再论废弃矿井利用面临的科学问题与对策.pdf

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第4 6 卷第1 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 .4 6N o .1 J a n .2 0 2 l i r 搿i 尊i j 尊∥;冀箨善蔓尊擞蕞 ; 攀i 鋈∥i 篝攀黉| | 斓缓攀 再论废弃矿井利用面临的科学问题与对策 袁亮1 ’2 ,杨科1 ’2 1 .安徽理工大学,安徽淮南2 3 2 0 0 l ;2 .合肥综合性国家科学中心能源研究院。安徽合肥2 3 0 0 3 1 摘要在经济发展新常态和供给侧改革背景下,关闭/废弃矿井数量逐年增多,仍遗留大量可开发 利用资源,开展关闭/废弃矿井资源开发利用意义重大。目前,相关研究工作仍相对滞后,难以系统 解决遗留能源资源及地下空间开发利用等方面存在的科学问题和技术瓶颈。基于山西省关闭/废 弃矿井资源禀赋与开发现状分析,结合关闭/废弃矿井遗留煤炭地下气化、遗留煤层气地面抽采、地 下空间储能储物等重大需求,亟需研究关闭/废弃矿井能源资源协同综合利用评价方法、固一液一气 及应力一位移一渗流一温度等多相多场动态演化机制、复杂遗留空间煤层气运移规律与储集成藏机 理、复杂岩体多场耦合作用机理及稳定性控制等4 个关键科学问题,攻克关闭/废弃矿井能源资源 协同利用安全与风险评价技术、遗留煤炭地下气化炉构建及气化工艺、遗留煤层气资源地面抽采与 利用、地下储库 储水、储油、储气等 库容探测与防渗等4 项关键核心技术。基于矿井全生命周期 绿色利用科学理念,以白家庄煤矿为例,提出了山西省关闭/废弃矿井遗留资源和空间资源“能源 化、资源化、功能化”协同利用综合性解决方案,创新了“政产学研用金”协同机制为基础的关闭/废 弃矿井能源资源精准开发与利用新模式。 关键词关闭/废弃矿井;煤层气;地下空间;矿井全生命周期;精准开发与利用 中图分类号T D 8 8 ;x 3 2 l文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 卜0 0 1 6 0 9 F u r t h e rd i s c u s s i o no nt h es c i e n t i f i cp r o b l e m sa n dc o u n t e r m e a s u r e si nt h e u t i l i z a t i o no fa b a n d o n e dm i n e s Y U A NL i a n 9 1 ”,Y A N GK e l 2 1 .A n “U 凡i 钾昭毋D ,5 c 如M e &死c 加2 9 ∥,髓m i n 鲫.2 3 2 0 0 l ,C 丘i M ;2 .m 觑机把矿E 艘御,,H 咖ic o 删 r e e 邢觇Ⅳo £i o 儿o f &i P n c e &n £e r ,月咖i2 3 0 0 3 1 , C h i ,m A b s t r a c t U n d e rt h eb a c k g m u n do ft h en e wn o 瑚a lo fe c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n ds u p p l ys i d er e f o r m ,t h en u m b e ro f c l o s e d /a b a n d o n e dm i n e sh a si n c r e a s e dy e a rb yy e a r ,l e a V i n gal a 唱en u m b e ro fe x p l o i t a b l er e s o u r c e s .I ti so fg r e a ts i g n i 矗c a n c et oc a n 了o u tt h ed e V e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fc l o s e c 沙a b a n d o n e dm i n er e s o u r c e s .A tp r e s e n t ,t h er e l a t e dr e s e a r c hw o r ki