在“双碳”目标背景与当前技术条件下，“煤”“废”“碳”构成了煤炭的“不可能三角”，严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废”“从哪里来到哪里去”的原则，着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角，探索“煤”“废”“碳”协同发展路径，为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体包括：①阐明了“煤”的减损化开采科学内涵，明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题，提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术；②阐明了“废”的功能化利用科学内涵，明确了固废功能化利用的科学问题，包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面，形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系；③阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵，提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径，厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存空间构筑、CO,封存机理与调控、CO,封存长期环境效应和储库稳定性等方面的科学问题，明确了碎胀空间CO,封存、煤矿CO,固碳充填等关键技术，形成了利用煤矿采空区实现CO,低碳封存的新模式。立足煤炭绿色低碳可持续发展，协同推进“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用与“碳”的低碳化处置，对推动煤炭行业“双碳”目标实现具有重要意义。

一、引言

我国能源资源具有“缺油、少气、相对富煤”的禀赋特点。结合非化石能源的可靠替代进程，我国“煤为主体”的基本国情短时期不会改变，且近年来消费需求总量仍呈增长趋势，预计到2030年碳达峰时煤炭在能源消费结构中的占比仍高于43%。因此，高质量发挥煤炭在“双碳”目标进程中的能源主体地位和兜底保障作用至关重要。

“双碳”目标是构建人类命运共同体的庄严承诺，也是实现“美丽中国”的生态文明建设的重要环节。而煤炭作为典型的高碳能源，在“双碳”目标实现进程中面临着双重考验，即：既要承担能源供应兜底作用，也要适应绿色低碳发展大势推动自我革命。党的二十大报告指出，要立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动。2021 年我国CO2排放量超过100亿t，其中约80%来自煤炭利用过程中的排放。因此，探索煤基 CO2封存新方法，已成为新时代煤炭工业可持续发展面临的重大课题。

综上所述，在保障能源安全供应的前提下推进煤炭绿色低碳转型，是实现我国煤炭工业高质量发展的重大科学命题。因此，需系统解决煤炭开发与利用过程中资源浪费、生态损害、固废处置和碳排放等问题，探索“煤”“废”“碳”的开发与处置的协同性实现路径，寻求煤炭资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO2封存的有机结合，将煤炭开发与利用产生的固废和 CO2回归地下，实现“变害为利”“从哪来到哪去”的绿色低碳发展目标。立足于“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置的三维视角，为化解煤炭资源开发利用痼疾提供全方位解决方案。据此，笔者立足于“煤”-“废”-“碳”协同化绿色低碳处置思路，系统阐述3者绿色低碳化发展的科学内涵、科学问题和关键技术，以期为“双碳”目标背景下煤炭工业可持续发展提供借鉴思路。

二、“煤”的减损化开采

“煤”的减损化开采是在充分认识煤层覆岩结构及开采分区基础上，运用以充填开采为核心的减损技术组合，实现减少煤炭损失、减少地质损伤和减少环境损害的目的(图3)，从而确保煤矿区资源、经济、环境效益最大化。

“煤”的减损化开采科学内涵主要体现在：通过精细地质探查厘清覆岩-煤-水空间组合，揭示科学运用充填减损开采技术下的采动覆岩变化规律，提出资源减损与地质环境减损相协调的地质判据和开采分区，形成以充填技术为核心的减损工艺组合方案。从而最大限度采出地下煤炭资源，减少遗煤量，并削弱对生态水位和地表生态的损害。

图4 面间煤柱“掘−充−留”一体化技术原理

图5 3 倍基准短壁连采连充开采工艺

合理的充填体强度可以平衡顶板安全性与充填成本。以陕北保水充填开采矿井为工程背景，笔者团队研究提出了短壁连采连充的1倍基准、2倍基准和3倍基准3种工艺类型，为条带煤柱安全高效置换开采提供了保障。图5为麻黄梁煤矿三倍基准短壁连采连充工艺，垂直切眼方向将工作面煤层每32m划分为一组，每组均分为4个条带，条带宽度8m，分4个循环进行短壁连采连充开采。3倍基准工艺下，第 4轮充填体承载较小，可弱充填，充填成本较单倍基准降低20%～25%。

