2016, Vol. 59
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 吉林大学, 长春 130026
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Jilin University, Changchun 130026, China
在印度洋板块、欧亚板块和太平洋板块，三大板块错综力系作用下，我国大陆内部，乃至整个东亚形成了破碎镶嵌块体的组构(图 1).特别是青藏高原的升起，南海的下沉，这一高一低的构筑导致我国大陆内部沉积建造、岩相和构造的高度复杂格局.为我国能源(油、气、煤)和金属与非金属矿产资源的聚集、发现和勘查造成了极大的困难.
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图 1 亚洲东部晚侏罗纪-早白垩纪的多方向汇聚构造格局(Dong et al., 2013) Fig. 1 Multi-directional convergent tectonic model of the Eastern Asia in the Late Jurassic-Early Cretaceous (Dong et al., 2013) |
全球能源结构中由于本土资源的优势和特点，我国具有差异明显的能源结构，主体能源是煤炭.目前随着我国改革开放不断深入，随着工业化、信息化、城镇化、市场化、国际化进程不断加快，对能源的需求将会日益大幅度的增加，这就使得对煤炭资源的勘探与开采必须不断深入，进入到第二深度空间(500~2000 m)的需求日益紧迫.
随着煤炭开采深度的增大，在开采过程中的难度亦必随之增大，特别是岩石的物理-力学属性和深层复杂构造及在机械化的采掘技术发展中大量高浓度瓦斯溢出、介质与结构的高应力状态、大量涌水以及地下温度的升高等灾害必随之增多.因此必须强化高精度探测与数据采集，不断加强高分辨动态监测与防范介质破裂及其造成的灾害，通过引入、发展当代高、新技术提高深部煤炭的开采及减少灾害.同时还必须发展煤炭液化与洁净煤等技术，实现煤炭的多元化高效综合利用.
能源问题为世界各国所关注，从不同的角度已有不少论述(王安建和王高尚, 2002, 2012).文中引用了大量的国家统计部门发布的有关数据和图表，在此基础上通过综合分析和深化认识，且着重于对第二深度空间煤炭的勘探、开采；基础研究和高、新科技的应用；深部潜在资源量的分析与煤炭的高能、高效利用，厘定了我国煤炭在发展进程中存在的问题，就三维安全生产、监测体系之必须和在中国能源结构中煤炭的不可替代性进行了分析和论述.
2 当今我国能源的发展形势与国策能源是人类社会存在和繁荣的物质基础，为经济发展与文明进步做出了巨大贡献，是国民经济、国家安全和实现可持续发展的重要物质基础.能源在经济、安全和环境这三大问题中具有举足轻重的地位.能源是科学技术进步的前提，而科学技术的不断应用促使人类加速能源开发和提高能源利用效率，使能源构成不断趋于合理化.进入21世纪我国必须制定一个符合国情，同时跟上经济全球化与环境全球化趋势的能源发展战略.
在全球范围内化石能源分布极不均匀，勘探程度也是极不均匀的.在我国化石能源分布也是极不均匀的(图 2).从能源消费总量上来看我国是一个能源消耗大国，但与全球大多数国家相比我国人均能源消费相对贫乏.2011年我国人均消费能源为1.8吨油当量，低于相同发展阶段大多数国家，是美国和日本相同阶段人均消费量的1/2和3/4(图 3)；2011年能源消费强度为225吨油当量/百万盖凯美元(1990年美元，以下简称美元)，分别为相同发展阶段美国的37%、英国的50%、日本的75%(图 4).
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图 2 中国化石能源，石油、天然气和煤炭产地分布 Fig. 2 Distribution of the fossil energy, petroleum, natural gas and coal in China |
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图 3 各国相同发展阶段人均能源消费对比(数据来源：中国国家统计局；国际能源机构(EIA)；格罗宁根增长和发展中心(GGDC)；(王安建和王高尚, 2012)) Fig. 3 The comparison of per capita energy consumption in different countries at the same stage (Sources: National Bureau of Statistics of China; International Energy Agency (EIA); The Groningen Growth and Development (GGDC); (Wang and Wang, 2012)) |
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图 4 各国相同发展阶段能源消费强度对比(数据来源：中国国家统计局；EIA；GGDC；(王安建和王高尚, 2012)) Fig. 4 The comparison of the energy consumption intensity in different countries at the same stage (Sources: National Bureau of Statistics of China; EIA; GGDC; (Wang and Wang, 2012)) |
20世纪末以来，特别是美国“911”事件以后，国际石油资源的竞争愈发激烈.随着我国石油消费和进口量的日益增长，加剧了我国与亚太地区国家和发达国家的竞争，石油供应愈发不安全.基于这样的能源形势，以煤炭为主的能源结构将必是我国的基本国策，必须充分利用我国煤炭能源的优势(质量高、品种齐全、且储量可观)，同时还必须发展可再生能源，走综合能源有效利用的可持续发展的道路.
在20世纪的百年里，世界各国不断加强对煤炭资源的勘探与开采，平均开采深度在500 m之内.进入21世纪这种勘探与开采程度并不能满足全球日益巨增的能源需求.尤其是在煤多、油少的中国，要实现我国的快速工业化和经济的腾飞，从长远看必须依靠大量的煤炭资源保证能源供应.因此必须突破当前的勘探与开采深度，在第二深度空间(500~2000 m)进行煤炭的勘探与开发必须提上日程，为我国经济社会发展日益增长的能源需求提供重要保证.当然随着开采深度的增大，开采难度亦随之增大，煤矿灾害将必随之增多，安全问题将是一个十分重要的问题.为此在煤炭的深部勘探和开采中一系列的理论与技术问题尚有待解决，以保证煤炭的安全生产和可持续供给.
3 当今对化石能源的需求、煤炭资源的生产和消费特点在化石能源中相对于石油资源的缺乏，我国煤炭资源丰富，约占世界总储量的16%，且品种齐全煤质优异，一直作为主体能源为经济建设服务.随着我国经济的快速发展，在未来2、30年间，对主要矿产资源的消费需求将会是巨大的(王安建和王高尚, 2002).以目前探明的主要矿产储量明显不能满足经济社会可持续发展的需求.为此，必须加强矿产资源，特别是煤炭的勘探开发，并且做到对资源的多元高效利用.
3.1 煤炭能源需求 3.1.1 在全球范围内的煤炭贸易圈与需求(1)世界煤炭贸易形势
当今全球已形成大西洋和太平洋两大煤炭贸易圈，即以欧洲各国为需求方，美洲、俄罗斯和非洲为输出地--环大西洋贸易圈；以大洋洲为输出端，以亚洲为输入端--大洋洲煤炭贸易圈.贸易量在逐年增大，2010年全球煤炭贸易量为13.2亿吨，较1980年增加2.8倍；1980-2010年全球煤炭贸易量平稳增长，年均增速4.6%(图 5).
