謝和平院士：煤炭發(fā)展的未來之路

謝和平院士：煤炭發(fā)展的未來之路

謝和平1,2,3

(1．深圳大學(xué)深地科學(xué)與綠色能源研究院，廣東深圳 518060；2. 深圳清潔能源研究院，廣東深圳 518085; 3．四川大學(xué)，四川成都 610065)

作者簡介：謝和平，2001年當(dāng)選中國工程院院士。曾任原煤炭工業(yè)部科技教育司司長、1998.8-2003.6任中國礦業(yè)大學(xué)校長和中國礦業(yè)大學(xué)（北京校區(qū)）校長、2003.6-2017.12任四川大學(xué)校長、2009年成為中國書法家協(xié)會(huì)會(huì)員，2012.12-2018.4任四川省書法家協(xié)會(huì)副主席?，F(xiàn)任四川大學(xué)教授、博導(dǎo)，深圳大學(xué)特聘教授，深圳大學(xué)深地科學(xué)與綠色能源研究院院長，兼任國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)委員、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)常委、教育部科技委地學(xué)與資源學(xué)部主任、教育書畫協(xié)會(huì)副會(huì)長、四川省書法家協(xié)會(huì)顧問等職務(wù)。中共十七屆中央候補(bǔ)委員，十二屆全國人大代表。

謝和平院士長期致力于深地科學(xué)與綠色能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與工程實(shí)踐。1982年起，創(chuàng)造性引入分形方法，在國際上開創(chuàng)了巖石力學(xué)分形研究新領(lǐng)域(謝和平，《Fractals in Rock Mechanics》，CRC Press，1993年)；在我國最早建立了裂隙巖體宏觀損傷力學(xué)模型，開拓了裂隙巖體損傷力學(xué)研究新領(lǐng)域(謝和平，《巖石混凝土損傷力學(xué)》，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990年)。首次提出了深部原位巖石力學(xué)構(gòu)想，構(gòu)建了深部巖體力學(xué)與開采理論研究框架(謝和平等，深部開采的定量界定與分析，煤炭學(xué)報(bào)，引用量TOP 1/50000)。深入探索了低碳技術(shù)與CO2礦化及綜合利用，形成一系列CO2資源化、能源化利用的高效耦合技術(shù)原理和方法(Xie et al. Carbon geological utilization and storage in China: current status and perspectives, Acta Geotechnica, 引用量TOP 1/100)。目前正深入探索粵港澳大灣區(qū)地?zé)峥碧介_發(fā)利用、中低溫地?zé)岽鸥“l(fā)電變革性技術(shù)和溫差材料發(fā)電顛覆性技術(shù)，與國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)組建粵港澳大灣區(qū)地?zé)衢_發(fā)協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)。研究成果已出版10余本中英文專著、200余篇論文 (引用量兩萬余次)。

謝和平曾榮獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)和國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)，及首屆“中國青年科學(xué)家獎(jiǎng)（技術(shù)科學(xué)）”、孫越崎能源大獎(jiǎng)、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)和省部級(jí)二等以上獎(jiǎng)勵(lì)多項(xiàng)。2007年被德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)授予榮譽(yù)博士學(xué)位，2008年入選香港理工大學(xué)“杰出中國訪問學(xué)人獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”，2012年10月被香港理工大學(xué)授予榮譽(yù)博士學(xué)位，2012年11月被英國諾丁漢大學(xué)授予榮譽(yù)博士學(xué)位，2017年5月被牛津大學(xué)圣艾德蒙學(xué)院授予“牛津大學(xué)圣艾德蒙Fellow”學(xué)術(shù)稱號(hào)，2017年5月被摩爾多瓦科學(xué)院授予“高級(jí)榮譽(yù)院士”獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

能源是一個(gè)國家可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展表現(xiàn)出對(duì)能源的強(qiáng)勁需求，對(duì)以煤為主的化石能源的大規(guī)模生產(chǎn)與消費(fèi)導(dǎo)致一系列環(huán)境問題。因此，我們必須思考如何實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)的變革，提高煤炭的開發(fā)利用效率，減少污染物和二氧化碳排放，降低對(duì)資源、生態(tài)、環(huán)境等的破壞，從而推動(dòng)我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。

