深地煤炭资源流态化开采理论与技术构想.pdf

第 4 2卷第3期 2 0 1 7年 3月 煤 炭 学 报 J O URN AL O F C HI NA CO AL S O CI E T Y Vo 1 ． 4 2 N o ． 3 Ma r ． 201 7 谢和平 ， 高峰， 鞠杨 ， 等． 深地煤炭资源流态化开采理论与技术构想[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 7 ， 4 2 3 5 4 7 5 5 6 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 7 ． 0 2 9 9 X i e H e p i n g ， G a o F e n g ， J u Y a n g ， e t a 1 ． T h e o r e t i c a l a n d t e c h n o l o g i c a l c o n c e p t i o n o f t h e fl u i d i z a t i o n m i n i n g f o r d e e p c o a l r e s o u r c e s [ J ] ． J o u r h a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 7 ， 4 2 3 5 4 7 5 5 6 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 7 ． 0 2 9 9 深地煤炭 资源流态化 开采理论与技术构 想 谢和 平 ， 高 峰 ， 鞠 杨 ， 葛 世荣 ， 王国 法 ， 张 茹 ， 高明 忠 ， 吴 月 』 ， 刘 见中 1 ．I t J l l 大学 ， 四川 成都6 1 0 0 6 5 ； 2 ．中国矿业大学 ， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6； 3 ．中国矿业大学 北京 ， 北京1 0 0 0 8 3 ； 4 ．天地科技股份有限公司 ， 北 京1 0 0 0 1 3； 5 ．煤炭科学研究总院 ， 北 京1 0 0 0 1 3 摘要 地球浅部煤炭资源逐步开采殆尽 ， 煤炭 资源开发不断走 向地球深部。然而， 面对深部地层 环境与极限开采深度的限制 ， 传统采矿学与力学等理论难以解决深部煤炭开采出现的技 术难题 ， 深 部煤炭绿 色安全高效生产 面， 严峻挑战。结合深地煤炭资源开发 的未来趋势， 提 出深地煤炭资源 流态化开采的颠覆性科学构想及流 态化开采定义、 目标与 内涵， 建立深地流 态化开采的应力一 温度 一 渗流一 化学一 微生物等多种作用机制的多场耦合模型与可视化理论 ， 揭示煤炭流态转换的物理、 化 学与生物机制 ， 建立深地煤炭资源的采、 选、 充、 电、 热、 气一体化的物理流态化开采、 化学转化流 态 化开采、 生物降解流 态化 开采、 物理破碎 流 态化 开采等颠覆 性理论 和技 术。在 此基础 上， 提 出 “ 2 0 2 5基础研 究、 2 0 3 5技术攻关、 2 0 5 0集成示范” 的战略 实施路线 ， 构建深地煤炭资源无人智能化 的采选充一体化开采 、 热 电气集成转化的流态化开采理论与技 术体 系， 达到“ 地上无煤、 井下无人” 的绿 色环保 目标， 实现深地煤炭资源开采的颠覆性变革。 关键词 深地开发 ； 煤炭资源 ； 流态化开采 ； 物理转化 ； 化学转化 ； 生物转化 ； 无人智能化 中图分类号 T D 8 2 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 7 0 3 0 5 4 7 1 0 The o r e t i c a l a n d t e c hno l o g i c a l c o n c e pt i o n o f t he flui d i z a t i o n m i ni n g f o r d e e p c o a l r e s o u r c e s XI E He - p i n g ， GAO F e n g ， J U Ya n g ， G E S h i r