呂超賢，孫文，宋關(guān)羽 ，于浩 ，王成山

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；2. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072；3. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

一、前言

我國(guó)是能源消費(fèi)及進(jìn)口大國(guó)，面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的外部環(huán)境以及“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)牽引下的能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程，需深入推進(jìn)能源革命，加強(qiáng)能源“產(chǎn) - 供 -儲(chǔ) - 銷”體系建設(shè)，確保能源安全[1]。因此，豐富能源供給形式、提高能源利用效率、加強(qiáng)多種能源之間的協(xié)同互補(bǔ)能力成為保障能源安全的必然選擇[2～4]。煤炭作為我國(guó)的重要能源，在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)其主導(dǎo)地位不會(huì)改變。然而，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全社會(huì)對(duì)能源需求的規(guī)模及多樣性持續(xù)增加，煤炭產(chǎn)業(yè)高耗能、高污染的特性制約了其可持續(xù)發(fā)展路徑的開展。近年來，煤炭行業(yè)迎來了前所未有的低碳轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)機(jī)遇，我國(guó)在重視和推動(dòng)煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展的同時(shí)，給予了多項(xiàng)政策傾斜與支持。2021年，國(guó)家能源局、科學(xué)技術(shù)部印發(fā)的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出，開展涌水、低濃度瓦斯、礦井余熱等能源資源利用相關(guān)示范[5]。2022 年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局在《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》中指出，完善煤矸石、涌水、礦井瓦斯等資源綜合利用政策，鼓勵(lì)利用煤礦資源優(yōu)勢(shì)開展新能源及儲(chǔ)能項(xiàng)目的建設(shè)[6]。2022 年，中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出，把握以煤為主的基本國(guó)情，抓好煤炭清潔高效利用，提高新能源消納能力，促進(jìn)煤與新能源的優(yōu)化組合[7]。

煤礦能源資源種類多，電、熱、冷、氣等用能需求多樣，但由于煤礦區(qū)較為粗放的能源管理方式以及分散的能源供給策略，使源端大量能源資源難以與多元需求相匹配，造成了資源浪費(fèi)和額外的碳排放。近年來，國(guó)內(nèi)外在煤礦能源資源高效利用方面做了大量研究，主要集中在煤礦能耗分析、資源利用、煤礦綜合能源系統(tǒng)等方面，如美國(guó)已準(zhǔn)備將煤礦轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵞茉粗行?，?jì)劃在煤礦建設(shè)光伏、風(fēng)力等多種清潔能源電站[8]；我國(guó)煤礦能源資源利用仍處于起步階段，相關(guān)資源的利用效率、清潔化利用水平等有待提升。

進(jìn)一步發(fā)揮煤礦能源資源稟賦優(yōu)勢(shì)，通過物質(zhì) - 能量循環(huán)利用和優(yōu)化調(diào)度策略，提升煤礦能源資源利用效率是未來實(shí)現(xiàn)煤礦能源資源高效利用的研究重點(diǎn)。本文在梳理煤礦能源資源利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析其面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)煤礦能源資源利用的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展路徑，并提出發(fā)展建議，以期為推動(dòng)煤炭行業(yè)低碳發(fā)展研究提供參考。

二、煤礦能源資源利用現(xiàn)狀

（一）能源資源現(xiàn)狀

根據(jù)性質(zhì)和產(chǎn)生方式的不同，可以將煤礦能源資源分為常規(guī)資源、煤炭伴生資源和其他資源3類。

1. 常規(guī)資源

常規(guī)資源主要包括煤炭、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。我?guó)煤礦主要分布在華北、西北地區(qū)，分布區(qū)域與太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿刃履茉促Y源富集區(qū)高度吻合，在地理空間上存在較大的重合性。根據(jù)我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量排名前十的省份所對(duì)應(yīng)的新能源資源儲(chǔ)量情況來看（見圖1）[9]，在煤炭資源豐富的地區(qū)，其太陽能、風(fēng)能資源在全國(guó)的占比超過80%，地?zé)豳Y源在全國(guó)的占比超過50%。

圖1 我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量排名前十的省份對(duì)應(yīng)的新能源資源情況

