煤礦能源資源高效利用發(fā)展研究

一、前言

我國是能源消費及進口大國，面對錯綜復雜的外部環(huán)境以及“雙碳”戰(zhàn)略目標牽引下的能源轉(zhuǎn)型進程，需深入推進能源革命，加強能源“產(chǎn)?供?儲?銷”體系建設，確保能源安全。因此，豐富能源供給形式、提高能源利用效率、加強多種能源之間的協(xié)同互補能力成為保障能源安全的必然選擇。煤炭作為我國的重要能源，在較長時期內(nèi)其主導地位不會改變。然而，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，全社會對能源需求的規(guī)模及多樣性持續(xù)增加，煤炭產(chǎn)業(yè)高耗能、高污染的特性制約了其可持續(xù)發(fā)展路徑的開展。近年來，煤炭行業(yè)迎來了前所未有的低碳轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)機遇，我國在重視和推動煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展的同時，給予了多項政策傾斜與支持。2021年，國家能源局、科學技術部印發(fā)的《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出，開展涌水、低濃度瓦斯、礦井余熱等能源資源利用相關示范。2022年，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局在《關于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機制和政策措施的意見》中指出，完善煤矸石、涌水、礦井瓦斯等資源綜合利用政策，鼓勵利用煤礦資源優(yōu)勢開展新能源及儲能項目的建設。2022年，中央經(jīng)濟工作會議提出，把握以煤為主的基本國情，抓好煤炭清潔高效利用，提高新能源消納能力，促進煤與新能源的優(yōu)化組合。煤礦能源資源種類多，電、熱、冷、氣等用能需求多樣，但由于煤礦區(qū)較為粗放的能源管理方式以及分散的能源供給策略，使源端大量能源資源難以與多元需求相匹配，造成了資源浪費和額外的碳排放。近年來，國內(nèi)外在煤礦能源資源高效利用方面做了大量研究，主要集中在煤礦能耗分析、資源利用、煤礦綜合能源系統(tǒng)等方面，如美國已準備將煤礦轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵞茉粗行?，計劃在煤礦建設光伏、風力等多種清潔能源電站；我國煤礦能源資源利用仍處于起步階段，相關資源的利用效率、清潔化利用水平等有待提升。進一步發(fā)揮煤礦能源資源稟賦優(yōu)勢，通過物質(zhì)?能量循環(huán)利用和優(yōu)化調(diào)度策略，提升煤礦能源資源利用效率是未來實現(xiàn)煤礦能源資源高效利用的研究重點。文章梳理煤礦能源資源利用現(xiàn)狀的基礎上，分析其面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展趨勢，總結(jié)煤礦能源資源利用的關鍵技術與發(fā)展路徑，并提出發(fā)展建議，以期為推動煤炭行業(yè)低碳發(fā)展研究提供參考。二、煤礦能源資源利用現(xiàn)狀

（一）能源資源現(xiàn)狀根據(jù)性質(zhì)和產(chǎn)生方式的不同，可以將煤礦能源資源分為常規(guī)資源、煤炭伴生資源和其他資源3類。1.常規(guī)資源常規(guī)資源主要包括煤炭、太陽能、風能、地熱能等。我國煤礦主要分布在華北、西北地區(qū)，分布區(qū)域與太陽能、風能、地熱能等新能源資源富集區(qū)高度吻合，在地理空間上存在較大的重合性。根據(jù)我國煤炭資源儲量排名前十的省份所對應的新能源資源儲量情況來看（見圖1），在煤炭資源豐富的地區(qū)，其太陽能、風能資源在全國的占比超過80%，地熱資源在全國的占比超過50%。圖1

