雙碳目標(biāo)下廢棄礦井綠色低碳多能互補(bǔ)體系建設(shè)思考

袁 亮，張 通，張慶賀，江丙友，呂 鑫，李?yuàn)檴?，?強(qiáng)

(1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001;2.合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心 能源研究院，安徽 合肥 230031)

為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖，我國(guó)于2020年宣布“碳達(dá)峰、碳中”和國(guó)家目標(biāo)，現(xiàn)階段全球超過(guò)137個(gè)國(guó)家提出“碳中和”目標(biāo)或愿景，優(yōu)化工業(yè)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源供給消費(fèi)結(jié)構(gòu)，加快構(gòu)建“人與自然生命共同體”，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑。近年來(lái)，我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化取得階段性成效，煤電裝機(jī)占比下降，煤電發(fā)電量占比從74%降至61%，煤電裝機(jī)占比歷史上首次低于50%。清潔能源占比提高，清潔能源裝機(jī)占比從27%提高到43%，清潔能源發(fā)電量占比從17%提高至32%，能源結(jié)構(gòu)向清潔低碳化方向發(fā)展，但化石能源占比依然偏高。我國(guó)是全球最大的能源生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)和CO排放國(guó)，2021年中國(guó)能源消費(fèi)總量52.4億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭占能源消費(fèi)總量的56%，每年CO排放量達(dá)100億t左右，占全球總量的30%左右，單位GDP碳排放量為6.7 t CO/萬(wàn)美元，是全球平均值1.8倍。雙碳目標(biāo)下我國(guó)面臨碳排放強(qiáng)度穩(wěn)定降低與經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的雙重挑戰(zhàn)。

以推進(jìn)綠色低碳能源為主體的新型能源供儲(chǔ)體系建設(shè)為基本思路和舉措，穩(wěn)步開展落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略部署。我國(guó)風(fēng)、光、熱能儲(chǔ)量豐富，其中風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量達(dá)5.3億kW，占比24.31%。預(yù)計(jì)2030年，風(fēng)電、光伏總裝機(jī)將達(dá)到12億kW，占比達(dá)到50%。地?zé)嵋灾械蜏氐責(zé)豳Y源為主開采儲(chǔ)量為已探明煤炭可采儲(chǔ)量的2.5倍，其中距地表2 000 m以淺儲(chǔ)藏的地?zé)崮転? 500億t標(biāo)準(zhǔn)煤。然而新能源富集區(qū)“棄風(fēng)、棄光、丟熱”現(xiàn)象廣泛存在，同時(shí)新能源的隨機(jī)性、波動(dòng)性為新能源的穩(wěn)定開發(fā)利用帶來(lái)了挑戰(zhàn)，加快發(fā)展新型儲(chǔ)蓄供能體系是保障綠色低碳能源安全供給的重要保障。

我國(guó)待開發(fā)利用的廢棄礦井達(dá)10 000余處，廢棄礦井中賦存煤炭資源量高達(dá)420億t，非常規(guī)天然氣近5 000億m，地下空間資源超156億m，新增采煤沉陷區(qū)面積超6萬(wàn)km，礦井水、地?zé)岬荣Y源豐富，新型清潔能源供儲(chǔ)潛力巨大。國(guó)內(nèi)外在廢棄礦井瓦斯抽采、抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、油氣儲(chǔ)備、光伏發(fā)電等方面開展了部分研究工作，并取得了一定進(jìn)展，其中徐州、撫順等資源型城市以廢棄礦井資源開發(fā)利用為抓手，提升了潘安湖采煤塌陷區(qū)、撫順礦業(yè)集團(tuán)西露天礦等資源經(jīng)濟(jì)功能和生態(tài)功能，形成了建設(shè)美麗中國(guó)的生動(dòng)實(shí)踐，打造了廢棄礦井資源開發(fā)利用的樣板。

圍繞廢棄礦井綜合開發(fā)利用，深入推進(jìn)廢棄礦井綠色低碳多能互補(bǔ)體系建設(shè)，聚焦煤炭地下氣化、瓦斯全濃度開發(fā)利用、新能源開發(fā)利用、新型物化耦合儲(chǔ)能、CCS/CCUS等領(lǐng)域的基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性、顛覆性理論研究，核心關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)，著力實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)，將為能源領(lǐng)域無(wú)碳、減碳、去碳提供堅(jiān)強(qiáng)的科技支撐。

1 多能互補(bǔ)體系建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)

1.1 工程地質(zhì)安全保障相對(duì)滯后

廢棄礦井地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，斷層、褶皺、陷落柱、破碎覆巖等潛在隱蔽地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常體遍布礦區(qū)，煤層氣串流、礦井水突涌、受限空間坍塌等資源開發(fā)遺留災(zāi)害突顯，威脅礦區(qū)全域生態(tài)環(huán)境，增加廢棄礦區(qū)的二次開發(fā)利用難度。基于全生命周期規(guī)劃的地質(zhì)實(shí)時(shí)勘探監(jiān)測(cè)手段亟需深層次創(chuàng)新，全礦區(qū)氣、液、固時(shí)空演化監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)體系有待構(gòu)建，空天地一體化立體異構(gòu)全息融合技術(shù)有待突破，加快研發(fā)聲、光、核、磁、熱等先進(jìn)裂隙演化與分布、氣液固三相介質(zhì)、能量傳遞與耗散等多元全息感知、探測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)，為地層減沉降滲、污染物源頭防控及地表植被復(fù)墾技術(shù)提供支撐，切實(shí)保障廢棄礦區(qū)的地下工程建設(shè)、CCUS工程實(shí)施、氣水光風(fēng)熱多能供儲(chǔ)體系與生態(tài)工程固碳功能安全有序建設(shè)。

