我國煤炭需求、探查潛力與高效利用分析

滕吉文， 喬勇虎, 宋鵬漢

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 3 吉林大學(xué)， 長春 130026

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我國煤炭需求、探查潛力與高效利用分析

滕吉文1,3， 喬勇虎1,2, 宋鵬漢1,2

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 3 吉林大學(xué)， 長春 130026

能源結(jié)構(gòu)中全球大多數(shù)國家的主體能源是石油，而我國以富煤、貧油、少氣為本土資源特點，煤炭是主體能源.目前隨著我國改革開放的不斷深入，社會經(jīng)濟快速發(fā)展，能源的需求大幅度增加.這使得對煤炭資源的勘探與開采必須不斷深入，進入到第二深度空間日益緊迫.在開采過程中的難度隨之增大，故必須引入當(dāng)代高、新技術(shù)，防范災(zāi)害并提高煤炭綜合利用效率.基于對我國主體能源-煤炭存儲與需求的分析，本文將研討以下幾個問題： 1) 我國面臨的能源形勢與國策； 2) 當(dāng)今對化石能源的需求、煤炭資源的生產(chǎn)和消費特點； 3) 全球和我國煤炭資源的生產(chǎn)、利用、需求、潛能和存在的問題； 4) 煤炭深部勘探、開采和高新技術(shù)的應(yīng)用； 5) 我國煤炭的高效利用與其在能源結(jié)構(gòu)中的不可替代； 6) 我國在發(fā)展進程中第二深度空間的煤炭需求乃必然軌跡.

能源結(jié)構(gòu)； 煤炭； 第二深度空間勘探與開發(fā)； 動態(tài)監(jiān)測與防范； 高效利用

圖1 亞洲東部晚侏羅紀-早白堊紀的多方向匯聚構(gòu)造格局(Dong et al.,2013)Fig.1 Multi-directional convergent tectonic model of the Eastern Asia in the Late Jurassic-Early Cretaceous(Dong et al.,2013)

1 引言

在印度洋板塊、歐亞板塊和太平洋板塊，三大板塊錯綜力系作用下，我國大陸內(nèi)部，乃至整個東亞形成了破碎鑲嵌塊體的組構(gòu)(圖1).特別是青藏高原的升起，南海的下沉，這一高一低的構(gòu)筑導(dǎo)致我國大陸內(nèi)部沉積建造、巖相和構(gòu)造的高度復(fù)雜格局.為我國能源(油、氣、煤)和金屬與非金屬礦產(chǎn)資源的聚集、發(fā)現(xiàn)和勘查造成了極大的困難.

全球能源結(jié)構(gòu)中由于本土資源的優(yōu)勢和特點，我國具有差異明顯的能源結(jié)構(gòu)，主體能源是煤炭.目前隨著我國改革開放不斷深入，隨著工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、市場化、國際化進程不斷加快，對能源的需求將會日益大幅度的增加，這就使得對煤炭資源的勘探與開采必須不斷深入，進入到第二深度空間(500～2000 m)的需求日益緊迫.

隨著煤炭開采深度的增大，在開采過程中的難度亦必隨之增大，特別是巖石的物理-力學(xué)屬性和深層復(fù)雜構(gòu)造及在機械化的采掘技術(shù)發(fā)展中大量高濃度瓦斯溢出、介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力狀態(tài)、大量涌水以及地下溫度的升高等災(zāi)害必隨之增多.因此必須強化高精度探測與數(shù)據(jù)采集，不斷加強高分辨動態(tài)監(jiān)測與防范介質(zhì)破裂及其造成的災(zāi)害，通過引入、發(fā)展當(dāng)代高、新技術(shù)提高深部煤炭的開采及減少災(zāi)害.同時還必須發(fā)展煤炭液化與潔凈煤等技術(shù)，實現(xiàn)煤炭的多元化高效綜合利用.

能源問題為世界各國所關(guān)注，從不同的角度已有不少論述(王安建和王高尚，2002，2012).文中引用了大量的國家統(tǒng)計部門發(fā)布的有關(guān)數(shù)據(jù)和圖表，在此基礎(chǔ)上通過綜合分析和深化認識，且著重于對第二深度空間煤炭的勘探、開采；基礎(chǔ)研究和高、新科技的應(yīng)用；深部潛在資源量的分析與煤炭的高能、高效利用，厘定了我國煤炭在發(fā)展進程中存在的問題，就三維安全生產(chǎn)、監(jiān)測體系之必須和在中國能源結(jié)構(gòu)中煤炭的不可替代性進行了分析和論述.

2 當(dāng)今我國能源的發(fā)展形勢與國策

能源是人類社會存在和繁榮的物質(zhì)基礎(chǔ)，為經(jīng)濟發(fā)展與文明進步做出了巨大貢獻，是國民經(jīng)濟、國家安全和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ).能源在經(jīng)濟、安全和環(huán)境這三大問題中具有舉足輕重的地位.能源是科學(xué)技術(shù)進步的前提，而科學(xué)技術(shù)的不斷應(yīng)用促使人類加速能源開發(fā)和提高能源利用效率，使能源構(gòu)成不斷趨于合理化.進入21世紀我國必須制定一個符合國情，同時跟上經(jīng)濟全球化與環(huán)境全球化趨勢的能源發(fā)展戰(zhàn)略.

在全球范圍內(nèi)化石能源分布極不均勻，勘探程度也是極不均勻的.在我國化石能源分布也是極不均勻的(圖2).從能源消費總量上來看我國是一個能源消耗大國，但與全球大多數(shù)國家相比我國人均能源消費相對貧乏.2011年我國人均消費能源為1.8噸油當(dāng)量，低于相同發(fā)展階段大多數(shù)國家，是美國和日本相同階段人均消費量的1/2和3/4(圖3)；2011年能源消費強度為225噸油當(dāng)量/百萬蓋凱美元(1990年美元，以下簡稱美元)，分別為相同發(fā)展階段美國的37%、英國的50%、日本的75%(圖4).

20世紀末以來，特別是美國“911”事件以后，國際石油資源的競爭愈發(fā)激烈.隨著我國石油消費和進口量的日益增長，加劇了我國與亞太地區(qū)國家和發(fā)達國家的競爭，石油供應(yīng)愈發(fā)不安全.基于這樣的能源形勢，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)將必是我國的基本國策，必須充分利用我國煤炭能源的優(yōu)勢(質(zhì)量高、品種齊全、且儲量可觀)，同時還必須發(fā)展可再生能源，走綜合能源有效利用的可持續(xù)發(fā)展的道路.

在20世紀的百年里，世界各國不斷加強對煤炭資源的勘探與開采，平均開采深度在500 m之內(nèi).進入21世紀這種勘探與開采程度并不能滿足全球日益巨增的能源需求.尤其是在煤多、油少的中國，要實現(xiàn)我國的快速工業(yè)化和經(jīng)濟的騰飛，從長遠看必須依靠大量的煤炭資源保證能源供應(yīng).因此必須突破當(dāng)前的勘探與開采深度，在第二深度空間(500～2000 m)進行煤炭的勘探與開發(fā)必須提上日程，為我國經(jīng)濟社會發(fā)展日益增長的能源需求提供重要保證.當(dāng)然隨著開采深度的增大，開采難度亦隨之增大，煤礦災(zāi)害將必隨之增多，安全問題將是一個十分重要的問題.為此在煤炭的深部勘探和開采中一系列的理論與技術(shù)問題尚有待解決，以保證煤炭的安全生產(chǎn)和可持續(xù)供給.

圖2 中國化石能源，石油、天然氣和煤炭產(chǎn)地分布Fig.2 Distribution of the fossil energy, petroleum, natural gas and coal in China

圖3 各國相同發(fā)展階段人均能源消費對比(數(shù)據(jù)來源：中國國家統(tǒng)計局；國際能源機構(gòu)(EIA)；格羅寧根增長和發(fā)展中心(GGDC)；(王安建和王高尚, 2012))Fig.3 The comparison of per capita energy consumption in different countries at the same stage(Sources: National Bureau of Statistics of China; International Energy Agency(EIA); The Groningen Growth and Development (GGDC); (Wang and Wang, 2012))

圖4 各國相同發(fā)展階段能源消費強度對比(數(shù)據(jù)來源：中國國家統(tǒng)計局；EIA；GGDC；(王安建和王高尚, 2012))Fig.4 The comparison of the energy consumption intensity in different countries at the same stage(Sources: National Bureau of Statistics of China; EIA; GGDC; (Wang and Wang, 2012))

3 當(dāng)今對化石能源的需求、煤炭資源的生產(chǎn)和消費特點

在化石能源中相對于石油資源的缺乏，我國煤炭資源豐富，約占世界總儲量的16%，且品種齊全煤質(zhì)優(yōu)異，一直作為主體能源為經(jīng)濟建設(shè)服務(wù).隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，在未來2、30年間，對主要礦產(chǎn)資源的消費需求將會是巨大的(王安建和王高尚, 2002).以目前探明的主要礦產(chǎn)儲量明顯不能滿足經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的需求.為此，必須加強礦產(chǎn)資源，特別是煤炭的勘探開發(fā)，并且做到對資源的多元高效利用.

3.1 煤炭能源需求

3.1.1 在全球范圍內(nèi)的煤炭貿(mào)易圈與需求

(1) 世界煤炭貿(mào)易形勢

當(dāng)今全球已形成大西洋和太平洋兩大煤炭貿(mào)易圈，即以歐洲各國為需求方，美洲、俄羅斯和非洲為輸出地——環(huán)大西洋貿(mào)易圈；以大洋洲為輸出端，以亞洲為輸入端——大洋洲煤炭貿(mào)易圈.貿(mào)易量在逐年增大，2010年全球煤炭貿(mào)易量為13.2億噸，較1980年增加2.8倍；1980—2010年全球煤炭貿(mào)易量平穩(wěn)增長，年均增速4.6%(圖5).

