“双碳”目标下煤炭开采扰动空间CO2地下封存途径与技术难题探索

王双明，申艳军，孙 强，刘 浪，师庆民，朱梦博，张 波，崔世东

(1.西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院，陕西 西安 710054；2. 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054；3. 西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；4. 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

随着全球气候变暖对地球生命系统造成的严重威胁，严格控制CO排放量以最大限度降低温室气体输出，成为世界各国的共识性选择。2016年，我国作为批准缔约方加入了《巴黎气候协定》，该协定旨在对2020年后全球应对气候变化的行动做出统一安排，具体要求为：将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2 ℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5 ℃以内。在此背景下，我国积极响应《巴黎气候协定》，并于2020年提出了“CO排放力争于2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和”的目标(以下称：“双碳”目标)。“双碳”目标对于工业生产各领域均提出了全新挑战。

同时，为保障国民经济的可持续化发展，必须确保国家能源安全与稳定供应。因此，以保障安全为前提构建现代能源体系，着力提高能源自主供给能力是我国能源安全发展的核心任务。立足于我国“缺油、少气、相对富煤”能源结构特征，煤炭资源作为我国能源安全的压舱石，能源主体地位形势短期不会发生改变。面向“双碳”目标下的煤炭工业必然朝着“绿色低碳减排、清洁高效利用”发展路径推进。据此，我国《十四五规划和2035年远景目标纲要》中专门提出：“制定2030年前碳排放达峰行动方案，完善能源消费总量和强度双控制度，推动煤炭等化石能源清洁高效安全利用”。

煤炭绿色低碳化发展在着力推进节能减排的基础上，应同时积极探索碳捕集、封存和利用(Carbon Capture,Use and Storage，CCUS)技术，最大限度实现CO的捕捉封存、回收循环及资源化利用。其中，CO的地下封存是实现CCUS技术的重要组成部分。目前，CO地下封存技术的基本思路为：将集中排放源分离得到的CO注入到地下具有合适封闭条件的地层中予以隔离封存。现常见的地下封存方式包括：① 利用沉积盆地内深部咸水层封存,如加拿大阿尔伯塔沉积盆地在资源开采日趋枯竭情况下，利用下白垩统Viking砂岩咸水层实现CO带压封存，因该地层自身结构稳定，且上覆发育有广泛、致密的Colorado蒸发岩弱透水层，具有良好地质封闭条件，经评估仅埋深较浅的盆地南部区域可储存的CO液体能力达到201.3×10t；② 利用油气田封存，具体分为枯竭油气田封存、注气驱油CO-EOR(CO-Enhanced Oil Recovery)封存技术2种；其中，CO-EOR封存技术已得到一定应用，如美国自20世纪70年代开始利用该技术进行CO强化采油开采，目前，美国拥有70余个实施工程，年均充注CO可达约25×10t；③ 利用不可开采深部煤层封存,CO注入到深部煤层后，在煤层孔隙中渗流、扩散，最终被煤体吸附,且因煤体表面吸附CO能力大于CH，当CO注入后可驱替内部的CH形成游离态，有助于提升深部煤层气的采出率，同时实现CO地下封存；如相关学者在山西沁水盆地开展了深部煤层CO驱煤层气的CO-ECBM技术探索研究，发现：利用CO驱替煤层气可增加采收量1 696×10m，CO潜在封存量可达4.5×10t，CO封存潜力巨大。

尽管前期对CO地下封存技术已探索有多种方式，但多以CO超临界状态处理为前提，普遍存在的问题有：① 对加压、输送、压注技术要求高，综合投入成本高；② 对储层封闭地质特征及埋深条件存在明显约束；③ 而以CO驱替为原理的封存技术多侧重于用最少的CO注入量获取最大的油气采出率(如：驱油量、煤层气驱替量)，决定了其无法进行大规模的碳封存。因此，探索大规模、低成本的CO地下封存技术是煤炭工业领域低碳化发展利用亟待破解的技术难题，具有重要的理论意义与应用前景。

