“在我國‘晉陜蒙寧甘’5個省份，如果將地下水庫這項技術(shù)在西部適宜的地區(qū)推廣應(yīng)用，預(yù)計每年能夠保護(hù)利用20億噸礦井水，可有效支撐礦區(qū)周邊的生態(tài)修復(fù)和煤電、煤制油、煤化工等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，帶動工業(yè)增加值4000億左右。到2035年，如果礦井水利用率達(dá)到80%，西部礦區(qū)每年可多利用23億立方米礦井水，按每立方米水價格3元計算，可創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益115億元，能夠支撐32萬公頃的生態(tài)復(fù)墾、1億噸煤制油和2000萬噸煤制烯烴生產(chǎn)，帶動工業(yè)增加值4000億左右?！?/span>
“一種地下水庫壩體及其構(gòu)筑方法”，“多名院士高度評價該技術(shù)，認(rèn)為該專利技術(shù)開辟了礦井水高效保護(hù)利用技術(shù)新途徑，為破解西部煤炭開發(fā)中水資源短缺的制約提供了有效途徑，對我國西部大型能源基地建設(shè)，保障我國能源安全具有重要意義。該技術(shù)整體處于國際領(lǐng)先水平，對于破解我國工業(yè)和生活缺水問題具有重大戰(zhàn)略意義。”
黨的二十大報告指出，實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革。要“深入推進(jìn)能源革命，加強(qiáng)煤炭清潔高效利用，加大油氣資源勘探開發(fā)和增儲上產(chǎn)力度，加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系，統(tǒng)籌水電開發(fā)和生態(tài)保護(hù)，積極安全有序發(fā)展核電，加強(qiáng)能源產(chǎn)供儲銷體系建設(shè)，確保能源安全”。
2022年7月，“一種地下水庫壩體及其構(gòu)筑方法”的發(fā)明獲得第二十三屆中國專利金獎，專利發(fā)明者為國家能源集團(tuán)科技部主任、煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實驗室副主任李全生教授。如何確保既發(fā)揮電力保供主體地位，又要實現(xiàn)靈活調(diào)峰，支撐新能源大規(guī)模大比例并網(wǎng)發(fā)展？煤礦地下水是否可以實現(xiàn)循環(huán)利用？煤化工領(lǐng)域下一步的重點(diǎn)攻關(guān)方向又有哪些？就煤炭、能源安全及專利發(fā)明相關(guān)話題，李全生教授回答了記者提問。
李全生教授
1、煤炭是我國主體能源和能源安全供應(yīng)的基石，也是未來我國“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的兜底保障能源，您認(rèn)為煤炭能源結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)作用體現(xiàn)在哪幾個方面？
答：過去十年，中國以年均3%的能源消費(fèi)增速支撐了平均6.6%的經(jīng)濟(jì)增長。煤炭占我國已探明化石能源資源總量的94%左右，貢獻(xiàn)了新中國成立以來70%以上的一次能源；盡管煤炭消費(fèi)占比在下降，但2021年仍占一次能源消費(fèi)比重的56%，占化石能源產(chǎn)量的86%，其主體地位不言而喻，是我國能源安全供應(yīng)的基石。去年煤炭供應(yīng)緊缺造成20余個省區(qū)拉閘限電，嚴(yán)重影響國家能源安全，其主要原因是煤炭供應(yīng)不足。
