谢和平院士：煤炭发展的未来之路

谢和平院士：煤炭发展的未来之路

谢和平1,2,3

(1．深圳大学深地科学与绿色能源研究院，广东深圳 518060；2. 深圳清洁能源研究院，广东深圳 518085; 3．四川大学，四川成都 610065)

作者简介：谢和平，2001年当选中国工程院院士。曾任原煤炭工业部科技教育司司长、1998.8-2003.6任中国矿业大学校长和中国矿业大学（北京校区）校长、2003.6-2017.12任四川大学校长、2009年成为中国书法家协会会员，2012.12-2018.4任四川省书法家协会副主席。现任四川大学教授、博导，深圳大学特聘教授，深圳大学深地科学与绿色能源研究院院长，兼任国务院学位委员会委员、中国科学技术协会常委、教育部科技委地学与资源学部主任、教育书画协会副会长、四川省书法家协会顾问等职务。中共十七届中央候补委员，十二届全国人大代表。

谢和平院士长期致力于深地科学与绿色能源领域的基础研究与工程实践。1982年起，创造性引入分形方法，在国际上开创了岩石力学分形研究新领域(谢和平，《Fractals in Rock Mechanics》，CRC Press，1993年)；在我国最早建立了裂隙岩体宏观损伤力学模型，开拓了裂隙岩体损伤力学研究新领域(谢和平，《岩石混凝土损伤力学》，中国矿业大学出版社，1990年)。首次提出了深部原位岩石力学构想，构建了深部岩体力学与开采理论研究框架(谢和平等，深部开采的定量界定与分析，煤炭学报，引用量TOP 1/50000)。深入探索了低碳技术与CO2矿化及综合利用，形成一系列CO2资源化、能源化利用的高效耦合技术原理和方法(Xie et al. Carbon geological utilization and storage in China: current status and perspectives, Acta Geotechnica, 引用量TOP 1/100)。目前正深入探索粤港澳大湾区地热勘探开发利用、中低温地热磁浮发电变革性技术和温差材料发电颠覆性技术，与国内外研究机构组建粤港澳大湾区地热开发协同创新平台。研究成果已出版10余本中英文专著、200余篇论文 (引用量两万余次)。

谢和平曾荣获国家自然科学二等奖、三等奖和国家科技进步二等奖、三等奖，及首届“中国青年科学家奖（技术科学）”、孙越崎能源大奖、何梁何利基金科学与技术进步奖和省部级二等以上奖励多项。2007年被德国克劳斯塔尔工业大学授予荣誉博士学位，2008年入选香港理工大学“杰出中国访问学人奖励计划”，2012年10月被香港理工大学授予荣誉博士学位，2012年11月被英国诺丁汉大学授予荣誉博士学位，2017年5月被牛津大学圣艾德蒙学院授予“牛津大学圣艾德蒙Fellow”学术称号，2017年5月被摩尔多瓦科学院授予“高级荣誉院士”奖章。

能源是一个国家可持续发展的重要基础。我国经济的持续高速发展表现出对能源的强劲需求，对以煤为主的化石能源的大规模生产与消费导致一系列环境问题。因此，我们必须思考如何实现煤炭生产和消费的变革，提高煤炭的开发利用效率，减少污染物和二氧化碳排放，降低对资源、生态、环境等的破坏，从而推动我国能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

1 煤炭现状及挑战

我国煤炭形成期主要集中在石炭纪、二叠纪和侏罗纪。石炭纪形成了华北、华东及中南地区的煤系。二叠纪的早二叠世主要形成了以华北为中心的山西组煤系，晚二叠世主要形成了贵州境内的龙潭煤系。侏罗纪时期形成的煤田最多，主要集中在华北及西北地区，例如神东煤田、大同煤田及新疆地区的煤田。根据我国煤炭资源赋存情况，开采地质条件以中等或复杂地质条件居多。众所周知，随着浅部矿物资源逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，千米深井的深部资源开采逐渐成为资源开发新常态。进入1000-2000m的深部开采，资源赋存的地质条件复杂、地应力增大、地温升高、岩体破裂程度与涌水加剧，致使资源开采难度加大、作业环境恶化和生产成本急剧增加等一系列问题，为深部资源开采提出了严峻的挑战。进入1000-2000m的深部，岩石可能表现出大变形、强流变等特征；持续的高地温将对人员的健康和工作能力造成极大的伤害，使劳动生产率大大下降；矿井灾害将以前所未有的频度、强度和复杂性表现出来，且浅部开采的单一灾害种类转变为多种灾害的灾害链，灾害链的孕育机理、致灾过程更加复杂，给岩层控制、采场维护等提出了前所未有的巨大挑战。