在我国煤炭资源开采过程中，形成了大面积含有垮落带、裂隙带等的地下采空区，据谢和平等统计发现：截至2016年底，我国地下煤矿形成的采空区地下空间共计138. 36亿 m，其中，仅晋、陕、蒙、宁、甘5省区合计可达71. 19亿 m，并推测至2030年，我国煤矿采空区地下空间将达234.52亿 m，采煤过程形成的大量采空区为开展CO地下封存提供了巨大的潜在空间。另据袁亮负责的《我国煤炭资源高效回收及节能战略》(中国工程院重点咨询研究项目)研究结果预测：到2020年，我国废弃矿井数量将达到1.2万个；2030年将变为1.5万个，若按每个矿井地下空间60万m测算，具有72亿～90亿m的潜在空间。因此，若能充分发挥我国已有大范围煤矿采空区的特点，通过科学论证开采扰动空间进行CO地下高效封存所需地质条件，进而开展适宜于CO封存的煤矿开采区地质选址，即可实现“煤炭从哪儿来，煤炭利用产生的固废和CO回到哪儿去”的可持续发展思路，具有广泛的应用前景。

根据上述思路，笔者在对煤炭开采扰动空间地质特点分析基础上，探究了煤炭开采扰动空间封存CO的必备条件，进而提出适宜于煤矿开采过程中进行CO封存的3种潜在技术：① 煤层采空区碎裂岩体CO封存技术；② 煤地下气化煤灰及碎裂岩体CO封存技术；③ 煤原位热解半焦CO封存技术；并分别对上述技术对应的封存理念、技术途径及技术难题进行了讨论。以期为“双碳”目标下煤炭开采区CO封存技术发展提供前瞻性探索，促进煤炭工业“碳减排”重任与保障国家能源安全的并行化发展。在此，需说明的是，笔者所提及的煤炭开采扰动空间系指中浅部煤层(埋深≤1 000 m)开采过程中形成的地下采空区及其扰动影响范围区，笔者主要探讨的煤炭开采扰动空间有：① 常规煤炭开采后形成的采空区；② 煤地下原位气化后形成的空间；③ 富油煤原位热解后形成的半焦层。

1 煤矿扰动空间CO2封存必备条件

影响井下CO封存稳定性的因素较为复杂，地质构造复杂程度、地下水条件、围岩岩性组合等共同影响扰动空间的稳定性及CO封存空间的封闭性，关于该领域前人已有较多研究。此外，良好的地质盖层和封存载体也是实现井下CO封存须同时具备的2个前提条件。其中，地质盖层是隔绝CO向上逸散、保障CO安全封存的重要先决要求；功能性充填空间构建则为CO井下分割封存提供了密闭条件；而封存载体是实现CO封存的具体实施场所，其物性特征决定了CO的封存规模和可注入性。下面详细论述煤矿扰动空间CO封存必备条件。

1.1 地质盖层禀赋条件

地质盖层的封闭效果需综合考虑岩性特征、孔隙度、渗透性、单层及累积厚度、抗突破压力等因素，且需关注封盖对象类型及饱和度；据以上因素分析，满足良好封闭性的盖层包括：盐岩、泥质岩、铝土岩、炭质泥岩、灰岩、泥质粉砂岩等。而随着埋深增加，诸上盖层的孔隙度、渗透性会逐渐减小，抗突破压力逐渐升高，有助于实现高效封存。因此，在进行CO地下封存时，往往选择埋深>1 000 m的深部地层，并通过压力控制使得CO处于超临界状态实现大规模封存，但此种处理方法会导致压注阻力较大、封存成本偏高。

事实上，埋深≤1 000 m的中浅部地层在具备良好的“储+盖”地质组合条件时，同样可实现CO规模化封存。前期类似案例可印证浅部地层实现高压气体封存具有其可行性，现举例说明：① 山西沁水盆地南部煤层发育良好的泥岩盖层地质条件，2002—2006年曾开展了CO成藏和提高煤层气采出率微型先导性试验，向埋深472.34～478.70 m的山西组3号煤层注入了192.8 t液态CO，最高注入压力高达6.71 MPa，封存效果良好；② 甘肃窑街矿区在埋深300 m左右的侏罗系煤层存在大量天然CO气藏，经前期测试发现：CO压力最高可达1.15 MPa，CO体积分数为15.47%～90.89%，说明该区域地层条件具有良好的CO天然封存条件。对照侏罗系煤层覆岩地质发育状况发现：煤层存在上覆压扭性断层，且发育有油页岩、致密砂岩、铝土岩等地质盖层(图1)，实现了浅层地质环境下的CO高效封存。同样，亦有利用地质盖层封盖作用实现中浅部地层瓦斯或天然气聚集和储存的实践案例，如：内蒙古乌兰煤矿8号煤层因上覆厚层泥岩的良好封盖作用，仅在埋深369～670 m的采空区内形成了大量高压瓦斯富集区；美国Leyden煤矿利用上覆28.7 m厚、结构完整泥岩层地质特点，将埋深仅240～260 m的采空区改造成天然气储库，储气压力为1.7 MPa，并可实现长期稳定运行。表1介绍了以上提及的因良好地质盖层存在可实现中浅煤层CO封存与成藏、采空区气体富集与存储案例详细情况。从表1可得出：无论何种CO封存类型，即使储存载体、储存埋深及禀赋地层条件等有所差异，其共性条件均具有良好的地质盖层。换而言之，在煤矿开采区，只要满足不受开采扰动影响的稳定地质盖层和良好储集空间密闭性即可实现采空区CO封存。