o n g ， WANG Gu o ． f a ， Z HANG R u ， GAO Mi n g ． z h o n g ， W U Ga n g ， L I U J i a n z h o n g 1 ． S w h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a U n i vem i D ， Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a； 3 ． C h i na U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ifi n g ， B e lti n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 4 ， T i a n d i S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， B e in g 1 0 0 0 1 3， C h in a； 5 ． C h i na C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c t T h e d e p t h o f c o a l mi n i n g i n c r e a s e s c o n t i n u o u s l y o w i n g t o t h e e x h a u s t i o n o f t h e s h a l l o w c o a l r e s o u r c e s ． Ho w e v e r ， t h e t e c h n i c a l di ffi c u l t i e s wh i c h o c c u r d u r i n g d e e p c o a l mi n i n g c a n n o t b e s o l v e d we l l by us i n g t h e t r a d i t i o n a l t h e o - r i e s ， s u c h a s mi n i n g s c i e n c e a n d me c h a n i c s ， b e c a u s e o f t h e l i mi t o f t h e d e e p g e o e n v i r o n me n t a n d c ri t i c a l mi n i n g de p t h． T h e r e f o r e， t o i mp l e me n t d e e p c o a l mi n i n g wi t h a g r e e n， s a f e a n d e ffi c i e nt wa y wi l l me e t s e r i o u s c h a l l e n g e s ． Ac c o r d i n g t o t h e t r e nd o f t he e x p l o i t a t i o n o f d e e p c o a l r e s o ur c e s， a d i s r up t i v e i d e a， t h e fl u i di z e d mi ni ng o f d e e p un d e r g r o u n d c o al r e s o u r c e s， wa s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r ． Th e d e fi n i t i o n， g o a l s a n d me a n i n g o f t he fl ui d i z e d mi ni n g we r e als o p r o p o s e d。 