桑樹勛，王 冉，周效志，黃華州，劉世奇，韓思杰

論煤地質(zhì)學(xué)與碳中和

桑樹勛1,2,3，王 冉2,3，周效志2,3，黃華州2,3，劉世奇1，韓思杰1

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 低碳能源研究院，江蘇 徐州 221008；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3. 中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

煤基碳排放構(gòu)成了中國碳排放總量中最重要的部分，做好煤基碳減排和煤炭高效潔凈低碳化利用是實(shí)現(xiàn)“碳中和”國家目標(biāo)的重要途徑，碳中和背景下的煤地質(zhì)學(xué)發(fā)展值得關(guān)注。系統(tǒng)評(píng)述與碳中和相關(guān)的煤地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域，分析煤地質(zhì)學(xué)在碳中和研究與工程實(shí)踐中的作用和應(yīng)用前景，探討碳中和背景下煤地質(zhì)學(xué)的重要發(fā)展方向。取得以下認(rèn)識(shí)：推進(jìn)清潔煤地質(zhì)研究、服務(wù)煤的高效潔凈化燃燒，勘探開發(fā)煤系天然氣低碳燃料、優(yōu)化一次能源結(jié)構(gòu)和化石能源結(jié)構(gòu)，開展煤化工資源勘查與開發(fā)地質(zhì)保障研究、推動(dòng)煤炭的低碳能源轉(zhuǎn)化和新型煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，深化瓦斯地質(zhì)研究、提高煤礦瓦斯(井下)抽采率、控制煤礦瓦斯的大氣排放和泄漏，研究煤層甲烷天然逸散和煤層自燃排放、控制煤層露頭的天然排放，發(fā)展煤層CO2地質(zhì)封存與煤層氣強(qiáng)化開發(fā)(CO2-ECBM)技術(shù)、推動(dòng)碳捕獲、利用與封存(CCUS)技術(shù)發(fā)展及其在火力電廠煙氣碳減排中的商業(yè)化應(yīng)用，研究煤炭勘查企業(yè)的碳足跡、實(shí)現(xiàn)企業(yè)凈零排放，是與煤地質(zhì)學(xué)緊密相關(guān)的碳減排技術(shù)路徑；其中煤層甲烷與煤系氣高效勘探開發(fā)、深部煤層CO2-ECBM、煤層露頭氣體逸散與自燃發(fā)火控制、潔凈煤地質(zhì)與煤炭精細(xì)勘查是碳中和背景下煤地質(zhì)學(xué)優(yōu)先發(fā)展的重要領(lǐng)域。

煤地質(zhì)學(xué)；碳減排；煤層甲烷利用；煤層CO2封存；煤層自燃；煤高效潔凈利用

1 碳中和

全球氣候變化是人類社會(huì)需要共同面對(duì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的溫室氣體排放被認(rèn)為是全球氣候變暖的主要原因而受到普遍關(guān)注[1]，能源行業(yè)，特別是化石燃料消費(fèi)成為人類社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。所以，實(shí)現(xiàn)CO2凈零排放和“碳中和”目標(biāo)已成為應(yīng)對(duì)全球氣候變化、減緩全球變暖的重要國際社會(huì)共識(shí)和行動(dòng)?！疤贾泻汀?Carbon Neutral)的概念最初起源于1997年倫敦未來森林公司的商業(yè)策劃并在西方受到廣泛宣傳和接受而迅速傳播。“碳中和”的基本內(nèi)涵是人們生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的溫室氣體排放，可以經(jīng)過減排措施降低碳排放量，最終通過碳補(bǔ)償(Carbon Offsets)機(jī)制，以達(dá)到溫室氣體凈零排放，即實(shí)現(xiàn)凈碳足跡為零(net zero carbon footprint)[3]。此后在西方國家政府的推動(dòng)下，“碳中和”行動(dòng)從企業(yè)轉(zhuǎn)向官方，成為了全球減排機(jī)制中不可或缺的重要組成部分，美國、加拿大、英國和歐盟等國家和地區(qū)相繼開展了實(shí)現(xiàn)“碳中和”途徑的研究[4-8]。

中國作為世界上最大的發(fā)展中國家和碳排放量最高的國家，已把積極應(yīng)對(duì)氣候變化作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略，特別是2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上發(fā)表講話，提出了我國碳減排的具體目標(biāo)為“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。展示了我國為應(yīng)對(duì)全球氣候變化做出更大貢獻(xiàn)的積極立場，順應(yīng)了全球疫情后實(shí)現(xiàn)綠色復(fù)蘇和低碳轉(zhuǎn)型的潮流，對(duì)全球氣候治理和中國未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大影響。需要指出的是，自1978年中國實(shí)行改革開放以來中國經(jīng)濟(jì)一直保持快速發(fā)展，與之相對(duì)應(yīng)的是中國化石能源消費(fèi)量的劇增，中國已成為世界最大的能源消費(fèi)國之一[9-10]。到2018年底，中國化石能源消費(fèi)占總能源消費(fèi)的比例高達(dá)85.70%，其中又以煤炭占據(jù)化石能源消費(fèi)的主體(68.85%)。換言之，煤基碳排放構(gòu)成了中國碳排放總量中最重要的部分。煤炭及其相關(guān)行業(yè)碳減排對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳中和”國家目標(biāo)具有決定性作用。做好煤基碳減排和煤炭高效潔凈低碳化利用這篇大文章，對(duì)煤炭勘查、開發(fā)和利用相關(guān)學(xué)科科技創(chuàng)新提出了新要求，其中煤地質(zhì)學(xué)具有不可替代的作用。筆者力圖從煤地質(zhì)學(xué)視角，探討與煤地質(zhì)學(xué)相關(guān)的碳減排技術(shù)路徑，闡釋煤層甲烷及煤系氣高效勘探開發(fā)、煤層二氧化碳地質(zhì)封存、煤層自燃控制、煤資源特性及精細(xì)勘查的碳減排意義，論證煤地質(zhì)學(xué)對(duì)實(shí)現(xiàn)我國碳中和的作用，與時(shí)俱進(jìn)，拓展煤地質(zhì)學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，更好地服務(wù)國家重大需求。

2 與煤地質(zhì)學(xué)相關(guān)的碳減排技術(shù)路徑

目前，煤炭是我國一次能源消費(fèi)的主體，承受很大的碳減排壓力。只有在源頭上減少以煤為主的化石能源高碳排放，然后通過有效的碳補(bǔ)償，包括森林、海洋等碳匯，碳捕獲、利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)、礦物固碳等碳去除技術(shù)(CDR)和碳交易、清潔發(fā)展機(jī)制等碳足跡管理，才能實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)和可持續(xù)發(fā)展。煤地質(zhì)學(xué)幾乎可以全領(lǐng)域、全流程參與碳減排(圖1)。

1) 推進(jìn)清潔煤地質(zhì)研究，服務(wù)煤的高效潔凈化燃燒

中國碳排放主要是化石礦物燃料燃燒過程中產(chǎn)生的。因此，探索控制燃煤碳排放是源頭控制的重點(diǎn)。開展與煤質(zhì)、煤燃燒有關(guān)的潔凈煤地質(zhì)研究，推動(dòng)煤的氣化燃燒、富氧燃燒和化學(xué)鏈燃燒，節(jié)能減排的同時(shí)，為CO2高效捕集提供條件。

