双碳目标下煤气同采技术体系构想及内涵

李树刚，张静非，尚建选，林海飞，王苏健，丁 洋，侯恩科，赵泓超

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西煤业化工集团有限责任公司,陕西 西安 710100；3.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

全球气候变暖是21世纪人类面临的最重大生存和发展危机之一。碳排放作为温室效应加剧的主要源头，与煤炭等化石能源使用密切相关，全球辐射胁迫增加贡献率最高的温室气体是CO和CH。为应对气候变化，191个国家先后加入了《巴黎协定》，承诺向低碳经济转型。2020-09-22，习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论上向世界首次提出了“3060”目标。2021-12-08，中央经济工作会议再次强调，要立足以煤为主的基本国情，狠抓绿色低碳技术攻关，创造条件尽早实现能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变。在“碳达峰 碳中和”主导思想引领下，不同行业需因地制宜、精准施策，多途径、多角度完善自身减排技术体系，我国作为最大发展中国家，以煤为主的资源禀赋决定了可供给碳排放空间及减排时效极其有限。根据统计显示，煤炭消费产生的CO排放量占75%左右，CH作为煤炭开采行业主要碳排放源，增温潜能(GWP)是同量CO的21倍，煤气同采面临绿色低碳的新要求。为尽早解决煤矿CH-CO双重减排技术难题，实现低碳融合技术与负碳技术可持续发展，需对煤矿瓦斯抽采、利用及附加CO协同减排技术模式重新考量，完成“内部闭圈消化”。瓦斯抽采与利用环节，需积极探索精准高效一体化低碳发展手段，基于透明矿井-智慧矿山新型理念，结合瓦斯优势赋存区域圈定、精准设计施工、多元强化抽采以及智能管控等技术“吃尽”煤层瓦斯，通过瓦斯全浓度梯级利用进一步完善高效低碳运行机制；瓦斯利用环节产生的CO减排则需重点攻关CCUS(碳捕获、利用与封存)等负碳技术手段，达到煤矿CH-CO近零碳排放目的。对煤矿而言，CO封存目标地质体主要为不可采煤层及采空区等，CO驱替煤层气(CO-ECBM)已进入商业化运行阶段，而煤矿采空区作为非常规潜在封存地质体前景同样不容小觑。据相关数据表明，至2030年，我国煤矿采空区地下空间将达234.52亿m，如何实现采空区残余瓦斯二次高效抽采以及废弃资源再利用，是“十四五”期间重点解决的技术难题之一。

众多学者在煤矿低碳发展及资源高效利用等方面取得了丰硕研究成果，随着“双碳”行动进一步深化，智能低碳高效技术势必会推动煤气同采发展进入新阶段。笔者基于前人成果，以“碳中和”目标为导向，结合废弃地下空间再利用(深部不可采煤层、采空区等)等理念，构建了以煤矿瓦斯高效精准抽采、煤矿瓦斯全浓度梯级利用及煤层CO捕获-封存-利用为重点内容的全生命周期煤气同采技术体系，明晰了涉及的关键技术问题，旨在为我国煤炭行业双碳目标实现提供新的发展思路。

1 煤气同采技术体系构想

本研究中煤气同采技术体系下的全生命周期仅指瓦斯抽采阶段、瓦斯利用阶段以及利用过程产生CO的捕获-封存-利用阶段，包括瓦斯高效精准抽采、瓦斯全浓度梯级利用以及“CCUS+生态碳汇”环节。如图1所示，总体思路为：在煤层瓦斯抽采利用的全生命周期创造一个封闭循环，以CH的形式从煤层中提取出碳，对利用后产生的CO进行捕获，最终通过CCUS等负碳技术手段以CO的形式封存至地下，用以驱替煤层瓦斯或进行其他固碳手段，完成“内部闭圈消化”。精准抽采提高煤矿瓦斯抽采效率并为高效利用提供原料，2者作为煤炭行业绿色低碳发展的关键点可尽快完成碳达峰，“CCUS+生态碳汇”作为典型的负碳排放技术助力碳中和，3个环节相互叠加共同实现煤矿CH-CO近零碳排放甚至零排放愿景。

