桑樹勛，袁 亮，劉世奇，韓思杰，鄭司建，劉 統(tǒng)，周效志，王 冉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 碳中和研究院，江蘇 徐州 221008；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 低碳能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；5.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

碳中和既是一次深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革，也是科學(xué)技術(shù)與社會(huì)科學(xué)交叉融通的新知識(shí)體系。碳中和因應(yīng)對(duì)地球溫室效應(yīng)和全球氣候變化應(yīng)運(yùn)而生，目的是實(shí)現(xiàn)氣候中和性和解決地球環(huán)境系統(tǒng)宜居性問題，地球環(huán)境系統(tǒng)是當(dāng)前地球科學(xué)關(guān)注焦點(diǎn)之一，所以，碳中和與地球科學(xué)的緊密聯(lián)系與生俱來。全球碳排放主要源于化石能源活動(dòng)，化石能源是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，化石能源的勘探、開發(fā)、利用也都與地球科學(xué)息息相關(guān)。實(shí)現(xiàn)碳中和的根本路徑是減排增匯，基本技術(shù)路徑有零碳、低碳、去碳、碳補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，不論是當(dāng)前零碳的新能源和儲(chǔ)能，低碳的節(jié)能提效、新工藝和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，去碳的碳捕集利用封存(Carbon Capture,Utilization and Storage，CCUS)和生態(tài)碳匯，還是未來可期的太陽輻射地球工程(Solar Geoengineering)，地學(xué)技術(shù)都不可或缺，特別是對(duì)于CCUS、生態(tài)碳匯、太陽輻射地球工程等更是需要地學(xué)技術(shù)發(fā)揮主導(dǎo)作用。

中國(guó)CO排放近80%源于煤炭能源的消費(fèi)使用，煤炭行業(yè)高質(zhì)量低碳化發(fā)展是中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。從嚴(yán)控煤炭能源消費(fèi)增長(zhǎng)到逐漸降低煤炭能源消費(fèi)量的同時(shí)，開展煤炭低碳潔凈高效利用是實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量低碳化發(fā)展的必由之路，也是實(shí)現(xiàn)能源安全“兜底保障”和碳中和雙重目標(biāo)的必然選擇。這里，煤炭低碳潔凈高效利用涵蓋了煤炭生產(chǎn)、燃燒、轉(zhuǎn)化、化工和材料利用全生命周期碳排放與減排，不僅決定著CO排放量，也控制著CH溫室氣體大氣排放量。地質(zhì)技術(shù)是煤炭低碳潔凈高效利用技術(shù)體系的重要組成部分，既有傳統(tǒng)地質(zhì)技術(shù)的升級(jí)換代，例如，煤炭智能開采節(jié)能提效地質(zhì)保障、煤層甲烷高效抽采減排與利用、煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與碳增匯、煤炭潔凈利用及減排資源特性等，也有與燃煤電廠、煤化工基地去碳減排匹配的CCUS、礦化固碳等全新地質(zhì)技術(shù)。地質(zhì)技術(shù)對(duì)于煤炭能源的低碳化開發(fā)利用至關(guān)重要，也有望成為碳中和科學(xué)技術(shù)體系的關(guān)鍵內(nèi)涵。

筆者旨在探索開拓碳中和地質(zhì)技術(shù)新領(lǐng)域，嘗試搭建碳中和地質(zhì)技術(shù)知識(shí)體系框架，初步闡釋碳中和地質(zhì)技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)涵，討論和展望碳中和地質(zhì)技術(shù)在煤炭行業(yè)低碳化發(fā)展中的應(yīng)用和作用。以期推動(dòng)碳中和地質(zhì)技術(shù)發(fā)展和煤炭能源的低碳清潔高效利用。

1 碳中和地質(zhì)技術(shù)

1.1 地球科學(xué)與碳中和

碳中和知識(shí)體系可以表述為碳中和科學(xué)與工程，具有典型的交叉學(xué)科特征，幾乎涉及現(xiàn)有的所有學(xué)科，特別與地球科學(xué)(狹義)、環(huán)境科學(xué)與工程、地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)、化學(xué)工程與技術(shù)、動(dòng)力工程與工程熱物理、林業(yè)工程、農(nóng)業(yè)工程、冶金工程、建筑學(xué)、交通運(yùn)輸工程、安全科學(xué)與工程、礦業(yè)工程、電氣工程、管理科學(xué)與工程等學(xué)科關(guān)系更為密切。這里，地球科學(xué)(狹義)涵蓋地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、地球物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，地球(系統(tǒng))科學(xué)構(gòu)成了碳中和知識(shí)體系的重要基礎(chǔ)和基本背景。上述所涉學(xué)科交叉形成了CCUS或CCS(Carbon Capture and Storage，碳捕集與封存)、地質(zhì)碳匯、生態(tài)碳匯、土地利用與碳減排、新能源與儲(chǔ)能、節(jié)能降碳、新工藝降碳、循環(huán)經(jīng)濟(jì)降碳、電氣化降碳、綠色建筑、綠色出行、碳管理與碳金融等碳中和重要研究領(lǐng)域(圖1)。

碳中和的目的是氣候中和與應(yīng)對(duì)全球氣候變化，在IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì))術(shù)語體系中碳中和與凈零碳排放含義相當(dāng)，并向凈零排放延伸，其本質(zhì)內(nèi)涵是碳減排與碳增匯。實(shí)現(xiàn)碳減排與碳增匯的基本技術(shù)路徑有零碳路徑、低碳路徑、去碳路徑和碳補(bǔ)償路徑。圖1中碳中和重要研究領(lǐng)域可分別歸并到4個(gè)基本技術(shù)路徑中。每一個(gè)基本技術(shù)路徑都與地球科學(xué)(廣義)緊密相關(guān)。地球科學(xué)(廣義)包括前述地球科學(xué)(狹義)和地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、環(huán)境科學(xué)與工程、測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)等。如圖2所示，零碳路徑需要新能源開發(fā)地質(zhì)工程保障、關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)保障和地?zé)岣咝Э辈殚_發(fā)技術(shù)等；低碳路徑需要礦產(chǎn)資源智能化開發(fā)地質(zhì)保障、化石能源低碳利用地質(zhì)技術(shù)、城市礦山地質(zhì)技術(shù)等；去碳路徑需要地質(zhì)封存、CCUS源匯匹配、能源系統(tǒng)協(xié)同、礦化固碳、土壤固碳、海洋碳匯、陸地生態(tài)修復(fù)重構(gòu)增匯等技術(shù)；碳補(bǔ)償路徑需要碳足跡示蹤核算、溫室氣體天空地監(jiān)測(cè)等技術(shù)。這些技術(shù)與地球科學(xué)(廣義)的相關(guān)學(xué)科具有直接相關(guān)性。

圖1 碳中和交叉學(xué)科及其知識(shí)體系Fig.1 Carbon neutrality crosses disciplines and its knowledge system

圖2 碳中和與地球科學(xué)的關(guān)系Fig.2 Relationship between carbon neutrality and earth science

1.2 碳中和地質(zhì)技術(shù)內(nèi)涵

碳中和地質(zhì)技術(shù)是指以實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和為目標(biāo)，以地球科學(xué)的理論、方法、手段為關(guān)鍵基礎(chǔ)，以碳減排增匯為核心工作內(nèi)容，發(fā)展和創(chuàng)新形成的技術(shù)科學(xué)、技術(shù)設(shè)計(jì)、技術(shù)工藝、技術(shù)材料裝備及其工程應(yīng)用模式等(圖2)。是碳中和知識(shí)體系或碳中和科學(xué)與工程交叉學(xué)科的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。

基于碳中和與地球科學(xué)關(guān)系的分析，碳中和地質(zhì)技術(shù)包括但不限于：以CO地質(zhì)封存為核心的二氧化碳捕集利用與封存技術(shù)，以生態(tài)地質(zhì)修復(fù)重構(gòu)為核心的生態(tài)碳匯和增匯技術(shù)，以煤層氣/煤礦瓦斯高效抽采和低濃度瓦斯利用為核心的煤層中甲烷減排與資源化開發(fā)利用技術(shù)，以潔凈煤地質(zhì)、原料煤資源勘查、新型地下煤氣化、礦井(井工或露天)或油氣井溫室氣體逸散逸失控制為核心的化石能源低碳化開發(fā)利用地質(zhì)技術(shù)，以增強(qiáng)型地?zé)峥辈殚_發(fā)、CO地質(zhì)封存與增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電為核心的地?zé)豳Y源高效勘查與開發(fā)技術(shù)，以新能源材料地質(zhì)保障、核能燃料地質(zhì)保障、新能源開發(fā)地質(zhì)工程保障為核心的新能源高效安全開發(fā)利用地質(zhì)保障技術(shù)，以礦山固廢礦化固碳、鋼渣礦化固碳為核心的礦化固碳地質(zhì)技術(shù)，和以太陽輻射管理工程為核心的地球工程(圖2)。

1.3 關(guān)鍵碳中和地質(zhì)技術(shù)進(jìn)展

1.3.1 CCUS技術(shù)

CCUS技術(shù)在國(guó)外被視為實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底技術(shù)，在我國(guó)具有更緊迫的需求，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)化石能源低碳化利用關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)鍵，是燃煤電廠、鋼鐵廠、水泥廠等主要CO排放源實(shí)現(xiàn)大幅度減排的可行技術(shù)選擇。CO地質(zhì)碳匯與地質(zhì)封存是CCUS技術(shù)的核心組成部分，為大規(guī)模CO捕集提供了必要性，決定了CCUS技術(shù)的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展方向。按照CO地質(zhì)利用與地質(zhì)封存方式及其地質(zhì)宿體的不同，可分為CO驅(qū)油封存(COEnhanced Oil Recovery，CO-EOR)，CO驅(qū)替煤層氣封存(COEnhanced Coalbed Methane Recovery，CO-ECBM)、CO驅(qū)替天然氣封存(COEnhanced Natural Gas Recovery，CO-ENGR)、CO驅(qū)替頁巖氣封存(COEnhanced Shale Gas Recovery，CO-ESGR)、CO咸水層封存與采水(COEnhanced Saline Water Recovery，CO-ESWR)、CO枯竭油氣藏封存(COStoage in Depleted Reservoir，CO-SDR)、CO封存與增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電(CO-based Enhanced Geothermal Power，CO-EGP)、CO封存與鈾礦地浸開采(CO-based In-situ Leaching of Uranium，CO-ILU)等。據(jù)中國(guó)CCUS年度報(bào)告(2021)，全球陸上理論CO封存容量為6萬億～42萬億t，海底理論封存容量為2萬億～13萬億t；中國(guó)CO地質(zhì)封存潛力為1.21萬億～4.13萬億t，其中通過CO-EOR技術(shù)可封存CO約51億t，利用枯竭氣藏可封存153億t，深部咸水層封存潛力巨大，其封存容量約為24 200億t?！禝PCC全球升溫1.5 ℃特別報(bào)告》中指出，2030年不同路徑CCUS的全球碳減排量為1億～4億t/a，2050年達(dá)到30億～68億t/a。