圖1 與煤地質(zhì)學(xué)相關(guān)的碳減排主要技術(shù)路徑

2) 勘探開發(fā)煤系天然氣低碳燃料，優(yōu)化一次能源結(jié)構(gòu)和化石能源結(jié)構(gòu)

開展煤系非常規(guī)天然氣(煤層氣、煤系頁巖氣、煤系致密氣)的研究和勘探開發(fā)，尋找更多的煤炭替代燃料，通過煤層氣、煤系氣成藏機(jī)理與勘探開發(fā)地質(zhì)理論技術(shù)等煤地質(zhì)學(xué)創(chuàng)新，推動(dòng)快速降低煤炭在我國化石能源中的占比。

3) 開展化工煤資源勘查和開發(fā)地質(zhì)保障研究，推動(dòng)煤炭的低碳能源轉(zhuǎn)化和新型煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展

通過煤制烯烴、煤制乙醇、煤制油氣以及煤地下氣化等，可以將煤轉(zhuǎn)化為更為清潔的化石能源，促進(jìn)煤高效利用的同時(shí)還可以大大減少碳排放。煤資源特性是煤化工工藝選擇的重要影響因素，也是煤地質(zhì)學(xué)研究的重要領(lǐng)域；化工煤資源是發(fā)展新型煤化工的物質(zhì)基礎(chǔ)，從動(dòng)力煤資源勘查為主逐漸向以化工煤資源勘查為主將成為煤炭資源勘查的發(fā)展趨勢(shì)。

4) 深化瓦斯地質(zhì)研究，提高煤礦(井下)瓦斯抽采率，控制煤礦瓦斯的大氣排放和泄漏

煤礦生產(chǎn)瓦斯(CH4)排放是我國最主要的非CO2溫室氣體來源。煤礦井下瓦斯抽采目前仍是控制煤礦瓦斯大氣排放的主要手段。對(duì)煤礦區(qū)，特別是采場應(yīng)力下煤層瓦斯的分布賦存、運(yùn)移聚集和涌出產(chǎn)出規(guī)律的認(rèn)識(shí)，顯著影響煤礦井下瓦斯抽采工藝技術(shù)和抽采率。采空區(qū)發(fā)育的覆巖裂隙、特別是貫通地表的地裂縫，也造成大量煤礦殘余瓦斯向大氣泄漏，采空區(qū)甲烷排放量不容忽視，也是具有利用潛力的天然氣資源。

5) 研究煤層甲烷天然逸散和煤層自燃排放，控制煤層露頭的天然排放

由于成煤后構(gòu)造抬升和地表剝蝕，煤層埋藏變淺，甚至出露地表，這一地質(zhì)過程中煤層中賦存的甲烷會(huì)通過剝蝕面和露頭大量逸散到大氣中。同時(shí)，煤層發(fā)生氧化，部分煤層發(fā)生自燃，向大氣中釋放大量CO2。開展相關(guān)煤地質(zhì)學(xué)研究，有效開展煤層自燃防滅火和封閉，控制煤層露頭天然排放對(duì)碳減排有現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，煤層甲烷天然逸散和煤層自燃排放的深時(shí)生態(tài)意義也值得關(guān)注。

6) 實(shí)現(xiàn)煤層CO2地質(zhì)封存與煤層氣強(qiáng)化開發(fā)(CO2- ECBM)技術(shù)的商業(yè)化，推動(dòng)CCUS技術(shù)發(fā)展及其在火力電廠煙氣碳減排中的商業(yè)化應(yīng)用

地層條件下煤層對(duì)CO2具有極強(qiáng)的吸附封存能力，深部不可采煤層是開展CO2地質(zhì)封存的重要目標(biāo)地質(zhì)體，同時(shí)，通過CO2驅(qū)煤層氣可實(shí)現(xiàn)煤層氣強(qiáng)化開發(fā)，顯著提高煤層氣井產(chǎn)量和煤層氣采收率，從而有助解決CCUS技術(shù)有效性、安全性和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)，推動(dòng)低碳化石能源高效開發(fā)。CO2-EOR(CO2驅(qū)油)、CO2-ECBM被認(rèn)為是可最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的CCUS技術(shù)。煤礦采空區(qū)CO2地質(zhì)封存潛力也受到越來越多的關(guān)注，其可行性和工藝技術(shù)也亟待探索?；鹆﹄姀S煙氣是我國最主要的點(diǎn)源碳排放，眾多燃煤火力電廠建設(shè)在煤礦區(qū)和分布于含煤盆地，也為CO2-ECBM的商業(yè)化應(yīng)用提供了條件。CO2-ECBM已成為煤地質(zhì)學(xué)研究的新領(lǐng)域。

7) 煤炭勘查企業(yè)的碳足跡研究是煤地質(zhì)學(xué)的新課題

煤炭勘查企業(yè)在煤炭等礦產(chǎn)資源研究、評(píng)價(jià)、勘查，水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害治理等運(yùn)行過程中，生產(chǎn)和生活都會(huì)產(chǎn)生具有顯著企業(yè)特點(diǎn)的碳排放，另一方面，煤炭勘查企業(yè)可以利用節(jié)能減排、碳去除等企業(yè)特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，或通過碳交易市場行為，進(jìn)行碳補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)凈零排放。

3 煤層甲烷、煤系氣與碳減排

3.1 原位煤層氣

煤層氣資源高效勘探開發(fā)利用，一方面可部分替代煤炭，優(yōu)化我國以煤為主的化石能源結(jié)構(gòu)，減少CO2溫室氣體排放量；另一方面，通過先采氣后采煤，有效降低煤炭生產(chǎn)過程中礦井瓦斯的大氣排放，從而減少CH4溫室氣體排放量。

全球煤層氣資源量約為260萬億m3，其儲(chǔ)量約占世界天然氣總儲(chǔ)量的30%以上[11]，當(dāng)前世界煤層氣年產(chǎn)量近1 000億m3，美國、澳大利亞、中國、加拿大等為主要煤層氣生產(chǎn)國[12]。我國煤層氣資源豐富，其地質(zhì)資源量為36.8萬億m3，占世界資源總量的13%，煤層氣可采資源量12.5萬億m3[13-14]，煤層氣勘探開發(fā)和碳減排潛力巨大。

到2018年底，我國地面煤層氣井?dāng)?shù)達(dá)18 539口，其中開發(fā)井13 176口，年產(chǎn)量約為54.13億m3[15]。我國煤層氣開發(fā)規(guī)模和煤層氣井單井產(chǎn)量都亟待提升。相對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣高效勘探開發(fā)理論技術(shù)仍是制約煤層氣開發(fā)規(guī)模效益提升的瓶頸，也是將煤層氣勘探開發(fā)的碳減排潛力變?yōu)橛行紲p排途徑的關(guān)鍵。

深化開展相對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣高效勘探開發(fā)機(jī)理與地質(zhì)適配性技術(shù)體系研究的同時(shí)，新的研究領(lǐng)域成為相對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣高效勘探開發(fā)理論技術(shù)研究的新內(nèi)涵，主要包括：構(gòu)造煤煤層氣應(yīng)力釋放開發(fā)、含煤段煤系氣高效勘探開發(fā)、低階煤煤層氣高效勘探開發(fā)、深部煤層氣高效勘探開發(fā)、致密煤儲(chǔ)層熱化學(xué)改造與熱采等理論技術(shù)[16-17]。

