Biomass energy storage and geological safeguards in underground coal mine spaces
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摘要:
煤炭作为我国的主体能源，开采后遗留的地下空间既具有资源利用价值，也对环境存在潜在危害。因此，如何合理、高效地开发煤矿遗留空间资源是煤炭工业可持续发展亟待解决的关键问题。鉴于此，通过系统梳理煤矿地下空间利用特点和有机垃圾资源化需求，提出了基于采煤地下空间的“可减量（Reduce）、可再用（Reuse）、可循环（Recycle）、可再生（Renew）、可再储（Restore）、可恢复（Recover）”的发展理念，构建了“煤矿地下空间有机垃圾资源化利用”的生物质储能模式，即将煤矿遗留地下空间改造为储能介质，实现有机垃圾的资源化利用，阐明了煤矿空间生物质储能及地质保障科学特征及内涵。综合考虑煤矿地下空间储能的封闭性、恒温性和容量优势以及生物质储能特征，提出了好氧空间利用模式、厌氧空间利用模式、热解空间利用模式3种储能实现路径。煤矿空间生物质储能地质保障的科学技术难题包括：储能环境适宜性评价与分析、储能空间合理规划与高效利用、地质体性能演化与全周期运行状态感知、资源化产物精准对征利用与储能空间循环再造。研究为煤矿地下空间高效开发与有机废弃物绿色处理提供了创新性思路，助力煤炭行业实现产能优化与生态效益的双重提升。
Abstract:Coal remains China’s primary energy source, with post-mining underground spaces offering both resource utilization opportunities and environmental risks. Efficient and sustainable development of these residual spaces is crucial for the coal industry’s future. This study systematically examines the utilization characteristics of underground coal mine spaces and the requirements for organic waste resource management. A comprehensive biomass energy storage framework based on the principles of Reduce, Reuse, Recycle, Renew, Restore, and Recover (6R) is introduced. This framework transforms abandoned underground areas into viable energy storage media, thereby facilitating the resource recovery of organic waste and elucidating the scientific attributes and implications of biomass energy storage coupled with geological safeguards. Three implementation pathways are proposed: aerobic utilization, anaerobic utilization, and pyrolysis-based utilization, each leveraging the inherent advantages of underground environments such as stability, constant temperature, and large capacity. Additionally, key scientific and technological challenges are identified, including environmental suitability assessment, spatial