论煤地质学与碳中和

桑树勋，王 冉，周效志，黄华州，刘世奇，韩思杰

论煤地质学与碳中和

桑树勋1,2,3，王 冉2,3，周效志2,3，黄华州2,3，刘世奇1，韩思杰1

(1. 中国矿业大学 低碳能源研究院，江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；3. 中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008)

煤基碳排放构成了中国碳排放总量中最重要的部分，做好煤基碳减排和煤炭高效洁净低碳化利用是实现“碳中和”国家目标的重要途径，碳中和背景下的煤地质学发展值得关注。系统评述与碳中和相关的煤地质学研究领域，分析煤地质学在碳中和研究与工程实践中的作用和应用前景，探讨碳中和背景下煤地质学的重要发展方向。取得以下认识：推进清洁煤地质研究、服务煤的高效洁净化燃烧，勘探开发煤系天然气低碳燃料、优化一次能源结构和化石能源结构，开展煤化工资源勘查与开发地质保障研究、推动煤炭的低碳能源转化和新型煤化工产业发展，深化瓦斯地质研究、提高煤矿瓦斯(井下)抽采率、控制煤矿瓦斯的大气排放和泄漏，研究煤层甲烷天然逸散和煤层自燃排放、控制煤层露头的天然排放，发展煤层CO2地质封存与煤层气强化开发(CO2-ECBM)技术、推动碳捕获、利用与封存(CCUS)技术发展及其在火力电厂烟气碳减排中的商业化应用，研究煤炭勘查企业的碳足迹、实现企业净零排放，是与煤地质学紧密相关的碳减排技术路径；其中煤层甲烷与煤系气高效勘探开发、深部煤层CO2-ECBM、煤层露头气体逸散与自燃发火控制、洁净煤地质与煤炭精细勘查是碳中和背景下煤地质学优先发展的重要领域。

煤地质学；碳减排；煤层甲烷利用；煤层CO2封存；煤层自燃；煤高效洁净利用

1 碳中和

全球气候变化是人类社会需要共同面对的严峻挑战，人类生产生活产生的温室气体排放被认为是全球气候变暖的主要原因而受到普遍关注[1]，能源行业，特别是化石燃料消费成为人类社会关注的焦点[2]。所以，实现CO2净零排放和“碳中和”目标已成为应对全球气候变化、减缓全球变暖的重要国际社会共识和行动。“碳中和”(Carbon Neutral)的概念最初起源于1997年伦敦未来森林公司的商业策划并在西方受到广泛宣传和接受而迅速传播。“碳中和”的基本内涵是人们生产生活所产生的温室气体排放，可以经过减排措施降低碳排放量，最终通过碳补偿(Carbon Offsets)机制，以达到温室气体净零排放，即实现净碳足迹为零(net zero carbon footprint)[3]。此后在西方国家政府的推动下，“碳中和”行动从企业转向官方，成为了全球减排机制中不可或缺的重要组成部分，美国、加拿大、英国和欧盟等国家和地区相继开展了实现“碳中和”途径的研究[4-8]。

中国作为世界上最大的发展中国家和碳排放量最高的国家，已把积极应对气候变化作为经济社会发展的一项重大战略，特别是2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上发表讲话，提出了我国碳减排的具体目标为“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。展示了我国为应对全球气候变化做出更大贡献的积极立场，顺应了全球疫情后实现绿色复苏和低碳转型的潮流，对全球气候治理和中国未来社会经济发展具有重大影响。需要指出的是，自1978年中国实行改革开放以来中国经济一直保持快速发展，与之相对应的是中国化石能源消费量的剧增，中国已成为世界最大的能源消费国之一[9-10]。到2018年底，中国化石能源消费占总能源消费的比例高达85.70%，其中又以煤炭占据化石能源消费的主体(68.85%)。换言之，煤基碳排放构成了中国碳排放总量中最重要的部分。煤炭及其相关行业碳减排对实现“碳中和”国家目标具有决定性作用。做好煤基碳减排和煤炭高效洁净低碳化利用这篇大文章，对煤炭勘查、开发和利用相关学科科技创新提出了新要求，其中煤地质学具有不可替代的作用。笔者力图从煤地质学视角，探讨与煤地质学相关的碳减排技术路径，阐释煤层甲烷及煤系气高效勘探开发、煤层二氧化碳地质封存、煤层自燃控制、煤资源特性及精细勘查的碳减排意义，论证煤地质学对实现我国碳中和的作用，与时俱进，拓展煤地质学的应用领域，更好地服务国家重大需求。

