煤基能源清潔高效開發利用科技創新及其學科建設

中圖分類號：F416.21：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1101（2025）04-0102-07

Technological Innovation and Disciplinary Development for the Clean and Efficient Development and Utilization of Coal-Based Energy ZHANG Tong1233， YUAN Liang123， TANG Ming1 1，3

（1.SchooloffetyienceandEnginering，AnuiUvesityofienceandTchnology，Huainan，Anhui22ina; 2.Laboratoryof Mining Response and Disaster Prevention andControl in Deep Coal Mines，Anhui Universityof Scienceand Technology，Huainan，Anhui 232oo1，China;3.NationalKeyLaboratoryofDigitalandIntellgentTechnologyforUnmaned CoalMining，Huainan，Anhui 2320o1，China）

Abstract： Driven by the new round of industrial and technological revolution， the construction of a new energy system and the“dual carbon” strategy are accelerating their evolution.The development and utilization of energy resources are moving towards diversification， inteligence，low-carbonization and cleanliness，and the demand for new technologies， new disciplines and high-end talents is becoming more prominent. This paper analyzes the challenges faced in the stable supply and clean and effcient utilization of energy，explores the conotation of building a new coal-based energy system during the energy transition period，and proposes that efforts should be made to strengthen the practice of cuting-edge scientific and technological innovation，deepen the construction of disciplinary platforms，implement the strategy of strengthening the country with talent through collaborative innovation among industry，academia and research，and promote the clean and effcient development and utilization of coal-based energy and carbon sequestration and utilization，so as to serve national security and high-quality economic and social development.

Key words： coal-based energy; clean and efcient development and utilization; new discipline construction; high-end talent cultivation

據《中華人民共和國2024年國民經濟和社會發展統計公報》，2024年我國一次能源生產總量49.8億噸標準煤，消費總量59.6億噸標準煤，其中煤炭消費量占能源消費總量達 53.2% ，天然氣、水電、核電、風電、太陽能發電等清潔能源消費量達28.6%^[1] ，我國已成為世界最大能源生產國和消費國。據《全球能源回顧（GlobalEnergyReview2025）》，2024年我國碳排放量126億噸[2]，也已成為世界上主要的碳排放國之一。煤炭在未來相當長的一段時間內作為國家主體能源將持續發揮兜底保障作用，而新能源的迅速發展也將為我國能源發展增添新動能。在此背景下，積極推進煤基多能互補與碳封存利用支撐煤基能源清潔高效開發利用，將是我國能源穩定供給與清潔高效利用重要發展方向[3-4]。持續推進煤基能源低碳化、清潔化開發利用，加速智能化開采進度，提升煤基多能互補融合發展是國家構建新型能源體系的必由之路[5-7]。因此，必須加快學科建設與人才培養，實現能源產業結構優化、技術水平提升、政策機制完善，持續加強國際合作，借鑒先進經驗，保障煤基能源清潔高效開發利用穩定發展8-10]。然而，現有的科技創新、人才培養、學科平臺建設及相關政策在支撐煤基能源轉型頂層設計、技術突破方面還存在諸多不足。

一、能源轉型發展面臨的挑戰

在大國博弈、地緣沖突、氣候變化及經濟脫鉤斷鏈背景下，能源市場結構性震蕩日趨激烈，煤基能源穩定供給保障與清潔高效利用開發利用成為國家重大戰略需求，構建煤基新型清潔高效的能源體系與低碳經濟是未來發展趨勢。當前，“人工智能 +^; ，巔覆性能源技術革命為重塑能源產業生態提供了強大驅動力，在此形勢下必須深人推進學科發展與人才培養體系建設，為新興技術與傳統能源行業的深度融合提供重要保障。然而，現階段我國在能源供給、關鍵技術、學科平臺、前沿人才培養等方面仍存在諸多挑戰。