ss t i Ur e l a t i v e l yb a c k w a r d ,a n di t i sd i m c u l tt os y s t e m a t i c a l l ys o l v et h es c i e n t i f i cp r o b l e m sa n dt e c h n i c a l b o n l e n e c k si nt h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no ft h er e m a i n i n ge n e r g yr e s o u I ℃e sa n du n d e r g r o u n ds p a c e .B a s e do nt h e a n a l y s i so fr e s o u r c ee n d o w m e n ta n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fc l o s e d /a b a n d o n e dm i n e si nS h a n x iP m v i n c e ,c o m b i n e dw i t h t h em a j o rn e e d so fu n d e r g r o u n dc o a lg a s i 6 c a t i o n ,s u d ’a c ee x t r a c t i o no fc o a l b e dm e t h a n ea n du n d e r g r o u n ds p a c ee n e r g y s t o r a g e ,i ti su 昭e n tt os t u d yt h ee v a l u a t i o nm e t h o do fc o l l a b o r a t i V ec o m p r e h e n s i V eu t i l i z a t i o no fe n e r g yr e s o u r c e si n 收稿日期2 0 2 0 1 2 2 6修回日期2 0 2 卜0 1 一1 8 基金项目中国工程院咨询研究资助项目 2 0 2 0 一x z 标资助项目 2 0 1 9 1 1 0 1 0 1 6 责任编辑常明然 D o I 1 0 ,1 3 2 2 5 /j .c nk i .j c c s .Y G 2 0 .1 9 6 6 1 3 ;中国工程院院地合作资助项目 2 0 2 0 s 5 ;山西省揭榜招 作者简介袁亮 1 9 6 0 一 ,男,安徽金寨人,中国工程院院士。E m a i l y u a m _ 1 9 6 0 s i n a .c o m 引用格式袁亮,杨科.再论废弃矿井利用面临的科学问题与对策[ J ] .煤炭学报,2 0 2 l ,4 6 1 1 6 2 4 . Y U A NL i a n g ,Y A N GK e .F u r t h e rd i s e u s s i o no nt h es c i e n t i “cp m b l e m sa n dc o u n t e 唧e a s u r e si nt h eu t i l i z a t i o no f a b a n d o n e dm i n e s [ J ] .J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ,2 0 2 l ,4 6 1 1 6 2 4 . 移动阅读 万方数据 第1 期袁亮等再论废弃矿井利用面临的科学问题与对策 1 7 c l o s e d /a b a n d o n e dm i n e s ,t h em u l t i - p h a s ea n dm u l t if i e l dd y n a m i ce v 0 1 u t i o nm e c h a n i s mo fs o l i dl i q u i dg a sa n ds t r e s s d i s p l a c e m e n ts e e p a g et e m p e r a t u r ef o u rk e ys c i e n t i 6 ci s s u e s ,i n c l