3.2 煤礦瓦斯

煤礦瓦斯的大氣排放和泄漏是重要的溫室氣體排放源。據(jù)估計(jì)，煤礦瓦斯每年排放量約為(35± 10)×106t，煤炭開采產(chǎn)生的瓦斯排放量約為600萬t二氧化碳當(dāng)量，占人為相關(guān)瓦斯排放量的8%~ 10%[18]，預(yù)計(jì)2020年，這個(gè)比例增加到15%[19]。中國是煤礦瓦斯大氣排放量最大的國家。不同學(xué)者對(duì)中國煤礦開采大氣瓦斯排放量的估算結(jié)果不太一致，但現(xiàn)有研究都認(rèn)為中國煤礦瓦斯總體排放規(guī)模都在億噸以上[20-21]，構(gòu)成重要的非CO2溫室氣體工業(yè)排放源。

提高煤礦瓦斯抽采利用率是降低煤礦瓦斯大氣排放的根本技術(shù)途徑，包括煤炭開采前瓦斯預(yù)抽、采中采動(dòng)瓦斯抽采和采后采空區(qū)瓦斯抽采，風(fēng)排低濃度瓦斯利用和廢棄礦井瓦斯抽采利用等。煤地質(zhì)學(xué)在提高煤礦瓦斯抽采利用率方面能夠發(fā)揮重要作用。

1) 加強(qiáng)地質(zhì)構(gòu)造控制下煤層瓦斯分布賦存規(guī)律研究

煤變質(zhì)程度、頂?shù)装逋笟庑?、地下煤層埋深、地下煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造和地下水條件等多因素制約了煤層中瓦斯的賦存[22]，特別是地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯的控制作用更為顯著，隨著煤礦采深的增加，構(gòu)造和地應(yīng)力對(duì)瓦斯賦存分布、涌出和抽采的影響更加明顯，相關(guān)研究工作需要深化。

2) 加強(qiáng)廢棄礦井殘余瓦斯賦存條件和運(yùn)移規(guī)律研究

廢棄礦井采空區(qū)瓦斯壓力降低導(dǎo)致殘煤中部分吸附態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)存儲(chǔ)于地下空間。由于采空區(qū)往往發(fā)育大量覆巖裂隙，加之礦井水疏排停止后水位的快速回彈，可能導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯的地表泄漏[23]。應(yīng)開展全封閉、通風(fēng)和淹井等不同狀態(tài)下廢棄礦井中瓦斯賦存運(yùn)移及氣–水–煤相互作用研究，探討減少瓦斯泄漏等次生災(zāi)害發(fā)生以及殘余瓦斯抽采利用等問題。

3.3 煤層甲烷逸散(天然露頭、采動(dòng)地裂縫)

煤層甲烷具有由深部向地表運(yùn)移的趨勢(shì)，特別是靠近天然露頭的部位，甲烷較容易向露頭或淺層煤層滲透，并通過氣體交換排入空氣中[24]。煤層露頭散逸氣體成分以CH4和CO2為主，還有少量CO和烷烴組分，屬于易燃?xì)怏w[25-26]，可引發(fā)燃燒現(xiàn)象，造成碳排放的同時(shí)可引發(fā)山林火災(zāi)等災(zāi)害[27]。采動(dòng)地裂縫是受到煤炭采動(dòng)的影響，煤層瓦斯氣體可沿圍巖和煤層形成的貫通裂隙向工作面和采動(dòng)裂隙場擴(kuò)散和流動(dòng)。目前，對(duì)于天然露頭和采動(dòng)地裂縫造成的瓦斯排放量還難以統(tǒng)計(jì)，一般使用數(shù)值模擬方法估測[28]；美國圣胡安盆地的一處天然露頭每年約排放甲烷氣體200~1 200 t[29]。

通過開展煤層甲烷逸散相關(guān)的煤地質(zhì)學(xué)研究，并采用露頭封閉和裂縫治理技術(shù)，避免煤層瓦斯通過露頭、地裂縫與大氣溝通形成散逸，從而實(shí)現(xiàn)碳減排目的。采出的瓦斯可直接用于燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電，發(fā)電產(chǎn)生的CO2可注入地下地質(zhì)封存，進(jìn)一步減少碳排放。

3.4 煤系氣

2017年底，中國煤系氣儲(chǔ)量、年產(chǎn)量分別為9.25萬億m3和902.14億m3，分別占天然氣儲(chǔ)量及產(chǎn)量的58.7%、61.5%[30]。查明煤系氣成藏特征，實(shí)現(xiàn)煤系氣兼探共采是對(duì)煤系礦產(chǎn)資源綜合利用的合理補(bǔ)充，對(duì)改善我國以煤為主的一次能源結(jié)構(gòu)有利，具有廣闊的發(fā)展前景[31]。當(dāng)前，煤地質(zhì)學(xué)界對(duì)于煤系氣的系統(tǒng)勘查和研究深度不夠，特別是針對(duì)煤層薄而多導(dǎo)致煤炭開采價(jià)值較低的煤系儲(chǔ)層關(guān)注不夠[32]。作為煤系非常規(guī)天然氣資源，如何實(shí)現(xiàn)將煤系氣作為一個(gè)整體進(jìn)行協(xié)同勘探與開發(fā)是一個(gè)亟待發(fā)展的領(lǐng)域，煤系氣共生成藏機(jī)理與合采地質(zhì)技術(shù)的探索成為研究前緣(圖2)。

1) 煤系氣資源潛力及勘探對(duì)策

應(yīng)構(gòu)建煤系氣科學(xué)合理評(píng)價(jià)體系，探討煤系烴源巖的地球化學(xué)特征、生烴演化、儲(chǔ)層物性、含氣性特征，估算不同區(qū)域煤系氣資源量，科學(xué)評(píng)價(jià)煤系氣資源潛力，圈定勘探開發(fā)有利區(qū)，為煤系氣開發(fā)提供依據(jù)。

2) 煤系氣共生成藏作用

煤系氣賦存狀態(tài)復(fù)雜，含以吸附氣為主的煤層氣、游離態(tài)為主的致密砂巖氣和混合態(tài)賦存的頁巖氣，由于氣體賦存態(tài)不同導(dǎo)致其產(chǎn)出機(jī)理和開發(fā)方式差別很大，這構(gòu)成了煤系氣共探共采技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)和難題。應(yīng)將煤系視為統(tǒng)一含氣系統(tǒng)，以煤系氣共生成藏的地質(zhì)演化為主線，探討煤系氣儲(chǔ)層控氣機(jī)理與共生成藏效應(yīng)。

圖2 煤系非常規(guī)天然氣共生成藏與合采(據(jù)李勇等[33]，修改)

3) 煤系氣開發(fā)層段優(yōu)選

煤系氣儲(chǔ)層縱向發(fā)育多種不同組合模式，構(gòu)成復(fù)合儲(chǔ)層。在充分考慮烴源巖質(zhì)量、儲(chǔ)層條件、保存條件及開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等多項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上構(gòu)建煤系氣縱向開發(fā)層段優(yōu)選技術(shù)體系，通過對(duì)關(guān)鍵層的識(shí)別劃分縱向開發(fā)單元，為煤系氣壓裂提供依據(jù)。

