煤矿能源资源高效利用发展研究.docx

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1、一、前言我国是能源消费及进口大国，面对错综复杂的外部环境以及双碳战略目标牵引下的能源转型进程，需深入推进能源革命，加强能源“产-供-储-销体系建设，确保能源安全。因此，丰富能源供给形式、提高能源利用效率、加强多种能源之间的协同互补能力成为保障能源安全的必然选择。煤炭作为我国的重要能源，在较长时期内其主导地位不会改变。然而，随着我国经济的快速发展，全社会对能源需求的规模及多样性持续增加，煤炭产业高耗能、高污染的特性制约了其可持续发展路径的开展。近年来，煤炭行业迎来了前所未有的低碳转型挑战机遇，我国在重视和推动煤炭行业的转型发展的同时，给予了多项政策倾斜与支持。2021年，国家能源局、科学技术部印

2、发的十四五能源领域科技创新规划提出，开展涌水、低浓度瓦斯、矿井余热等能源资源利用相关示范。2022年，国家发展和改革委员会、国家能源局在关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见中指出，完善煤砰石、涌水、矿井瓦斯等资源综合利用政策，鼓励利用煤矿资源优势开展新能源及储能项目的建设。2022年，中央经济工作会议提出，把握以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用，提高新能源消纳能力，促进煤与新能源的优化组合。煤矿能源资源种类多，电、热、冷、气等用能需求多样，但由于煤矿区较为粗放的能源管理方式以及分散的能源供给策略，使源端大量能源资源难以与多元需求相匹配，造成了资源浪费和额外的碳排放。近年来，国

3、内外在煤矿能源资源高效利用方面做了大量研究，主要集中在煤矿能耗分析、资源利用、煤矿综合能源系统等方面，如美国已准备将煤矿转变为清洁能源中心，计划在煤矿建设光伏、风力等多种清洁能源电站；我国煤矿能源资源利用仍处于起步阶段，相关资源的利用效率、清洁化利用水平等有待提升。进一步发挥煤矿能源资源禀赋优势，通过物质-能量循环利用和优化调度策略，提升煤矿能源资源利用效率是未来实现煤矿能源资源高效利用的研究重点。文章梳理煤矿能源资源利用现状的基础上，分析其面临的挑战及未来的发展趋势，总结煤矿能源资源利用的关键技术与发展路径，并提出发展建议，以期为推动煤炭行业低碳发展研究提供参考。二、煤矿能源资源利用现状（一

4、）能源资源现状根据性质和产生方式的不同，可以将煤矿能源资源分为常规资源、煤炭伴生资源和其他资源3类。1 .常规资源常规资源主要包括煤炭、太阳能、风能、地热能等。我国煤矿主要分布在华北、西北地区，分布区域与太阳能、风能、地热能等新能源资源富集区高度吻合，在地理空间上存在较大的重合性。根据我国煤炭资源储量排名前十的省份所对应的新能源资源储量情况来看（见图1）,在煤炭资源丰富的地区，其太阳能、风能资源在全国的占比超过80%,地热资源在全国的占比超过50%O省份煤炭储量；太阳能；风能；地热能图1我国煤炭资源储量排名前I的省份对应的新能源资源情况2 .煤炭伴生资源煤炭伴生资源由煤炭开采衍生而来，主要包括

5、煤砰石、煤层气（煤矿瓦斯）、乏风瓦斯、涌水等。其中，煤肝石来源于采煤、洗煤过程中排放的固体废弃物，主要成分为AI2O3、SiOz以及含有铁、钙等的氧化物；我国煤砰石的产量大，2021年的产量约为7.43xl0三t。煤层气来源于煤和围岩中的CH八CO2和M的混合气体，属于非常规天然气，是一种新型清洁能源；我国每年直接排放的低浓度瓦斯总量约为L32xl（?m3。乏风瓦斯又称煤矿风排瓦斯，是瓦斯浓度低于0.75%的煤矿瓦斯，虽然浓度极低，但其排放量很大，我国每年排入大气中的乏风瓦斯超过1.5x10。rv涌水是在矿井开采过程中，大气降水、地下水等通过各种通道涌入井下所形成的。图2为20172021年我