Th e mu l t i - c o u p l e d fie l d mo d e l a n d t h e v i s ua l i z a t i o n t h e o r y f o r mu l t i me c ha n i s m o f s t r e s s t e mp e r a t u r e c h e m i s t r y mi c r o o r g a n i s m w e r e e s t a b l i s h e d ． T h e p h y s i c a l 。 c h e mi c a l ， b i o l o g i c a l me c h a n i s m o f c o a l fl u i d i z e d t r a n s f o r ma t i o n w a s 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 2 - 2 4 修 回日期 2 0 1 7 0 3 - 0 7 责任编辑 常琛 基金项 目 国家重点研发计划资助项 目 2 0 1 6 Y F C 0 6 0 0 7 0 1 ， 2 0 1 6 YF C 0 6 0 0 7 0 5 ； 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 6 7 4 2 5 1 作者简介 谢和平 1 9 5 6 一 ， 男 ， 湖南 双峰人 ， 中国工程院院士 。T e l 0 2 8 8 5 4 0 6 0 0 2， E ma i l x i e h p s c u ． e d u ． c n 煤 炭 学 报 2 0 1 7 年 第4 2 卷 i n t e r pr e t e d． A s e rie s o f d i s r u pt i v e t he o r i e s a nd t e c h n o l o g i e s， s u c h a s p h y s i c a l flu i d i z e d mi ni n g i nc l u di ng e x p l o i t a t i o n， s e pa r a t i o n， fil l i n g， e l e c t r i c i t y a n d h e a t g e n e r a t i o n， g a s i fic a t i o n， t h e flui di z e d mi n i ng o f c he mi c a l t r a n s f o r ma t i o n， t h e flu i d i z e d mi n i n g o f bi o d e g r a d a t i o n， t h e flu i d i z e d mi ni n g o f p h y s i c a l g r i nd i n g， we r e e s t a b l i s h e d ．Aft e r wa r d s， t h e s t r a t e g i c i mpl e me n t a t i o n r o u t i ne o f“2 02 5 b a s i c r e s e a r c h， 2 03 5 t e c hn o l o g i c a l b r e a k t h r o u g h， a n d 2 0 5 0 i n t e g r a t e d d e mo n s t r a t i o n”， wa s p u t f o r wa r d．Th e d i s ru p t i v e r e v o l u t i o n o f d e e p c o a l r e s o u r c e e x p l o i t a t i o n， i n c l ud i n g t h e i mp l e me n t a t i o n o f d e e p c o a l r e s o u r c e i n t e g r a t i o n mi ni n g f o r e x p l o i t a t i o n s e p a r a t i o n a n d fil l i n g wi t h u n ma n n e d i n t e l l e c t u a l i z a t i o n， t h e f o r ma t i o n o f t