我国煤矿开采深度普遍在500～1 000 m，若实现中浅煤层扰动空间进行大规模CO封存，关键在于选择上覆具有良好原始封盖能力的地质盖层，且可确保在煤层采动后仍保持完整性与气密性。煤层上部存在不受开采扰动影响的地质盖层将直接关系到CO的封存量及封存效果。

目前，利用煤炭开采区进行CO封存尚处于探索阶段，关于煤矿CO盖层相关的研究尚少，但参考前期人工压注CO、天然CO气藏及采空区气体富集与储存等案例的地质盖层禀赋条件，并结合采动裂隙带扰动影响范围分析，进而判识与评价煤矿采空区CO封存地质盖层的封存效果，对实现煤矿扰动空间进行CO地下封存完全具有其可行性。具体而言，首先选择扰动破坏小、岩层厚度大、分布范围相对广、抗突破压力大的稳定地质盖层；其次，通过科学论证煤层采动条件，确保采动裂隙不贯穿上覆密闭层，并充分关注盖层原始条件、岩层损害条件、力学性质及热物理性质等；最后，通过储层空间再造、开采方式优化等手段创造良好的“储+盖”组合条件，即可实现煤矿开采扰动空间CO规模化封存(图2)。

图1 CO2天然赋存区地质盖层条件(以窑街矿区为例)[23]Fig.1 Geological caprock conditions of CO2 natural occurrence area (Taking Yaojie mining area for example)[23]

表1 具备良好地质盖层的中浅煤层CO2气藏与压注、采空区气体富集与存储典型案例

续表

图2 煤层扰动空间CO2封存地质要素Fig.2 Geological factors of CO2 storage in coal mine

1.2 功能性充填空间构建要求

在选择适宜于煤矿开采扰动空间CO规模化封存的地质盖层后，开展井下空间分割与功能性充填是确保地质盖层有限扰动、空间密闭的重要工程措施。而确保井下分割空间密闭性对功能性充填材料提出新的要求，需优选胶凝材料、骨料及功能性材料，按照一定配比搅拌制备满足CO分割封存的特殊功能要求。结合现阶段采煤工艺，笔者建议采用开采-充填工艺沿工作面构筑强度大、韧性大、耐高温、密闭性强的“回”形功能性充填体，形成井工式煤热解/气化工作面或无煤柱回采工作面，为CO封存创造相对封闭的独立单元。其中强度大、韧性大、密封性强要求是形成煤热解/气化工作面、无煤柱回采工作面及CO封存的共性要求，耐高温则是形成煤热解/气化工作面的个性要求。具体功能性充填空间构建的充填材料要求如下：

(1)高强度。高强度特性是为了保证顶板不发生大范围垮落。在新型胶凝材料研发的基础上，以风积砂或煤矸石为骨料，按照一定配比参数制备功能性充填材料。由该充填材料构筑的充填体28 d强度高达20 MPa，以满足矿井充填过程高强度的基础要求。

(2) 耐高温。耐高温特性是为保证煤在气化及热解过程中热量不流失，加快热解及气化反应速率，并隔离煤热解/气化工作面和巷道作业区。耐高温材料可大幅度降低高温物体的热辐射，使高温介质70%～90%的热量不损失。目前，耐高温材料已广泛应用于窑炉、燃烧室和耐火建筑。在进行功能性充填之前，可采用黏土、白云石、石英砂等材料，按一定配比混合均匀制备耐高温保温无机材料，在煤壁上喷涂一定厚度的耐高温保温材料，待涂料凝固后进行充填。在实体煤及充填体之间形成耐高温层，避免大量热量向外部辐射。

(3) 气密性。气密性是保证充填隔绝体具备耐受高温/高压气体的能力，便于实现CO分割封存。目前常用的气密性材料包括膨润土、粉煤灰、高岭土、脱水污泥、黏土等，该类材料一般具备膨胀性、黏结性、吸附性和自修复性。同样，以上述材料为原材料，按一定配比制备密封性充填材料，并在充填体与高压CO气体之间构筑密封层。