u d i n gt h em o v e m e n tl a wa n dr e s e r v o i ri n t e g m t i o n m e c h a n i s mo fc o a l b e dm e t h a n ei nc o m p l e xr e m a i n i n gs p a c e ,m u l t if i e l dc o u p l i n gm e c h a n i s mo fc o m p l e xr o c km a s sa n d s t a b i l i t yc o n t m l ,w e r es o l v e d ,i n c l u d i n gs 如t ya n dr i s ka s s e s s m e n tt e c h n o l o g yf o rc o l l a b o r a t i V eu t i l i z a t i o no fe n e r g yr e s o u r c e si nc l o s e d /a b a n d o n e dm i n e s ,c o n s t m c t i o na n dg a s i f i c a t i o np r o c e s so fu n d e 唱r o u n dg a s m e rf o rr e m a i n i n gc o a l , s u r f a c ep u m p i n ga n du t i l i z a t i o no fr e m a i n i n gc o a l b e dm e t h a n er e s o u r c e s ,a n du n d e r g m u n ds t o r a g e w a t e ra n dg a ss t o r - a g e T h e r ea r ef b u rk e yc o r et e c h n o l o g i e s o i la n dg a ss t o r a g ec a p a c i t yd e t e c t i o na n da n t i s e e p a g e .B a s e do nt h es c i e n - t i f i cc o n c e p to fg r e e nu t i l i z a t i o ni nt h ew h 0 1 el i f ec y c l eo fm i n e s ,t a k i n gB a i j i a z h u a n gC o a lM i n ea sa ne x a m p l e ,t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dac o m p r e h e n s i v es o l u t i o nf o rt h ec o l l a b o m t i V eu t i l i z a t i o no ft h er e m a i n i n gr e s o u r c e sa n ds p a c er e - s o u r c e so fc l o s e d /a b a n d o n e dm i n e si nS h a n x iP r o v i n c e ,a n di n n o v a t e san e wm o d eo fa c c u r a t ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a - t i o n o fe n e r g yr e s o u r c e so fc l o s e d /a b a n d o n e dm i n e sb a s e do nt h ec o l l a b o r a t i v em e c h a n i s mo f “g o v e m m e n ti n d u s t r y u n i v e r s i t yr e s e a r c hu s e rf u n d “ . K e yw o r d s c l o s e d /a b a n d o n e dm i n e ;c o a l b e dm e t h a n e ;u n d e r g m u n ds p a c e ;m i n el i f ec y c l e ;p r e c i s ed e v e l o p m e n ta n d l 】t i 】i z a t i o n 国家“十四五”规划纲要提出的经济社会发展 主要目标中要求生态文明建设实现新进步,能源 资源配置更加合理,利用效率大幅提高。