富煤貧油少氣是我國國情。而以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以根本改變。實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，必須立足國情，堅持穩(wěn)中求進(jìn)、逐步實現(xiàn)，不能脫離實際、急于求成，搞運(yùn)動式“降碳”、踩“急剎車”。不能把手里吃飯的家伙先扔了，結(jié)果新的吃飯家伙還沒拿到手。煤炭作為我國主體能源，要按照綠色低碳的發(fā)展方向，對標(biāo)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)任務(wù)，立足國情、控制總量、兜住底線，有序減量替代，推進(jìn)煤炭消費(fèi)轉(zhuǎn)型升級。
煤炭在未來能源結(jié)構(gòu)中有三個基礎(chǔ)作用：一是煤炭在一次能源供應(yīng)的基礎(chǔ)保障作用；二是煤電在新型電力系統(tǒng)中的基礎(chǔ)調(diào)峰作用；三是煤炭在工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)能源和原料，特別是在化工、鋼鐵、水泥等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
目前，國家已出臺了一系列煤炭增量保供的政策，保障了國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。中國工程院研究成果表明，煤炭作為我國主體能源的地位短時期內(nèi)很難改變，預(yù)計2030年煤炭在我國一次能源消費(fèi)中的占比為50%，2050年煤炭消費(fèi)量在一次能源消費(fèi)中的占比約為40%。
2、煤炭在國家能源保障中的重要性不言而喻。那么現(xiàn)階段我國煤炭開采存在哪些方面的難點(diǎn)？有哪些亟需解決的問題？對此我們國家又有哪些科技創(chuàng)新成果，取得了哪些成效？
答：當(dāng)前，我國煤炭開發(fā)重心加快向西部和深部轉(zhuǎn)移，大規(guī)模煤炭開發(fā)受安全和生態(tài)約束加大，煤炭綠色開采和安全生產(chǎn)技術(shù)難度大，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)任重道遠(yuǎn)，安全事故還沒有完全消除，距離科學(xué)采礦的要求仍然存在明顯差距。要重點(diǎn)圍繞安全開采地質(zhì)保障、煤炭開采水資源保護(hù)、減損開采與礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、智能開采、災(zāi)害防治等方面進(jìn)行科技攻關(guān)突破。
其中，推進(jìn)煤炭綠色開采是踐行習(xí)近平生態(tài)文明思想的必然要求，是實現(xiàn)煤炭清潔高效利用的基礎(chǔ)。我從大學(xué)到碩士、博士研究生都是學(xué)的采礦工程，也就是煤炭開采；工作以來，從煤炭科學(xué)研究總院到國家能源集團(tuán)，長期從事煤炭開采研究工作，親身經(jīng)歷了煤炭科技進(jìn)步對安全、高效、綠色、智能開采的第一生產(chǎn)力、第一動力的根本作用。
勝利礦區(qū)南排土場生態(tài)修復(fù)效果
隨著科技進(jìn)步，我國煤礦開采實現(xiàn)了由炮采、普采、綜采、自動化開采、智能化開采初級階段的跨越，目前一次采全高采高超過9米，產(chǎn)量由上世紀(jì)90年代的百萬噸級礦井到千萬噸級礦井、甚至2千萬噸級礦井，礦井用工大幅度減少，礦井安全生產(chǎn)水平和全員工效持續(xù)提升。目前，我國煤田地質(zhì)勘查、深部煤炭資源開采、煤礦災(zāi)害防治、煤炭轉(zhuǎn)化等重大基礎(chǔ)理論研究取得重要進(jìn)展，大型礦井建設(shè)、特厚煤層綜放開采、煤與瓦斯共采、智能開采、礦山生態(tài)保護(hù)、清潔煤電、煤炭轉(zhuǎn)化等重要領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越發(fā)展，煤機(jī)裝備制造水平位于世界先進(jìn)行列。煤炭行業(yè)科技貢獻(xiàn)率從近40%提高到60%。大型現(xiàn)代化煤礦已經(jīng)成為我國煤炭生產(chǎn)的主體，年產(chǎn)千萬噸級煤礦由33處發(fā)展到72處，產(chǎn)能由4.5億噸/年提高到11.24億噸/年。智能化煤礦建設(shè)從無到有，目前建成800多個智能化采掘工作面，多種類型煤礦機(jī)器人在煤礦井下示范應(yīng)用，推動了煤礦質(zhì)量變革、效率變革、動力變革。