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图 5 1980-2010年全球煤炭贸易量及增速(数据来源：EIA；(王安建和王高尚, 2012)) Fig. 5 The global coal trade volume and growth: 1980-2010 (Source: EIA; (Wang and Wang, 2012)) |
(2)全球煤炭储量占化石能源储量一半，中、美、俄优势显著
2011年全球煤炭储量8609亿吨，折合4219亿吨油当量，占全球化石能源总储量的51%.2011年美国、俄罗斯和中国的煤炭储量分别为2373亿吨、1570亿吨和1145亿吨，合计占全球储量的60%(表 1).2011年，全球煤炭静态储产比为172，除亚洲外的各区域储产比均超过100；尽管亚洲煤炭产量占全球60%，但储产比仍超过40，意味着全球煤炭供需形势远比石油和天然气乐观.
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表 1 2011年全球主要国家煤炭储量(数据来源：BP) Table 1 The coal reserves of main countries in 2011 (Source: BP) |
随着我国改革开放的不断深入，经济与社会的快速发展，对能源的消费亦在日益剧增.在过去30多年中，我国一直延续以煤炭为主体的能源结构. 2003年中国能源消费总量为16.8亿吨标准煤(toe)，是1980年6.03亿吨标准煤的2.8倍(滕吉文等, 2008)；2013年，中国能源的年消费总量已达28.52亿吨油当量(toe)，与2003年的12.04亿吨油当量相比，十年迅速增长了2.4倍(表 2).
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表 2 2003-2013年中国能源消费总量及结构 Table 2 Amount and proportions of energy consumption in China (2003-2013) |
2000年世界一次性化石能源的消费结构为：煤炭占26%、石油占40%、天然气占26%.我国则是：煤炭占67%、石油占23.4%、天然气占2.5%.20世纪60~70年代期间煤炭一度在一次性化石能源消费中所占比例超过80%.我国煤炭作为主体能源的能源结构与其他国家相比是极为不同的.在世界油价爆升的大环境下，同时我国能源消费总量又在迅速增长，未来几十年以煤炭为主体的能源消费结构中乃是不容争辩的.
3.1.3 我国煤炭行业消费特征从煤炭消费结构来看，电力行业始终是煤炭消费的主要来源.2000年以来电力行业占煤炭消费比重维持约50%的水平，截止2011年，电力、钢铁、水泥、化工行业的煤炭消费占比分别为50.1%、18.7%、7.3%和4.7%.而从历史情况来看，电力行业的耗煤比重由1994年的31.4%上涨至2011年的50.1%，呈现出逐年提升的态势.“十二五”期间，全国规划燃煤火电机组开工规模预计为3亿千瓦，2015年火电装机容量将达到9.33亿千瓦.因此我国煤炭消费主要是用于发电，这一趋势在今后相当长的一段历史时期内也不会改变.
3.2 我国能源分布与结构的特点我国能源地理分布是北煤、南水和东、西油、气，富煤、缺油、少气是我国一次化石能源的最大特征，石油、天然气储量少，难以满足国民经济的发展需求，因而短期内以煤为主的能源结构难以根本改变.煤炭资源的地理分布极不平衡.中国煤炭资源北多南少，西多东少，煤炭资源的分布与消费区分布极不协调.从各大行政区内部看，煤炭资源分布也不平衡，如华东地区的煤炭资源储量的87%集中在安徽、山东，而工业主要在以上海为中心的长江三角洲地区；中南地区煤炭资源的72%集中在河南，而工业主要在武汉和珠江三角洲地区；西南煤炭资源的67%集中在贵州，而工业主要在四川.我国的煤炭储存以山西、河北、河南、青海、内蒙、新疆、东北各省等为主要产煤大省.
3.2.1 能源结构特点(1)能源生产结构
我国能源生产结构中，煤炭的比重占到70%~80%，远远高于其他国家.1978年我国煤炭生产在能源生产构成中所占比例为70.3%，到2011年达到77.8%，2013年为75.6%(图 6).与此同时，我国能源生产增长率也是在稳定波动之中小幅上升.
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图 6 我国能源生产结构(数据来源：中国国家统计局) Fig. 6 Structure of energy production in China (Source: National Bureau of Statistics of China) |
(2)能源消费结构
我国能源消费结构中，煤炭的比重远远高于其他国家.1990年我国煤炭消费在能源消费构成中所占比例为76.2%，2002年下降到68.0%，但在2002年以后，煤炭所占比例又逐年上升，2005年上升到70.8%，但在2013年又小幅下降到66.0%(图 7).
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图 7 我国能源消费结构(数据来源：中国国家统计局) Fig. 7 Structure of energy consumption in China (Source: National Bureau of Statistics of China) |
由图 7可知，1978-2013年中，我国煤炭消费量、生产量虽有波动，但整体趋势平稳.我国对煤炭依存度高.以煤为主的能源结构短期内难以改变，煤炭仍将是我国的主要能源.现有能源资源的分布也决定了我国必须以煤炭为主体能源的消费结构.这表明，煤炭乃中国的支柱产业，在一段相当长的历史阶段内煤炭当将会成为我国快速工业化和经济腾飞的制约.
3.2.2 人均消费水平与差异根据BP公司《Statistical Review of World Energy 2011》数据计算，2010年世界年人均一次能源消费量为1.74吨油当量，美国为7.35吨油当量，中国为1.82吨油当量，中国比世界水平略高，仅为美国的1/4.《2012中国能源发展报告》显示，2011年中国的人均能源消费量为2.59吨标准煤，仅仅达到了世界平均水平.中国能源消费总量虽然占世界一次能源消费总量的20%，但中国人口占世界人口总数的近20%，所以人均能源消费水平远低于美国、日本、韩国等众多国家.
据国家统计局数据，2012年中国人均能源生产量为2.46吨标准煤，人均能源消费量为2.68吨标准煤，人均煤炭消费量为2.61吨，人均石油消费量为0.35吨.
然而应当特别注意的是，1980-2010年间，中国能源消费量占全球的比重从6.3%增加到19%，而全球能源消费增加近40%来自中国，这说明全球的能源消费中心已转移到亚洲，而中国将成为能源消费世界第一大国(图 8).
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图 8 全球能源消费重心转移示意图(数据来源：BP；(王安建和王高尚, 2012)) Fig. 8 The focus shifted of global energy consumption (Sources: BP; (Wang and Wang, 2012)) |
人类很早就开始利用煤炭资源，煤炭的真正被广泛用作能源是17世纪以后，1760年蒸汽机的发明，引发了英国的工业革命，而煤炭则是其动力源泉，同时工业革命也使煤炭成为世界的主导能源.世界煤炭产量总的趋势是逐步增加的.1913年仅为13.41亿吨，到2013年已达78.96亿吨(BP世界能源统计数据2014).旧中国煤炭工业发展缓慢，到1949年煤炭的产量仅3240万吨.新中国成立以后，1952年煤炭年产量达到6600万吨.近年来，由于我国经济的发展，带动了煤炭行业的大发展，到2013年我国煤炭产量已达35.98亿吨(国家统计局).