據(jù)全球碳捕集與封存研究院(The Global CCS Institute，GCCSI)統(tǒng)計(jì)，目前世界上部署的CCUS項(xiàng)目超過400個(gè)(涵蓋在運(yùn)行、在建和規(guī)劃的)，年CO捕集量在40萬t以上的大規(guī)模綜合性項(xiàng)目有43個(gè)，主要集中在北美和歐洲地區(qū)，其次是中國(guó)和澳大利亞。目前中國(guó)已投運(yùn)或建設(shè)中的CCUS示范項(xiàng)目約為40個(gè)，相關(guān)項(xiàng)目涵蓋了CO-EOR，CO-ESWR，CO-ECBM等多種關(guān)鍵技術(shù)。其中，CO-EOR技術(shù)因其CO封存規(guī)模大并具有提高原油采收率的良好經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償效應(yīng)，在各類CCUS技術(shù)中脫穎而出，已經(jīng)接近達(dá)到商業(yè)應(yīng)用階段，如我國(guó)首個(gè)百萬噸級(jí)CCUS項(xiàng)目(齊魯石化捕集CO源-勝利油田EOR)，有望建成為國(guó)內(nèi)最大CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉痘?。CO-ECBM與CO-ESWR技術(shù)等仍處于先導(dǎo)試驗(yàn)階段，而CO-ENGR，CO-ESGR尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。低能耗、低成本、大規(guī)模低濃度CO捕集技術(shù)和CCUS集群化部署及封存技術(shù)是亟待突破重要方向。

1.3.2 化石能源開發(fā)甲烷減排技術(shù)

甲烷作為第2重要的溫室氣體，其20 a水平(短周期)和100 a水平(長(zhǎng)周期)的全球增溫潛勢(shì)分別是等體積CO的84倍和28倍。2020年甲烷占全球溫室氣體排放量的14%，其中超過總排放量54%的甲烷來自與人類相關(guān)的能源活動(dòng)，而其中煤炭和油氣行業(yè)則是甲烷的最大排放源之一。油氣行業(yè)排放甲烷的主要來源是未利用油田天然氣的直接排放，常用減排措施是采取油田氣回注地下或點(diǎn)燃火炬的辦法。而針對(duì)天然氣供應(yīng)鏈中無組織的甲烷泄漏，可利用現(xiàn)代信息化泄漏檢測(cè)與修復(fù)(Leakage Detection and Repair，LDAR)技術(shù)進(jìn)行甲烷排放治理。煤礦生產(chǎn)甲烷排放及采空區(qū)甲烷逸散是煤礦甲烷最主要的排放來源，煤層氣開發(fā)和煤礦瓦斯抽采利用是目前控制煤炭開采甲烷大氣排放的主要技術(shù)途徑，其中煤礦瓦斯抽采利用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，以及風(fēng)排低濃度瓦斯利用和廢棄礦井瓦斯抽采利用等。煤層中甲烷能源氣體開發(fā)、災(zāi)害氣體防治與溫室氣體減排的協(xié)同技術(shù)成為未來重要研究方向。

1.3.3 關(guān)鍵金屬地質(zhì)保障技術(shù)

關(guān)鍵金屬(Critical Metals)或關(guān)鍵礦產(chǎn)資源(Critical Minerals)是指當(dāng)今社會(huì)必需的安全供應(yīng)存在高風(fēng)險(xiǎn)的一類金屬元素及其礦床的總稱，主要包括稀土、稀有、稀散和稀貴金屬。歐盟列出了14種元素和礦產(chǎn)，美國(guó)列出了35種元素和礦產(chǎn)。關(guān)鍵金屬在高科技、軍事、核工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域用途廣泛，也是光伏、風(fēng)電等新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要原材料，是碳中和零碳路徑的物質(zhì)基礎(chǔ)。聚焦關(guān)鍵金屬成礦作用、成礦規(guī)律和找礦勘查等方面的關(guān)鍵科學(xué)問題，開展理論及技術(shù)方法創(chuàng)新，是我國(guó)關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)資源安全的重要保障。關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)以“稀”“伴”“細(xì)”為主要特征，創(chuàng)新成礦理論和勘查評(píng)價(jià)技術(shù)方法的同時(shí)，必須突破采、選、冶技術(shù)和深加工技術(shù)瓶頸。我國(guó)在部分省份已初步摸清了關(guān)鍵礦產(chǎn)的資源家底，實(shí)現(xiàn)了硬巖型鋰礦等部分礦種的找礦突破，同時(shí)在應(yīng)用遙感技術(shù)、新一代分析測(cè)試技術(shù)、綠色勘探技術(shù)等方面取得了一批新進(jìn)展。今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)關(guān)鍵金屬勘查開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域的主攻方向應(yīng)是加強(qiáng)老礦山的就礦找礦，加強(qiáng)新類型和非傳統(tǒng)類型礦產(chǎn)資源的探查和關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用。

煤系中已發(fā)現(xiàn)的煤型關(guān)鍵金屬礦床有鍺礦床、鎵鋁礦床、鈮-鋯-稀土-鎵礦床、鈾礦床、釩礦床、硒礦床、鎂礦床等。中國(guó)煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)資源主要分布在東北、華北、華南和滇藏賦煤區(qū)的煤系中(圖3)，含煤盆地的沉積物源、構(gòu)造環(huán)境、巖漿活動(dòng)以及成煤后的構(gòu)造-巖漿-熱液活動(dòng)是煤型關(guān)鍵金屬礦床形成的主要控制因素。煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)具有資源量大、多種金屬元素共同富集、層位穩(wěn)定以及易開采等特征?；谑澜绻┬栊蝿?shì)以及我國(guó)關(guān)鍵礦產(chǎn)儲(chǔ)量和資源稟賦特點(diǎn),特別是新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，煤型關(guān)鍵金屬的高效勘探開發(fā)和有效利用將得到越來越多的關(guān)注。

圖3 中國(guó)主要煤型金屬礦床分布(文獻(xiàn)[17])Fig.3 Distribution of coal type metal deposits in China(Reference[17])

1.3.4 生態(tài)地質(zhì)修復(fù)與生態(tài)碳匯增匯技術(shù)

生態(tài)地質(zhì)修復(fù)是指以生態(tài)地質(zhì)學(xué)理論方法為基礎(chǔ)，利用生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力為主，結(jié)合物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)等工程技術(shù)措施，使遭到破壞的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)逐步恢復(fù)其功能與結(jié)構(gòu)，并能自我維持、正向演替，實(shí)現(xiàn)新的生態(tài)平衡與可持續(xù)發(fā)展過程。當(dāng)前生態(tài)地質(zhì)修復(fù)技術(shù)已發(fā)展到山、水、土、氣、生相結(jié)合的綜合治理階段，礦山生態(tài)地質(zhì)修復(fù)與碳增匯成為研究熱點(diǎn)和重要方向，主要涵蓋土壤修復(fù)、植被修復(fù)、景觀修復(fù)等。土壤是地球表面最大的陸地碳庫，其與周圍環(huán)境發(fā)生的干濕交替和凍融轉(zhuǎn)換等相互作用將影響其穩(wěn)定性，礦山采后復(fù)墾多采用物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)(土壤淋洗技術(shù)、玻璃化技術(shù)、固化和穩(wěn)定化技術(shù))和生物修復(fù)技術(shù)(植物穩(wěn)定技術(shù)、植物刺激技術(shù)、植物轉(zhuǎn)化技術(shù)、植物過濾技術(shù)、植物萃取技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù))，可促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累，提高土壤的固碳能力。植被修復(fù)包括植物物種選擇、幼苗種植、群落構(gòu)建以及植被維護(hù)等，可直接增加林業(yè)碳匯和草地碳匯，同時(shí)減少土壤碳匯損失、甚至增加土壤碳匯，濕地是我國(guó)東部高潛水位區(qū)采礦塌陷地重要修復(fù)類型之一，不僅通過濕地植物和濕地水域微生物等的光合作用實(shí)現(xiàn)固碳，底質(zhì)中還存在大量未被分解的有機(jī)物質(zhì)，具有顯著的碳匯功能。近年來，礦山景觀恢復(fù)力的評(píng)估、礦山生態(tài)系統(tǒng)景觀服務(wù)價(jià)值、景觀尺度上的生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)恢復(fù)過程中景觀結(jié)構(gòu)和功能的響應(yīng)和反饋、采后景觀的維持和優(yōu)化、不同物種對(duì)景觀配置的影響、公共政策和社會(huì)過程對(duì)礦山景觀恢復(fù)的作用、景觀恢復(fù)效果評(píng)價(jià)這些問題也受到關(guān)注。礦山生態(tài)地質(zhì)修復(fù)與碳增匯下一步研究需重視生態(tài)受損碳匯損失與生態(tài)修復(fù)碳匯增加測(cè)算方法、基于全生命周期碳足跡的生態(tài)修復(fù)碳匯效應(yīng)評(píng)價(jià)體系、修復(fù)規(guī)劃-過程監(jiān)督-修復(fù)后碳匯動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的管理機(jī)制(修復(fù)規(guī)劃-過程監(jiān)督-修復(fù)后碳匯監(jiān)測(cè))、實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)碳增匯目標(biāo)的適應(yīng)性技術(shù)。

1.3.5 新能源地質(zhì)技術(shù)