1.3 封存载体物性特征

立足于笔者提出的适宜于煤矿开采过程中CO封存的潜在技术，其典型的CO封存载体主要有碎裂岩体、气化灰渣和多孔半焦层。通过将CO注入封存载体后发生物理、化学作用，以实现稳定封存CO。

(1) 碎裂岩体。主要包括煤层采空区碎裂岩体及煤气化热作用形成的碎裂岩体；通过将CO注入采空区或地下气化空间后，受浮力作用CO由采空区向上覆岩层运移，并受盖层封闭作用而滞留在低渗透性盖层下部，如图3(a)所示。

(2) 气化灰渣。气化灰渣中包含大量CaO，在HO作用下CO与CS，CS，CaO生成硬度大的CaCO或CaMg1-CO等碳酸盐类。以气化灰渣为固化剂，并以井下采空区空间为反应场所，可使CO与充填料浆中的Ca发生碳酸盐化反应，实现CO化学封存，如图3(b)所示。

(3) 半焦层。煤热解使原煤层30%～40%挥发分形成油气，留下含有大量孔隙的半焦层，考虑地层约束作用，半焦孔隙率可达20%以上。由于半焦层支撑作用，包括盖层在内的覆岩不发生大规模损伤变形。半焦层较大的比表面积可以将CO稳定滞留在孔隙中，如图3(c)所示。

图3 煤矿开采扰动空间的典型CO2封存载体Fig.3 Typical CO2 sequestration carriers in disturbed space of coal mining

2 煤层采空区碎裂岩体CO2封存技术

2.1 封存理念

煤层开采会引起覆岩碎裂垮落，且随着工作面的推进裂缝发育高度不断增大，覆岩垮落形成的采空区为CO封存提供了巨大的地下空间。当煤层上方存在一定厚度的低渗透性致密岩层(如泥岩、页岩等)，同时开采扰动引起的裂缝未扩展至低渗岩层，则该岩层即为CO地质封存中盖层，阻止CO向地表逸散。

基于此，笔者提出了煤层采空区碎裂岩体CO封存技术，封存理念如图4所示。首先利用功能性充填技术，回采工作面四侧的煤柱，并同步构筑功能性“回”形充填体，完成采煤工作面四周封闭，如图4(a)所示。采煤工作面回采后，覆岩碎裂垮落，未垮落覆岩受重力作用而压覆在功能性充填体上，实现覆岩与功能性充填体之间的密封，如图4(b)所示。煤层上方岩层中有低渗透性盖层，覆岩垮裂形成的裂缝带发育高度未到达盖层，则盖层、功能性充填体和底板构成了CO地下封存空间，实现以采煤工作面为单元采空区碎裂岩体CO封存。

2.2 技术途径

煤层采空区碎裂岩体CO封存技术分为6个阶段，具体包括煤层划分、煤柱功能性充填回采、开切眼区充填、长壁工作面垮落开采、停采区功能性充填和CO充注阶段，如图5所示。

图4 煤层采空区碎裂岩体CO2封存技术示意Fig.4 Schematic diagram of CO2 storage technology of fractured rock mass in goaf of coal seam

图5 “回”形充填构筑CO2地下封存空间Fig.5 CO2 underground storage space constructed by “Hui” shape backfilling

(1)煤层划分。沿大巷规划长壁工作面和两侧隔离煤柱部分，对煤层进行划分，如图5(a)所示。

(2) 隔离煤柱功能性充填回采。由大巷向开切眼方向，采用连采机回采隔离煤柱，并在后部采空区同步进行功能性充填，构筑强密封性功能性充填体，如图5(b)所示。

(3) 开切眼区功能性充填。采用条带充填开采工艺开掘宽开切眼，同步构筑一定宽度的功能性充填体，并确保开切眼充填体与两侧充填体充分衔接，如图5(c)所示。

(4) 长壁工作面垮落开采。随着长壁工作面回采推进，覆岩发生垮落，初步形成采空区碎裂岩体CO封存空间，如图5(d)所示。

(5) 停采区功能性充填。在距离长壁工作面终采线一定范围内，构筑强密封性功能性充填体，并确保停采充填体与两侧充填体充分衔接，隔绝采空区与大巷之间CO渗流通道，如图5(e)所示。

(6) CO充注阶段。采空区覆岩垮落及裂缝发育达到稳定状态后，同时评估碎裂岩体空间的封闭性之后即可开展CO充注作业。CO气体充注阶段的主要任务是构建CO充注管井，要求管井与周边岩层之间有良好的密封性能，利用压缩机将CO气体注入所构筑的封存空间，同时应避免注入压力过大而引起盖层损伤破坏，如图5(f)所示。