2 与煤地质学相关的碳减排技术路径

目前，煤炭是我国一次能源消费的主体，承受很大的碳减排压力。只有在源头上减少以煤为主的化石能源高碳排放，然后通过有效的碳补偿，包括森林、海洋等碳汇，碳捕获、利用与封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)、矿物固碳等碳去除技术(CDR)和碳交易、清洁发展机制等碳足迹管理，才能实现低碳社会和可持续发展。煤地质学几乎可以全领域、全流程参与碳减排(图1)。

1) 推进清洁煤地质研究，服务煤的高效洁净化燃烧

中国碳排放主要是化石矿物燃料燃烧过程中产生的。因此，探索控制燃煤碳排放是源头控制的重点。开展与煤质、煤燃烧有关的洁净煤地质研究，推动煤的气化燃烧、富氧燃烧和化学链燃烧，节能减排的同时，为CO2高效捕集提供条件。

图1 与煤地质学相关的碳减排主要技术路径

2) 勘探开发煤系天然气低碳燃料，优化一次能源结构和化石能源结构

开展煤系非常规天然气(煤层气、煤系页岩气、煤系致密气)的研究和勘探开发，寻找更多的煤炭替代燃料，通过煤层气、煤系气成藏机理与勘探开发地质理论技术等煤地质学创新，推动快速降低煤炭在我国化石能源中的占比。

3) 开展化工煤资源勘查和开发地质保障研究，推动煤炭的低碳能源转化和新型煤化工产业发展

通过煤制烯烃、煤制乙醇、煤制油气以及煤地下气化等，可以将煤转化为更为清洁的化石能源，促进煤高效利用的同时还可以大大减少碳排放。煤资源特性是煤化工工艺选择的重要影响因素，也是煤地质学研究的重要领域；化工煤资源是发展新型煤化工的物质基础，从动力煤资源勘查为主逐渐向以化工煤资源勘查为主将成为煤炭资源勘查的发展趋势。

4) 深化瓦斯地质研究，提高煤矿(井下)瓦斯抽采率，控制煤矿瓦斯的大气排放和泄漏

煤矿生产瓦斯(CH4)排放是我国最主要的非CO2温室气体来源。煤矿井下瓦斯抽采目前仍是控制煤矿瓦斯大气排放的主要手段。对煤矿区，特别是采场应力下煤层瓦斯的分布赋存、运移聚集和涌出产出规律的认识，显著影响煤矿井下瓦斯抽采工艺技术和抽采率。采空区发育的覆岩裂隙、特别是贯通地表的地裂缝，也造成大量煤矿残余瓦斯向大气泄漏，采空区甲烷排放量不容忽视，也是具有利用潜力的天然气资源。

5) 研究煤层甲烷天然逸散和煤层自燃排放，控制煤层露头的天然排放

由于成煤后构造抬升和地表剥蚀，煤层埋藏变浅，甚至出露地表，这一地质过程中煤层中赋存的甲烷会通过剥蚀面和露头大量逸散到大气中。同时，煤层发生氧化，部分煤层发生自燃，向大气中释放大量CO2。开展相关煤地质学研究，有效开展煤层自燃防灭火和封闭，控制煤层露头天然排放对碳减排有现实意义。同时，煤层甲烷天然逸散和煤层自燃排放的深时生态意义也值得关注。

6) 实现煤层CO2地质封存与煤层气强化开发(CO2- ECBM)技术的商业化，推动CCUS技术发展及其在火力电厂烟气碳减排中的商业化应用

地层条件下煤层对CO2具有极强的吸附封存能力，深部不可采煤层是开展CO2地质封存的重要目标地质体，同时，通过CO2驱煤层气可实现煤层气强化开发，显著提高煤层气井产量和煤层气采收率，从而有助解决CCUS技术有效性、安全性和经济性挑战，推动低碳化石能源高效开发。CO2-EOR(CO2驱油)、CO2-ECBM被认为是可最先实现商业化的CCUS技术。煤矿采空区CO2地质封存潜力也受到越来越多的关注，其可行性和工艺技术也亟待探索。火力电厂烟气是我国最主要的点源碳排放，众多燃煤火力电厂建设在煤矿区和分布于含煤盆地，也为CO2-ECBM的商业化应用提供了条件。CO2-ECBM已成为煤地质学研究的新领域。