he t h e o r y a n d t e c h n o l o g y s ys t e m for flui d i z e d mi ni n g o f i n t e g r a t e d t r a ns f o r ma t i o n o f h e a t ， e l e c t ric i t y a n d g a s， a n d t o r e a c h t h e g r e e n e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n g o a l for c o a l f r e e g r o un d a n d u n ma n n e d u n de r g r o un d mi n e， wi l l b e r e a l i z e d． Ke y wor d s d e e p e x p l o i t a t i o n； c o a l r e s o u r c e； flui di z e d mi n i n g； ph y s i c a l t r a n s f o rm a t i o n； c h e mi c a l t r a ns f o r ma t i o n； b i o l o g i c a l t r a n s a t i o n u nma n n e d i n t e l l e c t u a l i z a t i 0 n 地球深部蕴藏的资源 和能源是维系万物生存 的 物质和能量基础 。地球资源开采已有逾百年的历史 ， 地球浅部煤炭资源已逐渐趋向枯竭 ， 煤炭资源开发不 断走 向地球深部 ， 千米级深部开采 已是常态。2 0 1 6 0 5 - 3 0， 习近平总 书记在 全国科技创新 大会上指 出 “ 当前 ， 国家对战略科技支撑 的需求 比以往任何 时期 都更加迫切⋯⋯从理论上讲 ， 地球内部可利用的成矿 空间分布在从地表到地下 1 0 0 0 0 m， 目前 ， 世界先进 水平勘探开采深度 已达 2 5 0 0～ 4 0 0 0 m， 而我 国大多 小于 5 0 0 m， 向地球深部进军是我们必须解决 的战略 科技 问 题 ” ⋯ 。 目前 ， 世 界 上 煤 炭 开 采 深 度 已 达 1 5 0 0 m， 地热开采深度 已超 3 0 0 0 m， 有 色金属矿 开采 深 度 超 过 4 3 5 0 m，油 气 资 源 开 采 深 度 达 7 5 0 0 m。学者研究预测 如果我 国固体矿产勘查 深度达到 2 0 0 0 m， 探明的资源储量可 以在现有基础 上翻一番。然而 ， 地球资源开采领域所面临的共性 问 题是 人类深部岩体工程活动大大超前于基础理论研 究 ， 传统的采矿学 、 固体力学等理论 面对深部 开采 活 动出现理论失效 ， 导致深部资源开采活动普遍存在着 相当程度的盲 目性 、 低效性和不确定性 ， 灾 害事故频 发 ， 难以预测预报和控制 ， 安全高效生产面临严重挑 战 一 。 从理论上来讲 ， 开采具有极 限深度 ， 按照现有的 理论预测及勘测结果 ， 当深度超 过 6 0 0 0 m 时， 目前 的资源开采方式将失效 ， 岩层运动 、 围岩支护 、 灾害预 警与防治将难 以控制 ， 超过 6 0 0 0 m以深的矿物资源 开发成为人类可望不可及 的奢望 。然而 ， 石油 、 天然气等油气资源开采深度已超过 7 5 0 0 m， 石油钻 井早 已突破万米 ， 主要原 因是油气资源属于流态 ， 其 开采为流态化开发 ， 钻机下井 、 人不下井 ， 通过压差流 态传输至地面， 这与深地固体矿物资源开采方式有本 质不 同 刮 。 因此 ， 要使我 国成为地球深部探测领域世界范围 内的“ 领跑者”， 特别是要在 深地煤炭资源绿 色安全 开发领域成 为国际上 的“ 领跑者” ， 就必须颠 覆现有 的煤炭开发理论 与技术 ， 实现煤炭资源从 固态开发向 流态开发的根本转变 。为此 ， 笔者分别 于 2 0 1 4年 6 月在中国工程院国际工程科技大会上首次提 出固体 资源流态化开采 的学术构想L 2 J ， 2 0 1 5年 3月在煤 炭 工业“ 十三五” 科技发展规划编制会议上提出了煤炭 资源开采 固液转化 的技 术构 想 ， 2 0 1 6 0 4 0 7在 “ 深地颠覆性技术” 研讨会上进一步 阐述 了深地 固体 资源流态化开采的理论与技 术构想 。