图1 双碳目标下煤气同采技术体系构想Fig.1 Conception of gas simultaneous mining technologysystem under “dual carbon”target

(1)低碳融合技术。指瓦斯精准抽采与全浓度梯级利用环节，同时也是煤气同采技术体系中煤矿CH-CO协同减排重点领域，实现该阶段绿色低碳发展应针对瓦斯抽采-利用全域全流程，着重强调“精准”与“高效”作用，达到CH抽采零排放-CO低排放，实现“低碳”。

(2)负碳技术。“CCUS+生态碳汇”作为典型的负碳排放技术，本文包含煤层CO封存及采空区CO吸储2部分内容。对瓦斯利用环节(燃料、发电为主)产生的CO进行地质封存或吸储，一方面可以实现CO减排，另一方面可进行瓦斯二次强化抽采利用；文中提到的“煤层封存”及“采空区吸储”区别：对于时间尺度而言，“吸储”相对较短，且后期会加以利用，类似“储气库”作用，而“封存”时间尺度更长。“生态碳汇”指将CO封存于地下空间后通过控制地面监测井(或其他控制单元)释放合理范围内的CO作为气肥，用于设施农业温室大棚增强植物光合作用，实现固碳的同时可产生部分经济效益。

如图1所示，煤气同采全生命周期碳源总量包括瓦斯抽采、乏风及CH利用产生的碳排放量；碳汇总量包括煤层CO封存或采空区CO吸储以及地表植被光合作用形成的碳汇量，要实现该体系下的CH-CO近零碳排放就必须满足如下简化条件：

(CH)+(CO)≈(CO)+′(CO)

(1)

式中，(CH)为瓦斯抽采、乏风阶段产生的碳排放量，可近似看作0，即实现CH抽采零排放；(CO)主要为瓦斯发电及燃料产生的碳排放，即实现CO低排放；(CO)为封存于煤层/采空区的CO经过人工可控释放至地表后，经植被光合作用吸收形成的碳汇量；′(CO)为瓦斯利用阶段产生的CO封存/吸储形成碳汇总量扣除(CO)。

由式(1)可以看出，低碳融合技术对达成瓦斯抽采利用阶段CH抽采零排放-CO低排放至关重要；矿区地表原生植被及土壤碳汇能力较弱，探究高强碳汇能力植被及设施农业温室大棚技术模式，是未来矿区植被固碳技术发展重点之一；该构想体系中大量的CO吸纳需要通过煤层CO封存及采空区CO吸储方式实现，因此，矿区CO地质封存技术是实现煤矿CH-CO近零碳排放目标的关键性技术单元。

煤气同采技术体系框架以“碳达峰、碳中和”为主导思想，包括总体目标、基础思路、技术支撑、研究方法、体系框架及关键技术问题组成(图2)。该技术体系是以大数据云计算、人工智能、5G通信、物联网等作为平台支撑，融合透明地质、数字矿山、精准抽采、梯级利用以及地质封存的多空间、多维度全流程保障机制，应用基础理论研究、物理/数值模拟、现场监测监控、区域性试验及规模化示范工程的技术方法，旨在构建以煤矿CH-CO近零碳排放为核心的全生命周期煤气同采技术体系，以煤矿瓦斯高效精准抽采、瓦斯全浓度梯级利用以及煤层CO捕获-封存-利用作为关键技术。精准抽采为煤矿瓦斯治理利用的高质量发展提供基础，瓦斯全浓度梯级利用为瓦斯绿色低碳发展的关键，煤层CO捕获-封存-利用对瓦斯抽采、综合利用阶段产生的CO精细化管控(CCUS+生态碳汇)，既可起到负碳排放作用，亦可进行煤层气(瓦斯)驱替产生经济效益。3者相互衔接，最终实现协同低碳绿色发展，推动全生命周期煤气同采工程示范，助力我国双碳目标实现。

图2 双碳目标下煤气同采技术体系框架Fig.2 Technical system framework of gas co-mining under double carbon targets

2 煤气同采技术体系内涵

双碳目标下煤气同采技术体系旨在以煤矿CH-CO近零碳排放理念为核心，构建以瓦斯高效精准抽采、瓦斯全浓度梯级利用及煤层CO捕获-封存-利用为主体的全生命周期煤气同采技术框架，各环节均需解决众多关键技术问题。