2. 煤炭伴生資源

煤炭伴生資源由煤炭開采衍生而來，主要包括煤矸石、煤層氣（煤礦瓦斯）、乏風(fēng)瓦斯、涌水等。其中，煤矸石來源于采煤、洗煤過程中排放的固體廢棄物，主要成分為Al2O3、SiO2以及含有鐵、鈣等的氧化物[10]；我國(guó)煤矸石的產(chǎn)量大，2021年的產(chǎn)量約為7.43×108t。煤層氣來源于煤和圍巖中的CH4、CO2和N2的混合氣體，屬于非常規(guī)天然氣，是一種新型清潔能源[11]；我國(guó)每年直接排放的低濃度瓦斯總量約為1.32×109m3[12]。乏風(fēng)瓦斯又稱煤礦風(fēng)排瓦斯，是瓦斯?jié)舛鹊陀?.75%的煤礦瓦斯，雖然濃度極低，但其排放量很大，我國(guó)每年排入大氣中的乏風(fēng)瓦斯超過1.5×1010m3[13]。涌水是在礦井開采過程中，大氣降水、地下水等通過各種通道涌入井下所形成的[14]。圖2 為2017—2021 年我國(guó)原煤及伴生資源礦井的產(chǎn)量情況[15～17]。由圖2 可知，我國(guó)原煤產(chǎn)量在持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)，煤炭伴生資源產(chǎn)量也隨之增長(zhǎng)。

圖2 2017—2021年我國(guó)原煤及伴生資源產(chǎn)量情況

3. 其他資源

煤礦區(qū)的其他資源主要是空氣壓縮機(jī)余熱、礦井地下空間和地表塌陷區(qū)等?？諝鈮嚎s機(jī)余熱資源指煤礦空氣壓縮機(jī)工作過程中產(chǎn)生的高溫高壓油氣混合物所帶來的熱能，溫度通常為80～100 ℃，約占空氣壓縮機(jī)輸入電能的80%～93%，屬于能源轉(zhuǎn)換過程中的余熱[18]。礦井地下空間是由井下設(shè)備轉(zhuǎn)移或礦井開采結(jié)束所留下的地質(zhì)空腔，多分布在廢棄 / 關(guān)閉的礦井中。地表塌陷區(qū)是由礦山開采結(jié)束后，采空區(qū)上方覆巖層應(yīng)力平衡受到破壞所形成的地表塌陷區(qū)域，在廢棄 / 關(guān)閉礦井中較為常見。目前，我國(guó)待開發(fā)利用的廢棄礦井約有10 000 多處，礦井地下空間資源超過1.56×1010m3，每年新增煤礦地表塌陷區(qū)面積超過60 000 km2[19,20]?！笆濉睍r(shí)期以來，我國(guó)廢棄 / 關(guān)閉的礦井?dāng)?shù)量情況如圖3所示，預(yù)計(jì)2030年我國(guó)廢棄 / 關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到15 000處[21,22]。

圖3 “十五”以來我國(guó)廢棄 / 關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量

（二）能源需求特性

按開采方式的不同，煤礦可分為井工煤礦和露天煤礦兩類。我國(guó)主要以井工煤礦開采為主，這兩類煤礦的能源資源特性如下。

1. 井工煤礦

井工煤礦能源需求按功能區(qū)的不同，可分為生產(chǎn)區(qū)負(fù)荷和生活區(qū)負(fù)荷，各功能區(qū)內(nèi)均包含電、熱、冷、氣等能源需求（見表1）。井工煤礦生產(chǎn)區(qū)負(fù)荷具有鮮明的峰谷時(shí)段特征，即采煤時(shí)段用能較多，非采煤時(shí)段（檢修期）用能較少。井工煤礦電負(fù)荷主要包含采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)、抽水泵、通風(fēng)機(jī)等；由于煤炭開采機(jī)械設(shè)備種類多、功率容量大，生產(chǎn)區(qū)負(fù)荷的電能需求占煤礦總電能需求的絕大部分[23]。井工煤礦熱負(fù)荷包括井筒防凍、建筑采暖以及洗浴熱水供應(yīng)，其中井筒防凍主要是應(yīng)對(duì)寒冷季節(jié)或寒冷地區(qū)可能發(fā)生的凍結(jié)現(xiàn)象；全時(shí)段洗浴熱水供應(yīng)則是為保障礦工在煤礦三班倒工作制下的洗浴需求。以某12 Mt/a 的井工煤礦為例，其總用電負(fù)荷為53 529.78 kW，其中生產(chǎn)區(qū)負(fù)荷為52 426.48 kW，占總用電負(fù)荷的97.94%；在-17 ℃條件下，該煤礦的總熱負(fù)荷為21 162 kW，其中井筒防凍、采暖、熱水供應(yīng)占比分別為53.7%、39.7%、6.6%[24]。井工煤礦冷負(fù)荷主要包括井下供冷、建筑供冷等。受開采深度、地?zé)?、設(shè)備散熱等因素影響，在井下溫度較高的地區(qū)需通過供冷操作，降低井下環(huán)境溫度以保障工人的生命安全。此外，井工煤礦還存在天然氣、N2等與煤礦生產(chǎn)緊密相關(guān)的能源需求。