1 煤炭現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

我國煤炭形成期主要集中在石炭紀(jì)、二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)。石炭紀(jì)形成了華北、華東及中南地區(qū)的煤系。二疊紀(jì)的早二疊世主要形成了以華北為中心的山西組煤系，晚二疊世主要形成了貴州境內(nèi)的龍?zhí)睹合?。侏羅紀(jì)時(shí)期形成的煤田最多，主要集中在華北及西北地區(qū)，例如神東煤田、大同煤田及新疆地區(qū)的煤田。根據(jù)我國煤炭資源賦存情況，開采地質(zhì)條件以中等或復(fù)雜地質(zhì)條件居多。眾所周知，隨著淺部礦物資源逐漸枯竭，資源開發(fā)不斷走向地球深部，千米深井的深部資源開采逐漸成為資源開發(fā)新常態(tài)。進(jìn)入1000-2000m的深部開采，資源賦存的地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力增大、地溫升高、巖體破裂程度與涌水加劇，致使資源開采難度加大、作業(yè)環(huán)境惡化和生產(chǎn)成本急劇增加等一系列問題，為深部資源開采提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。進(jìn)入1000-2000m的深部，巖石可能表現(xiàn)出大變形、強(qiáng)流變等特征；持續(xù)的高地溫將對(duì)人員的健康和工作能力造成極大的傷害，使勞動(dòng)生產(chǎn)率大大下降；礦井災(zāi)害將以前所未有的頻度、強(qiáng)度和復(fù)雜性表現(xiàn)出來，且淺部開采的單一災(zāi)害種類轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N災(zāi)害的災(zāi)害鏈，災(zāi)害鏈的孕育機(jī)理、致災(zāi)過程更加復(fù)雜，給巖層控制、采場維護(hù)等提出了前所未有的巨大挑戰(zhàn)。

2 煤炭深部開采理論進(jìn)展

由于深部巖體典型的“三高”賦存環(huán)境的本真屬性及資源開采“強(qiáng)擾動(dòng)”“強(qiáng)時(shí)效”的附加屬性，導(dǎo)致深部高能級(jí)、大體量的工程災(zāi)害頻發(fā)，機(jī)理不清，難以預(yù)測和有效控制，傳統(tǒng)巖石力學(xué)和開采理論在深部適用性方面存在爭議。國家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深部巖體力學(xué)與開采理論”針對(duì)上述難題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在9個(gè)方面獲得了重要進(jìn)展：(1) 提出深部工程尺度真實(shí)采動(dòng)條件下原位應(yīng)力路徑捕捉及單雙軸采動(dòng)力學(xué)測試技術(shù)體系，創(chuàng)新深部巖石原位應(yīng)力保真恢復(fù)測試原理與技術(shù)；(2) 系統(tǒng)探索了擾動(dòng)條件下不同賦存深度巖體原位長期力學(xué)行為，構(gòu)建了不同賦存應(yīng)力環(huán)境的巖石動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型；(3) 提出了適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下深部非線性巖體平均應(yīng)力與變形模量的關(guān)系式，開發(fā)了批數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)算法反演深部地應(yīng)力場，系統(tǒng)研究了巖石破壞過程中的能量積聚，能量耗散特性；(4) 提出了“強(qiáng)擾動(dòng)”和“強(qiáng)時(shí)效”特征的判定依據(jù)，探索了深部開采強(qiáng)擾動(dòng)應(yīng)力路徑下煤體損傷規(guī)律及非連續(xù)支承壓力理論，研究了深部開采強(qiáng)擾動(dòng)煤體損傷破裂、能量演化及滲透特性；(5) 建立了巖體介質(zhì)復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的三維可視化模型，實(shí)現(xiàn)了裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過程中應(yīng)力場的可視化，研發(fā)了可視化物理模型的三維應(yīng)力場的凍結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置；(6) 開展了深部硬巖矩形隧洞圍巖板裂破壞的試驗(yàn)?zāi)M，提出了深部近采場區(qū)域應(yīng)力平穩(wěn)釋放理論與方法，研發(fā)并應(yīng)用了深部硬巖高應(yīng)力誘導(dǎo)與爆破耦合的破巖方法與技術(shù)；(7) 概括了深部硬巖強(qiáng)卸荷下三種災(zāi)害模式的破裂孕育分異演化機(jī)制，提出了基于物質(zhì)點(diǎn)原理描述巖體連續(xù)-非連續(xù)計(jì)算分析新方法，創(chuàng)新了硐室穩(wěn)定的裂化-抑制支護(hù)方法；(8) 分析了深部煤炭安全綠色開采的主要影響因素，初步構(gòu)建了“高保低損”型深部煤炭安全綠色開采新模式；(9) 建立了深部地下開采空間模型及生產(chǎn)計(jì)劃動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，提出了深部掘進(jìn)工作面卸荷技術(shù)、深部高應(yīng)力礦柱一體化卸壓控制對(duì)策以及深部卸壓帷幕應(yīng)力隔斷技術(shù)?；谝陨蟽?nèi)容，初步構(gòu)建了深部巖體力學(xué)與開采理論研究體系，以期為未來中國深部礦產(chǎn)資源開發(fā)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