2.1 煤矿瓦斯高效精准抽采

高效精准抽采作为煤矿瓦斯低碳发展基础，不仅关乎安全生产，更直接影响CH精细管控及高效利用。笔者以国内外研究进展为基础，结合课题组多年研究成果，构建了深部煤层瓦斯高效精准抽采体系，深入分析了关键技术问题。该体系融合地质勘探保障技术、协同抽采机制、多相多场耦合理论及灾害防控预警模型，采用物理/数值模拟、基础试验、工程实践及理论分析的“五位一体”研究方法，建立满足煤矿CH抽采零排放的技术模式(图3)。

图3 深部煤层瓦斯高效精准抽采体系Fig.3 Accurate gas extraction system of deep coal mines

该体系以瓦斯含量精准原位测定及涌出量精准预测为基础先导，多场耦合裂隙渗流、裂隙演化及分域判定对瓦斯高效抽采区域精准辨识，通过抽采参数优化、多相孔-裂隙渗流等内容，采用以孔代巷及智能封孔技术完善瓦斯抽采精准施工设计；利用各类精准增透技术强化瓦斯抽采功效；智能抽采调控系统可实现全方位监控、智能运维、辅助决策、全链条追溯与监管、可视化运营管理，促进瓦斯治理与管理高质量协同发展。

(1)瓦斯含量精准原位测定理论及技术。瓦斯含量精准原位测定理论及技术基于深部原位岩体力学理论体系、多场瓦斯吸附解吸规律，利用井下定向长钻孔、地面大功率取心钻机，重点开展目标区域瓦斯含量深孔原位测定，最大限度保证采集样品的原始状态及结果参数精准性。深部原位取心技术发展经历了由最初的保压密闭到“五保”(保压、保温、保质、保光、保湿)取心(图4)，并开发出定精度需求提升，高精度、高保真瓦斯含量深孔原位测定技术优势日益凸显。

图4 深部岩石原位“五保”取心系统[16]Fig.4 Coring system with retaining in-situ conditions the porepressure temperature,quality,luminosity and humidity of originalcores of deep rocks[16]

(2)瓦斯涌出量精准预测。瓦斯涌出量预测经历了由单因素向分源/多元测算发展历程，灰色理论、神经网络、遗传算法、蚁群算法等新式理论促使算法迭代速度及预测精度不断提高。笔者及其所在团队提出基于因子分析法的瓦斯涌出量预测指标选取方法，构建了BP神经网络与卡尔曼滤波耦合的瓦斯涌出量预测模型，以MATLAB软件为开发平台，编制了基于因子分析及卡尔曼滤波的瓦斯涌出量预测软件。构建了基于粒子群算法(PSO)优化误差反向传播(BP)神经网络的瓦斯含量预测模型(PSO-BP模型)，研究试验矿井煤层瓦斯含量与埋深、煤厚、底板标高以及测点与断层垂距等因素之间关系，并运用高斯过程回归、最小二乘支持向量机、梯度提升回归树和极限回归机等4种经典有监督机器学习算法，得到煤层瓦斯含量预测模型，提出基于特征选择和机器学习融合的煤层瓦斯含量最优预测模型。

(3)瓦斯高效抽采区域精准辨识。瓦斯储运区精准判识主要以压力拱、悬臂梁、砌体梁及关键层等理论为基础，阐明采动覆岩裂隙分布特征具有“O”形圈、高位环形裂隙区、“椭抛带”(图5)、圆矩梯台带等形态，通过裂隙分布形态分析煤层瓦斯运移渗流优势通道，为钻孔布设及抽采设计提供理论依据。笔者及其团队结合多年科研成果提出了理论推导、数值/物理模拟结合现场反演的辨识方法，即通过推导计算采动覆岩垮落带、裂隙带范围，基于此开展大型三维物理相似模拟试验或全尺度数值模拟，并结合钻孔窥视、微震监测、地空电磁等方法现场反演高效抽采区，深化研究多场耦合裂隙渗流、裂隙演化规律及分域判定，实现瓦斯高效抽采区域的精准辨识。

