12月21日，在廣西南寧召開的2023年煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新成果總結與新技術交流會議上，中國工程院謝和平院士系統(tǒng)地闡述了煤炭開采未來技術“深部原位流態(tài)化開采顛覆性技術”的構想與規(guī)劃。介紹了深部固體資源原位流態(tài)化開采構想的定義和內涵；系統(tǒng)闡述了深部固體資源原位流態(tài)化開采的四大基礎理論研究及十一大核心顛覆性技術。深部固體資源原位流態(tài)化開采顛覆了傳統(tǒng)的固體資源開采模式，為深部固體資源的開發(fā)提供了全新思路。
煤炭等固體資源的70%以上埋深超過2000m，向深地要資源、要空間是未來發(fā)展的必然趨勢。2016年，我國提出“深地”國家科技戰(zhàn)略。向地球深部進軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題。但深部資源開采面臨“高應力、高地溫、高滲透壓”以及更加劇烈的工程擾動，不同工程活動方式誘發(fā)的高應力和高量級的災害更加凸顯，導致深部資源開發(fā)作業(yè)環(huán)境惡化、難度高、成本高，并且災害事故頻率高、量級大、預測難，嚴重影響著深部資源的安全高效開采?？紤]目前的技術水平支撐及深部地溫等惡劣環(huán)境導致的作業(yè)人員生理機理的極限承受能力，煤炭資源的開采存在一個1800m-2000m的極限開采深度。而針對2000m以深的極限開采深度以下的煤炭資源，需要超前研究攻關區(qū)別于現(xiàn)有技術基礎的深部固體資源開采開發(fā)顛覆性原理技術與方法，打造與構建具有對2000m以深固體資源開采開發(fā)的能力和戰(zhàn)略科技力量。
針對上述難題，為探索攻關人類具有獲取2000m以深的固體資源開采開發(fā)能力，謝和平院士于2014年6月在中國工程院國際工程科技大會上開創(chuàng)性地提出的深部固體資源原位流態(tài)化開采顛覆性構想。深部原位流態(tài)化開采就是將深部固體礦產(chǎn)資源原位轉化為氣態(tài)、液態(tài)或氣固液混態(tài)物質，在井下實現(xiàn)無人智能化采選充及熱電氣轉化的流態(tài)化開采技術體系；實現(xiàn)對深部固體資源采、選、冶、充、電、氣在原位、實時和一體化開發(fā)。這顛覆了傳統(tǒng)的固體資源開發(fā)的開采模式、運輸模式和利用模式，為實現(xiàn)“地上無煤、井下無人”的深部資源開采提供了全新思路。
為實現(xiàn)深部煤炭資源流態(tài)化開采的“地上無煤、井下無人”，必須顛覆現(xiàn)有的井巷布局、開采方式和提升運輸工藝，實現(xiàn)在2000m以深原位智能控制地開采破碎、原位電化、原位氣化、原位液化，而輸運至地面的就是電、氣、熱、氫等流體態(tài)能源。為此，謝和平院士又提出了深部煤炭資源流態(tài)化迴行開采的全新工藝和方法，類似手撕面包法。所提出深部煤炭資源流態(tài)化迴行開采方法，是一種包括深部原位盾構開采、破碎分離、原位液化、電化、氣化，及原位負碳充填等環(huán)節(jié)的完整開采構想。
深部原位盾構開采環(huán)節(jié)包含精細探測、原位開采、巖層控制等；深部原位破碎分離包含破碎、洗選、分離，產(chǎn)物為煤粉/研石/瓦斯/廢水/廢料；深部原位液化包含原位煤炭液化、原位精細水煤漿等；深部原位電化包含原位煤粉爆燃發(fā)電、深部原位直接煤固體燃料電池、深部原位余熱發(fā)電等；深部原位氣化包含地下氣化、深地原位地下水/廢水制氫、原位CO2與原位瓦斯重整制CO和氫氣等；負碳充填包含負碳矸石充填、矸石與膠體構建的高孔隙的CO2充填結構體等。深部原位深部煤炭資源流態(tài)化迴行開采結構及方法在進行深部煤炭資源開采時只需布設一個豎直大巷和一個流態(tài)資源井下輸運中轉站，不需要建設用于煤炭提升、運輸?shù)木?/span>,采區(qū)中基本不會留下殘余煤柱。
深部固體資源原位流態(tài)化開采構想自2014年提出至今已不在概念層面，中國煤炭科工集團、五礦集團、中國礦業(yè)大學、北京科技大學等企業(yè)高校已開展了多項有意義探索，并相繼組建了深部煤炭流態(tài)化研發(fā)中心，成立了深部煤炭流態(tài)化研究所與研究院等。相關研究內容已列入國家自然科學基金委礦山開采工程學科中的學科研究方向，同時也列入面向2035國家重大科技專項的核心內容。
深部固體資源原位流態(tài)化開采理論與技術主要包括四大基礎理論探索和“11+X”核心顛覆性技術構想。深部固體資源原位流態(tài)化開采四大基礎理論主要包括深部原位流態(tài)化開采的采動巖體力學理論、深部原位流態(tài)化開采的“三場”可視化理論、深部原位流態(tài)化開采的原位轉化多物理場耦合理論和深部原位流態(tài)化開采的開采、轉化與輸運理論。旨在建立全面的深部原位流態(tài)化開采動力學理論框架、多物理場耦合作用下煤炭原位液化、氣化的非線性滲流與擴散理論體系及原位粘稠煤漿、精細化煤粉的遠程管路輸送的多相流體動力學理論。這些研究成果將為實現(xiàn)深部固體資源原位流態(tài)化、透明化、高效、智能化與科學開采提供堅實的科學依據(jù)。
深部固體資源原位流態(tài)化開采中“11+X”核心顛覆性技術構想包括深部煤與瓦斯物理流態(tài)化同采技術、深部原位負碳高效充填技術、深部原位零碳發(fā)電技術、深部原位廢水/礦井水直接制氫技術等。不僅突破了傳統(tǒng)開采模式的局限，還將極大地提高了資源利用率，為我國礦產(chǎn)資源總量的增加提供強有力的技術支撐。
謝和平院士提出的深部固體資源原位流態(tài)化開采構想是中國科學家率先提出的科學思想，具有原創(chuàng)性、前瞻性和顛覆性。雖然目前還在預研階段，但相信在國家科技創(chuàng)新體系進程中，能產(chǎn)生一批0-1的原始理論創(chuàng)新，一系列0-1的顛覆性未來技術突破，為最終實現(xiàn)“地上無煤、井下無人”的深部煤炭固體資源開采開創(chuàng)全新格局。
來源：蔻峰論壇
