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(jié)與新技術(shù)交流會(huì)議上，中國(guó)工程院謝和平院士系統(tǒng)地闡述了煤炭開采未來技術(shù)“深部原位流態(tài)化開采顛覆性技術(shù)”的構(gòu)想與規(guī)劃。介紹了深部固體資源原位流態(tài)化開采構(gòu)想的定義和內(nèi)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(chǔ)理論研究及十一大核心顛覆性技術(shù)。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(shì)。2016年，我國(guó)提出“深地”國(guó)家科技戰(zhàn)略。向地球深部進(jìn)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(yīng)力、高地溫、高滲透壓”以及更加劇烈的工程擾動(dòng)，不同工程活動(dòng)方式誘發(fā)的高應(yīng)力和高量級(jí)的災(zāi)害更加凸顯，導(dǎo)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(zāi)害事故頻率高、量級(jí)大、預(yù)測(cè)難，嚴(yán)重影響著深部資源的安全高效開采?？紤]目前的技術(shù)水平支撐及深部地溫等惡劣環(huán)境導(dǎo)致的作業(yè)人員生理機(jī)理的極限承受能力，煤炭資源的開采存在一個(gè)1800m-2000m的極限開采深度。而針對(duì)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(guān)區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的深部固體資源開采開發(fā)顛覆性原理技術(shù)與方法，打造與構(gòu)建具有對(duì)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(duì)上述難題，為探索攻關(guān)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(guó)工程院國(guó)際工程科技大會(huì)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(gòu)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(zhuǎn)化為氣態(tài)、液態(tài)或氣固液混態(tài)物質(zhì)，在井下實(shí)現(xiàn)無人智能化采選充及熱電氣轉(zhuǎn)化的流態(tài)化開采技術(shù)體系；實(shí)現(xiàn)對(duì)深部固體資源采、選、冶、充、電、氣在原位、實(shí)時(shí)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(yùn)輸模式和利用模式，為實(shí)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(shí)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(yùn)輸工藝，實(shí)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(yùn)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(gòu)開采、破碎分離、原位液化、電化、氣化，及原位負(fù)碳充填等環(huán)節(jié)的完整開采構(gòu)想。
深部原位盾構(gòu)開采環(huán)節(jié)包含精細(xì)探測(cè)、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(xì)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(fù)碳充填包含負(fù)碳矸石充填、矸石與膠體構(gòu)建的高孔隙的CO2充填結(jié)構(gòu)體等。深部原位深部煤炭資源流態(tài)化迴行開采結(jié)構(gòu)及方法在進(jìn)行深部煤炭資源開采時(shí)只需布設(shè)一個(gè)豎直大巷和一個(gè)流態(tài)資源井下輸運(yùn)中轉(zhuǎn)站，不需要建設(shè)用于煤炭提升、運(yùn)輸?shù)木?/span>,采區(qū)中基本不會(huì)留下殘余煤柱。
深部固體資源原位流態(tài)化開采構(gòu)想自2014年提出至今已不在概念層面，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)、五礦集團(tuán)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)等企業(yè)高校已開展了多項(xiàng)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(guān)研究?jī)?nèi)容已列入國(guó)家自然科學(xué)基金委礦山開采工程學(xué)科中的學(xué)科研究方向，同時(shí)也列入面向2035國(guó)家重大科技專項(xiàng)的核心內(nèi)容。
深部固體資源原位流態(tài)化開采理論與技術(shù)主要包括四大基礎(chǔ)理論探索和“11+X”核心顛覆性技術(shù)構(gòu)想。深部固體資源原位流態(tài)化開采四大基礎(chǔ)理論主要包括深部原位流態(tài)化開采的采動(dòng)巖體力學(xué)理論、深部原位流態(tài)化開采的“三場(chǎng)”可視化理論、深部原位流態(tài)化開采的原位轉(zhuǎn)化多物理場(chǎng)耦合理論和深部原位流態(tài)化開采的開采、轉(zhuǎn)化與輸運(yùn)理論。旨在建立全面的深部原位流態(tài)化開采動(dòng)力學(xué)理論框架、多物理場(chǎng)耦合作用下煤炭原位液化、氣化的非線性滲流與擴(kuò)散理論體系及原位粘稠煤漿、精細(xì)化煤粉的遠(yuǎn)程管路輸送的多相流體動(dòng)力學(xué)理論。這些研究成果將為實(shí)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(xué)開采提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)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(shù)構(gòu)想包括深部煤與瓦斯物理流態(tài)化同采技術(shù)、深部原位負(fù)碳高效充填技術(shù)、深部原位零碳發(fā)電技術(shù)、深部原位廢水/礦井水直接制氫技術(shù)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(guó)礦產(chǎn)資源總量的增加提供強(qiáng)有力的技術(shù)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(gòu)想是中國(guó)科學(xué)家率先提出的科學(xué)思想，具有原創(chuàng)性、前瞻性和顛覆性。雖然目前還在預(yù)研階段，但相信在國(guó)家科技創(chuàng)新體系進(jìn)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(shù)突破，為最終實(shí)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