2 0 1 6年 8月 l 9 ， 2 6 1 3 和 9月 1 3 13， 由国土资源部 与科技部 组织 的国家重大科技专项 “ 地球深部探测计 划” 的深部矿 产资源编写专家组 ， 将深地固体资源流态化开采 的技 术构想 列 为 国家重 大 科 技专 项 的重 点 攻 关 内容。 2 0 1 6年 1 O月 ， 笔者在 “ 煤炭绿色开发利用与煤基 多 元协 同清洁能源技术革命研究” 研讨会上 ， 提 出了深 部 固态矿产 资源流态化开 采的科学定 义 。2 0 1 6 1 1 - 2 9在 由教育部科技委组织 的“ 深部 固体矿产资源 流态化开采” 圆桌会议上 ， 笔者重点阐述 了深部 固态 矿产资源流态开采 ， 提 出在 已有煤炭资源开发研究的 基础上 ， 对未来深部固态矿产 资源流态开采划分 3 ． 0 时代 、 4 ． 0时 代 、 5 ． 0时代 的构 想 ， 确 立 在未 来 构 建 “ 地上无煤 、 井下无人” 的智能开采模式 ， 构建 了向地 下要空问 、 向深地要资源 的战略愿景 。2 0 1 6 一 l 2 0 6在教育部科 技委主办的“ 深部 固体矿产资源 流态 化开采关键技术” 咨询研讨会上 ， 笔者再次提出了矿 业科学向地球深部进军的战略思考 ， 进一步明确 了深 部固态矿产资源流态化开采 的科学定义 。阐述 了深 部固态矿产资源流态化开采的 目标 ， 即实现对深地 固 态资源采 、 选 、 冶 、 充 、 电 、 气 、 热的原位 、 实时和一体化 开发 ， 颠覆传统的固态 资源开发 的开采模式 、 运输模 式和利用模式 ； 引领矿产 资源开采技术革命 ， 实现 固 态矿产资源开采深度上 的突破 ， 为我国可采资源总量 第 3 期 谢和平等 深地煤炭资源流态化开采理论与技术构想 翻一番提供技术支撑 。 针对我国深部煤炭资源的开发现状与未来发展 趋势 ， 本文提 出深地煤炭资源流态化开采的基础理论 与技术构想 ， 实现对深地煤炭资源采 、 选 、 充 、 电、 气 、 热的原位 、 实时和一体化开发 ， 提高深地煤炭资源的 开发效率 、 运输效率和利用转换效率 ， 颠覆传统的煤 炭资源的开发模式和运输模式 ， 实现 “ 地上无煤 、 井 下无人” 的绿色环保开采终极 目标。同时 ， 在此过程 中出现的新理论与技术难题也是人类走 向地球深部 必须面对和优先探索的基础性科学问题。 1 固体资源流态化 开采的定 义和构 想 流态化开采是指将深部固体矿产资源原位转化 为气态 、 液态或气 固液混态物质 ， 在井下实现无人智 能化的采选充、 热电气等转化的开采技术体系[ 2 - 8 1 。 该技术突破 了固体矿产资源临界开采深度的限制 ， 使 深地煤炭资源开采可 以像油气开发那样 实现“ 钻机 下井， 人不下井” 、 依靠压差作用进行开采 ， 从 根本上 颠覆固体资源的开采模式 。实现深地煤炭资源的流 态化开采 ， 关键在于要去探索深地井下采 、 选 、 充 、 气 、 电、 热的一体化无人 、 智能采掘与转化系统 ， 通过无人 作业 、 智能采掘、 原位转化、 高效传输等颠覆性技术， 实现将深地固体资源气化 、 液化 、 电气化等系统 的流 态化开采 。 煤炭资源开采 、 清洁燃烧 、 环保利用与 C O 减排 一 直是国际上重点关注的内容 ， 作为煤炭开采与消费 大国的中国， 如果 能够实现深地煤 炭资源 的采 、 选 、 充 、 电、 气的原位 、 实时和一体化开发的颠覆性开采模 式 ， 不仅能够解决中国经济高速发展对能源需求短缺 的问题 ， 实现煤炭资 源开采深度 上的突破 ， 为 中国乃 至世界资源可开采可利用 的总量翻番提供理论与技 术支撑 ， 同时还能够在煤炭资源高效开采 、 清洁燃烧 、 环保利用与 C O 减排等方面为世界做出贡献。未来 的煤矿将是清洁、 安全 、 智能 、 环境协调 、 生态友好的 电力传输和能源调蓄基地。 深部煤炭资源流态化开采构想包括 以下主要技 术流 程 ① 无 人 采 掘。