(1)地?zé)峥辈殚_發(fā)。中國(guó)地?zé)豳Y源分布廣泛，開發(fā)利用潛力巨大，常用于高溫地?zé)岚l(fā)電和中低溫地?zé)嶂苯永?如供暖、洗浴、溫室、烘干等)。按地?zé)豳Y源成因和產(chǎn)出條件可分為水熱型和干熱巖型(又稱增強(qiáng)型)，其中，干熱巖型地?zé)豳Y源以其分布的普遍性和高熱儲(chǔ)溫度而更具開發(fā)潛力與前景。世界上首個(gè)干熱巖開發(fā)項(xiàng)目是美國(guó)于1973年開展的新墨西哥州芬頓山項(xiàng)目，而世界上最大的干熱巖開發(fā)系統(tǒng)項(xiàng)目位于澳大利亞庫珀盆地，地?zé)峋顬? 000 m，儲(chǔ)層溫度高達(dá)250 ℃。我國(guó)大陸陸域埋深3～10 km的干熱巖所蘊(yùn)含的能量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤為860萬億t，但我國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源開發(fā)起步較晚，目前仍處于探索實(shí)踐階段。地?zé)峥辈槌Ｓ玫姆椒ㄓ械販販y(cè)量、重力勘探、磁法勘探、電法勘探、放射性勘探和溫度測(cè)井等，地球物理方法技術(shù)在地?zé)峥辈榕c開發(fā)中具有極為重要的作用?，F(xiàn)有干熱巖地?zé)崮荛_采方式主要是增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，其方法是向地下施工深層鉆井并壓裂熱儲(chǔ)層巖石，把水等工質(zhì)注入地下張開的連通裂隙帶中，工質(zhì)與巖體接觸后被加熱產(chǎn)生的高溫蒸汽用于發(fā)電，冷卻后的工質(zhì)再循環(huán)注入井中。CO封存與增強(qiáng)型地?zé)衢_發(fā)是干熱巖地?zé)豳Y源開發(fā)利用的新興技術(shù)，其利用超臨界CO所具有的較強(qiáng)采熱能力，可作為攜熱介質(zhì)與裂隙周圍巖體進(jìn)行高效熱交換，同時(shí)超臨界CO易與熱儲(chǔ)層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)改善熱儲(chǔ)層滲透性和實(shí)現(xiàn)部分CO的礦物封存，對(duì)地?zé)豳Y源的強(qiáng)化開發(fā)及節(jié)能減排具有重要意義。

(2)水電大壩地質(zhì)選址。水電是技術(shù)成熟、可靠的可再生能源，水電的定位逐漸從電量為主轉(zhuǎn)變?yōu)槿萘恐螢橹鳎婢吖┠芎托钅?，成為助力光伏、風(fēng)電等新能源快速發(fā)展，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)性資源。水電大壩地質(zhì)選址和基礎(chǔ)穩(wěn)定是水電工程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，地質(zhì)構(gòu)造及地震活動(dòng)、基巖發(fā)育、地形地貌、巖溶區(qū)的存在、河床區(qū)滲漏、崩塌和滑坡泥石流的出現(xiàn)都是影響壩址選擇的因素。其中地質(zhì)勘察是水電大壩選址的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是通過一系列的地質(zhì)手段分析判斷地質(zhì)環(huán)境，評(píng)判擬選壩區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性，識(shí)別擬選壩址區(qū)的巖土工程性質(zhì)。水電大壩選址區(qū)的水文地質(zhì)條件亦是影響選址的重要因素，涉及的內(nèi)容主要有：地下水位埋深和多年水位變化幅度，含水/隔水層的分布，地下巖層組合關(guān)系及滲透性，地下水類型等。水電大壩壩基要具有足夠的強(qiáng)度，能夠承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的應(yīng)力，保持壩體和壩基的靜力和動(dòng)力穩(wěn)定，不產(chǎn)生過大的有害變形，不發(fā)生明顯的不均勻沉降。壩基加固處理技術(shù)是保證大壩的整體建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要充分考慮壩基的基本地質(zhì)特點(diǎn)和其他因素影響，實(shí)現(xiàn)大壩壩基的穩(wěn)定性和耐久性。服務(wù)供能和蓄能一體水電工程建設(shè)的地質(zhì)保障成為碳中和地質(zhì)技術(shù)值得關(guān)注的方向。

(3)核廢料地質(zhì)處置。核能是近期我國(guó)能源供給，尤其是新增非化石能源中最有望兼顧“低碳、經(jīng)濟(jì)、安全”矛盾三角的新能源類型。核工業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，也將累積大量高放核廢料(強(qiáng)放射性、高毒性、半衰期長(zhǎng)等特點(diǎn))，而高放核廢料的安全處理和處置是制約核能發(fā)展中的重要問題。目前普遍認(rèn)為深層地質(zhì)處置是高放廢物最現(xiàn)實(shí)可行和安全可靠的處置方案，其具有隔離性能好、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。深層永久核廢料處置庫的選址又是核廢料地質(zhì)處置的重中之重。從地質(zhì)條件，核廢料地質(zhì)處置庫要選擇沒有地下水，沒有裂縫和缺陷，無地震、火山活動(dòng)并且遠(yuǎn)離生物圈的地層。從社會(huì)角度，要綜合考慮國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展布局、人口分布、交通是否便利、人民是否支持等因素。核廢料永久處置庫的選址和建造不僅是個(gè)科學(xué)難題、工程難題，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)、政治和社會(huì)的綜合難題。中國(guó)核電建設(shè)的加快將使核廢料地質(zhì)處置成為剛需。

1.3.6 地球工程

地球工程又稱氣候工程、太陽能地球工程，是通過干預(yù)地球系統(tǒng)以抵消氣候變化給地球造成的不利影響，技術(shù)方案主要包括太陽輻射管理(Solar Radiation Management，SRM)和大氣CO去除，前者因更為宏大超前備受關(guān)注和質(zhì)疑。太陽輻射管理是通過調(diào)整地球輻射通量控制地球能量收支，一是減少到達(dá)地球的陽光輻射量，二是提高地球?qū)﹃柟獾姆瓷渎省？赡艿奶栞椛涔芾砑夹g(shù)主要包括：① 平流層氣溶膠注入。在平流層中增加微小反射粒子的數(shù)量，以增加入射陽光的反射；② 海洋云增白。向低層大氣添加顆粒物，以增加海洋上空低云的反射率；③ 卷云變薄。改變高空冰云特性，讓更多的紅外輻射逃逸到太空。迄今為止，有關(guān)太陽能地球工程的研究比較零散，在許多關(guān)鍵領(lǐng)域還存在大量的不確定性和爭(zhēng)議性：比如，平流層氣溶膠注入會(huì)增加對(duì)大氣化學(xué)和輸送的影響，以及由此產(chǎn)生的區(qū)域氣候變化，可能干擾全球氣候系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)；另外，科學(xué)界對(duì)氣溶膠/云相互作用的了解有限，導(dǎo)致了大量不確定性的存在，即云反照率在哪里和在多大程度上被改變，以及反饋過程是否會(huì)掩蓋或放大某些影響。盡管太陽能地球工程實(shí)施可能會(huì)降低全球氣溫，但也可能會(huì)帶來一系列未知或負(fù)面的后果，有關(guān)太陽能地球工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、人類健康及其他社會(huì)問題的潛在影響程度的研究目前仍處于初級(jí)探索階段。

2 碳中和地質(zhì)技術(shù)在煤炭低碳化中的應(yīng)用

2.1 CCUS與煤炭消費(fèi)CO2去除

2019年，煤炭能源消費(fèi)產(chǎn)生的CO占我國(guó)化石能源活動(dòng)CO排放量的79%，是我國(guó)主要的碳排放形式?；茉吹挠杏迷刂饕翘己蜌?。煤炭能源的基本屬性是高碳。不論采用何種燃燒和轉(zhuǎn)化利用技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)煤炭能源的低碳化利用，即低排放利用，就必須讓多出來的碳有去處。CCUS作為主要的去碳技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)中唯一既能直接減少關(guān)鍵領(lǐng)域碳排放，又能降低已有大氣CO濃度以中和無法避免的碳排放的技術(shù)。我國(guó)以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)變革和能源替代需要時(shí)間，CCUS技術(shù)是減少以煤炭為代表的化石能源消費(fèi)利用CO排放的緊迫關(guān)鍵技術(shù)，一定程度上決定著煤炭行業(yè)低碳化發(fā)展的進(jìn)程和方向。

2.1.1 燃煤電廠CCUS

燃煤電廠是我國(guó)煤炭消費(fèi)的主體，2020年我國(guó)燃煤電廠CO排放量在全國(guó)碳排放總量中的占比超過30%，構(gòu)成我國(guó)CO排放的最大工業(yè)固定點(diǎn)源。研究表明，“燃煤電廠+CCUS”可減少燃煤電廠90%的碳排放量，從而使燃煤發(fā)電變?yōu)橐环N相對(duì)低碳的發(fā)電技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外“燃煤電廠+CCUS”技術(shù)尚處于工業(yè)示范階段。國(guó)內(nèi)燃煤電廠煙氣CCUS示范項(xiàng)目規(guī)模整體較小，大規(guī)模(規(guī)?！?00萬t/a)示范工程尚無工業(yè)運(yùn)行先例，國(guó)外也僅有2例，即已投運(yùn)的加拿大邊界壩百萬噸COCCUS項(xiàng)目和美國(guó)Petra Nova 160萬t CCUS項(xiàng)目。

燃煤電廠CCUS技術(shù)流程如圖4所示，包含煙氣CO捕集、輸送、利用、封存等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。目前已在技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用實(shí)踐探索的諸多領(lǐng)域取得積極進(jìn)展，有望在近期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模部署。以CO封存能力評(píng)價(jià)和選址勘查方法，地質(zhì)封存源-匯匹配優(yōu)化，CO可注性、封存機(jī)制、封存穩(wěn)定性與安全性，儲(chǔ)層流體(CO、油、氣、水等)滲流機(jī)理、物理化學(xué)反應(yīng)作用機(jī)制等為核心的CCUS有效性、安全性、經(jīng)濟(jì)性理論技術(shù)快速發(fā)展；CO高效地質(zhì)封存技術(shù)與高效驅(qū)油驅(qū)氣技術(shù)、地質(zhì)封存安全性評(píng)估與監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)等已初步具備了商業(yè)化部署的條件。我國(guó)燃煤電廠CCUS起步較晚，加之CO封存地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，其技術(shù)研發(fā)與示范工程相對(duì)滯后。截至目前，國(guó)內(nèi)已開展(含在建)的12項(xiàng)燃煤電廠CCUS示范項(xiàng)目中，純捕集示范項(xiàng)目占10項(xiàng)，涉及燃燒前捕集(華能集團(tuán)天津IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，Integrated Gasification Combined Cycle)電站10萬t/a CO捕集項(xiàng)目)、燃燒后捕集(華潤(rùn)電力海豐電廠2萬t/a碳捕集測(cè)試平臺(tái)項(xiàng)目)和燃燒中(富氧燃燒)捕集(華中科技大學(xué)35 MW、10萬t/a富氧燃燒示范項(xiàng)目)。而燃煤電廠CCUS全流程示范項(xiàng)目?jī)H2項(xiàng)，即中國(guó)石化勝利油田4萬t/a燃煤電廠CO捕集與驅(qū)油封存項(xiàng)目和國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)華錦界電廠15萬t/a CO捕集與咸水層封存示范項(xiàng)目。另外，國(guó)家能源集團(tuán)江蘇泰州電廠已立項(xiàng)建設(shè)CO捕集能力50萬t/a的CCUS全流程示范工程，計(jì)劃于2023年建成投產(chǎn)；華潤(rùn)電力海豐電廠擬投產(chǎn)建設(shè)百萬噸級(jí)CCUS全流程(離岸封存)示范工程，該示范工程正在進(jìn)行可行性研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)。以降成本和上規(guī)模為重點(diǎn)，加快燃煤電廠CCUS自主創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)，實(shí)施大規(guī)?！叭济弘姀S+CCUS”全流程示范項(xiàng)目成為當(dāng)務(wù)之急。

