0.   引　　言

气候变化是21世纪人类面临的重大挑战之一^[1]。自2020年习近平总书记在第75届联合国大会上首次提出中国“双碳”战略目标以来，“碳达峰、碳中和”理念已成为我国社会共识^[2]。2023年7月召开的中央全面深化改革委员会第二次会议再次强调，要立足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，完善能源消耗总量和强度调控，逐步转向碳排放总量和强度双控制度^[3-4]，实现零碳能源替代高碳能源，解决能源消耗带来的负面影响，消除“能耗双控”无法实现能源结构优化、清洁低碳利用的弊端。碳减排作为一项复杂艰巨的系统工程，需要设计好“低碳排放→近零碳排放→（净）零碳排放”的发展原则来保障能源供应安全，满足经济持续发展对能源的巨大需求^[5-6]。

由于我国“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征制约，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”转变的核心是碳减排，从煤炭生产和利用的整个产业链来看，以燃煤发电、煤化工等为主的煤炭利用行业的碳排放量（以CO₂为主）占比近90%，煤炭生产过程中的碳排放量（以CH₄为主）占10%^[7]，实现煤炭开采及其下游加工利用行业CH₄−CO₂协同减排，是落实双碳战略的根本。根据国际能源署（IEA）相关统计发现，2022年我国能源活动甲烷排放2537.22万t，占比45.57%，其中，煤炭开采排放量达到2102.94万t，占比高达82.88%；2022年全球煤炭使用产生的CO₂排放增加了2.43亿t，达到近155亿t的历史新高^[8-9]。因此，双碳战略推行逐渐成为新常态后，煤炭开采及其下游加工利用行业（燃煤发电、煤化工等）作为碳排放重要来源，应当在统筹兼顾、全面布局前提下，灵活制定CH₄−CO₂协同减排发展路径，完善需求−政策双重驱动型能源发展体系，强化清洁绿色低碳技术攻关的同时，突破当前负碳技术稳定性低、无法规模化应用的弊端^[10]。

近年来，众多学者专家面对“双碳”战略推行的新局面，对我国煤炭行业高质量绿色低碳发展路线及方向均开展了科学性的指导与探究。谢和平等^[11]通过系统分析美国等发达国家碳达峰前后现代化进程、能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律，提出了我国能源发展的3大路径；王国法等^[3]分析了在“碳达峰、碳中和”目标下，我国煤炭工业面临的任务和挑战，提出在未来100 a中，煤炭仍将在我国多能互补现代能源体系中扮演稳定器和压舱石的重要角色，煤炭低碳利用技术的颠覆性创新将使煤炭成为最有竞争力的能源和原材料资源；袁亮等^[12]提出了废弃矿井绿色低碳多能互补体系，以实现废弃矿区多维度分级分类分区域联动清洁能源生产、储备、供给与碳捕集、封存、利用；王双明等^[13]提出了赋煤区全生命周期能源开发理念，将赋煤区能源发展历程划分为煤炭、煤炭与新能源优化组合、新能源3个阶段；卞正富等^[14]提出可通过清洁能源消纳与源网荷储协同优化、CO₂地质封存、生态系统碳汇提升等实现煤炭开采过程CO₂的近零排放；桑树勋等^[15]系统梳理评述了国内外CO₂地质封存潜力及其评价方法以及CCUS集群部署技术基础与模式等领域的主要进展，讨论展望了我国CO₂地质封存潜力与能源资源协同理论方法体系的研究思路；苏现波等^[16]在对煤层气开发与CCUS技术系统分析的基础上，以煤层气生物工程为依托，探讨和展望了地面煤层气开发、煤矿瓦斯抽采以及采空区煤层气开发过程中的低负碳减排关键技术；笔者团队^[17]针对煤矿CH₄−CO₂双重碳减排问题，构建了以瓦斯高效精准抽采、瓦斯分级利用以及碳封存等关键技术为核心的全生命周期煤气同采技术体系，并从低碳融合技术与负碳技术2方面阐述了该体系的构想。

面对新形势下全球能源格局复杂化态势，俄乌冲突、巴以冲突加剧造成能源行业油气产业链风险加剧，煤炭作为我国能源结构变革的压舱石与稳定器，如何实现可持续绿色低碳发展，是关乎国家安全和发展全局的重要命题^[18]。基于此，笔者在精准分析碳达峰、碳中和阶段煤矿CH₄−CO₂双重碳减排面临挑战的基础上，制定了“双碳”战略中煤气共采技术的发展路径，从瓦斯抽采−利用全周期碳减排关键技术、“CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术、全生命周期煤矿CH₄−CO₂排放智能监测及动态管控技术等方面论述了其中的关键科学问题及解决途径，并对今后煤气共采体系绿色低碳发展提出了自身见解与思考，以期为我国煤炭开采及其下游加工利用行业“双碳”战略目标落实提供助力。