煤炭開采的目標(biāo)是實現(xiàn)安全、高效、綠色開采，而智能化是手段。煤炭開采經(jīng)歷了由粗放開采到安全、高效、綠色、智能開采的轉(zhuǎn)變。從行業(yè)來看，在安全方面，2000年煤炭死亡人數(shù)約7000人，去年178人，百萬噸死亡率由6.096人/百萬噸降為0.044人/百萬噸，可以說有了根本性好轉(zhuǎn)。
高效開采方面，我國研發(fā)了7.0m特厚硬煤層超大采高智能化綜放、8.8m、9米一次采全高智能綜采成套技術(shù)裝備，現(xiàn)在正在試驗10米大采高，實現(xiàn)了厚及特厚煤層安全高效開采技術(shù)和裝備的重大突破。
在綠色開采方面，我們的目標(biāo)是，依靠科技創(chuàng)新實現(xiàn)“開發(fā)金山銀山、再造綠水青山”；我們提出了“源頭保護(hù)+開采過程減損+系統(tǒng)修復(fù)”的生態(tài)保護(hù)理念，研發(fā)了煤炭安全高效開采與生態(tài)保護(hù)修復(fù)相協(xié)調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)，通過全國產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合科技攻關(guān)和成果推廣應(yīng)用，推動我國煤礦區(qū)土地復(fù)墾率由原來的10%左右提高到2021年的57.5%；建設(shè)了一批國家級和省級綠色礦山，282處煤礦共入選國家自然資源部綠色礦山名錄庫。煤礦智能開采方面，國家能源局等聯(lián)合啟動了國家首批71處智能化示范煤礦建設(shè)，初步形成以采掘（剝）運(yùn)主要系統(tǒng)減人提效、生產(chǎn)輔助系統(tǒng)無人值守、生產(chǎn)經(jīng)營全面管控為主要特征的智能礦山運(yùn)行模式。截至2021年年底，全國已建成800多個智能化采掘工作面。
寶日希勒礦區(qū)北排土場生態(tài)修復(fù)效果
以國家能源集團(tuán)為例，井工煤礦煤炭開采機(jī)械化率達(dá)到100%，（69處采煤、44處掘進(jìn)、30處選煤廠實現(xiàn)智能化，63臺礦用無人卡車正在工業(yè)測試），神東、準(zhǔn)能等特大型核心煤炭生產(chǎn)企業(yè)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、綜合競爭力世界領(lǐng)先。開發(fā)的煤礦地下水庫、礦區(qū)地表生態(tài)修復(fù)和智能礦山等系列科技成果，使2億噸級神東現(xiàn)代化礦區(qū)安全、工效等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)國際領(lǐng)先；神東礦區(qū)植被覆蓋率從開發(fā)初期的3%-11%增加到目前的70%以上。建成世界首套8.8米超大采高智能工作面、國內(nèi)首個數(shù)字礦山示范礦井和世界首座智能煤礦地面集中控制中心，建成了2億噸智能礦井群，研發(fā)了基于純國產(chǎn)軟件自主研發(fā)智能一體化生產(chǎn)管控平臺，引領(lǐng)了煤炭智能開發(fā)的方向。露天煤礦，攻克了寬采掘帶高臺階拋擲爆破與吊斗鏟倒堆開采核心技術(shù)；從露天開采工藝前期環(huán)節(jié)的地表測量、地質(zhì)建模和采礦設(shè)計，到作業(yè)環(huán)節(jié)的穿爆、采裝、運(yùn)輸和排棄，已經(jīng)全面實現(xiàn)數(shù)字化，并逐步實現(xiàn)智能化；形成了露天礦生態(tài)保護(hù)技術(shù)、節(jié)能減排技術(shù)、智能高效開采技術(shù)和安全保障技術(shù)等成套露天煤礦綠色開采理論和技術(shù)體系，建立了大型露天礦“采-復(fù)-農(nóng)-園”四位一體的綠色協(xié)同開發(fā)示范區(qū)，探索出了脆弱環(huán)境下露天煤礦綠色開發(fā)的新模式。