2 煤炭深部开采理论进展

由于深部岩体典型的“三高”赋存环境的本真属性及资源开采“强扰动”“强时效”的附加属性，导致深部高能级、大体量的工程灾害频发，机理不清，难以预测和有效控制，传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家十三五重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”针对上述难题进行了系统研究，在9个方面获得了重要进展：(1) 提出深部工程尺度真实采动条件下原位应力路径捕捉及单双轴采动力学测试技术体系，创新深部岩石原位应力保真恢复测试原理与技术；(2) 系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为，构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型；(3) 提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式，开发了批数据处理网络算法反演深部地应力场，系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚，能量耗散特性；(4) 提出了“强扰动”和“强时效”特征的判定依据，探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论，研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性；(5) 建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型，实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化，研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置；(6) 开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟，提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法，研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术；(7) 概括了深部硬岩强卸荷下三种灾害模式的破裂孕育分异演化机制，提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法，创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法；(8) 分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素，初步构建了“高保低损”型深部煤炭安全绿色开采新模式；(9) 建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型，提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容，初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系，以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。

3 煤炭革命新理念

煤炭革命关键是技术革命。我国可经济开发利用的煤炭资源并不富余，只有进行煤炭技术革命才能克服煤炭生产面临的复杂地质条件、采深逐年增加等多重压力，应对煤炭的持续需求与当前不够清洁的利用方式相矛盾等挑战，才能解决煤炭行业面临的可持续发展的重大科技问题。煤炭革命的核心是理念革命，开展煤炭革命的科技创新需要科学的理念指引发展方向。因此提出煤炭开发利用一体化、矿井建设与地下空间利用一体化、煤基多元清洁能源协同开发和煤炭洁净低碳高效利用四大新理念。

煤炭革命是煤炭行业整体进步的推动力，总体而言，煤炭革命应达到 3 个目标：煤炭成为清洁能源、煤矿区成为煤基多元协同能源基地和煤炭行业成为社会尊重、人才向往的高新技术行业。

4 煤炭工业未来规划

为了实现煤炭革命的总目标，在未来30~40年期间将煤炭革命分为三个阶段：煤炭工业3.0、煤炭工业4.0和煤炭工业5.0。煤炭工业3.0是在2020年前，建成超低生态损害与超低排放的机械化、信息化煤炭开发利用体系，进入井下少人、接近天然气排放水平的煤炭工业3.0阶段，煤矿井下空间得到初步利用。煤炭工业4.0是在2020-2035年，建成近零生态损害与近零排放的智能化、多元煤炭开发利用体系，进入井下无人、接近清洁能源排放水平的煤炭工业4.0阶段，煤矿井下空间得到有效利用。煤炭工业5.0是在2035-2050年，建成煤基多元、开放、协同、绿色开发利用的清洁能源基地，进入井下无人、地上无煤、纯清洁能源的煤炭工业5.0阶段，煤矿井下空间资源与城镇化发展协同开发利用。

(1) 2020年前：煤炭3.0 (2000 m以浅)阶段。2020年之前，开采2000 m以浅煤炭资源。通过技术推广与升级，建成超低生态损害与超低排放的机械化、信息化煤炭开发利用体系，进入井下少人、接近天然气排放水平的煤炭工业3.0时代，煤矿井下空间得到初步利用；煤炭3.0是开采及利用技术的革命。