（一）國際競爭加劇局勢動蕩與能源需求攀升

當前，由國際地緣政治博弈與能源供需矛盾交織形成的復合型挑戰日益凸顯。一方面，主要經濟體圍繞清潔能源技術制高點的爭奪已演變為新型戰略競爭，發達國家通過關稅、技術專利壁壘等機制重構產業規則。在知識產權布局方面，根據國家知識產權局發布的《全球綠色低碳技術專利統計分析報告（2023）》，我國創新主體綠色低碳專利海外布局仍顯薄弱，2016年至2022年間，我國專利權人在本國獲得綠色低碳專利授權15.7萬件，在海外獲得授權2.1萬件，綠色低碳專利海外授權所占比重僅為11.6% ，相比于歐洲（ 76.6% ）、日本（ 54.3% ）、美國號 （59.2% 以及韓國 （43.7%） ，中國綠色低碳專利海外授權與美日歐韓均存在一定差距[1]。這種技術發展格局嚴重制約了綠色低碳領域多學科知識共享體系的構建。另一方面，全球能源消費總量在疫后復蘇階段呈現加速增長態勢。2030年全球數據中心電力需求將持續增加，而發展中國家工業化進程中的能源剛性需求與發達國家碳約束政策形成結構性沖突。這種雙重壓力在煤基能源體系轉型中體現得尤為顯著：既要通過材料科學、碳捕獲技術的跨學科創新提升傳統能源清潔化水平，又需應對歐盟碳邊境調節機制等新型貿易壁壘帶來的成本壓力。國際貨幣基金組織（IMF）估計，2022年全球化石燃料補貼總額達到創紀錄的7萬億美元，相當于全球國內生產總值（GDP）的 7.1%^[12] 。IMF 得出的高數字包括所謂的隱性補貼，它是政府對燃燒化石燃料所產生的環境成本收取過低費用的結果，折射出各國在能源安全與氣候責任間的艱難權衡。而這種政策搖擺性，直接導致多學科協同研發面臨技術路線不確定性與投資風險疊加的復雜局面。

（二）“人工智能 + ”能源開發技術迭代需求加劇

2025年《政府工作報告》提出持續推進“人工智能 ?⁺ ”行動，為“人工智能 + “能源開發行動提供了重要遵循和需求牽引，推動了能源領域智能化技術迭代更新節奏。當前，煤炭資源的清潔高效利用亟需深度融合AI技術，通過透明地質、智能精準開采、數字化轉型利用等手段提升能效，煤、煤層氣、致密砂巖氣及戰略礦產資源等煤系資源協同開發也依賴AI驅動的智能勘探開發與清潔高效利用。同時，“人工智能 ?+^′ 賦能煤基固廢的資源化利用、礦區的生態修復等，將更好實現全產業鏈綠色升級。因此，“人工智能 + ”能源開發技術必將成為能源高質量發展的重要驅動力量，升級版“智能感知一自主決策—協同優化\"技術體系有待建立。

（三）顛覆性能源開發技術有待突破

能源資源智能化綠色化協同開發可優化傳統單一資源開發方式，而“原位資源開發—轉化一利用'技術體系能夠有效推進化學開采、物理開采與高效轉化的深度融合，形成“固一氣一液一電\"全鏈條能源形態轉化路徑，提升氣液態能源生產效率；同時，煤炭與清潔能源耦合協同發展則能夠整合可再生能源優勢，實現礦區煤基多能互補生態建設，推動零碳能源轉型發展。但在技術路徑上，還存在有待攻克的關口。首先，煤炭智能化綠色化協同開采需要突破數字化技術集成應用、自動化控制系統優化、遠程可視化監控平臺建設等關鍵技術，進而解決三維地質模型動態修正、采選充一體化綠色化布置、災害智能判識預警等核心問題。其次，原位化學開采與油氣協同技術涉及地球物理精準探測、水平井與連續管集成鉆井、高溫稠油熱采工藝優化等多項關鍵技術，需要提升產氣效率調控精度、完善在線監測控制系統、突破遠程可控點火技術，并配套氣體高效凈化處理裝置。最后，煤炭與清潔能源耦合協同，必須深入探究多元能源耦合機制，構建供給配套體系，開發能量精準匹配技術，實現能流系統智能集成，進而攻克規模化協同控制難題，創新調峰耦合模式，完善不間斷供能技術體系，優化能量分布策略。相應技術路徑的突破與創新，迫切需要建立與之相適應的新型學科體系和人才培養機制，培養國際一流的科研與應用型人才，以支撐我國能源行業的綠色低碳轉型和高質量發展[13]。為破解清潔低碳的現代化能源體系前沿技術瓶頸，煤基能源從傳統開采向智能化、綠色化、協同化方向轉型勢在必行。