对于现有的大面积连片采空区或废弃矿井，CO封存技术步骤主要包括盖层封闭性评估、井筒封堵、CO充注，技术步骤相对简单。煤层采空区碎裂岩体CO封存技术具有以下优点：① 采用的技术均已应用于实际生产，技术成熟度高，封存方式可行性强；② 空间再造主要是隔离墙的构建，对采煤工艺和工序等影响小，易推广。

2.3 技术难题

煤层采空区碎裂岩体可为CO封存提供分布广泛、规模巨大的封存场所，具有巨大的封存潜力。但要确保采后垮落空间CO安全可靠封存，还需重点攻克以下4个技术难题，如图6所示。

图6 煤层采空区碎裂岩体CO2封存技术难题Fig.6 Technical problems of CO2 sequestration in fractured rock mass in goaf

(1) 煤层采后CO盖层封闭性评价。盖层封闭性是煤层采空区碎裂岩体CO封存的前提，其影响因素主要包括煤层产状(倾角、埋深等)、开采工艺(采高、开采方法、顶板管理方法等)、地层条件等。为科学评价煤层采后CO盖层封闭性：首先需要建立多因素耦合作用下煤层采后“三带”发育高度计算模型，与此同时建立采空区覆岩垮裂带观测、探测方法体系，做到理论计算与实际观(探)测相印证，准确判定“三带”发育高度；其次在综合考虑“三带”上覆岩层埋深、岩层组合、到“三带”距离、渗透性、厚度、含水层分布、构造发育等因素的基础上，建立CO盖层判别方法及CO盖层封闭性评价体系。

(2) CO封存空间构筑。充填开采是对岩层扰动和破坏影响最小的采矿方法，可以有效控制采空区上覆岩层的损伤破坏程度。在煤层回采之前，沿工作面四周构筑高强度、强密封的“回”形充填体，将工作面隔离成单独CO封存单元，对减小采后覆岩破坏和CO稳定封存具有重要意义。一种可行的方案是全宽度回采两侧隔离煤柱，并同步对连采工作面后部采空区进行功能性充填，构筑满足高强度、低渗透性、高韧性的功能性充填体，沿两侧煤壁留设回采巷道。长壁工作面垮落开采后，“回”形功能性充填体、盖层、采空区碎裂岩体及未破断岩层共同构成一个稳定的CO封存单元，部分CO可以通过盖层下岩层向邻近封存单元迁移，但是无法突破盖层的排替压力。在此过程中，需要明晰顶板覆岩-功能性充填体-碎胀散体相互作用机理，通过对采空区覆岩裂缝时空演化过程进行仿真，优化工作面尺寸参数、开采工艺与充填工艺，最大程度减小覆岩裂缝发育高度，确保CO封存空间的长期稳定性。

(3) 扰动空间探测与CO封存潜力评价。采煤扰动空间特征是模拟CO吸附-渗流活动、评价CO封存安全性、评估CO封存潜力的基础。对此，需建立采空区碎裂岩体精细探测理论与技术体系，利用瞬变电磁法、高密度电法及全数字高密度三维地震勘探等技术对采空区空间展布形态进行探测，通过测井-钻孔电视-测斜一体化测井技术、VSP技术及地震属性技术对采空区覆岩裂缝及离层情况进行探测。与此同时，还需建立CO在垮裂空间中的运移模型，模拟CO在采空区中的扩散路径、岩石裂缝及残煤等介质对CO的吸附作用，科学评估采空区碎裂岩体空间的CO封存潜力。

(4) CO充注调控与封存效果监测及评估。受覆岩层各向异性及CO加压充注综合影响，覆岩裂缝存在局部小规模发育扩展可能，需要构建CO封存生态环境监测系统，即融合微震、电法等技术实时高精度监测覆岩裂缝动态扩展过程。一方面，根据动态监测结果，反演局部CO泄漏通道，包括断层活化通道、陷落柱导通、裂缝扩展等，并进行功能性注浆充填改造，确保CO封存空间的封闭性。另一方面，结合监测结果预测充注阶段CO运移的时空特征，并据此评估CO充注程度，并调整CO充注速率与充注量，避免过载充注。