4.1 全球煤炭的生产、消耗及贸易运输据BP能源2014年数据，截止2013年底美国是全球煤炭储量最大的国家，占比高达26.6%，其次是俄罗斯占17.6%，中国占12.8%，居第三位.澳大利亚和印度分别占8.6%和6.8%.在世界煤炭生产与储存中我国具有相当的优势.
4.1.1 生产据BP能源2014年数据，2013年全球共生产煤炭78.96亿吨，可折合成3881.4百万吨油当量(Mtoe)，有12个国家产量占到全球份额1%以上，合计产量占到全球份额的94.5%.中国是产煤量最大的国家，产量占全球47.4%，美国居第二位，占12.9%，澳大利亚、印尼和印度分别占6.9%、6.7%和5.9%.此外，俄罗斯和南非分别各占4.3%和3.7%(表 3).
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表 3 2013年世界主要煤炭生产国 Table 3 Majar countries of coal production in 2013 |
据BP能源2014年数据，2013年全球共消费煤炭3826.7百万吨油当量，消耗量占全球1%以上份额的国家和地区有14个，合计消费了全球煤炭消费量的90.3%.中国消费量为1925.3百万吨油当量，占到了全球消费量的50.3%；美国居第二位，占11.9%；印度居第三位，占8.5%(表 4).
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表 4 2013年世界主要煤炭消费国 Table 4 Majar countries of coal consumption in 2013 |
2010年以进口量计算国际煤炭贸易总量达到10.633亿吨，其中动力煤占比高达74.5%，炼焦煤占比24.1%；亚太地区在世界煤炭贸易市场中的份额占比达到64.2%，欧洲及欧亚大陆占20.5%，美洲占11.6%，非洲占3.7%(刘敬青等, 2013).全球煤炭进口国家及地区主要有日本、中国、韩国、台湾、印度；出口国家及地区主要有印度尼西亚、澳大利亚、俄罗斯、哥伦比亚、南非(表 5).全球煤炭交易主要是通过海运运输完成.
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表 5 2010年世界主要动力煤进出口国及地区(刘敬青等, 2013) Table 5 Majar countries and regions to imports and exports of thermal coal in 2013(Liu et al., 2013) |
从我国来看，2009年中国首次成为煤炭的净进口国，2011-2012年连续成为全球最大的煤炭进口国，占全球煤炭贸易的比例分别为16%和20%.中国煤炭市场已经成为国际煤炭市场的重要组成部分，从进口国看，集中在印尼、澳大利亚、蒙古、加拿大、美国等煤炭主产区.
4.2 我国化石能源的未来需求目前，我国经济社会正处在快速发展过程中，工业、农业、国防和科技现代化均需要能源的保障，实现中华民族伟大复兴的中国梦离不开能源的重要基石，然而化石能源在我国能源结构中占比超过90%，未来对化石能源的需求将会是巨量的.
4.2.1 煤炭在我国未来能源结构中的地位在全球范围内，未来30年全球煤炭需求增速将会略高于石油年均为0.76%.预计全球在2020年和2030年煤炭需求量将分别为88.1亿吨和92.3亿吨.在未来30年，全球煤炭需求将主要来自亚洲(图 9)，即2030年将要达到65.8亿吨，占全球71%. 2011-2040年全球煤炭累计需求量将达2643.2亿吨，是过去30年累计消费量的1.8倍.可见需求量之巨大，但潜在的资源量也是巨大的(图 10)，特别是第二深度空间的深层煤是我国可持续发展的后盾.
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图 9 1980-2040年全球各地区煤炭需求变化(数据来源：历史数据来自BP；预测数据来自(王安建和王高尚, 2012)) Fig. 9 The demand changes of coal in different regions from 1980 to 2040 (Sources: Historical data from BP; Forecasts from (Wang and Wang, 2012)) |
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图 10 全球各地区煤炭潜在资源量(数据来源：Federal Institute for Geosciences and Natural Researces (FIGNR)) Fig. 10 The potential coal resources in different regions (Source:Federal Institute for Geosciences and Natural Researces (FIGNR)) |
在未来的20年中，我国累计需原煤约800亿吨以上(王安建, 2012)，是过去60年煤炭消费总量的1.5倍，在我国能源消费结构中预测原煤所占百分比为65.7(2015年)，60.6(2020年)，51.9(2030年)，47.6(2040年).尽管近年来工业煤改气使得煤炭产量增速有一定的下滑，但从长远来看，煤炭的不可替代地位难以改变.同时也迫使我国煤炭工业必须在洁净技术和高效利用上不断寻求新途，以不断扩展煤炭的高效利用率.
预计我国将会在2030-2035年期间实现能源需求的零增长(图 11)，而且其需求仍居世界之首.因为在未来的30年中累计需求将为过去30年的3.6倍，到2030年煤炭占能源需求占比仍将超过50%，所以从能源的消费结构来看，煤炭仍将是中国未来能源结构中的主体(表 6).
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图 11 2030-2035年中国人均能源消费“零增长”(王安建和王高尚, 2012) Fig. 11 Zero growth of per capita energy consumption in China (Wang and Wang, 2012) |
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表 6 2010-2040年中国煤炭消费预测 Table 6 The prediction of coal consumption in China from 2010 to 2040 |
据中国国务院新闻办公室发布的《中国的能源政策》白皮书，近年来，中国能源对外依存度上升较快，其中石油对外依存度从本世纪初的32%上升至目前的57%.我国自从1993年首度成为石油净进口国以来，中国石油对外依存度由当年的6%一路攀升，2009年突破50%的警戒线，2011年我国石油对外依存度达到56.5%，比2010年上升了1.7%.原油进口主要来自中东、非洲、拉美，而这些国家政治不稳定，不可避免地影响到中国的能源供应安全.为此必须清晰地认识到：石油对外依存度大于50%，进口的渠道集中度大于50%，已超过警戒值，即不安全因素存在已很严重、且已构成极大威胁.而对于煤炭，则是一种安全的主体能源，至少在21世纪内不会出现危机.全球煤炭生产将保持常态增长，产量增至92.6亿吨.亚洲将长期保持全球煤炭主产区的地位，产量占全球的60%左右(图 12).
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图 12 1980-2040年全球各区域煤炭产量预测(数据来源：历史数据来自BP；预测数据来自(王安建和王高尚, 2012)) Fig. 12 The production prediction of coal in different regions (Sources: Historical data from BP; Forecasts from (Wang and Wang, 2012)) |
中东地区的政治、军事形势直接影响着全球石油价格，本质上五次中东战争均是为了争夺石油.全球能源的竞争十分激烈，基于煤炭储备量和生产量的总体发展趋势，我国必须坚定地立足于本土，在多元化利用世界能源的同时，结合我国煤炭能源分布较广、储量较丰富以及在能源结构中主体地位的特点，突破当前的勘探与开采深度，在第二深度空间(500~2000 m)进行煤炭的勘探开发与高效利用.