3、黨的二十大報告提出，要“推動綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生”，要“深入推進(jìn)能源革命，加強(qiáng)煤炭清潔高效利用”“加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系”“確保能源安全”。您認(rèn)為應(yīng)該從哪些技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行突破以落實要求？目前哪些領(lǐng)域已取得成績，可否舉例介紹一些？
答：綠色發(fā)展在能源領(lǐng)域首先要做好煤炭的綠色開發(fā)。當(dāng)前，煤炭開采逐步向深部轉(zhuǎn)移帶來的安全生產(chǎn)風(fēng)險增大，煤炭開發(fā)帶來的地下水破壞、地表生態(tài)損傷和固體廢棄物處理利用問題仍未根本解決。在我國煤炭主產(chǎn)區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)解決西部深部安全開采、礦井水資源保護(hù)與利用、礦區(qū)減損開采和生態(tài)修復(fù)、煤基固廢無害化和資源化利用、煤及共伴生資源協(xié)同開發(fā)技術(shù)、煤炭開采粉塵防治技術(shù)、煤礦采-掘-運(yùn)-選全生產(chǎn)鏈智能化技術(shù)等。
寶日希勒礦區(qū)北排土場720平盤蓄水工程
煤炭綠色開發(fā)技術(shù)主要包括煤炭開采水資源保護(hù)技術(shù)、減損開采與礦區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)。在煤炭開采水資源保護(hù)技術(shù)方面，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)都為此開展了大量的研究工作，相繼提出了“堵截法”和“導(dǎo)儲用”兩種煤炭開采水資源保護(hù)技術(shù)思路。“堵截法”主要采用的技術(shù)包括充填開采、限高開采、保水區(qū)域劃分、條帶式開采等，在工程實踐中取得了明顯成效。針對西部干旱、半干旱區(qū)水資源保護(hù)難題，我國首先提出了“導(dǎo)儲用”保護(hù)礦井水的技術(shù)思路，研發(fā)了分布式煤礦地下水庫技術(shù)，利用煤礦井下采空區(qū)存儲和利用礦井水資源，建立了煤礦地下水庫理論框架和技術(shù)體系。
在減損開采與礦區(qū)生態(tài)修復(fù)方面，我們研發(fā)了東部草原區(qū)大型煤炭基地開發(fā)系統(tǒng)性生態(tài)減損與修復(fù)技術(shù)，提出了“生態(tài)減損開采與系統(tǒng)修復(fù)”理念，揭示了煤炭開發(fā)生態(tài)累積效應(yīng)，創(chuàng)建了生態(tài)減損開采與系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)體系，構(gòu)建了區(qū)域生態(tài)安全協(xié)調(diào)控制模式，實現(xiàn)了煤炭規(guī)模開發(fā)與生態(tài)修復(fù)相協(xié)調(diào)的技術(shù)突破；研發(fā)了條帶開采、矸石固體充填、膏體充填、高水材料充填開采技術(shù)，大幅降低了煤炭開采地表沉陷；研發(fā)了煤與瓦斯共采技術(shù)，提高了瓦斯的抽采率和利用率，減少了溫室氣體排放；提出了基于覆巖關(guān)鍵層位置的頂板導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法，為保水采煤提供基礎(chǔ)；研發(fā)了覆巖隔離注漿充填綠色開采技術(shù)，單面年產(chǎn)量達(dá)到300萬t/a（噸/年），為東部礦區(qū)建筑物下壓煤開采和西部礦區(qū)保水采煤和矸石處理提供了高效低成本技術(shù)。