表1 井工煤礦多元用能需求

2. 露天煤礦

露天煤礦在穿爆、采裝、運(yùn)輸、排土、輔助以及辦公建筑等方面存在用能需求（見表2），主要是機(jī)械設(shè)備對(duì)能源的消耗，其中以柴油和電力為主以及少部分的汽油。以某20 Mt/a 的露天煤礦為例，其年度電力總能耗為8.295×107kW·h，柴油總能耗為73 154 t，汽油總能耗為279.5 t[25]。

表2 露天煤礦多元用能需求

（三）資源利用現(xiàn)狀

1. 常規(guī)資源

目前，煤礦常規(guī)資源利用主要包括燃煤發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)豳Y源開發(fā)等，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)火力發(fā)電與新能源發(fā)電的耦合。① 燃煤發(fā)電，利用傳統(tǒng)燃煤機(jī)組，將煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。② 光伏發(fā)電，在煤礦建筑屋頂及周邊空地布置光伏板，增加煤礦能源供給形式，如新疆哈密大南湖二礦分布式光伏項(xiàng)目。③ 風(fēng)力發(fā)電，通過在煤礦周圍風(fēng)能富集區(qū)建設(shè)風(fēng)力發(fā)電單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦的電能供給，如加拿大Raglan 礦井大型風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。④ 地?zé)豳Y源，利用礦井井下生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，在建井時(shí)兼顧地?zé)豳Y源的開發(fā)，根據(jù)礦井地溫賦存差異，進(jìn)行礦井水、巖溫、混合型地?zé)岬拈_發(fā)利用[9]。

2. 煤炭伴生資源

煤炭伴生資源與煤炭開采息息相關(guān)，是煤礦最具開發(fā)利用潛力的一類能源資源。① 煤矸石經(jīng)預(yù)處理后可回收其中的煤、黃鐵礦等有用礦物；也可用作矸石發(fā)電的原材料，產(chǎn)生的灰渣可作為磚塊、路基、土壤改良劑、充填煤礦沉陷區(qū)等材料。近年來，隨著煤矸石發(fā)電、制磚、充填等規(guī)模性消納項(xiàng)目的實(shí)施，煤矸石綜合利用率持續(xù)增長(zhǎng)，2021年我國(guó)綜合利用的煤矸石約為5.43×108t，綜合利用率達(dá)73.1%[16]。② 煤層氣按所含瓦斯?jié)舛鹊牟煌?，分為低濃度瓦斯（濃度?%～30%）、抽采瓦斯（濃度為30%～80%）和高濃度瓦斯（濃度為80%～100%）。低濃度瓦斯多用于蓄熱氧化、燃燒發(fā)電或提純后利用；抽采瓦斯經(jīng)煤水氣分離裝置分離出其中的水氣后，可用作民用及化工原料；高濃度瓦斯可作為燃料，直接經(jīng)管道外輸加以利用[26]。目前，我國(guó)煤礦瓦斯綜合利用率不足50%，今后的可利用空間較大。山西省能源局在《關(guān)于推動(dòng)煤礦瓦斯綜合利用的指導(dǎo)意見》中提出，到2025年力爭(zhēng)全省瓦斯利用率達(dá)到50%[27]，煤礦瓦斯的高效利用任重道遠(yuǎn)。③ 乏風(fēng)瓦斯的主要利用方式是蓄熱氧化、余熱回收等。蓄熱氧化技術(shù)通過蓄熱氧化裝置將乏風(fēng)中低濃度瓦斯轉(zhuǎn)換為熱能，余熱回收則是通過熱泵提取礦井回風(fēng)中的低溫廢熱。我國(guó)乏風(fēng)氧化技術(shù)在山西、陜西等省份已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化運(yùn)行[11]，但由于乏風(fēng)瓦斯排放總量顯著，實(shí)現(xiàn)乏風(fēng)瓦斯的完全利用仍有困難。④ 礦井涌水的利用方式包括余熱回收和凈化利用。余熱回收一般通過熱泵回收礦井排水中的低溫余熱；凈化利用則是對(duì)礦井水進(jìn)行凈化除雜，用于噴灑除塵、綠植灌溉等。目前我國(guó)煤礦礦井涌水的平均利用率約為35%[28]，水資源浪費(fèi)情況較為嚴(yán)重。