圖4 燃煤電廠CCUS技術(shù)流程Fig.4 Technology flow of CCUS for coal-fired power plant

2.1.2 煤化工CCUS

煤化工行業(yè)的CO排放量居我國(guó)三大能源化工產(chǎn)業(yè)鏈(煤化工、石油化工和燃?xì)饣?之首，據(jù)估算，2020年煤化工CO排放量4億t左右，是我國(guó)不可忽視的CO工業(yè)固定點(diǎn)源。煤化工CO排放具有單排放源排放強(qiáng)度和排放規(guī)模較大、生產(chǎn)工藝中排放CO濃度較高的顯著特征，低成本、高濃度、大規(guī)模的CO“源”使得煤化工行業(yè)開展全流程CCUS項(xiàng)目的平準(zhǔn)化成本較火電、鋼鐵等其他行業(yè)低，這是煤化工CCUS技術(shù)實(shí)施的特殊優(yōu)勢(shì)，也是我國(guó)開展低成本、大規(guī)模CCUS示范項(xiàng)目的先機(jī)。因此“煤化工+CCUS”也被列為我國(guó)CCUS示范項(xiàng)目實(shí)施與大規(guī)模部署的優(yōu)先行動(dòng)。目前我國(guó)“煤化工+CCUS”示范項(xiàng)目?jī)H3項(xiàng)，分別是國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤化工(煤制油)10萬t/a CO咸水層封存項(xiàng)目，延長(zhǎng)石油陜北煤化工(煤制氣)5萬t/a CO-EOR示范項(xiàng)目，以及長(zhǎng)慶油田煤化工(煤制甲醇)5萬t/a CO-EOR示范項(xiàng)目。

我國(guó)已實(shí)施的“煤化工+CCUS”示范項(xiàng)目整體規(guī)模偏小，實(shí)施目標(biāo)較窄，技術(shù)方法相對(duì)單一，煤化工行業(yè)CO排放量較高的合成氨、煤制烯烴、煤制芳烴等領(lǐng)域尚未開展CCUS工程示范，亟待實(shí)施百萬噸級(jí)“煤化工+CCUS”示范項(xiàng)目，提高大規(guī)模工業(yè)示范項(xiàng)目的技術(shù)儲(chǔ)備與工程化能力。2021年，為推進(jìn)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和能源清潔低碳安全高效利用，寧東能源化工基地?cái)M布局建設(shè)百萬噸CCUS示范工程；中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司建成了齊魯石化-勝利油田100萬t/a CCUS(煤制氣尾氣CO捕集+EOR)項(xiàng)目示范工程，這是我國(guó)首個(gè)百萬噸級(jí)CCUS項(xiàng)目，也是我國(guó)建成的最大規(guī)模全流程CCUS項(xiàng)目?；谖覈?guó)新型煤化工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，也正在積極探索發(fā)展“新型煤化工+CCUS”新應(yīng)用模式，如UCG(煤炭地下氣化，Underground Coal Gasification)-煤制氫-CCS一體化零碳排放技術(shù)，UCG-IGCC-CCS技術(shù)，煤化工+CO-ESWR技術(shù)等。

2.1.3 煤制氫CCUS

氫能是一種清潔、高效、來源廣泛的二次能源，對(duì)推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和可再生能源大規(guī)模發(fā)展具有重要意義，因此受到廣泛關(guān)注。我國(guó)是目前全球最大的氫氣生產(chǎn)國(guó)和主要的氫氣消費(fèi)國(guó)?，F(xiàn)階段，氫氣在我國(guó)主要作為工業(yè)原料，99%以上的氫氣由煤炭、石油、天然氣等化石能源或工業(yè)副產(chǎn)氣制備，電解水制氫、生物質(zhì)制氫、光催化制氫等不足1%(圖5)。其中，煤制氫占比高達(dá)62%，遠(yuǎn)超其他制氫方式，傳統(tǒng)煤制氫會(huì)產(chǎn)生大量CO排放，無法從根本上解決化石能源消費(fèi)所造成的CO排放問題。

圖5 全球與中國(guó)制氫原料占比(改自文獻(xiàn)[43])Fig.5 Ratio of raw materials for hydrogen production ofglobal and China(modified from Reference[43])

“煤制氫+CCUS”具有經(jīng)濟(jì)性和低碳化雙重效益，可大幅降低煤制氫過程中的CO排放，獲得碳足跡相對(duì)較低的低碳?xì)錃?，即“灰氫”變“藍(lán)氫”。研究表明，2030—2050年，“綠氫”(可再生能源制氫)和“藍(lán)氫”(煤等化石能源制氫+CCUS)將是我國(guó)主要的氫源。全球范圍內(nèi)“煤制氫+CCUS”總體處于技術(shù)研發(fā)和項(xiàng)目示范初級(jí)階段，尚未開展大規(guī)模工程示范。我國(guó)已開展了2項(xiàng)“油制氫+CCUS”示范項(xiàng)目，即勝利油田石化總廠36萬t/a制氫尾氣CO回收與驅(qū)油工程和神馳化工10萬t/a制氫尾氣CO回收示范工程，對(duì)“煤制氫+CCUS”項(xiàng)目實(shí)施具有重要的參考價(jià)值。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)“煤制氫+CCUS”的可行性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行了大量研究，YOSHINO等認(rèn)為澳大利亞褐煤與CCUS技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)“無二氧化碳?xì)滏湣痹诩夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)上均可行；許毛等認(rèn)為“煤制氫+CCUS”具有成本優(yōu)勢(shì)，可降低煤制氫過程約90%的CO排放，我國(guó)已具備建設(shè)、運(yùn)營(yíng)煤制氫與CCUS集成項(xiàng)目的能力。

2.1.4 煤炭基地或煤礦區(qū)CCUS

2020年，我國(guó)14個(gè)大型煤炭基地煤炭產(chǎn)量占全國(guó)的95%，基本建成了集約、安全、高效的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系，成為保障我國(guó)能源安全的基石。大型煤炭基地形成了我國(guó)煤炭資源開發(fā)利用的集中區(qū)，對(duì)國(guó)家增強(qiáng)煤炭資源宏觀調(diào)控能力、調(diào)整和優(yōu)化煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)煤炭資源綜合利用具有重要意義。地域空間上，煤電、熱電聯(lián)產(chǎn)、煤化工等高耗能、高排放企業(yè)向大型煤炭基地和西北地區(qū)集中，一方面，造成大型煤炭基地CO碳排放量大、人均和單位產(chǎn)值碳排放量高，碳減排任務(wù)艱巨；另一方面，在煤炭基地內(nèi)集中大量CO碳排源，為CCUS集群化規(guī)模部署提供了基礎(chǔ)條件，同時(shí)也決定了CCUS是大型煤炭基地實(shí)現(xiàn)CO近零排放的唯一技術(shù)路徑選擇。

(1)大型煤炭基地CCUS源-匯匹配度高。根據(jù)我國(guó)CO封存潛力評(píng)估結(jié)果，我國(guó)CO地質(zhì)封存潛力巨大，封存有利區(qū)域?yàn)椴澈撑璧?、松遼盆地、鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地和四川盆地等，與大型煤炭基地CO排放源在地域空間上高度重合。通過CCUS集群化規(guī)模部署，發(fā)揮“煤炭基地+CCUS”的規(guī)模效應(yīng)和集聚效應(yīng)，降低區(qū)域CO輸送、管網(wǎng)建設(shè)等成本，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、相對(duì)低成本的CCUS工程。

(2)“煤炭基地+CCUS”可提高能源資源開發(fā)利用率。鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地等CO封存利用盆地煤、油、氣、地下水資源豐富，可開展CO-EOR，CO-ECBM、咸水層等多種方式的CO封存利用，實(shí)現(xiàn)能源資源的綜合開發(fā)利用(圖6)；同時(shí)，可拓展CO封存利用方式，如新疆、內(nèi)蒙古等西部地區(qū)開展CO-ESWR將有助于緩解煤炭基地CO排放與水需求的關(guān)鍵問題等，煤礦采空區(qū)CO封存具有很大的碳減排潛力，可提高煤礦瓦斯抽采率、控制煤礦瓦斯的大氣排放和泄漏。

圖6 煤炭基地CCUS技術(shù)應(yīng)用模式示意Fig.6 Schematic diagram of CCUS technology application model in coal base

(3)“煤炭基地+CCUS”可促進(jìn)煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。CCUS具有跨地域、跨行業(yè)的特點(diǎn)，通過煤炭基地CCUS集群化規(guī)模部署，可促進(jìn)煤炭、電力、石油、天然氣等不同行業(yè)間的合作，有助于延伸傳統(tǒng)煤炭行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，培育新的增長(zhǎng)極，促進(jìn)煤炭企業(yè)向“煤、電、化”一體化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展。

(4)CO-ECBM和采空區(qū)CO封存有望成為煤炭基地CCUS特色技術(shù)(圖6)。在地層條件下，煤層對(duì)CO具有極強(qiáng)的吸附封存能力，同時(shí)由于CO較CH具競(jìng)爭(zhēng)吸附優(yōu)勢(shì)，CO注入煤層可有效置換和驅(qū)替煤層CH，顯著提高煤層氣井產(chǎn)量和煤層氣采收率。CO-ECBM因此也被認(rèn)為是極具前景的CCUS技術(shù)方向之一，也是近期有望較早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的CCUS技術(shù)之一。我國(guó)大型煤炭基地多分布于大型含煤盆地，為CO-ECBM的商業(yè)化應(yīng)用提供了CO封存容量條件。煤礦采空區(qū)CO封存是我國(guó)煤炭基地和關(guān)閉礦井CO地質(zhì)封存的可能形式。然而，目前煤礦采空區(qū)CO封存技術(shù)尚處于探索階段階段，煤礦采空區(qū)CO封閉性與封存方式、CO滲流規(guī)律與封存安全性、CO逸散通道的封堵與監(jiān)測(cè)等難題尚待攻克，礦化充填封存等新的CO封存機(jī)制和工藝也正在研發(fā)中。