（四）新型能源體系人才培養與平臺建設滯后社會需求

當前，能源領域高等教育人才培養體系與社會產業需求的結構性矛盾仍有待解決。教育部《中國教育現代化2035》監測數據顯示，我國戰略性新興產業人才缺口率持續高于 30% ，而普通高校畢業生專業對口率卻呈現下降趨勢。這種供需錯位的深層癥結主要體現在三個方面：一是能源前沿學科專業設置的動態調整機制滯后于產業技術迭代速度，部分院校仍沿襲工業化初期的課程體系，難以匹配數字經濟時代對復合型、創新型人才的需求；二是實踐教學平臺建設與能源企業真實生產環境存在代際差距，校企表面層次合作，無法滿足學生工程實踐能力提升；三是評價體系價值導向偏差，重學術指標輕社會效益的評估模式制約了高校對社會需求信號的敏銳感知。因此，當前我國高等教育必須基于國家重大戰略科技需求、教育強國需求、人才培養需求等，通過進一步深化產教融合、重構培養生態等系統性改革來提升“產—教—研”一體化融合發展

二、能源轉型期煤基新型能源體系構建內涵

當前，我國在能源轉型期所要積極構建的煤基新型能源體系內涵（見圖1如下：針對新型能源體系構建與“雙碳”戰略目標需求，構建“國家政策 + 市場需求 + 技術科創一轉化平臺 + 綜合人才體系\"頂層架構，創建政—產—學—研—用—金協同創新高能級平臺；基于“地面一井下”“原位轉化利用”“高效協同開發\"等新型能源開發技術理念，針對“人工智能+”“流態化開采”“煤氣化液化”及“儲層空間碳封存”等創新技術，推進新型學科平臺建設，培養前沿創新型人才，保障“地面一井下”能源資源原位轉化、能源資源開發低碳一零碳排放與碳封存與利用，推進煤基新型能源體系建設，助力能源清潔高效開發利用與低碳轉型高質量發展

圖1煤基新型能源體系

基于上述構建的能源轉型期煤基新型能源體系，我國可頂層制定煤基新型能源體系戰略發展路線（見圖2），圍繞清潔低碳高效利用、安全智能綠色開發需求，強化學科建設與人才培養，穩步推進煤基新型能源體系發展：當前至2035年，初步形成學科發展與產業布局，強化人才隊伍建設，推進煤炭安全智能精準開采與化石能源清潔利用；通過煤電靈活性改造和百萬噸級CCUS示范工程，推動煤炭消費占比逐步降至 50% 左右；同時，加速發展新能源，實現甲烷等非二氧化碳溫室氣體全濃度利用技術達到國際領先水平。2035—2050年，前沿學科建設完成，新型人才隊伍培養體系基本形成;推進新技術研發創新，實現新能源占比提升 30% 至 49% 并成為可靠替代能源，基本實現煤炭安全智能綠色開采；利用“煤炭高效燃燒+CCUS\"技術推動煤電向保障性和調峰性電源轉型，實現新能源協同發展和水光風火多能互補，使新型儲能技術達到國際領先水平。2050—2060年，形成世界一流新型能源學科，培育形成規模宏大的優秀人才隊伍；推動實現煤炭開采實現無人化，新能源占比突破 80% ，建成智慧能源系統與先進儲能系統，氫能、核能等新型能源技術利用水平位居世界前列，新型能源體系建設完成歷史性轉型。