3 煤地下气化空间CO2封存技术

3.1 封存理念

煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，UCG)是未来深部煤炭开采的重要方式之一。煤炭地下气化炉在气化后会形成体积可观的地下空间，可作为封存CO场地。在煤炭进入地下气化阶段，随着O的不断注入，煤炭发生可控燃烧，使固态的煤炭不断转化成为H，CO，CO及烃类气体等气态物质从生产孔排出，地下空腔随着气化进程不断增大(图7(a))。在煤炭地下气化最终形成的空间内会有部分顶板垮落形成的碎石，顶板高温和冒裂形成的缝隙、煤炭气化残留的飞灰以及部分未完全气化的残碳等物质。笔者正是在此基础上提出利用UCG后的地下空间结构和物质实现CO的地质封存目标(图7(b))。利用UCG地下空间封存CO主要分为4个关键阶段，即选址阶段、气化阶段、封存注入阶段和封存后的监测与评价阶段。

3.2 技术途径

目前，CO地质封存主要通过物理吸附和化学固碳2种方式实现。本部分所提的CO封存模式是指综合利用UCG形成的地下空间和残余物质实现的一种以化学封存(永久封存)为主，兼顾物理封存的模式。化学封存主要是利用气化灰渣(也可利用发电厂的粉煤灰)中大量的AlO,SiO,CaO,MgO,FeO和FeO等碱土金属氧化物水化后的金属阳离子，与CO溶于水形成的碳酸根离子发生碳酸化反应，生成可用于永久封存的碳酸盐类物质(图8)；物理封存是利用UCG形成的空腔和上覆岩体垮落物等形成的空隙吸附CO。

利用UCG空间封存CO的科学内涵包括4个方面：① 充分利用残碳多孔结构、碎裂岩体、覆岩烧熔(烧变)和冒裂形成空隙等物理空间实现高压下CO物理封存；② 充分利用气化残留飞灰中富含的碱性金属氧化物实现化学封存；③ 将目前电厂粉煤灰等富含碱性金属氧化等固体废弃物以膏体状注入富油煤气化后的地下空间，实现CO化学封存；④ 在进行CO地质封存同时，实现了采空区的充填，有利于保证采空区长期稳定性。

图7 煤地下气化空间CO2封存模式示意Fig.7 Schematic diagram of CO2 storage mode in underground coal gasification space

图8 气化灰渣CO2化学吸附封存原理(以Ca2+为例)Fig.8 Schematic diagram of CO2 storage with fly ash (taking Ca2+ as example)

3.3 技术难题

在利用UCG地下空间进行CO地质封存技术流程如图9所示，涉及选址、封存前、封存过程和封存后4个阶段。其中，包含以下4个方面关键技术难题：

(1) UCG气化选址与水平隔离墙构筑。对影响煤炭地下气化场地的地质因素如煤层-盖层组合、煤层埋深、煤层厚度、煤层物性、水文地质、构造地质、岩体结构、地形地貌、岩土体工程性质、环境地质等进行系统研究，筛选出对煤炭地下气化及CO封存主要影响的地质指标与主控因素，在综合考虑矿井地质条件和煤炭地下气化机理的基础上，构建基于基础地质条件、安全性条件和自然环境条件在内的煤炭地下气化及CO封存有利区的递阶耦合优选指标体系与评价方法。在拟选的场地上进行气化煤层的水平隔离墙构筑，形成独立的气化和CO封存单元。

图9 煤地下气化空间CO2封存技术流程及关键问题Fig.9 Technical process and key problems of CO2 storage in coal gasification underground space

(2) 气化空间探测与封存能力评价。开展UCG地下空间岩体结构探测、表征及封存能力评价研究。利用地球物理探测和钻探手段，探测UCG地下空间及覆岩地质结构特征、冒裂带裂隙发育情况、分布特点及空间组合关系，识别气化后碎胀体积与覆岩裂隙体积，理清覆岩和地下空间的地质结构特征；基于三维激光扫描技术、岩心三维重构(CT，NMR，SEM)、岩土力学强度和物性测试等方法，分析碎胀岩体、冒裂带和盖层的强度参数、孔渗性、吸附性，评价气化空间封存能力。

(3)CO注入封存与调控技术。根据UCG地下空间实际地质条件和相关参数构建考虑温度、压力、湿度效应的三维地质结构模型，评价考虑煤炭地下气化空间结构形态的CO封存量，在此基础上通过数学模型和数值分析，分析CO注入与气化灰渣膏体的反应匹配度，确定合理的CO和气化灰渣膏体注入相态、注入压力、注入流量、注入时间等；分析UCG地下空间CO注入手段和注入技术；同时结合注入过程中地下空间气体压力和岩层变形的实时动态监测数据，形成封存动态调控技术。