6、国原煤及伴生资源矿井的产量情况。由图2可知，我国原煤产量在持续增长的同时，煤炭伴生资源产量也随之增长。煤层气产量；矿井排水量(a)煤层气及矿井水产量CEO7、疆世45403530252015105020172018201920202021时间/年原煤产量；煤肝石产量(b)原煤及煤肝石产量rOIXe忙图220172021年我国原煤及伴生资源产量情况3 .其他资源煤矿区的其他资源主要是空气压缩机余热、矿井地下空间和地表塌陷区等。空气压缩机余热资源指煤矿空气压缩机工作过程中产生的高温高压油气混合物所带来的热能，温度通常为80100C,约占空气压缩机输入电能的80%93%,属于能源转换过程中的余热。矿

7、井地下空间是由井下设备转移或矿井开采结束所留下的地质空腔，多分布在废弃/关闭的矿井中。地表塌陷区是由矿山开采结束后，采空区上方覆岩层应力平衡受到破坏所形成的地表塌陷区域，在废弃/关闭矿井中较为常见。目前，我国待开发利用的废弃矿井约有IOooo多处，矿井地下空间资源超过1.56x10。m3,每年新增煤矿地表塌陷区面积超过60000km。十五时期以来，我国废弃/关闭的矿井数量情况如图3所示，预计2030年我国废弃/关闭矿井数量将达到15000处。16 00014 00012 00010 000800060004000200096168000 WQ 7250 7448ll15000“十五”“十一五”

8、 “十二五” “十三五” 2030年预计图3十五以来我国废弃/关闭矿井数量（二）能源需求特性按开采方式的不同，煤矿可分为井工煤矿和露天煤矿两类。我国主要以井工煤矿开采为主，这两类煤矿的能源资源特性如下。1 .井工煤矿井工煤矿能源需求按功能区的不同，可分为生产区负荷和生活区负荷，各功能区内均包含电、热、冷、气等能源需求（见表1）。井工煤矿生产区负荷具有鲜明的峰谷时段特征，即采煤时段用能较多，非采煤时段（检修期）用能较少。井工煤矿电负荷主要包含采煤机、刮板输送机、皮带运输机、抽水泵、通风机等；由于煤炭开采机械设备种类多、功率容量大，生产区负荷的电能需求占煤矿总电能需求的绝大部分。井工煤矿热负荷包括

9、井筒防冻、建筑采暖以及洗浴热水供应,其中井筒防冻主要是应对寒冷季节或寒冷地区可能发生的冻结现象；全时段洗浴热水供应则是为保障矿工在煤矿三班倒工作制下的洗浴需求。以某12Mt/a的井工煤矿为例，其总用电负荷为53529.78kW,其中生产区负荷为52426.48kW,占总用电负荷的97.94%；在-17条件下，该煤矿的总热负荷为21162kW,其中井筒防冻、采暖、热水供应占比分别为53.7%、39.7%、6.6%0井工煤矿冷负荷主要包括井下供冷、建筑供冷等。受开采深度、地热、设备散热等因素影响，在井下温度较高的地区需通过供冷操作，降低井下环境温度以保障工人的生命安全。此外，井工煤矿还存在天然气、

10、N2等与煤矿生产紧密相关的能源需求。表1井工煤矿多元用能褥求能源类型生产区生活区电采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机、皮带运输机、水源热泵、地源热泵、空气源热泵、公寓等给煤机、抽水泵、瓦斯抽放泵、通风机、洗选煤厂等热冷气井筒防冻、井下嗣室、职工澡堂等餐厅、公寓、办公楼等井下供冷、生产建筑等行政及辅助建筑等燃气锅炉、注氮站餐厅2.露天煤矿露天煤矿在穿爆、采装、运输、排土、辅助以及办公建筑等方面存在用能需求（见表2）,主要是机械设备对能源的消耗，其中以柴油和电力为主以及少部分的汽油。以某20Mt/a的露天煤矿为例，其年度电力总能耗为8.295107kWh,柴油总能耗为73154t,汽油总能耗为27

11、9.5to表2露天煤矿多元用能福求能源类型设备电力柴油钻机、电铲、办公楼等装卸机/反铲、自卸卡车、推土机、平路机、洒水车、压路机等汽油调度车等（三）资源利用现状1.常规资源目前，煤矿常规资源利用主要包括燃煤发电、光伏发电、风力发电、地热资源开发等，以实现传统火力发电与新能源发电的耦合。燃煤发电，利用传统燃煤机组，将煤的化学能转化为电能。光伏发电，在煤矿建筑屋顶及周边空地布置光伏板，增加煤矿能源供给形式，如新疆哈密大南湖二矿分布式光伏项目O风力发电，通过在煤矿周围风能富集区建设风力发电单元，实现对煤矿的电能供给，如加拿大Raglan矿井大型风能发电系统。（4）地热资源，利用矿井井下生产优势，在建