(2)全球煤炭儲量占化石能源儲量一半，中、美、俄優(yōu)勢顯著

2011年全球煤炭儲量8609億噸，折合4219億噸油當(dāng)量，占全球化石能源總儲量的51%.2011年美國、俄羅斯和中國的煤炭儲量分別為2373億噸、1570億噸和1145億噸，合計占全球儲量的60%(表1).2011年，全球煤炭靜態(tài)儲產(chǎn)比為172，除亞洲外的各區(qū)域儲產(chǎn)比均超過100；盡管亞洲煤炭產(chǎn)量占全球60%，但儲產(chǎn)比仍超過40，意味著全球煤炭供需形勢遠比石油和天然氣樂觀.

3.1.2 煤炭在中國能源消費結(jié)構(gòu)中的地位

隨著我國改革開放的不斷深入，經(jīng)濟與社會的快速發(fā)展，對能源的消費亦在日益劇增.在過去30多年中，我國一直延續(xù)以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu).2003年中國能源消費總量為16.8億噸標準煤(toe)，是1980年6.03億噸標準煤的2.8倍(滕吉文等, 2008)；2013年，中國能源的年消費總量已達28.52億噸油當(dāng)量(toe)，與2003年的12.04億噸油當(dāng)量相比，十年迅速增長了2.4倍(表2).

圖5 1980—2010年全球煤炭貿(mào)易量及增速(數(shù)據(jù)來源：EIA；(王安建和王高尚, 2012))Fig.5 The global coal trade volume and growth: 1980—2010(Source: EIA; (Wang and Wang, 2012))

國家煤炭儲量/億噸美國2373俄羅斯1570中國1145澳大利亞764印度606烏克蘭339哈薩克斯坦336南非302哥倫比亞67

2000年世界一次性化石能源的消費結(jié)構(gòu)為：煤炭占26%、石油占40%、天然氣占26%.我國則是：煤炭占67%、石油占23.4%、天然氣占2.5%.20世紀60～70年代期間煤炭一度在一次性化石能源消費中所占比例超過80%.我國煤炭作為主體能源的能源結(jié)構(gòu)與其他國家相比是極為不同的.在世界油價爆升的大環(huán)境下，同時我國能源消費總量又在迅速增長，未來幾十年以煤炭為主體的能源消費結(jié)構(gòu)中乃是不容爭辯的.

3.1.3 我國煤炭行業(yè)消費特征

從煤炭消費結(jié)構(gòu)來看，電力行業(yè)始終是煤炭消費的主要來源.2000年以來電力行業(yè)占煤炭消費比重維持約50%的水平，截止2011年，電力、鋼鐵、水泥、化工行業(yè)的煤炭消費占比分別為50.1%、18.7%、7.3%和4.7%.而從歷史情況來看，電力行業(yè)的耗煤比重由1994年的31.4%上漲至2011年的50.1%，呈現(xiàn)出逐年提升的態(tài)勢.“十二五”期間，全國規(guī)劃燃煤火電機組開工規(guī)模預(yù)計為3億千瓦，2015年火電裝機容量將達到9.33億千瓦.因此我國煤炭消費主要是用于發(fā)電，這一趨勢在今后相當(dāng)長的一段歷史時期內(nèi)也不會改變.

3.2 我國能源分布與結(jié)構(gòu)的特點

我國能源地理分布是北煤、南水和東、西油、氣，富煤、缺油、少氣是我國一次化石能源的最大特征，石油、天然氣儲量少，難以滿足國民經(jīng)濟的發(fā)展需求，因而短期內(nèi)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)難以根本改變.煤炭資源的地理分布極不平衡.中國煤炭資源北多南少，西多東少，煤炭資源的分布與消費區(qū)分布極不協(xié)調(diào).從各大行政區(qū)內(nèi)部看，煤炭資源分布也不平衡，如華東地區(qū)的煤炭資源儲量的87%集中在安徽、山東，而工業(yè)主要在以上海為中心的長江三角洲地區(qū)；中南地區(qū)煤炭資源的72%集中在河南，而工業(yè)主要在武漢和珠江三角洲地區(qū)；西南煤炭資源的67%集中在貴州，而工業(yè)主要在四川.我國的煤炭儲存以山西、河北、河南、青海、內(nèi)蒙、新疆、東北各省等為主要產(chǎn)煤大省.

3.2.1 能源結(jié)構(gòu)特點

(1) 能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)

我國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，煤炭的比重占到70%～80%，遠遠高于其他國家.1978年我國煤炭生產(chǎn)在能源生產(chǎn)構(gòu)成中所占比例為70.3%，到2011年達到77.8%，2013年為75.6%(圖6).與此同時，我國能源生產(chǎn)增長率也是在穩(wěn)定波動之中小幅上升.

表2 2003—2013年中國能源消費總量及結(jié)構(gòu)

資料來源：匯總BP公司《Statistical Review of World Energy》歷年的數(shù)據(jù).

(2) 能源消費結(jié)構(gòu)

我國能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭的比重遠遠高于其他國家.1990年我國煤炭消費在能源消費構(gòu)成中所占比例為76.2%，2002年下降到68.0%，但在2002年以后，煤炭所占比例又逐年上升，2005年上升到70.8%，但在2013年又小幅下降到66.0%(圖7).

由圖7可知，1978—2013年中，我國煤炭消費量、生產(chǎn)量雖有波動，但整體趨勢平穩(wěn).我國對煤炭依存度高.以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以改變，煤炭仍將是我國的主要能源.現(xiàn)有能源資源的分布也決定了我國必須以煤炭為主體能源的消費結(jié)構(gòu).這表明，煤炭乃中國的支柱產(chǎn)業(yè)，在一段相當(dāng)長的歷史階段內(nèi)煤炭當(dāng)將會成為我國快速工業(yè)化和經(jīng)濟騰飛的制約.

3.2.2 人均消費水平與差異

根據(jù)BP公司《Statistical Review of World Energy 2011》數(shù)據(jù)計算，2010年世界年人均一次能源消費量為1.74噸油當(dāng)量，美國為7.35噸油當(dāng)量，中國為1.82噸油當(dāng)量，中國比世界水平略高，僅為美國的1/4.《2012中國能源發(fā)展報告》顯示，2011年中國的人均能源消費量為2.59噸標準煤，僅僅達到了世界平均水平.中國能源消費總量雖然占世界一次能源消費總量的20%，但中國人口占世界人口總數(shù)的近20%，所以人均能源消費水平遠低于美國、日本、韓國等眾多國家.

據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2012年中國人均能源生產(chǎn)量為2.46噸標準煤，人均能源消費量為2.68噸標準煤，人均煤炭消費量為2.61噸，人均石油消費量為0.35噸.

然而應(yīng)當(dāng)特別注意的是，1980—2010年間，中國能源消費量占全球的比重從6.3%增加到19%，而全球能源消費增加近40%來自中國，這說明全球的能源消費中心已轉(zhuǎn)移到亞洲，而中國將成為能源消費世界第一大國(圖8).

圖6 我國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)來源：中國國家統(tǒng)計局)Fig.6 Structure of energy production in China(Source: National Bureau of Statistics of China)

圖7 我國能源消費結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)來源：中國國家統(tǒng)計局)Fig.7 Structure of energy consumption in China(Source: National Bureau of Statistics of China)

圖8 全球能源消費重心轉(zhuǎn)移示意圖(數(shù)據(jù)來源：BP；(王安建和王高尚, 2012))Fig.8 The focus shifted of global energy consumption(Sources: BP; (Wang and Wang, 2012))

4 全球和我國煤炭資源的生產(chǎn)、利用、需求、潛能和存在的問題

人類很早就開始利用煤炭資源，煤炭的真正被廣泛用作能源是17世紀以后，1760年蒸汽機的發(fā)明，引發(fā)了英國的工業(yè)革命，而煤炭則是其動力源泉，同時工業(yè)革命也使煤炭成為世界的主導(dǎo)能源.世界煤炭產(chǎn)量總的趨勢是逐步增加的.1913年僅為13.41億噸，到2013年已達78.96億噸(BP世界能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)2014).舊中國煤炭工業(yè)發(fā)展緩慢，到1949年煤炭的產(chǎn)量僅3240萬噸.新中國成立以后，1952年煤炭年產(chǎn)量達到6600萬噸.近年來，由于我國經(jīng)濟的發(fā)展，帶動了煤炭行業(yè)的大發(fā)展，到2013年我國煤炭產(chǎn)量已達35.98億噸(國家統(tǒng)計局).

4.1 全球煤炭的生產(chǎn)、消耗及貿(mào)易運輸

據(jù)BP能源2014年數(shù)據(jù)，截止2013年底美國是全球煤炭儲量最大的國家，占比高達26.6%，其次是俄羅斯占17.6%，中國占12.8%，居第三位.澳大利亞和印度分別占8.6%和6.8%.在世界煤炭生產(chǎn)與儲存中我國具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢.

4.1.1 生產(chǎn)

據(jù)BP能源2014年數(shù)據(jù)，2013年全球共生產(chǎn)煤炭78.96億噸，可折合成3881.4百萬噸油當(dāng)量(Mtoe)，有12個國家產(chǎn)量占到全球份額1%以上，合計產(chǎn)量占到全球份額的94.5%.中國是產(chǎn)煤量最大的國家，產(chǎn)量占全球47.4%，美國居第二位，占12.9%，澳大利亞、印尼和印度分別占6.9%、6.7%和5.9%.此外，俄羅斯和南非分別各占4.3%和3.7%(表3).

4.1.2 消耗

據(jù)BP能源2014年數(shù)據(jù)，2013年全球共消費煤炭3826.7百萬噸油當(dāng)量，消耗量占全球1%以上份額的國家和地區(qū)有14個，合計消費了全球煤炭消費量的90.3%.中國消費量為1925.3百萬噸油當(dāng)量，占到了全球消費量的50.3%；美國居第二位，占11.9%；印度居第三位，占8.5%(表4).