1.   煤气共采技术发展面临的挑战

1.1   高浓度瓦斯抽采−利用效率亟需提高，低浓度及通风瓦斯碳排放量逐年增加

煤炭开采是我国最大的CH₄逃逸排放源，据统计测算，我国煤矿地下开采造成的CH₄排放量分别约占煤矿甲烷总排放量的80%^[19]，尽管我国对煤炭地下开采过程中瓦斯抽采浓度及利用率出台了相关规定，如《煤矿安全规程》《煤层气（煤矿瓦斯）排放标准》等均提出了“应抽尽抽”的原则，但对煤炭行业甲烷的管控主要是出于安全生产考虑而开展的瓦斯防治工作，因而必须强化瓦斯抽采以提升高浓度瓦斯（甲烷体积分数≥30%）抽采量，减少因抽采全流程施工监管不合格产生更多的低浓度（甲烷体积分数<30%）或乏风瓦斯（甲烷体积分数<1%），例如：低渗煤层透气性差、瓦斯富集区辨识误差、抽采钻孔精准性欠缺、钻孔密封不达标等技术环节，均对瓦斯抽采提浓增效产生不利影响。除此之外，关闭/废弃矿井中遗留甲烷逃逸泄漏也逐渐成为重要的煤矿CH₄排放源，根据相关数据预测，截至2100年，我国关闭/废弃矿井的甲烷排放量占全球煤矿甲烷排放总量的比例将增加至27%，且因主要逃逸泄漏通道的复杂性（井筒、采动裂隙等）、隐蔽性以及逃逸量的难以预估性等特征，这部分碳排放数据缺失严重^[20-21]，因此，高度重视我国关闭/废弃矿井甲烷减排技术体系攻关对实现“双碳”目标具有深远意义。

高浓度瓦斯利用方面，直燃发电及化工用途技术成熟度相对较高，实现以提质增效、绿色低碳的利用模式成为当前发展重点，低浓度及通风瓦斯受利用率、技术成熟度及成本限制，是煤矿CH₄排放的“主力军”，虽然国内已具备了一系列区域性的示范工程，例如潘一关闭废弃矿井采空区瓦斯再利用项目、彬长矿区大佛寺煤矿瓦斯“零排放”的绿色低碳发展模式等，但对于我国甲烷碳减排目标实现来说任重道远，因而普适性、成体系的“零碳”技术模式结合政策驱动才能进一步深化能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的发展思路。

1.2   极端天气及油气能源依存不稳定性加剧煤炭生产及其下游加工利用行业碳排放

供给侧结构调整是我国能源低碳转型的核心，通过降低化石能源消费、发展新能源，构建绿色低碳的能源体系是减少碳排放、实现碳中和的重要举措之一，但煤炭等传统能源产业依存度需稳步降低，加之新能源供给具有的不确定性加大了新旧能源交替转型的难度^[22-23]。首先，21世纪以来极端天气频现，预计到2030年发生极端高温的天气数量将达到2001年的3倍，极寒天气亦是如此，“保供”政策加剧了煤炭开采强度，造成甲烷排放强度增加^[24]；其次，全球不安定局势（俄乌冲突、巴以冲突）加剧了石油天然气供给波动，国内煤炭消耗量大幅上涨，燃煤发电以及煤化工等下游产业产生的CO₂排放量也出现了增长^[7]。因此，国内对煤炭依赖性增加的同时如何实现碳排放总量和强度稳步减少，是降低碳达峰峰值的“破局”关键。

1.3   煤炭企业全生命周期CH₄−CO₂动态监测及管控技术体系不完善

减碳降碳工作的基础是对煤炭生产及其下游行业全生命周期CH₄−CO₂排放数据的动态监管。当前我国碳收支平衡核算监管体系不完善，例如陕西省环保厅主导的《陕西省大气污染治理专项行动方案（2023—2027年）》中提出，将现代煤化工、火电等重点行业碳排放纳入环评管理，但并未对煤炭企业生产全流程碳排放进行精准动态核算，监测监控技术支撑薄弱。首先，碳排放监测技术手段与瓦斯抽采−利用环节、燃煤发电等环节匹配适应度不够，碳排放遥感监测方法^[25]、基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法^[26]、基于遥感−卫星定位导航−无人机的三维空间碳排放监测系统^[27]等先进技术应用耦合程度较弱；其次，碳排放监测管控云平台与煤矿全局监控系统对接程度不足，尽管国内部分省份企业构建了相应的碳排放在线监测平台^[28]，但存在监测精准度差异大、监测指标单一、煤炭企业跟进度不足等问题，例如河北碳排放总量动态监测可视化核算平台缺少部分温室气体监测数据、南方电网能源消费侧碳排放监测平台数据核算功能薄弱等。因此，如果无法建立政策驱动−技术适配−精准核算模式下的全生命周期CH₄−CO₂动态监测及管控技术体系，“双碳”指标的实现将会受到极大干扰。

1.4   CH₄−CO₂协同减排技术标准−法律法规布局滞后

我国碳减排政策现状呈现出CH₄、CO₂规划要求不均等现象。近年来，我国在甲烷资源化利用方面取得一定成效，但仍旧存在甲烷排放控制法规标准体系尚不完备等问题，仅以《中国应对气候变化国家方案》（2007）、“十四五”规划和《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》等总体性、建议性文件政策为主，缺乏精准可控、行之有效的落实性法律法规；2023年11月7日生态环境部联合有关部门发布《甲烷排放控制行动方案》也预示着国家将从顶层设计方面开展逐层级、各行业的甲烷减排政策体系制定落实行动，全面有序推进CH₄−CO₂协同减排控制工作。