科研人員還提出了“切頂短臂梁”理論，研發(fā)了無煤柱自成巷“110工法”和“N00工法”，實現(xiàn)了采（盤）區(qū)內(nèi)無煤柱和無巷道掘進(jìn)，形成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的采煤工藝和裝備系統(tǒng)；發(fā)明了柔模支護(hù)無煤柱開采技術(shù)及其配套裝備，開發(fā)了柔模支護(hù)充填開采技術(shù)和柔模充填支架，提出了錨桿與柔?；炷另巯嘟Y(jié)合的巷道支護(hù)方法；提出了煤炭資源“采選充+X”綠色化開采技術(shù)構(gòu)想，形成了煤炭“采選充+X”（控、留、抽、防、保）協(xié)同生產(chǎn)模式。
寶日希勒礦區(qū)示范基地3號植物塘前后對比
在煤炭清潔高效利用方面，國家能源集團(tuán)引領(lǐng)了清潔高效靈活智能燃煤發(fā)電技術(shù)進(jìn)步。燃煤電站大氣污染物超低排放技術(shù)已上升為國家規(guī)范，引領(lǐng)了燃煤發(fā)電超低排放技術(shù)進(jìn)步，常規(guī)煤電機(jī)組100%實現(xiàn)超低排放；世界首創(chuàng)60萬千瓦超臨界循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)，大幅提高了劣質(zhì)煤利用效率；自主研發(fā)的電站分散控制系統(tǒng)（DCS）打破國外壟斷；建成國內(nèi)首個5G+智慧火電廠，IMS煤電智慧管控平臺國際領(lǐng)先。
但目前煤電生產(chǎn)經(jīng)營面臨較大困難，虧損面增大，既要發(fā)揮電力保供主體地位，又要實現(xiàn)靈活調(diào)峰，支撐新能源發(fā)展。大部分燃煤發(fā)電機(jī)組按照基本負(fù)荷設(shè)計，調(diào)峰靈活性不足，難以支撐新能源大規(guī)模大比例并網(wǎng)，低負(fù)荷工況安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性問題亟待解決。應(yīng)重點(diǎn)解決支撐新能源大比例消納的靈活智能發(fā)電技術(shù)，煤炭與新能源耦合發(fā)電技術(shù)，多元燃料條件下鍋爐變負(fù)荷安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行技術(shù)，數(shù)字化、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、互動化特征顯著的智能發(fā)電技術(shù)，持續(xù)攻關(guān)高參數(shù)超超臨界發(fā)電技術(shù)，超臨界CO2發(fā)電技術(shù)和整體煤氣化燃料電池（IGFC）發(fā)電等前瞻性、顛覆性新型燃煤發(fā)電系統(tǒng)。
在煤炭清潔轉(zhuǎn)化方面，我們攻克了百萬噸級煤直接液化、400萬噸/年煤間接液化，獲國家科技進(jìn)步獎一等獎兩項，60萬噸級煤制烯烴等系列技術(shù)，建成了世界規(guī)模最大的示范工程，開發(fā)了煤基特種燃料、煤基特種油品等系列產(chǎn)品，為提升我國能源安全保障水平開辟了新途徑；建成全球首套5萬噸/年聚乙醇酸可降解塑料項目，推動煤化工高端化發(fā)展。
但是，煤化工綜合轉(zhuǎn)化效能有待提升。煤化工產(chǎn)業(yè)鏈短，產(chǎn)品以油品、聚烯烴和乙二醇等大宗初級產(chǎn)品為主，產(chǎn)品同質(zhì)化、附加值不高，經(jīng)濟(jì)效益受國際油價影響較大，能源轉(zhuǎn)化效率和運(yùn)行穩(wěn)定性還有待提升。同時，受能耗“雙控”影響，即使是技術(shù)升級的煤化工項目也被普遍視為高耗能項目限制發(fā)展。在雙碳目標(biāo)下，煤化工亟待解決碳排放強(qiáng)度高的問題。應(yīng)重點(diǎn)攻關(guān)煤基特種燃料、煤基生物可降解材料、煤基碳素新材料、高端潤滑油、高端費(fèi)托蠟等高端化工生產(chǎn)技術(shù)；煤化工與新能源、天然氣化工、生物化工、冶金材料的耦合技術(shù)；探索煤化工耦合可再生能源綠氫工藝過程減碳；富CO2合成氣轉(zhuǎn)化技術(shù)；加強(qiáng)煤化工特種裝備研制。