4.3 中国煤炭资源利用和存在的问题尽管煤炭的生产和利用为我国工业化做出了巨大贡献，但也随之出现了一系列的严重问题，例如煤矿灾害、大气污染等.这些问题影响着人民生活的方方面面，有待迅速解决、且必须解决，以达煤炭勘探与开采的有序、合理和科学的发展.
4.3.1 SO2、粉尘的污染和排放中国由于化石燃料的大量消耗，造成了严重的环境污染.表 7为近年来国家环境保护总局发布的《中国环境状况公报》关于废气中主要污染物排放量数据，2013年中国SO2的排放总量为2043.9万吨.SO2年均浓度范围为7~114 μg·m-3，平均浓度为40 μg·m-3，达标城市比例为86.5%；NO2年均浓度范围为17~69 μg·m-3，平均浓度为44 μg·m-3，达标城市比例为39.2%；PM10年均浓度范围为47~305 μg·m-3，平均浓度为118 μg·m-3，达标城市比例为14.9%；PM2.5年均浓度范围为26~160 μg·m-3，平均浓度为72 μg·m-3，达标城市比例为4.1%.全国酸雨分布区域集中在长江沿线及中下游以南，主要包括江西、福建、湖南、重庆的大部分地区，以及长三角、珠三角和四川东南部地区.酸雨区面积约占国土面积的10.6%.应当看到，大量煤炭的直接燃烧，效率低下技术水平落后乃是造成严重污染的主要原因.
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表 7 2011-2013中国废气中主要污染物排放量(单位：万吨) Table 7 Released pollutants of China from 2011 to 2013 |
中国CO2排放中约有70%源于煤炭的燃烧.截止2004年，中国的CO2排放总量约为38.30亿吨，占世界CO2排放总量的14.5%，即仅次于美国、居世界第二位.可是2010年中国的CO2排放量已达78.3亿吨，占全球近1/4，居世界第一位.但人均排放量(5.8吨)却远低于大多数发达国家，仅为美国的29%，日本的56%，却略高于世界平均水平(图 13).
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图 13 2010年各国人均二氧化碳排放对比(数据来源：中国国家统计局；BP；GGDC) Fig. 13 The comparison of carbon dioxide emissions per capita in 2010 (Sources: National Bureau of Statistics of China; BP; GGDC) |
基于当今全球能源消费碳排放量，预测在未来即2030年前后，则将大幅度升高.图 14表明，2010年，全球能源消费的碳排放量为85亿吨碳，历史累计达3604亿吨碳；2020年，碳排放量为105亿吨碳，累计达4555亿吨碳；到2030年，碳排放量将增至124亿吨碳，累计达5704亿吨碳.这表明，我国的碳排放量随着工业化与经济腾飞的进程在逐年增大，这与全球各国的总态势是一致的.
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图 14 全球能源消费碳排放量预测(汪莉丽等, 2009)(此处的碳排放量预测值为碳的产生量, 暂不考虑提高能源利用效率、二氧化碳分离捕集技术、碳封存技术等因素.) Fig. 14 The global carbon emissions prediction of energy consumption (Wang et al., 2009) |
在过去30年中全球碳排放量增长近73%(图 15)，然而对于碳排放强度，发展中国家下降幅度却大于发达国家，例如：过去30年，发达国家碳排放强度下降了36%，而发展中国家下降了40.3%；在主要国家中，中国下降幅度最大，已达到了53.2%.
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图 15 1980-2010年全球及主要国家碳排放强度变化(数据来源：EIA) Fig. 15 The comparison of carbon emissions intensity in different countries or regions from 1980 to 2010(Source: EIA) |
在面对快速发展的煤炭消费和更为严峻的生态环境压力下，中国必须大量发展洁净煤技术，特别是洁净煤发电技术，强化采用先进的装备以提高煤炭的高效利用.只有在施行煤炭勘探、开采和利用系统工程的全过程中一条龙进行污染控制，并形成煤炭生产、消费与治理污染的“控制链”，才能保证在中国社会经济快速发展的进程中，环境确能得到改善，能源利用效率确得到提高(黄毅诚, 2004; 中国科学院学部, 2007)，以满足可持续健康发展中的煤炭需求和和谐社会的建设.
4.3.3 我国煤炭利用中存在的问题我国是最大的煤炭生产国和消费国，目前业已成为全球最大的煤炭进口国，煤炭是我国主体能源.2012年煤炭产量已达36.45亿吨，消费量为35.26亿吨，消费量占能源消费总量的66%(国家统计局).目前，我国煤炭利用过程中以下三方面的问题比较突：
(1)煤炭开采以粗放式为主，浪费了宝贵的地下资源.在超强度开采过程中，企业往往急功近利，“采厚弃薄”、超环境容量开采、私挖滥采的现象非常普遍.
(2)综合利用效率低.深加工核心技术薄弱，导致煤炭加工深度不够；流通加工和资源综合利用环节薄弱，既浪费了开采出的煤炭资源，又加大了终端消费环节的节能减排成本；单位产品的能耗水平高.
(3)一系列生态环境问题.煤炭资源粗放式的开采、运输、加工和消费，不仅会排放大量污染物，污染空气、土壤和水资源，破坏生态环境，还会引发地表塌陷，水土流失.目前，我国二氧化碳排放量的70%、二氧化硫排放量的90%、氮氧化合物排放量的67%、烟尘的70%都来自于燃煤.
基于我国以煤炭为主体的能源结构，且其在相当长时期内不可能改变.必须采取多种措施，应用高、新科技提高我国煤炭资源的开发利用效率，强化大气污染等生态环境治理与防范，确保“洁净”环境、和谐社会建设，以造福于人类.
5 煤炭深部勘探、开采和高新技术的应用石油、天然气和煤炭作为化石能源是人类社会发展的重要物质基础，也是人类不断进行研究、寻找、开发和利用的动力对象.化石能源在全球范围内的分布是极不均匀的、且是不可再生的.尽管我国煤炭资源分布较广、储量较丰富，但空间分布却差异悬殊，而且品质和开发利用的技术以及地域经济状况差别亦相当悬殊.由于煤炭的大量消耗而造成对生态环境的破坏越来越严重，当今已有许多国家转向使用境外高效、洁净的石油、天然气等资源，很少、或基本上不开采、不利用本国的煤炭资源.然而全球石油、天然气分布的不均匀性更为严重，石油危机日趋严重，资源的争夺引发国家和地区间的各种矛盾以及不断的冲突.