我國煤炭資源儲量排名前十的省份對應的新能源資源情況2.煤炭伴生資源煤炭伴生資源由煤炭開采衍生而來，主要包括煤矸石、煤層氣（煤礦瓦斯）、乏風瓦斯、涌水等。其中，煤矸石來源于采煤、洗煤過程中排放的固體廢棄物，主要成分為Al2O3、SiO2以及含有鐵、鈣等的氧化物；我國煤矸石的產(chǎn)量大，2021年的產(chǎn)量約為7.43×108

t。煤層氣來源于煤和圍巖中的CH4、CO2和N2的混合氣體，屬于非常規(guī)天然氣，是一種新型清潔能源；我國每年直接排放的低濃度瓦斯總量約為1.32×109

m3。乏風瓦斯又稱煤礦風排瓦斯，是瓦斯?jié)舛鹊陀?.75%的煤礦瓦斯，雖然濃度極低，但其排放量很大，我國每年排入大氣中的乏風瓦斯超過1.5×1010

m3。涌水是在礦井開采過程中，大氣降水、地下水等通過各種通道涌入井下所形成的。圖2為2017—2021年我國原煤及伴生資源礦井的產(chǎn)量情況。由圖2可知，我國原煤產(chǎn)量在持續(xù)增長的同時，煤炭伴生資源產(chǎn)量也隨之增長。圖2

2017—2021年我國原煤及伴生資源產(chǎn)量情況3.其他資源煤礦區(qū)的其他資源主要是空氣壓縮機余熱、礦井地下空間和地表塌陷區(qū)等。空氣壓縮機余熱資源指煤礦空氣壓縮機工作過程中產(chǎn)生的高溫高壓油氣混合物所帶來的熱能，溫度通常為80~100℃，約占空氣壓縮機輸入電能的80%~93%，屬于能源轉(zhuǎn)換過程中的余熱。礦井地下空間是由井下設備轉(zhuǎn)移或礦井開采結(jié)束所留下的地質(zhì)空腔，多分布在廢棄/關閉的礦井中。地表塌陷區(qū)是由礦山開采結(jié)束后，采空區(qū)上方覆巖層應力平衡受到破壞所形成的地表塌陷區(qū)域，在廢棄/關閉礦井中較為常見。目前，我國待開發(fā)利用的廢棄礦井約有10000多處，礦井地下空間資源超過1.56×1010

m3，每年新增煤礦地表塌陷區(qū)面積超過60000km?！笆濉睍r期以來，我國廢棄/關閉的礦井數(shù)量情況如圖3所示，預計2030年我國廢棄/關閉礦井數(shù)量將達到15000處。圖3

“十五”以來我國廢棄

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關閉礦井數(shù)量（二）能源需求特性按開采方式的不同，煤礦可分為井工煤礦和露天煤礦兩類。我國主要以井工煤礦開采為主，這兩類煤礦的能源資源特性如下。1.井工煤礦井工煤礦能源需求按功能區(qū)的不同，可分為生產(chǎn)區(qū)負荷和生活區(qū)負荷，各功能區(qū)內(nèi)均包含電、熱、冷、氣等能源需求（見表1）。井工煤礦生產(chǎn)區(qū)負荷具有鮮明的峰谷時段特征，即采煤時段用能較多，非采煤時段（檢修期）用能較少。井工煤礦電負荷主要包含采煤機、刮板輸送機、皮帶運輸機、抽水泵、通風機等；由于煤炭開采機械設備種類多、功率容量大，生產(chǎn)區(qū)負荷的電能需求占煤礦總電能需求的絕大部分。井工煤礦熱負荷包括井筒防凍、建筑采暖以及洗浴熱水供應，其中井筒防凍主要是應對寒冷季節(jié)或寒冷地區(qū)可能發(fā)生的凍結(jié)現(xiàn)象；全時段洗浴熱水供應則是為保障礦工在煤礦三班倒工作制下的洗浴需求。以某12Mt/a的井工煤礦為例，其總用電負荷為53529.78kW，其中生產(chǎn)區(qū)負荷為52426.48kW，占總用電負荷的97.94%；在-17℃條件下，該煤礦的總熱負荷為21162kW，其中井筒防凍、采暖、熱水供應占比分別為53.7%、39.7%、6.6%。井工煤礦冷負荷主要包括井下供冷、建筑供冷等。受開采深度、地熱、設備散熱等因素影響，在井下溫度較高的地區(qū)需通過供冷操作，降低井下環(huán)境溫度以保障工人的生命安全。此外，井工煤礦還存在天然氣、N2等與煤礦生產(chǎn)緊密相關的能源需求。表1