1.2 多場(chǎng)耦合災(zāi)變機(jī)理亟待突破

廢棄礦井動(dòng)靜多場(chǎng)演化與多相流體運(yùn)移分布尤為突出，煤巖動(dòng)力失穩(wěn)與含污介質(zhì)大范圍遠(yuǎn)距離擴(kuò)散遷移污染水土環(huán)境頻率躍升，破碎煤巖-孔隙水-瓦斯-地?zé)釀?dòng)態(tài)耦合與多模態(tài)演化更為強(qiáng)烈。破碎地層多元多參量間動(dòng)態(tài)互聯(lián)關(guān)系有待深入揭示，破碎-非破碎地層間耦合轉(zhuǎn)化關(guān)系有待研究，微細(xì)觀介質(zhì)吸附解析轉(zhuǎn)化有待闡明，宏觀地層破損形態(tài)與穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有待探索，人工膠結(jié)介質(zhì)與破碎地層耦合固結(jié)規(guī)律有待研究，受限空間地下構(gòu)筑物與圍巖穩(wěn)態(tài)響應(yīng)規(guī)律有待揭示。破碎圍巖穩(wěn)定演化與多相流運(yùn)移新型模型所涉及到的多元因素與影響因子有待探明，新型廢棄礦井綜合多相多場(chǎng)耦合模型亟待建立?，F(xiàn)階段微-細(xì)-宏觀地層破損與愈合時(shí)空規(guī)律仍不清楚，災(zāi)變前兆信息判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)體系仍未建立，多元場(chǎng)景應(yīng)用條件下災(zāi)害發(fā)生類型、等級(jí)及危害程度仍沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)，煤巖變形、孔隙水壓和瓦斯流動(dòng)規(guī)律缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和認(rèn)識(shí)。充分融合基礎(chǔ)理論分析、物理/數(shù)值模擬、工業(yè)試驗(yàn)等一體化多場(chǎng)耦合研究手段，充分認(rèn)識(shí)不同參量間關(guān)聯(lián)關(guān)系，掌握大范圍、多維空間擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)、滲流場(chǎng)、熱場(chǎng)等之間的相互作用機(jī)制，為廢棄礦井服役提供可靠的地質(zhì)、力學(xué)和滲流環(huán)境認(rèn)識(shí)，服務(wù)廢棄礦井改造與維穩(wěn)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。

1.3 多能融合綠色能源體系有待構(gòu)建

采礦區(qū)巷道地下空間與地表沉陷區(qū)域重構(gòu)了地質(zhì)資源空間分布，為地表規(guī)?；L(fēng)、光能發(fā)展與地下水、熱、氣能開發(fā)利用提供了充分條件?；诠こ痰刭|(zhì)狀況與新能源供應(yīng)體系適用條件綜合評(píng)估的廢棄礦井多能融合綜合發(fā)展規(guī)劃體系尚待構(gòu)建，風(fēng)、光、水、氣、熱富集區(qū)與廢棄礦井密集分布區(qū)廣泛疊置分布，基于廢棄礦井的新能源綜合開發(fā)利用體系亟待構(gòu)建，地表塌陷區(qū)風(fēng)、光能分布式新型發(fā)電技術(shù)裝備有待研發(fā)，地?zé)?、煤層氣能源轉(zhuǎn)化技術(shù)有待突破，以地下空間、水、氣為核心的綜合儲(chǔ)能體系結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化，基于分布式能源發(fā)展需求的地上地下空間修復(fù)技術(shù)亟需突破。

廢棄礦井是規(guī)模化清潔能源供給儲(chǔ)蓄分布式載體，現(xiàn)階段因地制宜的廢棄礦井能源資源開發(fā)利用基礎(chǔ)研究仍然薄弱，國(guó)家層面缺少整體戰(zhàn)略，開發(fā)利用總體規(guī)模、整體技術(shù)水平、現(xiàn)實(shí)效果等不能滿足高質(zhì)量能源供給發(fā)展要求。加快推進(jìn)廢棄礦井多能系統(tǒng)性、規(guī)模化、安全高效開發(fā)利用，激活廢棄礦井天然清潔能源主體潛力，將其納入?yún)^(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中統(tǒng)籌部署、科學(xué)規(guī)劃，變產(chǎn)煤為產(chǎn)電、產(chǎn)氣、產(chǎn)水，開辟綠色清潔能源新途徑，為國(guó)家提供清潔能源，推進(jìn)能源行業(yè)高質(zhì)量穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。