3. 其他資源

① 煤礦空氣壓縮機(jī)余熱資源的利用方式主要有熱風(fēng)直接利用和熱水直接利用[18]，資源回收利用效率較高，但由于涉及設(shè)備建設(shè)或改造、大量資金投入等，尚未在煤礦區(qū)廣泛推廣和應(yīng)用，余熱資源利用潛力有待提升。② 礦井地下空間通?？梢赃M(jìn)行儲(chǔ)能（抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等）、封存CO2，也可以改造為地下實(shí)驗(yàn)室、地下養(yǎng)殖、人防工程等。③ 煤礦地表塌陷區(qū)資源主要圍繞經(jīng)濟(jì)與生態(tài)功能進(jìn)行開發(fā)利用，包括新能源開發(fā)、農(nóng)林復(fù)墾、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水庫蓄水等[21]。由于礦井地下空間、煤礦地表塌陷區(qū)資源利用屬于煤炭開采后期，資源利用對(duì)于煤礦企業(yè)而言不具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，導(dǎo)致大量廢棄礦井資源遭到浪費(fèi)。

三、煤礦能源資源利用面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

（一）煤礦能源資源利用面臨的挑戰(zhàn)

1. 煤炭伴生資源的綜合利用水平較低

煤炭伴生資源種類豐富、總量大，利用效率不高。對(duì)于單類伴生資源而言，即使70%的綜合利用率，也會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染，因此，單個(gè)伴生資源的綜合利用水平仍需進(jìn)一步提升。煤礦各伴生資源分散分布的特點(diǎn)決定了其分散利用的格局，不能充分發(fā)揮各伴生資源能源品位及時(shí)空分布優(yōu)勢(shì)，因此，對(duì)于多類型煤炭伴生資源而言，其多資源聚合模式以及耦合利用機(jī)理有待進(jìn)一步探明。

2. 資源動(dòng)態(tài)演化下煤礦多環(huán)節(jié)物質(zhì) - 能量耦合傳輸鏈路尚不清晰

煤礦資源動(dòng)態(tài)演化導(dǎo)致全生命周期內(nèi)煤礦運(yùn)行場(chǎng)景的復(fù)雜多樣性，加之隨著煤礦生產(chǎn)多環(huán)節(jié)能量輸入與物質(zhì)產(chǎn)出的差異性、生產(chǎn)及生活用能中各能流的強(qiáng)耦合特性，使得煤礦多環(huán)節(jié)物質(zhì) - 能量耦合傳輸鏈路愈加混雜不清。此外，對(duì)煤礦物質(zhì)生產(chǎn)和能量耦合的特性和調(diào)控機(jī)制缺乏清晰的認(rèn)識(shí)，難以優(yōu)化和調(diào)節(jié)鏈路中的各個(gè)環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)煤礦物質(zhì) - 能量的高效耦合利用。

3. 缺少精細(xì)化調(diào)度手段和平臺(tái)支撐

煤礦生產(chǎn)用能的高安全性以及能源資源利用的高效性都要求煤礦能源系統(tǒng)需具備精細(xì)化調(diào)度能力，以精準(zhǔn)約束各能源設(shè)備出力及生產(chǎn)用能行為。目前，煤炭及伴生資源產(chǎn)量、各環(huán)節(jié)生產(chǎn)用能等多類型物質(zhì) - 能量數(shù)據(jù)的采集、記錄與存儲(chǔ)方式各異，缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集成分析平臺(tái)作支撐，難以實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)集成和共享，限制了系統(tǒng)精細(xì)化調(diào)度的實(shí)施。

（二）煤礦能源資源利用趨勢(shì)

1. 供能多元化

隨著對(duì)煤礦新能源資源及煤炭伴生資源的持續(xù)開發(fā)利用，煤礦將逐漸形成以煤炭為主體、電力為核心、多種能源資源協(xié)同供能的綜合供能體系。該體系包括傳統(tǒng)燃煤發(fā)電、太陽能及風(fēng)能發(fā)電、太陽能等新能源供熱、煤炭伴生資源高效轉(zhuǎn)化等多種供能形式，在提高煤礦能源資源利用效率的同時(shí)將煤礦區(qū)打造為集傳統(tǒng)能源與新能源為一體的綜合能源供能網(wǎng)絡(luò)。

2. 用能清潔化

近年來，水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源裝機(jī)規(guī)模不斷攀升，終端用能清潔化水平大幅提升。同時(shí)，煤礦負(fù)荷端燃油、燃?xì)獾忍寂欧怒h(huán)節(jié)逐漸被電力設(shè)施替代，用能更加清潔。隨著煤礦綜合供能網(wǎng)絡(luò)的逐步完善，形成了源端以多種清潔能源為主的供能形式，滿足了煤礦及周邊城鎮(zhèn)多元負(fù)荷用能需求，提高了煤礦清潔化用能水平。