井工煤礦多元用能需求

2.露天煤礦露天煤礦在穿爆、采裝、運輸、排土、輔助以及辦公建筑等方面存在用能需求（見表2），主要是機械設備對能源的消耗，其中以柴油和電力為主以及少部分的汽油。以某20Mt/a的露天煤礦為例，其年度電力總能耗為8.295×107

kW·h，柴油總能耗為73154t，汽油總能耗為279.5t。表2

露天煤礦多元用能需求（三）資源利用現(xiàn)狀1.常規(guī)資源目前，煤礦常規(guī)資源利用主要包括燃煤發(fā)電、光伏發(fā)電、風力發(fā)電、地熱資源開發(fā)等，以實現(xiàn)傳統(tǒng)火力發(fā)電與新能源發(fā)電的耦合。①燃煤發(fā)電，利用傳統(tǒng)燃煤機組，將煤的化學能轉(zhuǎn)化為電能。②光伏發(fā)電，在煤礦建筑屋頂及周邊空地布置光伏板，增加煤礦能源供給形式，如新疆哈密大南湖二礦分布式光伏項目。③風力發(fā)電，通過在煤礦周圍風能富集區(qū)建設風力發(fā)電單元，實現(xiàn)對煤礦的電能供給，如加拿大Raglan礦井大型風能發(fā)電系統(tǒng)。④地熱資源，利用礦井井下生產(chǎn)優(yōu)勢，在建井時兼顧地熱資源的開發(fā)，根據(jù)礦井地溫賦存差異，進行礦井水、巖溫、混合型地熱的開發(fā)利用。2.煤炭伴生資源煤炭伴生資源與煤炭開采息息相關，是煤礦最具開發(fā)利用潛力的一類能源資源。①

煤矸石經(jīng)預處理后可回收其中的煤、黃鐵礦等有用礦物；也可用作矸石發(fā)電的原材料，產(chǎn)生的灰渣可作為磚塊、路基、土壤改良劑、充填煤礦沉陷區(qū)等材料。近年來，隨著煤矸石發(fā)電、制磚、充填等規(guī)模性消納項目的實施，煤矸石綜合利用率持續(xù)增長，2021年我國綜合利用的煤矸石約為5.43×108

t，綜合利用率達73.1%。②煤層氣按所含瓦斯?jié)舛鹊牟煌?，分為低濃度瓦斯（濃度?%~30%）、抽采瓦斯（濃度為30%~80%）和高濃度瓦斯（濃度為80%~100%）。低濃度瓦斯多用于蓄熱氧化、燃燒發(fā)電或提純后利用；抽采瓦斯經(jīng)煤水氣分離裝置分離出其中的水氣后，可用作民用及化工原料；高濃度瓦斯可作為燃料，直接經(jīng)管道外輸加以利用。目前，我國煤礦瓦斯綜合利用率不足50%，今后的可利用空間較大。山西省能源局在《關于推動煤礦瓦斯綜合利用的指導意見》中提出，到2025年力爭全省瓦斯利用率達到50%，煤礦瓦斯的高效利用任重道遠。③乏風瓦斯的主要利用方式是蓄熱氧化、余熱回收等。蓄熱氧化技術通過蓄熱氧化裝置將乏風中低濃度瓦斯轉(zhuǎn)換為熱能，余熱回收則是通過熱泵提取礦井回風中的低溫廢熱。我國乏風氧化技術在山西、陜西等省份已實現(xiàn)工業(yè)化運行，但由于乏風瓦斯排放總量顯著，實現(xiàn)乏風瓦斯的完全利用仍有困難。④礦井涌水的利用方式包括余熱回收和凈化利用。余熱回收一般通過熱泵回收礦井排水中的低溫余熱；凈化利用則是對礦井水進行凈化除雜，用于噴灑除塵、綠植灌溉等。目前我國煤礦礦井涌水的平均利用率約為35%，水資源浪費情況較為嚴重。3.其他資源①煤礦空氣壓縮機余熱資源的利用方式主要有熱風直接利用和熱水直接利用，資源回收利用效率較高，但由于涉及設備建設或改造、大量資金投入等，尚未在煤礦區(qū)廣泛推廣和應用，余熱資源利用潛力有待提升。②礦井地下空間通常可以進行儲能（抽水蓄能、壓縮空氣儲能等）、封存CO2，也可以改造為地下實驗室、地下養(yǎng)殖、人防工程等。③煤礦地表塌陷區(qū)資源主要圍繞經(jīng)濟與生態(tài)功能進行開發(fā)利用，包括新能源開發(fā)、農(nóng)林復墾、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水庫蓄水等。由于礦井地下空間、煤礦地表塌陷區(qū)資源利用屬于煤炭開采后期，資源利用對于煤礦企業(yè)而言不具有顯著的經(jīng)濟效益，導致大量廢棄礦井資源遭到浪費。三、煤礦能源資源利用面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