7) 煤炭勘查企业的碳足迹研究是煤地质学的新课题

煤炭勘查企业在煤炭等矿产资源研究、评价、勘查，水文地质、工程地质、环境地质和地质灾害治理等运行过程中，生产和生活都会产生具有显著企业特点的碳排放，另一方面，煤炭勘查企业可以利用节能减排、碳去除等企业特有的技术优势，或通过碳交易市场行为，进行碳补偿，最终实现净零排放。

3 煤层甲烷、煤系气与碳减排

3.1 原位煤层气

煤层气资源高效勘探开发利用，一方面可部分替代煤炭，优化我国以煤为主的化石能源结构，减少CO2温室气体排放量；另一方面，通过先采气后采煤，有效降低煤炭生产过程中矿井瓦斯的大气排放，从而减少CH4温室气体排放量。

全球煤层气资源量约为260万亿m3，其储量约占世界天然气总储量的30%以上[11]，当前世界煤层气年产量近1 000亿m3，美国、澳大利亚、中国、加拿大等为主要煤层气生产国[12]。我国煤层气资源丰富，其地质资源量为36.8万亿m3，占世界资源总量的13%，煤层气可采资源量12.5万亿m3[13-14]，煤层气勘探开发和碳减排潜力巨大。

到2018年底，我国地面煤层气井数达18 539口，其中开发井13 176口，年产量约为54.13亿m3[15]。我国煤层气开发规模和煤层气井单井产量都亟待提升。相对复杂地质条件下煤层气高效勘探开发理论技术仍是制约煤层气开发规模效益提升的瓶颈，也是将煤层气勘探开发的碳减排潜力变为有效碳减排途径的关键。

深化开展相对复杂地质条件下煤层气高效勘探开发机理与地质适配性技术体系研究的同时，新的研究领域成为相对复杂地质条件下煤层气高效勘探开发理论技术研究的新内涵，主要包括：构造煤煤层气应力释放开发、含煤段煤系气高效勘探开发、低阶煤煤层气高效勘探开发、深部煤层气高效勘探开发、致密煤储层热化学改造与热采等理论技术[16-17]。

3.2 煤矿瓦斯

煤矿瓦斯的大气排放和泄漏是重要的温室气体排放源。据估计，煤矿瓦斯每年排放量约为(35± 10)×106t，煤炭开采产生的瓦斯排放量约为600万t二氧化碳当量，占人为相关瓦斯排放量的8%~ 10%[18]，预计2020年，这个比例增加到15%[19]。中国是煤矿瓦斯大气排放量最大的国家。不同学者对中国煤矿开采大气瓦斯排放量的估算结果不太一致，但现有研究都认为中国煤矿瓦斯总体排放规模都在亿吨以上[20-21]，构成重要的非CO2温室气体工业排放源。

提高煤矿瓦斯抽采利用率是降低煤矿瓦斯大气排放的根本技术途径，包括煤炭开采前瓦斯预抽、采中采动瓦斯抽采和采后采空区瓦斯抽采，风排低浓度瓦斯利用和废弃矿井瓦斯抽采利用等。煤地质学在提高煤矿瓦斯抽采利用率方面能够发挥重要作用。

1) 加强地质构造控制下煤层瓦斯分布赋存规律研究

煤变质程度、顶底板透气性、地下煤层埋深、地下煤层厚度、地质构造和地下水条件等多因素制约了煤层中瓦斯的赋存[22]，特别是地质构造对煤层瓦斯的控制作用更为显著，随着煤矿采深的增加，构造和地应力对瓦斯赋存分布、涌出和抽采的影响更加明显，相关研究工作需要深化。

2) 加强废弃矿井残余瓦斯赋存条件和运移规律研究

废弃矿井采空区瓦斯压力降低导致残煤中部分吸附态的瓦斯转变为游离态存储于地下空间。由于采空区往往发育大量覆岩裂隙，加之矿井水疏排停止后水位的快速回弹，可能导致采空区瓦斯的地表泄漏[23]。应开展全封闭、通风和淹井等不同状态下废弃矿井中瓦斯赋存运移及气–水–煤相互作用研究，探讨减少瓦斯泄漏等次生灾害发生以及残余瓦斯抽采利用等问题。