图5 椭抛带示意[27]Fig.5 Signs of elliptic paraboloid zone[27]

(4)瓦斯抽采精准施工设计。将煤层瓦斯“尽数”抽采加以分级利用，对于煤矿瓦斯高效低碳发展至关重要。钻孔设计主要采用理论结合现场的方法优化设计合理施工层位、钻孔参数、施工参数、密闭/封孔参数等关键设计单元，主要研究手段以理论计算、物理模拟试验平台(二维/三维物理相似模拟试验台、真三轴“应力-渗流-能量”一体化试验台等)、数值模拟(FLUENT,COMSOL)为主。

基于精准施工环节及遵循原则，大功率定向钻机、固/护孔工艺、智能密封及抽采等装备技术的成功应用，切实保障了瓦斯抽采施工的精准有效性。定向钻进技术及装备方面，国产化定向钻机在“十一五”至“十三五”期间开发了ZDY6000LD,ZDY12000LD以及ZDY15000LD(图6)等一系列大功率定向钻机，完成了顺煤层钻孔深度3 353 m的世界纪录，并逐渐研制出针对碎软煤层的气动定向钻进技术以及自动化智能钻机，为煤矿瓦斯精准抽采提供了装备支撑；钻孔密封理论及技术方面，经历由一次注浆至多次动态密封过程，“强弱强”带压式封孔、稠化膨胀浆体密封、柔性膏体密封等技术的发展大幅提高了钻孔密封的可靠性；集成钻探、注浆、封孔、抽采功能一体化的智能矿用机器人也逐渐成为发展趋势。

图6 ZDY15000LD型煤矿用履带式全液压坑道钻机[37]Fig.6 ZDY15000LD full hydraulic track drilling rig for coal mine[37]

(5)瓦斯抽采精准增透。低渗煤层增透理论及技术主要借助中间介质传递能量来扩展煤岩体裂隙网络，产生瓦斯渗流优势通道提高抽采效果。主要包含水力化单一/联合增透理论技术，如分段水力(加砂)压裂，卸压裂隙带的渗流扩散及高压水置换甲烷双重效应实现高效抽采；水力割缝-CO相变致裂技术通过水力割缝扩张瓦斯运移通道结合CO相变致裂携带、置换作用，增强瓦斯抽采率；可控冲击波以高功率脉冲技术为基础，可通过液电效应机理进行多次重复的致裂增透。笔者及其所在团队开发出的水力致裂-超声激励协同增流技术，为深部低透煤层矿井瓦斯灾害防治及资源开发提供了新思路；精准增透依托瓦斯高效抽采区域精准辨识及施工设计，逐步形成了“点-面-体”综合性增透体系，为煤矿瓦斯精准抽采发展增添技术支撑。

(6)瓦斯抽采精准调控。笔者及其团队立足于精准化、智能化理念，建立了瓦斯精准抽采云平台，主要由抽采数据动态感知、抽采效果评价及抽采系统决策与调控等部分组成(图7)。抽采数据动态感知是结合5G技术开发高精度监测传感器，实现抽采钻孔、管网节点以及整个矿井抽采系统信息的动态感知；通过内嵌自迭代评判模型提取瓦斯动态变数的异常特征，综合各监测点瓦斯数据实现抽采系统的工况参数实时最优匹配；开发基于物联网的管道调节控制阀门，实现动态分配抽采单元钻孔参数，保障瓦斯抽采系统始终运行在安全、高效、能耗最优的状态。

图7 瓦斯精准抽采云平台[13]Fig.7 Accurate cloud extraction platform for gas[13]

2.2 煤矿瓦斯全浓度梯级利用

瓦斯全浓度梯级利用作为煤矿瓦斯低碳排放技术关键点，直接影响煤电行业双碳目标实施效果。体积分数大于30%的高浓度瓦斯可直接利用，但体积分数低于30%的低浓度瓦斯尤其是体积分数低于0.75%的乏风瓦斯需要进行提浓、催化氧化或作为辅助性介质才可进一步利用。当前我国瓦斯利用主要以民用/工业燃料、发电用途为主，形成了高浓度瓦斯直接利用、乏风及低浓度瓦斯提浓增效技术为主的阶梯式综合利用体系(图8)；同时，对瓦斯高效利用产生的CO进行捕集，应用至CCUS技术领域，最大限度实现煤矿CH-CO近零碳排放目标。