2.   煤气共采技术发展路径

2.1   发展路径制定的核心原则

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。由图1可看出：

图  1  煤气共采技术发展路径制定的核心原则

Figure  1.  Core principles for development path of gas co-extraction technology

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1）现状需求。我国经济增长伴随着能源消费量的递增，由于我国“缺油、少气、相对富煤”资源禀赋特征制约，一次能源消费占比较大，2022年我国煤炭消费量占能源消费总量的55.5%^[7]，煤炭消费较高的占比导致了CH₄、CO₂减排难度高，解决碳减排与能源消费的矛盾性问题意义重大；碳排放导致的全球气候变暖以及近些年极端天气频现等环境问题突出，根据联合国2023年气候变化报告，2011—2020年全球地表温度比1850—1900年高出1.1 °C，由此造成的自然灾害越发严重，进一步推动了各国碳减排的雄心；以风电、光伏为代表的新能源供给存在时间尺度上的不确定性，空间尺度的受限也导致技术推广适用性欠缺，新能源与传统能源的深度耦合需要以煤炭行业高质量绿色低碳发展为基础。

2）技术攻关。低碳融合技术的核心是煤气共采体系中的瓦斯精准抽采−分级高效利用，从源头提升高浓度瓦斯，减少低浓度/乏风瓦斯排放量，实现CH₄抽采零排放—CO₂低排放，加快碳达峰落实，进一步降低峰值；负碳技术即为“CCUS+生态碳汇”等，CCUS作为典型负碳技术，可对瓦斯利用−发电阶段产生的CO₂进行捕集−封存，煤矿区生态碳汇可通过边采边修复、植被重建、土壤重构等措施，实现源头减排、植被固碳、土壤固碳等效果。进一步探索新能源开发技术、储能技术安全长效发展机制，使其达到经济性、稳定性及普适性三者互补效果。

3）政策驱动。总体布局以“碳达峰、碳中和”为基础，遵循能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的政策。国家层面需明确落实碳中和规划的政策要求、管理机制、监管措施，有效引导国有及民营企业科学投资和战略经营决策，煤炭行业既承担着国家煤炭安全稳定供应和能源兜底保障的责任，也肩负着碳减排的重要责任，要在煤炭资源开发、煤矿生产、煤炭加工、储运等环节研究提出煤炭清洁高效低碳利用的具体措施；通过优化结构、科技创新、推行清洁生产等降低生产加工过程中的碳排放水平；建立以碳减排为目标的煤炭生产与消费协同机制，研究重点耗煤行业和企业的碳减排、碳中和战略和规划，提出碳减排实施路线。

2.2   发展路径

随着全球能源消费结构变动，“发达国家去煤减煤、发展中国家控煤”已成为必然趋势^[29]。“体系减碳”作为双碳战略中煤气共采体系的关键点，如何实现CH₄−CO₂近零碳排放甚至零排放愿景，应当结合碳达峰、碳中和总体规划。我国在坚定煤炭兜底作用的前提下，煤炭开采及消费总量逐渐下降并保持稳定，CH₄等煤系伴生气低碳抽采−清洁利用以及“CCUS+生态碳汇”效能将会放大化。如图2所示，基于“双碳”战略的总体规划，布局现状需求−技术攻关−政策驱动体系下的煤气共采技术发展路径，最终实现低碳排放→近零碳排放→（净）零碳排放的愿景模式。

图  2  “双碳”战略中煤气共采技术发展路径

Figure  2.  Development path of gas co-extraction technology in dual carbon strategy

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碳达峰阶段核心任务是实现CH₄抽采零排放—CO₂低排放，降低达峰峰值同时提升CH₄−CO₂减排技术精准性、稳定性与经济性。CH₄减排以排放源管控为基础视角，核心为瓦斯抽采−利用全周期碳减排关键技术，包含瓦斯富集区靶向精准抽采技术^[30]、低渗煤层增透及注气驱替增流抽采技术^[31]、关闭矿井瓦斯逃逸通道封堵减碳技术^[20]、瓦斯富集−提浓−利用一体化技术^[19]，目的是大幅提升高浓度瓦斯抽采−利用效率，降低低浓度及通风瓦斯碳排放；CO₂减排以“CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术为核心，包含煤层CO₂封存^[32]、工业固废采空区充填协同CO₂地质封存、煤矿碳封存区域土壤−地表−大气异常监测及生态碳汇技术，吸纳烟道气或纯CO₂排放。

碳中和阶段核心任务是实现CH₄−CO₂（近）零碳排放，完成我国能源结构优化（煤炭：基础能源→保障能源→支撑能源，新能源：补充能源→替代能源→主体能源）的同时，构建技术可靠−成本低耗−长时安全的碳减排体系^[10]。CO₂减排方面应当由技术攻关示范工程转变为规模化应用阶段，并建立全生命周期煤矿CH₄−CO₂排放智能监测及动态管控技术体系，实现监测管控技术手段与碳排放环节深度匹配、碳排放监测管控云平台与煤矿全局监控系统深度对接。

3.   关键技术问题及解决途径

3.1   瓦斯抽采−利用全周期碳减排关键技术

CH₄减排以排放源管控为基础视角，核心为瓦斯抽采−利用全周期碳减排关键技术，包含瓦斯富集区靶向精准抽采技术、低渗煤层增透及注气驱替增流抽采技术、关闭矿井瓦斯逃逸通道封堵及强化抽采技术、瓦斯富集−提浓−利用一体化技术，目的是大幅提升高浓度瓦斯抽采−利用效率，减少低浓度及通风瓦斯碳排放。

