谢和平院士：煤炭开采未来新技术——深部原位流态化开采颠覆性技术

中国经济导报、中国发展网讯 记者鲍筱兰  12月21日，在广西南宁召开的2023年煤炭行业科技创新成果总结与新技术交流会议上，中国工程院谢和平院士系统地阐述了煤炭开采未来技术“深部原位流态化开采颠覆性技术”的构想与规划。介绍了深部固体资源原位流态化开采构想的定义和内涵；系统阐述了深部固体资源原位流态化开采的四大基础理论研究及十一大核心颠覆性技术。深部固体资源原位流态化开采颠覆了传统的固体资源开采模式，为深部固体资源的开发提供了全新思路。

煤炭等固体资源的70%以上埋深超过2000m，向深地要资源、要空间是未来发展的必然趋势。2016年，我国也提出“深地”国家科技战略。向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。但深部资源开采面临“高应力、高地温、高渗透压”以及更加剧烈的工程扰动，不同工程活动方式诱发的高应力和高量级的灾害更加凸显，导致深部资源开发作业环境恶化、难度高、成本高，并且灾害事故频率高、量级大、预测难，严重影响着深部资源的安全高效开采。考虑目前的技术水平支撑及深部地温等恶劣环境导致的作业人员生理机理的极限承受能力，煤炭资源的开采存在一个1800 m-2000 m的极限开采深度。而针对2000 m以深的极限开采深度以下的煤炭资源，需要超前研究攻关区别于现有技术基础的深部固体资源开采开发颠覆性原理技术与方法，打造与构建具有对2000 m以深固体资源开采开发的能力和战略科技力量。

针对上述难题，为探索攻关人类具有获取2000m以深的固体资源开采开发能力，谢和平院士于2014年6月在中国工程院国际工程科技大会上开创性地提出的深部固体资源原位流态化开采颠覆性构想。深部原位流态化开采就是将深部固体矿产资源原位转化为气态、液态或气固液混态物质，在井下实现无人智能化采选充及热电气转化的流态化开采技术体系；实现对深部固体资源采、选、冶、充、电、气在原位、实时和一体化开发。这颠覆了传统的固体资源开发的开采模式、运输模式和利用模式，为实现“地上无煤、井下无人”的深部资源开采提供了全新思路。

为实现深部煤炭资源流态化开采的“地上无煤、井下无人”，必须颠覆现有的井巷布局、开采方式和提升运输工艺，实现在2000m以深原位智能控制地开采破碎、原位电化、原位气化、原位液化，而输运至地面的就是电、气、热、氢等流体态能源。为此，谢和平院士又提出了深部煤炭资源流态化迴行开采的全新工艺和方法，类似手撕面包法。所提出深部煤炭资源流态化迴行开采方法，是一种包括深部原位盾构开采、破碎分离、原位液化、电化、气化，及原位负碳充填等环节的完整开采构想。

深部原位盾构开采环节包含精细探测、原位开采、岩层控制等；深部原位破碎分离包含破碎、洗选、分离，产物为煤粉/研石/瓦斯/废水/废料；深部原位液化包含原位煤炭液化、原位精细水煤浆等；深部原位电化包含原位煤粉爆燃发电、深部原位直接煤固体燃料电池、深部原位余热发电等；深部原位气化包含地下气化、深地原位地下水/废水制氢、原位CO2与原位瓦斯重整制CO和氢气等；负碳充填包含负碳矸石充填、矸石与胶体构建的高孔隙的CO2充填结构体等。深部原位深部煤炭资源流态化迴行开采结构及方法在进行深部煤炭资源开采时只需布设一个竖直大巷和一个流态资源井下输运中转站，不需要建设用于煤炭提升、运输的井巷,采区中基本不会留下残余煤柱。

深部固体资源原位流态化开采构想自2014年提出至今已不在概念层面，中煤科工集团、五矿集团、中国矿业大学、北京科技大学等企业高校已开展了多项有意义探索，并相继组建了深部煤炭流态化研发中心，成立了深部煤炭流态化研究所与研究院等。相关研究内容已列入国家自然科学基金委矿山开采工程学科中的学科研究方向，同时也列入面向2035国家重大科技专项的核心内容。

深部固体资源原位流态化开采理论与技术主要包括四大基础理论探索和“11+X”核心颠覆性技术构想。深部固体资源原位流态化开采四大基础理论主要包括深部原位流态化开采的采动岩体力学理论、深部原位流态化开采的“三场”可视化理论、深部原位流态化开采的原位转化多物理场耦合理论和深部原位流态化开采的开采、转化与输运理论。旨在建立全面的深部原位流态化开采动力学理论框架、多物理场耦合作用下煤炭原位液化、气化的非线性渗流与扩散理论体系及原位粘稠煤浆、精细化煤粉的远程管路输送的多相流体动力学理论。这些研究成果将为实现深部固体资源原位流态化、透明化、高效、智能化与科学开采提供坚实的科学依据。

深部固体资源原位流态化开采中“11+X”核心颠覆性技术构想包括深部煤与瓦斯物理流态化同采技术、深部原位负碳高效充填技术、深部原位零碳发电技术、深部原位废水/矿井水直接制氢技术等。不仅突破了传统开采模式的局限，还将极大地提高了资源利用率，为我国矿产资源总量的增加提供强有力的技术支撑。

谢和平院士提出的深部固体资源原位流态化开采构想是中国科学家率先提出的科学思想，具有原创性、前瞻性和颠覆性。虽然目前还在预研阶段，但相信在国家科技创新体系进程中，能产生一批0-1的原始理论创新，一系列0-1的颠覆性未来技术突破，为最终实现“地上无煤、井下无人”的深部煤炭固体资源开采开创全新格局。