域土壤-地表-大氣異常監測及生態修復技術。為應對煤礦CCUS技術存在土壤酸化、地下水污染以及CO泄漏至地表等可能風險，應著重研究封存區域適宜性評價、地表高二氧化碳耐受植物篩選、特殊菌群土壤酸化治理等內容，為CCUS技術在煤礦領域綠色可持續發展奠定基礎。

3.4 全生命周期煤礦CH4-CO2動態監測及管控技術體系

針對煤礦CH及CO等長壽命溫室氣體對環境升溫的脅迫效應，雙碳目標下煤氣同采理念著力研究瓦斯精準抽采、氣體資源利用、CCUS技術實施以及礦區生態碳匯等全生命周期CH-CO動態監測響應等核心點。關鍵在于低碳融合-負碳排放技術中碳收支平衡核算監管、硬減排手段與碳匯增加有效性等內容。從全局出發，精細化管理保障全流程碳源處置利用和生態修復協同發展。

建立全生命周期煤礦CH-CO動態監測及管控技術體系應結合各行業“碳中和”實現路徑，提升產業交叉融合科技創新能力，基于大數據云平臺、生化環材等領域先進技術，重點解決硬科技實力發展滯后問題；同時亟解決完善相關政策支持及法律法規性質的權益保障，積極倡導并推進煤礦CH-CO協同減排產業化工程示范及商業運行。

4 結 論

(1)低碳融合與負碳技術作為雙碳目標下煤礦煤氣同采技術體系核心點，主要涵蓋瓦斯抽采階段、瓦斯利用階段以及利用過程產生CO的捕集-封存-利用階段。其總體思路為：在煤層瓦斯抽采利用的全生命周期創造一個封閉循環，以CH的形式從煤層中提取出碳，對經過利用后的CO進行捕集，最終通過CCUS等負碳技術手段以CO的形式封存至地下用以驅替煤層瓦斯或進行其他固碳手段，完成“內部閉圈消化”，旨在實現煤礦CH-CO近零碳排愿景，推動我國煤炭行業綠色循環發展。

(2)構建了以煤礦CH-CO近零碳排放為核心的全生命周期煤氣同采技術體系，并簡化分析該體系的碳源匯機制。結合筆者及其團隊成果，深入探討了煤礦瓦斯高效精準抽采、煤礦瓦斯全濃度梯級利用以及煤層CO捕獲-封存-利用等關鍵技術問題。

(3)闡述了雙碳背景下煤氣同采技術的發展方向。① “地質透明化-抽采智慧化”與瓦斯精準抽采深度融合技術；② 瓦斯富集-提濃-利用一體化技術及裝備；③ “CCUS+生態碳匯”全域負碳排放技術；④ 全生命周期煤礦CH-CO動態監測及管控技術體系。未來應積極倡導并推進煤礦CH-CO協同減排產業化工程示范及商業運行。