對(duì)我國煤炭主體能源地位與綠色開采的思考

王雙明

(1.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西省西安市，710054；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西省西安市，710054)

習(xí)近平總書記指出：美國能源發(fā)展重點(diǎn)是頁巖氣，我們對(duì)煤的注意力不要分散，關(guān)鍵是解決好煤的清潔高效利用問題。在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，還是以煤為主的格局；在發(fā)展新能源、可再生能源的同時(shí)，要做好煤炭這篇文章。我國在著力推動(dòng)能源革命，加大能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的進(jìn)程中，煤炭作為我國主要能源的地位和作用是難以改變的。

缺油、少氣、相對(duì)富煤是我國能源資源國情，以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)短時(shí)間內(nèi)難以改變是能源資源稟賦決定的。研究表明，在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，在我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭的比重將逐步降低，但是煤炭產(chǎn)量仍將保持低速增長，煤炭作為我國主體能源的地位短時(shí)間內(nèi)難以改變，但按照生態(tài)文明建設(shè)的總體部署，煤炭在開采、加工以及利用方面面臨的生態(tài)環(huán)境約束將日益加大[1]。

1 煤炭主體能源地位短期內(nèi)難以改變

1.1 缺油、少氣、相對(duì)富煤不可改變

我國能源資源稟賦特點(diǎn)為缺油、少氣、相對(duì)富煤，這是地質(zhì)條件決定的，是根據(jù)地質(zhì)勘查成果所得到的科學(xué)認(rèn)識(shí)。據(jù)國土資源管理部門的資料顯示，2018年，我國石油剩余可采儲(chǔ)量為35.42億t，按現(xiàn)在的生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)模計(jì)算，儲(chǔ)采比為18.7 a；天然氣剩余可采儲(chǔ)量為5.52萬億m3，按現(xiàn)在的生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)模計(jì)算，儲(chǔ)采比為34.3 a；煤炭查明可采儲(chǔ)量為16666.73億t，按現(xiàn)在的生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)模計(jì)算，可采年限至少為160 a以上。

1.2 煤炭作為主體能源在較長時(shí)期內(nèi)沒有改變

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1960年煤炭在我國一次性能源消費(fèi)占比為90%，1970年煤炭在我國一次性能源消費(fèi)占比為80%，2015年煤炭在我國一次性能源消費(fèi)占比為70%，2017年煤炭在我國一次性能源消費(fèi)占比為60%，2018年煤炭在我國一次性能源消費(fèi)占比為59%。1978—2017年煤炭消費(fèi)占比年均下降僅為0.25%，2018年煤炭消費(fèi)占比雖然下降了1.2%，但是消費(fèi)量卻增加了1%，產(chǎn)量增加了4.5%。也就是說，目前煤炭消費(fèi)占比與消費(fèi)量和產(chǎn)量處于逆向增長的過程，其主體地位并沒有發(fā)生改變。

1.3 燃煤發(fā)電實(shí)現(xiàn)清潔燃燒

作為我國的主體能源，煤炭在清潔利用方面近幾年取得了重大進(jìn)展，特別是燃煤發(fā)電廠的低成本超低排放技術(shù)取得了突破。國家規(guī)定，煙塵、二氧化硫和氮氧化物的燃煤鍋爐重點(diǎn)地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)限值分別不高于20 mg/Nm3、50 mg/Nm3和100 mg/Nm3，而煙塵、二氧化硫和氮氧化物的超低排放標(biāo)準(zhǔn)是不高于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3和50 mg/Nm3。河北省環(huán)境監(jiān)測中心監(jiān)測報(bào)告顯示，國華三河電廠改造后4臺(tái)機(jī)組的煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別為0.44～3.42 mg/Nm3、10.45～19.12 mg/Nm3、21.36～31.14 mg/Nm3，低于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組10 mg/Nm3、100 mg/Nm3、200 mg/Nm3的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，且成本僅為燃?xì)獍l(fā)電的1/2，煤炭發(fā)電的成本優(yōu)勢十分明顯 。

1.4 煤制液體燃料實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)

(1)煤炭液化實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。2015年8月，兗礦集團(tuán)陜西未來能源公司100萬t/a煤炭間接液化項(xiàng)目在榆林建成投產(chǎn)；2016年12月，國家能源寧煤集團(tuán)400萬t/a煤炭間接液化項(xiàng)目在寧夏建成投產(chǎn)；2008年12月，國家能源集團(tuán)100萬t/a煤直接液化項(xiàng)目一次投料試車成功，標(biāo)志著我國煤制液體燃料進(jìn)入了規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)階段。