4.1.3 貿(mào)易運輸

2010年以進口量計算國際煤炭貿(mào)易總量達到10.633億噸，其中動力煤占比高達74.5%，煉焦煤占比24.1%；亞太地區(qū)在世界煤炭貿(mào)易市場中的份額占比達到64.2%，歐洲及歐亞大陸占20.5%，美洲占11.6%，非洲占3.7%(劉敬青等, 2013).全球煤炭進口國家及地區(qū)主要有日本、中國、韓國、臺灣、印度；出口國家及地區(qū)主要有印度尼西亞、澳大利亞、俄羅斯、哥倫比亞、南非(表5).全球煤炭交易主要是通過海運運輸完成.

從我國來看，2009年中國首次成為煤炭的凈進口國，2011—2012年連續(xù)成為全球最大的煤炭進口國，占全球煤炭貿(mào)易的比例分別為16%和20%.中國煤炭市場已經(jīng)成為國際煤炭市場的重要組成部分，從進口國看，集中在印尼、澳大利亞、蒙古、加拿大、美國等煤炭主產(chǎn)區(qū).

4.2 我國化石能源的未來需求

目前，我國經(jīng)濟社會正處在快速發(fā)展過程中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科技現(xiàn)代化均需要能源的保障，實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢離不開能源的重要基石，然而化石能源在我國能源結(jié)構(gòu)中占比超過90%，未來對化石能源的需求將會是巨量的.

4.2.1 煤炭在我國未來能源結(jié)構(gòu)中的地位

在全球范圍內(nèi)，未來30年全球煤炭需求增速將會略高于石油年均為0.76%.預(yù)計全球在2020年和2030年煤炭需求量將分別為88.1億噸和92.3億噸.在未來30年，全球煤炭需求將主要來自亞洲(圖9)，即2030年將要達到65.8億噸，占全球71%.2011—2040年全球煤炭累計需求量將達2643.2億噸，是過去30年累計消費量的1.8倍.可見需求量之巨大，但潛在的資源量也是巨大的(圖10)，特別是第二深度空間的深層煤是我國可持續(xù)發(fā)展的后盾.

表3 2013年世界主要煤炭生產(chǎn)國

表4 2013年世界主要煤炭消費國

表5 2010年世界主要動力煤進出口國及地區(qū)(劉敬青等,2013)

圖9 1980—2040年全球各地區(qū)煤炭需求變化(數(shù)據(jù)來源：歷史數(shù)據(jù)來自BP；預(yù)測數(shù)據(jù)來自(王安建和王高尚, 2012))Fig.9 The demand changes of coal in different regions from 1980 to 2040(Sources: Historical data from BP; Forecasts from (Wang and Wang, 2012))

在未來的20年中，我國累計需原煤約800億噸以上(王安建, 2012)，是過去60年煤炭消費總量的1.5倍，在我國能源消費結(jié)構(gòu)中預(yù)測原煤所占百分比為65.7(2015年)，60.6(2020年)，51.9(2030年)，47.6(2040年).盡管近年來工業(yè)煤改氣使得煤炭產(chǎn)量增速有一定的下滑，但從長遠來看，煤炭的不可替代地位難以改變.同時也迫使我國煤炭工業(yè)必須在潔凈技術(shù)和高效利用上不斷尋求新途，以不斷擴展煤炭的高效利用率.

圖10 全球各地區(qū)煤炭潛在資源量(數(shù)據(jù)來源：Federal Institute for Geosciences and Natural Researces(FIGNR))Fig.10 The potential coal resources in different regions(Source：Federal Institute for Geosciences and Natural Researces(FIGNR))

預(yù)計我國將會在2030—2035年期間實現(xiàn)能源需求的零增長(圖11)，而且其需求仍居世界之首.因為在未來的30年中累計需求將為過去30年的3.6倍，到2030年煤炭占能源需求占比仍將超過50%，所以從能源的消費結(jié)構(gòu)來看，煤炭仍將是中國未來能源結(jié)構(gòu)中的主體(表6).

表6 2010—2040年中國煤炭消費預(yù)測

4.2.2 石油的對外依存度和安全

據(jù)中國國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布的《中國的能源政策》白皮書，近年來，中國能源對外依存度上升較快，其中石油對外依存度從本世紀初的32%上升至目前的57%.我國自從1993年首度成為石油凈進口國以來，中國石油對外依存度由當(dāng)年的6%一路攀升，2009年突破50%的警戒線，2011年我國石油對外依存度達到56.5%，比2010年上升了1.7%.原油進口主要來自中東、非洲、拉美，而這些國家政治不穩(wěn)定，不可避免地影響到中國的能源供應(yīng)安全.為此必須清晰地認識到：石油對外依存度大于50%，進口的渠道集中度大于50%，已超過警戒值，即不安全因素存在已很嚴重、且已構(gòu)成極大威脅.而對于煤炭，則是一種安全的主體能源，至少在21世紀內(nèi)不會出現(xiàn)危機.全球煤炭生產(chǎn)將保持常態(tài)增長，產(chǎn)量增至92.6億噸.亞洲將長期保持全球煤炭主產(chǎn)區(qū)的地位，產(chǎn)量占全球的60%左右(圖12).

中東地區(qū)的政治、軍事形勢直接影響著全球石油價格，本質(zhì)上五次中東戰(zhàn)爭均是為了爭奪石油.全球能源的競爭十分激烈，基于煤炭儲備量和生產(chǎn)量的總體發(fā)展趨勢，我國必須堅定地立足于本土，在多元化利用世界能源的同時，結(jié)合我國煤炭能源分布較廣、儲量較豐富以及在能源結(jié)構(gòu)中主體地位的特點，突破當(dāng)前的勘探與開采深度，在第二深度空間(500～2000 m)進行煤炭的勘探開發(fā)與高效利用.

圖11 2030—2035年中國人均能源消費“零增長”(王安建和王高尚, 2012)Fig.11 Zero growth of per capita energy consumption in China (Wang and Wang, 2012)

圖12 1980—2040年全球各區(qū)域煤炭產(chǎn)量預(yù)測(數(shù)據(jù)來源：歷史數(shù)據(jù)來自BP；預(yù)測數(shù)據(jù)來自(王安建和王高尚, 2012))Fig.12 The production prediction of coal in different regions(Sources: Historical data from BP; Forecasts from (Wang and Wang, 2012))

4.3 中國煤炭資源利用和存在的問題

盡管煤炭的生產(chǎn)和利用為我國工業(yè)化做出了巨大貢獻，但也隨之出現(xiàn)了一系列的嚴重問題，例如煤礦災(zāi)害、大氣污染等.這些問題影響著人民生活的方方面面，有待迅速解決、且必須解決，以達煤炭勘探與開采的有序、合理和科學(xué)的發(fā)展.

4.3.1 SO2、粉塵的污染和排放

中國由于化石燃料的大量消耗，造成了嚴重的環(huán)境污染.表7為近年來國家環(huán)境保護總局發(fā)布的《中國環(huán)境狀況公報》關(guān)于廢氣中主要污染物排放量數(shù)據(jù)，2013年中國SO2的排放總量為2043.9萬噸.SO2年均濃度范圍為7～114 μg·m-3，平均濃度為40 μg·m-3，達標城市比例為86.5%；NO2年均濃度范圍為17～69 μg·m-3，平均濃度為44 μg·m-3，達標城市比例為39.2%；PM10年均濃度范圍為47～305 μg·m-3，平均濃度為118 μg·m-3，達標城市比例為14.9%；PM2.5年均濃度范圍為26～160 μg·m-3，平均濃度為72 μg·m-3，達標城市比例為4.1%.全國酸雨分布區(qū)域集中在長江沿線及中下游以南，主要包括江西、福建、湖南、重慶的大部分地區(qū)，以及長三角、珠三角和四川東南部地區(qū).酸雨區(qū)面積約占國土面積的10.6%.應(yīng)當(dāng)看到，大量煤炭的直接燃燒，效率低下技術(shù)水平落后乃是造成嚴重污染的主要原因.

表7 2011—2013中國廢氣中主要污染物排放量(單位：萬噸)

4.3.2 CO2排放

中國CO2排放中約有70%源于煤炭的燃燒.截止2004年，中國的CO2排放總量約為38.30億噸，占世界CO2排放總量的14.5%，即僅次于美國、居世界第二位.可是2010年中國的CO2排放量已達78.3億噸，占全球近1/4，居世界第一位.但人均排放量(5.8噸)卻遠低于大多數(shù)發(fā)達國家，僅為美國的29%，日本的56%，卻略高于世界平均水平(圖13).

基于當(dāng)今全球能源消費碳排放量，預(yù)測在未來即2030年前后，則將大幅度升高.圖14表明，2010年，全球能源消費的碳排放量為85億噸碳，歷史累計達3604億噸碳；2020年，碳排放量為105億噸碳，累計達4555億噸碳；到2030年，碳排放量將增至124億噸碳，累計達5704億噸碳.這表明，我國的碳排放量隨著工業(yè)化與經(jīng)濟騰飛的進程在逐年增大，這與全球各國的總態(tài)勢是一致的.

圖13 2010年各國人均二氧化碳排放對比(數(shù)據(jù)來源：中國國家統(tǒng)計局；BP；GGDC)Fig.13 The comparison of carbon dioxide emissions per capita in 2010(Sources: National Bureau of Statistics of China; BP; GGDC)

圖14 全球能源消費碳排放量預(yù)測(汪莉麗等,2009)(此處的碳排放量預(yù)測值為碳的產(chǎn)生量, 暫不考慮提高能源利用效率、二氧化碳分離捕集技術(shù)、碳封存技術(shù)等因素.)Fig.14 The global carbon emissions prediction of energy consumption (Wang et al., 2009)

在過去30年中全球碳排放量增長近73%(圖15)，然而對于碳排放強度，發(fā)展中國家下降幅度卻大于發(fā)達國家，例如：過去30年，發(fā)達國家碳排放強度下降了36%，而發(fā)展中國家下降了40.3%；在主要國家中，中國下降幅度最大，已達到了53.2%.