1）瓦斯富集靶向区辨识及精准抽采技术。瓦斯富集靶向区辨识是提高抽采设计可靠度、增强煤层瓦斯抽采效率的基础，能够有效降低煤炭开采中甲烷碳排放。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^[33]、高位环形裂隙区^[34]、“椭抛带”^[35]、圆矩梯台带^[36]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。近些年来，笔者团队基于采动裂隙椭抛带理论，构建了多因素影响下的压实区演化综合效应模型，并提出了“采空区环形卸压瓦斯富集区精准辨识+富集区内高效抽采设计”的采空区卸压瓦斯精准高效抽采技术^[37]；运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法，开展不同煤层倾角条件下采动覆岩卸压瓦斯靶向区裂隙演化规律的研究，建立了靶向区演化煤层倾角效应模型^[30]（图3）；采用二维物理相似模拟试验分析覆岩裂隙分布特征和瓦斯运–储区的几何变化规律，探究不同推进速度下运–储区随周期来压交叉融合的变化特征，建立瓦斯运–储区的推速效应量化表征模型，揭示推进速度影响下瓦斯运–储区的对称周期性构建机制^[38]；以分形理论和灰色理论为基础，运用平面物理相似模拟实验研究的手段，开展了仰斜综采面覆岩瓦斯缓渗区裂隙演化规律研究，得到了倾斜厚煤层仰斜综采面覆岩瓦斯缓渗区的分域方法及分形特征^[39]。结合以上成果为实现煤层瓦斯精准抽采功效最大化奠定了理论基础。

图  3  倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区分布^[30]

Figure  3.  Distribution of target area for pressure relief gas drainage in inclined thick coal seam^[30]

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2）低渗煤层增透及注气驱替增流抽采技术。我国深部煤层普遍具有低透气性特征，强化瓦斯抽采的根本目的是达到煤层瓦斯“应抽尽抽”水准，提升高浓度瓦斯抽采效率。常规手段包括煤层增透及注气驱替增流抽采技术。笔者建立了多场景精准增透技术体系，如图4所示，主要包括水力化系列措施、无水化措施以及深孔预裂爆破增透等技术^[10]。

图  4  多场景精准增透技术体系及发展

Figure  4.  Multi-scene precision anti-reflection technology system and development

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近年来，一些新型的增透技术得到研发，如：可控冲击波增透^[40]、氧化钙无焰爆破致裂^[41]等，丰富了精准增透体系内容，笔者则利用超声致裂增透试验系统，开展了不同功率超声波致裂作用后煤体单轴压缩试验，借助声发射监测系统及利用高清相机，研究超声波致裂作用下煤体力学损伤参数及能量演化规律，为超声波致裂增渗技术的现场应用及工艺参数优化提供指导^[42]。随着双碳背景的进一步深化，对于增透技术而言，更应注重多工艺联合使用，装备技术应用集约化，建立增透效果提升与环境保护、资源节约协同发展技术模式，如：水力化增透措施中水资源保护与循环利用、无水化致裂措施中矿井生态平衡维持以及多种增透技术集成降低能耗、提升适配度等。

注气驱替增流技术方面，主要以注液态N₂与液态CO₂ 2种媒介为主，以上2种流体具有低温、低黏、相变增压的特性，将其注入煤体后在冷冲击与相变压力作用下，煤体微观结构产生损伤，增加了煤体透气性，改变了煤体渗透率；与此同时，二者相态转化后，气态的CO₂、N₂在其渗流范围内起到驱替瓦斯的作用，达到强化瓦斯抽采的目的。笔者则根据注气驱替煤体瓦斯增流机制的不同，从气体因素、注能改性2方面厘清了注气驱替煤体瓦斯增流机制，气体因素增流机制包括：充能携载、分压促解、稀释促扩散、竞争吸附：注能改性增流机制包括：充能扩孔、促解扩孔、充能拓孔、脉冲气流损伤孔隙结构/展布裂隙网络，并提出了多方法协同注气驱替增流抽采瓦斯技术^[31]。

3）关闭矿井甲烷逃逸通道封堵减碳技术。煤矿关闭或废弃后，甲烷排放的主要通道包括井口、通风口和采动裂隙带。国内外研究者普遍认为，密封良好的废弃煤矿井可以被视为潜在的气藏，有助于减缓温室效应，同时降低抽采中的漏风问题，提高采煤效率，其中采空区及其上覆岩层甲烷逃逸通道是主要研究热点。如图5所示，为采空区及覆岩采动裂隙残存甲烷排放路径，采动作用导致甲烷在裂隙带顶部形成富集区，回采工作面的推进造成上覆岩层发生变形，岩层裂隙的不断扩展沟通地表岩层或土层，采空区及富集区的甲烷沿着裂隙网络运移、渗流最终从裂隙网络等逃逸通道排放至大气。

图  5  采空区覆岩采动裂隙及残存甲烷排放路径

Figure  5.  Abandoned/closed coal mine mining-induced fractures and residual methane emission path