1.4 碳匯碳封存利用技術(shù)有待提升

廢棄礦井地層結(jié)構(gòu)經(jīng)歷破裂-壓實(shí)循環(huán)演化過(guò)程，充分發(fā)育的裂隙孔隙巖層為CO氣體介質(zhì)提供了豐富的賦存空間，地表塌陷區(qū)水系資源環(huán)境豐富了生物碳匯資源。然而廢棄礦區(qū)重構(gòu)地質(zhì)碳固結(jié)面臨CO逃逸污染原位地質(zhì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)碳封存利用技術(shù)適用性有待進(jìn)一步提升，生態(tài)系統(tǒng)固碳與碳匯規(guī)律特征有待探索，廢棄礦區(qū)CO系統(tǒng)捕集基礎(chǔ)理論與方法有待開展，廢棄礦區(qū)資源氣化轉(zhuǎn)碳機(jī)理與捕碳方法有待研發(fā)，封存CO多元轉(zhuǎn)化機(jī)理與時(shí)空運(yùn)移尚認(rèn)識(shí)不清，廢棄空間CO逃逸路徑與感知監(jiān)測(cè)理論有待掌握。加快掌握廢棄礦區(qū)碳匯規(guī)律，推進(jìn)新型碳封存與利用技術(shù)研發(fā)，形成廢棄礦區(qū)規(guī)?；?fù)碳技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)生態(tài)固碳與工程固碳雙輪驅(qū)動(dòng)體系。

1.5 安全與應(yīng)急救援技術(shù)有待研發(fā)

廢棄礦區(qū)涉及清潔新能源穩(wěn)定生產(chǎn)與生態(tài)工程安全高效固碳，包括能源體系、儲(chǔ)能體系、統(tǒng)籌管理規(guī)劃體系，系統(tǒng)性與模塊化配合性要求高，模塊有序運(yùn)行與模塊間互耦行為是廢棄礦區(qū)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵所在?，F(xiàn)階段廢棄礦區(qū)儲(chǔ)供與負(fù)碳的應(yīng)急救援體系仍處于空白，應(yīng)急救援基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵核心技術(shù)有待攻關(guān)，智能自適應(yīng)多情景救援機(jī)器人有待研發(fā)，多源信息耦合三維實(shí)景建模有待進(jìn)一步突破，高速度、高帶寬、強(qiáng)抗干擾信息采集傳輸技術(shù)有待提升，潛在隱蔽災(zāi)害監(jiān)控預(yù)警與應(yīng)急救援平臺(tái)有待研發(fā)。加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，與安全應(yīng)急救援系統(tǒng)技術(shù)裝備體系研發(fā)，是廢棄礦井永續(xù)清潔能源儲(chǔ)供與負(fù)碳高效運(yùn)行的強(qiáng)力保障。

2 廢棄礦井多能互補(bǔ)體系科學(xué)內(nèi)涵

廢棄礦井多能互補(bǔ)體系為集風(fēng)、光、熱、水清潔能源生產(chǎn)、儲(chǔ)備、轉(zhuǎn)換與生態(tài)工程固碳于一體的產(chǎn)-儲(chǔ)-固智慧新型負(fù)碳綠色能源供應(yīng)體系，集成多元地質(zhì)信息感知、多種能源融合、物化聯(lián)合儲(chǔ)能、碳固結(jié)與利用、多網(wǎng)智慧調(diào)控、智能應(yīng)急救援等基礎(chǔ)與工程科學(xué)，以地表地下空間為載體，數(shù)字孿生技術(shù)為支撐，多維度分級(jí)分類分區(qū)域聯(lián)動(dòng)能源生產(chǎn)、儲(chǔ)備、供給與碳捕集、封存、利用體系，實(shí)現(xiàn)清潔能源穩(wěn)續(xù)供給、碳永久封存、能-碳平衡共存，如圖1所示。

圖1 廢棄礦井綠色低碳多能互補(bǔ)體系

廢棄礦井多能互補(bǔ)體系聚焦低濃度瓦斯抽采利用、新能源綜合開發(fā)利用、新型綜合儲(chǔ)能、煤基多源固廢利用、分布式智能電網(wǎng)、數(shù)字孿生全息聯(lián)動(dòng)領(lǐng)域，突出原創(chuàng)性、突破性、顛覆性、引領(lǐng)性創(chuàng)新，著力加強(qiáng)戰(zhàn)略研究、基礎(chǔ)研究、共性技術(shù)與裝備攻關(guān)，破解高效生產(chǎn)、多能轉(zhuǎn)化、減固碳關(guān)鍵核心技術(shù)，優(yōu)化工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)端透明化、智能化、減災(zāi)化、低碳化，能源轉(zhuǎn)化端電氣化、氫氨化、材料化、勢(shì)能化，固碳端環(huán)?；踩?、資源化、功能化，支撐凈零碳數(shù)字能源供儲(chǔ)工業(yè)。