在面對快速發(fā)展的煤炭消費和更為嚴峻的生態(tài)環(huán)境壓力下，中國必須大量發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，特別是潔凈煤發(fā)電技術(shù)，強化采用先進的裝備以提高煤炭的高效利用.只有在施行煤炭勘探、開采和利用系統(tǒng)工程的全過程中一條龍進行污染控制，并形成煤炭生產(chǎn)、消費與治理污染的“控制鏈”，才能保證在中國社會經(jīng)濟快速發(fā)展的進程中，環(huán)境確能得到改善，能源利用效率確得到提高(黃毅誠, 2004; 中國科學(xué)院學(xué)部, 2007)，以滿足可持續(xù)健康發(fā)展中的煤炭需求和和諧社會的建設(shè).

4.3.3 我國煤炭利用中存在的問題

我國是最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，目前業(yè)已成為全球最大的煤炭進口國，煤炭是我國主體能源.2012年煤炭產(chǎn)量已達36.45億噸，消費量為35.26億噸，消費量占能源消費總量的66%(國家統(tǒng)計局).目前，我國煤炭利用過程中以下三方面的問題比較突：

(1) 煤炭開采以粗放式為主，浪費了寶貴的地下資源.在超強度開采過程中，企業(yè)往往急功近利，“采厚棄薄”、超環(huán)境容量開采、私挖濫采的現(xiàn)象非常普遍.

(2) 綜合利用效率低.深加工核心技術(shù)薄弱，導(dǎo)致煤炭加工深度不夠；流通加工和資源綜合利用環(huán)節(jié)薄弱，既浪費了開采出的煤炭資源，又加大了終端消費環(huán)節(jié)的節(jié)能減排成本；單位產(chǎn)品的能耗水平高.

(3) 一系列生態(tài)環(huán)境問題.煤炭資源粗放式的開采、運輸、加工和消費，不僅會排放大量污染物，污染空氣、土壤和水資源，破壞生態(tài)環(huán)境，還會引發(fā)地表塌陷，水土流失.目前，我國二氧化碳排放量的70%、二氧化硫排放量的90%、氮氧化合物排放量的67%、煙塵的70%都來自于燃煤.

基于我國以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)，且其在相當(dāng)長時期內(nèi)不可能改變.必須采取多種措施，應(yīng)用高、新科技提高我國煤炭資源的開發(fā)利用效率，強化大氣污染等生態(tài)環(huán)境治理與防范，確保“潔凈”環(huán)境、和諧社會建設(shè)，以造福于人類.

5 煤炭深部勘探、開采和高新技術(shù)的應(yīng)用

石油、天然氣和煤炭作為化石能源是人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人類不斷進行研究、尋找、開發(fā)和利用的動力對象.化石能源在全球范圍內(nèi)的分布是極不均勻的、且是不可再生的.盡管我國煤炭資源分布較廣、儲量較豐富，但空間分布卻差異懸殊，而且品質(zhì)和開發(fā)利用的技術(shù)以及地域經(jīng)濟狀況差別亦相當(dāng)懸殊.由于煤炭的大量消耗而造成對生態(tài)環(huán)境的破壞越來越嚴重，當(dāng)今已有許多國家轉(zhuǎn)向使用境外高效、潔凈的石油、天然氣等資源，很少、或基本上不開采、不利用本國的煤炭資源.然而全球石油、天然氣分布的不均勻性更為嚴重，石油危機日趨嚴重，資源的爭奪引發(fā)國家和地區(qū)間的各種矛盾以及不斷的沖突.

5.1 為何要探查與開發(fā)第二深度空間(500～2000 m)的煤炭能源

基于我國半個多世紀以來煤炭勘探與開發(fā)主要集中在深度小于800 m的空間，而開采多集中在500 m以上深度，并進行了和正進行著大量開采.隨著當(dāng)代勘探方法和技術(shù)的不斷提高，勘查深部煤炭定要提上日程，故將傳統(tǒng)的勘探深度定義為第一深度空間，而將500～2000 m深度范圍及空間定義為第二深度空間.對于第二深度空間的煤炭勘探遇到一系列的新問題，如勘查技術(shù)上難點增大，要求更高的分辨率，強化高新技術(shù)的應(yīng)用，及對煤層災(zāi)害事件的探查與預(yù)測要求更細，且隨著深度的增大，熱的問題增大.依據(jù)老煤田的勘探與開發(fā)和新發(fā)現(xiàn)的煤炭資源來看，第二深度空間的煤炭資源量十分可觀.因此查明我國第二深度空間的煤炭資源潛力，這在我國未來能源結(jié)構(gòu)和如何多元、高效利用及發(fā)展煤炭事業(yè)的策略具有重大的戰(zhàn)略意義.

在20世紀的百年里，世界各國對煤炭能源的勘探開發(fā)和利用深度基本上局限于近地表淺層到地下800 m，平均開采深度在500 m之內(nèi).進入21世紀以來，伴隨著全球日益劇增的能源需求、日趨嚴重的石油危機，特別是我國富煤、缺油、少氣的化石能源現(xiàn)狀，經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展需要巨量的煤炭保障，即在第二深度空間(500～2000 m)進行煤炭的勘探開發(fā)與利用必須提上日程，以保證我國未來可持續(xù)的能源發(fā)展進程(圖16).

圖16 煤炭能源勘探開發(fā)和利用深度進程示意圖Fig.16 The exploration depth sketch of coal resource

5.2 煤炭資源的第二深度空間(500～2000 m)勘探和開發(fā)

人類生活的方方面面離不開能源的供應(yīng)，能源與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科技現(xiàn)代化有著非常密切的關(guān)系.當(dāng)今不論是金屬礦產(chǎn)資源，還是油、氣能源均必須向地殼深部“挺進”(滕吉文, 1998, 2005, 2006; 滕吉文等, 2007; 滕吉文, 2007a, b).而煤炭作為主體能源的需求量更是巨大，就更加要向地殼深部“挺近”，即進行第二深度空間(500～2000 m)的勘探開發(fā)與高效利用.

5.2.1 地下2000 m深度范圍內(nèi)的煤炭存儲估量

我國煤炭資源豐富，據(jù)2013年評審的國土資源部重大項目——《全國煤炭資源潛力評價》，綜合預(yù)測評價結(jié)果，全國2000 m以淺煤炭資源總量5.9萬億噸，其中，探獲煤炭資源儲量2.02萬億噸，預(yù)測資源量3.88萬億噸.可靠級15676億噸，可能級12190億噸，推斷級10930億噸；優(yōu)等預(yù)測資源量9815億噸，良等11345億噸，差等17650億噸.據(jù)《中國礦產(chǎn)資源報告(2013)》，截至2012年底，煤炭保有查明資源儲量1.4萬億噸.

2013年國家煤礦安監(jiān)局經(jīng)初步統(tǒng)計，我國已有43個礦區(qū)，超過300座礦井的開采深度超過600 m，近200處礦井開采深度超過800 m，千米深井共47處，平均深度為1086 m.我國目前開采深度最深的是新汶礦業(yè)集團孫村煤礦，達1501 m，是目前亞洲最深的礦井，新汶礦區(qū)的平均最大回采深度也達到1032 m.

我國煤炭開采集中在淺部500 m深度左右，在這一深度界線恰為巖層壓力、涌水量、地溫、軟巖變形、瓦斯氣體、煤層自燃等可能發(fā)生強烈變化的界帶，采煤難度將會增強的一個臨界狀態(tài)，或邊界值.煤礦進入深部開采，為礦井圍巖控制、突涌水治理、防滅火、熱害治理等帶來了新挑戰(zhàn)，安全開采系數(shù)難度加大.

5.2.2 強化第二深度空間的煤炭勘探與開發(fā)

為了保證我國工業(yè)化進程和經(jīng)濟的快速發(fā)展，提供安全、可靠以及可持續(xù)的煤炭資源，必須在全國煤炭勘探與開采中突破500～700 m的“防線”，煤炭地球物理勘探深度達到3000 m左右(記錄到6 s左右地震雙程走時)，煤炭開采深度達到2000 m左右是十分必要的.

在500～2000 m深度范圍內(nèi)進行高精度的地球物理勘探(三維地震、電法勘探、井中物探等)，地面、井下同時建立起各種地球物理方法的監(jiān)測、探測和預(yù)警及預(yù)測系統(tǒng)，以保證深層安全采掘，預(yù)計至少將會獲得我國現(xiàn)有煤炭儲量的2～3倍(沒有進行系統(tǒng)的深層煤炭勘探，僅是一個概略的估計).我國深部煤炭資源量是巨大的，正如上述估計在2000 m的深度范圍內(nèi)，即在第二深度空間遠景總儲量可達5.9萬億噸.當(dāng)今國外有的煤炭開采深度已達1000～2000 m，目前我國煤炭勘探與開采尚集中在淺部，但第二深度空間的高質(zhì)量煤炭儲藏以及大型煤田的發(fā)現(xiàn)將必是我國未來能源后備的源泉，即為我國煤炭確保國家經(jīng)濟發(fā)展的必須.

5.3 煤炭資源第二深度空間勘探和開發(fā)帶來的問題與安全生產(chǎn)的保證

隨著煤炭勘探和開發(fā)深度的增大，當(dāng)必會遇到與第一深度空間不同或較為復(fù)雜的技術(shù)問題，這就必須不斷提高勘探與開發(fā)的精度和對災(zāi)害的監(jiān)測能力.

5.3.1 突破500 m向500～2000 m深度進行煤炭勘探和開發(fā)的難度和高精度地球物理勘探

隨著煤炭勘探與開發(fā)深度的增大，不僅開采成本提高，采礦環(huán)境和面臨的技術(shù)難題也更為嚴峻，必需要增大投入才能實現(xiàn)煤炭資源安全高效開采.