（一）煤礦能源資源利用面臨的挑戰(zhàn)1.煤炭伴生資源的綜合利用水平較低煤炭伴生資源種類豐富、總量大，利用效率不高。對于單類伴生資源而言，即使70%的綜合利用率，也會造成大量的資源浪費與環(huán)境污染，因此，單個伴生資源的綜合利用水平仍需進一步提升。煤礦各伴生資源分散分布的特點決定了其分散利用的格局，不能充分發(fā)揮各伴生資源能源品位及時空分布優(yōu)勢，因此，對于多類型煤炭伴生資源而言，其多資源聚合模式以及耦合利用機理有待進一步探明。2.資源動態(tài)演化下煤礦多環(huán)節(jié)物質(zhì)–能量耦合傳輸鏈路尚不清晰煤礦資源動態(tài)演化導致全生命周期內(nèi)煤礦運行場景的復雜多樣性，加之隨著煤礦生產(chǎn)多環(huán)節(jié)能量輸入與物質(zhì)產(chǎn)出的差異性、生產(chǎn)及生活用能中各能流的強耦合特性，使得煤礦多環(huán)節(jié)物質(zhì)?能量耦合傳輸鏈路愈加混雜不清。此外，對煤礦物質(zhì)生產(chǎn)和能量耦合的特性和調(diào)控機制缺乏清晰的認識，難以優(yōu)化和調(diào)節(jié)鏈路中的各個環(huán)節(jié)以實現(xiàn)煤礦物質(zhì)?能量的高效耦合利用。3.缺少精細化調(diào)度手段和平臺支撐煤礦生產(chǎn)用能的高安全性以及能源資源利用的高效性都要求煤礦能源系統(tǒng)需具備精細化調(diào)度能力，以精準約束各能源設備出力及生產(chǎn)用能行為。目前，煤炭及伴生資源產(chǎn)量、各環(huán)節(jié)生產(chǎn)用能等多類型物質(zhì)?能量數(shù)據(jù)的采集、記錄與存儲方式各異，缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集成分析平臺作支撐，難以實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)集成和共享，限制了系統(tǒng)精細化調(diào)度的實施。（二）煤礦能源資源利用趨勢1.供能多元化隨著對煤礦新能源資源及煤炭伴生資源的持續(xù)開發(fā)利用，煤礦將逐漸形成以煤炭為主體、電力為核心、多種能源資源協(xié)同供能的綜合供能體系。該體系包括傳統(tǒng)燃煤發(fā)電、太陽能及風能發(fā)電、太陽能等新能源供熱、煤炭伴生資源高效轉(zhuǎn)化等多種供能形式，在提高煤礦能源資源利用效率的同時將煤礦區(qū)打造為集傳統(tǒng)能源與新能源為一體的綜合能源供能網(wǎng)絡。2.用能清潔化近年來，水電、風電、光伏發(fā)電等新能源裝機規(guī)模不斷攀升，終端用能清潔化水平大幅提升。同時，煤礦負荷端燃油、燃氣等碳排放環(huán)節(jié)逐漸被電力設施替代，用能更加清潔。隨著煤礦綜合供能網(wǎng)絡的逐步完善，形成了源端以多種清潔能源為主的供能形式，滿足了煤礦及周邊城鎮(zhèn)多元負荷用能需求，提高了煤礦清潔化用能水平。3.生態(tài)友好化煤礦在開采結(jié)束后，仍賦存著大量的煤、水、氣、地熱、地下空間等多種可利用資源，可發(fā)揮廢棄/關閉礦井土地資源、遺留資源賦存及設施優(yōu)勢，采用土地資源利用、生態(tài)修復、新能源開發(fā)、土地復墾等措施，實現(xiàn)廢棄礦井的精準開發(fā)利用，優(yōu)化當?shù)啬茉串a(chǎn)業(yè)結(jié)構，推動廢棄礦井資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展，助力美麗中國建設。四、煤礦能源資源高效利用的關鍵技術與發(fā)展路徑（一）煤礦能源資源高效利用的關鍵技術1.煤炭及共伴生資源高效利用技術（1）煤炭清潔高效利用技術主要包括煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化、先進燃煤發(fā)電技術。煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化涵蓋煤洗選加工、煤制液體燃料及化工品、煤炭氣化及煤與有機物協(xié)同氣化、煤轉(zhuǎn)化過程中多種污染物協(xié)同控制。先進燃煤發(fā)電技術主要有超超臨界發(fā)電、整體煤氣化燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)（IGCC）、整體煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)（IGFC）等。煤炭及共伴生資源的高效利用，可實現(xiàn)煤炭洗選、加工、廢棄物利用、發(fā)電等全過程清潔低碳，提高煤炭的清潔化利用水平。（2）煤矸石高效利用技術。將煤矸石經(jīng)粉碎、分選、喂料、燃燒、發(fā)電等工藝，驅(qū)動蒸汽輪機帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能，使其中的可燃物質(zhì)或化合物轉(zhuǎn)化為可供煤礦生產(chǎn)生活使用的電能。我國已建成陜西煤業(yè)化工集團有限責任公司2×300MW低熱值資源綜合利用發(fā)電廠、中煤平朔集團有限公司2×660MW煤矸石發(fā)電廠等發(fā)電項目，其中后者每年可消納煤矸石約5.1×106