图8 煤矿瓦斯全浓度梯级利用Fig.8 Cascade utilization of total gas concentration in coal mine

高浓度瓦斯直燃发电以及民用/工业燃料作为瓦斯利用阶段主要的CO排放端口，燃烧效率及低碳运行工艺为关注重点。依托智慧矿山先进手段，大功率高效发电机组与碳捕集工艺相结合的绿色低碳模式逐渐成为趋势，区域性煤炭基地抽采-提浓-利用-捕集技术体系得到了快速发展，例如沁水寺河120 MW瓦斯发电厂(世界第1)、芦家峪瓦斯电站(全国首个配套智慧电厂平台)以及山西省首个F级“二拖一”燃气蒸汽联合循环热电联产等项目引领煤炭行业瓦斯全浓度梯级利用新方向。

乏风及低浓度瓦斯作为煤矿主要的CH排放端口，提浓增效技术是“十四五”期间重点解决任务之一，目前主要形成了以蓄热氧化结合催化氧化为主的技术框架，其中蓄热式燃烧器(VAMRAB)、旋转式蓄热氧化、热逆流反应器(TFRR)、催化逆流反应器(CFRR)、整体式催化反应器(CMR)、贫燃气轮机(LBGT)等先进技术得到了广泛推广。其次，煤矿五床式乏风瓦斯蓄热氧化装置、低浓度甲烷部分预混式旋流燃烧器等各类装备的革新进一步推动了瓦斯综合利用的绿色发展。典型项目如谢桥矿低浓度瓦斯氧化发电系统研发项目、潘一关闭废弃矿井采空区瓦斯再利用项目、贵州能化龙凤煤业低浓度智慧瓦斯电厂、晋能控股集团低浓度瓦斯直燃制热技术研究等，对实现煤矿瓦斯全浓度梯级利用起到了引领作用。其中，彬长矿区大佛寺煤矿以“资源化利用、余热余压梯级利用”为指导理念，形成了低浓度瓦斯(8%以下)、乏风瓦斯(0.2%～0.3%)掺混发电结合有机朗肯循环(ORC)烟气余热梯级利用技术体系，基本实现了全矿瓦斯“零排放”的绿色低碳发展模式。

在大力倡导清洁能源的时代背景下，煤炭的兜底保障地位至关重要，瓦斯作为煤系伴生资源其作用同样不容忽视。CH及CO作为煤矿主要碳排放源，如何进行有效的“内部消化”，攻关低碳融合与负碳技术以期达到近零碳排放效果，是未来煤炭领域应积极关注的问题。

2.3 煤层CO2捕获-封存-利用

低碳融合及负碳技术攻关作为煤炭行业绿色低碳发展重点，不仅是行业转型的需求，更是国际竞争的热点，成熟稳定可持续性良好的碳减排技术才能切实推动3060碳中和目标实现。煤层CO捕获-封存-利用作为典型负碳技术，对于吸纳抵消煤气同采技术体系中抽采-利用环节产生的碳排放(CO)起到关键作用。煤炭领域碳封存地质体主要包括煤层以及采空区等，煤层CO驱替增产煤层气技术已较为成熟，具备一定商业化规模，其发展趋势以“经济效益型+技术完善型”为主；采空区CO吸储的提出进一步践行了国家能源体系绿色可持续发展要求，主要契合废弃矿井资源再利用理念，尽管该技术尚处于基础研究阶段，在安全可靠与经济性方面存在短板，但巨大发展潜力及重要战略意义使其具备了较高的科研实践价值，主要技术难点包括：① 多场、多相耦合吸储作用机理；② 技术可行性、安全性评价体系；③ 全生命周期CO实时监测预警机制；④ 规模化商业运作模式。

2.3.1 深部煤层CO封存理论及技术

深部煤层CO封存具备碳减排与驱替煤层气(瓦斯)增加经济效益双重作用。目前针对煤层CO封存尚处于基础研究及先导性试验阶段，研究重点集中于煤层CO封存安全性评价以及深部煤层注气驱替技术应用方面(图9)。