在经济 发展新常态和供给侧改革背景下,随煤炭去产能 政策的推进,资源枯竭及落后产能矿井和露天矿 坑的关闭势在必行。关闭/废弃矿井中仍赋存煤 炭资源量约4 2 0 亿t 、非常规天然气近 50 0 0 亿m 3 ,以及丰富的地下空间、矿井水、地热 与工业旅游等资源。J 。据不完全统计,2 0 2 0 年 全国因化解产能或安全问题关闭煤矿数量达4 2 8 处,退出煤矿产能约1 .5 亿L /a 。充分利用关闭/ 废弃矿井中的能源及空间资源,将关闭/废弃矿井 资源开发利用纳入区域经济和社会发展中,实现 资源和资产二次回报,不仅能减少资源浪费,提高 去产能矿井能源资源开发利用效率,同时还可以 为关闭/废弃矿井企业提供一条转型脱困和可持 续发展的战略路径,进而推动资源枯竭型城市转 型发展。 欧美国家是关闭/废弃矿井开发利用的先驱,也 是废弃矿井开发利用技术最成熟的国家。自2 0 世纪 6 0 年代至今,美国、英国、德国、比利时等欧美国家针 对关闭/废弃矿井开展了相关的研究与实践,在理论 突破的基础上实施了地下空间储气库 如美国L e y d e n 煤矿地下储气库、比利时A n d e r l u e s 煤矿地下储 气库和P e r o n n e s 煤矿地下储气库 、废物处置库 如 德国A s s e 矿低中废物处置库、德国K o n r a d 铁矿低中 放废物处置巷道以及捷克R i c h a r d 石灰岩矿处置 库 、地下医院、冷库、实验室 如斯坦福大学修 建15 0 0m 极深地下实验室 、文件存储中心 I m nM o u n t a i n 地下文件存储中心 、瓦斯发电站 德 国北莱茵威斯特法利亚煤矿瓦斯发电站 、压缩空气 蓄能电站、抽水蓄能电站 德国P r o s p e r H a n i e l 煤矿 2 0 0M w 抽水蓄能电站 、地热能供暖制冷 荷 兰H e e r l e n 煤矿水热地热能开发 、矿山博物馆 如德 国然梅尔斯贝格矿山博物馆、波兰维利奇卡盐矿博物 馆和G u i d o 煤矿博物馆 等工程实践∞。8J ,对废弃矿 井遗留煤炭、非常规天然气、地下空间、建筑物与土地 等资源进行二次开发利用,形成了关闭/废弃矿井遗 留资源能源化、资源化和功能化利用模式,取得了极 大的资源环境与经济效益。 随去产能政策的逐步推进,我国关闭/废弃矿井 数量逐年增多,关闭/废弃矿井再利用刻不容缓。中 国工程院重大咨询项目“我国煤矿安全及废弃矿井 资源开发利用战略研究”的开展,初步完成了我国关 闭/废弃矿井二次开发利用的顶层设计。现阶段“工 业4 .o ”在能源场景中的应用势头强劲,精准开采、智 能感知、大数据分析等技术愈发成熟,赋能关闭/废弃 矿井相关遗留资源精准开发利用。但目前我国关闭/ 废弃矿井资源开发利用整体仍处于试验阶段,针对关 闭/废弃矿井遗留煤炭、煤层气、地下空间与土地等资 源开展了塌陷区治理 徐州潘安湖湿地公园 、煤炭 地下气化 山东新汶鄂庄煤矿煤炭地下气化 、塌陷 区光伏发电 大同熊猫电站、淮南漂浮式光伏电站 、 地热能利用 冀中能源水源/地源热泵 、建立储气 库 安徽含山石膏矿、金坛 、地下储水库 神东矿 区 、煤层气抽采 辽宁铁法矿区、晋城区块一晋圣永 安煤矿、岳城煤矿废弃矿井煤层气抽采、中节能宁夏 新能源股份有限公司下属乌兰煤矿卸压钻孔废弃矿 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 井瓦斯抽采 、国家地质公园 淮南大通国家矿山公 园、淮北国家矿山公园 和伴生矿产开发 淮北矿务 集团开采伴生高岭土 等方面的基础理论攻关和先 期工业试验。然而,关闭/废弃矿井智能精准开发利 用涉及多学科交叉协作,内容纷繁复杂,我国对关闭/ 废弃矿井能源资源开发利用的研究起步较晚,基础理 论与关键技术研发仍有待提高一。1 0J ,且没有形成可复 制推广的成熟模式。 