4) 煤系氣合采地質(zhì)技術(shù)前緣性探索

煤系氣合采產(chǎn)層能量狀態(tài)、產(chǎn)層物性之間的差異可導(dǎo)致合采產(chǎn)層的層間矛盾[34]，從而影響煤系氣兼探共采的效果[35]。應(yīng)采用數(shù)值模擬與物理模擬、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、井筒實(shí)時(shí)監(jiān)測分析等方法，分析煤系氣合采不同產(chǎn)層的貢獻(xiàn)，為煤系氣規(guī)模性開發(fā)提供重要技術(shù)支撐。

4 煤層CO2封存與碳減排

國際能源署(IEA)評(píng)估表明，為實(shí)現(xiàn)將全球氣溫上升控制在2℃以內(nèi)的共同目標(biāo)，預(yù)計(jì)到2050年，碳去除技術(shù)需至少貢獻(xiàn)14%的減排量。而CCUS技術(shù)正是當(dāng)前碳去除的主要技術(shù)之一。已有研究表明，適合CO2地質(zhì)存儲(chǔ)的地質(zhì)體主要包括枯竭油氣圈閉、深部不可采煤層、深部咸水層等其中，深部不可采煤層是指受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)約束不能開采的深部賦存煤層。如前所述，深部不可采煤層CO2地質(zhì)封存與煤層氣強(qiáng)化開發(fā)(CO2-ECBM)是極具發(fā)展前景的CCUS技術(shù)方向[36-38]。煤礦采空區(qū)CO2地質(zhì)封存研究也取得了積極進(jìn)展。

4.1 深部不可采煤層CO2-ECBM

根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)溫室氣體研究與開發(fā)計(jì)劃(IEAGHG)的研究估計(jì)，全球煤層甲烷的技術(shù)回收潛力為79萬億m3，其中50萬億m3將來自作為二次生產(chǎn)技術(shù)CO2-ECBM應(yīng)用的煤層甲烷回收，這將有助于在不可開采煤層中直接封存近4 880億t的二氧化碳[39]。國內(nèi)外已開展了多項(xiàng)CO2-ECBM先導(dǎo)性試驗(yàn)和工程示范。

1995—2001年美國在圣胡安盆地Burlington Allison試驗(yàn)區(qū)首次進(jìn)行了CO2-ECBM工程試驗(yàn)，此后在伊利諾伊盆地、阿巴拉契亞盆地、黑勇士盆地等又至少開展了7次CO2-ECBM工程試驗(yàn)。1998—2006年，加拿大在阿爾伯塔盆地至少開展了2次CO2-ECBM工程試驗(yàn)。2001—2005年歐盟在波蘭Kaniow地區(qū)啟動(dòng)RECOPOL項(xiàng)目，它是歐洲第一個(gè)在煤層中埋藏CO2和提高煤層氣采收率的先導(dǎo)性試驗(yàn)示范項(xiàng)目，依托該項(xiàng)目開展了長期持續(xù)研究工作。2004—2007年，日本在Ishikari盆地實(shí)施了CO2-ECBM先導(dǎo)性工程試驗(yàn)和配套研究工作。自2004年起，我國陸續(xù)在山西省沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣陸續(xù)開展了至少6次工程試驗(yàn)和工程示范，目前仍在進(jìn)行中，據(jù)葉建平等[40]報(bào)道，在11口井試驗(yàn)井組中，間歇式單井注入CO2速率可達(dá)15 000 m3/d，單井注入量4 862 t，平均噸煤存儲(chǔ)容量可達(dá)8 t，增產(chǎn)幅度最高可達(dá)3.8倍，預(yù)計(jì)采收率可提高35%。同時(shí)，國內(nèi)外煤地質(zhì)學(xué)家開展了大量CO2-ECBM的研究工作，在以煤層CO2可注性、封存機(jī)制與封存容量、CH4增產(chǎn)效果為核心內(nèi)涵的CO2-ECBM有效性研究方面取得了重要進(jìn)展，對(duì)CO2-ECBM的安全性和經(jīng)濟(jì)性研究也取得諸多認(rèn)識(shí)[41-46]。上述工程探索和研究工作已初步證實(shí)了CO2-ECBM技術(shù)的有效性、潛在經(jīng)濟(jì)性和安全性，呈現(xiàn)了CO2-ECBM作為CCUS技術(shù)接近商業(yè)化的前景[47-48](圖3)。

燃煤電廠或煤化工CCUS碳減排在中國意義重大且需求迫切，成為推動(dòng)加快CO2-ECBM商業(yè)化的重要?jiǎng)恿?。但要?shí)現(xiàn)商業(yè)化，仍需在以下方面進(jìn)一步強(qiáng)化研究工作：

1) 不斷破解提升CO2-ECBM有效性的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題

有效性是CO2-ECBM技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、長期性和安全性的基礎(chǔ)和前提，注入CO2與煤層中CH4的競爭吸附置換與驅(qū)替作用關(guān)系機(jī)理，深部煤層超臨界CO2可注性、封存機(jī)制與封存容量，CO2驅(qū)煤層氣儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)與滲流模型，以及壓–注–采工藝與煤層氣增產(chǎn)效果提升技術(shù)等諸多CO2-ECBM有效性問題尚待進(jìn)一步破解。

2) 探索提高CO2-ECBM經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)路徑

CO2-ECBM技術(shù)涉及的CO2捕集、運(yùn)輸、注入封存和地質(zhì)利用等多個(gè)環(huán)節(jié)，必須不斷通過上述環(huán)節(jié)中的技術(shù)創(chuàng)新來顯著降低成本，研究形成低成本CO2-ECBM的一攬子技術(shù)解決方案，提出適合CO2-ECBM實(shí)施和推廣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并在國家碳市場不斷完善的情景下，不斷提高CO2-ECBM技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性[50-53]。

3) 深化評(píng)估與監(jiān)測研究，確保深部煤層CO2封存的安全性

深部煤層封存CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)和誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是影響CO2-ECBM商業(yè)化的主要障礙[54]。應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行CO2泄漏危險(xiǎn)性以及有效封堵技術(shù)研究[55]，同時(shí)探討CO2-ECBM對(duì)地質(zhì)環(huán)境的潛在負(fù)面影響與有效控制方案[56]。

4) 煤電廠或煤化工CO2排放源與CO2-ECBM選址的匹配方案研究

開展沁水盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地、六盤水盆地(群)、三江–穆棱盆地(群)、準(zhǔn)噶爾盆地等主要聚煤盆地以煤層CO2-ECBM為重點(diǎn)的CO2封存能力評(píng)價(jià)和選址勘查研究，結(jié)合燃煤電廠或煤化工重點(diǎn)CO2工業(yè)排放源調(diào)查，科學(xué)進(jìn)行CO2源–匯匹配，提出CO2-ECBM工程建設(shè)的合理規(guī)劃和部署。

圖3 深部煤層CO2地質(zhì)存儲(chǔ)與CH4強(qiáng)化開采(CO2-ECBM)技術(shù)(據(jù)桑樹勛等[49]，修改)