3.3 煤层甲烷逸散(天然露头、采动地裂缝)

煤层甲烷具有由深部向地表运移的趋势，特别是靠近天然露头的部位，甲烷较容易向露头或浅层煤层渗透，并通过气体交换排入空气中[24]。煤层露头散逸气体成分以CH4和CO2为主，还有少量CO和烷烃组分，属于易燃气体[25-26]，可引发燃烧现象，造成碳排放的同时可引发山林火灾等灾害[27]。采动地裂缝是受到煤炭采动的影响，煤层瓦斯气体可沿围岩和煤层形成的贯通裂隙向工作面和采动裂隙场扩散和流动。目前，对于天然露头和采动地裂缝造成的瓦斯排放量还难以统计，一般使用数值模拟方法估测[28]；美国圣胡安盆地的一处天然露头每年约排放甲烷气体200~1 200 t[29]。

通过开展煤层甲烷逸散相关的煤地质学研究，并采用露头封闭和裂缝治理技术，避免煤层瓦斯通过露头、地裂缝与大气沟通形成散逸，从而实现碳减排目的。采出的瓦斯可直接用于燃气机发电，发电产生的CO2可注入地下地质封存，进一步减少碳排放。

3.4 煤系气

2017年底，中国煤系气储量、年产量分别为9.25万亿m3和902.14亿m3，分别占天然气储量及产量的58.7%、61.5%[30]。查明煤系气成藏特征，实现煤系气兼探共采是对煤系矿产资源综合利用的合理补充，对改善我国以煤为主的一次能源结构有利，具有广阔的发展前景[31]。当前，煤地质学界对于煤系气的系统勘查和研究深度不够，特别是针对煤层薄而多导致煤炭开采价值较低的煤系储层关注不够[32]。作为煤系非常规天然气资源，如何实现将煤系气作为一个整体进行协同勘探与开发是一个亟待发展的领域，煤系气共生成藏机理与合采地质技术的探索成为研究前缘(图2)。

1) 煤系气资源潜力及勘探对策

应构建煤系气科学合理评价体系，探讨煤系烃源岩的地球化学特征、生烃演化、储层物性、含气性特征，估算不同区域煤系气资源量，科学评价煤系气资源潜力，圈定勘探开发有利区，为煤系气开发提供依据。

2) 煤系气共生成藏作用

煤系气赋存状态复杂，含以吸附气为主的煤层气、游离态为主的致密砂岩气和混合态赋存的页岩气，由于气体赋存态不同导致其产出机理和开发方式差别很大，这构成了煤系气共探共采技术面临的主要挑战和难题。应将煤系视为统一含气系统，以煤系气共生成藏的地质演化为主线，探讨煤系气储层控气机理与共生成藏效应。

图2 煤系非常规天然气共生成藏与合采(据李勇等[33]，修改)

3) 煤系气开发层段优选

煤系气储层纵向发育多种不同组合模式，构成复合储层。在充分考虑烃源岩质量、储层条件、保存条件及开发风险等多项指标的基础上构建煤系气纵向开发层段优选技术体系，通过对关键层的识别划分纵向开发单元，为煤系气压裂提供依据。

4) 煤系气合采地质技术前缘性探索

煤系气合采产层能量状态、产层物性之间的差异可导致合采产层的层间矛盾[34]，从而影响煤系气兼探共采的效果[35]。应采用数值模拟与物理模拟、生产数据统计分析、井筒实时监测分析等方法，分析煤系气合采不同产层的贡献，为煤系气规模性开发提供重要技术支撑。

4 煤层CO2封存与碳减排

国际能源署(IEA)评估表明，为实现将全球气温上升控制在2℃以内的共同目标，预计到2050年，碳去除技术需至少贡献14%的减排量。而CCUS技术正是当前碳去除的主要技术之一。已有研究表明，适合CO2地质存储的地质体主要包括枯竭油气圈闭、深部不可采煤层、深部咸水层等其中，深部不可采煤层是指受技术、经济和生态约束不能开采的深部赋存煤层。如前所述，深部不可采煤层CO2地质封存与煤层气强化开发(CO2-ECBM)是极具发展前景的CCUS技术方向[36-38]。煤矿采空区CO2地质封存研究也取得了积极进展。