3. 生態(tài)友好化

煤礦在開采結(jié)束后，仍賦存著大量的煤、水、氣、地?zé)?、地下空間等多種可利用資源，可發(fā)揮廢棄 / 關(guān)閉礦井土地資源、遺留資源賦存及設(shè)施優(yōu)勢(shì)，采用土地資源利用、生態(tài)修復(fù)、新能源開發(fā)、土地復(fù)墾等措施，實(shí)現(xiàn)廢棄礦井的精準(zhǔn)開發(fā)利用，優(yōu)化當(dāng)?shù)啬茉串a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)廢棄礦井資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展，助力美麗中國(guó)建設(shè)。

四、煤礦能源資源高效利用的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展路徑

（一）煤礦能源資源高效利用的關(guān)鍵技術(shù)

1. 煤炭及共伴生資源高效利用技術(shù)

（1）煤炭清潔高效利用技術(shù)主要包括煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化、先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)。煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化涵蓋煤洗選加工、煤制液體燃料及化工品、煤炭氣化及煤與有機(jī)物協(xié)同氣化、煤轉(zhuǎn)化過程中多種污染物協(xié)同控制。先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)主要有超超臨界發(fā)電、整體煤氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)（IGCC）、整體煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)（IGFC）等。煤炭及共伴生資源的高效利用，可實(shí)現(xiàn)煤炭洗選、加工、廢棄物利用、發(fā)電等全過程清潔低碳，提高煤炭的清潔化利用水平。

（2）煤矸石高效利用技術(shù)。將煤矸石經(jīng)粉碎、分選、喂料、燃燒、發(fā)電等工藝，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，使其中的可燃物質(zhì)或化合物轉(zhuǎn)化為可供煤礦生產(chǎn)生活使用的電能。我國(guó)已建成陜西煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司2×300 MW低熱值資源綜合利用發(fā)電廠、中煤平朔集團(tuán)有限公司2×660 MW煤矸石發(fā)電廠等發(fā)電項(xiàng)目，其中后者每年可消納煤矸石約5.1×106t，發(fā)電約6.6×109kW·h，供熱約1×1016J，顯著提高了煤矸石的綜合利用水平。

（3）煤層氣高效利用技術(shù)。煤層氣的高效利用方式由其所含甲烷的體積分?jǐn)?shù)決定。體積分?jǐn)?shù)≥8%的煤層氣可用于瓦斯發(fā)電，礦井抽采出的煤層氣經(jīng)水封、燃?xì)饷摿?、排空等操作后進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組燃燒發(fā)電；體積分?jǐn)?shù)在0.75%～8%的煤層氣可用于氧化發(fā)電；通常將體積分?jǐn)?shù)在8%以下的低濃度瓦斯與乏風(fēng)瓦斯摻混至體積分?jǐn)?shù)為1%～1.2%后，通過蓄熱氧化機(jī)組回收氧化后產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行供熱或推動(dòng)蒸汽機(jī)發(fā)電。我國(guó)已建成晉煤控股集團(tuán)有限公司胡底10 MW 高濃度瓦斯發(fā)電廠、陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司二礦桑掌15 MW 低濃度瓦斯氧化發(fā)電廠等發(fā)電項(xiàng)目，其中后者每小時(shí)可氧化利用5.4×105m3級(jí)的低濃度瓦斯，年發(fā)電總量可達(dá)1.2×108kW·h，顯著提升了煤層瓦斯的利用水平。

（4）乏風(fēng)瓦斯高效利用技術(shù)。乏風(fēng)中的甲烷濃度極低（在0.75%以下），通常將乏風(fēng)送入蓄熱氧化裝置中發(fā)生蓄熱氧化反應(yīng)，同時(shí)釋放大量的熱能，經(jīng)熱交換后乏風(fēng)中低濃度瓦斯蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可供煤礦使用的熱能。此外，乏風(fēng)溫度受礦井通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)影響，略高于環(huán)境溫度，可采用熱泵提取礦井回風(fēng)中的低溫?zé)崮芄┟旱V生產(chǎn)生活使用。我國(guó)已建成淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司謝橋煤礦8×500 kW 低濃度瓦斯氧化供熱項(xiàng)目、潞安集團(tuán)高河能源有限公司30 MW低濃度瓦斯氧化發(fā)電廠，其中，后者通過瓦斯氧化爐、余熱鍋爐及相關(guān)輔機(jī)等設(shè)備，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤15 000 t 以上，降低了乏風(fēng)瓦斯直排對(duì)環(huán)境的污染。