(2)富油煤資源豐富，轉(zhuǎn)化油氣潛力巨大。應(yīng)用中低溫?zé)峤夤に噷⒌碗A煤加工成氣、液、固這3種物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了將我國相對(duì)豐富的年輕煙煤轉(zhuǎn)化成相對(duì)緊缺的油、氣資源，和可替代無煙煤和焦炭的半焦。據(jù)目前小規(guī)模熱解生產(chǎn)成果，每噸煤可熱解得到約10%的煤焦油、150 m3的氣和600 kg左右的半焦。 我國西部地區(qū)富油煤資源豐富，有替代1～2個(gè)大油田的廣闊前景。

(3)煤制油品質(zhì)量高，使用領(lǐng)域廣。煤制油品具有比重大、體積熱值、體積比熱容、熱安定性高以及氮、硫、灰、粉塵低等特點(diǎn)，可滿足航天航空領(lǐng)域?qū)θ剂系男阅苄枨蟆Ｃ夯后w燃料用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭燃料試驗(yàn)均取得成功，為我國航空航天燃料供給提供了戰(zhàn)略選項(xiàng)。

1.5 煤炭仍是我國能源革命定型期第一大能源

從人類誕生一直到19世紀(jì)后半葉，能源都以薪柴為主 ；1850年開始，煤炭取代薪柴成為第一大能源；1965年，油氣取代煤炭成為第一大能源；2010年之后，新能源發(fā)展提速，化石能源開始向非化石能源轉(zhuǎn)變，目前，全球煤炭消費(fèi)尚處轉(zhuǎn)型上升通道，峰值將會(huì)出現(xiàn)在2040年左右。全球能源轉(zhuǎn)換階段如圖1所示。

根據(jù)我國能源安全發(fā)展的戰(zhàn)略需求，中國工程院組織能源領(lǐng)域院士和專家進(jìn)行了推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略研究，認(rèn)為中國能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命需分 “三步走”：第一步，2020年以前為能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化期，實(shí)現(xiàn)化石能源消費(fèi)清潔高效利用，力爭2020年煤炭、油氣、非化石能源消費(fèi)比例達(dá)到6∶2.5∶1.5；第二步，2021-2030年為能源變革期，實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)顯著優(yōu)化和能源綠色低碳發(fā)展，力爭2030年煤炭、油氣、非化石能源消費(fèi)比例達(dá)到5∶3∶2；第三步，2031-2050年為能源革命定型期，形成新型能源體系，煤炭、油氣、非化石能源消費(fèi)比例達(dá)到4∶3∶3。也就是說，直到2050年，煤炭仍然是中國第一大能源。

圖1 全球能源轉(zhuǎn)換階段

綜上所述，資源稟賦特點(diǎn)決定了煤炭的主體地位，清潔高效利用技術(shù)支撐了煤炭的主體地位，煤制液體燃料技術(shù)鞏固了煤炭的主體地位。我們有理由相信，科技創(chuàng)新將延續(xù)煤炭的主體地位，煤炭這篇文章只會(huì)越做越好。

2 西部煤炭開發(fā)和環(huán)境保護(hù)矛盾尖銳

我國煤炭資源呈現(xiàn)“西多、東少”的總體分布特征，西部煤炭資源量占全國煤炭資源總量的70%以上[1]，東部1000 m以淺煤炭資源趨于枯竭。在以煤為主體能源且短期內(nèi)難以改變的背景下，開發(fā)西部煤炭資源已經(jīng)成為保障國家能源安全的重大需求。然而，西部地處干旱-半干旱地區(qū)，水資源匱乏，地表植被稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，嚴(yán)重制約了西部煤炭資源的安全高效開發(fā)[2]。

2.1 生態(tài)環(huán)境脆弱

西部煤炭資源富集區(qū)主要位于降雨量小、蒸發(fā)量大的西部沙漠黃土廣泛覆蓋區(qū)，水資源匱乏，干旱少雨，生態(tài)環(huán)境脆弱，因此實(shí)現(xiàn)采煤與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展是西部煤炭工業(yè)面臨和必須破解的重大技術(shù)難題。