12、井时兼顾地热资源的开发,根据矿井地温赋存差异,进行矿井水、岩温、混合型地热的开发利用。2 .煤炭伴生资源煤炭伴生资源与煤炭开采息息相关，是煤矿最具开发利用潜力的一类能源资源。煤肝石经预处理后可回收其中的煤、黄铁矿等有用矿物；也可用作砰石发电的原材料，产生的灰渣可作为砖块、路基、土壤改良剂、充填煤矿沉陷区等材料。近年来，随着煤肝石发电、制砖、充填等规模性消纳项目的实施，煤砰石综合利用率持续增长，2021年我国综合利用的煤砰石约为5.43xl08t,综合利用率达73.1%。（2）煤层气按所含瓦斯浓度的不同，分为低浓度瓦斯（浓度为l%30%）、抽采瓦斯（浓度为30%80%）和高浓度瓦斯（浓度为80%

13、100%）。低浓度瓦斯多用于蓄热氧化、燃烧发电或提纯后利用；抽采瓦斯经煤水气分离装置分离出其中的水气后，可用作民用及化工原料；高浓度瓦斯可作为燃料，直接经管道外输加以利用。目前.，我国煤矿瓦斯综合利用率不足50%,今后的可利用空间较大。山西省能源局在关于推动煤矿瓦斯综合利用的指导意见中提出,到2025年力争全省瓦斯利用率达到50%,煤矿瓦斯的高效利用任重道远。乏风瓦斯的主要利用方式是蓄热氧化、余热回收等。蓄热氧化技术通过蓄热氧化装置将乏风中低浓度瓦斯转换为热能，余热回收则是通过热泵提取矿井回风中的低温废热。我国乏风氧化技术在山西、陕西等省份已实现工业化运行，但由于乏风瓦斯排放总量显著，实现乏风

14、瓦斯的完全利用仍有困难。矿井涌水的利用方式包括余热回收和净化利用。余热回收一般通过热泵回收矿井排水中的低温余热;净化利用则是对矿井水进行净化除杂，用于喷洒除尘、绿植灌溉等。目前我国煤矿矿井涌水的平均利用率约为35%,水资源浪费情况较为严重。3 .其他资源煤矿空气压缩机余热资源的利用方式主要有热风直接利用和热水直接利用，资源回收利用效率较高，但由于涉及设备建设或改造、大量资金投入等，尚未在煤矿区广泛推广和应用，余热资源利用潜力有待提升。（2）矿井地下空间通常可以进行储能（抽水蓄能、压缩空气储能等）、封存CO2,也可以改造为地下实验室、地下养殖、人防工程等。煤矿地表塌陷区资源主要围绕经济与生态功能

15、进行开发利用，包括新能源开发、农林复垦、水产养殖、水库蓄水等。由于矿井地下空间、煤矿地表塌陷区资源利用属于煤炭开采后期，资源利用对于煤矿企业而言不具有显著的经济效益，导致大量废弃矿井资源遭到浪费。三、煤矿能源资源利用面临的挑战与发展趋势（一）煤矿能源资源利用面临的挑战1 .煤炭伴生资源的综合利用水平较低煤炭伴生资源种类丰富、总量大，利用效率不高。对于单类伴生资源而言，即使70%的综合利用率，也会造成大量的资源浪费与环境污染，因此，单个伴生资源的综合利用水平仍需进一步提升。煤矿各伴生资源分散分布的特点决定了其分散利用的格局，不能充分发挥各伴生资源能源品位及时空分布优势，因此，对于多类型煤炭伴生资源而言，其多资源聚合模式以及耦合利用机理有待进一步探明。2 .资源动态演化下煤矿多环节物质-能量耦合传输链路尚不清晰煤矿资源动态演化导致全生命周期内煤矿运行场景的复杂多样性，加之随着煤矿生产多环节能量输入与物质产出的差异性、生产及生活用能中各能流的强耦合特性，使得煤矿多环节物质-能量耦合传输链路愈加混杂不清。此外，对煤矿物质生产和能量耦合的特性和调控机制缺乏清晰的认识，难以优化和调节链路中的各个环节以实现煤矿物质-能量的高效耦合利用。3 .缺少