碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻

碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻

梁胜建

河南省有色金属地质勘查总院 河南 郑州 450052

摘要：本文概述了碳中和地质技术的形成背景及其在碳中和知识体系中的定位，提出了碳中和地质技术的概念和内涵，评述了关键碳中和地质技术的国内外进展，分析讨论和前瞻了碳中和地质技术在煤炭低碳化开发利用进程中的重要应用方向、应用模式和发展前景。已有研究工作表明：作为碳中和知识体系的碳中和科学与工程交叉学科正在形成，在地球科学基本背景上碳中和相关学科群交叉融通形成了当前碳中和科学与工程主要研究领域和技术发展方向，碳中和地质技术是碳中和科学与工程交叉学科的重要组成部分，也是实现碳中和目标的关键技术；二氧化碳捕集利用与封存技术、生态地质与碳增汇技术、煤层中甲烷减排与资源化开发利用技术、化石能源低碳化开发利用地质技术、地热资源高效勘查与开发技术、新能源高效安全开发利用地质保障技术、矿化固碳地质技术和地球工程等构成了碳中和地质技术的当前核心内涵；以CCUS（CarbonCapture,UtilizationandStorage，碳捕集、利用与封存）大规模集群化部署与全流程技术、煤层甲烷接续高效抽采与低浓度瓦斯（含乏风瓦斯）利用技术、煤型关键金属探采选冶全流程技术、矿区生态地质修复重构与碳增汇技术、干热岩型地热地质新能源勘查开发利用技术、供能蓄能一体化水电和核电等新能源开发利用地质工程保障技术、太阳辐射管理前沿技术探索为代表，关键碳中和地质技术已取得重要进展；CCUS将成为低排放燃煤发电、煤转化、煤制氢、煤制特种燃料、煤基材料等煤炭低碳洁净高效利用关键技术的关键，煤炭基地或煤矿区CCUS以煤基CO₂源、煤系CO₂地质碳汇、CO₂矿化固定与采空区充填封存为技术特色且具有紧迫需求；从原位煤层气高效勘探开发、煤矿瓦斯井下-地面协同高效抽采、关闭矿井瓦斯高效抽采到低浓度和乏风瓦斯高效利用，煤层甲烷高效抽采利用与减排综合技术应用模式将得到快速发展和推广；通过覆岩变形控制与地表植被生态系统保持、水资源与区域生态系统保护、采动裂隙与温室气体大气排放控制、数字矿山与节能提效等方式发展和应用绿色智慧矿山地质保障技术，实现煤炭生产过程减碳；应用煤矿区生态修复与碳增汇技术，实现煤矸石处置与减污降碳协同、塌陷区治理与碳增汇、土地整治利用与增汇固碳；加快应用和发展煤系共伴生资源共探共采与碳减排技术，实现煤系气、煤型关键金属高效勘查开发利用突破，对服务我国低碳洁净高效安全新能源体系构建和实现源头减碳意义重大。

关键词：碳中和地质技术；概念与内涵；关键进展；应用模式

引言

我国的矿产资源无论在种类还是在储量上都十分丰富，但是由于我国巨大的人口基数，导致了人均矿产资源相对降低的情况。矿产资源在生产和生活中得到了广泛的应用，特别是在我科技和经济飞速发展的新形势下，社会发展对矿产资源提出了更高的需求。如何科学有效地开展地质探矿工程，提高矿产资源的开采率和利用率，是目前我国矿产行业面临的主要问题。通过应用先进的地质勘探技术进行矿产资源勘探工作，不仅是实现矿产行业长期发展的重要途径，更是保证我国国民经济的持续进步的重要保障。进入21世纪以来，我国在地质勘探技术应用方面进行了大量的研究和实践，并取得了不错的成绩，为探矿工程的安全性和矿产资源的顺利开采提供了宝贵的理论依据和实践基础。