(1)深部煤层CO封存安全性评价作为关键理论基础，主要以封存地质体结构失稳为核心，围绕CO泄漏途径、工程扰动、煤岩储盖层细观破坏及宏观地质灾害影响等方面展开研究。煤岩储盖层细观破坏主要包括超临界CO注入深部煤层物化反应、CO-CH气体吸附置换、扩散渗流及驱替机理以及深部煤层CO封存有效性等。

图9 深部煤层CO2地质存储与CH4 强化开采(CO2-ECBM)技术及应用(据文献[10,47]修改)Fig.9 Schematic diagram of CO2 geological storage and CH4 enhanced mining (CO2-ECBM) technology andapplication in deep coal seams (Modified according to References[10,47])

(2)装备技术及应用方面，在我国与加拿大政府合作支持下，中联煤层气有限责任公司等单位承担了国内首个深部煤层注入/埋藏CO开采煤层气技术研究项目，在沁水-鄂尔多斯盆地的柳林和柿庄开展了一系列试注与监测研究，主要涵盖了煤层气强化开发及CO埋藏、注CO提高煤层气采收率效果评价、先导性试验数值模拟及经济评价以及深煤层注气驱替技术研究及装备研制等一系列关键课题，为我国煤层CO封存技术应用推广奠定了重要基础。

2.3.2 CO煤矿采空区吸储与植被固碳机理

随着国内绿色煤炭资源量逐渐减少，关闭矿井以及采空区等废弃地下空间日益增多。据统计，“十三五”期间全国累计退出煤矿约5 500处，“十四五”期间煤矿数量还将进一步压缩。针对废弃/关闭矿井二次利用问题，采空区作为CO封存潜在地质体，成为当前众多学者关注热点，袁亮、谢和平、黄炳香等对关闭矿井及采空区资源再利用均提出了指导性意见。

笔者及其所在团队则聚焦全生命周期煤矿CH-CO近零碳排放理念，提出CO煤矿采空区吸储与植被固碳技术。煤矿采空区作为非常规地质圈闭构造，可作为CO吸储的潜在地质体，其总体思路为：CO的注入会与采空区残留的CH产生竞争吸附(CO吸附优势强于CH)，促排采空区瓦斯同时进行火灾管控；最终通过控制地面监测井(或其他控制单元)释放合理范围内的CO作为气肥，用于地表设施农业温室大棚实现植被固碳。采空区作为受到煤炭开采扰动后形成的特殊地质体，CO吸储的技术安全性及经济可行性是该理念实现的关键点。

技术安全性方面，采空区储盖组合地质体密封性是评价CO注入风险的先决条件，王双明等通过探讨内蒙古乌兰煤矿采空区上覆盖层地质条件、美国Leyden煤矿采空区改为天然储气库等内容，提出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可为采空区CO封存提供基本地质条件，且通过储层空间再造、开采方式优化等手段创造良好的“储+盖”组合条件，即可实现煤矿采空区CO规模化封存；因此，该技术的落地很大程度取决于吸储场地的适宜性，煤炭开采上覆岩层垮落形成的裂隙网络尚未扩展延伸至采空区上部低渗盖层且采空区整体已处于稳定状态(形成时间长)是满足技术应用的基础；利用煤矿采空区进行CO吸储在经济性方面存在以下优势：① 煤矿采空区地质条件资料齐备，前期勘探投入成本低；② 采空区吸储以气态CO方式注入，操作成本低，封存机理相对简单；③ 采空区渗透率高，储盖层稳定条件下，CO扩散范围更大；④ 可进行采空区甲烷二次抽采，具备一定经济效益；⑤ 大型火电厂等CO集中排放源和煤矿矿井伴生，有利于CO就地封存，减少CO的长距离输送。探究CO煤矿采空区吸储与植被固碳关键技术，并实现CO地质吸储封存与地表生物质补偿吸收双重目的(图10)。

图10 CO2煤矿采空区吸储与植被固碳关键技术研究思路Fig.10 Key technologies of adsorption storage,transportation and carbon sequestration of vegetation in goaf of CO2