4.1 深部不可采煤层CO2-ECBM

根据国际能源机构温室气体研究与开发计划(IEAGHG)的研究估计，全球煤层甲烷的技术回收潜力为79万亿m3，其中50万亿m3将来自作为二次生产技术CO2-ECBM应用的煤层甲烷回收，这将有助于在不可开采煤层中直接封存近4 880亿t的二氧化碳[39]。国内外已开展了多项CO2-ECBM先导性试验和工程示范。

1995—2001年美国在圣胡安盆地Burlington Allison试验区首次进行了CO2-ECBM工程试验，此后在伊利诺伊盆地、阿巴拉契亚盆地、黑勇士盆地等又至少开展了7次CO2-ECBM工程试验。1998—2006年，加拿大在阿尔伯塔盆地至少开展了2次CO2-ECBM工程试验。2001—2005年欧盟在波兰Kaniow地区启动RECOPOL项目，它是欧洲第一个在煤层中埋藏CO2和提高煤层气采收率的先导性试验示范项目，依托该项目开展了长期持续研究工作。2004—2007年，日本在Ishikari盆地实施了CO2-ECBM先导性工程试验和配套研究工作。自2004年起，我国陆续在山西省沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘陆续开展了至少6次工程试验和工程示范，目前仍在进行中，据叶建平等[40]报道，在11口井试验井组中，间歇式单井注入CO2速率可达15 000 m3/d，单井注入量4 862 t，平均吨煤存储容量可达8 t，增产幅度最高可达3.8倍，预计采收率可提高35%。同时，国内外煤地质学家开展了大量CO2-ECBM的研究工作，在以煤层CO2可注性、封存机制与封存容量、CH4增产效果为核心内涵的CO2-ECBM有效性研究方面取得了重要进展，对CO2-ECBM的安全性和经济性研究也取得诸多认识[41-46]。上述工程探索和研究工作已初步证实了CO2-ECBM技术的有效性、潜在经济性和安全性，呈现了CO2-ECBM作为CCUS技术接近商业化的前景[47-48](图3)。

燃煤电厂或煤化工CCUS碳减排在中国意义重大且需求迫切，成为推动加快CO2-ECBM商业化的重要动力。但要实现商业化，仍需在以下方面进一步强化研究工作：

1) 不断破解提升CO2-ECBM有效性的关键科学技术问题

有效性是CO2-ECBM技术经济性、长期性和安全性的基础和前提，注入CO2与煤层中CH4的竞争吸附置换与驱替作用关系机理，深部煤层超临界CO2可注性、封存机制与封存容量，CO2驱煤层气储层动态与渗流模型，以及压–注–采工艺与煤层气增产效果提升技术等诸多CO2-ECBM有效性问题尚待进一步破解。

2) 探索提高CO2-ECBM经济性的技术路径

CO2-ECBM技术涉及的CO2捕集、运输、注入封存和地质利用等多个环节，必须不断通过上述环节中的技术创新来显著降低成本，研究形成低成本CO2-ECBM的一揽子技术解决方案，提出适合CO2-ECBM实施和推广的技术标准，并在国家碳市场不断完善的情景下，不断提高CO2-ECBM技术的经济性[50-53]。

3) 深化评估与监测研究，确保深部煤层CO2封存的安全性

深部煤层封存CO2泄漏风险和诱发地质灾害风险是影响CO2-ECBM商业化的主要障碍[54]。应根据不同地区的地质条件进行CO2泄漏危险性以及有效封堵技术研究[55]，同时探讨CO2-ECBM对地质环境的潜在负面影响与有效控制方案[56]。

4) 煤电厂或煤化工CO2排放源与CO2-ECBM选址的匹配方案研究

开展沁水盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地、六盘水盆地(群)、三江–穆棱盆地(群)、准噶尔盆地等主要聚煤盆地以煤层CO2-ECBM为重点的CO2封存能力评价和选址勘查研究，结合燃煤电厂或煤化工重点CO2工业排放源调查，科学进行CO2源–汇匹配，提出CO2-ECBM工程建设的合理规划和部署。

图3 深部煤层CO2地质存储与CH4强化开采(CO2-ECBM)技术(据桑树勋等[49]，修改)

