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本期导读
自提出“双碳”目标以来，我国生态文明建设已进入以降碳为重点战略方向的关键时期。煤炭作为兜底能源的地位短期内不会改变，能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的核心即为CH4−CO2 协同减排。在此背景下，李树刚团队提出了新阶段的煤气共采技术构想，先后在《煤炭学报》、《煤炭科学技术》学术杂志上发表2篇重要文章，为双碳战略背景下煤气共采厘清了技术框架、体系内涵、关键问题和发展路径。
因此，本篇主要分享由李树刚，张静非，尚建选，林海飞，王苏健，丁洋，侯恩科，赵泓超于2022年共同发表在《煤炭学报》学术杂志上的学术论文“双碳目标下煤气同采技术体系构想及内涵”和由李树刚，张静非，林海飞，丁洋，白杨，周雨璇，朱冰，戴政于2023年共同发表在《煤 炭 科 学 技 术》学术杂志上的学术论文“双碳战略中煤气共采技术发展路径的思考”，希望给广大读者带来启发。
煤气同采技术体系构想
在煤层瓦斯抽采利用的全生命周期创造一个封闭循环，以 CH4的形式从煤层中提取出碳,对利用后产生的 CO2 进行捕获,最终通过 CCUS 等负碳技术手段以 CO2 的形式封存至地下，用以驱替煤层瓦斯或进行其 他固碳手段完成 “内部闭圈消化”。精准抽采提高煤矿瓦斯抽采效率并为高效利用提供原料，2 者作为煤炭行业绿色低碳发展的关键点可尽快完成碳达峰，“ CCUS + 生态碳汇”作为典型的负碳排放技术助力碳中和，3 个环节相互叠加共同实现煤矿CH4 -CO2 近零碳排放甚至零排放愿景。
图1 双碳目标下煤气同采技术体系构想
煤气同采技术体系框架以“ 碳达峰、碳中和” 为主导思想，包括总体目标、基础思路、技术支撑、研究方法、体系框架及关键技术问题组成(图 2)。该技术体系是以大数据云计算、人工智能、5G 通信、物联网等作为平台支撑,，融合透明地质、数字矿山、精准抽采、梯级利用以及地质封存的多空间、多维度全流程保障机制，应用基础理论研究、物理 / 数值模拟、现场监测监控、区域性试验及规模化示范工程的技术方法，旨在构建以煤矿 CH4 -CO2 近零碳排放为核心的全生命周期煤气同采技术体系，以煤矿瓦斯高效精准抽采、瓦斯全浓度梯级利用以及煤层CO2 捕获 - 封存-利用作为关键技术。精准抽采为煤矿瓦斯治理利用的高质量发展提供基础，瓦斯全浓度梯级利用为瓦斯绿色低碳发展的关键,煤层 CO2 捕获 -封存 -利用对瓦斯抽采、综合利用阶段产生的 CO2 精细化管控( CCUS+生态碳汇) ，既可起到负碳排放作用，亦可进行煤层气( 瓦斯) 驱替产生经济效益。3 者相互衔接,最终实现协同低碳绿色发展，推动全生命周期煤气同采工程示范，助力我国双碳目标实现。
图2 双碳目标下煤气同采技术体系框架
煤气同采技术体系内涵
（1）煤矿瓦斯高效精准抽采
高效精准抽采作为煤矿瓦斯低碳发展基础，不仅 关乎安全生产，更直接影响 CH4精细管控及高效利 用。深部煤层瓦斯高效精准抽采体系融合地质勘探保 障技术、协同抽采机制、多相多场耦合理论及灾害防 控预警模型,采用物理 / 数值模拟、基础试验、工程实 践及理论分析的“ 五位一体” 研究方法，建立满足煤 矿 CH4抽采零排放的技术模式( 图 3)。
图3 深部煤层瓦斯高效精准抽采体系
图4 多场景精准增透技术体系及发展