t，發(fā)電約6.6×109

kW·h，供熱約1×1016

J，顯著提高了煤矸石的綜合利用水平。（3）煤層氣高效利用技術。煤層氣的高效利用方式由其所含甲烷的體積分數(shù)決定。體積分數(shù)≥8%的煤層氣可用于瓦斯發(fā)電，礦井抽采出的煤層氣經(jīng)水封、燃氣脫硫、排空等操作后進入燃氣發(fā)電機組燃燒發(fā)電；體積分數(shù)在0.75%~8%的煤層氣可用于氧化發(fā)電；通常將體積分數(shù)在8%以下的低濃度瓦斯與乏風瓦斯摻混至體積分數(shù)為1%~1.2%后，通過蓄熱氧化機組回收氧化后產(chǎn)生的高溫煙氣余熱進行供熱或推動蒸汽機發(fā)電。我國已建成晉煤控股集團有限公司胡底10MW高濃度瓦斯發(fā)電廠、陽泉煤業(yè)（集團）股份有限公司二礦桑掌15MW低濃度瓦斯氧化發(fā)電廠等發(fā)電項目，其中后者每小時可氧化利用5.4×105

m3級的低濃度瓦斯，年發(fā)電總量可達1.2×108

kW·h，顯著提升了煤層瓦斯的利用水平。（4）乏風瓦斯高效利用技術。乏風中的甲烷濃度極低（在0.75%以下），通常將乏風送入蓄熱氧化裝置中發(fā)生蓄熱氧化反應，同時釋放大量的熱能，經(jīng)熱交換后乏風中低濃度瓦斯蘊含的化學能轉(zhuǎn)化為可供煤礦使用的熱能。此外，乏風溫度受礦井通風循環(huán)系統(tǒng)影響，略高于環(huán)境溫度，可采用熱泵提取礦井回風中的低溫熱能供煤礦生產(chǎn)生活使用。我國已建成淮南礦業(yè)（集團）有限責任公司謝橋煤礦8×500kW低濃度瓦斯氧化供熱項目、潞安集團高河能源有限公司30MW低濃度瓦斯氧化發(fā)電廠，其中，后者通過瓦斯氧化爐、余熱鍋爐及相關輔機等設備，每年可節(jié)約標準煤15000t以上，降低了乏風瓦斯直排對環(huán)境的污染。（5）涌水高效利用技術。受礦井的天然地質(zhì)條件影響，涌水溫度常年保持穩(wěn)定，是一種較為穩(wěn)定的低品質(zhì)熱能，因此可以采用熱泵對其進行余熱回收，通過少量的電能消耗即可將涌水所蘊含的低品位熱能轉(zhuǎn)化為可供煤礦生產(chǎn)生活使用的高品質(zhì)熱能，具有節(jié)能、環(huán)保、一機多用、可靠性高等特點。目前，太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司、淮北礦業(yè)（集團）有限責任公司信湖煤礦配備了多臺水源熱泵機組以回收礦井排水余熱供煤礦使用，其中，前者在供暖季可節(jié)約標煤1100t，實現(xiàn)了對煤礦熱能的清潔供應。（6）采煤塌陷區(qū)及廢棄礦井利用技術。采煤塌陷區(qū)及廢棄礦井擁有大量的土地/空間資源，加之煤炭產(chǎn)區(qū)與新能源分布區(qū)具有重合性，可在采煤塌陷區(qū)上新建光伏、風機等，為煤礦提供清潔電能。廢棄礦井則圍繞地下空間儲能、新能源開發(fā)、CO2封存技術進行高效利用。