三、煤基能源清潔高效開發利用科技創新與學科發展路徑

（一）強化科技創新實踐，拓展能源科技發展方向

1.煤炭智能安全高效開采技術方面。煤炭智能精準開采與“煤電 + 原料化”協同利用是實現能源行業低碳轉型的關鍵路徑。應圍繞復雜地質條件下的煤炭資源高效、安全、綠色開采，構建融合大數據、云計算、人工智能與5G通信的智能開采體系，推動采礦技術邁向數字化、自動化、智能化。在復雜地質結構智能感知與預測技術發展方面，應重點發展基于地質大數據的多源信息融合算法，構建三維地質建模與反演技術平臺，融合地震勘探、電法、地質雷達及鉆孔探測數據，實現對斷層、陷落柱、水體等隱蔽地質體的精準識別；同時，發展自適應學習的地質預測模型，提升復雜地質條件下資源開采地層演化快速響應與調控能力，進而推進透明礦山建設，提升資源開發利用效率，降低碳排放。在創新開采工藝與裝備智能化技術方面，應重點發展智能化采煤機、掘進機及協同作業機器人，達成地面遠程操控與實時監測，實現采掘系統高效協同。此外，還應基于物聯網與人工智能，實現采掘系統在多工況下的高效匹配;進一步推廣保水開采、協同共采等綠色技術體系，在保證資源回收率的同時，最大限度降低對地下水、地表生態和巖層穩定性的擾動，實現生態環境近零態擾動；進一步完善動力多源耦合致災災害防控體系，集成圍巖應力監測、瓦斯壓力預測、水文地質動態感知等手段，建立風險分級評估與智能預警系統，實現地下應力監測，微震數據的動態實時反饋；系統推進瓦斯資源的全濃度抽采與利用，提升碳減排的技術研發進度;推動高濃度瓦斯發電與化工利用技術成熟，結合低濃度瓦斯氧化利用技術，探索廢棄礦井煤層氣回收與再利用路徑，構建高效、安全、低碳的全濃度瓦斯治理一抽采一利用體系，穩定推進碳減排與甲烷管控行動。

圖2我國煤基新型能源體系戰略發展路線

2.煤電 + 原料化清潔高效利用技術方面。應積極推進“煤電 ?⁺ 原料化”煤炭低碳利用的技術體系建設，實現清潔燃燒、高效轉化和碳資源化利用，支撐煤炭從燃料向資源的轉型;創新“燃燒—轉化一系統集成一碳管理\"閉環技術與應用管理體系，提升超臨界、循環流化床等燃燒技術效率，實現污染物協同控制。借助氣化、液化與催化轉化技術，積極推進“煤炭分質利用+IGCC+化工”“近零排放 +CO₂ 利用\"以及“煤制氫 + 煤電耦合”，提升煤炭的高值化利用能力，推進“煤一電一氫一化”多能協同與靈活調度，提高整體能效與可再生能源適應性；進一步構建涵蓋捕集、利用與封存的CCUS技術體系，突破關鍵材料與工藝瓶頸，確保碳資源安全、高效、閉環利用；通過技術協同推進，踐行煤炭資源清潔、低碳、高效利用的規劃建設，為能源系統轉型與碳中和目標實現提供支撐。

（二）聚焦能源科技發展前沿，構建國家級科創平臺

1.科學布局科技創新區域協同發展。西北地區是我國重要煤炭生產區，東部沿海地區是我國能源消費主體區，國家能源生產與消費出現空間錯位分布。因此，應統籌構建能源開發與應用區域聯動發展體系，積極應對調控區域生產消費不均衡局面。東部能源消費區可以碳-能資源的循環利用為發展重心，通過“源—荷一儲\"微網、風光煤電網耦合等技術路徑提升碳替代水平；西部生產區則應推進煤炭智能開采、瓦斯高效抽采、低碳發電與煤制清潔燃料等協同發展，形成“開采—轉化一利用\"全過程低碳鏈條；而東西部聯動，則是指應在煤基能源體系布局發展CCUS全流程技術，重點聚焦燃煤發電、煤炭高效轉化與礦井廢氣協同封存，推動碳捕集與封存規模化、工程化發展。

2.強化科技創新平臺建設。積極推進產業鏈、創新鏈以及供應鏈深度融合中的原始創新和應用基礎創新，布局國家實驗室、全國重點實驗室、國家工程研究中心等高能級科技創新平臺，推進多層級、全鏈條科技創新，形成“雙碳”目標和能源體系重構的基礎支撐；聚焦煤炭原位氣化、流態化開采、多能互補、高效轉化等關鍵技術需求，構建“基礎研究一技術攻關一工程轉化\"閉環式創新體系;依托新疆、山西、內蒙古等傳統能源大省，聯合兩淮、云貴等重點區域，組建覆蓋東中西的煤基能源國家重點實驗室集群，推進重大科技基礎設施與高能級平臺協同布局，積極推動產教研用合作；支持高校創建“創新引智\"基地，引育優勢創新資源力量，開展前沿可靠技術創新研究，為煤基能源體系綠色轉型提供可靠科技保障。