图6 Multi-functional backfilling pipe for drainage/gas andslurry replenishing

接顶充填质量直接影响覆岩及地表的保护效果和安全开采。对此，确定了条带巷顶多通道分布式导气管的接顶方法，研制了排水/气-补浆一体化充填管，如图6所示，提高了充填接顶率。

图7 综采架后充填采煤工作面平面

如图6所示，综采架后充填是基于长壁工作面布置形式，采用充填液压支架支护，每推进一个充填步距，沿充填支架后体做隔离，在工作面后方搭建充填空间，使用胶结膏体充填材料注满充填空间，充填材料养护至设计早期强度后，采煤机向前推采，充填支架前移，达到充填步距后再进行下一步距充填。

图8  煤矸石浆体充填技术

三、“废”的功能化利用

“废”的功能化利用是在明晰多元煤基固废基础物理化学特性的基础上，进行固废材料改性，使其满足安全、环境、稳定等性能要求，再基于固废协同处置理论制备固废基胶凝材料，胶结煤矸石、气化渣等固废骨料制备全固废充填材料，实现大宗固废的规模化、无害化、功能化利用，为煤的绿色低碳利用提供保障。“废”的功能化利用科学内涵主要体现在：通过原材料测试明晰固废基础物化特性，确定固废改性优化的方向、方法，揭示固废改性机理，建立煤基固废协同水化反应动力学模型，形成固废分级分质利用、制备全固废充填材料的工艺组合方案。从而一方面最大规模地处置地面排放的固废，保护地面生态环境，同时控制固废充填对井下地质环境的影响。

大量煤基固废自身缺陷难以克服，导致区域内煤基固废的减量化、无害化与资源化处置产业发展阻力重重。如何解决固废自身问题使其具备功能化利用条件以扩大固废的无害化处理规模，成为了当前研究的关键。通过实施煤基固废改性技术，对各类固废进行改性，消除缺陷，提升性能，是实现“废的功能化利用关键技术”的前提，是拓展固废其他功能化利用的基础。

图9 “废”的功能化利用科学问题

粉煤灰、燃煤炉渣和煤气化渣中都存在活性 SiO2和Al2O3等矿物，具备潜在的火山灰活性，但必须经过一定方式的活化后才能表现出来。因此，在基于镁−煤基固废改性技术的基础上，结合多元固废协同作用机制开发新型胶凝材料。综合地域因素和经济性考虑，采用机械研磨-碱性固废 (周边关联行业固废：镁渣、电石渣等)−盐(脱硫石膏等)复合激发的方式。与此同时，在明确胶凝体中各组分的协同效应的基础上，进行胶凝材料配比优化。但是，不可忽略的是，全固废基胶凝材料的原料均为工业固废，上游生产原料、工艺等条件的改变即会影响下游固废的特性。此外，不同的配比或不同质量的固废原料会导致胶凝材料性能存在差异，尽管不同性能的胶凝材料可适用不同的应用环境，但是如何保证胶凝材料质量稳定或避免混淆等是保证下游安全应用的前提。因此，必须规范固废基胶凝材料的原料选取、生产、等级分类、储运等过程，并形成标准规范。 

最终，形成了集“固废特性表征-材料改性和分级-胶凝材料开发和配比优化-工业生产及应用”的研发及生产规范路线，如图9所示。

图10 全固废充填材料制备及充填工艺

以大宗煤基全固废充填材料成本和性能为优化目标，以充填料浆的流动性、充填材料的稳定性和环保性为约束条件，制备多种不同类型的全固废充填材料。系统研究各类煤基全固废充填材料的抗压强度、流动性和环境性能，并结合矿山充填理论给出各全固废充填材料对应的配比设计依据。最终建立全固废充填材料流动、力学和环境性能理论体系，明确固废特性、材料配比、环境条件和时间空间等因素对充填材料性能的影响，形成相应的技术路径和工业化生产工艺，保障全固废充填技术落地转化，如图10所示。