統(tǒng)籌考慮雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)與能源安全戰(zhàn)略保障，提出實(shí)現(xiàn)廢棄礦井綠色負(fù)碳多能互補(bǔ)開發(fā)利用3步走戰(zhàn)略：第1步是實(shí)現(xiàn)生態(tài)碳匯與CO地質(zhì)封存，有效吸收礦化CO，形成負(fù)碳涵養(yǎng)主體，加強(qiáng)水、光、風(fēng)、熱等新能源開發(fā)，推進(jìn)技術(shù)革新；第2步是規(guī)?；樗钅堋嚎s空氣儲(chǔ)能、氫氨儲(chǔ)能等新型廢棄礦井儲(chǔ)能模式，實(shí)現(xiàn)廢棄礦井多能耦合穩(wěn)定平穩(wěn)供給；第3步是深度融合智慧互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新興信息技術(shù)，三維動(dòng)態(tài)虛擬映射工程大數(shù)據(jù)體系與空間災(zāi)變信息，構(gòu)建廢棄礦井綠色低碳分布式智慧電網(wǎng)體系與數(shù)字孿生管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廢棄礦井能源穩(wěn)定高效供給與減降碳高效運(yùn)行。

3 廢棄礦井多能互補(bǔ)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

廢棄礦井多能互補(bǔ)低碳綠色開發(fā)利用涉及多學(xué)科交叉領(lǐng)域、內(nèi)容錯(cuò)綜復(fù)雜，實(shí)施過(guò)程需要解決諸多科學(xué)問(wèn)題。

3.1 數(shù)字工程地質(zhì)

廢棄礦井遺留井巷、采空垮落區(qū)、離層裂隙、地質(zhì)異構(gòu)體等復(fù)雜地形地質(zhì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演化信息的精準(zhǔn)掌握，支撐廢棄礦井多元多場(chǎng)景開發(fā)利用，廢棄礦井多能互補(bǔ)精準(zhǔn)開發(fā)在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題包括智能精準(zhǔn)探測(cè)與動(dòng)態(tài)可視化顯示、工程地質(zhì)智能評(píng)價(jià)、4D地層信息全景重構(gòu)，聚焦復(fù)雜巖體介質(zhì)物理信號(hào)精細(xì)探測(cè)響應(yīng)特征和反演解釋理論研究，透明地球物理綜合探測(cè)技術(shù)的廢棄礦井地下空間精準(zhǔn)探測(cè)模型與技術(shù)研發(fā)，廢棄礦井地下空間多場(chǎng)定量感知與動(dòng)態(tài)可視化，及廢棄礦井地下空間利用工程地質(zhì)智能精準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系。

3.2 多場(chǎng)時(shí)空耦合演化

安全穩(wěn)定的廢棄礦井空間環(huán)境與平衡穩(wěn)定的循環(huán)體系是多場(chǎng)景開發(fā)利用的基本保障。廢棄礦井物質(zhì)環(huán)境與能量環(huán)境在動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程中形成沖擊動(dòng)靜載荷與多源紊流復(fù)合擾動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象。廢棄礦井多能互補(bǔ)精準(zhǔn)開發(fā)利用在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題包括巖土體動(dòng)力破壞機(jī)理及圍巖狀態(tài)評(píng)價(jià)方法與穩(wěn)定策略，不同工況下礦洞水庫(kù)巖壁應(yīng)力變形與滲流分布規(guī)律，獲取多元開發(fā)利用情景下地層應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、裂隙場(chǎng)及溶質(zhì)輸送反應(yīng)耦合演化特征，揭示不同工程布局與地層多場(chǎng)響應(yīng)特征的時(shí)空耦合關(guān)系，建立多工藝協(xié)調(diào)開發(fā)擾動(dòng)下的失穩(wěn)損傷、溶浸液擴(kuò)散演化模型。

3.3 功能地層空間維穩(wěn)

廢棄礦井利用面臨多尺度、多形態(tài)與多源的受力環(huán)境，載荷歷程路徑復(fù)雜，受力變形演化期長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)研究分析難度大等難題。廢棄礦井多能互補(bǔ)精準(zhǔn)開發(fā)利用在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題包括廢棄礦井地下空間復(fù)雜介質(zhì)在多力源、固液氣三相、交變應(yīng)力-沖擊應(yīng)力-熱應(yīng)力等多場(chǎng)耦合作用下的本構(gòu)關(guān)系及破壞規(guī)律、深部煤巖滲流-應(yīng)力-損傷耦合模型及其參數(shù)反演、巷道群在儲(chǔ)能和釋能下的應(yīng)力分布特征、地下水庫(kù)圍巖穩(wěn)定性控制。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)超前精準(zhǔn)預(yù)警

關(guān)鍵裝備環(huán)境健康監(jiān)測(cè)預(yù)警，關(guān)鍵設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)的大量數(shù)據(jù)模型，集成歷史數(shù)據(jù)樣本，廢棄礦井環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)是廢棄礦井永續(xù)運(yùn)行的重要保障。廢棄礦井多能互補(bǔ)精準(zhǔn)開發(fā)在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的地下水水環(huán)境監(jiān)測(cè)終端研發(fā)，安全風(fēng)險(xiǎn)綜合感知、傳輸、判識(shí)、評(píng)估、應(yīng)急響應(yīng)、調(diào)度一體化平臺(tái)(包含圍巖失穩(wěn)、透水、污染、地震、洪水、地質(zhì)災(zāi)害等事故應(yīng)急處置方案)，基于多網(wǎng)融合技術(shù)和大數(shù)據(jù)、云技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜沖擊作用氣、液、固耦合災(zāi)害、機(jī)電多源故障、水體滲漏、水體污染等多源海量動(dòng)態(tài)信息遠(yuǎn)程在線傳輸、存儲(chǔ)及信息挖掘的系統(tǒng)平臺(tái)，環(huán)境狀態(tài)評(píng)估與異常預(yù)警機(jī)制，安全隱患實(shí)時(shí)前兆判識(shí)，災(zāi)源指標(biāo)臨界值、多源災(zāi)害遠(yuǎn)程在線智能預(yù)警體系。