planning and optimization, geological property evolution monitoring, precise resource product utilization, and the cyclic regeneration of storage spaces. This research introduces innovative strategies for the efficient exploitation of underground coal mine spaces and the environmentally friendly treatment of organic waste. It facilitates the coal industry's achievement of both capacity optimization and enhanced ecological performance.
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0. 引 言
煤炭作为我国的基础能源和工业原料，发挥着能源安全稳定器和压舱石的作用[1-3]。迄今为止，累计产量已超过950亿t[4-5]。然而，随着煤炭开采的深入和政策的调整（如去产能、“双碳”目标等），部分煤矿相继关停或废弃，遗留了大规模的空间资源[6]。据估算，累计的地下空间总量已超过156亿m3[7-8]。若遗留空间直接废弃或未合理利用，在造成资源浪费的同时，还会诱发安全、环境、社会问题[9-10]。为此，探索安全、高效的地下空间开发与利用策略，对于保障我国的能源安全、推动绿色可持续发展发展具有深远的战略意义[11-12]。
随着对煤矿地下空间利用的研究深入，众多的空间利用模式随之被提出[13-14]。储能模式通过改造煤矿的地下空间，结合现有的储能技术，实现对风能、电能、热能、生物质能等的储存。该模式有效地利用了地下空间资源，降低了储能的成本，促进了煤炭开采与清洁能源的协同发展[15-16]。目前，抽水蓄能技术、压缩空气储能技术、热储能技术是储能模式的主要构想及实现途径[17]。较于此，生物质储能研究起步较晚，在煤矿地下空间储能领域尚未引较大的关注。但该储能技术具有碳中性的特点，有助于实现能源结构低碳转型和双碳目标[18-19]。同时，我国生物质资源丰富，如有机垃圾，据《中国统计年鉴》，我国各类生活垃圾呈逐年上升趋势，2022年生活垃圾清运量可达2.44亿 t[20]。此外，有机垃圾规模巨大、组分较为复杂且潜在污染源较多，其在实现其生物质储能过程中其处置空间选择尤为重要[21]。因此，利用煤矿遗留地下空间进行有机垃圾等生物质资源的储能，在充分发挥其优势的前提下，又能减少地面土地资源占用、克服生物质原料对生态环境的影响，是一种实现煤矿遗留地下空间储能的新范式，具有良好发展前景。
基于此，笔者通过分析煤矿地下空间、有机垃圾资源化利用的现状，阐明煤炭开发地下空间有机垃圾资源化的科学理念、内涵，提出了煤矿地下空间生物质储能的实现路径及面临的技术难题，为煤矿地下空间储能利用提供了新的思路。
1. 煤炭开发遗留地下空间及有机垃圾资源化利用研究现状
1.1 煤炭开发遗留地下空间利用现状
煤矿关停后对遗留地下空间资源的综合利用为资源型城市提供了转型发展的方向[22]。20世纪60年代起，欧美国家开始了该方面的探索，如德国的鲁尔矿区改造为休闲空间；美国建成全球首座煤矿地下储气库；荷兰开发地热供暖系统；芬兰、加拿大则将废弃矿井用于教育旅游和鱼苗养殖等[23-25]。我国在煤矿地下空间利用的研究起步较晚。但随着我国供给侧结构性改革深入，该问题成为关注焦点。谢和平等[24]提出了煤矿地下空间容量估算方法及一体化利用理念。王双明等[26]研究了煤矿扰动空间CO2封存的技术途径。王家臣等[27]阐明了我国煤炭地下空间综合利用方向。冯国瑞等[28]提出了群柱遗煤与地下空间协同开发的思路。刘钦节等[29]设计了地下空间分类分级利用模式。李百宜等[30]构建了井下采空区储能式充填模式。卞正富等[31]阐明了废弃矿井抽水蓄能的内涵及建设的关键因素。同时，我国也建设了一批工程示范项目。如，云冈巷道压缩空气储能电站、南湖城市中央生态公园、潘安湖湿地公园等[32-33]。综上，煤矿地下空间的主要利用模式可分为储能、仓储、经济利用、生态发展等（图1）。然而，受限于利用成本及技术发展程度，地下空间尚未大规模开发，煤炭开发地下空间资源利用仍需进一步探索。