5.1 为何要探查与开发第二深度空间(500~2000 m)的煤炭能源基于我国半个多世纪以来煤炭勘探与开发主要集中在深度小于800 m的空间，而开采多集中在500 m以上深度，并进行了和正进行着大量开采.随着当代勘探方法和技术的不断提高，勘查深部煤炭定要提上日程，故将传统的勘探深度定义为第一深度空间，而将500~2000 m深度范围及空间定义为第二深度空间.对于第二深度空间的煤炭勘探遇到一系列的新问题，如勘查技术上难点增大，要求更高的分辨率，强化高新技术的应用，及对煤层灾害事件的探查与预测要求更细，且随着深度的增大，热的问题增大.依据老煤田的勘探与开发和新发现的煤炭资源来看，第二深度空间的煤炭资源量十分可观.因此查明我国第二深度空间的煤炭资源潜力，这在我国未来能源结构和如何多元、高效利用及发展煤炭事业的策略具有重大的战略意义.
在20世纪的百年里，世界各国对煤炭能源的勘探开发和利用深度基本上局限于近地表浅层到地下800 m，平均开采深度在500 m之内.进入21世纪以来，伴随着全球日益剧增的能源需求、日趋严重的石油危机，特别是我国富煤、缺油、少气的化石能源现状，经济和社会的快速发展需要巨量的煤炭保障，即在第二深度空间(500~2000 m)进行煤炭的勘探开发与利用必须提上日程，以保证我国未来可持续的能源发展进程(图 16).
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图 16 煤炭能源勘探开发和利用深度进程示意图 Fig. 16 The exploration depth sketch of coal resource |
人类生活的方方面面离不开能源的供应，能源与工业、农业、国防和科技现代化有着非常密切的关系.当今不论是金属矿产资源，还是油、气能源均必须向地壳深部“挺进” (滕吉文, 1998, 2005, 2006; 滕吉文等, 2007; 滕吉文, 2007a, b).而煤炭作为主体能源的需求量更是巨大，就更加要向地壳深部“挺近”，即进行第二深度空间(500~2000 m)的勘探开发与高效利用.
5.2.1 地下2000 m深度范围内的煤炭存储估量我国煤炭资源丰富，据2013年评审的国土资源部重大项目--《全国煤炭资源潜力评价》，综合预测评价结果，全国2000 m以浅煤炭资源总量5.9万亿吨，其中，探获煤炭资源储量2.02万亿吨，预测资源量3.88万亿吨.可靠级15676亿吨，可能级12190亿吨，推断级10930亿吨；优等预测资源量9815亿吨，良等11345亿吨，差等17650亿吨.据《中国矿产资源报告(2013)》，截至2012年底，煤炭保有查明资源储量1.4万亿吨.
2013年国家煤矿安监局经初步统计，我国已有43个矿区，超过300座矿井的开采深度超过600 m，近200处矿井开采深度超过800 m，千米深井共47处，平均深度为1086 m.我国目前开采深度最深的是新汶矿业集团孙村煤矿，达1501 m，是目前亚洲最深的矿井，新汶矿区的平均最大回采深度也达到1032 m.
我国煤炭开采集中在浅部500 m深度左右，在这一深度界线恰为岩层压力、涌水量、地温、软岩变形、瓦斯气体、煤层自燃等可能发生强烈变化的界带，采煤难度将会增强的一个临界状态，或边界值.煤矿进入深部开采，为矿井围岩控制、突涌水治理、防灭火、热害治理等带来了新挑战，安全开采系数难度加大.
5.2.2 强化第二深度空间的煤炭勘探与开发为了保证我国工业化进程和经济的快速发展，提供安全、可靠以及可持续的煤炭资源，必须在全国煤炭勘探与开采中突破500~700 m的“防线”，煤炭地球物理勘探深度达到3000 m左右(记录到6 s左右地震双程走时)，煤炭开采深度达到2000 m左右是十分必要的.
在500~2000 m深度范围内进行高精度的地球物理勘探(三维地震、电法勘探、井中物探等)，地面、井下同时建立起各种地球物理方法的监测、探测和预警及预测系统，以保证深层安全采掘，预计至少将会获得我国现有煤炭储量的2~3倍(没有进行系统的深层煤炭勘探，仅是一个概略的估计).我国深部煤炭资源量是巨大的，正如上述估计在2000 m的深度范围内，即在第二深度空间远景总储量可达5.9万亿吨.当今国外有的煤炭开采深度已达1000~2000 m，目前我国煤炭勘探与开采尚集中在浅部，但第二深度空间的高质量煤炭储藏以及大型煤田的发现将必是我国未来能源后备的源泉，即为我国煤炭确保国家经济发展的必须.
5.3 煤炭资源第二深度空间勘探和开发带来的问题与安全生产的保证随着煤炭勘探和开发深度的增大，当必会遇到与第一深度空间不同或较为复杂的技术问题，这就必须不断提高勘探与开发的精度和对灾害的监测能力.
5.3.1 突破500 m向500~2000 m深度进行煤炭勘探和开发的难度和高精度地球物理勘探随着煤炭勘探与开发深度的增大，不仅开采成本提高，采矿环境和面临的技术难题也更为严峻，必需要增大投入才能实现煤炭资源安全高效开采.
(1)深部煤炭勘查中的难点.随着煤炭勘探与开发深度的增大，地温地压均呈线性增加，岩爆、冲击地压与煤与瓦斯爆炸等突变呈非线性增长(谢和平等, 2012).深部煤层顶、底板和围岩的岩石物理-力学属性与构造条件趋于复杂化；褶皱与大小断层分布；顶、底板的岩性极其破碎、崩塌；煤层变异(从厚到薄，倾角从近水平到近直立并翻转等)；突发灾害与非线性变异所造成的难以预测性等.这将会给第二深度空间煤炭的勘探带来很大的难度.
(2)必须在地面进行高精度的三维或高密度的地震勘探和高分辨率的数据采集.在获得高分辨率的地震P波、S波、PS波和绕射波场震相的基点上，通过高精度反演和各类解释技术的应用(滕吉文, 2004; 于景邨等, 2007)，获得刻划地下深部介质的空间结构、属性与构造的详细信息(包括微小裂隙和小幅度断层；断距2~3 m)，以利于进行对地下深处采煤巷道的部署和煤炭的安全采掘.
(3)高精度重力、磁力和综合地球物理场勘探是三维与高密度地震勘探的有效补充.三维地震勘探和高密度数据采集对于提高煤层、以及顶、底板结构和空间结构致关重要.
(4)电法勘探，瞬变电磁、MT、CASMT、EH-4、井中瞬变电磁等电阻率成像等方法对于探查和预测煤炭开采进程中的灾害事件，特别是水体、陷落柱等作用显著，在我国普遍应用较广.