开展关闭/废弃矿井遗留资源及地下空问精准开 发利用试点,凝练关闭/废弃矿井遗留资源及地下空 间精准开发利用面临的核心科学问题,归纳遗留能源 资源精准开发利用亟需攻克的关键技术难题,提出试 点区域废弃矿井遗留资源及地下空间开发利用技术 路线,推动“政产学研用金”协同机制为基础的关闭/ 废弃矿井能源资源精准开发与利用新模式,发展形成 关闭/废弃矿井综合开发利用模式,为全国关闭/废弃 矿井遗留资源二次利用探路示范和积累经验。山西 省作为能源大省,新中国成立至今,其煤炭产量有近 6 0a 位居中国第lL 1 1 I ;山西省煤层气产业水平和规模 领跑全国,建有我国最大规模的沁南国家煤层气产业 基地,贡献了超9 0 %以上的煤层气地面抽采量“; 随去产能的持续推进而产生的大量关闭/废弃矿井、 蓝焰集团在沁水煤田开展的关闭/废弃矿井地面抽采 工业实践及山西省作为能源革命综合改革试点的重 大使命均为山西作为关闭/废弃矿井精准开发利用试 点奠定了重要基础。 1山西省关闭/废弃矿井资源禀赋与开发现 状 山西省作为我国的重要煤炭能源基地,2 0 2 0 年 原煤产量1 0 .6 3 亿t ,占全国煤炭产量的2 7 .6 8 %,位 居全国之首,估算2 0 2 0 年山西省原煤产量1 0 .5 6 亿t ,占全国原煤总产量的2 7 .5 7 %,再次超越内蒙 古,成为我国第l 煤炭生产大省。山西省矿井数量在 1 9 4 9 年为36 7 6 处,经过大规模建设,到1 9 9 7 年达到 最高峰为1 09 7 l 处1 I ,伴随而来的是煤炭资源的浪 费和环境的污染。经安全整治、整合重组和去产能等 措施推进,目前年生产能力9 0 万t 以下的煤矿已逐 渐关闭。2 0 1 6 2 0 2 0 年,山西省共关闭煤矿1 3 8 座, 退出产能l O8 8 9 万t “,如图1 所示。 中国工程院重大咨询项目调研统计表明,1 9 4 9 2 0 1 2 年,我国井工开采方式下累计遗留煤炭资源总 量达5 8 2 .7 亿t ,山西省占比2 0 .5 9 %,居全国首位, 图l2 0 1 6 2 0 2 0 年山西省关闭矿井分布情况 F i g .1 D i s t r i b u t i I 1 1o f ’l o s e dn l i l l e si 1 1S h a 心P r o V i n c ef I f l I 2 0 1 6t o2 0 2 0 四 日母| 】 建 疆 瑙 蝼 田 赠 暑旧 Ⅱ* 蚓拣疑* 怔怔三辜怔般黧 度j 粼咧轼捌懈弓鏖暴臣躯1 Ⅺ签蒸 - 匿雕 图22 0 1 4 2 0 1 8 年全国井工开采遗留煤炭资源统计 F i g .2 S t a t i s t i c so f ‘o a Ir e s o u r c e sI e f to v e rf ● n 1u 1 1 d e r g r 】u n 1 m i n 吨i 1 1c h i n af r o n l 2 0 1 4t o2 0 1 8 如图2 所示。2 0 1 4 2 0 1 8 年,山西关闭矿井1 1 8 座, 废弃矿井遗留煤层气 A I a n d o n e dM i l l eM e t h a n e , A M M 资源量预估1 0 3 亿m 3 ,占全国A M M 预计总量 的5 0 %以上,将成为我国废弃矿井瓦斯二次利用的 ∞ 加 ∞ 舳 ∞ ∞ 万方数据 第1 期袁亮等再论废弃矿井利用面临的科学问题与对策 1 9 重点省份,如图3 所示。另外,据山西省国土资源厅 发布的山西省煤炭采空区煤层气资源调查评价报 告显示,目前山西省采空区面积50 0 0k m 2 以上,具 有开发价值约20 5 2k m 2 ;预测残余煤层气资源量约 量 攀 Ⅲ田1 】 建 魑 三 茎 7 2 6 亿m 3 。其中,7 个瓦斯含量较高的矿区 西山、阳 泉、武夏、潞安、晋城、霍东、离柳 内,采空区面积约 8 7 0k m 2 ,预测煤层气资源量3 0 3 亿m 3 ,部分地区资 源相对富集,值得开发利用‘14 。。 图32 0 1 4 2 0 18 年全国A M M 资源统计 H g .3 S t a l i s t i c so fn a t i o n a l r e m a i n i n gAMMr e s L 1 1 ‘c e sf r o m2 0 1 4l o2 0J8 面对关闭/废弃矿井中遗留蕴藏的大量煤炭、煤 层气与地上地下空间等资源L I5 I ,山西省关闭/废弃开 发利用现状体现为“三多两少”废弃矿井数量 多、遗留资源种类多、闭坑次生隐患多,科学规划设计 少、精准开发案例少。