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图 1 煤炭遗留地下空间资源利用模式Figure 1. Resource utilization model for underground spaces left by coal mining activities1.2 有机垃圾资源化处理发展现状
有机垃圾是指餐厨垃圾、园林垃圾、农田垃圾和有机淤泥等富含有机物质的废弃物，其成分复杂，含有大量易腐有机质和病原菌，易对环境造成污染[34-35]。但因其富含有机质，具备较大的资源化利用潜力[36]。鉴于此，推进有机垃圾的资源化利用，既能促进绿色、低碳、循环发展，还能减轻垃圾处理对生态环境的压力。目前，常见的有机垃圾资源化处理技术包括焚烧发电、卫生填埋、好氧堆肥、厌氧消化等（图2）[37]。随着研究的深入，传统技术不断得到改进与优化。魏自民等[38]基于好氧发酵工艺提出了有机垃圾的快速稳定化构想。龙腾发等[39]从降解菌株角度出发提高了有机垃圾资源化的效率。王延凯优化了多源有机垃圾联合厌氧发酵技术。韩澳等[40]探讨了有机垃圾与燃煤机组耦合发电的可行性。ISEMIN等[41]和BOUCHAREB等[42]分别通过烘焙和纳米技术优化了有机垃圾处理工艺。尽管如此，技术本身仍存在一些不可避免的缺陷。如，焚烧发电、厌氧发酵产生副产品易对环境易造成污染，卫生填埋、好氧堆肥需占用大量的土地资源[43]。上述问题迫使有机垃圾的处置空间选取成为制约资源化利用的关键。
1.3 煤矿遗留地下空间有机垃圾资源化再利用的科学性分析
为应对环境污染、废弃物管理等问题，“3R”理念（即可减量（Reduce）、可再用（Reuse）、可循环（Recycle））逐步被提出，旨在通过减少资源消耗、提升利用率、促进回收，以实现经济、社会和环境的可持续发展[44]。但随着资源枯竭、生态危机加剧，“3R”理念的局限性日益显现。鉴于此，笔者在“3R”理念的基础上扩展了可再生（Renew）、可再储（Restore）、可恢复（Recover）三大原则，涵盖了资源开发、使用、回收、再生及生态修复的全生命周期管理体系（图3），为环境与资源问题提供系统化的理论框架。
基于煤炭开采遗留地下空间利用不充分以及有机垃圾资源化技术发展的现状，本文以“6R”理念为导向，提出了“煤矿地下空间有机垃圾资源化利用（Resource Utilization of Organic Waste in Underground Coal Mines，RUOWUCM）”的科学构想。这一构想实现了有机垃圾与煤矿地下空间的综合利用，是一种创新性的资源化处理模式。如图4所示，RUOWUCM模式充分利用煤矿遗留地下空间的特点，如空间容量大、地质结构稳定、安全性高等优势[45]，克服传统地表垃圾处理方式中所面临的规模大、占地多、易污染等问题。同时，该模式还满足了煤矿转型发展与废弃物循环再利用的双重需求，实现了煤矿地下空间生物质储能。
RUOWUCM模式具备以下优点：① 废物资源的循环转化提高了资源利用效率，符合“6R”理念中“可再用”和“可循环”的核心要求。② 该模式将垃圾处理场所从地表转移至地下，极大减少了土地占用，优化了城市土地资源的配置，符合“可减量”和“可再储”原则。③ 地下空间的封闭性有效控制了处理过程中产生的异味和渗滤液，减少了环境污染，符合“可恢复”和“可再生”理念。因此，该模式为煤矿地下空间的高效利用和有机垃圾的资源化处理提供了新的解决路径，具有广阔的应用前景和重要的现实意义。
2. RUOWUCM模式科学内涵
RUOWUCM模式基于煤炭开采后遗留的地下空间（如井筒、巷道、硐室、采空区等）的综合地质特征，将其改造为有机垃圾处置的功能性地质体，结合高效的生物质储能技术，实现废弃物规模化、资源化、无害化的处理。具体而言，依据遗留地下空间的类型、埋深、岩性、构造、容量等进行储能条件的识别，针对性对其功能性特征改造重塑，形成稳定性强、密闭性好、容量大的储能空间；考虑城市的有机垃圾种类、清运量、政策导向以及储能空间再造情况，合理选取高值化生物质储能技术，如化学转化、生化转化技术等，形成废弃物清洁、高效资源化利用；综合评估地下储能空间、有机生物质储能技术耦合效应，分析其在经济、环境和社会等方面所带来的城市效益，构建集生态修复与可持续发展于一体的废弃物处理与能源利用体系（图5）。