对我国煤矿采空区二次利用、煤炭行业“碳中和”目标落实起到关键性作用。

总体而言，CO煤矿采空区吸储与植被固碳技术的安全经济可持续发展，依赖于关键技术理论的突破以及低成本运行的探究，这也为今后的研究指明了方向。重点研究内容包括：

(1)CO吸储场地选址及环境风险评估。主要包含CO吸储场地地质条件及吸储能力分析、目标场地选址适应性评价等方面(图10)：① 储层和盖层的结构性和完整性；② 场地CO吸储能力评价；③ 构建吸储选址适宜性评价指标与方法体系。

(2)采空区煤岩体对CO吸附解吸规律、注入井布设技术及储存移栖机制。以CO封存的时间序列“封前-封时-封后”为切入点，重点开展CO/CH二元气体吸附解吸规律、CO注入井布设工艺技术以及CO储存移栖机制等内容的研究工作：① 研究CO置换含瓦斯煤体中CH过程及吸附介质形变的特征，明确煤岩溶解溶胀作用对CO可注性的影响，探究CO矿化机理；② 采空区CO理论吸储量估算分析，并探究CO吸储区注入井布设技术；③ 采空区、盖层和地表三维空间内的CO移栖规律，采用近地表/浅层土壤气/水质分布式监测技术，明确近地表/浅层土壤气/水质情况，揭示采空区CO吸储区气体长时间缓释规律；④ 建立地面环境CO缓释源强反演模型，构建CO煤矿采空区储运缓释全周期立体安全监测体系。

(3)采空区CO缓释增强地表植被光合作用机制。CO缓释增强地表植被光合作用重点关注高耐受CO植物筛选、CO影响植被光合作用及固碳机制、产业化碳吸收固定技术推广潜力等方面：① 探究采空区和CO吸储区地表高二氧化碳浓度分布特征，明确高CO浓度区域土壤生产力限制因素；② 构建基于CO吸储区CO控制输送技术的富碳设施农业模式，明确适宜矿区CO吸储区的最佳设施富碳农业碳利用技术；③ 完善制备新型土壤改良剂生物炭-层状双氢氧化物(LDH)复合物技术，评估不同碳吸收及碳固定技术对矿区CO吸储区经济收益及综合环境收益。

3 煤气同采技术发展方向

3.1 “地质透明化-抽采智慧化”与瓦斯精准抽采深度融合技术

(1)地质保障是煤气同采绿色发展的基石与先行者。煤田地质透明化对于瓦斯精准抽采构想的实现起着关键作用。“十四五”期间煤炭行业地质保障领域重点研究煤系资源精细化勘查及时空变化条件下的矿产煤系地质精准探测及建模理论，针对瓦斯抽采工程时空属性的动态变化问题，进一步深化解决复杂条件下矿井地质环境动态监测及精细化分域判定技术。

采用煤系裂隙带属性叠前地震反演技术、4D-GIS透明地质技术、全数字高密度三维三分量地震勘探技术、槽波地震联合勘探、槽波雷达探测、高密度电法勘探试验等先进透明地质精细化解译技术，全方位保障矿井瓦斯抽采体系精准运转。

(2)智慧矿山是煤气同采创新发展的突破及决策者。以5G通信、AI技术以及数字孪生等为推动力的矿山运维智慧化理念从根本上决定着瓦斯精准抽采实现的可能性。瓦斯抽采的发展核心为技术体系的可靠准确性、运作精确性以及精细化管理，因此智慧矿山与瓦斯精准抽采深化对接应着重关注智能化钻探、智能动态封孔、抽采方案智能设计、抽采计量智能调控、抽采全流程可视化管理、评价反馈及决策等方面，多源、多空间、多维度保证瓦斯精准抽采体系的智慧转型。

3.2 瓦斯富集-提浓-利用一体化技术及装备

瓦斯全浓度梯级利用的关键在于低浓度瓦斯富集提浓以及中高浓度瓦斯高效利用。随着国家积极推行“双碳”目标落地，“十四五”期间乃至更长时间，以高效利用、绿色发展为主线的低碳利用技术会成为主流。