加強采煤塌陷區(qū)及廢棄礦井利用技術的應用和落地，提升煤礦區(qū)的生態(tài)治理能力，促進資源型城市轉(zhuǎn)型升級。綜上所述，以高效能量轉(zhuǎn)化裝置為基礎，資源利用技術為支撐，對煤炭及共伴生資源進行回收利用，以期提高煤炭伴生資源的利用水平，實現(xiàn)煤礦能源資源的梯級利用。2.煤礦生產(chǎn)多環(huán)節(jié)物質(zhì)–能量循環(huán)利用模式煤礦包含諸多特殊的能源生產(chǎn)和消費行為，尤其是在煤炭伴生資源利用環(huán)節(jié)，既利用礦井生產(chǎn)過程產(chǎn)生的煤矸石、乏風、涌水等資源，同時也消耗外部電能來驅(qū)動帶式運輸機、通風機、抽采泵等生產(chǎn)設備，因此，煤炭伴生資源與其他多形態(tài)能源間存在強耦合特性。鑒于此，煤礦生產(chǎn)多環(huán)節(jié)物質(zhì)?能量循環(huán)利用模式在解析礦井異質(zhì)資源物質(zhì)流動和能量循環(huán)關系的基礎上，通過煤礦能量耦合環(huán)節(jié)多能轉(zhuǎn)化設備聚合煤礦地面及井下的風、光、熱、氣等能源資源，將煤炭伴生資源轉(zhuǎn)化為可供煤礦使用的電、熱、冷等。同時，全面剖析煤礦能源生產(chǎn)和消費特征，辨識煤礦用能關鍵環(huán)節(jié)，基于源荷狀態(tài)信息、關鍵環(huán)節(jié)能量?物質(zhì)連接模式與耦合機理，形成從源端資源利用到荷端能源需求的全環(huán)節(jié)物質(zhì)?能量循環(huán)利用模式，實現(xiàn)煤礦能源資源的自主循環(huán)利用。3.資源動態(tài)演化下煤礦物質(zhì)–能量循環(huán)高效利用拓撲構建方法煤礦生產(chǎn)具有鮮明的周期性，如前期建井、中期開采、后期關閉，各時期內(nèi)伴生資源賦能特征、能源產(chǎn)銷特性等具有較大差異。以煤礦中期開采為例，隨著煤炭的持續(xù)開采，井下工作面的新增與關閉、地質(zhì)空間環(huán)境變化等都會引起煤炭伴生資源賦能特征、生產(chǎn)用能行為以及系統(tǒng)拓撲結(jié)構的改變。因此，在煤礦資源動態(tài)演化條件下，圍繞煤礦全生命周期內(nèi)物質(zhì)生產(chǎn)全流程以及多環(huán)節(jié)能量耦合模式，可以構建煤礦物質(zhì)?能量循環(huán)高效利用拓撲架構。目前，太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司根據(jù)現(xiàn)階段煤礦開采特征，擬構建的煤礦拓撲結(jié)構如圖4所示。該結(jié)構充分考慮煤礦生產(chǎn)特性，以滿足煤礦開采、生產(chǎn)、生活辦公等的電、氣、冷、熱需求為主要目標，通過伴生資源和其他可利用能源資源之間的多能互補綜合利用，提升煤礦能源利用效率、能源供給可靠性，促進煤礦能源系統(tǒng)向綠色低碳的綜合能源微網(wǎng)發(fā)展。圖4