4.2 采空区封存

煤矿采空区CO2封存是煤层CO2地质封存的可能形式，煤炭高强度开采留下的大面积采空区被认为具有很大的碳减排潜力。部分学者对CO2封存及防止井下采空区遗煤自燃的可行性进行了初步研究，进一步丰富了CO2封存理论及防止井下采空区煤自燃技术[57-58]。目前对煤矿采空区CO2封存研究尚停留在理论探讨阶段，在以下方面有待进一步深化研究。

1) 煤矿采空区的封闭性的科学评估

应建立科学的采空区封闭性评价方法体系，采用实验模拟、数值模拟与采动裂隙监测相结合的手段，针对典型的矿井地质条件，深入开展采场应力下覆岩变形规律和裂隙场发育规律研究，评估认识不同地质和采掘工程条件控制下的采空区封闭性及其变化。

2) 采空区注入CO2的渗流规律和CO2有效封存方式

采用煤矿采空区CO2注入的模拟实验，分析采空区空隙结构和注入压力、空隙分布和地下水等对CO2在空隙中吸附和渗流的影响，建立CO2在空隙中两相流动的数值模型，正确认识CO2在地下的渗流吸附状态[59]，为矿井采空区封存CO2提供实验室研究依据，并积极探讨充填开发条件下采空区充填矿物固定CO2等封存新机制。

3) 煤矿采空区CO2封存的安全性和经济性评价

应进一步研究探索完善采空区上覆岩层CO2逸散通道的封堵技术和封存期CO2逸散监测技术[60]，分析采空区CO2封存压力、上覆岩层厚度、岩性、裂隙特征、CO2化学腐蚀以及地质构造等因素和CO2逸散行为之间的关系[61]，评估CO2注入煤层可能产生的诱发裂缝等安全性问题的解决途径。

5 煤层自燃控制与碳减排

煤层自燃是指地下埋藏煤层受自然或人为因素影响，因氧化聚热引发的自然状态煤层沿露头或者浅部燃烧的现象[62]。煤层自燃可以形成大面积煤田火区，是人类面临的重大自然灾害之一，造成高强度的碳排放。中国是世界上煤层自燃灾害最严重的地区之一，特别是中西部地区，煤炭资源丰富，煤质好，燃点低，极易发生自燃，加之气候干旱成为煤火灾害的多发区。据统计，我国新疆、宁夏、内蒙古、甘肃、青海、陕西、山西7个省、自治区的累计已燃烧面积达720 km2，直接烧失煤炭资源储量2 000万t/a，破坏煤炭资源储量2亿t/a，累计烧失优质煤炭42.2亿t[63]。煤层自燃释放大量CO2，是重要的碳排放源，此外还有SO2、氮氧化物等有害烟气，对生态环境造成危害，同时还能诱发地表裂缝和地面沉陷等地质灾害问题[64]，对矿山生产及生态环境造成了严重影响。做好煤层自燃的研究和防治工作意义重大。

目前对于煤层自燃的研究主要侧重于防治技术的研究。应通过开展煤层自燃相关的煤地质学研究，强化在煤层自燃地质条件及发生机理、碳排放量计算[65]、煤层自燃动态监测与环境影响评价、自燃控制与灭火方法等领域的探索，保护煤炭资源的同时，防止因煤层自燃向大气中释放CO2温室气体和生态环境破坏。

6 煤高效洁净利用资源特性、精细勘查与碳减排

服务于煤炭资源高效洁净利用的煤炭资源特性研究是煤地质学重要且传统研究领域，在碳中和背景下，洁净煤地质将焕发新的活力。煤炭高效洁净低碳化利用涉及多个领域，包括煤炭开采、煤炭洗选与加工、煤炭燃烧与发电、煤的焦化气化等传统煤化工、煤制烃制氢和煤转化等，是实现煤炭行业可持续发展和发挥煤炭能源作为我国能源安全“压舱石”作用的必然选择。洁净煤地质可参与煤炭高效洁净低碳化利用的全过程，并通过节能降耗和高碳能源低碳转化实现碳减排。一是开展清洁煤地质研究，重点探索采煤过程中煤与矸石的分离、煤中有害元素的赋存状态与脱除利用、燃煤电厂烟气中有害元素与有害气体的捕集与分离和煤化工资源特性地质保障(煤地下气化、煤制烯烃、煤制醇等)理论技术。二是推进煤炭精细勘查和“动力煤”勘查为主向“化工煤”勘查为主的转变。煤岩煤质特征制约煤化工利用方向、内容和工艺[66]，这就要求查明不同用途化工煤的数量及其分布、品质和特征、地质控制及其赋存规律等化工煤状况，为发展煤化工产业提供资源保障[67]。化工煤是发展煤化工产业的物质基础，化工煤资源保障能力决定煤化工产业规模和发展方向。