以 深 地 无 人 智 能 盾 构 作 业 T B M 破 割煤岩体 ， 通过传送设施将矿 物块 粒传 送至分选模块 ； ② 智能分选。通过重力分选 ， 将煤炭 与矸石进行分离 ， 并将矸石 回填至采空 区； ③ 原位转 化 。在深部原位实现煤炭资源的液化 、 气化 、 电化 、 生 物化等系统流态化； ④ 充填调控。转化后的矿渣进 行混合加工， 形成充填材料 回填采空 区， 用 以控制岩 层运动与地表沉陷， 实现安全、 绿色开采 ； ⑤ 高效传 输与智能调蓄。深部煤炭资源通过原位转化 ， 以流态 化形式高效智能传输至地表 ， 并结合深地热 能利用 ， 使传统概念的煤炭企业成为电力传输和清洁能源的 调蓄基地 。 2 流态化开 采的新原理 和新 理论 2 ． 1 流态化开采的原位采动岩体力学理论 深部 固体资源在开采过程中， 工程扰动作用下岩 石受力应遵循实际开采活动的应力空问变化路径 ， 基 于开采扰动应力路径的岩石力学理论是深部资源开 采活动的重要理论基础 。作为颠覆常规方式 的 流态化开采方法 ， 地下岩体在智能化无人盾构机的作 用下发生破碎 ， 建立矿产资源开采 、 就地转换和运输 的通道 ， 首先在岩体破碎方式和方法上与常规采矿方 式具有本质差异。此外 ， 流态化开采中固体资源还需 要进行就地气化 、 液化 、 电气化 ， 流态化转换过程所产 生的一系列扰动都会影响原位岩体的损伤 、 变形和破 坏规律。由此可见 ， 在流态化开采条件下 ， 深部岩体 将会出现一系列不同于常规开采方式的力学行为， 传 统的岩体力学及采动岩体力学理论或许难 以适用甚 至被颠覆 ， 急需突破现有 的采动岩体力学框架 ， 构建 基于流态化开采扰动的原位岩体力学理论。 发展流态化开采 的原位采动力学理论 ， 核心是要 探索不 同深度下的岩体物理力学行为的差异 与变化 规律 ， 关键是要突破深部原位高保真取芯与测试的理 论与技术 J ， 系统研究保 真 保 压 、 保温 、 保湿 、 保 光、 保质 取芯的原理与方 法 ， 发展原位 、 移位 、 原位 恢复保真取芯核心技术与装备和保真岩体力学测试 的新标准体系。探索深部岩体在原位状态和流态化 开采全过程下的应力重分布特征及演化规律 ， 提炼基 于流态化开采 的工程扰动应力路径 的加卸载试验原 理 ， 在实验尺度下还原流态化开采全过程的原位岩体 的破坏规律 ， 弹塑性状态转换条件 ， 以及岩体非线性 力学行为的响应机制。从能量角度分析流态开采扰 动作用下岩体稳定与破裂扩展演化的关联性 ， 揭示流 态开采中原位岩体的本构行为的力学本质特征， 构建 不同流态开采方式下原位岩体力学灾变准则 ， 从而建 立流态化开采扰动作用下岩体动力灾害致灾判据。 2 ． 2流态化开采的“ 三场” 透明及可视化理论 深部煤炭资源流态化开采是一项多种技术共 同 作用的动态过程 ， 在多种开采扰动的共同作用下 ， 深 部煤炭围岩内部结构和原位应力场不断演化 ， 形成新 的连续演化 的采 动应力 场、 裂 隙场 和渗 流场 即三 场 E 8 , 1 3 ] 。深部煤炭资源开发所面对的岩体介质深埋 于地下 ， 流态化开采扰动所引起的岩体结构演化 、 流 体渗流以及岩体灾变破坏以及流态化转换等过程属 5 5 0 煤 炭 学 报 2 0 1 7 年第4 2 卷 于无法 白 观显 示的“ 黑箱 ” 问题 卜 “ 。在流 态化 开采扰动下 ． 岩体 I大 J 部的微裂纹 网络是如何扩 展演 化． 又足如 I 何诱 发产生宏观的岩体破坏 ， 深部 固体矿 产资源的 位气化 、 液化 、 电化所产生的扰动效应对 体的嘘力场以及流体渗流规律的影 响都难以准确 捕捉和亢观显现 ． 这也将成为制约深部矿产资源流态 化 开 采的理沦和技术瓶颈 。 引 ’ 刈 ‘ 流态化开采扰动下深部岩体破裂结构 、 原位 啦力以埂开采扰动下 的岩体应 力场一 裂隙场一 渗流场 演化的特征。 借助分彤 重构 、 3 D打印 、 应力冻结等物 理实验方法和技术 ， 研究探索流态化开采下“ i 场” 的透f JJ J 及可视 化表征方法 ， 包括 建立深部 岩体 { 连续结构的分形重构算法； 研制与深部岩层基本力 学性能} 叶 1 一致的 ■维应 力可视化材料． 借助 3 D打印 技术。 构建高清透I 1』 J 歼具有良好光折射能 力的深部岩 体的三维物理模 。 