3.5 智能應(yīng)急搶修救援

地質(zhì)災(zāi)害、工程擾動(dòng)等引發(fā)的系列圍巖失穩(wěn)垮落、重型裝備損傷及監(jiān)控通訊管理系統(tǒng)中斷，應(yīng)用多源應(yīng)急調(diào)控救援模態(tài)化方案與緊急調(diào)配體系，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)救援與系統(tǒng)功能恢復(fù)。廢棄礦井多能互補(bǔ)精準(zhǔn)開發(fā)利用在該方面涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題包括虛擬現(xiàn)實(shí)多源動(dòng)態(tài)信息交互技術(shù)、精準(zhǔn)定位與最佳救援通道甄別鎖定技術(shù)、兩棲模塊化智能搜探救援裝備、4D救援現(xiàn)場(chǎng)原景數(shù)字模型、基于多源信息融合的遠(yuǎn)程智能調(diào)控系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)多災(zāi)變救援場(chǎng)景與救援方案算法、衛(wèi)星遙感聯(lián)動(dòng)多棲偵救一體化無(wú)人智能裝備技術(shù)。

4 廢棄礦井多能互補(bǔ)主要研究方向

4.1 數(shù)字孿生工程原態(tài)場(chǎng)景

深度融合5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、VR等現(xiàn)代通訊技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)時(shí)提取廢棄礦井立體空間信息數(shù)據(jù)、構(gòu)筑物、損傷煤巖結(jié)構(gòu)、多相流體運(yùn)移動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)空天地一體化飽和式信息提取與4D多源模型數(shù)據(jù)實(shí)景重構(gòu)，構(gòu)筑廢棄礦井多能互補(bǔ)多元情景數(shù)字孿生系統(tǒng)。

(1)基于聲、光、核、磁監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備研發(fā)，強(qiáng)適應(yīng)廢棄礦井流固沖擊荷載環(huán)境，高監(jiān)控參數(shù)指標(biāo)，高保真監(jiān)測(cè)信號(hào)與接收傳輸技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)框架和數(shù)據(jù)模型、可視化、空間分析等方法體系，空間表達(dá)方法及數(shù)字地下空間組件化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，數(shù)字地下空間與工程的數(shù)據(jù)分類和標(biāo)準(zhǔn)，適用于地下空間與工程的數(shù)據(jù)交換，標(biāo)記語(yǔ)言數(shù)據(jù)模型、地下空間與工程的元數(shù)據(jù)，空間綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)，地下空間海量數(shù)據(jù)的三維與四維快速存取技術(shù)和時(shí)空建模方法。

(2)全時(shí)空多源信息實(shí)時(shí)感知，安全風(fēng)險(xiǎn)雙重預(yù)防閉環(huán)管控方法，全流程人-機(jī)-環(huán)-管數(shù)字互聯(lián)、數(shù)字協(xié)同運(yùn)行，復(fù)雜地層多源數(shù)據(jù)的建模方法和基于特征的地層空間建模方法，三維和四維地下空間與工程的可視化技術(shù)，系統(tǒng)的圖形平臺(tái)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，海量數(shù)據(jù)的快速采集方法，尤其是基于數(shù)字照相的數(shù)據(jù)采集方法?？碧?鉆探-表面掃描數(shù)據(jù)采集，巖土原位測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反分析法。

(3)計(jì)算機(jī)科學(xué)、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、衛(wèi)星圖像、寬帶網(wǎng)絡(luò)、互操作性、元數(shù)據(jù)、圖像識(shí)別、數(shù)據(jù)整合、可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，時(shí)空條件下隱蔽地下空間與工程的數(shù)字化表達(dá)與可視化。

(4)不連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性、坍塌特性、蠕變時(shí)效特征，含水量、孔隙比、滲透性、各向異性、不均勻性等信息提取，數(shù)字模型與數(shù)值模型的一體化分析方法，4D地層模型重構(gòu)與串流、涌水、區(qū)域垮塌、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、功能空間滲漏、管理調(diào)度機(jī)構(gòu)失靈等事故信息判識(shí)。

4.2 工程擾動(dòng)多場(chǎng)耦合災(zāi)變演化

資源開發(fā)、CO地質(zhì)封存與工程利用對(duì)廢棄礦井空間形成復(fù)合多類別疊加擾動(dòng)，流體運(yùn)移與圍巖復(fù)合交變?cè)皇Х€(wěn)與動(dòng)態(tài)演化平衡，揭示多場(chǎng)耦合條件下地層演化與工程穩(wěn)定機(jī)制，構(gòu)建災(zāi)變前兆信息指標(biāo)體系，形成多元多場(chǎng)景條件下廢棄礦井多場(chǎng)耦合致災(zāi)判識(shí)模型。