四、“碳”的低碳处置科学内涵

“碳”的低碳化处置 (NCD) 是在考虑地质条件和煤炭开发工艺的条件下，充分利用采空区形成的地下空间，通过充填可以矿化CO2的固体废弃物(如粉煤灰、气化渣、钢渣、赤泥等) 和废水(高矿化度、难处理污染水或废水)，以化学反应固化和物理吸附等方式将CO2封存在采空区内，在采空区充填的同时实现CO2的封存。“碳”的低碳化处置科学内涵主要体现在：以煤炭开发过程采空区充填和 CO2封存为背景，采取理论研究、室内实验和工程实践相结合的方法，揭示采空区矿化充填和CO2封存中物理、力学、化学、地质等基础科学问题，阐明低碳化处置的科学原理和地质适宜性，提出低碳化处置的科学实践框架和实施路径，构建包含经济、环境、地质等因素的低碳化处置综合评价模型，形成低碳化处置保障策略和实施方案，为煤矿采空区处置和低碳化利用提供基础理论支撑。

图11 碎胀空间CO₂封存

煤层开采后上覆岩层垮落后形成的碎胀空间为CO2物理封存提供了巨大的物理空间。在综合评价盖层气密性与稳定性的基础上，为避免封存区CO2逸散至井下作业环境，需要将封存区与井下作业空间隔绝开来，基于提出的封存区回字形充填密封的技术路线，即采用功能性充填的方法在封存区周围构筑回字形高强度、低渗透、充分接顶的功能性充填体。从而由顶部低渗透的盖层、功能性充填体和底板构成密闭的碎胀空间，为CO2物理封存提供空间基础。将低浓度的CO2注入密闭的碎胀空间，一部分CO2气体游离在垮落岩石间的间隙中，另一部分吸附与岩石表面或者岩石孔隙中，实现CO2物理封存，具有较大的封存潜力。碎胀空间CO2封存示意图如图10所示。

图12 基于功能性充填的CO₂封存

基于功能性充填技术在开采的同时间断构筑出气密性好、稳定性高的CO₂封存空间，将 CO₂矿化封存材料装填至封存空间，通入低体积分数烟气CO₂，与矿化材料发生矿化反应，形成稳定的碳酸盐；另外CO₂与隔离墙充填体内部的碱性物质与水化产物等同样发生碳化反应，生成碳酸钙填充于充填体孔隙内部，一方面可增强充填体强度；另一方面可降低充填体的渗透率，增强气密性，以上2方面实现 CO₂化学封存。同时部分CO₂气体吸附于矿化材料表面或者孔隙中，从而实现化学封存为主，物理封存为辅的封存方式。值得一提的是矿化材料起到过滤器的作用，将低浓度的烟气 CO₂封存在空间中，而不需要提纯CO₂，大大降低了CO₂捕集与提纯成本。基于功能性充填的CO₂封存示意图如图12所示。

图13 煤矿CO₂固碳充填工艺示意

五、作者信息

     王双明^1,4，刘浪²，朱梦博²，申艳军³，师庆民⁴，孙强⁴，方治余²，阮仕山²，何伟²，杨潘²，王建友⁵

六、单位

1. 西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院, 陕西 西安　710054；

2. 西安科技大学 能源学院, 陕西 西安　710054；

3. 长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安　710054；

4. 西安科技大学 地质与环境学院, 陕西 西安　710054；

5. 西安弗尔绿创矿业科技有限责任公司, 陕西 西安　710024。

七、引用格式

王双明，刘浪，朱梦博，等. “双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路[J]. 煤炭学报，2024，49(1)：152−171.

WANG Shuangming，LIU Lang，ZHU Mengbo，et al. New way for green and low-carbon development of coalindustry under the target of “daul-carbon”[J]. Journal of China Coal Society，2024，49(1)：152−171.