就遗留煤层气资源而言,仅开 展了部分基础理论研究和先期工业试验。目前,晋煤 集团先后在晋城、西山、阳泉、晋中等矿区施工废弃矿 井煤层气抽采井1 3 5 口,目前运行5 5 口,日抽采量 为9 .4 万m 3 ,累计利用气量约1 .3 亿n ,3 ;蓝焰集团 牵头承担的山西煤基 煤层气 重点科技攻关项目 “关闭煤矿采空区地面煤层气抽采技术研究及示范” 实施2 7 口关闭/废弃矿井采空区煤层气井建设,1 5 口井完成设备安装运行,单井日均产量l1 5 5m 3 ,截 至2 0 1 6 年底,累计抽采利用煤层气 约l7 0 0 万m M l 6 。。国内对煤层气的利用主要依赖于 正在开采矿井的瓦斯抽排系统,虽然有些矿区进行了 地面钻孔排采利用,但真正意义上的废弃矿井遗留煤 层气综合治理利用产业化尚属空白。 为实现关闭/废弃矿井遗留能源资源的精准开发 利用,在机制上,山西省采取揭榜挂帅式的科技创新 新探索,从“路径依赖”转向“模式创新”,规避人才与 技术基础劣势,让全球范围内的智力资源与创新资源 服务于自身高质量转型发展。揭榜挂帅制推动“政 产学研用金”协同创新,为山西众多的关闭/废弃矿 井开发利用提供智力支持,量身打造实施方案,让大 学成为关闭/废弃矿井开发利用从理论至应用的科研 主战场;在标准方面,由山西省应急管理厅提出、蓝焰 集团等单位起草的山西省地方标准煤矿采空区 废 弃矿井 煤层气地面抽采安全规范于2 0 1 9 年初推 出征求意见稿,该标准规定了煤矿采空区 废弃矿 井 煤层气地面抽采的钻井井位及层位选择、场地设 备安装等要求,可用于指导山西省辖区内煤矿采空 区 废弃矿井 煤层气地面抽采的安全管理工作;在 政策方面,2 0 1 9 年底山西省自然资源厅与能源局一 同下发了关于开展煤炭采空区 废弃矿井 煤层气 抽采试验有关事项的通知,明确了开展煤炭采空 区 废弃矿井 煤层气抽采试验,有效开发利用采空 区煤层气资源,是山西省能源革命综合改革试点的一 项重要任务。 综上所述,山西省关闭/废弃矿井遗留煤炭、煤层 气、地下空间等资源禀赋优势突出,在政策、标准、机 制等多方面为推动关闭/废弃矿井遗留能源资源的精 准开发利用提供了坚实基础。 2 关闭/废弃矿井能源资源精准开发利用关 键科学问题 基于山西省关闭/废弃矿井资源禀赋条件,提 出废弃矿井遗留煤炭地下气化、遗留煤层气地面 抽采和地下空问储能储物等3 种能源资源精准开 发与洁净利用方式,必将面临如下4 个关键科学 问题。 2 .1 关闭/废弃矿井资源综合利用安全评价体系 矿井直接关闭或废弃将会引发地质灾害威胁, 如地表塌陷、矿井水隐患、采空区瓦斯泄漏而导致 的爆炸或火灾等Ⅲo 。关闭/废弃矿井资源综合利用 安全评价是以关闭/废弃矿井遗留能源资源主体作 为被评价对象,分析影Ⅱ向遗留能源资源开发利用过 程安全的主要因素,构建一套可量化的评价指标体 如 ∞ 鲫 ∞ ∞ 加 o 万方数据 煤炭 学报 系,采用互联网、软件开发、云计算、数据挖掘、模糊 数学等理沦与方法,对遗留能源资源开发利用这一 主体的当前及未来安全度进行评估的过程。需要 重点关注关键性指标的选取与把握,梳理关闭/废 弃矿井地质背景、采掘历史、资源条件、采空Ⅸ空间 等特征指标,根据指标体系设计的一般原则,构建 安全评价指标体系,对关闭/废弃矿井的安全性进 行分析,对各风险因素进行研究,建立关闭/废弃矿 井资源协同利用安全与风险评价技术标准,向关 闭/废弃矿井利用和管理提供技术层面的决策支 撑,指导关闭/废弃矿井“能源化”“资源化”与“功 能化”利用的动态评判。 2 .2 气液热固化等多相多场动态演化机制 煤炭地下气化是通过控制井下煤炭资源燃烧反 应,使得煤层在热及化学作用下形成可燃气体的过 程、1 卜。9J ,作为煤炭无害化开采技术创新方向,被列入 国家能源技术革命创新行动计划 2 0 1 3 2 0 3 0 年 ‘’o j 。关闭/废弃矿井遗留的煤炭资源与空问资 源为煤炭地下气化的研究工作提供了新战场,将遗留 煤炭资源转化为可用燃气资源,必将为我国推进能源 生产与消费革命增添新的活力。在地下遗留煤炭气 化过程中会产生l2 0 0 ℃的高温,围岩边界温度随气 化工作面的定向移动而产生变化,如图4 所示。为揭 示地下气化过程对井下结构和环境的影响机理,需要 系统研究温度场的剧烈变化对周围应力场、位移场、 孑L 隙场以及裂隙发育等产生的影响。