2.2 煤層甲烷高效抽采利用與甲烷減排

煤層氣(瓦斯)的主要成分CH是一種低碳燃料，同時(shí)也是一種溫室效應(yīng)極強(qiáng)的溫室氣體。研究表明，全球大約20%的CH排放來自化石燃料工業(yè)，中國(guó)最主要的大氣CH排放源是煤礦瓦斯，超過總排放量的1/3?！疤贾泻汀蹦繕?biāo)下，煤層CH高效抽采利用是CH減排的重要途徑，具有彌補(bǔ)常規(guī)天然氣資源不足、優(yōu)化一次能源結(jié)構(gòu)和控制礦區(qū)甲烷大氣排放、推動(dòng)煤炭安全生產(chǎn)的三重意義。煤層甲烷高效抽采利用與減排綜合技術(shù)模式將得到推廣應(yīng)用，主要包括煤層氣高效勘探開發(fā)、煤礦瓦斯高效抽采、低濃度與乏風(fēng)瓦斯利用以及關(guān)閉礦井煤層甲烷抽采利用等多技術(shù)融合(圖7)。

圖7 煤層甲烷高效抽采利用與減排綜合技術(shù)應(yīng)用模式示意Fig.7 Schematic diagram of application model for utilization technology of low concentration coalbed methane and ventilation air methane

2.2.1 煤層氣高效勘探開發(fā)與甲烷減排

煤層氣勘探開發(fā)是我國(guó)天然氣“增儲(chǔ)上產(chǎn)”的重要領(lǐng)域，同時(shí)對(duì)碳減排意義重大。一方面，煤層氣高效勘探有助于天然氣低碳燃料供給，降低煤炭在化石能源中比重和減少CO排放；另一方面，煤層氣高效開發(fā)相當(dāng)于預(yù)抽了煤層中相當(dāng)比例的瓦斯，有效降低了煤炭開采過程中甲烷向大氣的排放，有利于甲烷溫室氣體減排。

我國(guó)2 000 m以淺的煤層氣資源總量約為29.82×10m，可采資源量為12.51×10m，居世界第3位，我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)與甲烷減排潛力巨大。統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)表明，美國(guó)的煤層氣采收率為50%～80%，由于賦存條件等地質(zhì)因素制約，我國(guó)的煤層氣采收率為40%～54%，但沁南地區(qū)、阜新盆地的部分區(qū)塊和開發(fā)單元煤層氣采收率也超過80%。高效的煤層氣開發(fā)通?？梢允沟妹簩又屑淄轶w積分?jǐn)?shù)降低50%以上，大幅減少了后期煤層開采時(shí)的甲烷排放。近年來，我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)不斷發(fā)展完善，在綜合選區(qū)評(píng)價(jià)、鉆井完井技術(shù)、儲(chǔ)層改造技術(shù)、高效排采技術(shù)、增產(chǎn)提效技術(shù)等方面取得了一定的突破。但我國(guó)煤層地質(zhì)條件復(fù)雜、區(qū)域差異大，構(gòu)造煤、低滲透、欠飽和、低含氣濃度和大傾角等復(fù)雜煤儲(chǔ)層分布廣泛，導(dǎo)致我國(guó)整體煤層氣開發(fā)穩(wěn)產(chǎn)周期短、產(chǎn)量衰減快、有氣難采出，造成單井產(chǎn)量低、開發(fā)效益差，煤層氣開發(fā)活動(dòng)不均衡且勘探開發(fā)技術(shù)可復(fù)制性差，我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)規(guī)模效益提升仍存在較大技術(shù)瓶頸。

通過復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣高效勘探開發(fā)理論的突破，自主創(chuàng)新我國(guó)地質(zhì)適配性的煤層氣高效勘探開發(fā)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤層氣高效大規(guī)?？碧介_發(fā)和有力推動(dòng)甲烷減排的關(guān)鍵。隨著煤層氣勘探開發(fā)實(shí)踐積累和研究工作深入，我國(guó)煤層氣高效勘探開發(fā)技術(shù)探索已取得長(zhǎng)足進(jìn)展。提升煤層氣采收率和煤層中甲烷減排量的技術(shù)和方法不斷出現(xiàn)，如頂板巖層水平井分段壓裂技術(shù)、氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)、酸化解堵技術(shù)、可控沖擊波儲(chǔ)層改造技術(shù)和應(yīng)力釋放構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)技術(shù)等，特別對(duì)于構(gòu)造煤煤層氣應(yīng)力釋放技術(shù)，其通過水平井誘導(dǎo)控制造穴實(shí)現(xiàn)構(gòu)造煤儲(chǔ)層應(yīng)力大面積釋放和構(gòu)造煤煤層氣大量解吸產(chǎn)出，有望突破構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)禁區(qū)，同時(shí)成為我國(guó)高瓦斯突出礦井瓦斯災(zāi)害防治和溫室氣體減排的關(guān)鍵手段。此外，復(fù)雜地質(zhì)條件下或深部煤層氣儲(chǔ)集機(jī)理及高效勘探開發(fā)、低階煤煤層氣高效勘探與開發(fā)、低產(chǎn)低效與高產(chǎn)老區(qū)增產(chǎn)改造、低滲致密煤儲(chǔ)層熱化學(xué)流體強(qiáng)化開采等也是煤層氣勘探開發(fā)理論技術(shù)亟待突破的重要領(lǐng)域。最終形成復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣高效勘探開發(fā)理論與地質(zhì)適配性技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)煤層氣產(chǎn)量效益突破和煤層中CH有效減排。

2.2.2 煤礦瓦斯高效抽采與甲烷減排

煤炭生產(chǎn)過程中礦井瓦斯的排放和泄露是大氣中人為CH排放的主要來源之一。我國(guó)煤炭行業(yè)人為甲烷氣體排放量占到了總排放量的約33%，是占比最高的行業(yè)，我國(guó)煤礦瓦斯大氣排放規(guī)模達(dá)億噸級(jí)CO當(dāng)量。煤礦瓦斯高效抽采是煤層中CH減排的另一有效途徑，并具有煤礦瓦斯災(zāi)害防控和安全生產(chǎn)保障的重要意義。

煤礦瓦斯抽采可大幅度降低煤層中甲烷含量，從而達(dá)到減少煤層開采時(shí)甲烷排放的目的。瓦斯抽采技術(shù)按與采煤的時(shí)序關(guān)系可分為采前瓦斯預(yù)抽、采中采動(dòng)瓦斯抽采和采后采空區(qū)瓦斯抽采；按抽采方式不同主要可分為地面井抽采、井下層內(nèi)鉆孔抽采和穿層鉆孔抽采。我國(guó)煤層賦存條件相對(duì)復(fù)雜，煤層滲透率普遍較低，因此必須采用增加煤層透氣性的措施提高煤礦瓦斯抽采率，以實(shí)現(xiàn)煤層中甲烷的高效減排。對(duì)多煤層開采，普遍采用保護(hù)層開采卸壓增透技術(shù)；對(duì)單一煤層開采，松動(dòng)爆破、水力沖孔、水力割縫、水力壓裂、CO壓裂和注氣驅(qū)替等增透增抽技術(shù)均得到較廣泛應(yīng)用。另外，新技術(shù)也不斷被探索，如可控沖擊波、有機(jī)溶劑活化增透、微波輻射以及微生物降解等增透增產(chǎn)技術(shù)，這些技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究或初步應(yīng)用階段。目前，我國(guó)煤層瓦斯抽采率普遍低于30%，且隨著煤炭開采深度的增加，瓦斯賦存地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，主要表現(xiàn)為高瓦斯壓力和含量、高地應(yīng)力和低滲透性，碎軟煤層發(fā)育更為普遍。因此，深部煤層和碎軟煤層瓦斯高效抽采成為煤礦瓦斯災(zāi)害防控和煤層中CH減排的緊迫需求技術(shù)。精準(zhǔn)化、數(shù)字化、智能化煤礦瓦斯高效抽采技術(shù)體系的研發(fā)構(gòu)建和應(yīng)用將助力煤礦區(qū)CH減排。

2.2.3 低濃度與乏風(fēng)瓦斯利用

我國(guó)煤礦井下抽采瓦斯利用率長(zhǎng)期維持在小于40%的較低水平，主要原因是CH體積分?jǐn)?shù)低于30%的瓦斯利用困難。煤礦生產(chǎn)中大量低濃度抽采瓦斯(體積分?jǐn)?shù)1%～30%)和乏風(fēng)瓦斯(體積分?jǐn)?shù)<1%)被大量排放至大氣中。因此，大力發(fā)展低濃度和乏風(fēng)瓦斯高效利用技術(shù)是提高瓦斯利用率和強(qiáng)化甲烷減排的關(guān)鍵。

近年，低濃度與乏風(fēng)瓦斯利用技術(shù)取得了較快發(fā)展，根據(jù)瓦斯體積分?jǐn)?shù)不同，低濃度瓦斯利用技術(shù)可分為2類：一是體積分?jǐn)?shù)介于6%～30%間的低濃度瓦斯，來源于煤層鉆孔瓦斯抽采，主要利用方式是內(nèi)燃機(jī)爆燃發(fā)電；二是體積分?jǐn)?shù)介于1%～6%間的低濃度瓦斯，來源于采空區(qū)埋管抽采等，主要利用方式是稀薄燃燒，包括多孔介質(zhì)燃燒、脈動(dòng)燃燒和催化燃燒等技術(shù)。乏風(fēng)瓦斯利用技術(shù)主要包括氧化利用(熱逆流蓄熱氧化、催化逆流氧化和預(yù)熱催化氧化等)、貧燃燃燒、混燃發(fā)電和輔助燃燒(粉煤鍋爐、內(nèi)燃機(jī))等技術(shù)。此外，低濃度和乏風(fēng)瓦斯提純利用技術(shù)將低濃度瓦斯變?yōu)楦邼舛韧咚梗ㄟ^瓦斯提純降低了利用難度、提高了利用效率。常用的提純技術(shù)包括膜分離、深冷液化和變壓吸附技術(shù)等。水合物基CH分離被視作一種很有前景的CH分離提純技術(shù)，具有儲(chǔ)氣容量大、操作條件適中、材料廉價(jià)環(huán)保以及水溶液可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)。但上述提純技術(shù)、特別是水合物基CH分離與實(shí)際工程應(yīng)用仍有不小距離，需持續(xù)研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用突破。。