直观地显示天然岩体内部复杂的 裂隙结构 审问形态 ， 建立深部岩层非连续结构可视 化物 模型； 同日 ’J 。 ， 发展三维应力冻结技术与提取 方 法． 建 深 部岩休流态化开采扰 动下 的应 力场 、 裂隙 场和渗流场的定鞋表征方法 与可视化理论 ， 直观地再 现深部煤炭开采过程中的非连续结构演化 、 应力场重 分布 ， 应力场 和渗流场 相互作用机制以及岩体灾 变全 过程等各种物理现象的发生机理 、 时空演化规律 图 1 利厂 建 的流态化开采岩体应力场一 裂隙场一 渗 流场的u 『 视化理论， 预先对深部煤炭流态化开采进行 “ 透明{ f i 演” ， 直观 、 定量地显示整个开采过程 中矿体 破碎 、 成力 能苛 } 转移 、 灾害发生的形式 、 位置 、 时间 、 皴级， 从 达到预判 、 预警、 预解的 目体 ， 改变 目前矿 l J 1 开采随采随治的作业模式 和被动局面 ．在 “ 透 明 推演” 的 础 卜， 实现深地煤炭 流态化 、 智能化 与无 人化开采， 为最终实现消除或避免深地煤炭资源开采 灾害以搜仃效防治这一理想 目标提供基础理论 与技 术史撑 系 2 ． 3 流态化开采的原位转化多物理场耦合理论 深郎 体资源流态化开采的核心是原位转化 ， 它 足一个多卡 [ j 介质 固 、 液 、 气 共存 ， 多物 理场 温度 场 、 渗流场 、 吨 力场 、 损 伤场 、 裂隙场 相互交叉耦 合 作川的过程 ‘ 。 流态化开采作为～项颠覆性 技术 ． 其独特优势在于可在地下借助一系列的力学 、 化学和徽牛物手段将固态的矿产资源进行原位气化 、 液化及I U 化 ， 这与常规的采矿方式具有本质 的不 同。 深部岩体除 了受到应 力一 温度一 渗 透的耦合作用外 ， 还需要进一步考虑固态 资源相变转换 的化学反应以 及微生物转化反应等因素的影响。以深地煤炭资源 快速液化为例 ， 煤炭在高温高压环境下快速液化所发 a 3 D透明开采模 型 b 巷道掘进3 3 m时的围岩应力分布 c 巷道掘进6 6 m时的围岩应力分布 d 巷道掘进8 3 m时的围岩应力分布 图 1 3 D透 明开采模 千 采动J 力演化的物娜町视化 Fi g ．1 Ph y s i c a l v i s u a l i z a t i t m r l 1 r 3 t t r a n s pa r en t mi ni n g mo d e l a n d mi n i n g s f 1．e s s P 、 t fl u t i o n 生的化学反应势必会引起地下温度场和压力场 的变 化 ， 进而对周围岩体产生强扰动作用 特别是 ， 针对 深部煤炭原位生物流态化开采 ， 采用培育地 ‘F 菌种的 方式对矿产资源进行气化和液化时 ， 菌种的乍长扩展 以及对岩石组分的作用也会影响到岩体微观结构 以 及流体的渗流行为 ， 进而有可能改变岩体在开采过程 中的本构行为及失稳准 则。深部矿产资源流态化 所 涉及到的多物理场理论体系和影响因素更为复杂 ， 基 于传统开采条件下的多物理场耦合方法及原理 已经 无法满足流态化开采 的需求 。这就需 要在充分考虑 流态化开采扰动下的固、 液 、 气 、 电多相并存的开采环 境 ， 揭示固态资源流态转换过程的化学及微生物作用 对深部岩体微观结构和原位应力的影响机制 ， 建立包 含微一 细一 宏观跨尺度 的裂隙结构 ， 固 、 液 、 气 、 电等并 存的多相环境 ． 以及应 力一 温度一 渗流一 化学一 微生物 多种作用机制的多物理场耦合模型， 揭示不同流态化 开采方式下的岩体本构行为 、 渗流机制 、 变肜破坏规 律 ， 最终形成深部矿产资源流态化开采扰动下的多物 理场耦合理论 。 第 3期 谢和平等 深地煤炭资源流态化开采理论与技术构想 5 5 l 2 ． 4深部原位流态化转换理论 固体资源的流态化转换是实现深部矿产 资源流 态化开采的关键， 直接关系到流态化开采技术能否成 功实施和工业化应用。流态化开采的 2个关键点在 于 一是矿产资源是否具有足够高的液化 、 气化效率， 从 满足工业化开采的需求； 二是矿产资源中的有用 组分是否能够最大限度的转换或者萃取出来 ， 从而大 幅度提高深部矿产资源的开采效率， 达到经济化 、 高 效化的开采 目标。