4.2 采空區(qū)封存

煤礦采空區(qū)CO2封存是煤層CO2地質(zhì)封存的可能形式，煤炭高強(qiáng)度開采留下的大面積采空區(qū)被認(rèn)為具有很大的碳減排潛力。部分學(xué)者對(duì)CO2封存及防止井下采空區(qū)遺煤自燃的可行性進(jìn)行了初步研究，進(jìn)一步豐富了CO2封存理論及防止井下采空區(qū)煤自燃技術(shù)[57-58]。目前對(duì)煤礦采空區(qū)CO2封存研究尚停留在理論探討階段，在以下方面有待進(jìn)一步深化研究。

1) 煤礦采空區(qū)的封閉性的科學(xué)評(píng)估

應(yīng)建立科學(xué)的采空區(qū)封閉性評(píng)價(jià)方法體系，采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M、數(shù)值模擬與采動(dòng)裂隙監(jiān)測相結(jié)合的手段，針對(duì)典型的礦井地質(zhì)條件，深入開展采場應(yīng)力下覆巖變形規(guī)律和裂隙場發(fā)育規(guī)律研究，評(píng)估認(rèn)識(shí)不同地質(zhì)和采掘工程條件控制下的采空區(qū)封閉性及其變化。

2) 采空區(qū)注入CO2的滲流規(guī)律和CO2有效封存方式

采用煤礦采空區(qū)CO2注入的模擬實(shí)驗(yàn)，分析采空區(qū)空隙結(jié)構(gòu)和注入壓力、空隙分布和地下水等對(duì)CO2在空隙中吸附和滲流的影響，建立CO2在空隙中兩相流動(dòng)的數(shù)值模型，正確認(rèn)識(shí)CO2在地下的滲流吸附狀態(tài)[59]，為礦井采空區(qū)封存CO2提供實(shí)驗(yàn)室研究依據(jù)，并積極探討充填開發(fā)條件下采空區(qū)充填礦物固定CO2等封存新機(jī)制。

3) 煤礦采空區(qū)CO2封存的安全性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

應(yīng)進(jìn)一步研究探索完善采空區(qū)上覆巖層CO2逸散通道的封堵技術(shù)和封存期CO2逸散監(jiān)測技術(shù)[60]，分析采空區(qū)CO2封存壓力、上覆巖層厚度、巖性、裂隙特征、CO2化學(xué)腐蝕以及地質(zhì)構(gòu)造等因素和CO2逸散行為之間的關(guān)系[61]，評(píng)估CO2注入煤層可能產(chǎn)生的誘發(fā)裂縫等安全性問題的解決途徑。

5 煤層自燃控制與碳減排

煤層自燃是指地下埋藏煤層受自然或人為因素影響，因氧化聚熱引發(fā)的自然狀態(tài)煤層沿露頭或者淺部燃燒的現(xiàn)象[62]。煤層自燃可以形成大面積煤田火區(qū)，是人類面臨的重大自然災(zāi)害之一，造成高強(qiáng)度的碳排放。中國是世界上煤層自燃災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，特別是中西部地區(qū)，煤炭資源豐富，煤質(zhì)好，燃點(diǎn)低，極易發(fā)生自燃，加之氣候干旱成為煤火災(zāi)害的多發(fā)區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅、青海、陜西、山西7個(gè)省、自治區(qū)的累計(jì)已燃燒面積達(dá)720 km2，直接燒失煤炭資源儲(chǔ)量2 000萬t/a，破壞煤炭資源儲(chǔ)量2億t/a，累計(jì)燒失優(yōu)質(zhì)煤炭42.2億t[63]。煤層自燃釋放大量CO2，是重要的碳排放源，此外還有SO2、氮氧化物等有害煙氣，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害，同時(shí)還能誘發(fā)地表裂縫和地面沉陷等地質(zhì)災(zāi)害問題[64]，對(duì)礦山生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。做好煤層自燃的研究和防治工作意義重大。

目前對(duì)于煤層自燃的研究主要側(cè)重于防治技術(shù)的研究。應(yīng)通過開展煤層自燃相關(guān)的煤地質(zhì)學(xué)研究，強(qiáng)化在煤層自燃地質(zhì)條件及發(fā)生機(jī)理、碳排放量計(jì)算[65]、煤層自燃動(dòng)態(tài)監(jiān)測與環(huán)境影響評(píng)價(jià)、自燃控制與滅火方法等領(lǐng)域的探索，保護(hù)煤炭資源的同時(shí)，防止因煤層自燃向大氣中釋放CO2溫室氣體和生態(tài)環(huán)境破壞。

6 煤高效潔凈利用資源特性、精細(xì)勘查與碳減排

服務(wù)于煤炭資源高效潔凈利用的煤炭資源特性研究是煤地質(zhì)學(xué)重要且傳統(tǒng)研究領(lǐng)域，在碳中和背景下，潔凈煤地質(zhì)將煥發(fā)新的活力。煤炭高效潔凈低碳化利用涉及多個(gè)領(lǐng)域，包括煤炭開采、煤炭洗選與加工、煤炭燃燒與發(fā)電、煤的焦化氣化等傳統(tǒng)煤化工、煤制烴制氫和煤轉(zhuǎn)化等，是實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和發(fā)揮煤炭能源作為我國能源安全“壓艙石”作用的必然選擇。潔凈煤地質(zhì)可參與煤炭高效潔凈低碳化利用的全過程，并通過節(jié)能降耗和高碳能源低碳轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)碳減排。一是開展清潔煤地質(zhì)研究，重點(diǎn)探索采煤過程中煤與矸石的分離、煤中有害元素的賦存狀態(tài)與脫除利用、燃煤電廠煙氣中有害元素與有害氣體的捕集與分離和煤化工資源特性地質(zhì)保障(煤地下氣化、煤制烯烴、煤制醇等)理論技術(shù)。二是推進(jìn)煤炭精細(xì)勘查和“動(dòng)力煤”勘查為主向“化工煤”勘查為主的轉(zhuǎn)變。煤巖煤質(zhì)特征制約煤化工利用方向、內(nèi)容和工藝[66]，這就要求查明不同用途化工煤的數(shù)量及其分布、品質(zhì)和特征、地質(zhì)控制及其賦存規(guī)律等化工煤狀況，為發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)提供資源保障[67]?；っ菏前l(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，化工煤資源保障能力決定煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模和發(fā)展方向。

7 結(jié)論

a. 煤基碳減排和煤炭高效潔凈低碳化利用是2060年前我國實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，煤地質(zhì)學(xué)在服務(wù)國家碳減排戰(zhàn)略需求中具有不可替代作用。

b. 推進(jìn)清潔煤地質(zhì)研究、服務(wù)煤的高效潔凈化燃燒，勘探開發(fā)煤系天然氣低碳燃料、優(yōu)化一次能源結(jié)構(gòu)和化石能源結(jié)構(gòu)，開展化工煤資源勘查和開發(fā)地質(zhì)保障研究、推動(dòng)煤炭的低碳能源轉(zhuǎn)化和新型煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，深化瓦斯地質(zhì)研究、提高煤礦瓦斯(井下)抽采率、控制煤礦瓦斯的大氣排放和泄漏，研究煤層甲烷天然逸散和煤層自燃排放、控制煤層露頭的天然排放，發(fā)展煤層CO2地質(zhì)封存與煤層氣強(qiáng)化開發(fā)(CO2-ECBM)技術(shù)、推動(dòng)CCUS技術(shù)發(fā)展及其在火力電廠煙氣碳減排中的商業(yè)化應(yīng)用，研究煤炭勘查企業(yè)的碳足跡、實(shí)現(xiàn)企業(yè)凈零排放，是與煤地質(zhì)學(xué)緊密相關(guān)的碳減排技術(shù)路徑。

c. 煤層甲烷與煤系氣高效勘探開發(fā)、深部煤層CO2-ECBM、煤層露頭氣體逸散與自燃發(fā)火控制、潔凈煤地質(zhì)與煤炭精細(xì)勘查對(duì)煤基碳減排意義重大，是碳中和背景下煤地質(zhì)學(xué)優(yōu)先發(fā)展的重要領(lǐng)域。

[1] BAMMINGER C，POLL C，MARHAN S. Offsetting global warming-induced elevated greenhouse gas emissions from an arable soil by biochar application[J]. Global Change Biology，2018，24(1)：318–334.

