对我国煤炭主体能源地位与绿色开采的思考

王双明

(1.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点试验室，陕西省西安市，710054；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西省西安市，710054)

习近平总书记指出：美国能源发展重点是页岩气，我们对煤的注意力不要分散，关键是解决好煤的清洁高效利用问题。在相当长一段时间内，还是以煤为主的格局；在发展新能源、可再生能源的同时，要做好煤炭这篇文章。我国在着力推动能源革命，加大能源结构调整的进程中，煤炭作为我国主要能源的地位和作用是难以改变的。

缺油、少气、相对富煤是我国能源资源国情，以煤为主的能源消费结构短时间内难以改变是能源资源禀赋决定的。研究表明，在未来相当长的时期内，在我国一次能源消费结构中，煤炭的比重将逐步降低，但是煤炭产量仍将保持低速增长，煤炭作为我国主体能源的地位短时间内难以改变，但按照生态文明建设的总体部署，煤炭在开采、加工以及利用方面面临的生态环境约束将日益加大[1]。

1 煤炭主体能源地位短期内难以改变

1.1 缺油、少气、相对富煤不可改变

我国能源资源禀赋特点为缺油、少气、相对富煤，这是地质条件决定的，是根据地质勘查成果所得到的科学认识。据国土资源管理部门的资料显示，2018年，我国石油剩余可采储量为35.42亿t，按现在的生产技术和规模计算，储采比为18.7 a；天然气剩余可采储量为5.52万亿m3，按现在的生产技术和规模计算，储采比为34.3 a；煤炭查明可采储量为16666.73亿t，按现在的生产技术和规模计算，可采年限至少为160 a以上。

1.2 煤炭作为主体能源在较长时期内没有改变

据统计，1960年煤炭在我国一次性能源消费占比为90%，1970年煤炭在我国一次性能源消费占比为80%，2015年煤炭在我国一次性能源消费占比为70%，2017年煤炭在我国一次性能源消费占比为60%，2018年煤炭在我国一次性能源消费占比为59%。1978—2017年煤炭消费占比年均下降仅为0.25%，2018年煤炭消费占比虽然下降了1.2%，但是消费量却增加了1%，产量增加了4.5%。也就是说，目前煤炭消费占比与消费量和产量处于逆向增长的过程，其主体地位并没有发生改变。

1.3 燃煤发电实现清洁燃烧

作为我国的主体能源，煤炭在清洁利用方面近几年取得了重大进展，特别是燃煤发电厂的低成本超低排放技术取得了突破。国家规定，烟尘、二氧化硫和氮氧化物的燃煤锅炉重点地区排放标准限值分别不高于20 mg/Nm3、50 mg/Nm3和100 mg/Nm3，而烟尘、二氧化硫和氮氧化物的超低排放标准是不高于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3和50 mg/Nm3。河北省环境监测中心监测报告显示，国华三河电厂改造后4台机组的烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别为0.44～3.42 mg/Nm3、10.45～19.12 mg/Nm3、21.36～31.14 mg/Nm3，低于燃气发电机组10 mg/Nm3、100 mg/Nm3、200 mg/Nm3的大气污染物排放标准，且成本仅为燃气发电的1/2，煤炭发电的成本优势十分明显 。

1.4 煤制液体燃料实现规模化生产

(1)煤炭液化实现规模化生产。2015年8月，兖矿集团陕西未来能源公司100万t/a煤炭间接液化项目在榆林建成投产；2016年12月，国家能源宁煤集团400万t/a煤炭间接液化项目在宁夏建成投产；2008年12月，国家能源集团100万t/a煤直接液化项目一次投料试车成功，标志着我国煤制液体燃料进入了规模化工业生产阶段。

(2)富油煤资源丰富，转化油气潜力巨大。应用中低温热解工艺将低阶煤加工成气、液、固这3种物质，实现了将我国相对丰富的年轻烟煤转化成相对紧缺的油、气资源，和可替代无烟煤和焦炭的半焦。据目前小规模热解生产成果，每吨煤可热解得到约10%的煤焦油、150 m3的气和600 kg左右的半焦。 我国西部地区富油煤资源丰富，有替代1～2个大油田的广阔前景。