因此， 需要进一步发展和建立固态 资源流态化转换理论 ， 揭示 固态资源流态转换的化学 及生物机制 ． 研究高温高压环境下矿产资源快速液化机理 以 及催化剂的催化机制， 揭示温度 、 压力及反应时间对 固态资源液化速率的影响机理 ， 建立深部矿产资源快 速液化的渊控方法。研究矿物的化学组分在新型超 临界萃取溶剂中的溶解和扩展机理， 分析溶解后的矿 物组分在超临界溶剂中的运移规律 ， 探索利用原位高 温千热岩调控超临界萃取溶剂的溶解矿产资源的化 学机制 探索深部原位外源高效菌种的培养 和激活 技 术， 揭示菌群与矿产资源相互作用机制， 研究菌液 币 蔺气转换原理及其控制机理 ， 形成深部矿产资源微 生物原位计采的理论与技术体系。通过上述方式 ， 探 索同体资源流态化转换过程 ， 掌握流态化转换机理与 控制力 ‘ 法 ， 构建深部矿产资源流态化开采的流态化转 换理 论体系， 从而为实现深部矿产资源流态化开采提 供州 沦指导 3 流态化开采的关键技术 深部⋯体资源流态化开采的技术实现途径主要 有 4种方式 ， 即将 固体资源转化为气态 如煤炭地下 气化 氯 、 烷 、 将 同体资源转化为液态 如煤 炭地 下液化 、 煤炭地下高温生物 、 化学转化 、 将 固体资源 转化为混态 爆炸煤粉 、 水煤浆等 、 将 固体资源原位 “ N ‘ I t 转化 6 u 1 煤炭深部 原位电气化等 ， 而 针对这 4 种流态化外采方式 ， 必 须提 出相应 的颠覆性关键技 术 3 ． 1 深部原位采选充电气热一体化、 流态化开采技 术 深部原f 采选 充电气热一体流态化开采技术 由 盾构式采掘舱 、 破碎选煤舱和流态转化反应舱 3个主 体部分构 成， 如图 2所示_ l ， 将 固体资源转变为液 态 、 气态和电能进行开发， 实现地下煤炭无人智能开 采千 就地能量转化， 主要综合了盾构掘进 、 煤矸分选 、 煤粉爆燃发电等创新性技术， 是一种颠覆性开采技术 集成， 囤【大 J 外尚未开展相关研究。盾构式采掘舱负责 无人智能掘进与传送 ， 利用采掘舱前置大深度多场源 精准探测 装置 ， 将 地理全信 息 构造 、 水 、 资源分 布 等 一体化动态显示在虚拟监测平 台上， 启动基于多 元信息综合决策的地质灾害自主避险系统 ， 完成采掘 舱实时控制。利用多维 、 多尺度深地空间分布式导航 原型系统 ， 建立深地空间独立的高精度定位体系 ， 实 现采掘舱的资源精准开采。破碎选煤舱在井下破碎 分选出精煤粉 ， 而流态转化反应舱进行 等离子引爆 ， 构成模块发电机组 ， 同时也可利 用深地 原位 地热 、 水力 小型发电厂将煤炭进行地下燃烧 和气化 ， 获得 电力资源和可利用气体 资源 ， 并高效智 能传 输至地 表 ， 实现固态资源的流态转换 ， 使传统 开采 的输煤变 为输电 、 输热 、 输气。转化后的矿渣进行混合加工 ， 形 成充填材料回填采空 区， 用以控制岩层运动与地表沉 陷， 实现安全 、 绿色开采 。 采捌舱 选煤 与充填舱 电气转化反应舱 电气传输舱 图2 盾构式采选充电气热一体流态化开采系统示意 Fi g ． 2 S c h e ma t i c , f l ui d i z a t i o n mi n i n g wi t h TBM a s s emb l a g e f o r e x c a v a t i o n， s e p a r a t i o n， fi l l i n g， e l e c t r i c i t y ， g a s a n d h e a t s y s t e m 3 ． 2 深部原位化学转化流态化开采技术 深部原位化学转化流态化开采技术包括煤炭地 下气化和地下液化两种 ， 主要利用化学反应将煤炭直 接原位转化为液体或气体 ， 关键是提 出创新性颠覆性 技术把现有地下气化液化技术在深部原位小型化 、 精 准化及稳定可控。 现有的煤炭地下气化技术是一种适用于深地 资源流态化 开采 的绿 色开 采技 术 ， 通 过定 向钻井 、 可控气化 、 岩层控制 及生态恢 复等一 系列技术手段 实现煤炭资源的安全高效绿色开采 。然而 ， 在 深地环境下 ， 现有技术存在不可控 、 灾害风险大 、 时 效难把握等 困难 ， 1 0 0 0 m 以深煤层 赋存 地 下环境 煤 炭 学 报