[2] BONGAARTS J. Intergovernmental panel on climate change special report on global warming of 1.5℃ Switzerland：IPCC，2018[J]. Population and Development Review，2019，45(1)：251–252.

[3] 鄧明君，羅文兵，尹立娟. 國外碳中和理論研究與實(shí)踐發(fā)展述評(píng)[J]. 資源科學(xué)，2013，35(5)：1084–1094. DENG Mingjun，LUO Wenbing，YIN Lijuan. A systematic review of international theory，research and practice on carbon neutrality[J]. Resources Science，2013，35(5)：1084–1094.

[4] VOLKART K，WEIDMANN N，BAUER C，et al. Multi-criteria decision analysis of energy system transformation pathways：A case study for Switzerland[J]. Energy Policy，2017，106：155–168.

[5] PURSIHEIMO E，HOLTTINEN H，KOLJONEN T. Path toward 100% renewable energy future and feasibility of power-to-gas technology in Nordic countries[J]. Institution of Engineering and Technology，2017，11：1695–1706.

[6] CONNOLLY D，LUND H，MATHIESEN B V. Smart energy Europe：The technical and economic impact of one potential 100% renewable energy scenario for the European union[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016，60：1634–1653.

[7] VAILLANCOURT K，BAHN O，F(xiàn)RENETTE E，et al. Exploring deep decarbonization pathways to 2050 for Canada using an optimization energy model framework[J]. Applied Energy，2017，195：774–785.

[8] FREW B A，BECKER S，DVORAK M J，et al. Flexibility mechanisms and pathways to a highly renewable US electricity future[J]. Energy，2016，101：65–78.

[9] SHAO Shuai，LIU Jianghua，GENG Yong，et al. Uncovering driving factors of carbon emissions from China’s mining sector[J]. Applied Energy，2016，166：220–238.

[10] ZHANG Yuejun，DA Yabin. The decomposition of energy-related carbon emission and its decoupling with economic growth in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，41：1255–1266.

[11] 王允誠. 儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1999． WANG Yuncheng. Reservoir Geology[M]. Beijing：Geological Publishing House，1999.

[12] MOORE T A. Coalbed methane：A review[J]. International Journal of Coal Geology，2012，101：36–81．

[13] 庚勐，陳浩，陳艷鵬，等. 第4輪全國煤層氣資源評(píng)價(jià)方法及結(jié)果[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46(6)：64–68. GENG Meng，CHEN Hao，CHEN Yanpeng，et al. Methods and results of the fourth round national CBM resources evaluation[J]. Coal Science and Technology，2018，46(6)：64–68.

[14] 張道勇，朱杰，趙先良，等. 全國煤層氣資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與可利用性分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2018，43(6)：1598–1604． ZHANG Daoyong，ZHU Jie，ZHAO Xianliang，et al. Dynamic assessment of coalbed methane resources and availability in China[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(6)：1598–1604.

[15] TAO Shu，CHEN Shida，PAN Zhejun. Current status，challenges，and policy suggestions for coalbed methane industry development in China：A review[J]. Energy Science and Engineering，2019，7(4)：1059–1074.

[16] 桑樹勛，周效志，劉世奇，等. 應(yīng)力釋放構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2020，45(7)：2531–2543. SANG Shuxun，ZHOU Xiaozhi，LIU Shiqi，et al. Research advances in theory and technology of the stress release applied extraction of coalbed methane from tectonically deformed coals[J]. Journal of China Coal Society，2020，45(7)：2531–2543.

[17] 李辛子，王運(yùn)海，姜昭琛，等. 深部煤層氣勘探開發(fā)進(jìn)展與研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(1)：24–31. LI Xinzi，WANG Yunhai，JIANG Zhaochen，et al. Progress and study on exploration and production for deep coalbed methane[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(1)：24–31.

[18] SU Shi，HAN Jiaye，WU Jinyan，et al. Fugitive coal mine methane emissions at five mining areas in China[J]. Atmospheric Environment，2011，45(13)：2220–2232.

[19] LI Wei，YOUNGER P L，CHENG Yuanping，et al. Addressing the CO2emissions of the world’s largest coal producer and consumer：Lessons from the Haishiwan coalfield，China[J]. Energy，2015，80：400–413.

[20] CHEN G Q，ZHANG Bo. Greenhouse gas emissions in China 2007：Inventory and input-output analysis[J]. Energy Policy，2010，38(10)：6180–6193.

[21] JU Yiwen，SUN Yue，SA Zhanyou，et al. A new approach to estimate fugitive methane emissions from coal mining in China[J]. Science of the Total Environment，2016，543(Part A)：514–523.

[22] 李增學(xué). 瓦斯地質(zhì)學(xué)[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2009：44–47. LI Zengliang. Gas geology[M]. Beijing：China Coal Industry Publishing House，2009：44–47.

[23] FENG Qiyan，LI Ting，QIAN Bin，et al. Erratum to：Chemical characteristics and utilization of coal mine drainage in China[J]. Mine Water and the Environment，2014，33(3)：287–288．

[24] ZHU Chuanjie，LIN Baiquan. Effect of igneous intrusions and normal faults on coalbed methane storage and migration in coal seams near the outcrop[J]. Natural Hazards，2015，77(1)：17–38.

[25] 蔣春林，楊勝強(qiáng)，宋萬新，等. 煤氧化過程中指標(biāo)性氣體的確定[J]. 煤礦安全，2012，43(10)：185–187. JIANG Chunlin，YANG Shengqiang，SONG Wanxin，et al. Determination of index gas in coal oxidation process[J]. Safety in Coal Mines，2012，43(10)：185–187.

[26] 朱令起，周心權(quán)，朱迎春. 東歡坨煤礦自然發(fā)火標(biāo)志氣體的優(yōu)化選擇[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(2)：288–292. ZHU Lingqi，ZHOU Xinquan，ZHU Yingchun. Optimal selection for indicator gas of spontaneous combustion of Donghuantuo coal mine[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2008，28(2)：288–292.

[27] 王文才，張培，任春雨，等. 煤田露頭火區(qū)標(biāo)志性氣體確定的試驗(yàn)研究及應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44(3)：55–59. WANG Wencai，ZHANG Pei，REN Chunyu，et al. Experiment study and application of indicated gas determination to fire area in outcrop of coalfield[J]. Coal Science and Technology，2016，44(3)：55–59.