2.2 采動(dòng)損害嚴(yán)重

目前，我國95%以上的煤炭生產(chǎn)采用井工開采方式，這種開采方式會(huì)形成大范圍的采空區(qū)，導(dǎo)致煤層圍巖發(fā)生復(fù)雜的移動(dòng)變形，使上覆巖層發(fā)生冒落、產(chǎn)生裂隙和彎曲下沉，地表形成沉陷、塌陷并產(chǎn)生大量裂縫，帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題。據(jù)陜西省地質(zhì)調(diào)查院資料，榆林地區(qū)煤炭采空區(qū)目前地表塌陷面積已達(dá) 33 km2，導(dǎo)致地表植被受損，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響；神木北部礦區(qū)煤炭大規(guī)模開發(fā)以來，區(qū)域性水位下降8～12 m，泉眼(組)從650處減少到379處，水面由163 km2下降到103 km2；2000年黃河一級(jí)支流窟野河斷流75 d，2001年斷流106 d，2002年斷流220 d，母河溝泉采煤前年均流量為5961 m3/d，最大流量為10627 m3/d，采煤后 2002年4月實(shí)測流量為1680 m3/d，2006年枯竭。采動(dòng)損害導(dǎo)致地表植被受損如圖2所示。

圖2 采動(dòng)損害導(dǎo)致地表植被受損

相關(guān)研究表明，西部煤炭開采對(duì)地表土壤損害明顯，導(dǎo)致塌陷區(qū)土壤質(zhì)量與植被結(jié)構(gòu)退化，雖然隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸恢復(fù)，但經(jīng)過10 a 的自然演替，植物群落結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量仍不能恢復(fù)至塌陷前的水平。研究結(jié)果表明，采煤塌陷區(qū)植物群落和土壤因子大體經(jīng)過3 個(gè)不同的演替階段: 退化期(塌陷后1～2 a) →改善期(塌陷后5 a) →初步恢復(fù)期(塌陷后10 a) ; 塌陷地植被與土壤的耦合協(xié)調(diào)程度在塌陷1 a 表現(xiàn)為輕度失調(diào)衰退類植被損益型，塌陷2 a 為瀕臨失調(diào)衰退類植被土壤共損型，塌陷5 a為初級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展類植被土壤同步型，至塌陷10 a 仍表現(xiàn)為中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展類植被土壤同步型，但尚未達(dá)到未塌陷地良好協(xié)調(diào)發(fā)展的生態(tài)類型。地表塌陷前與塌陷后植被與土壤的變化情況如圖3和圖4所示。

圖3 地表塌陷前與塌陷后植被變化情況

圖4 地表塌陷前與塌陷后土壤變化情況

3 維系地表生態(tài)系統(tǒng)的地質(zhì)條件與采動(dòng)損害機(jī)理

保障國家能源安全必須開發(fā)西部煤炭，而煤炭開采必然產(chǎn)生采動(dòng)損害，因此綠色開采是西部煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展必須破解的重大技術(shù)難題，也是實(shí)現(xiàn)西部煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑。從2000年開始，陜西煤炭工業(yè)局(煤田地質(zhì)局)、西安科技大學(xué)、長安大學(xué)、陜西省地質(zhì)調(diào)查院協(xié)同攻關(guān)，揭示了鄂爾多斯盆地北部生態(tài)脆弱礦區(qū)環(huán)境損害機(jī)理，提出了以減少采動(dòng)損害為途徑、以生態(tài)水位保護(hù)為核心的環(huán)境保護(hù)理念與技術(shù)。

3.1 地表生態(tài)與地下水埋深關(guān)系密切

西部水資源匱乏，地表生態(tài)系統(tǒng)與地下水埋深關(guān)系密切。其突出特點(diǎn)是，地下水埋藏既不能太深，也不能太淺。根據(jù)地下水位埋藏深度，可分為鹽漬化水位、植被適生水位、植被承受水位、警戒水位、喬木枯梢水位、喬木死亡水位。當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮?.5 m時(shí)，由于蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤會(huì)出現(xiàn)鹽漬化；當(dāng)?shù)叵滤癫卮笥?5 m時(shí)，植被死亡，地表沙化。只有當(dāng)?shù)叵滤癫卦?.5～5 m時(shí)，草本植物、農(nóng)作物、灌木、喬木均能夠正常生長，此水位也稱為安全生態(tài)水位。地表生態(tài)與地下水位依存關(guān)系如圖 5所示。