(3)煤制油品质量高，使用领域广。煤制油品具有比重大、体积热值、体积比热容、热安定性高以及氮、硫、灰、粉尘低等特点，可满足航天航空领域对燃料的性能需求。煤基液体燃料用作航空发动机和火箭燃料试验均取得成功，为我国航空航天燃料供给提供了战略选项。

1.5 煤炭仍是我国能源革命定型期第一大能源

从人类诞生一直到19世纪后半叶，能源都以薪柴为主 ；1850年开始，煤炭取代薪柴成为第一大能源；1965年，油气取代煤炭成为第一大能源；2010年之后，新能源发展提速，化石能源开始向非化石能源转变，目前，全球煤炭消费尚处转型上升通道，峰值将会出现在2040年左右。全球能源转换阶段如图1所示。

根据我国能源安全发展的战略需求，中国工程院组织能源领域院士和专家进行了推动能源生产和消费革命战略研究，认为中国能源生产和消费革命需分 “三步走”：第一步，2020年以前为能源结构优化期，实现化石能源消费清洁高效利用，力争2020年煤炭、油气、非化石能源消费比例达到6∶2.5∶1.5；第二步，2021-2030年为能源变革期，实现能源消费显著优化和能源绿色低碳发展，力争2030年煤炭、油气、非化石能源消费比例达到5∶3∶2；第三步，2031-2050年为能源革命定型期，形成新型能源体系，煤炭、油气、非化石能源消费比例达到4∶3∶3。也就是说，直到2050年，煤炭仍然是中国第一大能源。

图1 全球能源转换阶段

综上所述，资源禀赋特点决定了煤炭的主体地位，清洁高效利用技术支撑了煤炭的主体地位，煤制液体燃料技术巩固了煤炭的主体地位。我们有理由相信，科技创新将延续煤炭的主体地位，煤炭这篇文章只会越做越好。

2 西部煤炭开发和环境保护矛盾尖锐

我国煤炭资源呈现“西多、东少”的总体分布特征，西部煤炭资源量占全国煤炭资源总量的70%以上[1]，东部1000 m以浅煤炭资源趋于枯竭。在以煤为主体能源且短期内难以改变的背景下，开发西部煤炭资源已经成为保障国家能源安全的重大需求。然而，西部地处干旱-半干旱地区，水资源匮乏，地表植被稀少，生态环境脆弱，严重制约了西部煤炭资源的安全高效开发[2]。

2.1 生态环境脆弱

西部煤炭资源富集区主要位于降雨量小、蒸发量大的西部沙漠黄土广泛覆盖区，水资源匮乏，干旱少雨，生态环境脆弱，因此实现采煤与生态环境保护协调发展是西部煤炭工业面临和必须破解的重大技术难题。

2.2 采动损害严重

目前，我国95%以上的煤炭生产采用井工开采方式，这种开采方式会形成大范围的采空区，导致煤层围岩发生复杂的移动变形，使上覆岩层发生冒落、产生裂隙和弯曲下沉，地表形成沉陷、塌陷并产生大量裂缝，带来一系列生态环境问题。据陕西省地质调查院资料，榆林地区煤炭采空区目前地表塌陷面积已达 33 km2，导致地表植被受损，给当地居民的生产生活造成了严重影响；神木北部矿区煤炭大规模开发以来，区域性水位下降8～12 m，泉眼(组)从650处减少到379处，水面由163 km2下降到103 km2；2000年黄河一级支流窟野河断流75 d，2001年断流106 d，2002年断流220 d，母河沟泉采煤前年均流量为5961 m3/d，最大流量为10627 m3/d，采煤后 2002年4月实测流量为1680 m3/d，2006年枯竭。采动损害导致地表植被受损如图2所示。

图2 采动损害导致地表植被受损

相关研究表明，西部煤炭开采对地表土壤损害明显，导致塌陷区土壤质量与植被结构退化，虽然随着时间的推移会逐渐恢复，但经过10 a 的自然演替，植物群落结构和土壤质量仍不能恢复至塌陷前的水平。研究结果表明，采煤塌陷区植物群落和土壤因子大体经过3 个不同的演替阶段: 退化期(塌陷后1～2 a) →改善期(塌陷后5 a) →初步恢复期(塌陷后10 a) ; 塌陷地植被与土壤的耦合协调程度在塌陷1 a 表现为轻度失调衰退类植被损益型，塌陷2 a 为濒临失调衰退类植被土壤共损型，塌陷5 a为初级协调发展类植被土壤同步型，至塌陷10 a 仍表现为中级协调发展类植被土壤同步型，但尚未达到未塌陷地良好协调发展的生态类型。地表塌陷前与塌陷后植被与土壤的变化情况如图3和图4所示。