(4)CO封存效果监测与评价。封存CO泄漏或渗漏会破环生态环境平衡，导致含水层水质污染、土壤养分降低、植物和微生物死亡等生态环境问题。UCG气化空间CO封存效果的监测与评价是整个封存技术的重要环节。包括：监测地下水和地表水的水质、离子成分、矿化度、pH值、Eh值等指标，分析不同层位水体污染的风险情况；探讨封存场地与地表生态环境因子的对应关系，研究封存对土壤水分、养分的影响。在此基础上形成UCG地下封存CO的地质环境评价方法与监测体系。

4 煤原位热解半焦CO2封存技术

4.1 封存理念

煤的原位热解作为一种清洁低碳的煤炭开采形式，主要以富油煤为对象，通过热解方式在原位地层最大限度提取煤中油气资源，并将热解半焦留存地下。富油煤的原位热解规模化开发对提高我国油气供给能力、实现“双碳”目标具有重要的战略意义。在“取氢留碳”的基础上，将CO注入热解半焦层进行永久封存，有效实现了固碳减碳目的。富油煤热解后形成发达的孔缝结构空间，大量热解产物产出使半焦总体形成以中孔和大孔为主的孔隙结构。随着温度升高，煤中裂隙急剧产生，形成大量平行层理、蜂窝状、雁列状裂隙网络，这使得煤体的渗透性大幅提高，CO注入阻力降低。相比于常规煤炭CO地质封存方法，该技术具备的优点体现在：① 富油煤原位热解改善了煤层的孔缝结构，为CO吸附提供了良好的封存载体和封存空间；② 富油煤原位热解对盖层扰动较小，CO地质封存的安全性较高。其中，在井工式原位热解基础上开展CO封存具有更好的实施条件。

4.2 技术途径

井工式富油煤原位热解半焦CO封存技术主要包括4个阶段(图10)：煤层分割充填阶段，煤层预裂阶段，煤层热解阶段，CO充注阶段。在煤层分割充填阶段(分割充填单元A)，对富油煤靶区的煤层进行分割、构筑充填柱，充填材料起到支撑顶板、密封和保温煤层、控制热解范围的作用。在煤层预裂阶段(预裂单元B)，沿煤层底部长壁方向钻取盲孔至长壁末端；每3个相邻钻孔(B1,B2,B3)为1组，再通过水力压裂等方式对中间孔(B2)实施致裂，形成网络裂隙通道，提高受热面积。在煤层热解阶段(热解单元C)，从每个煤热解单元注入孔(C2)注入高温介质，高温介质经由裂缝通道进入抽采孔(C1,C3)，并向外缘辐射热量，实现富油煤的油气产出。气态焦油及煤气及时通过井下收集系统回收，其中排出的高温介质可进一步加热后循环使用。在CO充注阶段(CO封存单元D)，待热解煤层冷却后开展CO充注，将原有钻孔全部转变为CO注入孔，CO沿热解煤层的孔缝网络运移，并以物理吸附的形式封存在基质表面。

4.3 技术难题

尽管富油煤原位热解能够形成良好的CO封存空间，但同样面临诸多认识瓶颈和技术挑战。富油煤原位热解与CO封存均尚处于初步探索阶段，CO封存空间调控、封存潜力评价方法、封存地质条件选址评价、地质风险探测等关键问题与技术方面仍需重点展开研究(图11)。

(1)热解半焦CO封存潜力评价。CO封存潜力与煤热解后的吸附特性具有密切联系，Goodman等针对不可采煤层CO封存量提出可借鉴的计算方法：

图10 富油煤原位热解-CO2封存基本过程Fig.10 Procedure of in-situ pyrolysis of tar-rich coal and CO2 storage in pyrolytic coal

图11 富油煤原位热解半焦CO2封存关键问题Fig.11 Key problem of in-situ pyrolysis of tar-rich coal and CO2 storage in pyrolytic coal

=

(1)

式中，为CO潜力封存量，kg；为评价区面积，m；为评价区煤层厚度，m；为单位体积原煤最大吸附的CO在标准状态下的体积；为标准温压条件下的CO密度，kg/m；为煤层的CO存储效率因子。

但煤热解后与原煤存在较大差异，更为复杂的应力场、温度场和化学场使热解半焦层非均质性发生显著改变，不同显微组分间的差异性有待考虑。原位热解过程差异，如升温速率、催化条件、载热条件、热场条件等，同样会造成热解半焦的吸附能力呈现复杂性(图12)。

图12 不同热解温度条件下煤热解CO2吸附能力Fig.12 CO2 adsorption capacity of pyrolytic coal at different pyrolysis temperatures