4、國家能源集團(tuán)首創(chuàng)了煤礦地下水庫技術(shù)，請您介紹一下該技術(shù)？
答：煤礦地下水庫技術(shù)是實現(xiàn)煤炭綠色開采的重要技術(shù)途徑。眾所周知，綠色發(fā)展的關(guān)鍵因素是水資源。在我國煤炭的主產(chǎn)區(qū)，水資源存在嚴(yán)重不足的問題。具體來說，我國煤炭主產(chǎn)區(qū)為“晉陜蒙寧新”地區(qū)，煤炭儲量占全國82%，煤炭產(chǎn)量占全國76%，占全球41%，水資源量僅占全國6.7%，占全球的0.3%。該地區(qū)是我國最重要的煤炭資源富集區(qū)、原煤生產(chǎn)加工區(qū)和煤炭產(chǎn)品轉(zhuǎn)換區(qū)，分布著9個大型煤炭生產(chǎn)基地（全國14個）。根據(jù)中國工程院研究報告，“晉陜蒙寧新”地區(qū)探明煤炭資源保有儲量占全國的82%，但水資源僅占全國水資源總量的6.7%；能源金三角（寧東、榆林和鄂爾多斯）煤炭儲量占全國27%，水資源僅占全國的0.37%。我國西部部分地區(qū)一方面水資源短缺，嚴(yán)重制約區(qū)域發(fā)展，另一方面大量礦井水外排地表蒸發(fā)損失，不能有效利用。因此，實現(xiàn)西部煤炭主產(chǎn)區(qū)綠色發(fā)展的前提條件就是實現(xiàn)礦區(qū)水資源的保護(hù)利用。
為實現(xiàn)這一目標(biāo)，針對煤炭安全高效規(guī)?；_采與地下水資源保護(hù)利用相協(xié)調(diào)的技術(shù)難題：為保護(hù)地下水資源，若采用限高開采將使神東煤炭回收率大幅度下降（如大柳塔礦5-2煤層下降約40%），充填開采將使工作面產(chǎn)量僅能達(dá)到90萬噸/年左右；為實現(xiàn)安全生產(chǎn)，須將礦井水外排地表，導(dǎo)致水資源蒸發(fā)損失等問題。為此，我們首次提出了煤礦地下水庫（即地下水“導(dǎo)儲用”）理念，創(chuàng)建了煤礦地下水庫設(shè)計、建設(shè)與運(yùn)行的技術(shù)體系，成功建設(shè)和運(yùn)行了煤礦地下水庫示范工程，實現(xiàn)了礦井水有效保護(hù)與利用和化“水害”為“水利”，對西部生態(tài)礦區(qū)建設(shè)具有示范作用，對我國煤炭科學(xué)開發(fā)具有引領(lǐng)作用。
圍繞煤礦地下水庫，開展了一系列研究工作，包括：
（1）系統(tǒng)研究了煤礦地下水庫建設(shè)技術(shù)基礎(chǔ)，包括井下涌水量來源及預(yù)測、地下水庫庫容確定方法和選址方法等，為地下水庫設(shè)計建設(shè)提供了理論依據(jù)。
（2）采用物理和數(shù)值模擬以及現(xiàn)場工程試驗等方法，研究煤礦地下水庫建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)，包括煤柱和人工壩體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計算模型，建立壩體參數(shù)設(shè)計方法，研究確定了兩種壩體連接方式；開發(fā)了大垂距、高水壓差的不同煤層地下水庫連接通道施工工藝，為水體調(diào)運(yùn)和安全保障提供了基礎(chǔ)；創(chuàng)新應(yīng)用了超大采高和超長工作面推進(jìn)距離開采工藝，并將多個采空區(qū)組合加大水庫儲水能力。
（3）研究了采動、水庫水壓對壩體結(jié)果穩(wěn)定性的影響，創(chuàng)建了煤礦地下水庫運(yùn)行“三重保護(hù)”安全保障體系，包括煤層群開采水體轉(zhuǎn)移、地下水庫安全運(yùn)行監(jiān)控和應(yīng)急保障，實現(xiàn)了煤礦水庫的安全運(yùn)行。