图3 地表塌陷前与塌陷后植被变化情况

图4 地表塌陷前与塌陷后土壤变化情况

3 维系地表生态系统的地质条件与采动损害机理

保障国家能源安全必须开发西部煤炭，而煤炭开采必然产生采动损害，因此绿色开采是西部煤炭工业高质量发展必须破解的重大技术难题，也是实现西部煤炭开发与生态环境保护协调发展的重要途径。从2000年开始，陕西煤炭工业局(煤田地质局)、西安科技大学、长安大学、陕西省地质调查院协同攻关，揭示了鄂尔多斯盆地北部生态脆弱矿区环境损害机理，提出了以减少采动损害为途径、以生态水位保护为核心的环境保护理念与技术。

3.1 地表生态与地下水埋深关系密切

西部水资源匮乏，地表生态系统与地下水埋深关系密切。其突出特点是，地下水埋藏既不能太深，也不能太浅。根据地下水位埋藏深度，可分为盐渍化水位、植被适生水位、植被承受水位、警戒水位、乔木枯梢水位、乔木死亡水位。当地下水埋深小于1.5 m时，由于蒸发强烈，土壤会出现盐渍化；当地下水埋藏大于15 m时，植被死亡，地表沙化。只有当地下水埋藏在1.5～5 m时，草本植物、农作物、灌木、乔木均能够正常生长，此水位也称为安全生态水位。地表生态与地下水位依存关系如图 5所示。

图5 地表生态与地下水位依存关系

3.2 植被适生水位是生态环境保护的核心

鄂尔多斯盆地北部地下水主要依靠大气降水，大气降水通过地表松散沙层下渗到基岩界面后形成地下径流，在地形低洼部位形成地表径流流入黄河，正是这样的补径排系统维系了地表生态系统。农作物主要生长在河谷地带，适生水位为1.5～5 m。草本植物主要生长在湿地、河谷、沙地和黄土梁峁，适生水位为0～3 m。乔灌木主要生长在河谷和沙地，适生水位为1.5～8 m。农村生活用水主要来自于水井，水位为3～5 m，城市及工业用水主要来自于河流和水库。

由此可见，维系农作物和植被正常生长的地下水位埋深为1.5～5 m，维系农村和城市生活用水的水源为浅井和河流。矿区地质环境保护的核心是保护地表生态系统，而地表生态系统保护的核心是控制地下水位不发生明显下降。

3.3 采动隔水性变化是生态环境损害的根源

在生态脆弱地区，地下水是维系地表生态系统的基础，位于煤层和含水层之间的隔水岩组是保持地下水位稳定的重要地质条件。大量探测和室内研究表明，由于煤炭开采会形成地下空间，导致应力场变化产生动力，隔水层损害产生通道，地下水流向采空区引起水位下降和生态退化。采动隔水性变化示意图如图6所示。

图6 采动隔水性变化示意图

3.4 隔水岩组是生态环境保护的重要地质条件

煤层开采后，位于含水层和煤层之间的隔水岩组自下而上产生裂隙，当裂隙切穿隔水岩组时，隔水岩组变成透水岩层，隔水性损坏；当裂隙发育高度小于隔水岩组时，隔水性和含水层保持稳定。煤层上覆隔水岩组岩性、厚度、力学性质以及矿井开采方式、开采高度是影响裂隙发育的主要因素。室内模拟实验和采空区综合探测结果表明，采动裂隙高度约为20～30倍煤层开采高度。隔水岩组厚度大于裂隙发育高度是保护含水层的基本地质条件，提高隔水岩组抗损害能力是减小裂隙发育高度的有效途径。