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针对覆岩裂隙甲烷逃逸通道封堵问题，主要以人工覆岩隔离注浆技术、矿化反应裂隙自修复技术、微生物介导强化碳酸钙沉淀封堵裂隙技术等。轩大洋等^[43]提出了覆岩隔离注浆充填绿色开采技术，可通过在关键层下的主层位实施高压注浆（粉煤灰、煤矸石、煤泥等），将下方覆岩的卸荷膨胀量重新压缩转化为可充填空间，封堵采动裂隙的同时大幅提升上覆岩层的密封性和稳定性；李全生等^[44]以神东矿区为试验区，开展了覆岩裂隙岩体自修复规律的工程实践和理论研究，提出了应力压实（初期）结合水−CO₂−岩作用（后期）的裂隙自修复机理；鞠金峰等^[45]通过将CO₂与金属离子反应剂（Ca²⁺和Fe³⁺）注入覆岩裂隙，发生矿化反应生产了胶结沉淀实现了覆岩导水裂隙的修复功能；梁运培等^[20]提出了CO₂直充采空区−裂隙带注高碱性Ca(OH)₂溶液的方法，通过气液对流扩散以及阴阳离子交互作用快速实现Ca²⁺矿化沉淀封堵采动裂隙网络；钱春香等^[46]以含Ca²⁺的覆岩裂缝环境为研究对象，发现了细菌介入可诱导加速CaCO₃沉积生成，实现微生物对裂缝的快速修复。基于以上学者专家提出的裂隙封堵修复方法可以发现，其实质为化学反应产生胶结沉淀进行裂隙封堵，然而采空区常温微压状态下的化学反应动力学机理及效率需进一步采用创新理念加速反应，提升封堵修复机能；化学试剂注浆对矿区水环境的污染问题也不可忽略。

4）瓦斯富集−提浓−利用一体化技术。当前我国基本已经形成了较为完善的煤矿瓦斯全浓度梯级利用技术模式，见表1^[21]，高浓度（30%～80%）瓦斯主要以直燃发电以及煤化工用途为主，利用率普遍能够达到60%以上，典型项目如沁水寺河120 MW瓦斯发电厂（世界第一）；低浓度瓦斯（6%～30%）发电利用技术已具备成熟的商业化模式，但普遍工作效率较低，仅为20%～30%，且存在附属伴生污染物（排放NO_x）的短板，典型项目如谢桥矿低浓度瓦斯氧化发电系统研发项目；对于超低浓度瓦斯（1%～6%）利用主要以蓄热氧化、多孔介质预混燃烧、脉动燃烧和催化燃烧等技术为主，典型项目如彬长矿业小庄矿超低浓度瓦斯综合利用项目；甲烷体积分数<1%的乏风瓦斯，其主要利用技术包括瓦斯蓄热氧化、掺混燃烧发电等，典型项目如大佛寺煤矿瓦斯梯级利用；但超低浓度及乏风瓦斯利用率仅为≤2%，均存在燃烧稳定性差、产热有限、技术效益较低问题，导致商业规模化推广遇阻。

表  1  煤矿瓦斯全浓度梯级利用技术及典型项目^[21]

Table  1.  Coal mine gas full concentration cascade utilization technology and typical projects^[21]

分级	甲烷体积分数/%	利用途径	利用率/%	技术成熟度	典型项目
高浓度瓦斯	30～80	直燃发电、化工用途、提浓制CNG/LNG	≥60	工业应用	沁水寺河120 MW瓦斯发电厂（世界第一）
低浓度瓦斯	6～30	瓦斯余热发电、提纯制民用燃料	20～30	工业应用	谢桥矿低浓度瓦斯氧化发电系统研发项目
超低浓度瓦斯	1～6	稀释+蓄热氧化+供热/发电、贫燃催化 燃烧汽轮机发电	≤2	较成熟	彬长矿业小庄矿超低浓度瓦斯综合利用项目
乏风瓦斯	＜1	浓缩分离提浓、蓄热氧化+催化氧化、助燃空气	≤2	较成熟	大佛寺煤矿瓦斯梯级利用

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根据前述利用情况可以发现，我国煤炭甲烷高排放的直接原因是（超）低浓度和乏风瓦斯的大量排空，因此开展瓦斯富集−提浓−利用一体化技术研究，提高低浓度和乏风瓦斯利用率是减少煤炭甲烷排放的关键途径。晋煤集团铭石公司负责实施的煤矿低浓度瓦斯直燃制热一体化技术，在成庄矿白沙风井已成功替代燃气锅炉；山西蓝焰煤层气集团有限责任公司与四川达科特及澳大利亚盖氏科技合作研制了不同类型吸附剂的撬装式和工厂化提纯工艺装备，通过变压吸附提纯技术（PSA）实现了低浓度瓦斯的提纯增效目的；潞安集团与中煤科工重庆研究院等单位合作建成了潞安高河乏风瓦斯氧化发电项目正式并网发电并稳定运行；中国矿业大学周福宝团队提出了基于固体氧化物燃料电池的低浓度瓦斯清洁高效利用技术，可将（超）低浓度瓦斯的化学能直接转化为电能，具有发电效率高和清洁无污染的显著优势。

为了全方位打造瓦斯综合利用近零碳排放工艺体系，助力煤炭行业碳中和目标实现，应当进一步从技术革新及装备开发方面系统开展瓦斯全浓度梯级利用一体化示范研究，积极对接煤电、机械、材料以及清洁能源行业先进工艺，完善瓦斯利用领域“上−中−下”全产业链低碳循环发展路径，大幅提高（超）低浓度和乏风瓦斯富集−提浓效能和利用率，从根本上减少甲烷碳排放。