（三）產學研協同創新，提升創新力度

1.強化產學研融合創新。應在煤炭清潔利用、智慧礦山、生態修復等領域依托產學研深度融合途徑，積極推進能源高質量轉型，形成高效產學研協同機制，促進科技成果快速轉化，切實提升科研成果轉化效率與產業創新能力。高校應依托區域資源優勢，深化與科研院所、能源企業如中科院、國家能源投資集團、中煤能源等的協作，深人探索并構建“高校 + 科教中心”人才聯合培養運行模式與科研攻關協同機制，創建世界一流學科，積極主動融入國家戰略，把握時代機遇，產業、科技、人才一體化全面深度融合。以安徽理工大學積極響應能源革命為例，近年來，學校堅持開放辦學，深化能源轉型與碳中和領域合作，與國（境）外多所大學和研究機構建立緊密的合作關系，開展多學科交叉合作辦學項目；與中科院合肥物質院、國家能源投資集團、中煤能源、中國煤炭地質總局等大院大所大企開展產學研合作，緊跟國家政策與技術發展方向組建新型科研研究院如能源研究院、人工智能研究院、大健康研究院等，深耕煤炭清潔利用、智慧礦山、職業安全健康、礦山生態環境治理等研究領域，并積極構建創新合作平臺，服務國家重大戰略需求，成果喜人。

2.強化國際合作交流。當前，能源轉型發展是全球性問題，全球能源治理體系、能源體系、產業體系面臨深度變革。為解決這個全球性問題，各能源生產消費國應在基礎研究、關鍵技術攻關、成果產業化等方面形成密切合作，共同推進能源清潔高效轉型、氣候變化與生態環境治理，構建“技術共研一標準共建一成果共享\"的國際合作范式。首先，我國應依托“一帶一路\"能源合作伙伴關系，加快建設國際產學研聯合創新平臺，如可與德國弗勞恩霍夫協會、美國國家可再生能源實驗室等頂尖機構共建煤基能源國際聯合實驗室，重點開展智能開采裝備聯合研發、CCUS技術跨國驗證等前沿領域研究。其次，積極推進技術標準互認體系構建，主導編制煤基能源清潔高效利用國際標準，推動歐盟碳邊境調節機制與中國碳市場核算方法對接，通過國際標準化組織二氧化碳捕集、運輸與地質封存技術委員會（ISO/TC265）實現專利技術國際互認。最后，建立跨國示范工程，在哈薩克斯坦、印尼等“一帶一路\"沿線國家建設多能互補示范基地，輸出中國智能開采裝備與煤電耦合技術，并同步吸收北歐生物質摻燒、日本氫能儲能等先進經驗，實現先進技術經驗交流與前沿科技成果產出。

（四）加強新型學科建設，培養綜合性人才

1.強化新型能源學科體系建設。應圍繞能源轉型升級過程中的基礎研究、應用研究和重大技術裝備攻關問題，優化學科建設布局，推進傳統能源類學科向低碳化、數字化及智能化方向轉型升級。如，可在傳統能源工程、化學工程等學科基礎上增設碳中和技術、清潔能源利用、環境科學與工程、數智計算等前沿新型學科，打造具有國際影響力的世界一流新型能源學科群。新型學科建設應以解決實際問題為導向，以強化新興學科與傳統學科的技術銜接為主體，結合行業實際需求與轉型關鍵問題，構建“理論一技術一應用\"三維立體化課程體系，增加數據分析、人工智能、能源系統建模和智能礦山與數字孿生技術等前沿課程，夯實學生的理論基礎并強化其實踐應用能力;要大力推廣校企聯合培養機制，與傳統化石能源企業、新能源技術企業，以及能源研究院合作建立實習實訓基地，開展現場調研、技術分析與方案設計等實戰訓練項目，引導學生直面工程實際，了解行業問題，鍛煉系統思維。此外，部分課程設置和實踐教學應考慮各地區高校的區域資源與傳統特色研究領域，因地制宜、靈活布局新能源體系下的特色課程建設，鼓勵研究生、本科生參與交叉學科科研項目與挑戰性工程課題，如煤炭清潔轉化、CCUS示范、能源AI決策平臺等前沿任務，打通教學、科研與實踐的壁壘，進而培養出具備煤炭清潔轉化、碳捕集與封存（CCUS）、數字化能源管理等綜合能力的復合型人才，為解決新型能源耦合化石能源發展過程中的關鍵卡脖子技術難題服務。