3 煤炭革命新理念

煤炭革命關(guān)鍵是技術(shù)革命。我國可經(jīng)濟(jì)開發(fā)利用的煤炭資源并不富余，只有進(jìn)行煤炭技術(shù)革命才能克服煤炭生產(chǎn)面臨的復(fù)雜地質(zhì)條件、采深逐年增加等多重壓力，應(yīng)對(duì)煤炭的持續(xù)需求與當(dāng)前不夠清潔的利用方式相矛盾等挑戰(zhàn)，才能解決煤炭行業(yè)面臨的可持續(xù)發(fā)展的重大科技問題。煤炭革命的核心是理念革命，開展煤炭革命的科技創(chuàng)新需要科學(xué)的理念指引發(fā)展方向。因此提出煤炭開發(fā)利用一體化、礦井建設(shè)與地下空間利用一體化、煤基多元清潔能源協(xié)同開發(fā)和煤炭潔凈低碳高效利用四大新理念。

煤炭革命是煤炭行業(yè)整體進(jìn)步的推動(dòng)力，總體而言，煤炭革命應(yīng)達(dá)到 3 個(gè)目標(biāo)：煤炭成為清潔能源、煤礦區(qū)成為煤基多元協(xié)同能源基地和煤炭行業(yè)成為社會(huì)尊重、人才向往的高新技術(shù)行業(yè)。

4 煤炭工業(yè)未來規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)煤炭革命的總目標(biāo)，在未來30~40年期間將煤炭革命分為三個(gè)階段：煤炭工業(yè)3.0、煤炭工業(yè)4.0和煤炭工業(yè)5.0。煤炭工業(yè)3.0是在2020年前，建成超低生態(tài)損害與超低排放的機(jī)械化、信息化煤炭開發(fā)利用體系，進(jìn)入井下少人、接近天然氣排放水平的煤炭工業(yè)3.0階段，煤礦井下空間得到初步利用。煤炭工業(yè)4.0是在2020-2035年，建成近零生態(tài)損害與近零排放的智能化、多元煤炭開發(fā)利用體系，進(jìn)入井下無人、接近清潔能源排放水平的煤炭工業(yè)4.0階段，煤礦井下空間得到有效利用。煤炭工業(yè)5.0是在2035-2050年，建成煤基多元、開放、協(xié)同、綠色開發(fā)利用的清潔能源基地，進(jìn)入井下無人、地上無煤、純清潔能源的煤炭工業(yè)5.0階段，煤礦井下空間資源與城鎮(zhèn)化發(fā)展協(xié)同開發(fā)利用。

(1) 2020年前：煤炭3.0 (2000 m以淺)階段。2020年之前，開采2000 m以淺煤炭資源。通過技術(shù)推廣與升級(jí)，建成超低生態(tài)損害與超低排放的機(jī)械化、信息化煤炭開發(fā)利用體系，進(jìn)入井下少人、接近天然氣排放水平的煤炭工業(yè)3.0時(shí)代，煤礦井下空間得到初步利用；煤炭3.0是開采及利用技術(shù)的革命。

(2) 2020-2035年：煤炭4.0(3000 m以淺)階段。2020-2035年，開采3000 m以淺煤炭資源。通過技術(shù)的突破，建成近零生態(tài)損害與近零排放的智能化、多元煤炭開發(fā)利用體系，進(jìn)入井下無人、接近清潔能源排放水平的煤炭工業(yè)4.0時(shí)代，煤礦井下空間得到有效利用；煤炭4.0是開采及利用方法的革命。

(3) 2035-2050年：煤炭5.0(3000 m以深)階段。2035-2050年，開采3000 m以深煤炭資源。現(xiàn)有開采體系無法有效支撐。通過顛覆性技術(shù)的研究，建成煤基多元、開放、協(xié)同、綠色開發(fā)利用的清潔能源基地，進(jìn)入井下無人、地上無煤、純清潔能源的煤炭工業(yè)5.0時(shí)代，煤礦井下空間資源與城鎮(zhèn)化發(fā)展協(xié)同開發(fā)利用。煤炭5.0是能源利用的革命。