3.2   “CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术

1）深部煤层CO₂封存。国内针对深部煤层CO₂封存技术的探索主要以基础研究结合先导性工程试验为主，具备碳减排与驱替煤层气（瓦斯）增加经济效益双重作用。目前仅有沁水−鄂尔多斯盆地的柳林和柿庄开展的国内首个深部煤层注入/埋藏CO₂开采煤层气技术研究项目可作为现场试验参考对象，为我国煤层CO₂封存技术应用推广奠定了重要基础^[47]。研究重点集中于细微观尺度上的CO₂−CH₄气体吸附置换及驱替机理^[48]、流固耦合条件下的煤岩体结构破坏^[49]、CO₂−水−煤岩体物化反应机制^[50]、CO₂注入对煤岩体孔隙结构影响^[51]等；宏观工程尺度的研究主要通过数值模拟、岩体力学试验等手段开展CO₂封存地质体结构稳定性、盖层密闭性以及CO₂运移−渗流−泄漏^[52]等内容研究；深部煤层CO₂封存潜力评价方面，主要CO₂吸附解吸实验为基础，建立煤层CO₂封存容量评价模型（物理），进一步分析其理论封存量及有效封存量，并建立了以适宜性评价方法、封存容量评估方法、封存选址方法、源汇匹配所构成的CO₂地质封存潜力评价方法体系^[15,47]。

如图6所示，笔者从盖层稳定性、储层密闭性以及断层稳定性3方面构建了深部煤层CO₂封存储盖组合地质体力学稳定性评价指标体系，根据熵权法确定各指标权重，运用双基点法对多时空维度下CO₂封存安全状态进行偏序比较，并采用改进哈斯图法划分各评价方案层次，确定不同时空效应下CO₂封存储盖组合地质体的稳定性等级；基于集对分析与可拓学耦合理论确定可拓关联函数值并得到评价指标与研究对象的从属关系，进而确定某一限定状态下CO₂封存地质体可能发生的风险种类及风险程度，最终建立深部煤层储盖组合地质体系力学失稳及CO₂渗漏评价方法。

图  6  深部煤层CO₂地质封存安全性评价体系

Figure  6.  Safety evaluation system of CO₂ geological storage in deep coal seam

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2）工业固废采空区充填协同CO₂地质封存。采空区作为CO₂封存潜在地质体，得到了国内外众多学者的广泛关注。国外关于关闭矿井或煤矿采空区CO₂封存的技术研究与应用多集中于德国、比利时等欧洲国家，ANDREAS BUSCH等^[53]和BERNHARD M. KROOSS等^[54]提出了利用废弃矿井吸储纯CO₂或烟道气，探讨了采矿固废回填与CO₂吸储协同技术的可行性，并以西德鲁尔地区废弃的韦斯特法伦煤矿为研究目标，量化分析了该矿井CO₂吸储潜力；PARIA JALILI等^[55]通过分析深度、煤炭储量、密封性等因素，评估了位于新南威尔士州和昆士兰州的废弃煤矿中CO₂隔离的潜力。国内关于煤矿采空区CO₂吸储的相关研究还处于理论构想及可行性分析阶段，王双明院士等^[56]探讨和展望利用煤炭开采、地下气化及原位热解等形成的扰动空间进行CO₂地下吸储的技术途径；刘浪等针对采空区碳吸储技术，提出了基于功能性充填的CO₂储库构筑与吸储方法学术构想^[57]；笔者^[17]则聚焦全生命周期煤矿CH₄−CO₂近零碳排放理念，提出了CO₂煤矿采空区吸储与植被固碳技术。

CO₂在采空区中的封存形式主要包括物理封存（构造封存、残余气封存）与化学封存（溶解封存、矿化封存）。就安全性而言，化学封存尤其是矿化封存被认为是安全性最高的封存方式。采空区CO₂封存技术中构造及束缚气封存占到了地质封存总量的绝大部分，但根据现有研究发现，后期CO₂泄漏风险较高，采用更有效的强化固碳技术是未来的发展方向之一，工业固废采空区充填协同CO₂地质封存技术，可有效解决自然状态下关闭矿井采空区CO₂化学吸储反应缓慢的问题。笔者及其团队构建了工业固废采空区充填协同CO₂地质封存技术体系（图7a），其整体思路为：在地面将碱性工业固废（粉煤灰、钢渣、电石渣、镁渣等）预制成浆，通过化学改性方法进一步提升金属阳离子含量（如Ca²⁺、Mg²⁺等），与CO₂混注进入采空区，通过增大反应接触面积以及钙镁等金属阳离子含量等加快化学封存反应速率的同时起到充填采空区缓解下沉的作用，作者则进一步通过明确环境温压条件、采空区水环境对界面张力（IFT）及CO₂溶解度的影响规律，阐明CO₂−地层水气液界面效应及溶解传质机理（图7b）所示，以期为采空区CO₂封存安全性及封存量评估提供理论基础^[58]。

图  7  工业固废采空区充填协同CO₂地质封存

$p_{th}^c $—封存安全阈值；${p_{_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}}} $—注入的CO₂压力；p₀—储层流体压力；γ—气液界面张力；θ—接触角；R—盖层中最大的孔喉或裂缝直径

Figure  7.  Industrial solid waste goaf filling synergistic CO₂ geological storage