(5)井下地震槽波地震勘探，它可以利用在煤层中传播的反射波、折射波、绕射波、地震拉夫波、瑞利波频散和特殊震相的提取来识别采空区、水体、应力集中区、小幅度断层和煤厚度的变化.这是一种在发展中的方法，在我国河南义马煤矿的实验已取得很好的效果.
(6)井下综合地球物理勘测主要是地震VSP勘探、井中瞬变电磁勘查、井中多元物理-化学参量测量.它们是地面地球物理勘探基础上的有力补充或检验.
(7)物理-数学模拟，高精度的物理模拟和多要素约束下的数学模拟对指导地面三维地震勘探、井下地震槽波勘查、异常地质体(地面与井下)的电阻率变化等均能起到重要作用.
(8)探测方法有效组合、集成与综合效应.由于我国煤田及相邻地域岩相复杂、构造错综，难以以一个统一的模型来对待每一个煤矿.为此，通过高精度磁法勘探、重力勘探、各种电法勘探和地震勘探，特别是地面与井下形成一个三维的立体空间的四维地球物理探查体系已势在必行！
地球物理方法的有效组合与联合应用(程久龙等, 2000; 刘树才等, 2005; 彭苏萍等, 2005; 王齐仁, 2004; 许新刚等, 2004; 杨华等, 1998; 岳建华等, 2003)，对于刻划煤层上下及其中介质的属性、精细结构和发现与煤矿开采相关的异常地质体及异常区、段、体乃十分关键.因为这一系列方法的组合、集成和综合分析为煤炭的高产、多产可提供精细的介质结构、物质属性，并对瓦斯、水涌、应力集中、高温、裂隙、陷落柱等进行预测，此乃是第二深度空间煤炭勘探和开采的必由路线图.
5.3.2 突破500~700 m，向700~2000 m深度“挺近”与在煤炭开采过程中伴随着灾害事件的增强和增多煤炭勘探深度的加大，灾害随之加剧，困难当必增强.该怎样面对，这些主要的灾害事件乃是核心所在(陈勇, 2007; 严陆光, 2006; 张镜湖, 2004; 张文本, 2006; 中国科学院能源战略研究组, 2006)：
(1)深部煤炭开采中的煤层气.煤矿中通称煤层气为瓦斯，主要成分是甲烷.在采煤进程中，煤层气容易聚集与溢出，如遇明火往往会爆炸造成矿难，威力巨大.然而它确是一种宝贵的能源，根据发热量1000 m3CH4相当于1.25吨标煤，1 m3的煤层气可相当于1.33L汽油.在经济上更具优势，煤层气燃料一般要比汽油价格低40%.根据相关部门公布的数字，我国埋深2000 m以浅煤层气地质资源量36.81万亿m3.为此，煤层气的前期发现，早期抽取和工业利用不仅重要，而且是变废为益的有力举措.当然在这样的深度处必须采用高、新技术，以达人工安全提取，通过管道输出到地表，并建立起可安全储存的整体配套设施并分离多级输送到使用部门或用户，以达高效利用.
(2)冲击地压频率和强度随着深度增加呈非线性加强.煤矿在1000~2000 m深度掘进过程中冲击地压逐渐增强，强应力集中会造成受力岩体破裂并产生一系列小地震，这时质点以地震波动为载体向四周传播、并引发小地震，其能量最大达4级，更深处则可能会导致5级左右的地震，造成矿井深处、地面的严重破坏和灾害.
(3)煤炭开采与水体突涌.煤矿中的水体包括地面水体(江、河、湖、海、水库等)与地下水体(上覆岩层、底板岩层中含水层水体与采空区的水体等).在煤矿开采时，会造成一系列的裂隙活动以及产生新的裂隙，破坏了原岩体及其周围的应力状态，不仅会给水体本身带来损害，破坏水体与围岩共处的“原始”状态，而且由于水体的破坏与突涌，使受损的水体大量流失，同时还会对开采进程带来严重威胁以及造成人员伤亡.
(4)地温升高，造成热害.我国大、中型煤矿在500~700 m深度的地温一般为25~30 ℃，最高可达37 ℃，而在1000~2000 m深度的地温将会达40~50 ℃.随着开采深度的增加高温灾害越来越严重，给煤炭掘进工作带来极大的障碍，有时还会引起煤炭自然，严重影响矿井的正常生产以及矿工的身体健康.
(5)煤尘爆炸.煤尘爆炸与瓦斯爆炸相比，产生能量大，燃烧时间长，破坏和焚烧的程度严重，产生大量的CO使人中毒造成伤亡，因此煤尘爆炸产生的后果也更加严重.我国的大、中型煤矿中，具有煤尘强爆炸危险性的比例竞高达70%以上，小煤矿中具有煤尘强爆炸危险性的比例达到87%以上.
以上仅列举5个煤矿开采中最为严重的灾害事件，随着煤炭的勘探与开发进入第二深度空间，各种灾害事件的防控难度会越来越为大.为此为保证我国煤炭的安全、快速、可持续供应，则必须加强煤炭勘探、开采、应用等方面的基础理论研究以及高、新科学与技术的应用(滕吉文, 2004).
5.4 煤田区地表、地下设防和监测在煤层掘进中由于应力集中、岩体与构造的非稳态变形、煤层气的聚集与溢出，与水体相连的破碎体以及缝隙群的连通，在地下会激发裂隙增生、逐渐发展成为“破裂链”，在整体上形成通道.为此在煤炭开采过程中煤矿地表和周边地域必须进行以下匹配工作：
(1)破裂振动的地表动态观测.在煤矿掘进中利用地表(或井中)高灵敏度防爆拾震装置记录煤层与顶、底板围岩介质发生破裂的振动过程，以及破裂发生与发展过程中应力集中的部位、深度和强度变化，从而集中与缩小重点监测范围达到较大破裂生成的早期预警，防范灾害的发生.为此，必须通过长时期的持续监测，通过各种物理量和化学量的提取与综合分析，逐步取得和不断完善对灾害性事件的发生与发展的规律，以达建立起井下预警系统.
(2)在地表、浅井、巷道或掘进工作面附近地表微破裂的适时动态监测.在采煤过程中利用高灵敏度微震定位监测系统监测记录微破裂振动的位置、强度、频度以及动态变化趋势，结合微破裂震动波与震源等的变化特征进行破裂预报，实现对冲击地压危险的实时监测预警从而采取有效应急措施，因为瓦斯冲击地压与岩石破裂密切相关(姜福兴等, 2003).
(3)在地表、浅井、巷道或掘进工作面附近一定距离范围内水体的动态监测.利用井下电磁波场响应或地震槽波波场的响应，超前探测低阻与低速水体的可能存在及预警.以防造成大量涌水事件，因为水体通常与电阻率、地震波速度关切.同时还必须对波场进行适时观测、分析，特别要对异常结构变化和波场响应进行识别与分离(如绕射波、侧面波等).
(4)化学元素含量和分散晕的监测.主要测量在采煤巷道或掘进工作面附近地表溢出的各类气体的动态化学组成、浓度、变化范围与集中度等.