分析温度场分 布及动态变化规律,确定围岩内温度影响的范围,阐 煤层条件 罔4 遗留煤炭地F 气化订i 恿 F 酶4S ‘№1 1 a l i c j i a g I 训10 fL l l l 1 e 唧’ J L l l l 1g a s 疏’“o no f l e g a c y t 。IJ a l 明其余多场的演化机制。进一步建立多场耦合条件 下,地下煤炭气化对遗留煤柱、围岩、覆岩运移及地表 沉降特征影响的模型。 煤炭地下气化技术体系如图5 所示。因此,需要 对山西省区域典型煤种进行热解、气化和强制氧化着 火实验,研究其大尺度煤热解、气化动力学参数,强制 氧化着火机理,并建立动力学方程。通过实验或煤炭 地下气化物料及能量平衡模型,研究典型煤种地下气 化参数,包括不同氧浓度一水蒸气连续气化条件下的 汽氧比、吨煤产气率、比消耗量、气化效率,以及煤气 有效组分和热值的变化规律,进行山西省典型煤种催 化热解、气化实验,包括催化剂的选择、配比以及负载 方法等,研究催化煤热解、气化动力学参数,以获得更 高水平的煤炭气化效率,确定高效的地下煤炭气化的 工艺技术。 高温煤岩性质及 燃烧区扩展规律 地质水文条f 墼鬯竺竺 迁移规律l “”⋯“”“一⋯“ 图5煤炭地下气化技术体系⋯7 F 畴5T e t 1 1 1 1 0 l o g ys y s t e mo h J l l 1 e r g r o u l l 1c o a lg a s m c a t i ‘J 1 1 7 2 .3 复杂遗留空间煤层气运移规律与储集成藏机理 关闭/废弃矿井遗留煤层气泄露导致的爆炸或火 灾严重威胁着周边群众生产、生活和安全,相关事故 时有报道㈦一。关闭/废弃矿井的采动裂隙、地表塌陷 ; 万方数据 第l 期袁亮等阿沦废弃矿井利川l f I 『| 临的科学问题0 埘策 , 裂隙或封闭不严的井筒等足可燃气体向地面逸散的 通道,不仅存在爆炸或火灾等事故隐患,更会加剧温 室效应。为此,2 0 2 0 年国家能源局颁发关于推进关 闭煤矿瓦斯综合治理与利用的指导意见 征求意见 稿 ,对关闭煤矿的瓦斯综合治理与利用工作已经 提上日程j 然而,矿井地卜.空间构造种类繁多、地质断层散 落其中、采场和巷道错综复杂、采后覆岩“三带”长期 演化转换、遗留煤炭资源分布规律不清等因素致使废 弃矿井瓦斯抽采利用对象属性不清,地面抽采工程措 施无的放矢、效果不理想j 关闭/废弃矿 } 采空Ⅸ既 是应力释放区,也是低压区,以采空低压区为中心,采 动区裂隙为通道,周围煤岩储层中的煤层气向采空区 运移、聚积,且随时问尺度的长短,其聚积程度彳一, 如图6 所示。因此,需要基于储层特征、岩层破坏变 形规律和裂隙场、渗流场动态演化规律的全面解析, 揭示关闭/废弃矿井遗留煤层气运移、动态聚积规律, 阐明时间和空间尺度下煤层气聚积特征和二次动态 成藏机理,建立关闭/废弃矿井煤层气资源动态评价 体系,构建关闭/废弃矿井煤层气井产气艟预测模型 及其经济性评价指标体系j 图6 关闭/废弃矿井遗留煤层气抽采示意 F i g .6 S 巾P m a l i - ‘l i a g r a n lt J I ‘J a l h f { 1 1 1 e “1 a 1 1 eP x l r a 【‘m f l ‘n 1 1 1f - l I l s e L /a I a n 1 0 n e 1n l i n e s 具体而言,需要根据山西省关闭/废弃煤矿典型 试验矿井的煤层结构和特点,构建基于三场 “裂隙 场”、“应力场”和“压力场” 耦合条件下的抽采渗流 模型,研究原生带一裂隙带一低压采空区条件下的煤 层气分布一迁移规律和解吸一扩散一渗流特征,耦合气 体渗流场特征。以煤层气资源赋存参数特征及产出 特性为基础,建立关闭/废弃矿井煤层气产气量预测 模型,提出其经济性评价指标体系,科学评估煤层气 极限产出量与经济价值。揭示布片位置对抽采效果 的影响机理,确定井位布置原则,评价井型井网的地 质适应性,提出关闭/废弃矿井煤层气资源地面抽采 关键技术j 2 .4 复杂岩体多场多相耦合作用机理及其变形破坏 特征 地下水库、地下油气储库及其他储物空问是关 闭/废弃矿井地下空问利用的潜力方向1 1 卜”。