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3）煤矿碳封存区域土壤−地表−大气异常监测及生态碳汇技术。在碳封存技术中，CO₂可能会出现异常泄漏问题，将会对周围人员、环境产生严重影响，所以对于煤矿CO₂泄漏监测是碳封存系统安全保障的重要环节。王昊等^[59]在剖析CO₂泄漏进入地下含水层后的空间运移及时间响应特征的基础上建立了面向黄土塬地区CO₂驱油封存CO₂泄漏的全时空立体化地下水监测体系；蒋金豹等^[60]通过高光谱遥感监测地表植被变化进一步间接探测了CO₂轻微泄漏信息；程萌等^[61]利用CO₂模拟泄漏平台，开展了不同CO₂泄漏速率下水稻生长、稻田土壤性质与土壤细菌组成及多样性的变化特征研究。笔者构建了煤矿碳封存区域土壤−地表−大气异常监测体系（图8），大气监测方面主要以红外激光气体分析技术为主，例如便携式红外气体分析仪、机载红外激光气体分析技术以及大气监测站和卫星监测等；近地表监测包括卫星/无人机遥感监测、超光谱成像技术等等；土壤监测包括土壤碳含量、菌落、气体（以CO₂为主）以及水质监测等；其中针对地表植被监测及固碳能力研究方面，笔者进一步提出了典型煤矿采空区地表植被改良及固碳机制，包含了植物筛选与评估（CO₂耐受度）、CO₂对土壤碳库及土壤理化性质的影响以及光合富碳捕获−生物炭碳封存技术开发及碳中和效果估算等方面内容，以期为煤矿区“双碳”目标实现提供新思路。

图  8  煤矿碳封存区域土壤−地表−大气异常监测及生态碳汇技术

Figure  8.  Soil-surface-atmosphere anomaly monitoring and ecological carbon sink technology in coal mine carbon sequestration area

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3.3   全生命周期煤矿CH₄−CO₂排放智能监测及动态管控技术体系

当前，针对CH₄与CO₂排放的智能监测技术多以地区型−国家型−全球型的大范围监测手段为主。见表2，为目前部分国内外煤炭CH₄、CO₂监测技术发展情况，基本以温室气体监测卫星/碳卫星或大气环境监测卫星为主。

表  2  部分国内外煤炭CH₄、CO₂监测技术发展情况^[21]

Table  2.  Development of coal CH₄ and CO₂ monitoring technology at home and abroad^[21]

国家或地区	年份	技术、装备或系统	监测气体
欧洲	2002	极轨对地环境观测卫星Envisat(Environmental Satellite)-1（全球第一个能测量甲烷含量的温室气体监测卫星）	CH4
美国	2002	温室气体监测卫星AQUA/AIRS	CH4
欧洲	2017	TROPOMI卫星，可用作了解全球范围内较大排放源的甲烷排放	CH4
美国	2022	MethaneSAT卫星，可绘制和量化200 km范围内含量为2×10−9的甲烷排放	CH4
中国	2017	温室气体监测卫星FY-3D/GAS	CH4
中国	2018	温室气体监测卫星GF-5/GMI	CH4
中国	2016	在酒泉卫星发射中心成功发射首颗碳卫星（TanSat）	CO2
中国	2022	太原卫星发射中心成功将大气环境监测卫星发射升空，可实现全球范围CO2的主动激光高精度、全天时探测	CO2

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但针对煤炭企业CO₂与CH₄监管技术仍存在碳排放监测技术手段与瓦斯抽采−利用环节、燃煤发电等环节匹配适应度不够，碳排放监测管控云平台与煤矿全局监控系统对接程度不足等问题，需进一步得到重视和推行，从精准度、高匹配度、智能化等角度，建立政策驱动−技术适配−精准核算模式下的煤炭企业全生命周期CH₄−CO₂排放智能监测及动态核算体系，主要应该从以下几方面开展工作：

1）建立健全矿井瓦斯全流程监管体系。针对CH₄减排应遵循源头减碳的核心理念，从井下抽采阶段、矿后活动等精准监测甲烷排放情况，中国安全生产科学研究院突破了颗粒煤甲烷残余量测定、等效粒径快速计算、矿井回风极低浓度甲烷排放量精准计量等核心技术，建成了国内首套矿井甲烷排放智能监测计量系统。还应进一步在煤气共采阶段试点监测中，通过开展“卫星+无人机+走航”综合监测，大幅提升生产过程中CH₄无组织排放核算的全面性和准确性。

2）构建火电等重点CO₂排放单位动态监测与核算机制。积极推动火电等行业研发搭载CO₂排放在线监测系统，完善行业企业碳排放核算机制，建立健全重点产业碳排放核算方法，推动适用好、成熟度高的核算方法逐步形成国家标准；加强动态排放因子等方法在国家温室气体清单编制中的应用。

4.   思考与建议

4.1   继续深化“高效精准抽采+全浓度梯级利用”煤矿CH₄零排放技术模式

CH₄作为煤炭开采行业主要碳排放源，增温潜能（GWP）是同量CO₂的21倍，基于源头减碳的可持续发展理念，继续深化以“高效精准抽采+全浓度梯级利用”为核心的煤矿CH₄零排放技术模式，应当从以下两方面开展：

1）积极完善并落实“抽采体系低碳化−钻孔施工精准化−装备开发智能化−流程调控动态化”的瓦斯高效精准抽采发展路径，从技术整合和装备革新层面强化煤层瓦斯抽采效率的同时保障整个抽采体系的“双低”（低能耗、低碳排放）运行，例如，构建以地质透明化结合瓦斯富集区辨识为理论基础、以多层位“钻−护−封”一体化盾构成孔及智能精准增透为核心的“采前−采中−采后”全流程高浓度、大流量瓦斯智能抽采技术体系，从源头提质增效，弱化乏风瓦斯综合利用效率较低的弊端。