5 煤炭技術(shù)革命路線

(1) 智能化無人開采。2000 m以淺的煤炭資源開采仍可沿用現(xiàn)有的開采技術(shù)與裝備體系，需要克服巖層、構(gòu)造、瓦斯、水等地質(zhì)條件變化而帶來的安全問題。智能化控制技術(shù)可在有效探測環(huán)境信息的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)裝備的自動(dòng)控制，避免開采事故的發(fā)生。通過地質(zhì)構(gòu)造的探測、反演及智能決策技術(shù)，可形成基于透明礦山的智能化開采系統(tǒng)。不但有效支撐當(dāng)前煤炭開發(fā)，而且對(duì)3000 m以下深部資源的開采也奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。單就智能化無人開采發(fā)展目標(biāo)而言：2020年前，實(shí)現(xiàn)2000 m以淺智能化開采；2020-2035年，實(shí)現(xiàn)3000 m以淺智能化無人開采；2035-2050年，打造出5000 m以淺的智慧礦山，實(shí)現(xiàn)真正的人不下井。

(2) 流態(tài)化開采。資源開采在進(jìn)入深部開采后將面臨更大的安全、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)難題?；趯?duì)地球深部基本科學(xué)規(guī)律的探索，提出煤炭資源深部原位流態(tài)化開采的科學(xué)構(gòu)想，以解決2000 m甚至更深的固體資源開發(fā)難題。流態(tài)化開采就是將深地固體礦產(chǎn)資源原位轉(zhuǎn)化為氣態(tài)、液態(tài)或氣固液混態(tài)物質(zhì)，在井下實(shí)現(xiàn)無人智能化的采選充、熱電氣等轉(zhuǎn)化的流態(tài)化開采技術(shù)。流態(tài)化開采可徹底改變目前礦業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)效率低、安全性差、生態(tài)破壞嚴(yán)重( 土地塌陷、水資源破壞等)、資源采出率低、地面運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化能量損耗大等一系列問題，實(shí)現(xiàn)地下資源開采的變革。流態(tài)化開采的技術(shù)演進(jìn)路線是：2020年前，將煤炭流態(tài)化開采作為深地研究的重要科學(xué)問題率先提出來，展開煤炭資源流態(tài)化開采前瞻性理論、基礎(chǔ)性技術(shù)探索；2020-2035年，建立現(xiàn)有煤炭開采及轉(zhuǎn)化技術(shù)體系對(duì)流態(tài)化開采的基礎(chǔ)支撐架構(gòu)，部分流態(tài)開采關(guān)鍵技術(shù)的深部原位實(shí)現(xiàn)；2035-2050 年，實(shí)現(xiàn)流態(tài)化開采重大關(guān)鍵技術(shù)的突破，集成相關(guān)技術(shù)開展現(xiàn)場實(shí)施。

(3) 地下空間開發(fā)利用。煤炭開采產(chǎn)生了大量的地下空間，如果不能有效加以利用，不但對(duì)環(huán)境帶來影響，而且也造成了人才、財(cái)力、資源的浪費(fèi)。地下空間也是國土資源，其開發(fā)利用對(duì)人們的生產(chǎn)生活方式都將帶來重大影響。目前，一些廢棄礦井的地下空間正在嘗試存儲(chǔ)、旅游觀光、軍事設(shè)施、交通等多種利用方式。地下空間開發(fā)利用技術(shù)路線是：2020年前，主要進(jìn)行500 m以淺廢棄礦井空間開發(fā)利用，積累空間分配、生態(tài)系統(tǒng)再造、通訊等關(guān)鍵技術(shù)；2020-2035年，進(jìn)行2000 m以淺地下空間開發(fā)利用，包括醫(yī)療、試驗(yàn)、廢棄物處置等用途；2035-2050年，開展與流態(tài)開采相配套的地下空間開發(fā)利用技術(shù)研究。

(4) 煤炭清潔低碳利用。燃燒是煤炭利用的主要方式。目前，我國燃煤發(fā)電技術(shù)已經(jīng)取得很大突破，先進(jìn)電廠的耗煤量、排放水平都達(dá)到世界領(lǐng)先水平。因此，在2020年前，重點(diǎn)是解決分散燃煤清潔化問題和推廣應(yīng)用燃煤發(fā)電超低排放技術(shù)；2020-2035年，實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)電近零排放和地下轉(zhuǎn)化，消減大部分的CO2排放；2035-2050年，煤炭不到地面，直接在地下實(shí)現(xiàn)熱電氣一體化生產(chǎn)，由開采煤炭轉(zhuǎn)變?yōu)殚_采“清潔能源”。