(2)原位热解空间形成与调控。在富油煤原位热解过程中，同步改善油气产出效率和封存空间具有重要的现实意义。赵阳升院士团队提出利用高温热蒸汽技术可以有效提高油气产出率，同时大幅改善煤体的细观结构，高温蒸汽热解的孔隙率高于常规热解方式(图13)。此外，利用硝酸盐、含钾化合物等进行催化-氧化，能够促使煤分子侧链和含氧官能团等提前脱落，微晶结构变形，形成良好的孔隙结构。不同金属盐催化结果略有不同，但普遍具有提高中孔率和孔容的效果。煤体热变形对热解空间的影响不容忽视，在三轴应力下，长焰煤表现出强烈的热膨胀变形，且应力约束越强，峰值膨胀系数对应的温度越高。在充分考量高效开采油气、应力约束、煤体热变形的基础上，提高热解半焦的CO封存空间仍有待突破。

图13 煤热解孔缝结构发育特征Fig.13 Porosity and swelling of pyrolytic coal

(3) 热解半焦CO封存选址与密闭性评价。在特定的原位热解环境下，CO封存不仅要充分考虑煤层埋深、构造复杂程度、围岩条件，同时要着重评价高温对盖层的扰动特点。高温条件下，砂泥岩宏观力学性质发生显著变化，其力学强度随温度的升高总体表现为先增强后减小的趋势。黏土矿物在高温条件下脱水产生裂隙，尤其在400 ℃以后结晶水脱除导致裂隙进一步扩展，泥页岩承载能力和抗变形能力被削弱。砂岩在高温下矿物晶格遭到破坏，强度明显下降。盖层岩性组合在热场条件下的强度降低、裂隙扩展等问题仍需深化认识，直接关系到地下水流入与封存CO泄漏风险。同时，开展井下煤层分割充填，充分评价充填材料密闭性、耐高温性，是实现定向热解与CO分段充填的基础。

(4)热解半焦CO封存地质风险探测技术。CO在热解煤层中封存具有复杂地质耦合过程， CO封存压力、热解煤层、高温扰动后围岩、热解残余流体之间相互作用，CO在注入、迁移、吸附过程中对热解煤层、高温扰动围岩始终处于动态影响过程。在明晰上述机理的同时开展CO封存地质风险探测，研发多尺度、全方位的精细探测方法，跟踪评估热解半焦及盖层稳定性，构建CO封存地质风险预警指标与模型，对封存CO地质风险进行预判。

5 结 论

(1)实现煤矿井下CO封存须具备地质盖层和封存载体两大条件。其中，选择煤层上部具备不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO封存的先决条件；前期中浅煤层CO天然气藏区、煤矿采空区气体富集与存储案例，证明了利用中浅煤层扰动空间进行CO规模化封存具有较好可行性；功能性充填空间构建则为CO井下分割封存提供了密闭条件；而封存载体为实现CO封存提供了实施场所，其存储空间尺寸决定了CO封存规模，吸储能力影响了CO封存效果，孔隙度及渗透性则决定了CO可注入性。

(2)煤层采空区碎裂岩体空间具有规模大、CO充注压力小等优点，是理想的CO封存场所。本文提出煤层采空区碎裂岩体空间CO封存方法，基于功能性充填技术沿采煤工作面构筑高强度、密封性的“回”形充填体，控制覆岩裂隙发育，结合煤层上部盖层，构建强封闭性且具备一定承压能力的碎胀空间，可进行中低压CO物理封存。

(3)利用煤炭地下气化空间进行CO封存可同时发挥碎裂岩体的物理封存和气化灰渣的化学封存作用。提出的煤地下气化空间CO封存技术，充分利用了残碳多孔结构与覆岩破裂和烧熔、烧变形成的物理空间实现高压下CO物理封存；同时将当前火力发电厂的粉煤灰等富含碱性金属氧化等固体废弃物以膏体状注入富油煤气化后的地下空间，通过与CO化学反应，实现CO固化封存。此外，该封存技术可实现对气化空间的有效充填，有利于煤炭地下气化空间的长期稳定。

(4)利用富油煤原位热解半焦进行CO封存，具有地质盖层相对稳定、半焦孔缝结构发育、充注阻力相对较小、CO吸附能力强等优点。在充分开展岩层密闭性、高温岩层损伤特点选址评价的基础上，在井下利用密封隔热材料对煤层分割充填，实施高效的油气热解提取和CO吸附空间调控，实现半焦层CO物理吸附储集，有助于提高CO封存规模和封存长期稳定。

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