2）大力推广（超）低浓度和乏风瓦斯综合利用成熟技术，建立一系列瓦斯清洁低碳利用工业示范基地。积极推进各矿区搭载先进瓦斯利用新技术，例如艾仁曼环境技术（上海）有限公司开发的乏风与低浓抽排瓦斯掺混、蓄热式氧化炉（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）、余热蒸汽锅炉的组合系统；袁亮院士团队建立了低浓度瓦斯安全稳定燃烧的理论体系，自主研发了煤矿低浓度瓦斯安全稳定燃烧技术；彬长小庄矿实施的超低浓度瓦斯综合利用项目，该项目可将0.3%～1.2%的超低浓度瓦斯输入RTO氧化炉中氧化蓄热，采用蒸汽余热实现矿区供暖。对于超低浓度及乏风瓦斯综合利用应注重降本提效问题，更有利于技术规模化推广应用。

4.2   持续攻关“CO₂工程封存+生态碳汇”CO₂零排放技术体系

1）CCUS是目前实现化石能源低碳化利用的主要技术选择，深部煤层及采空区CO₂工程封存的工业化示范及规模化应用依赖于技术模式及施工成熟度的提升、整体应用成本的下降以及政策法规的相关保障等方面。深部煤层CO₂封存技术需进一步从目标区域封存潜力与适宜性评价、源汇匹配与管网输送因素、封存效能动态监测及风险预警防范措施等方面开展体系化的整合研究；采空区CO₂封存在经济效益方面势能较弱，应积极结合工业固废充填技术、覆岩隔离注浆技术、强化抽采采空区瓦斯技术等作为运行补充措施，推动企业主动开展技术攻关与应用。

2）生态碳汇作为矿区绿色可持续发展的工作重心，应当将矿产资源开发形成的碳源/汇与区域生态系统碳循环机制交织耦合，构成独特的矿区碳循环系统。积极开展煤矿区典型植被碳汇功能增强技术开发，构建“地上植被−地表生物覆被层−地下植物根系与菌落”协同固碳机制；进一步探索采空区作为“储气库”功能性气肥运作模式，强化区域光合固碳作用。

4.3   积极探索煤矿“零碳智慧园区”综合解决方案，形成激励和倒逼并重的煤矿碳减排政策支持体系

1）构建“零碳智慧园区”是煤矿区实现碳中和的终极目标。通过旧矿区升级改造及新矿区零碳搭建模型落地，以数字化、智能化整合节能、减排、固碳、碳汇等碳中和措施，保证煤炭开采−瓦斯抽采（煤层气开发）−瓦斯清洁利用全流程零碳运行，依托智慧园区零碳操作平台，动态感知碳排放−碳吸纳全过程，完善风−光−电−地热等新能源开发和利用，实现园区内部碳排放与吸收自我平衡，生产生态生活深度融合的新型产业园区。

2）煤形成激励和倒逼并重的煤矿碳减排政策支持体系。完善并强化甲烷、二氧化碳减排规章制度，推动《煤矿安全规程》《中华人民共和国安全生产法》等法律法规修订工作，以适应新形式下的碳减排现状；制定能源转型和低碳发展相关法规，使约束条款具体化的同时完善碳核算、碳交易市场，在技术应用推广上建立奖惩和问责机制，保证社会经济与科学技术的共同发展；创新完善经济激励政策，推动具有煤矿碳减排效益的项目纳入生态环境导向的开发项目库；完善温室气体自愿减排交易机制，支持符合条件的甲烷利用和减排项目开展温室气体自愿减排交易，鼓励甲烷排放控制工程项目开展气候投融资。

5.   结　　论

1）以煤炭生产及其下游加工利用企业碳减排为分析视角，提出了双碳战略中煤气共采技术发展面临的挑战。高浓度瓦斯抽采−利用效率亟需提高，低浓度及通风瓦斯碳排放量逐年增加；极端天气及油气能源依存不稳定性加剧煤炭生产及其下游加工利用行业碳排放；全生命周期CH₄−CO₂动态监测及管控技术体系不完善。

2）基于现状需求−技术攻关−政策驱动的核心原则，探讨了双碳战略中煤气共采技术发展路径。碳达峰阶段核心任务是实现CH₄抽采零排放−CO₂低排放，CH₄减排以排放源管控为基础视角，核心为瓦斯抽采−利用全周期碳减排关键技术；CO₂减排以“CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术为主体内容。碳中和阶段任务是实现CH₄−CO₂（近）零碳排放，构建技术可靠−成本低耗−长时安全的碳减排模式，并建立全生命周期煤矿CH₄−CO₂排放智能监测及动态核算技术体系，实现监测管控技术手段与碳排放环节深度匹配、碳排放监测管控云平台与煤矿全局监控系统深度对接。

3）提出了煤矿区“双碳”目标实现的思考与建议：继续深化“高效精准抽采+全浓度梯级利用”煤矿CH₄零排放技术模式；持续攻关“CO₂工程封存+生态碳汇”CO₂零排放技术体系；积极探索煤矿“零碳智慧园区”综合解决方案，形成激励和倒逼并重的煤矿碳减排政策支持体系。