(5)采煤掘进过程中煤岩体的电磁辐射监测.煤岩体在载荷作用下会激发电磁辐射效应(王恩元等, 2005)，并且在采煤掘进工作面附近增强，与应力状态相吻合.在巷道内，特别是掘进面附近应用电磁辐射监测设备监测电磁辐射波场，针对煤岩动力灾害前，煤岩体中电磁辐射的异常来判定危险程度，对煤矿地应力场突变等煤岩动力灾害进行预警，给煤矿防范灾害提供依据.
(6)警报系统.设立为上述5项防范与监测系统的分级警报系统，不但要传达给在地下矿井作业人员，还要传达给地面指导系统与应急规范救援系统(医务部门等).
以上表明，在地面、巷道或在掘进面附近进行微破裂响应和电性与波场变化监测(主体介质与结构的物理参量)，对于探测煤层气的产生、微破裂的发生和水体、采空区及其运移有着重要作用.这些环节都是为保障在深层煤炭掘进和开采进程中的安全生产.这些技术的投入与配套十分关键，影响长远.
5.5 高、新科技的应用是深部煤炭勘探与开发的根本所在 5.5.1 三维地震勘探、高密度采集技术与高精度反演是第二深度空间煤炭勘探的重要保证在煤炭勘探与开采进程中，首先是要查明煤田在深部的精细结构，特别是煤层厚度的突然变异(尖灭)，煤层中的小幅度断裂分布、煤矸石夹层、采空区、应力集中区的规模与属性，疏松破碎岩体展布的空间和可能范围.我国自从解放以后至今，由于建设事业的需求，煤炭产量与日俱增，在当今煤炭工业发展中，安全、高效、多产的唯一出路乃高、新技术的应用(程久龙等, 2000; 刘树才等, 2005; 彭苏萍等, 2005; 王齐仁, 2004; 许新刚等, 2004; 杨华等, 1998; 岳建华等, 2003).
前面已提及，即地球物理学的三维地震勘探，地震体波、面波波场与多波勘探、高精度重力、磁力和电磁波感应场探测技术、水平井的钻进技术、井中VSP测量和多参量地球物理测井技术的应用及精确度和分辨率水平的提升，会给煤田的高产、稳产和安全生产带来新的契机.因为在第二深度空间的煤炭勘探与开发中必须对深埋煤炭的地面、地下构造细节有清晰的认识，才能在采煤掘进进程中加强针对性的监测以及进行灾害早前的防范预警.
在采煤掘进进程中应用高、新技术(驱除煤灰、降低应力集中度以及无陷落柱采煤等技术)，加速采煤进度，降低巷道温度，实现快速安全采煤.为此煤炭开采才有可能由近地表 200、300、500、700 m，向深部开采.未来煤炭开采必须突破1000 m，向2000 m的深度“挺进”.当今淮南、大同等煤矿的每一个采区，每一个矿田的开采均规定必须进行三维地震勘探.特别是在淮南煤矿区取得了很好的效应，可分辨3~5 m的小幅度断层等.
但这里必须提出的是：地面三维或高密度地震勘探并非各矿区均宜，而是必须在详细分析矿区地震地质条件的前提下，精心设计、精心选用参数和正、反演计算、模拟及解译方能取得逼近于实际的效应.在三维地震勘探中必须有效地利用地震属性并优化地震属性，特别是时间属性、振幅属性、频率属性和介质对地震波能量的吸收属性(Sain and Kaila, 1996; 孟召平等, 2006)；波场的有效分离与精细结构刻划；以达对深部煤层起伏预测和静态应力场的查明.否则不仅得不到成效，反而会削弱对一种高精度方法的理解，而且会造成大量资金的浪费，且得不到效应.在三维地震勘探的基础上，还必须进行高密度数据采集与高精度反演，以得到地下煤层与顶、底板介质和结构的“透明”填图.
5.5.2 第二深度空间煤炭开采与应用基础研究对于第二深度空间煤炭的勘探与开发，加强应用基础研究十分重要，只有这样才能不断提升煤炭勘探与开采的技术、方法和理论，建立起新的勘探与开采模式，不断提高煤炭的转化利用效能，从而确保我国深部煤炭的精细勘探、安全开采与高效利用，构成勘探、开发与利用的一整套体系.当煤炭勘探深度越来越深，开采难度越来越大，巷道、矿井中的灾害问题越来越突出，尤其是瓦斯、冲击地压、地温、水涌等，就必须加强应用基础研究，逐步考虑以高投资换取高效益的一系列措施，如：
① 装设先进支撑系统(尤其是在软弱围岩与疏松破碎地带)确保掘进安全，煤矿工人安全防压、防爆井下设置与掩护空间(体)的配置.
② 井下、巷道工作人员防毒面具以及供氧设备的配备.
③ 不断加强完善和建立煤田地面、地下(巷道)自动化数字化监控系统(主指连续监测破裂、破裂过程与“破裂链”的构成、电磁辐射、化学分散晕等异常现象).
④ 在煤炭开采过程中同步进行煤层气和水体的抽取以达安全、高效产出.
⑤ 深部煤碳分层开采或局部地段露天开采与地下深处“封闭”开采联合，采煤工艺与技术工程的发展，可有效降低灾害.
⑥ 研究发展耐高温、耐高压、防毒、防火材料装备，发展井下机器人操作采煤、监测与井下指挥及救援的新技术和新方案.
⑦ 研究和探索煤炭地下存储，地下汽化、液化、焦化与采掘并举.
⑧ 研究与探索地面发电厂与地下煤炭能源连体燃烧(不将煤炭采出运抵地面再燃烧)直接利用，实现发电与输送一体化.
对于第二深度空间煤炭勘探与开发，这一系列措施不论在理论上还是实践上均会存在很多难点，在较短时间内难于完全解决或攻克，但在理论上、技术上、措施上必须不断加强研究.特别是有关地面、地下监测和超前探测与预警系统的一体化布设，必须立即实施和全面投入.
6 我国煤炭的高效利用与其在能源结构中的不可替代在我国能源结构中，煤炭始终保持着主体地位，为我国经济快速发展与工业化进程提供了保障，但煤炭利用的同时也给生态环境带来了一些问题.因此必须制定出适应我国国情的煤炭工业发展战略，加强对煤炭生产利用的管理措施，实现煤炭资源的多元化高效利用，达到在经济发展中煤炭工业与生态环境的平衡.这方面国内外已有大量研究、实验和小规模生产(陈勇, 2007; 黄毅诚, 2004; 严陆光, 2006; 张镜湖, 2004; 张文本, 2006; 中国科学院能源战略研究组, 2006; 中国科学院学部, 2007).