4 支撑煤炭高质量发展的绿色开采技术

促进西部煤炭绿色开采，支撑西部煤炭工业高质量发展，要以煤水空间组合特征研究为基础，以揭示采动地质条件变化规律为途径，以减损地质工程为支撑，以防止隔水岩组破坏为目标，以保护生态水位为核心，实现采煤与生态环境保护协调发展。

4.1 研究煤水空间组合特征

煤水空间组合特征研究就是将含水层、隔水层、煤层、地形坡向、地层产状，隔水岩组与岩性结构等作为系统工程进行整体研究。含水层主要研究其分布范围、厚度和富水性变化规律；隔水层不仅要研究土层隔水层分布范围、厚度变化规律，更重要的是要研究隔水岩组总体厚度和岩性组合特点，分析隔水岩组抗扰动能力，预测隔水岩组的隔水性在开采过程的变化，为实施减损地质工程提供依据。

4.2 揭示采动地质条件变化规律

采动地质条件变化，特别是隔水岩组的隔水性变化是生态环境保护的关键地质因素。通过室内相似材料模拟、数字模拟和采空区探测工程研究发现，煤炭开采后，煤层和含水层之间隔水岩组的隔水性变化具有分区性。可分为隔水性稳定区、隔水性变化区、隔水性损害区以及贫水或无水区。在隔水性稳定区，隔水岩组厚度大于30倍采高，由于采动损害高度小于隔水岩组厚度，煤炭开采不会对含水层造成损害；在隔水性变化区，隔水岩组厚度为20～30倍采高，煤炭开采对含水层的影响主要取决于煤层采高与隔水岩组岩性组合；在隔水性损害区，隔水岩组厚度小于20倍采高，在综合机械化开采背景下，无论采取何种开采方式，隔水岩组隔水性和含水层都会受到损害；贫水或无水区主要分布在黄土沟壑区，属地表无含水层的水土流失区，保护对象是地表道路和相关设施。采动隔水性变化分区图如图7所示。

4.3 绿色开采理念与保水采煤技术

绿色开采理念是用最小的环境扰动换取最大的煤炭资源开采效益，实现煤炭开采与生态环境保护协调发展。采煤保水技术包括减沉、减损、保水以及防崩4种类型，是绿色开采的地质保障。在隔水性稳定区，可以建设大-特大型矿井，采用综采或综采放顶开采方式，同步实施减沉地质工程，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现盐泽化；在隔水性变化区，也可以建设大-特大型矿井，但对煤层厚度大于10 m的区域，必须采用分层限高开采方式，同步实施减损地质工程，防控隔水岩组隔水性损害；在隔水性损害区，可以建设大型矿井，但对煤层上覆含水层的富水区域，必须采用充填开采方式，同步实施保水地质工程，防控含水层损害。贫水或无水区位于黄土沟壑区，水土流失严重，地下水贫乏，地表地形破碎，可以建设大型矿井，采用综合机械化开采方式，同时实施防控滑坡、崩塌地质工程。

4.4 工程实践

(1)大型煤矿限高分层开采实现了隔水性保护。矿井位于隔水性变化区，煤层厚度平均为11 m，上覆基岩为120 m，土层隔水层为75 m，隔水岩组厚度为195 m。根据研究成果采用限高分层开采，实现了隔水性和含水层保护，地下水位没有发生明显变化。由于大幅度减少了矿井排水费用，矿井实现了安全高效生产。

(2)中小型煤矿局部充填开采效果良好。中小型煤矿主要分布于隔水性损害区，煤层平均厚度为5.23 m，上覆基岩为77 m，土层隔水层为17 m，隔水岩组厚度为94 m，根据研究成果采用充填40%开采。基岩和隔水层保持稳定，含水层未受影响，实现了保水位开采。

5 结语

缺油、少气、相对富煤是中国能源资源的国情，煤炭作为主体能源短期内是难以改变的。受中国煤炭资源东少西多禀赋特征制约，开发西部煤炭资源已成为保障国家能源安全的重大需求。西部水资源匮乏，生态环境脆弱，实现煤炭绿色开采是我国西部煤炭工业高质量发展必须破解的重大科学难题。以煤水共生地质特征研究为基础，以采动地质条件变化分区为手段，以减小隔水岩组损害为目标，以保护生态水位为核心的减沉、减损、保水绿色开采地质保障技术，是实现西部煤炭工业高质量发展的重要技术支撑。