RUOWUCM模式在资源化利用过程中会引起储能地质体多维度、多尺度、多过程的联动响应[46-48]。因此，构建全方位地质保障技术体系对其健康、高效的运行至关重要。图6展示了RUOWUCM地质保障技术体系的框架与实施路径，主要内容如下：① 基于城市经济效益、社会效益、生态效益，探究RUOWUCM模式全生命周期运行的主控因素、物性参数、演化机理，搭建储前探查、储中监测和储后恢复的全链式地质保障体系；② 立足储前地质综合条件、岩性、空间规模与分布等特征，综合分析地地质条件约束及多相多场响应特征，形成储能地质体评价与探查一体化指标体系与方法，为遗留地下空间重构与无害化资源利用奠定基础；③ 重点关注储能地质体内菌群活性、资源化产物迁移及内部多场多尺度性能演化的特征，结合地球物理相关理论与技术，形成储中地质体多方位、全时空精准的评测与调控模式；④ 从绿色、循环、可持续发展的角度出发，探索集产物精准对征、空间循环再造、生态环境修复于一体的储后地质保障路径，形成资源循环高效利用与生态环境保护和谐共生的局面。
3. RUOWUCM模式实现路径
基于有机垃圾资源化处理技术，深入分析煤矿遗留地下空间的储能特性，笔者特提出好氧空间利用模式、厌氧空间利用模式以及热解空间利用模式，旨在实现煤矿地下空间生物质储能的科学构想（图7）。
3.1 RUOWUCM好氧空间利用模式
好氧空间利用模式通过将煤矿地下空间改造为堆肥反应器，实现有机垃圾的高效降解与资源化处理。具体流程如下：① 通过注入井将预处理后的有机垃圾、生物菌落（如细菌、放线菌、真菌等）、相关催化剂[34]注入地下反应器。② 为了维持微生物的活性，利用注气井持续供应氧气，以促进有机物质的生物降解过程。③待有机垃圾充分降解后，产出的有机肥料通过产料井抽取至地面的存储装置进行收集与利用（图7a）。
该模式充分利用了地下空间恒温、恒湿的特性，为堆肥过程中的温度控制提供了理想反应场所。同时，地下空间的封闭性有效避免了H2S、NH3等恶臭气体以及挥发性有机化合物的泄漏[34]，显著提高了有机垃圾资源化处理的环境友好性。
3.2 RUOWUCM厌氧空间利用模式
如图7b所示，厌氧空间利用模式在煤矿地下空间内构建高效、无害化的厌氧消化系统用于有机垃圾的资源化处理。其工艺流程与RUOWUCM好氧堆肥模式相似，但由于该模式在缺氧或无氧的条件运行，无需设置注气井。同时，在厌氧微生物代谢过程中，除残余的沼渣可可作为有机肥料外，还会产生大量CH4、H2等可再生气体[49]。因此，该模式还需配备产气井用于能源气体的收集。
RUOWUCM厌氧消化模式无需外部供氧，降低了能源消耗，并利用煤矿地下空间的恒温环境为厌氧微生物提供理想的发酵条件，提升了转化效率。此外，封闭的地下消化空间有效抑制了温室、异味气体的排放，减少了资源化利用对环境污染。
3.3 RUOWUCM热解空间利用模式
热解空间利用模式通过在煤矿地下空间进行有机垃圾与遗留煤体的共热解，实现地下空间、遗煤和有机垃圾的协同资源化利用（图7c）。该模式将经过分类、粉碎、脱水等预处理的有机垃圾与热解催化剂一同注入地下反应空间，并利用N2作为高温载热介质连续注入，促使有机质与遗煤在高温条件下发生分解，生成CH4、H2以及气态焦油等高附加值产物[35,50]。这些产物通过油气井抽取至地面进行分类、储存和利用。协同热解模式有效地整合煤矿地下空间资源、遗煤资源以及有机垃圾资源，减少了资源浪费，是一种高效、清洁煤矿地下空间生物质储能的实现途径。
3.4 RUOWUCM模式环境风险性分析
上述3种RUOWUCM模式的实现路径展现出资源化潜力，但也伴随着对环境的潜在威胁。遗留的地下空间虽具备良好的封闭性，但在开采扰动作用下不可避免的含有大量裂隙岩体和宏观裂隙。同时，储能过程中多相多场物化反应致使地质体产生累进式损伤，裂隙进一步扩展，易造成固液气产物渗漏，从而污染储能空间周边地下水、岩土体。为此，需在储能空间内设置隔离墙、防渗网等防护措施，并建立污染物监测系统，确保地质体密封性与稳定性，最大限度降低环境污染风险。
RUOWUCM模式运行初期投资相对较高，主要体现在储能空间改造与监测、设备投入等方面。然而，相较于传统垃圾处理方式，该模式能够有效节约土地资源、减少环境污染，并在长期运营中带来经济、环境等多重效益，是一种可持续的废弃矿井空间利用方案，具有广阔的发展前景。