該方向主要包括：

(1)復(fù)合工藝地層應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合演化分析，多相介質(zhì)耦合作用煤巖力學(xué)與物性演化規(guī)律，固、液、氣介質(zhì)溶質(zhì)滲流、遷移、轉(zhuǎn)化、擴(kuò)散、分布時(shí)空演化特征，多相多場(chǎng)耦合液、固、氣介質(zhì)運(yùn)移分布定量表征，各項(xiàng)異性裂隙孔隙網(wǎng)絡(luò)衍生與擴(kuò)展展布規(guī)律。

(2)廢棄礦井區(qū)域原生/擾動(dòng)地質(zhì)特征，基于時(shí)空分布的氣液運(yùn)移-動(dòng)態(tài)聚集規(guī)律，循環(huán)流體荷載作用下深地硐室群圍巖穩(wěn)定性與防滲防控方法。

(3)廢棄礦井地層溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溶解反應(yīng)場(chǎng)、遷移場(chǎng)耦合演化機(jī)理與氣、液、固介質(zhì)滲流、遷移、吸附、轉(zhuǎn)化機(jī)制，構(gòu)建封存多相多場(chǎng)耦合作用模型。

(4)遺傳算法、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)手段，構(gòu)建多相多場(chǎng)耦合作用下廢棄礦井資源開發(fā)潛力動(dòng)態(tài)模型，提出廢棄礦井多場(chǎng)耦合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系與預(yù)警評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 創(chuàng)新多能互補(bǔ)技術(shù)體系

圍繞廢棄礦井空間、水、熱等資源，推進(jìn)風(fēng)、光等新能源及CO與煤基固廢資源綜合開發(fā)利用，形成多能互補(bǔ)與負(fù)碳能源體系，規(guī)劃協(xié)同作業(yè)工藝工序體系，實(shí)現(xiàn)廢棄礦井永續(xù)能源載體與負(fù)碳儲(chǔ)蓄體價(jià)值。

該方向主要包括：

(1)壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、氫氨儲(chǔ)能新型儲(chǔ)能體系構(gòu)建，多種儲(chǔ)能體系自洽式運(yùn)行，風(fēng)、光、水、熱清潔能源耦合式發(fā)展。

(2)廢棄礦井區(qū)域水、光、風(fēng)、氣、熱多能耦合發(fā)電體系，微型核電站自運(yùn)行模塊構(gòu)建，低碳能源互補(bǔ)的分布式智慧能源生態(tài)，融合生態(tài)修復(fù)、新能源建設(shè)與電網(wǎng)服務(wù)的綜合國(guó)土空間規(guī)劃。

(3)生態(tài)工程固碳體系，廢棄礦區(qū)地表碳匯植被修復(fù)，塌陷區(qū)CO工程固碳，CO驅(qū)替煤層氣(CO-ECBM)，氫氨-CO工程體系，低濃度瓦斯抽采與全濃度利用技術(shù)體系。

(4)產(chǎn)-儲(chǔ)-運(yùn)-封-入網(wǎng)一體化運(yùn)行體系構(gòu)建，廢棄礦井全地下、半地下、全地上開發(fā)利用規(guī)劃體系，分布式恒星模式、星座模式、星云模式及其綜合運(yùn)行模式。

4.4 CO2工程封存與生態(tài)碳匯

基于廢棄礦井的生態(tài)工程碳匯潛力巨大，推進(jìn)廢棄礦井CO封存地質(zhì)工程響應(yīng)規(guī)律研究，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與污染防控研究，探索碳封存轉(zhuǎn)化機(jī)理與封存分布演化特征，闡明多場(chǎng)耦合條件下CO資源化利用路徑與影響因素指標(biāo)，明確廢棄礦井碳匯施工路線圖，盤活廢棄礦井碳封存與利用潛力。

該方向主要包括：

(1)直接空氣CO捕集、CO分子斷鍵與重構(gòu)、新型膜分離技術(shù)、CO遠(yuǎn)程輸運(yùn)與安全存儲(chǔ)技術(shù)、等離激元CO高效轉(zhuǎn)化利用技術(shù)。

(2)廢棄礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)固碳與碳匯規(guī)律特征，資源氣化轉(zhuǎn)碳機(jī)理與捕碳方法，封存CO多元轉(zhuǎn)化機(jī)理與時(shí)空運(yùn)移特征，CO封存氣液擴(kuò)散、運(yùn)移、動(dòng)態(tài)聚積規(guī)律，原生帶-裂隙帶-低壓采空區(qū)條件下的超臨界CO、氣態(tài)CO分布-遷移規(guī)律和擴(kuò)散-滲流-吸附-轉(zhuǎn)化特征，時(shí)間和空間尺度下CO聚積特征和物理化學(xué)封存動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)理。