圖5 地表生態(tài)與地下水位依存關(guān)系

3.2 植被適生水位是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的核心

鄂爾多斯盆地北部地下水主要依靠大氣降水，大氣降水通過地表松散沙層下滲到基巖界面后形成地下徑流，在地形低洼部位形成地表徑流流入黃河，正是這樣的補(bǔ)徑排系統(tǒng)維系了地表生態(tài)系統(tǒng)。農(nóng)作物主要生長在河谷地帶，適生水位為1.5～5 m。草本植物主要生長在濕地、河谷、沙地和黃土梁峁，適生水位為0～3 m。喬灌木主要生長在河谷和沙地，適生水位為1.5～8 m。農(nóng)村生活用水主要來自于水井，水位為3～5 m，城市及工業(yè)用水主要來自于河流和水庫。

由此可見，維系農(nóng)作物和植被正常生長的地下水位埋深為1.5～5 m，維系農(nóng)村和城市生活用水的水源為淺井和河流。礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的核心是保護(hù)地表生態(tài)系統(tǒng)，而地表生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的核心是控制地下水位不發(fā)生明顯下降。

3.3 采動(dòng)隔水性變化是生態(tài)環(huán)境損害的根源

在生態(tài)脆弱地區(qū)，地下水是維系地表生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，位于煤層和含水層之間的隔水巖組是保持地下水位穩(wěn)定的重要地質(zhì)條件。大量探測和室內(nèi)研究表明，由于煤炭開采會(huì)形成地下空間，導(dǎo)致應(yīng)力場變化產(chǎn)生動(dòng)力，隔水層損害產(chǎn)生通道，地下水流向采空區(qū)引起水位下降和生態(tài)退化。采動(dòng)隔水性變化示意圖如圖6所示。

圖6 采動(dòng)隔水性變化示意圖

3.4 隔水巖組是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要地質(zhì)條件

煤層開采后，位于含水層和煤層之間的隔水巖組自下而上產(chǎn)生裂隙，當(dāng)裂隙切穿隔水巖組時(shí)，隔水巖組變成透水巖層，隔水性損壞；當(dāng)裂隙發(fā)育高度小于隔水巖組時(shí)，隔水性和含水層保持穩(wěn)定。煤層上覆隔水巖組巖性、厚度、力學(xué)性質(zhì)以及礦井開采方式、開采高度是影響裂隙發(fā)育的主要因素。室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和采空區(qū)綜合探測結(jié)果表明，采動(dòng)裂隙高度約為20～30倍煤層開采高度。隔水巖組厚度大于裂隙發(fā)育高度是保護(hù)含水層的基本地質(zhì)條件，提高隔水巖組抗損害能力是減小裂隙發(fā)育高度的有效途徑。

4 支撐煤炭高質(zhì)量發(fā)展的綠色開采技術(shù)

促進(jìn)西部煤炭綠色開采，支撐西部煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，要以煤水空間組合特征研究為基礎(chǔ)，以揭示采動(dòng)地質(zhì)條件變化規(guī)律為途徑，以減損地質(zhì)工程為支撐，以防止隔水巖組破壞為目標(biāo)，以保護(hù)生態(tài)水位為核心，實(shí)現(xiàn)采煤與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

4.1 研究煤水空間組合特征

煤水空間組合特征研究就是將含水層、隔水層、煤層、地形坡向、地層產(chǎn)狀，隔水巖組與巖性結(jié)構(gòu)等作為系統(tǒng)工程進(jìn)行整體研究。含水層主要研究其分布范圍、厚度和富水性變化規(guī)律；隔水層不僅要研究土層隔水層分布范圍、厚度變化規(guī)律，更重要的是要研究隔水巖組總體厚度和巖性組合特點(diǎn)，分析隔水巖組抗擾動(dòng)能力，預(yù)測隔水巖組的隔水性在開采過程的變化，為實(shí)施減損地質(zhì)工程提供依據(jù)。