2.2.4 關(guān)閉礦井煤層甲烷抽采利用

中國(guó)工程院預(yù)測(cè)，2030年我國(guó)關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到1.5萬處，關(guān)閉礦井中蘊(yùn)含大量煤、氣(CH)、地?zé)?、水、空間等資源，目前估算我國(guó)關(guān)閉礦井瓦斯儲(chǔ)存規(guī)模可達(dá)5 000億m。關(guān)閉礦井采空區(qū)上覆巖層大量采動(dòng)裂隙發(fā)育，部分裂隙可能連通至地面，加之閉坑處理不到位，可能導(dǎo)致殘存瓦斯通過井口、貫通裂縫或斷層泄露至地面，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)向大氣中繼續(xù)釋放瓦斯，在增加CH排放的同時(shí)極易引發(fā)各種窒息、自燃、爆炸等次生災(zāi)害。在煤炭資源枯竭地區(qū)和開采強(qiáng)度大的富煤地區(qū)關(guān)閉礦井煤層瓦斯抽采利用對(duì)CH溫室氣體減排具有重要意義。目前，山西省已累計(jì)施工關(guān)閉/廢棄煤礦采空區(qū)煤層氣抽采井100余口，抽采利用CH1.28億m，相當(dāng)于減排CO192萬t?，F(xiàn)今我國(guó)關(guān)閉礦井的瓦斯抽采井鉆井成功率僅為50%，且較原位煤層氣開發(fā)，關(guān)閉礦井抽采井普遍存在流量衰減快、濃度波動(dòng)大、出氣不穩(wěn)定等問題，關(guān)閉礦井瓦斯抽采利用技術(shù)均總體處于起步階段，有較大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

關(guān)閉礦井煤層中CH抽采利用技術(shù)應(yīng)主要在以下幾個(gè)方向重點(diǎn)突破：一是關(guān)閉礦井瓦斯運(yùn)移匯聚區(qū)的科學(xué)評(píng)價(jià)和優(yōu)選，主要包括數(shù)字化礦井生產(chǎn)信息系統(tǒng)開發(fā)、關(guān)閉礦井?dāng)?shù)據(jù)庫構(gòu)建、井下采空區(qū)覆巖裂隙三維地震精細(xì)探測(cè)等；二是關(guān)閉礦井瓦斯抽采井控制儲(chǔ)量和產(chǎn)量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，主要包括關(guān)閉礦井氣-水-煤相互作用及瓦斯賦存運(yùn)移機(jī)理、采場(chǎng)地層時(shí)空演化及瓦斯圈閉機(jī)制、多因素耦合下關(guān)閉礦井井控瓦斯儲(chǔ)量與產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型構(gòu)建以及產(chǎn)層精準(zhǔn)選擇等；三是關(guān)閉煤礦瓦斯可抽性評(píng)價(jià)及高效抽采技術(shù)開發(fā)，主要包括關(guān)閉礦井多資源協(xié)同開發(fā)可行性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、瓦斯高效抽采技術(shù)及其優(yōu)選優(yōu)化、瓦斯井巷與鉆井聯(lián)合開發(fā)技術(shù)等；此外，還應(yīng)積極推動(dòng)關(guān)閉礦井閉坑技術(shù)、欠平衡高效鉆井技術(shù)、井筒密封及堵漏技術(shù)、井下CH運(yùn)移及地表CH泄露全生命周期監(jiān)測(cè)技術(shù)等方向發(fā)展，構(gòu)建關(guān)閉礦井瓦斯科學(xué)抽采、全濃度利用和高效甲烷減排技術(shù)體系。

2.3 綠色智慧礦山地質(zhì)保障與煤炭生產(chǎn)減碳

對(duì)于煤炭開發(fā)和煤礦生產(chǎn)而言，綠色智慧礦山地質(zhì)保障的內(nèi)涵主要包括煤礦區(qū)覆巖變形控制與地表植被生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、礦區(qū)水資源與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、采動(dòng)裂隙與溫室氣體大氣排放控制、智慧礦山的數(shù)字地球保障與節(jié)能提效等，可通過3種主要途徑減少煤炭生產(chǎn)中的碳排放：途徑1，減少煤炭生產(chǎn)過程中的以甲烷為主的直接溫室氣體排放；途徑2，避免破壞生態(tài)系統(tǒng)和自然碳循環(huán)，努力增加生態(tài)碳匯；途徑3，減少用電等能耗，降低間接碳排放。

2.3.1 覆巖變形控制與地表植被生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)

地下煤炭開采，特別是厚-巨厚煤層的開采形成的大范圍采空區(qū)，必然會(huì)引起上覆巖層的變形乃至破壞，自煤層頂板到地表依次出現(xiàn)冒落破碎帶、巖層破裂帶和變形帶，進(jìn)而造成明顯的地表沉降。這一系列覆巖變形破壞過程不僅造成地表植被與生態(tài)系統(tǒng)的損害，還會(huì)影響包括地下水在內(nèi)的水資源循環(huán)和地下煤層甲烷泄漏，對(duì)礦區(qū)大氣-水-生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞。中深層煤層開采后并不會(huì)對(duì)地表環(huán)境造成較大傷害，在一定條件下反而有利于土壤性質(zhì)改善與特定植物生長(zhǎng)，但中淺層采空區(qū)塌陷形成的覆巖變形與顯著地表沉降會(huì)導(dǎo)致地表發(fā)育不同形態(tài)的裂縫，顯著改變土壤理化性質(zhì)(荒漠化與鹽堿化)，損害植物群落與植物多樣性(圖8)，且這種生態(tài)系統(tǒng)負(fù)效應(yīng)具有延續(xù)性。衛(wèi)星、無人機(jī)、探地雷達(dá)、高精度電磁探測(cè)等“空-天-地”三位一體的監(jiān)測(cè)技術(shù)為防控礦區(qū)地表變形、裂縫發(fā)育、土壤與植被生態(tài)系統(tǒng)退化提供了技術(shù)保障。西部地區(qū)煤炭占全國(guó)資源總量的70%，支撐了我國(guó)以煤炭為主體的能源體系，而西部地區(qū)多地處干旱-半干旱帶，植被生態(tài)系統(tǒng)脆弱，煤炭開發(fā)與生態(tài)保護(hù)的矛盾成為生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開采的難題。采煤塌陷區(qū)生態(tài)修復(fù)是降低地表沉降損害，減緩植被生態(tài)系統(tǒng)惡化的重要方式，但從治理“源頭”來看，以覆巖變形控制為核心的減損開采是塌陷區(qū)治理的根本途徑，這樣才能真正做到“采修兼顧”。煤炭作為我國(guó)主體能源短時(shí)間內(nèi)無法改變，我國(guó)煤炭開采特別是西部生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開采應(yīng)遵循覆巖變形控制與生態(tài)環(huán)境保護(hù)一體化布局的基本原則，采用邊開采邊充填邊修復(fù)的治理思路，積極發(fā)展開采新技術(shù)，引入充填開采環(huán)保新材料，拓展減損新工藝。

圖8 采動(dòng)變形破壞對(duì)礦區(qū)大氣-水-地表-植被生態(tài)系統(tǒng)的影響(改自文獻(xiàn)[59])Fig.8 Effects of the mining-induced deformation and failure on the atmosphere-water-surface-vegetationecosystem in the mining field(modified from Reference[59])

2.3.2 礦區(qū)水資源與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)

我國(guó)煤炭資源與水資源呈現(xiàn)明顯的逆向分布，西部地區(qū)是我國(guó)煤炭主產(chǎn)地，但水資源短缺，地表生態(tài)脆弱，煤炭開采活動(dòng)與以水資源為核心的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)之間的相互協(xié)調(diào)是西部煤炭綠色開發(fā)的關(guān)鍵科學(xué)問題。西北地區(qū)煤炭開采中的水資源保護(hù)問題已得到關(guān)注，相關(guān)成果揭示了覆巖變動(dòng)下地下水循環(huán)體系的響應(yīng)機(jī)制，提出了兼顧水資源保護(hù)的采煤新方法?！懊?水”組合空間分布特征、覆巖變形過程中導(dǎo)水裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律與采動(dòng)誘發(fā)的“應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)”多場(chǎng)耦合作用是煤炭減損開采與科學(xué)利用的地質(zhì)保障基礎(chǔ)。地下水變化的精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)，淺部煤層開采覆巖變形控制技術(shù)，充填保水采煤與隔水層再造技術(shù)等為加快實(shí)現(xiàn)礦區(qū)水資源保護(hù)和區(qū)域生態(tài)環(huán)境修復(fù)奠定了地質(zhì)保障技術(shù)基礎(chǔ)。隨著“雙碳”工作推進(jìn)和我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)向西北富煤地區(qū)進(jìn)一步集中，煤礦區(qū)的水資源與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用將得到更多的重視。

2.3.3 采動(dòng)裂隙與溫室氣體大氣排放控制

2.2.2節(jié)和2.2.3節(jié)已對(duì)煤炭開采過程的瓦斯抽采、風(fēng)排瓦斯減量與利用進(jìn)行了介紹，就不再贅述。這里進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)討論采動(dòng)裂隙造成的溫室氣體大氣排放問題。采空區(qū)卸壓引起的殘留煤柱甲烷的持續(xù)解吸是地表沉降區(qū)甲烷排放的主要源頭，煤層中甲烷能夠通過塌陷采空區(qū)上覆巖層破裂形成的裂隙進(jìn)入空氣，從而造成了煤礦區(qū)超量的甲烷排放，加劇溫室氣體效應(yīng)(圖8)。與原位地應(yīng)力條件下煤層甲烷賦存狀態(tài)相比，采空區(qū)及其上覆變形-破壞巖層瓦斯具有游離氣含量較高和甲烷濃度較低的典型特征，這與采空區(qū)煤層-巖層破裂空間狀態(tài)與采煤工藝有關(guān)。采空區(qū)瓦斯地面井抽采是解決采空區(qū)甲烷泄漏的重要手段，不僅能夠有效控制采空區(qū)甲烷排放，還能充分利用煤層中甲烷資源。應(yīng)用充填開采技術(shù)，控制覆巖變形和采動(dòng)裂隙發(fā)育，是減少甚至防止采空區(qū)甲烷溫室氣體大氣排放的治本之策。煤礦地面沉降區(qū)冒落破碎帶-破裂帶區(qū)-變形帶發(fā)育模式及“三帶”中瓦斯分布-運(yùn)移規(guī)律是預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)煤礦區(qū)采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育、甲烷泄漏排放的地質(zhì)和巖體力學(xué)基礎(chǔ)，也為關(guān)閉礦井煤層氣地面抽采與甲烷減排提供了科學(xué)依據(jù)。此外，露天煤礦生產(chǎn)也會(huì)帶來CO，CH溫室氣體的直接大氣排放，如何評(píng)價(jià)和控制露天煤礦碳排放值得關(guān)注。