(1) 深部煤炭勘查中的難點.隨著煤炭勘探與開發(fā)深度的增大，地溫地壓均呈線性增加，巖爆、沖擊地壓與煤與瓦斯爆炸等突變呈非線性增長(謝和平等, 2012).深部煤層頂、底板和圍巖的巖石物理-力學(xué)屬性與構(gòu)造條件趨于復(fù)雜化；褶皺與大小斷層分布；頂、底板的巖性極其破碎、崩塌；煤層變異(從厚到薄，傾角從近水平到近直立并翻轉(zhuǎn)等)；突發(fā)災(zāi)害與非線性變異所造成的難以預(yù)測性等.這將會給第二深度空間煤炭的勘探帶來很大的難度.

(2) 必須在地面進行高精度的三維或高密度的地震勘探和高分辨率的數(shù)據(jù)采集.在獲得高分辨率的地震P波、S波、PS波和繞射波場震相的基點上，通過高精度反演和各類解釋技術(shù)的應(yīng)用(滕吉文, 2004; 于景邨等, 2007)，獲得刻劃地下深部介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)、屬性與構(gòu)造的詳細信息(包括微小裂隙和小幅度斷層；斷距2～3 m)，以利于進行對地下深處采煤巷道的部署和煤炭的安全采掘.

(3) 高精度重力、磁力和綜合地球物理場勘探是三維與高密度地震勘探的有效補充.三維地震勘探和高密度數(shù)據(jù)采集對于提高煤層、以及頂、底板結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)致關(guān)重要.

(4) 電法勘探，瞬變電磁、MT、CASMT、EH-4、井中瞬變電磁等電阻率成像等方法對于探查和預(yù)測煤炭開采進程中的災(zāi)害事件，特別是水體、陷落柱等作用顯著，在我國普遍應(yīng)用較廣.

(5) 井下地震槽波地震勘探，它可以利用在煤層中傳播的反射波、折射波、繞射波、地震拉夫波、瑞利波頻散和特殊震相的提取來識別采空區(qū)、水體、應(yīng)力集中區(qū)、小幅度斷層和煤厚度的變化.這是一種在發(fā)展中的方法，在我國河南義馬煤礦的實驗已取得很好的效果.

(6) 井下綜合地球物理勘測主要是地震VSP勘探、井中瞬變電磁勘查、井中多元物理-化學(xué)參量測量.它們是地面地球物理勘探基礎(chǔ)上的有力補充或檢驗.

(7) 物理-數(shù)學(xué)模擬，高精度的物理模擬和多要素約束下的數(shù)學(xué)模擬對指導(dǎo)地面三維地震勘探、井下地震槽波勘查、異常地質(zhì)體(地面與井下)的電阻率變化等均能起到重要作用.

(8) 探測方法有效組合、集成與綜合效應(yīng).由于我國煤田及相鄰地域巖相復(fù)雜、構(gòu)造錯綜，難以以一個統(tǒng)一的模型來對待每一個煤礦.為此，通過高精度磁法勘探、重力勘探、各種電法勘探和地震勘探，特別是地面與井下形成一個三維的立體空間的四維地球物理探查體系已勢在必行！

地球物理方法的有效組合與聯(lián)合應(yīng)用(程久龍等, 2000; 劉樹才等, 2005; 彭蘇萍等, 2005; 王齊仁, 2004; 許新剛等, 2004; 楊華等, 1998; 岳建華等, 2003)，對于刻劃煤層上下及其中介質(zhì)的屬性、精細結(jié)構(gòu)和發(fā)現(xiàn)與煤礦開采相關(guān)的異常地質(zhì)體及異常區(qū)、段、體乃十分關(guān)鍵.因為這一系列方法的組合、集成和綜合分析為煤炭的高產(chǎn)、多產(chǎn)可提供精細的介質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)屬性，并對瓦斯、水涌、應(yīng)力集中、高溫、裂隙、陷落柱等進行預(yù)測，此乃是第二深度空間煤炭勘探和開采的必由路線圖.

5.3.2 突破500～700 m，向700～2000 m深度“挺近”與在煤炭開采過程中伴隨著災(zāi)害事件的增強和增多

煤炭勘探深度的加大，災(zāi)害隨之加劇，困難當(dāng)必增強.該怎樣面對，這些主要的災(zāi)害事件乃是核心所在(陳勇, 2007; 嚴陸光, 2006; 張鏡湖, 2004; 張文本, 2006; 中國科學(xué)院能源戰(zhàn)略研究組, 2006)：

(1) 深部煤炭開采中的煤層氣.煤礦中通稱煤層氣為瓦斯，主要成分是甲烷.在采煤進程中，煤層氣容易聚集與溢出，如遇明火往往會爆炸造成礦難，威力巨大.然而它確是一種寶貴的能源，根據(jù)發(fā)熱量1000 m3CH4相當(dāng)于1.25噸標煤，1 m3的煤層氣可相當(dāng)于1.33L汽油.在經(jīng)濟上更具優(yōu)勢，煤層氣燃料一般要比汽油價格低40%.根據(jù)相關(guān)部門公布的數(shù)字，我國埋深2000 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量36.81萬億m3.為此，煤層氣的前期發(fā)現(xiàn)，早期抽取和工業(yè)利用不僅重要，而且是變廢為益的有力舉措.當(dāng)然在這樣的深度處必須采用高、新技術(shù)，以達人工安全提取，通過管道輸出到地表，并建立起可安全儲存的整體配套設(shè)施并分離多級輸送到使用部門或用戶，以達高效利用.

(2) 沖擊地壓頻率和強度隨著深度增加呈非線性加強.煤礦在1000～2000 m深度掘進過程中沖擊地壓逐漸增強，強應(yīng)力集中會造成受力巖體破裂并產(chǎn)生一系列小地震，這時質(zhì)點以地震波動為載體向四周傳播、并引發(fā)小地震，其能量最大達4級，更深處則可能會導(dǎo)致5級左右的地震，造成礦井深處、地面的嚴重破壞和災(zāi)害.

(3) 煤炭開采與水體突涌.煤礦中的水體包括地面水體(江、河、湖、海、水庫等)與地下水體(上覆巖層、底板巖層中含水層水體與采空區(qū)的水體等).在煤礦開采時，會造成一系列的裂隙活動以及產(chǎn)生新的裂隙，破壞了原巖體及其周圍的應(yīng)力狀態(tài)，不僅會給水體本身帶來損害，破壞水體與圍巖共處的“原始”狀態(tài)，而且由于水體的破壞與突涌，使受損的水體大量流失，同時還會對開采進程帶來嚴重威脅以及造成人員傷亡.

(4) 地溫升高，造成熱害.我國大、中型煤礦在500～700 m深度的地溫一般為25～30 ℃，最高可達37 ℃，而在1000～2000 m深度的地溫將會達40～50 ℃.隨著開采深度的增加高溫災(zāi)害越來越嚴重，給煤炭掘進工作帶來極大的障礙，有時還會引起煤炭自然，嚴重影響礦井的正常生產(chǎn)以及礦工的身體健康.

(5) 煤塵爆炸.煤塵爆炸與瓦斯爆炸相比，產(chǎn)生能量大，燃燒時間長，破壞和焚燒的程度嚴重，產(chǎn)生大量的CO使人中毒造成傷亡，因此煤塵爆炸產(chǎn)生的后果也更加嚴重.我國的大、中型煤礦中，具有煤塵強爆炸危險性的比例競高達70%以上，小煤礦中具有煤塵強爆炸危險性的比例達到87%以上.

以上僅列舉5個煤礦開采中最為嚴重的災(zāi)害事件，隨著煤炭的勘探與開發(fā)進入第二深度空間，各種災(zāi)害事件的防控難度會越來越為大.為此為保證我國煤炭的安全、快速、可持續(xù)供應(yīng)，則必須加強煤炭勘探、開采、應(yīng)用等方面的基礎(chǔ)理論研究以及高、新科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用(滕吉文, 2004).

5.4 煤田區(qū)地表、地下設(shè)防和監(jiān)測

在煤層掘進中由于應(yīng)力集中、巖體與構(gòu)造的非穩(wěn)態(tài)變形、煤層氣的聚集與溢出，與水體相連的破碎體以及縫隙群的連通，在地下會激發(fā)裂隙增生、逐漸發(fā)展成為“破裂鏈”，在整體上形成通道.為此在煤炭開采過程中煤礦地表和周邊地域必須進行以下匹配工作：

(1) 破裂振動的地表動態(tài)觀測.在煤礦掘進中利用地表(或井中)高靈敏度防爆拾震裝置記錄煤層與頂、底板圍巖介質(zhì)發(fā)生破裂的振動過程，以及破裂發(fā)生與發(fā)展過程中應(yīng)力集中的部位、深度和強度變化，從而集中與縮小重點監(jiān)測范圍達到較大破裂生成的早期預(yù)警，防范災(zāi)害的發(fā)生.為此，必須通過長時期的持續(xù)監(jiān)測，通過各種物理量和化學(xué)量的提取與綜合分析，逐步取得和不斷完善對災(zāi)害性事件的發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律，以達建立起井下預(yù)警系統(tǒng).

(2) 在地表、淺井、巷道或掘進工作面附近地表微破裂的適時動態(tài)監(jiān)測.在采煤過程中利用高靈敏度微震定位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測記錄微破裂振動的位置、強度、頻度以及動態(tài)變化趨勢，結(jié)合微破裂震動波與震源等的變化特征進行破裂預(yù)報，實現(xiàn)對沖擊地壓危險的實時監(jiān)測預(yù)警從而采取有效應(yīng)急措施，因為瓦斯沖擊地壓與巖石破裂密切相關(guān)(姜福興等, 2003).

(3) 在地表、淺井、巷道或掘進工作面附近一定距離范圍內(nèi)水體的動態(tài)監(jiān)測.利用井下電磁波場響應(yīng)或地震槽波波場的響應(yīng)，超前探測低阻與低速水體的可能存在及預(yù)警.以防造成大量涌水事件，因為水體通常與電阻率、地震波速度關(guān)切.同時還必須對波場進行適時觀測、分析，特別要對異常結(jié)構(gòu)變化和波場響應(yīng)進行識別與分離(如繞射波、側(cè)面波等).