1碳中和地质技术内涵

碳中和地质技术是指以实现碳达峰碳中和为目标，以地球科学的理论、方法、手段为关键基础，以碳减排增汇为核心工作内容，发展和创新形成的技术科学、技术设计、技术工艺、技术材料装备及其工程应用模式等。是碳中和知识体系或碳中和科学与工程交叉学科的重要组成部分，也是实现碳中和目标的关键技术。基于碳中和与地球科学关系的分析，碳中和地质技术包括但不限于：以CO2地质封存为核心的二氧化碳捕集利用与封存技术，以生态地质修复重构为核心的生态碳汇和增汇技术，以煤层气\煤矿瓦斯高效抽采和低浓度瓦斯利用为核心的煤层中甲烷减排与资源化开发利用技术，以洁净煤地质、原料煤资源勘查、新型地下煤气化、矿井（井工或露天）或油气井温室气体逸散逸失控制为核心的化石能源低碳化开发利用地质技术，以增强型地热勘查开发、CO₂地质封存与增强型地热发电为核心的地热资源高效勘查与开发技术，以新能源材料地质保障、核能燃料地质保障、新能源开发地质工程保障为核心的新能源高效安全开发利用地质保障技术，以矿山固废矿化固碳、钢渣矿化固碳为核心的矿化固碳地质技术，和以太阳辐射管理工程为核心的地球工程。

2碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用

2.1化石能源开发甲烷减排技术

甲烷作为第二重要的温室气体，其20年水平（短周期）和100年水平（长周期）的全球增温潜势分别是等体积二氧化碳的84倍和28倍。2020年甲烷占全球温室气体排放量的14%，其中超过总排放量54%的甲烷均来自与人类相关的能源活动，而其中煤炭和油气行业则是甲烷的最大排放源之一。油气行业排放甲烷的主要来源是未利用油田天然气的直接排放，常用减排措施是采取油田气回注地下或点燃火炬的办法。而针对天然气供应链中无组织的甲烷泄漏，可利用现代信息化泄漏检测与修复（LeakageDetectionandRepair，LDAR）技术进行甲烷排放治理。煤矿生产甲烷排放及采空区甲烷逸散是煤矿甲烷最主要的排放来源，煤层气开发和煤矿瓦斯抽采利用是目前控制煤炭开采甲烷大气排放的主要技术途径，其中煤矿瓦斯抽采利用包括煤炭开采前瓦斯预抽、采中采动瓦斯抽采和采后采空区瓦斯抽采，以及风排低浓度瓦斯利用和废弃矿井瓦斯抽采利用等。煤层中甲烷能源气体开发、灾害气体防治与温室气体减排的协同技术成为未来重要研究方向。

2.2应用先进的钻探技术

应用先进的钻探技术是保证地质探矿工程顺利进行的基础，结合工程的实际情况，不断调整和优化钻探技术是提高工程安全性和稳定性的重要途径。因此需要做到以下几点：首先，施工单位在进行钻探作业前，需要对工程所在地区的地质条件和环境特点进行科学地分析，利用计算机信息技术对岩石勘探问题进行自动化分析，选择合理的钻探技术，这样做不仅可以降低施工成本，还能保证施工过程安全性和稳定性。其次，要充分借助政府在地质探矿工程中的主导作用，在准守法律法规和行业规范的前提下进行地质探矿工作，并且还要对自身的规章制度进行适当的优化，使之满足当前项目的需求，不断加强对施工过程的监督和管理力度，提高钻探过程的安全性；最后，要以可持续发展的基本原则，应用钻探技术时注重对周围环境和生态的保护。

结语

碳中和知识体系—碳中和科学与工程交叉学科正在形成，地球科学构成了碳中和知识体系的重要基础；在地球科学基本背景上碳中和相关学科群交叉融通形成了当前碳中和科学与工程主要研究领域和技术发展方向；碳中和地质技术是其中与地球科学密切相关技术方向的集成，成为碳中和科学与工程交叉学科的重要组成部分，也是实现碳中和目标的关键技术。

参考文献

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