4.2 揭示采動(dòng)地質(zhì)條件變化規(guī)律

采動(dòng)地質(zhì)條件變化，特別是隔水巖組的隔水性變化是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵地質(zhì)因素。通過室內(nèi)相似材料模擬、數(shù)字模擬和采空區(qū)探測工程研究發(fā)現(xiàn)，煤炭開采后，煤層和含水層之間隔水巖組的隔水性變化具有分區(qū)性?？煞譃楦羲苑€(wěn)定區(qū)、隔水性變化區(qū)、隔水性損害區(qū)以及貧水或無水區(qū)。在隔水性穩(wěn)定區(qū)，隔水巖組厚度大于30倍采高，由于采動(dòng)損害高度小于隔水巖組厚度，煤炭開采不會(huì)對(duì)含水層造成損害；在隔水性變化區(qū)，隔水巖組厚度為20～30倍采高，煤炭開采對(duì)含水層的影響主要取決于煤層采高與隔水巖組巖性組合；在隔水性損害區(qū)，隔水巖組厚度小于20倍采高，在綜合機(jī)械化開采背景下，無論采取何種開采方式，隔水巖組隔水性和含水層都會(huì)受到損害；貧水或無水區(qū)主要分布在黃土溝壑區(qū)，屬地表無含水層的水土流失區(qū)，保護(hù)對(duì)象是地表道路和相關(guān)設(shè)施。采動(dòng)隔水性變化分區(qū)圖如圖7所示。

4.3 綠色開采理念與保水采煤技術(shù)

綠色開采理念是用最小的環(huán)境擾動(dòng)換取最大的煤炭資源開采效益，實(shí)現(xiàn)煤炭開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。采煤保水技術(shù)包括減沉、減損、保水以及防崩4種類型，是綠色開采的地質(zhì)保障。在隔水性穩(wěn)定區(qū)，可以建設(shè)大-特大型礦井，采用綜采或綜采放頂開采方式，同步實(shí)施減沉地質(zhì)工程，控制地表沉降幅度小于地下水位埋深，防控地下水溢出地表出現(xiàn)鹽澤化；在隔水性變化區(qū)，也可以建設(shè)大-特大型礦井，但對(duì)煤層厚度大于10 m的區(qū)域，必須采用分層限高開采方式，同步實(shí)施減損地質(zhì)工程，防控隔水巖組隔水性損害；在隔水性損害區(qū)，可以建設(shè)大型礦井，但對(duì)煤層上覆含水層的富水區(qū)域，必須采用充填開采方式，同步實(shí)施保水地質(zhì)工程，防控含水層損害。貧水或無水區(qū)位于黃土溝壑區(qū)，水土流失嚴(yán)重，地下水貧乏，地表地形破碎，可以建設(shè)大型礦井，采用綜合機(jī)械化開采方式，同時(shí)實(shí)施防控滑坡、崩塌地質(zhì)工程。

4.4 工程實(shí)踐

(1)大型煤礦限高分層開采實(shí)現(xiàn)了隔水性保護(hù)。礦井位于隔水性變化區(qū)，煤層厚度平均為11 m，上覆基巖為120 m，土層隔水層為75 m，隔水巖組厚度為195 m。根據(jù)研究成果采用限高分層開采，實(shí)現(xiàn)了隔水性和含水層保護(hù)，地下水位沒有發(fā)生明顯變化。由于大幅度減少了礦井排水費(fèi)用，礦井實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。

(2)中小型煤礦局部充填開采效果良好。中小型煤礦主要分布于隔水性損害區(qū)，煤層平均厚度為5.23 m，上覆基巖為77 m，土層隔水層為17 m，隔水巖組厚度為94 m，根據(jù)研究成果采用充填40%開采。基巖和隔水層保持穩(wěn)定，含水層未受影響，實(shí)現(xiàn)了保水位開采。

5 結(jié)語

缺油、少氣、相對(duì)富煤是中國能源資源的國情，煤炭作為主體能源短期內(nèi)是難以改變的。受中國煤炭資源東少西多稟賦特征制約，開發(fā)西部煤炭資源已成為保障國家能源安全的重大需求。西部水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱，實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開采是我國西部煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展必須破解的重大科學(xué)難題。以煤水共生地質(zhì)特征研究為基礎(chǔ)，以采動(dòng)地質(zhì)條件變化分區(qū)為手段，以減小隔水巖組損害為目標(biāo)，以保護(hù)生態(tài)水位為核心的減沉、減損、保水綠色開采地質(zhì)保障技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)西部煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)支撐。