瓦斯含量精准原位测定理论及技术基于深部原位岩体力学理论体系、多场瓦斯吸附解吸规律，利用井下定向长钻孔、地面大功率取心钻机，重点开展目标区域瓦斯含量深孔原位测定，最大限度保证采集样品的原始状态及结果参数精准性。深部原位取心技术发展经历了由最初的保压密闭到“ 五保” ( 保压、保温、保质、保光、保湿) 取心( 图 4) ，并开发出了适用于煤矿井下和地面的取心成套技术装备，实现了深部原位环境“ 活体” 样本的采集工作，随着瓦斯含量测定精度需求提升，高精度、高保真瓦斯含量深孔原位测定技术优势日益凸显。
图5 深部岩石原位“ 五保” 取心系统
瓦斯储运区精准判识主要以压力拱、悬臂梁、砌体梁及关键层等理论为基础，阐明采动覆岩裂隙分布特征具有“ O” 形圈、高位环形裂隙区、“ 椭抛带” ( 图 5) 、 圆矩梯台带等形态,通过裂隙分布形态分析煤层瓦斯运移渗流优势通道，为钻孔布设及抽采设计提供理论依据。
图6 椭抛带示意
图7 精准抽采装备：ZDY15000LD 型煤矿用
履带式全液压坑道钻机
作者团队立足于精准化、智能化理念，建立了瓦斯精准抽采云平台，主要由抽采数据动态感知、抽采效果评价及抽采系统决策与调控等部分组成( 图 7)。
图8 瓦斯精准抽采云平台
煤矿瓦斯全浓度梯级利用
瓦斯全浓度梯级利用作为煤矿瓦斯低碳排放技术关键点，直接影响煤电行业双碳目标实施效果。体积分数大于 30% 的高浓度瓦斯可直接利用，但体积分数低于 30% 的低浓度瓦斯尤其是体积分数低于 0.75%的乏风瓦斯需要进行提浓、催化氧化或作为辅助性介质才可进一步利用。当前我国瓦斯利用主要以民用 / 工业燃料、发电用途为主，形成了高浓度瓦斯直接利用、乏风及低浓度瓦斯提浓增效技术为主的阶梯式综合利用体系( 图 8)；同时，对瓦斯高效利用产生的 CO2进行捕集，应用至 CCUS 技术领域，最大限度实现煤矿 CH4 -CO2近零碳排放目标。
图9 煤矿瓦斯全浓度梯级利用
表1 煤矿瓦斯全浓度梯级利用技术及典型项目
煤层 CO2捕获-封存-利用
低碳融合及负碳技术攻关作为煤炭行业绿色低碳 发展重点，不仅是行业转型的需求，更是国际竞争的热点,成熟稳定可持续性良好的碳减排技术才能切实推动 3060 碳中和目标实现。煤层 CO2 捕获-封存-利用作为典型负碳技术，对于吸纳抵消煤气同采技术体系中抽采-利用环节产生的碳排放( CO2 ) 起到关键作用。深部煤层 CO2封存具备碳减排与驱替煤层气( 瓦斯) 增加经济效益双重作用。目前针对煤层 CO2封存尚处于基础研究及先导性试验阶段,研究重点集中于煤层 CO2封存安全性评价以及深部煤层注气驱替技术应用方面( 图 9)。
图10 深部煤层 CO2 地质存储与 CH4 强化开采( CO2 -ECBM) 技术及应用
图11 深部煤层 CO2 地质封存安全性评价体系
作者团队聚焦全生命周期煤矿 CH4 —CO2近零碳排放理念，提出 CO2 煤矿采空区吸储与植被固碳技术。以期实现 CO2地质吸储封存与地表生物质补偿吸 收双重目的（图10）。
图12 CO2 煤矿采空区吸储与植被固碳关键技术研究思路
图13工业固废采空区充填协同 CO2 地质封存
图14 煤矿碳封存区域土壤−地表−大气异常监测
及生态碳汇技术
煤气同采技术发展路径总结
根据我国目前能源结构调整进程及面临的挑战，双碳战略中煤气共采技术发展需结合现状需求−技术攻关−政策驱动的核心原则。
图15 煤气共采技术发展路径制定的核心原则
图16 “双碳”战略中煤气共采技术发展路径
由于篇幅的限制，本篇推文主要精选论文的精华部分进行展示，建议感兴趣的读者下载全文阅读。
[1]李树刚,张静非,尚建选,等. 双碳目标下煤气同采技术体系构想及内涵[J] . 煤炭学报,2022,47(4) : 1416 - 1429.
[2]李树刚, 张静非, 林海飞, 等. 双碳战略中煤气共采技术发展路径的思考[J]. 煤炭科学技术, 2024, 52(1): 138-153.
编辑丨湛金飞 重庆大学
审核丨刘苏雨 重庆大学