（5）涌水高效利用技術(shù)。受礦井的天然地質(zhì)條件影響，涌水溫度常年保持穩(wěn)定，是一種較為穩(wěn)定的低品質(zhì)熱能，因此可以采用熱泵對(duì)其進(jìn)行余熱回收，通過少量的電能消耗即可將涌水所蘊(yùn)含的低品位熱能轉(zhuǎn)化為可供煤礦生產(chǎn)生活使用的高品質(zhì)熱能，具有節(jié)能、環(huán)保、一機(jī)多用、可靠性高等特點(diǎn)。目前，太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司、淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司信湖煤礦配備了多臺(tái)水源熱泵機(jī)組以回收礦井排水余熱供煤礦使用，其中，前者在供暖季可節(jié)約標(biāo)煤1100 t，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦熱能的清潔供應(yīng)。

（6）采煤塌陷區(qū)及廢棄礦井利用技術(shù)。采煤塌陷區(qū)及廢棄礦井擁有大量的土地 / 空間資源，加之煤炭產(chǎn)區(qū)與新能源分布區(qū)具有重合性，可在采煤塌陷區(qū)上新建光伏、風(fēng)機(jī)等，為煤礦提供清潔電能。廢棄礦井則圍繞地下空間儲(chǔ)能、新能源開發(fā)、CO2封存技術(shù)進(jìn)行高效利用。加強(qiáng)采煤塌陷區(qū)及廢棄礦井利用技術(shù)的應(yīng)用和落地，提升煤礦區(qū)的生態(tài)治理能力，促進(jìn)資源型城市轉(zhuǎn)型升級(jí)。

綜上所述，以高效能量轉(zhuǎn)化裝置為基礎(chǔ)，資源利用技術(shù)為支撐，對(duì)煤炭及共伴生資源進(jìn)行回收利用，以期提高煤炭伴生資源的利用水平，實(shí)現(xiàn)煤礦能源資源的梯級(jí)利用。

2. 煤礦生產(chǎn)多環(huán)節(jié)物質(zhì) - 能量循環(huán)利用模式

煤礦包含諸多特殊的能源生產(chǎn)和消費(fèi)行為，尤其是在煤炭伴生資源利用環(huán)節(jié)，既利用礦井生產(chǎn)過程產(chǎn)生的煤矸石、乏風(fēng)、涌水等資源，同時(shí)也消耗外部電能來驅(qū)動(dòng)帶式運(yùn)輸機(jī)、通風(fēng)機(jī)、抽采泵等生產(chǎn)設(shè)備，因此，煤炭伴生資源與其他多形態(tài)能源間存在強(qiáng)耦合特性。鑒于此，煤礦生產(chǎn)多環(huán)節(jié)物質(zhì) -能量循環(huán)利用模式在解析礦井異質(zhì)資源物質(zhì)流動(dòng)和能量循環(huán)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過煤礦能量耦合環(huán)節(jié)多能轉(zhuǎn)化設(shè)備聚合煤礦地面及井下的風(fēng)、光、熱、氣等能源資源，將煤炭伴生資源轉(zhuǎn)化為可供煤礦使用的電、熱、冷等。同時(shí)，全面剖析煤礦能源生產(chǎn)和消費(fèi)特征，辨識(shí)煤礦用能關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于源荷狀態(tài)信息、關(guān)鍵環(huán)節(jié)能量 - 物質(zhì)連接模式與耦合機(jī)理，形成從源端資源利用到荷端能源需求的全環(huán)節(jié)物質(zhì) - 能量循環(huán)利用模式，實(shí)現(xiàn)煤礦能源資源的自主循環(huán)利用。

3. 資源動(dòng)態(tài)演化下煤礦物質(zhì) - 能量循環(huán)高效利用拓?fù)錁?gòu)建方法

煤礦生產(chǎn)具有鮮明的周期性，如前期建井、中期開采、后期關(guān)閉，各時(shí)期內(nèi)伴生資源賦能特征、能源產(chǎn)銷特性等具有較大差異。以煤礦中期開采為例，隨著煤炭的持續(xù)開采，井下工作面的新增與關(guān)閉、地質(zhì)空間環(huán)境變化等都會(huì)引起煤炭伴生資源賦能特征、生產(chǎn)用能行為以及系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。因此，在煤礦資源動(dòng)態(tài)演化條件下，圍繞煤礦全生命周期內(nèi)物質(zhì)生產(chǎn)全流程以及多環(huán)節(jié)能量耦合模式，可以構(gòu)建煤礦物質(zhì) - 能量循環(huán)高效利用拓?fù)浼軜?gòu)。目前，太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司根據(jù)現(xiàn)階段煤礦開采特征，擬構(gòu)建的煤礦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。該結(jié)構(gòu)充分考慮煤礦生產(chǎn)特性，以滿足煤礦開采、生產(chǎn)、生活辦公等的電、氣、冷、熱需求為主要目標(biāo)，通過伴生資源和其他可利用能源資源之間的多能互補(bǔ)綜合利用，提升煤礦能源利用效率、能源供給可靠性，促進(jìn)煤礦能源系統(tǒng)向綠色低碳的綜合能源微網(wǎng)發(fā)展。