(3)廢棄礦井瓦斯分級(jí)分類開發(fā)利用技術(shù)、瓦斯煤化工理論工藝技術(shù)、低濃度瓦斯提純與利用技術(shù)、低濃度瓦斯蓄熱式氧化與乏風(fēng)氧化技術(shù)、廢棄礦井煤層氣開發(fā)與利用技術(shù)、煤礦瓦斯輸運(yùn)與利用安全保障系統(tǒng)。

(4)廢棄礦井地下空間氣液固耦合模型，廢棄礦井CO封存風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)價(jià)，基于廢棄礦井地質(zhì)條件、資源開發(fā)狀況、采空區(qū)空間特征，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建廢棄礦井CO封存綜合評(píng)價(jià)模型，建立廢棄礦井CO封存安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與災(zāi)害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，廢棄空間CO逃逸路徑與感知監(jiān)測(cè)理論。

(5)廢棄礦井區(qū)域生態(tài)修復(fù)與水-光-氣互補(bǔ)系統(tǒng)，生物固碳-生物質(zhì)能利用技術(shù)，高效固碳與生物固碳能力，微生物-植被生物碳匯影響因素與指標(biāo)體系，生物碳匯綜合評(píng)價(jià)方法。

4.5 分布式智能電網(wǎng)建設(shè)

建設(shè)廢棄礦井分布式能源和微電網(wǎng)工程標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建氣油水光互補(bǔ)分布式無(wú)碳能源智能電網(wǎng)生態(tài)圈，氣油水光互補(bǔ)智能電網(wǎng)以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以通訊平臺(tái)為支撐，以智能調(diào)控為手段，構(gòu)建發(fā)、變、配、用電和電網(wǎng)調(diào)度為一體的廢棄礦井智能電網(wǎng)。

該方向主要包括：

(1)新型儲(chǔ)能+多能互補(bǔ)煤礦區(qū)碳中和基礎(chǔ)研究，新型蓄能+多能互補(bǔ)煤礦區(qū)低碳能源體系構(gòu)建，煤礦區(qū)源-儲(chǔ)-荷分布式微電網(wǎng)運(yùn)行演變與調(diào)控理論，基于電網(wǎng)多場(chǎng)景調(diào)節(jié)多能異構(gòu)分布式能源并網(wǎng)理論，交變荷載下煤礦區(qū)深部?jī)?chǔ)能空間穩(wěn)定控制與監(jiān)測(cè)理論。

(2)資源枯竭城市廢棄礦洞群協(xié)同儲(chǔ)能，構(gòu)建多區(qū)域水、光、風(fēng)、氣、傳統(tǒng)能源、熱互補(bǔ)的分布式智慧能源系統(tǒng)，廢棄礦洞儲(chǔ)能電站構(gòu)筑國(guó)家級(jí)廢棄地下空間儲(chǔ)能云，建立燃?xì)?、燃油、光伏、風(fēng)力等多能發(fā)電模塊，建成以礦井為主體的氣水光互補(bǔ)低碳生態(tài)圈。

(3)廢棄礦區(qū)源-儲(chǔ)-荷分布式微電網(wǎng)運(yùn)行演變與調(diào)控理論，電網(wǎng)多場(chǎng)景調(diào)節(jié)多能異構(gòu)分布式能源并網(wǎng)理論，交變荷載下煤礦區(qū)深部?jī)?chǔ)能空間穩(wěn)定控制與監(jiān)測(cè)理論。

(4)構(gòu)建微型智能電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；植际侥茉吹南{與存儲(chǔ)。源-源互補(bǔ)消除不同電源之間的時(shí)空分布差異，構(gòu)建多能聚合的能源供應(yīng)體系，源-網(wǎng)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)供優(yōu)化，將分散式和集中式的能源生產(chǎn)與消費(fèi)進(jìn)行優(yōu)化組合，網(wǎng)-荷互動(dòng)實(shí)現(xiàn)有序智能充放電，增強(qiáng)系統(tǒng)接納新能源的能力。

4.6 數(shù)字風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)

建設(shè)能源大數(shù)據(jù)平臺(tái)，示范建設(shè)多能互補(bǔ)清潔能源供應(yīng)中心，構(gòu)建以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以通訊平臺(tái)為支撐，以智能調(diào)控為手段的發(fā)、變、配、用和電網(wǎng)調(diào)度為一體的分布式現(xiàn)代化智能電網(wǎng)，構(gòu)建“兩高一全”能源電力供應(yīng)體系，推動(dòng)微型電網(wǎng)工程高質(zhì)量發(fā)展。

該方向主要包括：

(1)沉陷區(qū)水庫(kù)及井下機(jī)組設(shè)備、控制中心及關(guān)鍵部位的監(jiān)測(cè)監(jiān)控與智能管理，基于遙感監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，初步分析沉陷區(qū)范圍和時(shí)空動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。構(gòu)建沉陷區(qū)沉降變形預(yù)警預(yù)報(bào)、礦井與電站關(guān)鍵設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警、關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能的監(jiān)測(cè)監(jiān)控、智能預(yù)測(cè)預(yù)警與智能管理系統(tǒng)。