(4) 化學(xué)元素含量和分散暈的監(jiān)測.主要測量在采煤巷道或掘進工作面附近地表溢出的各類氣體的動態(tài)化學(xué)組成、濃度、變化范圍與集中度等.

(5) 采煤掘進過程中煤巖體的電磁輻射監(jiān)測.煤巖體在載荷作用下會激發(fā)電磁輻射效應(yīng)(王恩元等, 2005)，并且在采煤掘進工作面附近增強，與應(yīng)力狀態(tài)相吻合.在巷道內(nèi)，特別是掘進面附近應(yīng)用電磁輻射監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測電磁輻射波場，針對煤巖動力災(zāi)害前，煤巖體中電磁輻射的異常來判定危險程度，對煤礦地應(yīng)力場突變等煤巖動力災(zāi)害進行預(yù)警，給煤礦防范災(zāi)害提供依據(jù).

(6)警報系統(tǒng).設(shè)立為上述5項防范與監(jiān)測系統(tǒng)的分級警報系統(tǒng)，不但要傳達給在地下礦井作業(yè)人員，還要傳達給地面指導(dǎo)系統(tǒng)與應(yīng)急規(guī)范救援系統(tǒng)(醫(yī)務(wù)部門等).

以上表明，在地面、巷道或在掘進面附近進行微破裂響應(yīng)和電性與波場變化監(jiān)測(主體介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的物理參量)，對于探測煤層氣的產(chǎn)生、微破裂的發(fā)生和水體、采空區(qū)及其運移有著重要作用.這些環(huán)節(jié)都是為保障在深層煤炭掘進和開采進程中的安全生產(chǎn).這些技術(shù)的投入與配套十分關(guān)鍵，影響長遠.

5.5 高、新科技的應(yīng)用是深部煤炭勘探與開發(fā)的根本所在

5.5.1 三維地震勘探、高密度采集技術(shù)與高精度反演是第二深度空間煤炭勘探的重要保證

在煤炭勘探與開采進程中，首先是要查明煤田在深部的精細結(jié)構(gòu)，特別是煤層厚度的突然變異(尖滅)，煤層中的小幅度斷裂分布、煤矸石夾層、采空區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)的規(guī)模與屬性，疏松破碎巖體展布的空間和可能范圍.我國自從解放以后至今，由于建設(shè)事業(yè)的需求，煤炭產(chǎn)量與日俱增，在當(dāng)今煤炭工業(yè)發(fā)展中，安全、高效、多產(chǎn)的唯一出路乃高、新技術(shù)的應(yīng)用(程久龍等, 2000; 劉樹才等, 2005; 彭蘇萍等, 2005; 王齊仁, 2004; 許新剛等, 2004; 楊華等, 1998; 岳建華等, 2003).

前面已提及，即地球物理學(xué)的三維地震勘探，地震體波、面波波場與多波勘探、高精度重力、磁力和電磁波感應(yīng)場探測技術(shù)、水平井的鉆進技術(shù)、井中VSP測量和多參量地球物理測井技術(shù)的應(yīng)用及精確度和分辨率水平的提升，會給煤田的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和安全生產(chǎn)帶來新的契機.因為在第二深度空間的煤炭勘探與開發(fā)中必須對深埋煤炭的地面、地下構(gòu)造細節(jié)有清晰的認識，才能在采煤掘進進程中加強針對性的監(jiān)測以及進行災(zāi)害早前的防范預(yù)警.

在采煤掘進進程中應(yīng)用高、新技術(shù)(驅(qū)除煤灰、降低應(yīng)力集中度以及無陷落柱采煤等技術(shù))，加速采煤進度，降低巷道溫度，實現(xiàn)快速安全采煤.為此煤炭開采才有可能由近地表200、300、500、700 m，向深部開采.未來煤炭開采必須突破1000 m，向2000 m的深度“挺進”.當(dāng)今淮南、大同等煤礦的每一個采區(qū)，每一個礦田的開采均規(guī)定必須進行三維地震勘探.特別是在淮南煤礦區(qū)取得了很好的效應(yīng)，可分辨3～5 m的小幅度斷層等.

但這里必須提出的是：地面三維或高密度地震勘探并非各礦區(qū)均宜，而是必須在詳細分析礦區(qū)地震地質(zhì)條件的前提下，精心設(shè)計、精心選用參數(shù)和正、反演計算、模擬及解譯方能取得逼近于實際的效應(yīng).在三維地震勘探中必須有效地利用地震屬性并優(yōu)化地震屬性，特別是時間屬性、振幅屬性、頻率屬性和介質(zhì)對地震波能量的吸收屬性(Sain and Kaila, 1996; 孟召平等, 2006)；波場的有效分離與精細結(jié)構(gòu)刻劃；以達對深部煤層起伏預(yù)測和靜態(tài)應(yīng)力場的查明.否則不僅得不到成效，反而會削弱對一種高精度方法的理解，而且會造成大量資金的浪費，且得不到效應(yīng).在三維地震勘探的基礎(chǔ)上，還必須進行高密度數(shù)據(jù)采集與高精度反演，以得到地下煤層與頂、底板介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的“透明”填圖.

5.5.2 第二深度空間煤炭開采與應(yīng)用基礎(chǔ)研究

對于第二深度空間煤炭的勘探與開發(fā)，加強應(yīng)用基礎(chǔ)研究十分重要，只有這樣才能不斷提升煤炭勘探與開采的技術(shù)、方法和理論，建立起新的勘探與開采模式，不斷提高煤炭的轉(zhuǎn)化利用效能，從而確保我國深部煤炭的精細勘探、安全開采與高效利用，構(gòu)成勘探、開發(fā)與利用的一整套體系.當(dāng)煤炭勘探深度越來越深，開采難度越來越大，巷道、礦井中的災(zāi)害問題越來越突出，尤其是瓦斯、沖擊地壓、地溫、水涌等，就必須加強應(yīng)用基礎(chǔ)研究，逐步考慮以高投資換取高效益的一系列措施，如：

① 裝設(shè)先進支撐系統(tǒng)(尤其是在軟弱圍巖與疏松破碎地帶)確保掘進安全，煤礦工人安全防壓、防爆井下設(shè)置與掩護空間(體)的配置.

② 井下、巷道工作人員防毒面具以及供氧設(shè)備的配備.

③ 不斷加強完善和建立煤田地面、地下(巷道)自動化數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)(主指連續(xù)監(jiān)測破裂、破裂過程與“破裂鏈”的構(gòu)成、電磁輻射、化學(xué)分散暈等異?，F(xiàn)象).

④ 在煤炭開采過程中同步進行煤層氣和水體的抽取以達安全、高效產(chǎn)出.

⑤ 深部煤碳分層開采或局部地段露天開采與地下深處“封閉”開采聯(lián)合，采煤工藝與技術(shù)工程的發(fā)展，可有效降低災(zāi)害.

⑥ 研究發(fā)展耐高溫、耐高壓、防毒、防火材料裝備，發(fā)展井下機器人操作采煤、監(jiān)測與井下指揮及救援的新技術(shù)和新方案.

⑦ 研究和探索煤炭地下存儲，地下汽化、液化、焦化與采掘并舉.

⑧ 研究與探索地面發(fā)電廠與地下煤炭能源連體燃燒(不將煤炭采出運抵地面再燃燒)直接利用，實現(xiàn)發(fā)電與輸送一體化.

對于第二深度空間煤炭勘探與開發(fā)，這一系列措施不論在理論上還是實踐上均會存在很多難點，在較短時間內(nèi)難于完全解決或攻克，但在理論上、技術(shù)上、措施上必須不斷加強研究.特別是有關(guān)地面、地下監(jiān)測和超前探測與預(yù)警系統(tǒng)的一體化布設(shè)，必須立即實施和全面投入.

6 我國煤炭的高效利用與其在能源結(jié)構(gòu)中的不可替代

在我國能源結(jié)構(gòu)中，煤炭始終保持著主體地位，為我國經(jīng)濟快速發(fā)展與工業(yè)化進程提供了保障，但煤炭利用的同時也給生態(tài)環(huán)境帶來了一些問題.因此必須制定出適應(yīng)我國國情的煤炭工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，加強對煤炭生產(chǎn)利用的管理措施，實現(xiàn)煤炭資源的多元化高效利用，達到在經(jīng)濟發(fā)展中煤炭工業(yè)與生態(tài)環(huán)境的平衡.這方面國內(nèi)外已有大量研究、實驗和小規(guī)模生產(chǎn)(陳勇, 2007; 黃毅誠, 2004; 嚴陸光, 2006; 張鏡湖, 2004; 張文本, 2006; 中國科學(xué)院能源戰(zhàn)略研究組, 2006; 中國科學(xué)院學(xué)部, 2007).

6.1 我國煤炭工業(yè)的發(fā)展策略

為保障我國經(jīng)濟發(fā)展的能源需求，實現(xiàn)第二深度空間煤炭的勘探與開發(fā)，我國煤炭工業(yè)必須向著科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染小的道路可持續(xù)發(fā)展，則要加強以下工作：

(1) 加強第二深度空間煤炭高精度地球物理勘探，通過高分辨率數(shù)據(jù)采集，識別深部煤層精細結(jié)構(gòu).

(2) 強化煤田及其周邊地域?qū)Φ叵挛⑵屏研纬膳c發(fā)展、沖擊地壓、瓦斯等可能災(zāi)害事件的實時與中、長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及預(yù)警系統(tǒng)，健全煤礦安全防范體系.

(3) 強化第二深度空間煤炭勘探與開發(fā)應(yīng)用基礎(chǔ)理論及高、新技術(shù)的研究和引進，研發(fā)及創(chuàng)立深層煤炭勘探與安全開采的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)模式.

(4) 完善強化煤炭資源開發(fā)管理體系，嚴格礦業(yè)審批，科學(xué)制定煤炭生產(chǎn)開發(fā)規(guī)范與規(guī)劃，促進煤炭工業(yè)科學(xué)、有序發(fā)展.