[28] 韓佩博. 三維采動(dòng)應(yīng)力條件下煤層覆巖及底板裂隙場演化規(guī)律與瓦斯運(yùn)移特征研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2015. HAN Peibo. Fracture evolution law and gas migration characteristic of overburden and underlying strata in three dimensional mining-induced stress conditions[D]. Chongqing：Chongqing University，2015.

[29] SMITH M L，GVAKHARIA A，KORT E A，et al. Airborne quantification of methane emissions over the four corners region[J]. Environ. Science Technology，2017，51(10)：5832–5837.

[30] 戴金星. 煤成氣及鑒別理論研究進(jìn)展[J]. 科學(xué)通報(bào)，2018，63(14)：1291–1305. DAI Jinxing. Coal-derived gas theory and its discrimination[J]. Chinese Science Bulletin，2018，63(14)：1291–1305.

[31] 梁冰，石迎爽，孫維吉，等. 中國煤系“三氣”成藏特征及共采可能性[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(1)：167–173. LIANG Bing，SHI Yingshuang，SUN Weiji，et al. Reservoir forming characteristics of “The Three Gases”in coal measure and the possibility of commingling in China[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(1)：167–173.

[32] 秦勇，申建，沈玉林，等. 蘇拉特盆地煤系氣高產(chǎn)地質(zhì)原因及啟示[J]. 石油學(xué)報(bào)，2019，40(10)：1147–1157. QIN Yong，SHEN Jian，SHEN Yulin，et al. Geological causes and inspirations for high production of coal measure gas in Surat Basin[J]. Acta Petrolei Sinica，2019，40(10)：1147–1157.

[33] 李勇，王延斌，孟尚志，等. 煤系非常規(guī)天然氣合采地質(zhì)基礎(chǔ)理論進(jìn)展及展望[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2020，45(4)：1406–1418． LI Yong，WANG Yanbin，MENG Shangzhi，et al. Theoretical basis and prospect of coal measure unconventional natural gas co-production[J]. Journal of China Coal Society，2020，45(4)：1406–1418．

[34] 秦勇，吳建光，申建，等. 煤系氣合采地質(zhì)技術(shù)前緣性探索[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2018，43(6)：1504–1516. QIN Yong，WU Jianguang，SHEN Jian，et al. Frontier research of geological technology for coal measure gas joint-mining[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(6)：1504–1516.

[35] 秦勇，申建，沈玉林. 疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性：煤系“三氣”及深部煤層氣開采中的共性地質(zhì)問題[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(1)：14–23. QIN Yong，SHEN Jian，SHEN Yulin. Joint mining compatibility of superposed gas-bearing systems：A general geological problem for extraction of three natural gases and deep CBM in coal series[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(1)：14–23.

[36] BUSCH A，GENSTERBLUM Y. CBM and CO2-ECBM related sorption processes in coal：A review[J]. International Journal of Coal Geology，2011，87(2)：49–71.

[37] RODRIGUES C F A，DINIS M A P，SOUSA M J L. Review of European energy policies regarding the recent“carbon capture, utilization and storage”technologies scenario and the role of coal seams[J]. Environmental Earth Sciences，2015，74(3)：2553–2561.

[38] DIAMANTE J A R，TAN R R，F(xiàn)OO D C Y，et al. Unified pinch approach for targeting of carbon capture and storage(CCS) systems with multiple time periods and regions[J]. Journal of Cleaner Production，2014，71：67–74.

[39] GODEC M，KOPERNA G，GALE J. CO2-ECBM：A review of its status and global potential[J]. Energy Procedia，2014，63：5858–5869.

[40] 葉建平，張兵，韓學(xué)婷，等. 深煤層井組CO2注入提高采收率關(guān)鍵參數(shù)模擬和試驗(yàn)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(1)：149–155. YE Jianping，ZHANG Bing，HAN Xueting，et al. Well group carbon dioxide injection for enhanced coalbed methane recovery and key parameter of the numerical simulation and application in deep coalbed methane[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(1)：149–155.

[41] PAN Zhejun，YE Jianping，ZHOU Fubao，et al. CO2storage in coal to enhance coalbed methane recovery：A review of field experiments in China[J]. International Geology Review，2018，60(5/6)：754–776.

[42] HU Haixiang，LI Xiaochun，F(xiàn)ANG Zhiming，et al. Small- molecule gas sorption and diffusion in coal：Molecular simulation[J]. Energy，2010，35(7)：2939–2944.

[43] LUO Cuijuan，ZHANG Dengfeng，LUN Zengmin，et al. Displacement behaviors of adsorbed coalbed methane on coals by injection of SO2/CO2binary mixture[J]. Fuel，2019，247：356–367.

[44] ZHANG Yihuai，LEBEDEV M，YU Hongyan，et al. Experimental study of supercritical CO2injected into water saturated medium rank coal by X-ray micro CT[J]. Energy Procedia，2018，154：131–138.

[45] ZHANG Dengfeng，LI Chao，ZHANG Jin，et al. Influences of dynamic entrainer-blended supercritical CO2fluid exposure on high-pressure methane adsorption on coals[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2019，66：180–191.

[46] LIU Zhengdong，CHENG Yuanping，WANG Yongkang，et al. Experimental investigation of CO2injection into coal seam reservoir at in-situ stress conditions for enhanced coalbed methane recovery[J]. Fuel，2019，236：709–716.

[47] 桑樹勛. 二氧化碳地質(zhì)存儲(chǔ)與煤層氣強(qiáng)化開發(fā)有效性研究述評(píng)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2018，46(5)：1–9. SANG Shuxun. Research review on technical effectiveness of CO2geological storage and enhanced coalbed methane recovery[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(5)：1–9.

[48] 桑樹勛，劉士奇，王文峰，等. 深部煤層CO2地質(zhì)存儲(chǔ)與煤層氣強(qiáng)化開發(fā)有效性理論及評(píng)價(jià)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2020. SANG Shuxun，LIU Shiqi，WANG Wenfeng，et al. Theory and evaluation of the effectiveness of deep coalbed CO2geological storage and enhanced coalbed methane development[M]. Beijing：Science Press，2020.

[49] 桑樹勛，劉世奇，王文峰，等. 深部煤層CO2地質(zhì)存儲(chǔ)與煤層氣強(qiáng)化開發(fā)有效性理論及評(píng)價(jià)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2020. SANG Shuxun，LIU Shiqi，WANG Wenfeng，et al. Theory and evaluation of the effectiveness of deep coalbed CO2geological storage and enhanced coalbed methane development[M]. Beijing：Science Press，2020.

[50] MARKEWITZ P，KUCKSHINRICHS W，LEITNER W，et al. Worldwide innovations in the development of carbon capture technologies and the utilization of CO2[J]. Energy & Environmental Science，2012，5：7281–7305.

[51] AYDIN G，KARAKURT I，AYDINER K. Evaluation of geologic storage options of CO2：Applicability，cost，storage capacity and safety[J]. Energy Policy，2010，38(9)：5072–5080.

[52] WEI Ning，LI Xiaochun，F(xiàn)ANG Zhiming，et al. Regional resource distribution of onshore carbon geological utilization in China[J]. Journal of CO2Utilization，2015，11：20–30.