(2)巷道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定分析及水下無(wú)人監(jiān)控預(yù)警，基于海量大數(shù)據(jù)挖掘的深地水下空間圍巖破裂失穩(wěn)前兆智能感知和判識(shí)技術(shù)，揭示循環(huán)水力荷載和水力侵蝕復(fù)合作用下圍巖破裂失穩(wěn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)水下圍巖破裂失穩(wěn)無(wú)人智能監(jiān)測(cè)預(yù)警。

(3)對(duì)深水深地、水氣交變、人工運(yùn)維困難的工作環(huán)境，地下礦洞群圍巖狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)技術(shù)，礦洞水庫(kù)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)傳感器優(yōu)化布置及大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的礦洞群及關(guān)鍵設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警技術(shù)和平臺(tái)。

4.7 應(yīng)急救援技術(shù)裝備

災(zāi)后新型可靠的救援裝備、救援方法、救援系統(tǒng)以及救援信息的即時(shí)性、精準(zhǔn)性與完備性是高質(zhì)量應(yīng)急救援的重要保障。廢棄礦井能源圈、儲(chǔ)能圈、固碳圈災(zāi)害信息監(jiān)測(cè)、災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估、模態(tài)化應(yīng)急救援方案共性同源執(zhí)行、異構(gòu)平行互饋執(zhí)行機(jī)制，新型救援技術(shù)、裝備、決策指揮平臺(tái)研發(fā)與兼容為廢棄礦井多能互補(bǔ)體系災(zāi)害救援的關(guān)鍵核心問(wèn)題。

該方向主要包括：

(1)智能應(yīng)急救援平臺(tái)，基于多場(chǎng)耦合作用下精密感知原理與執(zhí)行機(jī)制，多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合傳輸機(jī)理，多源海量數(shù)據(jù)篩選評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)體系，泛數(shù)據(jù)云計(jì)算決策模型，即時(shí)、高頻率、高帶寬現(xiàn)實(shí)與虛擬數(shù)據(jù)互饋機(jī)制，多元多場(chǎng)景救援網(wǎng)絡(luò)框架構(gòu)建，新型救援方案模型馴練方法，分布式救援集中管控網(wǎng)絡(luò)體系。

(2)智能應(yīng)急救援裝備，空天地聯(lián)動(dòng)災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)重構(gòu)儀器裝備，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖像判識(shí)與自主救援決策機(jī)器裝備，災(zāi)害巡檢機(jī)器人、空間修復(fù)與裝備維護(hù)機(jī)器人，水氣等多相介質(zhì)與損傷圍巖條件下信息傳輸接收算法，災(zāi)害區(qū)域等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)與救援策略。

(3)數(shù)字孿生虛擬災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)，多源多維信息4D集成，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能機(jī)器人深度耦合技術(shù)，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)譯圖形演示技術(shù)，采集與決策信號(hào)同步雙向?qū)崟r(shí)在線傳輸技術(shù)，災(zāi)變影響因素權(quán)重分析與次生災(zāi)害預(yù)測(cè)模型，救援與修復(fù)方案實(shí)時(shí)集成虛擬現(xiàn)實(shí)同步執(zhí)行方法。

(4)新型救援方法體系，決策層、傳輸層、執(zhí)行層即時(shí)互動(dòng)式數(shù)據(jù)傳遞方法，物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、災(zāi)源場(chǎng)景高度互聯(lián)耦合即時(shí)模型集成模塊，能源、儲(chǔ)能、固碳圈災(zāi)源即時(shí)圈定隔絕與聯(lián)合防控體系方法，多尺度分源災(zāi)害防治技術(shù)與裝備。

5 展 望

生態(tài)文明建設(shè)與低碳清潔能源發(fā)展是國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的重要保障，是實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)建設(shè)的必然要求。立足碳約束下國(guó)家發(fā)展重大能源戰(zhàn)略，深度融合科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)革新科技成果，賦能廢棄礦井資源綜合開發(fā)利用，推進(jìn)綠色清潔能源供給、新型儲(chǔ)蓄能建設(shè)、生態(tài)工程固碳建設(shè)，加快形成時(shí)間空間多維度廢棄礦井綜合綠色低碳多能互補(bǔ)體系十分必要和迫切。

頂層規(guī)劃廢棄礦井多能互補(bǔ)體系，推進(jìn)國(guó)家級(jí)科研平臺(tái)建設(shè)，強(qiáng)化學(xué)科專業(yè)交叉融合，培育頂尖科研人才，政產(chǎn)學(xué)研用金協(xié)同創(chuàng)新，聯(lián)合開展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，突破原始創(chuàng)新，切實(shí)推進(jìn)廢棄礦井新型能源供給、物化儲(chǔ)能建設(shè)、負(fù)碳工程技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤基清潔能源安全高效發(fā)展，阻力雙碳目標(biāo)和能源科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)。力爭(zhēng)2030年廢棄礦井綠色低碳多能互補(bǔ)體系取得關(guān)鍵突破，2050年基本實(shí)現(xiàn)廢棄礦井綠色低碳多能互補(bǔ)體系建設(shè)，2060年廢棄礦井綠色低碳多能互補(bǔ)體系全面規(guī)模化推廣應(yīng)用。