(1)技术层面，大力发展超低浓度乏风瓦斯销毁和余热利用、低(超低)浓度瓦斯超远安全输送及提质增效技术，系统开展瓦斯全浓度梯级利用一体化示范研究。

(2)装备开发层面，积极对接煤电、机械、材料以及清洁能源行业先进工艺，完善瓦斯利用领域“上—中—下”全产业链低碳循环发展路径，升级改造低品质瓦斯化学能热电转换装置、高效氧化提热、改性催化循环利用、大功率高效发电机组等装备，全方位打造瓦斯综合利用近零碳排放工艺体系，助力煤炭行业碳中和目标实现。

3.3 “CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术

CCUS技术作为“双碳”背景下硬减排技术的主抓领域，是提高煤炭行业碳循环利用水平的关键技术；土壤-地表-大气生态修复技术对于增加碳汇、实现近零碳排放具有重大意义。结合废弃地下空间(深部不可采煤层、采空区等)再利用理念，建立“CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术体系，重点解决如下问题：

(1)深部地下空间CO封存技术适用性。深部不可采煤层等应重点解决注入工艺、封存资源评估、CO运移实时监测监控等核心技术开发，积极开展面向复杂地层的CO-ECBM技术适用性研究；废弃矿井、采空区等应重点解决CO封存地质体泄漏路径探查、地下空间封堵工程(帷幕注浆等)、泄漏风险识别及监测监控预警、应急救援及处置等方面。

(2)碳封存区域土壤-地表-大气异常监测及生态修复技术。为应对煤矿CCUS技术存在土壤酸化、地下水污染以及CO泄漏至地表等可能风险，应着重研究封存区域适宜性评价、地表高二氧化碳耐受植物筛选、特殊菌群土壤酸化治理等内容，为CCUS技术在煤矿领域绿色可持续发展奠定基础。

3.4 全生命周期煤矿CH4-CO2动态监测及管控技术体系

针对煤矿CH及CO等长寿命温室气体对环境升温的胁迫效应，双碳目标下煤气同采理念着力研究瓦斯精准抽采、气体资源利用、CCUS技术实施以及矿区生态碳汇等全生命周期CH-CO动态监测响应等核心点。关键在于低碳融合-负碳排放技术中碳收支平衡核算监管、硬减排手段与碳汇增加有效性等内容。从全局出发，精细化管理保障全流程碳源处置利用和生态修复协同发展。

建立全生命周期煤矿CH-CO动态监测及管控技术体系应结合各行业“碳中和”实现路径，提升产业交叉融合科技创新能力，基于大数据云平台、生化环材等领域先进技术，重点解决硬科技实力发展滞后问题；同时亟解决完善相关政策支持及法律法规性质的权益保障，积极倡导并推进煤矿CH-CO协同减排产业化工程示范及商业运行。

4 结 论

(1)低碳融合与负碳技术作为双碳目标下煤矿煤气同采技术体系核心点，主要涵盖瓦斯抽采阶段、瓦斯利用阶段以及利用过程产生CO的捕集-封存-利用阶段。其总体思路为：在煤层瓦斯抽采利用的全生命周期创造一个封闭循环，以CH的形式从煤层中提取出碳，对经过利用后的CO进行捕集，最终通过CCUS等负碳技术手段以CO的形式封存至地下用以驱替煤层瓦斯或进行其他固碳手段，完成“内部闭圈消化”，旨在实现煤矿CH-CO近零碳排愿景，推动我国煤炭行业绿色循环发展。

(2)构建了以煤矿CH-CO近零碳排放为核心的全生命周期煤气同采技术体系，并简化分析该体系的碳源汇机制。结合笔者及其团队成果，深入探讨了煤矿瓦斯高效精准抽采、煤矿瓦斯全浓度梯级利用以及煤层CO捕获-封存-利用等关键技术问题。

(3)阐述了双碳背景下煤气同采技术的发展方向。① “地质透明化-抽采智慧化”与瓦斯精准抽采深度融合技术；② 瓦斯富集-提浓-利用一体化技术及装备；③ “CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术；④ 全生命周期煤矿CH-CO动态监测及管控技术体系。未来应积极倡导并推进煤矿CH-CO协同减排产业化工程示范及商业运行。