2.3.4 數(shù)字地球、智慧礦山與節(jié)能提效

智慧礦山是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，立足于煤礦全流程智能化建設(shè)與生產(chǎn)，不僅需要地質(zhì)、采礦、安全、選礦、機(jī)械、信息、生態(tài)等諸多專業(yè)交叉融合，還依賴于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用。數(shù)字地球的系統(tǒng)決策平臺(tái)和煤礦自動(dòng)化智能化生產(chǎn)是智慧礦山核心模塊。智慧礦山工程不僅能夠優(yōu)化煤礦系統(tǒng)能源分配，在滿足安全生產(chǎn)的前提下最大限度的節(jié)約能源，還能夠針對(duì)不同煤層賦存與開采條件采用最適合開采方法，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，最大限度減少煤炭生產(chǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。智慧礦山建設(shè)可通過大力實(shí)施節(jié)能減排與提產(chǎn)增效工程有效助力煤炭生產(chǎn)過程的碳減排。我國(guó)智慧礦山建設(shè)總體處于起步階段，但數(shù)字地球技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用為智慧礦山發(fā)展提供了強(qiáng)大的地質(zhì)技術(shù)保障。未來智慧礦山工程將繼續(xù)完善地質(zhì)、安全、信息、綜合保障系統(tǒng)升級(jí)與智能化改造，實(shí)現(xiàn)區(qū)域化自主決策與協(xié)同，構(gòu)建現(xiàn)代煤礦智慧系統(tǒng)，形成科學(xué)綠色開發(fā)的新型煤炭產(chǎn)業(yè)鏈(圖9)。

圖9 綠色智慧礦山地質(zhì)保障與煤炭生產(chǎn)減碳技術(shù)應(yīng)用模式示意Fig.9 Schema of application model for geological guarantee ofgreen and intelligent mine and carbon reductiontechnology for coal production

2.4 煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與生態(tài)碳匯增匯

煤炭開發(fā)過程中煤礦區(qū)地表生態(tài)系統(tǒng)會(huì)不同程度受到影響或破壞。通過煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)可有效降低生態(tài)碳匯損失，甚至可適當(dāng)增加生態(tài)碳匯。煤矸石、塌陷區(qū)、土地整治是煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的主線，其生態(tài)問題和碳匯效應(yīng)相對(duì)獨(dú)立，又相互交織，成為煤炭產(chǎn)業(yè)低碳化發(fā)展不可忽視的領(lǐng)域。

2.4.1 煤矸石處置與減污降碳協(xié)同

2019—2021年我國(guó)煤矸石產(chǎn)生量約為6.5億t，現(xiàn)存大型煤矸石山1 500～1 700座，而2019年我國(guó)煤矸石綜合利用率僅58.9%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)超過1/3的煤矸石山經(jīng)歷過自燃或當(dāng)前正在自燃。煤矸石山自燃產(chǎn)生大量的CO，成為不容忽視的碳排放源。煤矸石的經(jīng)濟(jì)化利用以及煤矸石山的復(fù)綠、復(fù)墾是煤矸石重要的科學(xué)處置方法，能夠有效降低土地資源浪費(fèi)、生態(tài)環(huán)境污染和碳排放等問題，甚至實(shí)現(xiàn)碳增匯，是煤礦區(qū)減污降碳協(xié)同的重要應(yīng)用方向。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)煤矸石山自燃機(jī)理、煤矸石存儲(chǔ)與管理、煤矸石中重金屬元素析出、遷移及其生態(tài)環(huán)境影響開展了大量研究，為煤矸石山治理和煤矸石堆積區(qū)生態(tài)修復(fù)與土地復(fù)墾提供了依據(jù)，明確了針對(duì)不同類型、品質(zhì)的煤矸石進(jìn)行差異化處置和經(jīng)濟(jì)化、無害化利用的總體思路。煤矸石的經(jīng)濟(jì)化利用方式主要有煤矸石發(fā)電，煤矸石制建筑和建設(shè)材料、采空區(qū)回填支撐材料，煤矸石制化工原料以及煤矸石制新型肥料等(圖10)。我國(guó)煤矸石發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，但煤矸石熱值低、灰分高、硬度大，對(duì)鍋爐損傷較大，燃燒后產(chǎn)生粉煤灰較多等問題亟待解決。煤矸石在建筑建設(shè)產(chǎn)業(yè)的資源化利用具有較高的發(fā)展?jié)摿Γ纱罅肯拿喉肥?，目前主要用作填料?duì)路基加固，煤矸石燒結(jié)制磚、制水泥、骨料以及制微晶玻璃等建筑材料。充填采空區(qū)后復(fù)墾以及塌陷區(qū)“推平覆土”復(fù)綠是實(shí)現(xiàn)煤矸石原位處置的最佳路徑，可以有效降低煤矸石利用過程中的運(yùn)輸成本，增加煤礦區(qū)生態(tài)碳匯。煤炭開采過程中將煤矸石有效分離并直接回填至采空區(qū)的充填開采技術(shù)已得到推廣應(yīng)用，并仍是目前的研究前沿和熱點(diǎn)。

圖10 煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與生態(tài)碳匯增匯技術(shù)應(yīng)用模式示意Fig.10 Schematic diagram of application model for ecological restoration and ecological carbon sink increasingtechnology in coal mining area

2.4.2 塌陷區(qū)治理與增匯

煤礦開采塌陷區(qū)可造成地表形態(tài)和生態(tài)環(huán)境破壞等問題。后置式治理模式面臨土地資源長(zhǎng)期閑置、土壤資源大量浪費(fèi)、治理速度慢、復(fù)墾困難等問題；前置式和同步治理模式可將煤炭開采與土地治理有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)土地資源的可持續(xù)利用，是新型的采煤塌陷區(qū)治理方式。采煤塌陷區(qū)治理與增匯的研究主要包括碳匯損失量評(píng)價(jià)與增匯監(jiān)測(cè)、增匯方式(圖10)。采煤塌陷區(qū)碳匯損失量評(píng)估重點(diǎn)關(guān)注礦井瓦斯泄露、地表植被和土壤破壞對(duì)碳匯的影響，并基于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量學(xué)方法，結(jié)合遙感解譯等新型技術(shù)手段，評(píng)估礦區(qū)碳匯，為生態(tài)治理和防止碳匯損失提供參考。研究認(rèn)為礦區(qū)碳匯損失量與開采工作強(qiáng)度密切相關(guān)，同時(shí)也受地理、環(huán)境等因素影響。增匯方式方面，采煤塌陷區(qū)主要有植被和濕地2種增匯方式。高潛水位采煤沉陷區(qū)主要關(guān)注濕地碳匯，如徐州潘安湖濕地公園建設(shè)項(xiàng)目等；而相對(duì)干旱礦區(qū)則將土壤碳匯作為礦區(qū)生態(tài)碳匯的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。基于生態(tài)環(huán)境修復(fù)理論，結(jié)合煤礦區(qū)碳儲(chǔ)變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和碳損失類型，通過不同植被組合方式，構(gòu)建礦區(qū)生態(tài)碳匯功能體系，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化植被增匯，是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向。

2.4.3 土地整治利用與增匯固碳

根據(jù)煤礦區(qū)土地破壞程度及土地利用類型，煤礦區(qū)土地整治利用可劃分為礦區(qū)耕地復(fù)墾、礦區(qū)景觀規(guī)劃、礦區(qū)濕地規(guī)劃和地表整修等方式，及其相互交叉的綜合整治方式，并衍生出了礦區(qū)土壤增匯、森林增匯等不同類型的增匯固碳模式(圖10)。煤礦區(qū)土地整治主要采用因地制宜的基本思路，按照以自然恢復(fù)為主、效益最大化的原則，對(duì)耕地資源、景觀規(guī)劃、濕地和平整地規(guī)劃進(jìn)行統(tǒng)籌實(shí)施。煤礦區(qū)碳匯管理及增匯固碳主要圍繞煤礦開采的碳匯損失監(jiān)測(cè)與管理以及增匯潛力評(píng)估和監(jiān)測(cè)等方面展開。除森林、濕地碳匯外，煤礦區(qū)綜合性土地整治利用還包括了煤礦區(qū)土壤碳匯，重點(diǎn)圍繞煤礦區(qū)秸稈還田對(duì)土壤固碳能力的影響、土壤有機(jī)碳演化規(guī)律及監(jiān)測(cè)、土壤固碳穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及不同植被組合對(duì)土壤固碳能力的影響與提升等開展研究。結(jié)合煤礦區(qū)自然以及工程活動(dòng)情況，構(gòu)建不同組合類型的綜合性煤礦區(qū)土地整治利用方案，從而實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)增匯固碳，是該領(lǐng)域研究與應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

2.5 煤系共伴生資源共探共采與碳減排

碳中和目標(biāo)下新能源替代化石能源是大勢(shì)所趨，但需要時(shí)間和把握節(jié)奏。天然氣是相對(duì)低碳的化石能源，不僅是高效燃料也是重要化工原料，至少未來20 a在我國(guó)仍有需求增長(zhǎng)空間，我國(guó)天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要領(lǐng)域是非常規(guī)天然氣，我國(guó)煤系氣資源潛力巨大，其高效勘探開發(fā)是重要能源安全保障，既是減少煤炭消費(fèi)和碳排放的有效途徑，也是近期煤炭產(chǎn)業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要領(lǐng)域。戰(zhàn)略金屬礦產(chǎn)是另一類重要的煤系共伴生資源，煤型戰(zhàn)略金屬礦產(chǎn)中富集的鋰、鍺、鎵、鈮、鉭、鋯、鉿、鉑族元素、稀土元素等金屬將為光伏、風(fēng)電等新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供重要的材料物質(zhì)基礎(chǔ)，煤系沉積型鈾礦也將為核能發(fā)展提供更可靠的核燃料地質(zhì)保障。煤系共伴生資源共探共采與碳中和關(guān)系密切，有望成為煤炭與新能源融合發(fā)展的重要領(lǐng)域。