基于煤礦生產(chǎn)特性的煤礦綜合能源系統(tǒng)能源資源高效利用拓撲結(jié)構4.煤礦綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度技術與傳統(tǒng)綜合能源相比，煤礦存在能源供給可靠性要求極高、多種伴生資源與可再生能源共存、物質(zhì)?能量各環(huán)節(jié)高度耦合等特殊性和復雜性，這使得煤礦綜合能源優(yōu)化調(diào)度技術需更多地關注煤礦供能與生產(chǎn)安全、異質(zhì)資源間的資源協(xié)調(diào)利用、能量與生產(chǎn)耦合環(huán)節(jié)的耦合特性等方面。通過解析煤礦能源資源稟賦特性、識別能量與生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)、提取多元負荷耦合特征以及區(qū)分運行場景變化等，可以實現(xiàn)對煤礦綜合能源系統(tǒng)的深層剖析。在構建煤礦綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型時，通過以煤礦供電和供熱/冷等的安全可靠性、煤礦能源資源利用效率、能源生產(chǎn)及消費成本等經(jīng)濟性指標，或以碳、污染物排放量等環(huán)保性指標，確定需要優(yōu)化的目標；然后，考慮煤礦能源轉(zhuǎn)化設備的出力約束、物質(zhì)?能量各環(huán)節(jié)耦合約束以及系統(tǒng)各類用能行為約束，尤其是與生產(chǎn)強相關的安全性約束，如通風機、抽水泵、瓦斯抽放泵等。根據(jù)模型呈現(xiàn)的大規(guī)模、強耦合、非線性等特征，選取合適的求解方法進行模型求解，生成可指導煤礦生產(chǎn)、能源產(chǎn)出、用能行為的能源資源分配方案，促進煤礦能源資源的高效利用。（二）煤礦能源資源高效利用的發(fā)展路徑根據(jù)能源資源關鍵技術的發(fā)展水平及國家政策導向等因素，可將煤礦能源資源高效利用發(fā)展路徑劃分為以下3個階段。工程示范階段：2023—2025年，融合多種資源高效利用技術，構建煤礦多能互補體系，推進煤與共伴生資源協(xié)同開發(fā)利用。該階段煤礦開發(fā)建設需與國家能源領域政策相結(jié)合，以提高煤、煤矸石、煤層氣、涌水等礦山基礎能源的綜合利用效率為目標，推動煤炭清潔轉(zhuǎn)換、伴生資源高效利用等技術的發(fā)展，重點攻關IGCC、IGFC等先進燃煤發(fā)電技術、高性能熱泵技術等，積極探索煤礦資源耦合利用循環(huán)模式，為煤礦綜合能源系統(tǒng)應用推廣提供理論支持。應用推廣階段：2025—2030年，在國家相關政策的支持下，在條件良好的煤礦推廣綜合能源系統(tǒng)。利用煤礦自身能源資源優(yōu)勢，加強煤礦企業(yè)與高校、科研院校之間的合作，重點推進煤與伴生資源、新能源耦合發(fā)展，實現(xiàn)煤礦物質(zhì)?能量循環(huán)。在應用推廣過程中檢驗相關能源技術應用的效果，總結(jié)出煤礦不同資源稟賦下的技術集成形式，為規(guī)?；瘧秒A段提供案例參考。規(guī)?；瘧秒A段：2030年后，煤礦綜合能源系統(tǒng)初具規(guī)模，并協(xié)同煤電、煤化工等煤炭上下游產(chǎn)業(yè)形成煤基綜合能源基地。以風、光資源為依托，匹配煤電支撐性調(diào)節(jié)電源，深入推進煤基綜合能源與新能源的優(yōu)化組合。推動煤基多元清潔能源協(xié)同開