(2) 2020-2035年：煤炭4.0(3000 m以浅)阶段。2020-2035年，开采3000 m以浅煤炭资源。通过技术的突破，建成近零生态损害与近零排放的智能化、多元煤炭开发利用体系，进入井下无人、接近清洁能源排放水平的煤炭工业4.0时代，煤矿井下空间得到有效利用；煤炭4.0是开采及利用方法的革命。

(3) 2035-2050年：煤炭5.0(3000 m以深)阶段。2035-2050年，开采3000 m以深煤炭资源。现有开采体系无法有效支撑。通过颠覆性技术的研究，建成煤基多元、开放、协同、绿色开发利用的清洁能源基地，进入井下无人、地上无煤、纯清洁能源的煤炭工业5.0时代，煤矿井下空间资源与城镇化发展协同开发利用。煤炭5.0是能源利用的革命。

5 煤炭技术革命路线

(1) 智能化无人开采。2000 m以浅的煤炭资源开采仍可沿用现有的开采技术与装备体系，需要克服岩层、构造、瓦斯、水等地质条件变化而带来的安全问题。智能化控制技术可在有效探测环境信息的基础上实现装备的自动控制，避免开采事故的发生。通过地质构造的探测、反演及智能决策技术，可形成基于透明矿山的智能化开采系统。不但有效支撑当前煤炭开发，而且对3000 m以下深部资源的开采也奠定了坚实的技术基础。单就智能化无人开采发展目标而言：2020年前，实现2000 m以浅智能化开采；2020-2035年，实现3000 m以浅智能化无人开采；2035-2050年，打造出5000 m以浅的智慧矿山，实现真正的人不下井。

(2) 流态化开采。资源开采在进入深部开采后将面临更大的安全、环境、经济及技术难题。基于对地球深部基本科学规律的探索，提出煤炭资源深部原位流态化开采的科学构想，以解决2000 m甚至更深的固体资源开发难题。流态化开采就是将深地固体矿产资源原位转化为气态、液态或气固液混态物质，在井下实现无人智能化的采选充、热电气等转化的流态化开采技术。流态化开采可彻底改变目前矿业领域生产效率低、安全性差、生态破坏严重( 土地塌陷、水资源破坏等)、资源采出率低、地面运输、转化能量损耗大等一系列问题，实现地下资源开采的变革。流态化开采的技术演进路线是：2020年前，将煤炭流态化开采作为深地研究的重要科学问题率先提出来，展开煤炭资源流态化开采前瞻性理论、基础性技术探索；2020-2035年，建立现有煤炭开采及转化技术体系对流态化开采的基础支撑架构，部分流态开采关键技术的深部原位实现；2035-2050 年，实现流态化开采重大关键技术的突破，集成相关技术开展现场实施。

(3) 地下空间开发利用。煤炭开采产生了大量的地下空间，如果不能有效加以利用，不但对环境带来影响，而且也造成了人才、财力、资源的浪费。地下空间也是国土资源，其开发利用对人们的生产生活方式都将带来重大影响。目前，一些废弃矿井的地下空间正在尝试存储、旅游观光、军事设施、交通等多种利用方式。地下空间开发利用技术路线是：2020年前，主要进行500 m以浅废弃矿井空间开发利用，积累空间分配、生态系统再造、通讯等关键技术；2020-2035年，进行2000 m以浅地下空间开发利用，包括医疗、试验、废弃物处置等用途；2035-2050年，开展与流态开采相配套的地下空间开发利用技术研究。

(4) 煤炭清洁低碳利用。燃烧是煤炭利用的主要方式。目前，我国燃煤发电技术已经取得很大突破，先进电厂的耗煤量、排放水平都达到世界领先水平。因此，在2020年前，重点是解决分散燃煤清洁化问题和推广应用燃煤发电超低排放技术；2020-2035年，实现燃煤发电近零排放和地下转化，消减大部分的CO2排放；2035-2050年，煤炭不到地面，直接在地下实现热电气一体化生产，由开采煤炭转变为开采“清洁能源”。