4. RUOWUCM模式技术难题
为实现RUOWUCM模式高效、安全、稳定的运行，基于“6R”理念基本要求，从储前、储中、储后的地质保障角度出发，其主要的技术难题可分为4部分：煤矿地下储能赋存环境适宜性评价与分析、生物质储能空间合理规划与高效利用、储能地质体性能演化与全周期运行状态感知、资源化产物精准对征利用与储能空间循环再造，如图8所示。
4.1 储能环境适宜性评价与分析
储能环境适宜性是实现煤矿地下空间稳定储能的前提，思路如下：① 根据RUOWUCM储能路径特点，分析煤矿地下空间高效储能的关键主控因素，评估影响因素的权重，形成储能环境适宜性评价与选址体系；② 查明潜在储能区域的工程地质、水文地质特征，掌握储能地质体的物理力学性质、地质构造情况，确定地下空间的位置、类型、容量等空间分布信息；③ 综合分析储能空间赋存特征和地质环境条件，评估煤矿地下空间稳定性、封闭性等综合特性，探究目标区域的储能潜力。
4.2 储能空间合理规划与高效利用
储能空间合理规划与精准重构是煤矿地下空间高效储能的关键，思路如下：① 基于储能空间多源地质信息，考虑空间及内部遗煤等分布特征，确定目标矿井不同位置、类型的地下空间RUOWUCM模式实施路径，构建储能地质体精准利用体系；② 开展储能地质体物理模型试验及数值仿真研究，揭示原始地下空间功能性缺陷，结合围岩加固、封闭改良等关键技术，提出储能地质体针对性改造重构方案；③ 根据改造后空间容量、体积等特征，分析多源有机垃圾资源化仿真模型，掌握储能空间容量参数演化规律，为生物介质参数（如有机垃圾及催化剂注入速率、体量、时间等）精准调控提供科学依据。
4.3 地质体性能演化与全周期运行状态感知
储能地质体全周期性能演化特征与监测是煤矿地下空间安全储能的保障，思路如下：① 利用数值分析与仿真技术，构建地质体多相（固液气）、多场（化学场、渗流场、温度场、应力场、温度场）耦合模型，分析储能空间围岩累进损伤特性，预测表征储能空间全周期、多尺度性能演化规律；② 根据地质体仿真模结果及地质综合探查指标，考虑储能地质体健康影响因素，如温度、渗透率、密封性等，搭建地质体综合健康评价分析指标体系；③ 应用地球科学理论与工程技术手段，合理布设储能空间重点区域的监控点，形成对地质体及生物质转化过程的长期、多方位实时感知与健康评估。
4.4 资源化产物精准对征利用与储能空间循环再造
储能产物精准对征与地质体循环利用是煤矿地下空间健康储能的宗旨，思路如下：① 基于RUOWUCM储能路径生物质转化机理，分析多反应、多过程产物特征（如类型、相态、尺度、体量、迁移机制等），构建固、液、气产物高效收集系统；② 分离提纯资源化产物（如油气油水分离、CH4、H2提纯、有机肥料杂质去除等），增质加工终端产物，结合产物属性特征，形成产物精准对征利用体系；③ 考虑储后地质体安全状态、环境条件、地质概况等，构建储能空间循环利用价值与生态环境损伤评估指标体系，研发集空间再造与环境修复的成套技术与装备，实现煤矿地下空间可持续利用与矿井生态环境治理修复的双重目标。
5. 结 论
1）基于煤炭的地下空间开发与有机垃圾资源化共利用的科学性，提出了煤矿地下空间有机垃圾资源化利用的生物质储能模式，探讨了其科学内涵，构建RUOWUCM地质保障技术体系。该模式具有提高资源利用效率、节约地表占用、降低环境污染等优点，为煤矿地下空间的资源化利用提供了创新性路径。
2）通过分析有机垃圾资源化技术特性，结合煤矿地下空间稳定性、封闭性、遗煤资源，提出了三种煤矿地下空间生物质储能路径包括：好氧空间利用模式、厌氧空间利用模式及热解空间利用模式，拓宽了RUOWUCM运行策略与技术框架。
3）从全生命周期地质保障体系角度出发，探讨了储能环境适宜性评价、储能空间的合理规划与利用、储能地质体性能演化监测、资源化产物的精准对征利用与储能空间的循环再造四大技术难题，为RUOWUCM模式安全、稳定运行奠定了坚实的技术基础。
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图 1 煤炭遗留地下空间资源利用模式
Figure 1. Resource utilization model for underground spaces left by coal mining activities
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