2.強化新型人才培養建設。應圍繞煤炭清潔高效利用、多能耦合協同發展、瓦斯全濃度利用、全流程CCUS技術、碳中和科學管理等關鍵領域，著力構建科技創新與人才培養協同發展的驅動體系，構建“理—工—管—文—經—法\"多學科交叉融合人才培養體系，強化基礎研究、技術研發與工程實踐貫通能力；推動高端師資引進與青年人才成長機制同步發力，完善高層次人才培養結構；提升教師專業化水平及行業國際發展視野，鼓勵科研人員參與企業橫向課題，推動實驗室技術向規模化應用轉化，盡快培育一批滿足國家能源發展重大需求的綜合性、專業性科技人才、工程人才與教育工作者，支撐工程示范推動技術成果轉化應用；進一步強化人才培養頂層機制，區域高校編制管理向科技創新前沿、能源發展轉型及國家重大戰略需求領域傾斜，打通高層次綜合性人才引育機制。以長三角區域一體化發展為例，應協同打造長三角人才“蓄能塔”，設立專項計劃，促進科教機構主動融入長三角，出臺多方措施，吸引高層次青年人才來長三角創新創業，積極倡導建立區域人才共同體。

3.強化學科發展與人才培養內涵建設。新型學科群建設旨在培養一批立足工程實踐、服務行業發展的應用型人才，以及一批聚焦前沿科學問題、引領創新突破的科研型人才。高校應通過科研攻關、技術成果轉化與社會服務等多種形式，反哺學科內容更新與體系完善，推動學科持續迭代發展；積極推進學科建設與人才培養之間的良性循環，構建常態化的交流反饋機制；定期組織以行業問題和科學前沿為主題的系列交流活動，邀請具有工程實踐經驗的企業專家和活躍于科研一線的高校學者來校交流講學，圍繞行業痛點、技術需求、前沿趨勢等內容展開深入探討，形成行業與科研雙通道的校內交流機制，推進教學內容更新與學科發展方向調整；鼓勵教師深入企業、科研院所和地方工程現場開展定期調研，全面了解技術演化趨勢、工程難點與人才需求動態；進一步推動教師間跨校交流，互通課程設計理念與教學模式，識別自身在課程內容、教學方法或能力訓練上的不足，從而有針對性地優化教學設計與學科結構，形成教師雙向流動的現場調研與交流機制；構建以行業實踐反饋一教學內容調整一學科發展優化為核心路徑的正向循環機制，實現新型學科體系的動態演進和高質量人才培養協同發展。

四、結束語

當今世界正經歷百年未有之大變局，能源行業處于高質量發展與清潔低碳開發利用關鍵轉型期，我國應積極構建煤基新型能源體系，頂層部署“雙碳”目標，布局重大科技創新平臺，強化學科平臺建設，深化人才培養模式改革與體系創新，為煤基能源智能開采與低碳清潔利用核心技術攻關提供服務，通過交叉學科創新、智能化賦能推進能源行業向智能化、清潔化以及綠色可持續發展穩定轉型。要進一步完善產學研用一體化科創平臺建設，支持高校、科研院所與龍頭企業共建聯合實驗室與教育示范基地，強化交叉學科規劃與實訓項目，創新新型能源體系人才培養模式，為我國煤基能源清潔高效開發利用提供科技、人才、平臺保障，服務國家能源安全與“雙碳”戰略目標順利實現

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［責任編輯：吳曉紅］