[53] SUN L，DOU H，LI Z，et al. Assessment of CO2storage potential and carbon capture，utilization and storage prospect in China[J]. Journal of Energy Institute，2017：1–8.

[54] ZHANG Zhihua，HUISINGH D. Carbon dioxide storage schemes：Technology，assessment and deployment[J]. Journal of Cleaner Production，2017，142(Part 2)：1055–1064.

[55] CARROll S A，IYER J，WALSH S D C. Influence of chemical，mechanical，and transport processes on wellbore leakage from geologic CO2storage reservoirs[J]. Accounts of Chemical Research，2017，50(8)：1829–1837.

[56] WHITE C M，SMITH D H，JONES K L，et al. Sequestration of carbon dioxide in coal with enhanced coalbed methane recovery：A review[J]. Energy & Fuels，2005，19(3)：559–724.

[57] 陳銘. 采空區(qū)煤巖對(duì)CO2的吸附特性實(shí)驗(yàn)研究[D]. 阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2009. CHEN Ming. Coal and rock in the mined-out area on the experimental study of CO2adsorption[D]. Fuxin：Liaoning Technical University，2009.

[58] 高飛，鄧存寶，王雪峰，等. 采空區(qū)煤層封存CO2影響因素分析[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2017，11(8)：4653–4659. GAO Fei，DENG Cunbao，WANG Xuefeng，et al. Analysis on factors affecting sequestration of CO2in coal seam[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2017，11(8)：4653–4659.

[59] 黃定國，楊小林，余永強(qiáng)，等. CO2地質(zhì)封存技術(shù)進(jìn)展與廢棄礦井采空區(qū)封存CO2[J]. 潔凈煤技術(shù)，2011，17(5)：93–96. HUANG Dingguo，YANG Xiaolin，YU Yongqiang，et al. Technical progress of CO2geological sequestration and CO2sequestration by antiquated mine goaf[J].Clean Coal Technology，2011，17(5)：93–96.

[60] 吾爾娜，吳昌志，季峻峰，等.松遼盆地徐家圍子斷陷玄武巖氣藏儲(chǔ)層的CO2封存潛力研究[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012，18(2)：239–247.WU Erna，WU Changzhi，JI Junfeng，et al. Potential capacity and feasibility of CO2sequestration in petroleum reservoirs of basaltic rocks：Example from basaltic hydrocarbon reservoir in the Xujiaweizi fault depression the Songliao basin，east China[J]. Geological Journal of China Universities， 2012，18(2)：239–247.

[61] 黃定國，侯興武，吳玉敏. 煤礦廢棄礦井采空區(qū)封存CO2的機(jī)理分析和能力評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境工程，2014，32(增刊1)：1076–1080. HUANG Dingguo，HOU Xingwu，WU Yumin. The mechanism and capacity evaluation on CO2sequestration in antiquated coal mine gob[J]. Environmental Engineering，2014，32(Sup. 1)：1076–1080.

[62] STRACHER G B，TAYLOR T P. Coal fires burning out of control around the world：Thermodynamic recipe for environmental catastrophe[J]. International Journal of Coal Geology，2004，59(1/2)：7–17．

[63] 張建民，管海晏，曹代勇，等. 中國地下煤火研究與治理[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2008． ZHANG Jianmin，GUAN Haiyan，CAO Daiyong，et al. Underground coal fires in China：Origin，detection，fire-fighting，and prevention[M]. Beijing：China Coal Industry Publishing House，2008.

[64] JIANG Liming，LIN Hui，MA Jianwei，et al. Potential of small-baseline SAR interferometry for monitoring land subsidence related to underground coal fires：Wuda(northern China) case study[J]. Remote Sensing of Environment，2011，115(2)：257–268.

[65] DIJK P V，ZHANG Jianzhong，WANG Jun，et al. Assessment of the contribution of in-situ combustion of coal to greenhouse gas emission；based on a comparison of Chinese mining information to previous remote sensing estimates[J]. International Journal of Coal Geology，2011，86(1)：108–119.

[66] 賀永德. 現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011. HE Yongde. Modern coal chemical technology manual[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2011.

[67] 黃華州，桑樹勛，易同生，等. 貴州盤北—水城礦區(qū)化工煤資源地質(zhì)評(píng)價(jià)[J]. 中國煤田地質(zhì)，2007，19(2)：23–26. HUANG Huazhou，SANG Shuxun，YI Tongsheng，et al. The geological evaluation of coal industry resources in Panbei-Shuicheng mining area，Guizhou[J]. Coal Geology of China，2007，19(2)：23–26.

Review on carbon neutralization associated with coal geology

SANG Shuxun1,2,3, WANG Ran2,3, ZHOU Xiaozhi2,3, HUANG Huazhou2,3, LIU Shiqi1, HAN Sijie1

(1. Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. School of Resource and Earth Sciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3. Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process of the Ministry of Education, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Coal-based carbon emissions constitute the largest part of China’s total carbon emissions. Reducing coal-based carbon emissions and realizing the efficient, clean and low-carbon utilization of coal arethe important ways to achieve the goal of “carbon neutralization”. This paper systematically reviews the research fields of coal geology related to carbon neutralization, analyzes the role and application prospects of coal geology in carbon neutrality research and engineering practice, and discusses the development direction of coal geology in the context of carbon neutralization. The following understandings are obtained. Promoting clean coal geology research to advance the efficient and clean combustion of coal. Exploring and developing low-carbon natural gas to optimize primary energy structure and fossil energy structure. Carrying out chemical coal resource exploration and developing geological support research to speed up coal Low-carbon energy conversion and the development of new coal chemical industry. Through further gas geological research and increasethe rate of coal mine gas(underground) extraction so as to suppress coal mine gas emissions and leakage. Studing further on coalbed methane natural emission and coal seam spontaneous combustion emissions to control coal seam outcrops natural emissions. By developing coal-bed CO2geological storage and CO2enhanced coalbed methane(CO2-ECBM) technology tofacilitate carbon capturing, utilization and storage(CCUS) technology and its commercial application in the emission reduction of flue gas from thermal power plants. Moreover, study the carbon footprint of coal exploration companies to boost net zero emission of them. All the above are carbon emission reduction technology paths closely related to coal geology, among which, high-efficiency exploration and development of coalbed methane and coal-measure gas, deep coal seam CO2-ECBM, coal seam outcrop gas escape and spontaneous combustion control, clean coal geology and coal fine exploration are important areas should be given first priority in coal geology research under the background of carbon neutralization.

coal geology; carbon emission reduction; coalbed methane utilization; CO2geological storage in coal seams; coal spontaneous combustion; efficient and clean utilization of coal

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語音講解

P618

A

1001-1986(2021)01-0001-11

2020-12-09；

2021-01-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42030810，41727801)

桑樹勛，1967年生，男，河北唐山人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事煤地質(zhì)與煤系非常規(guī)油氣勘探開發(fā)、二氧化碳地質(zhì)封存相關(guān)研究工作. E-mail：shxsang@cumt.edu.cn

桑樹勛，王冉，周效志，等. 論煤地質(zhì)學(xué)與碳中和[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：1–11. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.001

SANG Shuxun，WANG Ran，ZHOU Xiaozhi，et al. Review on carbon neutralization associated with coal geology[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：1–11. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.001

(責(zé)任編輯 范章群)