(5) 加強中、小型煤礦整頓、改造，大力提升煤炭生產(chǎn)開發(fā)設(shè)備的數(shù)字化、自動化程度，培育發(fā)展大型煤炭企業(yè)，建立大型煤炭基地，建設(shè)主要運煤管道與港口.

(6) 規(guī)范煤炭市場生產(chǎn)消費秩序，強化煤炭戰(zhàn)略后備基地建社，建立安全、可靠煤炭供應(yīng)體系，且必須儲備一定戰(zhàn)備煤量.

(7) 加強潔凈煤技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，強化煤灰、煤泥、煤矸石、煤層氣、礦井水的有效利用與綜合治理.

(8) 加強煤田礦區(qū)大氣、水資源、地面沉陷等生態(tài)環(huán)境問題的綜合治理.

(9) 積極引導(dǎo)合理用煤、節(jié)約用煤、高效用煤，構(gòu)建煤炭循環(huán)經(jīng)濟體系.

(10) 加強煤炭工業(yè)法制建設(shè)，建立法律、政策和調(diào)控體系，嚴厲打擊違規(guī)勘探、開采，嚴懲官商勾結(jié)損害國家和人民利益的非法行為.

6.2 發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)的重要性

基于我國以煤炭為主的能源稟賦和消費結(jié)構(gòu)，決定了未來20年煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中仍有較大比重的前提下，對煤炭使用過程中的高污染、高排放和低效能問題，應(yīng)得到有效治理；加強碳捕獲、碳封存等煤炭清潔和高效利用技術(shù)的開發(fā)，對我國能源安全具有重要意義.

潔凈煤技術(shù)是指煤炭從開采到利用的全過程中，主要是在減少污染物排放和提高利用效率的加工、轉(zhuǎn)化、燃燒及污染控制等新技術(shù)，包括潔凈生產(chǎn)技術(shù)、潔凈加工技術(shù)、高效潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)、高效潔凈燃燒與發(fā)電技術(shù)和燃煤污染排放治理技術(shù)等.

發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)有利于提升煤炭能源利用效率，節(jié)約煤炭，減少粉塵、SO2和氮氧化物的排放，改善生態(tài)與大氣環(huán)境.采用潔凈生產(chǎn)技術(shù)選煤可降低原煤中灰分；采用煤氣化和煤液化等高效潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)，可將煤炭轉(zhuǎn)化為清潔的氣體、液體燃料；采用高效潔凈燃燒技術(shù)，可有效提高煤炭燃燒效率，降低氮氧化物生成，實現(xiàn)在燃燒過程中脫硫；采用煙氣凈化等污染排放治理技術(shù)可實現(xiàn)燃燒后脫硫.

發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)有利于保障能源安全供給.我國富煤、貧油、少氣，未來經(jīng)濟社會發(fā)展一次性化石能源需求主體依靠煤炭保障.強化發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，它能夠提高煤炭利用效率、有效控制污染物的排放；能對當(dāng)前及未來優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)發(fā)揮效能；有利于解決石油供需矛盾，保障能源安全供給；具有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的前景.

煤炭多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是煤炭高效、潔凈利用的主要發(fā)展趨勢.多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是利用物理化學(xué)方法，通過多種煤能轉(zhuǎn)化、利用技術(shù)的有機結(jié)合，獲得清潔的二次能源(電、液體燃料、氫等氣體燃料)以及多種高附加值化工副產(chǎn)品.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)加上多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，被認為是目前最具發(fā)展前景的潔凈煤技術(shù)，它在燃燒前先去除煙氣中的污染物，常規(guī)污染少，效率高，有利于綜合利用煤炭資源，能同時生產(chǎn)甲醇、尿素等化工產(chǎn)品.

顯然，實現(xiàn)潔凈煤炭利用技術(shù)的突破和成本的下降將是解決中國能源問題之根本.

6.3 煤炭液化與其在解決能源結(jié)構(gòu)中的不可替代

煤炭是一種含碳量很高，含氫量只有5%的固體燃料.與液體燃料相比，煤不便于運輸、處理，而且煤炭的直接燃燒，不僅熱效率低，浪費大，還會排放SO2、氮氧化物等多種有害氣體，嚴重污染環(huán)境.為預(yù)防、減少煤炭燃燒對環(huán)境和人體健康帶來的危害，提高綜合利用效率.近年來，世界各國都開展了煤轉(zhuǎn)化加工技術(shù)的研究，主要包括煤氣化、煤液化技術(shù).煤炭液化指煤經(jīng)化學(xué)加工轉(zhuǎn)化為汽油、柴油、液化石油氣等液體燃料的過程.煤液化主要分為兩類，一類是直接液化，另一類是間接液化.

(1) 煤炭直接液化技術(shù)

煤炭直接液化是指將煤粉、催化劑和溶劑混合在液化反應(yīng)器中，在適宜的溫度和壓力條件下，將煤直接轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的過程.其優(yōu)點：油收率高；餾份油以汽、柴油為主，目標產(chǎn)品的選擇性相對較高；油煤漿進料，設(shè)備體積小，投資低，運行費用低等.缺點：反應(yīng)條件相對苛刻；出液化反應(yīng)器的產(chǎn)物組成較復(fù)雜，分離相對困難.

1973年以來，由于石油能源危機，煤炭液化技術(shù)開始活躍，美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達國家紛紛開始研發(fā)新一代煤直接液化技術(shù).這些工藝包括：德國IG工藝、德國IGOR工藝、美國H-COAL工藝、美國CTSL工藝、美國HTI工藝、日本NEDOL工藝等.

我國從20世紀70年代末開始研究煤直接液化技術(shù)，中國科學(xué)院山西煤化所、煤炭科學(xué)研究總院北京煤化學(xué)研究所等單位都對直接液化進行了很有成效的研究，建立了具有國際先進水平的煤直接液化技術(shù)基礎(chǔ)研究試驗基地.2008年神華集團煤直接液化示范裝置成功試車，2011年實現(xiàn)商業(yè)化運行，2013年油品產(chǎn)量已達到86.6萬噸(李克健等, 2014).

(2) 煤炭間接液化技術(shù)

煤炭間接液化是指將煤氣化生成合成氣(CO、H2)，經(jīng)過催化劑轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的過程，分為合成油和合成醇兩個方向.其優(yōu)點：合成條件較溫和；轉(zhuǎn)化率高；煤種適應(yīng)強；產(chǎn)品潔凈，無硫氮污染物；工藝成熟.缺點：油收率低；反應(yīng)物均為氣體，設(shè)備龐大，投資高，運行費用高.

目前南非Sasol公司是世界上唯一大規(guī)模的“煤變油”商業(yè)工廠，擁有有Sasol-Ⅰ、Sasol-Ⅱ、Sasol-Ⅲ三個工業(yè)化大型合成油廠，年產(chǎn)達到800萬噸油品，主要產(chǎn)品包括柴油、汽油、蠟、氨、醇、醛、酮、乙烯、丙稀、聚合物等150余種，為該國提供了60%的運輸油料.最近兩年，國際油價一再攀升，大規(guī)模的煤制油研發(fā)又掀起高潮，美國去年起又開始研發(fā)煤炭間接液化，法國、意大利也開始進行合作研發(fā).

2001年國家科技部“863”計劃和中國科學(xué)院聯(lián)合啟動了“煤制油”重大科技項目在山西潞安煤基合成油示范廠是國家“863”高新技術(shù)項目和中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目的延續(xù)項目，2009年16萬噸鐵基漿態(tài)床煤基合成油裝車投料試車成功，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品(李賀, 2014).2010年內(nèi)蒙古伊泰煤制油項目正式實現(xiàn)滿負荷生產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模為16萬噸/年，標志著具有我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的煤間接液化制油成套技術(shù)從中試到工業(yè)化放大完全獲得成功.2012、2013年裝置生產(chǎn)各類油品17.2萬噸、18.1萬噸(李賀, 2014).

目前，我國己投入工業(yè)化示范的煤制油項目有5個，產(chǎn)能達到160萬噸.根據(jù)煤制油項目進展情況和幾個煤制油企業(yè)規(guī)劃，到2015年煤制油產(chǎn)能可達1200萬噸，2020年可達3300萬噸的規(guī)模.預(yù)計，按照高中低三種增速計算，到2015年我國煤制油的生產(chǎn)規(guī)模分別達到600萬噸/年、1000萬噸/年、1200萬噸/年.到2020年高增長情景下可達5000萬噸/年(李賀, 2014).據(jù)介紹，15家商業(yè)規(guī)模的煤液化工廠的總產(chǎn)量將可以替代中國2020年石油進口量的15%(張揚健, 2011).

必須指出的是，在煤制油方面力爭短期能在技術(shù)上有突破性進展，要強化研發(fā)煤炭的地下氣化技術(shù).同時要進一步降低成本、能耗、水耗，推動具有商業(yè)競爭力的規(guī)模化生產(chǎn).

由圖17可見，基于我國目前面臨的能源形勢，以及現(xiàn)有技術(shù)條件，發(fā)展煤基替代能源是最具現(xiàn)實基礎(chǔ)的.因此穩(wěn)定的煤制醇、煤制醚，較大規(guī)模的煤制油技術(shù)以及一定規(guī)模煤炭轉(zhuǎn)化加工工廠的建設(shè)將必是我國未來發(fā)展煤基替代能源必須遵循的路線圖.人們必須清晰的認識到，從長遠看，特別是我國煤炭能源潛力大，使用時期遠大于油、氣.因此發(fā)展以煤和煤炭轉(zhuǎn)化能源的征程將必是長遠的，必須強化開發(fā)，而成本高是相對的或暫時的，一旦有所突破將是長效的，并且有很強的戰(zhàn)略意義.