圖4 基于煤礦生產(chǎn)特性的煤礦綜合能源系統(tǒng)能源資源高效利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4. 煤礦綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)

與傳統(tǒng)綜合能源相比，煤礦存在能源供給可靠性要求極高、多種伴生資源與可再生能源共存、物質(zhì) - 能量各環(huán)節(jié)高度耦合等特殊性和復(fù)雜性，這使得煤礦綜合能源優(yōu)化調(diào)度技術(shù)需更多地關(guān)注煤礦供能與生產(chǎn)安全、異質(zhì)資源間的資源協(xié)調(diào)利用、能量與生產(chǎn)耦合環(huán)節(jié)的耦合特性等方面。通過解析煤礦能源資源稟賦特性、識(shí)別能量與生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)、提取多元負(fù)荷耦合特征以及區(qū)分運(yùn)行場(chǎng)景變化等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦綜合能源系統(tǒng)的深層剖析。在構(gòu)建煤礦綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型時(shí)，通過以煤礦供電和供熱 / 冷等的安全可靠性、煤礦能源資源利用效率、能源生產(chǎn)及消費(fèi)成本等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，或以碳、污染物排放量等環(huán)保性指標(biāo)，確定需要優(yōu)化的目標(biāo)；然后，考慮煤礦能源轉(zhuǎn)化設(shè)備的出力約束、物質(zhì) - 能量各環(huán)節(jié)耦合約束以及系統(tǒng)各類用能行為約束，尤其是與生產(chǎn)強(qiáng)相關(guān)的安全性約束，如通風(fēng)機(jī)、抽水泵、瓦斯抽放泵等。根據(jù)模型呈現(xiàn)的大規(guī)模、強(qiáng)耦合、非線性等特征，選取合適的求解方法進(jìn)行模型求解，生成可指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)、能源產(chǎn)出、用能行為的能源資源分配方案，促進(jìn)煤礦能源資源的高效利用[29～33]。

（二）煤礦能源資源高效利用的發(fā)展路徑

根據(jù)能源資源關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展水平及國(guó)家政策導(dǎo)向等因素，可將煤礦能源資源高效利用發(fā)展路徑劃分為以下3個(gè)階段。

工程示范階段：2023—2025年，融合多種資源高效利用技術(shù)，構(gòu)建煤礦多能互補(bǔ)體系，推進(jìn)煤與共伴生資源協(xié)同開發(fā)利用。該階段煤礦開發(fā)建設(shè)需與國(guó)家能源領(lǐng)域政策相結(jié)合，以提高煤、煤矸石、煤層氣、涌水等礦山基礎(chǔ)能源的綜合利用效率為目標(biāo)，推動(dòng)煤炭清潔轉(zhuǎn)換、伴生資源高效利用等技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)攻關(guān)IGCC、IGFC等先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)、高性能熱泵技術(shù)等，積極探索煤礦資源耦合利用循環(huán)模式，為煤礦綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用推廣提供理論支持。

應(yīng)用推廣階段：2025—2030年，在國(guó)家相關(guān)政策的支持下，在條件良好的煤礦推廣綜合能源系統(tǒng)。利用煤礦自身能源資源優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)煤礦企業(yè)與高校、科研院校之間的合作，重點(diǎn)推進(jìn)煤與伴生資源、新能源耦合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤礦物質(zhì) - 能量循環(huán)。在應(yīng)用推廣過程中檢驗(yàn)相關(guān)能源技術(shù)應(yīng)用的效果，總結(jié)出煤礦不同資源稟賦下的技術(shù)集成形式，為規(guī)模化應(yīng)用階段提供案例參考。