7 结论

a. 煤基碳减排和煤炭高效洁净低碳化利用是2060年前我国实现碳中和的关键，煤地质学在服务国家碳减排战略需求中具有不可替代作用。

b. 推进清洁煤地质研究、服务煤的高效洁净化燃烧，勘探开发煤系天然气低碳燃料、优化一次能源结构和化石能源结构，开展化工煤资源勘查和开发地质保障研究、推动煤炭的低碳能源转化和新型煤化工产业发展，深化瓦斯地质研究、提高煤矿瓦斯(井下)抽采率、控制煤矿瓦斯的大气排放和泄漏，研究煤层甲烷天然逸散和煤层自燃排放、控制煤层露头的天然排放，发展煤层CO2地质封存与煤层气强化开发(CO2-ECBM)技术、推动CCUS技术发展及其在火力电厂烟气碳减排中的商业化应用，研究煤炭勘查企业的碳足迹、实现企业净零排放，是与煤地质学紧密相关的碳减排技术路径。

c. 煤层甲烷与煤系气高效勘探开发、深部煤层CO2-ECBM、煤层露头气体逸散与自燃发火控制、洁净煤地质与煤炭精细勘查对煤基碳减排意义重大，是碳中和背景下煤地质学优先发展的重要领域。

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Review on carbon neutralization associated with coal geology

SANG Shuxun1,2,3, WANG Ran2,3, ZHOU Xiaozhi2,3, HUANG Huazhou2,3, LIU Shiqi1, HAN Sijie1

(1. Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. School of Resource and Earth Sciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3. Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process of the Ministry of Education, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Coal-based carbon emissions constitute the largest part of China’s total carbon emissions. Reducing coal-based carbon emissions and realizing the efficient, clean and low-carbon utilization of coal arethe important ways to achieve the goal of “carbon neutralization”. This paper systematically reviews the research fields of coal geology related to carbon neutralization, analyzes the role and application prospects of coal geology in carbon neutrality research and engineering practice, and discusses the development direction of coal geology in the context of carbon neutralization. The following understandings are obtained. Promoting clean coal geology research to advance the efficient and clean combustion of coal. Exploring and developing low-carbon natural gas to optimize primary energy structure and fossil energy structure. Carrying out chemical coal resource exploration and developing geological support research to speed up coal Low-carbon energy conversion and the development of new coal chemical industry. Through further gas geological research and increasethe rate of coal mine gas(underground) extraction so as to suppress coal mine gas emissions and leakage. Studing further on coalbed methane natural emission and coal seam spontaneous combustion emissions to control coal seam outcrops natural emissions. By developing coal-bed CO2geological storage and CO2enhanced coalbed methane(CO2-ECBM) technology tofacilitate carbon capturing, utilization and storage(CCUS) technology and its commercial application in the emission reduction of flue gas from thermal power plants. Moreover, study the carbon footprint of coal exploration companies to boost net zero emission of them. All the above are carbon emission reduction technology paths closely related to coal geology, among which, high-efficiency exploration and development of coalbed methane and coal-measure gas, deep coal seam CO2-ECBM, coal seam outcrop gas escape and spontaneous combustion control, clean coal geology and coal fine exploration are important areas should be given first priority in coal geology research under the background of carbon neutralization.

coal geology; carbon emission reduction; coalbed methane utilization; CO2geological storage in coal seams; coal spontaneous combustion; efficient and clean utilization of coal

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P618

A

1001-1986(2021)01-0001-11

2020-12-09；

2021-01-02

国家自然科学基金项目(42030810，41727801)

桑树勋，1967年生，男，河北唐山人，博士，教授，博士生导师，从事煤地质与煤系非常规油气勘探开发、二氧化碳地质封存相关研究工作. E-mail：shxsang@cumt.edu.cn

桑树勋，王冉，周效志，等. 论煤地质学与碳中和[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(1)：1–11. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.001

SANG Shuxun，WANG Ran，ZHOU Xiaozhi，et al. Review on carbon neutralization associated with coal geology[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：1–11. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.001

(责任编辑 范章群)