圖17 煤基替代能源方案發(fā)展路線圖(中國科學(xué)院能源戰(zhàn)略研究組, 2006)Fig.17 Develop projects of coal-based alternative energy resources (Research Center of Energy Strategy of CAS, 2006)

7 我國在發(fā)展進程中第二深度空間煤炭需求乃必然軌跡

(1) 我國過去30年中能源消費的基本特征

① 消費量快速增長，已成為能源消費世界第一大國；

②人均能耗水平為美、日相同發(fā)展階段的36%和81%；

③ 消費強度為美、日相同發(fā)展階段的34%和78%，且與碳排放強度同呈穩(wěn)步下降勢態(tài)；

④ 人均碳排放量僅為美、日的29%和56%，排放強度穩(wěn)步下降；

⑥ 能源消費結(jié)構(gòu)以煤炭為主，超七成能源用于工業(yè)，即工業(yè)能耗占比超過70%；

⑦ 用電總量增長13倍，人均電耗仍不及美、日的1/5和1/3.

(2) 未來30年我國的能源消費結(jié)構(gòu)

未來30年正值我國快速發(fā)展的時期，對能源的消費將必是巨量的.

① 結(jié)構(gòu)調(diào)整任重道遠，2030年煤炭占能源消費比例仍超過50%(圖18)；

② 2030年電力需求增加1.5倍，人均耗電量仍僅為美、日目前的1/2和80%；

③ 2010—2030年中國累計需求原煤826億噸，為過去60年的1.6倍(圖20)；

④ 天然氣需求增速居化石能源之首(圖20)，累計需求量為過去60年的6倍(圖20)；

⑤ 優(yōu)質(zhì)能源保障程度持續(xù)下降，能源安全形勢極為嚴峻.

(3) 2010—2040年對能源的需求和消費預(yù)測

未來30年中國能源消費預(yù)測(圖19；圖20)表明：在電力生產(chǎn)逐年增長的總形勢下，在世界油、氣能源緊缺和產(chǎn)油國和地區(qū)動蕩的政治形勢制約下，能源的需求不論是過去、現(xiàn)在、還是將來，我國以煤炭為主體能源配置結(jié)構(gòu)的格局，將必長期穩(wěn)定，是不會發(fā)生根本性改變的，但必須強化煤炭的高效、高能、低污和高產(chǎn)的統(tǒng)一、高新技術(shù)的有效利用和自主創(chuàng)新.

圖18 2010—2040年中國能源消費結(jié)構(gòu)變化趨勢(王安建和王高尚, 2012)Fig.18 The trend of China′s energy consumption structure from 2010 to 2040(Wang and Wang, 2012)

圖19 2010—2040年中國不同品種能源需求量變化趨勢(王安建和王高尚, 2012)Fig.19 Demand trends for different types of energy in China from 2010 to 2040 (Wang and Wang, 2012)

圖20 不同階段中國能源累計需求量變化(王安建和王高尚, 2012)石油：億噸油當(dāng)量； 原煤：億噸； 天然氣：百億立方米； 天然鈾：萬噸；一次能源：億噸油當(dāng)量.Fig.20 The change of China′s energy demand in different development stages (Wang and Wang, 2012)

(4) 未來30年我國在發(fā)展進程中對煤炭需求的出路何在！

進入21世紀以來，全球?qū)Y源、能源的爭奪，動蕩的政治形勢(特別是能源產(chǎn)地的中東)，影響著、也制約著發(fā)展中國家的社會進步和經(jīng)濟發(fā)展.不論是能源產(chǎn)出、儲存(油、氣、煤)和運輸，還是產(chǎn)地與主體消費地域的矛盾以及能源配置結(jié)構(gòu)都會得出必然的結(jié)論，即中國以本土的優(yōu)勢能源煤炭作為主體已不容爭辯.

顯然第一深度空間的煤炭(<800 m)已越來越不足以供給和支持我國未來30年的快速發(fā)展和振興！為此，突破500 m、800 m強化向第二深度空間“挺進”已為我國發(fā)展的軌跡.這一空間不僅是中國要這樣前進，而世界上各大煤炭生產(chǎn)國也必然是沿著這一路線圖前進！

為此第二深度空間的煤炭，從現(xiàn)在起則必須深化與加速理論、技術(shù)、方法和實施的研究與探索；且必須在安全、防災(zāi)、高產(chǎn)、高能、高效利用等諸多方面賦以新的理念，制定出未來30年我國對煤炭的需求和深部潛力的分析和研究，厘定出創(chuàng)新的與自主創(chuàng)新的第二深度空間煤炭事業(yè)發(fā)展和利用的路線圖.

8 結(jié)語

(1) 經(jīng)過半個多世紀的研究和實踐，中國煤炭工業(yè)已經(jīng)基本建成比較完整的，并擁有一部分現(xiàn)代化水平的煤炭工業(yè)體系.但是煤炭工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的任務(wù)和道路仍會很長.應(yīng)當(dāng)確切地說，當(dāng)今煤炭工業(yè)在總體上看仍還是粗放型的，且水平較低，創(chuàng)新意識差，這主要體現(xiàn)在：

① 監(jiān)測預(yù)警水平尚低

當(dāng)今國家和煤礦人多注重產(chǎn)出效益，忽略監(jiān)測與防范系統(tǒng)的建設(shè)；多注重形式，不能在監(jiān)測和防范上給予較大投入，不是以建立在本土主體能源-煤炭為基準，難以建立起較為完善的，且適宜本國實際的地面、地下立體監(jiān)測系統(tǒng).

② 對地面、地下地球物理方法的適宜性，方法本身的特性和如何科學(xué)的、有機的的應(yīng)用尚缺乏深入理解.

總希望通過已有的、簡單的、單一的技術(shù)“包打天下”，而很少考慮技術(shù)的多元互補與交叉；地球物理監(jiān)測、探測、解譯水平尚低，各礦區(qū)技術(shù)力量薄弱，未能形成一支創(chuàng)新的技術(shù)隊伍；技術(shù)集成和對觀測結(jié)果分析與解譯能力尚較差，通常滿足于現(xiàn)象的看圖識字，缺乏對基本理念的理解.更為嚴重的是，不允許失敗，一次失敗則會導(dǎo)致對地球物理先進方法與技術(shù)的全盤否定！

③ 全國煤炭機械化、智能化、數(shù)字化安全開采有待加強

盡管我國在煤炭開采自動化、智能化、數(shù)字化方面已有大幅度的提高，且具相當(dāng)水平，但在煤層中災(zāi)害事件探查和超前預(yù)測方面尚重視不夠.有的煤礦進口設(shè)備閑置，或沒有充分利用，特別是有一定規(guī)模和水平工程技術(shù)人員的專門隊伍有待組成(有的煤礦卻很好，如義馬煤礦等).

④ 對煤炭高效、高能利用和煤炭轉(zhuǎn)化能源尚缺乏迫切感

對能源尚缺乏戰(zhàn)略上的迫切感和應(yīng)對世界能源形勢的危機感；對潔凈煤技術(shù)，煤轉(zhuǎn)化油、轉(zhuǎn)化氣技術(shù)未能強化與深化研究.

(2) 必須充分認識到，在我國經(jīng)濟發(fā)展、科技進步和社會前進的征途上，不可再生的化石能源(油、氣、煤)消費是不會銳減的，只會逐日上升，然而它們最終的枯竭確是不可回避的事實.因此人類利用能源的根本出路仍然在于，逐步地大力減少化石能源的消耗量，強化增大核能和可再生能源的分維及其研究和利用.

(3) 應(yīng)當(dāng)充分地認識到，要走新型工業(yè)化道路，在國家能源安全方針導(dǎo)向下，必須加強應(yīng)用基礎(chǔ)研究(滕吉文, 2004).加強高、新科技應(yīng)用以及技術(shù)創(chuàng)新，實施科教興煤戰(zhàn)略，大力推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，從而使我國煤炭工業(yè)走上一條資源消耗低，科技含量高，環(huán)境污染少的新型工業(yè)化道路.

(4) 提升煤炭本身的價值.通過煤炭資源的市場和價格的杠桿作用，提升煤炭資源的本身價值，促進煤炭資源的高效、高能利用，特別是煤成氣、煤成油等燃料能源的新導(dǎo)向.

(5) 必須進行“節(jié)能減排”和大力降低能源使用量的強度.遵循煤炭能源利用和綜合發(fā)展的路線圖，以構(gòu)建我國可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略軌跡，為人類營造一個良好的生活與生存空間，以利于社會和經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展！

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(本文編輯 汪海英)

Analysis of exploration, potential reserves and high efficient utilization of coal in China

TENG Ji-Wen1,3, QIAO Yong-Hu1,2, SONG Peng-Han1,2

1InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3JilinUniversity,Changchun130026,China

Petroleum is the main energy in the energy structure in most countries, while the coal is the main energy in our country, which is based on the characteristics (rich in coal, poor in oil and gas) in the fossil energy. As the ceaseless development of reforming and opening, with rapid economic and social development in China, the requirement of the fossil energy rises increasingly, thus the exploration and exploitation in second deep space of crust interior of coal resource should be considered at once. There are many difficulties in the exploiting process, it is necessary to adopt high and new technology in order to prevent disaster and improve synthetical utilization efficiency of coal resource. Based on analysis of the major energy-coal in China, in this article, we concentrate on the following six topics: 1) Energy situation and policy of China; 2) Demand of fossil energy, production and consumption of coal; 3) Production, utilization, demand, potential reserves and existing problems of Chinese and global coal resource; 4)Exploration, exploitation and application of high techniques of coal; 5) Coal′s efficient utilization and it′s irreplaceable character in the energy structure of China; 6) The inevitable path of coal demand in second deep space of crust interior in the development of China.

Energy structure; Coal; Exploration and exploitation in second deep space of crust interior; Dynamic monitor and prevention; High efficient utilization

10.6038/cjg20161224.

國家自然科學(xué)基金委重點項目(41130419)資助.

滕吉文,男,1934年生,教授,研究員,中國科學(xué)院院士.主要從事地球物理學(xué)和地球動力學(xué)研究.E-mail:jwteng@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20161224

P631

2015-09-17，2016-09-17收修定稿

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