規(guī)?；瘧?yīng)用階段：2030年后，煤礦綜合能源系統(tǒng)初具規(guī)模，并協(xié)同煤電、煤化工等煤炭上下游產(chǎn)業(yè)形成煤基綜合能源基地。以風(fēng)、光資源為依托，匹配煤電支撐性調(diào)節(jié)電源，深入推進(jìn)煤基綜合能源與新能源的優(yōu)化組合。推動(dòng)煤基多元清潔能源協(xié)同開發(fā)、煤基風(fēng)光互補(bǔ)多元協(xié)同運(yùn)行、高效大規(guī)模多元儲(chǔ)能、碳捕集利用與封存（CCUS）等技術(shù)融合，促進(jìn)煤炭清潔低碳利用，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源資源高效利用。

五、發(fā)展建議

（一）加強(qiáng)政策引導(dǎo)與技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)煤炭共伴生資源及地下空間的高效利用

建議國(guó)家主管部門出臺(tái)相關(guān)政策，明確伴生資源開發(fā)利用的要求和標(biāo)準(zhǔn)，加大對(duì)煤炭及共伴生資源利用的研發(fā)投入，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和示范應(yīng)用。加大煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化及先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)的研究力度，開展煤矸石、煤層氣、乏風(fēng)瓦斯、涌水等伴生資源高效能量轉(zhuǎn)化技術(shù)及設(shè)備的研制，積極探索多種伴生資源聚合利用的方式方法與耦合機(jī)理。鼓勵(lì)企業(yè)自發(fā)高效、安全、梯級(jí)利用煤炭伴生資源，提高煤炭及共伴生資源的綜合利用效率和附加值。探究礦井廢棄空間資源利用方式，推進(jìn)循環(huán)減碳技術(shù)、大規(guī)模地下儲(chǔ)氣技術(shù)與煤礦能源體系相結(jié)合，延伸煤炭行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。

（二）推進(jìn)煤礦綜合能源微網(wǎng)建設(shè)，優(yōu)化能源組合及CCUS技術(shù)應(yīng)用

在把握煤礦資源動(dòng)態(tài)演化規(guī)律的基礎(chǔ)上，深入開展煤礦生產(chǎn)多環(huán)節(jié)物質(zhì) - 能量循環(huán)利用模式、耦合鏈路及拓?fù)錁?gòu)建方法研究。加強(qiáng)煤礦物質(zhì)生產(chǎn)與能源消費(fèi)之間的聯(lián)系，根據(jù)煤礦資源動(dòng)態(tài)變化情況合理匹配源荷資源。協(xié)同煤炭、電力、熱力、光伏發(fā)電、風(fēng)電等不同能源系統(tǒng)的配置和集成，確保煤礦能源微網(wǎng)在電力供需、能源配置、市場(chǎng)交易等方面與煤礦整體能源系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。推動(dòng)煤炭與新能源優(yōu)化組合、物質(zhì) - 能量自主循環(huán)、CCUS 等相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，將CCUS技術(shù)與電轉(zhuǎn)氣、地下儲(chǔ)氣技術(shù)相融合，利用CCUS裝置捕集煤礦綜合能源微網(wǎng)產(chǎn)生的CO2，用作電轉(zhuǎn)氣甲烷化反應(yīng)環(huán)節(jié)的原料以生成CH4，額外的CO2進(jìn)行就地封存，實(shí)現(xiàn)煤礦綜合能源微網(wǎng)循環(huán)減碳。

（三）開發(fā)煤礦綜合微網(wǎng)精細(xì)化調(diào)度平臺(tái)，推動(dòng)煤礦能源資源安全高效利用

建立煤礦綜合能源微網(wǎng)精細(xì)化調(diào)度平臺(tái)，將煤炭及伴生資源產(chǎn)量、能源出力、各生產(chǎn)環(huán)節(jié)用能等信息納入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)煤礦多類型數(shù)據(jù)的集成、共享與生產(chǎn)全流程的運(yùn)行監(jiān)控，從而精準(zhǔn)掌握煤礦物質(zhì) - 能量耦合變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)煤礦剛性負(fù)荷的可靠供給，保障煤礦生產(chǎn)運(yùn)行安全。同時(shí)以精細(xì)化調(diào)度手段、智能算法、優(yōu)化模型等技術(shù)為支撐，充分發(fā)揮煤礦多環(huán)節(jié)、多資源的調(diào)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)多階段源端能源出力與荷端多元用能的精準(zhǔn)匹配，提高煤礦安全、低碳運(yùn)行水平。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財(cái)務(wù)沖突。

Received date:August 7, 2023;Revised date:October 13, 2023

Corresponding author:Song Guanyu is a senior engineer from the School of Electrical and Information Engineering of Tianjin University.His major research fields include the simulation analysis and operation optimization of active distribution networks. E-mail: gysong@tju.edu.cn

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Research on Scientific System and Strategic Path of Carbon Neutral Development of China’s Coal Industry” (2022-XBZD-09)