2.5.1 煤系氣

我國(guó)2 000 m以淺煤系氣資源量約為82萬億m，但目前探明率不到1%。美國(guó)、澳大利亞、加拿大等國(guó)家已實(shí)現(xiàn)煤系氣商業(yè)化開發(fā)，我國(guó)鄂爾多斯盆地、雞西盆地、六盤水盆地等煤系氣勘探開發(fā)均取得重大突破，平均日產(chǎn)氣量和穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間穩(wěn)步提高。廣義的煤系氣指煤系烴源巖生成的天然氣，狹義的煤系氣指煤系賦存的非常規(guī)天然氣，特別是含煤段賦存的煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣往往緊密共生共儲(chǔ)構(gòu)成統(tǒng)一含氣系統(tǒng)。煤系氣既有別于常規(guī)氣藏，與頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣等典型非常規(guī)氣藏相比，又有其地質(zhì)特殊性，主要表現(xiàn)在煤系沉積序列與優(yōu)勢(shì)沉積相時(shí)空配置的多旋回性，天然氣賦存狀態(tài)與儲(chǔ)層巖石組合的多樣性，以及煤系內(nèi)部不同類型儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)的差異性和含氣系統(tǒng)的統(tǒng)一性或聯(lián)系性。煤系氣成藏特征主要受控于沉積相展布與沉積序列旋回特征，三角洲沉積體系往往可為煤系氣富集提供多套有利生儲(chǔ)蓋組合，煤層、富有機(jī)質(zhì)泥巖等廣覆式烴源巖與多類型儲(chǔ)層共生組合多樣性是煤系氣成藏特征差異性的根本原因(圖11)。對(duì)于含煤段，多相態(tài)天然氣共儲(chǔ)、多類型儲(chǔ)層共生等決定了煤系氣開發(fā)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，也造成了煤系氣高效勘探開發(fā)技術(shù)的挑戰(zhàn)性，多產(chǎn)層合采與儲(chǔ)層改造增產(chǎn)是含煤段煤系氣開發(fā)中相對(duì)成功的技術(shù)選擇。目前，以鄂爾多斯盆地近源型煤系氣、渤海灣盆地和四川盆地外源型煤系氣為代表的煤系氣勘探開發(fā)已取得成功，但含煤段內(nèi)源型煤系氣勘探開發(fā)還未取得規(guī)模化生產(chǎn)突破。煤系氣共生富集成藏理論與共探共采技術(shù)等仍是近期重點(diǎn)研究領(lǐng)域，以煤系巖石力學(xué)地層學(xué)方法體系為核心的煤系氣高效勘探開發(fā)理論與技術(shù)有望成為煤系氣取得突破的關(guān)鍵研究方向(圖12)。

圖11 我國(guó)典型煤系與煤系氣類型Fig.11 Typical coal measure and coal measure gas in China

2.5.2 煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)

煤系是我國(guó)重要的能源礦產(chǎn)賦存地層，煤層與煤系不僅具有顯著的化石能源屬性，還是戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)伴生的重要地質(zhì)體。煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)高效勘查與開發(fā)利用不僅事關(guān)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也關(guān)系到煤炭產(chǎn)業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。煤層與富有機(jī)質(zhì)巖層的還原性與吸附性使得多種有益元素能夠在特定地質(zhì)過程中富集成礦，形成“煤型關(guān)鍵金屬礦床”。鋰、鍺、鎵、鈮、鉭、鋯、鉿、鉑族元素、稀土元素等能夠在煤系中超常富集，其含量甚至超過傳統(tǒng)礦產(chǎn)，如俄羅斯遠(yuǎn)東巴甫洛夫煤田和我國(guó)勝利煤田烏拉圖嘎鍺礦床、準(zhǔn)格爾煤田黑岱溝鎵礦床都已成功開展商業(yè)化利用。成煤過程與火山-熱液活動(dòng)的耦合作用是煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)重要成礦機(jī)理，煤中有機(jī)質(zhì)與無機(jī)質(zhì)物理化學(xué)作用是關(guān)鍵金屬超常富集的重要微觀機(jī)制。中國(guó)煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)分布可劃分為7個(gè)成礦區(qū)帶，主要富集層位為華北二連—海拉爾盆地上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)煤系、鄂爾多斯盆地中下侏羅統(tǒng)煤系和華南川滇黔桂盆地群上二疊統(tǒng)煤系。我國(guó)煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)中多金屬組合往往共生富集，由于中國(guó)煤炭資源豐富，煤層分布具有面積廣、厚度大和空間連續(xù)穩(wěn)定的特征，因此我國(guó)煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)資源量大，地質(zhì)勘查相對(duì)容易，協(xié)同開發(fā)與綜合利用成本相對(duì)較低，極具勘查與開發(fā)潛力。煤型關(guān)鍵金屬元素復(fù)合成礦機(jī)理、精細(xì)勘探技術(shù)、煤與伴生關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)協(xié)調(diào)開采與協(xié)同回收技術(shù)等是今后煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)勘探開發(fā)的重點(diǎn)突破領(lǐng)域(圖12)。

煤系鈾礦是煤型戰(zhàn)略金屬礦產(chǎn)的重要類型。早在上世紀(jì)中葉，煤系鈾礦已成為美蘇兩國(guó)鈾礦的重要來源，我國(guó)也陸續(xù)在新疆伊犁、云南臨滄、內(nèi)蒙古東勝等地發(fā)現(xiàn)煤系砂巖及煤層中伴生鈾礦，含量高達(dá)300 μg/g以上。我國(guó)北方中新生代含煤盆地煤系鈾礦呈現(xiàn)典型的“下煤上鈾”賦存方式，與煤系砂巖型鈾礦具有明顯的成因聯(lián)系，這是構(gòu)造-沉積-氣候耦合控制下地下水層間氧化成礦作用與煤還原-吸附性共同作用的結(jié)果，煤系鈾含量與物源區(qū)距離關(guān)系密切；而西南煤系富鈾層多集中在煤層夾矸、頂?shù)装寮?xì)粒砂泥巖中并與Nb-Ta-Zr-Hf元素組合共生，局限碳酸鹽臺(tái)地沉積環(huán)境下形成的高有機(jī)硫煤是鈾元素的主要載體，煤中鈾的富集過程與海相成煤環(huán)境和晚二疊世峨眉山地幔柱活動(dòng)的堿性噴發(fā)物有關(guān)。煤中鈾主要與有機(jī)質(zhì)結(jié)合，然而不同煤級(jí)煤的鈾富集程度差異很大，高鈾煤多為褐煤和長(zhǎng)焰煤，遷移的鈾酰離子在煤層中能夠被腐殖酸吸附，并以絡(luò)合物的形式固定在有機(jī)質(zhì)中，而鈾在高階煤中更傾向于形成納米級(jí)含鈾礦物，如晶質(zhì)鈾礦、鈾鈦礦、鈣鈾云母等。關(guān)于煤系鈾礦成礦模式，在其分布賦存特征、礦化機(jī)制、煤燃燒后二次富集規(guī)律等方面已有積極進(jìn)展，然而我國(guó)煤系鈾礦尚未得到有效勘查與開發(fā)利用，因此在充分認(rèn)識(shí)盆山耦合背景下煤系鈾遷移-富集成礦機(jī)理的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化煤系鈾礦的協(xié)同勘查與低碳化綜合開發(fā)技術(shù)研究是其未來主攻方向(圖12)。

圖12 煤系共伴生資源共探共采與碳減排技術(shù)流程Fig.12 Flow chart of co-exploration and co-exploitation of coal measures co-associated resources and carbon emission reduction technology

3 結(jié) 論

(1) 碳中和知識(shí)體系——碳中和科學(xué)與工程交叉學(xué)科正在形成，地球科學(xué)構(gòu)成了碳中和知識(shí)體系的重要基礎(chǔ)；在地球科學(xué)基本背景上碳中和相關(guān)學(xué)科群交叉融通形成了當(dāng)前碳中和科學(xué)與工程主要研究領(lǐng)域和技術(shù)發(fā)展方向；碳中和地質(zhì)技術(shù)是其中與地球科學(xué)密切相關(guān)技術(shù)方向的集成，成為碳中和科學(xué)與工程交叉學(xué)科的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。

(2) 碳中和地質(zhì)技術(shù)的當(dāng)前內(nèi)涵主要包括二氧化碳捕集利用與封存技術(shù)、生態(tài)地質(zhì)與碳增匯技術(shù)、煤層中甲烷減排與資源化開發(fā)利用技術(shù)、化石能源低碳化開發(fā)利用地質(zhì)技術(shù)、地?zé)豳Y源高效勘查與開發(fā)技術(shù)、新能源高效安全開發(fā)利用地質(zhì)保障技術(shù)、礦化固碳地質(zhì)技術(shù)和地球工程等。

(3) 以CCUS大規(guī)模集群化部署與全流程技術(shù)、煤層甲烷接續(xù)高效抽采與低濃度瓦斯(含乏風(fēng)瓦斯)利用技術(shù)、煤型關(guān)鍵金屬探采選冶全流程技術(shù)、礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)修復(fù)重構(gòu)與碳增匯技術(shù)、干熱巖型地?zé)岬刭|(zhì)新能源勘查開發(fā)利用技術(shù)、供能蓄能一體化水電和核電等新能源開發(fā)利用地質(zhì)工程保障技術(shù)、太陽輻射管理前沿技術(shù)探索為代表，關(guān)鍵碳中和地質(zhì)技術(shù)已取得重要進(jìn)展，部分達(dá)到了規(guī)模化和工程化程度。

(4) 碳中和地質(zhì)技術(shù)在煤炭低碳化開發(fā)利用進(jìn)程中應(yīng)用前景廣闊并將發(fā)揮重要作用。CCUS將成為低排放燃煤發(fā)電、煤轉(zhuǎn)化、煤制氫、煤制特種燃料、煤基材料等煤炭低碳潔凈高效利用關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)鍵，煤炭基地或煤礦區(qū)CCUS以煤基CO源、煤系CO地質(zhì)碳匯、CO礦化固定與采空區(qū)充填封存為技術(shù)特色具有緊迫需求；從原位煤層氣高效勘探開發(fā)、煤礦瓦斯井下-地面協(xié)同高效抽采、關(guān)閉礦井瓦斯高效抽采到低濃度和乏風(fēng)瓦斯高效利用，煤層甲烷高效抽采利用與減排綜合技術(shù)模式將得到快速發(fā)展和推廣；通過覆巖變形控制與地表植被生態(tài)系統(tǒng)保持、水資源與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、采動(dòng)裂隙與溫室氣體大氣排放控制、數(shù)字地球支撐智慧礦山與節(jié)能提效等方式發(fā)展和應(yīng)用綠色智慧礦山地質(zhì)保障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)過程減碳；應(yīng)用煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與碳增匯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤矸石處置與減污降碳協(xié)同、塌陷區(qū)治理與碳增匯、土地整治利用與增匯固碳；加快應(yīng)用和發(fā)展煤系共伴生資源共探共采與碳減排技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤系氣、煤型關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)高效勘查開發(fā)利用突破，進(jìn)而服務(wù)低碳潔凈高效安全新能源體系構(gòu)建和源頭減碳。