废弃 矿井遗留空间资源具有特殊性与复杂性首先,具有 复杂多尺度、多形态特征,且存在冒落矸石、采掘破碎 岩块、裂隙裂缝岩体、塑性大变形岩体及完整岩石形 态等;其次,受力环境场源多,如自重应力、构造应力、 重复采动应力、矿井水或煤层瓦斯压力及人为工程扰 动应力等;再次,载荷历程路径复杂、受力变形演化期 长、动态研究分析难度大。因此,需要深入研究复杂 岩体多场多相耦合作用机理,揭示其变形损伤与破坏 规律,建立符合工程实际条件的固一液一气多场耦合 损伤演化模型,为废弃矿井地下空问安全高效储水与 抽水蓄能提供理论基础与技术保障。 具体而言,需要攻关的技术问题是综合考虑 储水或储油气地下空问的孔隙和裂隙、煤层因素、 覆岩岩性、开采方法、采空区处理方法及工作面尺 寸等因素的地下水库或油气库容积特征,研究不 同工作面布局、开采条件、地质条件与采空区面积 和冒落岩石空隙率的关系,构建地卜.水库库容的 计算方法;研究煤柱或人工坝体受采动影n 向产生 的裂隙区、塑性区引起的渗漏以及卡H 应的防治措 施,以地质力学参数为基础,通过物理力学试验和 数值模拟,研究裂隙带发育规律,提出相应的隔离 筑坝及防渗技术,为关闭/废弃矿井储能储物综合 利用提供现实基础。 3 山西省关闭/废弃矿井遗留资源及地下空 间开发利用对策 面向山西省大量关闭/废弃矿井遗留资源和空间 资源利用的重大需求,为向山西省关f j l /废弃矿井遗 留资源及地下空间开发利用提供对策,在基础理论与 技术研发层面,需要揭示高温条件下围岩温度场、应 力场和位移场的动态分布以及地表移动变形规律、遗 留煤层气资源运移与动态聚积规律、资源动态评价体 系与地面抽采利用关键技术和围岩空间裂隙与水油 气耦合作用机理;提出关闭/废弃矿井遗留资源及地 下空间利用的管理创新制度;建立关闭/废弃矿井风 险安全评价体系,完善关闭/废弃矿井资源综合利用 创新模式的总体思路;紧密围绕关闭/废弃矿井遗留 资源和地下空间资源开发利用关键技术的研发及工 程示范。 同时,结合关闭/废弃矿井全生命周期系统管理 利用的理念,建讧关闭/废弃矿井可再生能源利用规 万方数据 2 2 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 划标准,开展关闭/废弃矿井遗留煤炭资源及可再生 能源利用示范项目试点研究,加大自主技术研发、加 强国际合作、制定专业人才培养机制、加大科技攻关 投入、加强关闭/废弃矿井遗留煤炭、煤层气和地下空 间等资源利用基础研究及开采利用关键技术研究,建 立一套完整可行的关闭/废弃矿井煤层气资源评估和 煤层气产量预测模型,确定不同地质条件的最佳利用 方式、规模和服务年限。 另外,还需要促进国家相关职能部门采用多种政 政府搭台 政策引导 资源禀赋 分级分类 资金支持 源头支撑 理论研究 人才培养 技术攻关 创新研究 策支持和财政资金保障相结合的方式,完善关闭/废 弃矿井可再生能源利用财税优惠政策,完善关闭/废 弃矿井可再生能源利用的相关财政补贴、税收减免政 策及投资环境,鼓励引导私人资本参与,建立市场化 运营等新型的投资机制和商业模式,创建关闭/废弃 矿井能源资源精准开发利用多元化投资及合作开发 模式。 最终,形成山西省关闭/废弃矿井遗留资源和空 间资源利用综合性解决方案如图7 所示。 L l 一 l 遗留煤 遗留煤 保护煤 炭地卜-炭地下- 柱气化 气化多 气化t 叮 炉设汁 场演化 行性评 与气化 关键技 规律 价 术研究 煤层气 煤层气 煤止7C 运移‘j 资源潜 地Ⅲ扣l 动态聚 力动态 采天键 移j 规律 评价体 技术 地下空间开发 l 利用关键技术 itt 地f 、.地卜 水库水库隔离 地卜伞 油气和汕筑坝 问1 { } 『川 库口,7 i 库及其 民用J 行性库容防渗 行性研 宄 分析汁算 地质保障多场演化技术工艺运移寓集资源评价丌垃技术基础理论一水怍、油气库商用与K 国家机构 地方政府 行业企业 高等院校 科研机构 用户群体 I 裹I 金融机构 ⋯投资机构 图7山西省关闭/废弃矿井遗留资源及地下空间开发利用方案 F i g .7 T e c h n i c a lr o u t ef o r 1 e v e I o p m e n ta n du l i l i z a l i o no fa b a n d o n e 1n l i n er e s o u r 。P sa n JL J n 1 e I ’g m L 1 1s p a c
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