王双明院士：“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

CO2地下封存是实现CCUS技术的重要组成部分。目前，CO2地下封存技术的基本思路为：将集中排放源分离得到的CO2注入地下具有合适封闭条件的地层中隔离封存。常见的地下封存方式包括利用沉积盆地内深部咸水层、油气田以及不可开采深部煤层封存。但这些方式多以CO2超临界状态处理为前提，普遍存在技术要求高、综合投入成本高、对储层封闭地质特征及埋深条件存在明显约束、无法进行大规模封存等问题。因此，探索大规模、低成本的CO2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。

据预测，到2030年我国废弃矿井数量将达到1.5万个，若按每个矿井地下空间60万m3测算，具有约72亿~90亿m3的潜在空间。

若能科学论证开采扰动空间进行CO2地下高效封存所需地质条件，进而开展适宜于CO2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CO2回到哪儿去”的可持续发展思路。

根据上述思路，王双明院士在对煤炭开采扰动空间地质特点分析的基础上，探究了煤炭开采扰动空间高效封存CO2的必备条件，提出了适宜于煤矿开采过程中进行CO2封存的3种潜在技术：煤层采空区碎裂岩体CO2封存技术、煤地下气化煤灰及碎裂岩体CO2封存技术、煤原位热解半焦CO2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。相关研究成果以《“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》（扫描下方二维码下载原文）为题刊登在了《煤炭学报》2022年第1期

在进行CO2地下封存时，往往选择埋深＞1000m的深部地层，并通过压力控制使CO2处于超临界状态实现大规模封存，但这会导致压注阻力较大、封存成本偏高。在本研究中，通过论证得出：无论何种CO2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。即在煤矿开采区，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CO2封存，与地层埋深关系并不十分密切。
事实上，埋深≤1000m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CO2规模化封存。因此，本次研究提及的煤炭开采扰动空间系指中浅部煤层（埋深≤1000m）开采过程中形成的地下采空区及其扰动影响范围区。
研究明确了实现CO2地下高效封存的必备条件：①煤层上部存在不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO2封存的先决要求；②构建功能性充填空间是实现CO2地下封存的核心工作；③由功能性充填体围限的碎裂岩体、气化煤灰及热解半焦等封存载体物性特征是影响CO2封存量及封存效果的重要因素。

1煤层采空区碎裂岩体CO2封存技术

封存理念：首先利用功能性充填技术，回采采煤工作面四侧的煤柱，并同步构筑功能性“回”形充填体，完成采煤工作面四周封闭。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。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CO2地下封存空间，实现以采煤工作面为单元采空区碎裂岩体CO2封存。

煤层扰动空间CO2封存地质要素

煤矿开采扰动空间的典型CO2封存载体

技术途径：煤层采空区碎裂岩体CO2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CO2充注阶段。

煤层采空区碎裂岩体CO2封存技术示意

“回”形充填构筑CO2地下封存空间

煤层采空区碎裂岩体CO2封存技术关键技术难题：煤层采后CO2盖层封闭性评价、CO2封存空间构筑、扰动空间探测与CO2封存潜力评价、CO2充注调控与封存效果监测及评估。

煤层采空区碎裂岩体CO2封存技术难题
2煤地下气化空间CO2封存技术

封存理念：煤炭地下气化是未来深部煤炭开采的重要方式之一。气化炉在气化后会形成体积可观的地下空间，可作为封存CO2场地。在煤炭进入地下气化阶段，随着O2的不断注入，煤炭发生可控燃烧，固态煤炭不断转化成为H2、CO、CO2及烃类气体等气态物质从生产孔排出，地下空腔随气化进程不断增大。在气化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。研究在此基础上提出利用UCG后的地下空间结构和物质实现CO2的地质封存目标。

煤地下气化空间 CO2封存模式示意
利用UCG地下空间封存CO2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。

气化灰渣CO2化学吸附封存原理（以Ca2+为例）

技术途径：本研究所提的CO2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，兼用物理封存。化学封存主要是利用气化灰渣（也可利用发电厂的粉煤灰）中大量的碱土金属氧化物水化后的金属阳离子，与CO2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；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CO2。

煤地下气化空间CO2封存技术流程及关键问题

利用UCG地下空间进行CO2地质封存包含4个关键技术难题：UCG气化选址与水平隔离墙构筑、气化空间探测与封存能力评价、CO2注入封存与调控技术、CO2封存效果监测与评价。

3煤原位热解半焦CO2封存技术

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，现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，CO2注入阻力降低。

富油煤原位热解-CO2封存基本过程

术途径：井工式富油煤原位热解半焦CO2封存技术主要包括4个阶段：煤层分割充填阶段，煤层预裂阶段，煤层热解阶段，CO2充注阶段。

富油煤原位热解半焦CO2封存关键问题

煤原位热解半焦CO2封存技术关键技术难题：富油煤原位热解与CO2封存均尚处于初步探索阶段，CO2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。

作者简介

王双明，男，1955年生，陕西岐山人，中国工程院院士，教授，博士生导师，西安科技大学学术委员会主任，陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室主任，是国家有突出贡献专家。先后获国家科技进步二等奖3项，省部级一等奖6项。公开发表论文30余篇，出版专著4部。荣获“李四光地质科学奖”。2017年当选中国工程院院士。

研究方向

煤炭地质，煤矿区减损开采与环境保护

主要成果

揭示了鄂尔多斯盆地煤炭资源总体分布特征和赋存规律，查明了全盆地煤炭资源总量，为煤炭工业战略西移提供了科学依据和资源保障；建立了煤田综合勘查技术体系，体现出勘查周期短，成本低，精度高等特点；提出了以生态水位保护为核心的矿区生态环境保护新技术；提出了富油煤作为煤基油气资源勘探开发理论，为煤炭清洁、高效、低碳发展提供了新途径；探索了煤矿井下CO2高效封存地质条件判识及封存技术，为实现煤矿开采扰动空间CO2封存技术发展提供了新参考。

王双明，申艳军，孙强，等. “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［J］. 煤炭学报,2022,47(1):45-60.

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