（4）通過物理模擬和現(xiàn)場試驗，研究了礦井水在井下滲流匯集過程中與巖體的耦合作用，摸清了巖體對礦井水自凈化機(jī)理，開發(fā)了煤礦地下水庫水質(zhì)“三位一體”處理技術(shù)，使水庫水質(zhì)滿足井上下用水要求。
圍繞煤礦地下水庫申請的發(fā)明專利“一種礦井地下水的分布式利用方法”和“一種地下水庫壩體及其構(gòu)筑方法”分別獲第十七屆與第二十三屆中國專利金獎；以該技術(shù)為核心支撐的研究成果獲國家科技進(jìn)步獎二等獎2項，內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎1項。
在我國“晉陜蒙寧甘”5個省份，如果將地下水庫這項技術(shù)在西部適宜的地區(qū)推廣應(yīng)用，預(yù)計每年能夠保護(hù)利用20億噸礦井水，可有效支撐礦區(qū)周邊的生態(tài)修復(fù)和煤電、煤制油、煤化工等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，帶動工業(yè)增加值4000億左右。到2035年，如果礦井水利用率達(dá)到80%，西部礦區(qū)每年可多利用23億立方米礦井水，按每立方米水價格3元計算，可創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益115億元，能夠支撐32萬公頃的生態(tài)復(fù)墾、1億噸煤制油和2000萬噸煤制烯烴生產(chǎn)，帶動工業(yè)增加值4000億左右。
寶日希勒礦區(qū)示范基地4號潛流濕地前后對比
5、“一種地下水庫壩體及其構(gòu)筑方法”是您的發(fā)明，獲得了第二十三屆中國專利金獎?？煞裾埬唵谓榻B一下該專利的關(guān)鍵技術(shù)？
答：之前提到，為解決煤炭綠色開發(fā)方面的技術(shù)難題，國家能源集團(tuán)提出了煤礦地下水庫技術(shù)，該技術(shù)明確了礦井水保護(hù)利用全新的技術(shù)路線，將礦井水的處置模式由“外排—蒸發(fā)損失”變?yōu)椤皟Υ?保護(hù)利用”，變“水害”為“水利”，既大幅提高了礦井水利用率，又保障了煤炭的安全高效開采，是煤炭開采水資源保護(hù)和利用的有效途徑。該科技成果為保護(hù)和利用我國年70億立方米礦井水資源提供了有效的技術(shù)支撐，對實現(xiàn)煤炭綠色開采具有重大意義。
“一種地下水庫壩體及其構(gòu)筑方法”發(fā)明專利證書
煤礦地下水庫是利用地下自然空間即煤礦采空區(qū)作為儲水空間、充分利用自然規(guī)律的礦井水儲用設(shè)施。煤礦地下水庫壩體包括人工壩體和煤柱壩體，人工壩體是煤礦地下水庫的核心構(gòu)筑物，占水庫總工程量約60%，人工壩體安全穩(wěn)定直接關(guān)系著煤礦地下水庫整體安全運(yùn)行，成本直接決定了水庫建設(shè)成本，施工效率直接決定水庫建設(shè)周期?；谌斯误w的重要性，該專利提出了“主動防滲、系統(tǒng)安全”的煤礦地下水庫人工壩體設(shè)計與施工理念，突破了傳統(tǒng)的局部加固被動防滲模式，研發(fā)了一種與煤柱壩體及圍巖耦合協(xié)同、裝配式、楔形人工壩體結(jié)構(gòu)及構(gòu)筑方法，具有安全可靠、主動防滲、高效快捷和經(jīng)濟(jì)最優(yōu)顯著特征，壩體整體安全系數(shù)提高75%，建設(shè)效率提高40%，成本降低40%，為煤礦地下水庫高效建設(shè)與安全穩(wěn)定運(yùn)行和行業(yè)推廣提供了保障。
該專利的創(chuàng)新性在于，一是發(fā)明了楔形結(jié)構(gòu)主動防滲裝配式人工壩體，上部為楔形密封頂梁，下部為壩體基座的裝配式壩體，充分利用側(cè)向壓力，將側(cè)向壓力作用由壩體破壞力變?yōu)閴误w的加固力，提高防滲性能，使其與側(cè)向壓力呈正相關(guān)關(guān)系，有效解決了傳統(tǒng)人工壩體受采動壓力導(dǎo)致產(chǎn)生裂隙而滲漏的難題；二是建立人工壩體基座厚度計算模型，確定了合理優(yōu)化的基座厚度，實現(xiàn)壩體基座結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確控制；三是發(fā)明了地面預(yù)制井下裝配式施工工藝，即密封頂梁由地面預(yù)制澆筑后井下裝配，單個壩體最快建設(shè)周期由6天縮短為2.5天，提高了施工安全性，降低了井下工人勞動強(qiáng)度、安全風(fēng)險和工作量，有效解決井下施工空間受限的難題，大幅提高了施工安全性和效率；四是發(fā)明了人工壩體注漿密封防滲結(jié)構(gòu)與工藝，研發(fā)了速凝早強(qiáng)防滲專用注漿材料（丙凝防水材料、普通硅酸鹽水泥、水玻璃和石灰，質(zhì)量比為25:15:10:1 ），設(shè)計了密封頂梁與基座構(gòu)成注漿通道的空腔，通過注漿確保楔形頂梁與基座密封連接，有效提高了壩體結(jié)構(gòu)的整體可靠性和防滲性能。
多名院士高度評價該技術(shù)，認(rèn)為該專利技術(shù)開辟了礦井水高效保護(hù)利用技術(shù)新途徑，為破解西部煤炭開發(fā)中水資源短缺的制約提供了有效途徑，對我國西部大型能源基地建設(shè)，保障我國能源安全具有重要意義。該技術(shù)整體處于國際領(lǐng)先水平，對于破解我國工業(yè)和生活缺水問題具有重大戰(zhàn)略意義。
6、所有煤礦都適用該技術(shù)嗎？西部地區(qū)有多少煤礦可以應(yīng)用該技術(shù)？
煤礦按照開采工藝主要分為井工煤礦和露天煤礦，我國煤炭產(chǎn)量的80%為井工煤礦，該技術(shù)主要適用井工煤礦地下水庫。目前，我們已經(jīng)在井工煤礦的水平煤層和緩傾斜煤層中建成40多座地下水庫，其中利用該技術(shù)建成12座，正在建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)的有50座。
西部地區(qū)是我國煤炭的主產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量和儲量占全國的70%以上，隨著煤炭生產(chǎn)區(qū)域的西移，產(chǎn)量占比還會進(jìn)一步增加。該技術(shù)在我國西部煤礦的水平煤層和緩傾斜煤層中均可以使用，在急傾斜煤層中，如果采用上行開采也可以使用。西部近水平煤層和緩傾斜煤層占整個區(qū)域的70%以上，急傾斜煤層煤層占20%，合計西部90%的地區(qū)均可使用本專利發(fā)明。
李全生教授及其團(tuán)隊發(fā)明專利證書
7、國外是否有類似技術(shù)？
國外未見相同或者類似技術(shù)報道。技術(shù)最接近的報道是，2018年德國首次利用廢棄礦井建設(shè)煤礦蓄能水電站，平時用過剩的風(fēng)能和太陽能將下層水抽入改造過的廢棄煤礦的上層，高峰時將上層的水放到下層去發(fā)電，可作調(diào)峰使用。這是近年來唯一和煤礦地下水庫技術(shù)較為接近的報道。我們的煤礦地下水庫技術(shù)從2005年就開始建設(shè)應(yīng)用，早于德國技術(shù)10多年。
8、該技術(shù)是否可以適用其他領(lǐng)域，未來的發(fā)展前景和空間如何？
在我國穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和的大背景下，相關(guān)專家、學(xué)者和企業(yè)在新能源開發(fā)和二氧化碳封存方面提出了針對性的對策。其中煤炭開采后遺留了大量的地下空間，可以成為二氧化碳封存、井巷儲能天然的場地。這些地下空間利用必須進(jìn)行人工壩體構(gòu)筑，對安全型和防滲性提出了極高的要求。本專利技術(shù)能夠解決地下空間人工構(gòu)筑物安全穩(wěn)定和防滲難題，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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