6.1 我国煤炭工业的发展策略为保障我国经济发展的能源需求，实现第二深度空间煤炭的勘探与开发，我国煤炭工业必须向着科技含量高、资源消耗低、环境污染小的道路可持续发展，则要加强以下工作：
(1)加强第二深度空间煤炭高精度地球物理勘探，通过高分辨率数据采集，识别深部煤层精细结构.
(2)强化煤田及其周边地域对地下微破裂形成与发展、冲击地压、瓦斯等可能灾害事件的实时与中、长期监测网络及预警系统，健全煤矿安全防范体系.
(3)强化第二深度空间煤炭勘探与开发应用基础理论及高、新技术的研究和引进，研发及创立深层煤炭勘探与安全开采的稳态、动态模式.
(4)完善强化煤炭资源开发管理体系，严格矿业审批，科学制定煤炭生产开发规范与规划，促进煤炭工业科学、有序发展.
(5)加强中、小型煤矿整顿、改造，大力提升煤炭生产开发设备的数字化、自动化程度，培育发展大型煤炭企业，建立大型煤炭基地，建设主要运煤管道与港口.
(6)规范煤炭市场生产消费秩序，强化煤炭战略后备基地建社，建立安全、可靠煤炭供应体系，且必须储备一定战备煤量.
(7)加强洁净煤技术产业化发展，强化煤灰、煤泥、煤矸石、煤层气、矿井水的有效利用与综合治理.
(8)加强煤田矿区大气、水资源、地面沉陷等生态环境问题的综合治理.
(9)积极引导合理用煤、节约用煤、高效用煤，构建煤炭循环经济体系.
(10)加强煤炭工业法制建设，建立法律、政策和调控体系，严厉打击违规勘探、开采，严惩官商勾结损害国家和人民利益的非法行为.
6.2 发展洁净煤技术的重要性基于我国以煤炭为主的能源禀赋和消费结构，决定了未来20年煤炭在我国能源结构中仍有较大比重的前提下，对煤炭使用过程中的高污染、高排放和低效能问题，应得到有效治理；加强碳捕获、碳封存等煤炭清洁和高效利用技术的开发，对我国能源安全具有重要意义.
洁净煤技术是指煤炭从开采到利用的全过程中，主要是在减少污染物排放和提高利用效率的加工、转化、燃烧及污染控制等新技术，包括洁净生产技术、洁净加工技术、高效洁净转化技术、高效洁净燃烧与发电技术和燃煤污染排放治理技术等.
发展洁净煤技术有利于提升煤炭能源利用效率，节约煤炭，减少粉尘、SO2和氮氧化物的排放，改善生态与大气环境.采用洁净生产技术选煤可降低原煤中灰分；采用煤气化和煤液化等高效洁净转化技术，可将煤炭转化为清洁的气体、液体燃料；采用高效洁净燃烧技术，可有效提高煤炭燃烧效率，降低氮氧化物生成，实现在燃烧过程中脱硫；采用烟气净化等污染排放治理技术可实现燃烧后脱硫.
发展洁净煤技术有利于保障能源安全供给.我国富煤、贫油、少气，未来经济社会发展一次性化石能源需求主体依靠煤炭保障.强化发展洁净煤技术，它能够提高煤炭利用效率、有效控制污染物的排放；能对当前及未来优化能源结构发挥效能；有利于解决石油供需矛盾，保障能源安全供给；具有实现产业化发展的前景.
煤炭多联产技术是煤炭高效、洁净利用的主要发展趋势.多联产技术是利用物理化学方法，通过多种煤能转化、利用技术的有机结合，获得清洁的二次能源(电、液体燃料、氢等气体燃料)以及多种高附加值化工副产品.整体煤气化联合循环加上多联产技术，被认为是目前最具发展前景的洁净煤技术，它在燃烧前先去除烟气中的污染物，常规污染少，效率高，有利于综合利用煤炭资源，能同时生产甲醇、尿素等化工产品.
显然，实现洁净煤炭利用技术的突破和成本的下降将是解决中国能源问题之根本.
6.3 煤炭液化与其在解决能源结构中的不可替代煤炭是一种含碳量很高，含氢量只有5%的固体燃料.与液体燃料相比，煤不便于运输、处理，而且煤炭的直接燃烧，不仅热效率低，浪费大，还会排放SO2、氮氧化物等多种有害气体，严重污染环境.为预防、减少煤炭燃烧对环境和人体健康带来的危害，提高综合利用效率.近年来，世界各国都开展了煤转化加工技术的研究，主要包括煤气化、煤液化技术.煤炭液化指煤经化学加工转化为汽油、柴油、液化石油气等液体燃料的过程.煤液化主要分为两类，一类是直接液化，另一类是间接液化.
(1)煤炭直接液化技术
煤炭直接液化是指将煤粉、催化剂和溶剂混合在液化反应器中，在适宜的温度和压力条件下，将煤直接转化为液态产品的过程.其优点：油收率高；馏份油以汽、柴油为主，目标产品的选择性相对较高；油煤浆进料，设备体积小，投资低，运行费用低等.缺点：反应条件相对苛刻；出液化反应器的产物组成较复杂，分离相对困难.
1973年以来，由于石油能源危机，煤炭液化技术开始活跃，美国、德国、日本等工业发达国家纷纷开始研发新一代煤直接液化技术.这些工艺包括：德国IG工艺、德国IGOR工艺、美国H-COAL工艺、美国CTSL工艺、美国HTI工艺、日本NEDOL工艺等.
我国从20世纪70年代末开始研究煤直接液化技术，中国科学院山西煤化所、煤炭科学研究总院北京煤化学研究所等单位都对直接液化进行了很有成效的研究，建立了具有国际先进水平的煤直接液化技术基础研究试验基地.2008年神华集团煤直接液化示范装置成功试车，2011年实现商业化运行，2013年油品产量已达到86.6万吨(李克健等, 2014).
(2)煤炭间接液化技术
煤炭间接液化是指将煤气化生成合成气(CO、H2)，经过催化剂转化为液态产品的过程，分为合成油和合成醇两个方向.其优点：合成条件较温和；转化率高；煤种适应强；产品洁净，无硫氮污染物；工艺成熟.缺点：油收率低；反应物均为气体，设备庞大，投资高，运行费用高.
目前南非Sasol公司是世界上唯一大规模的“煤变油”商业工厂，拥有有Sasol-Ⅰ、Sasol-Ⅱ、Sasol-Ⅲ三个工业化大型合成油厂，年产达到800万吨油品，主要产品包括柴油、汽油、蜡、氨、醇、醛、酮、乙烯、丙稀、聚合物等150余种，为该国提供了60%的运输油料.最近两年，国际油价一再攀升，大规模的煤制油研发又掀起高潮，美国去年起又开始研发煤炭间接液化，法国、意大利也开始进行合作研发.
2001年国家科技部“863”计划和中国科学院联合启动了“煤制油”重大科技项目在山西潞安煤基合成油示范厂是国家“863”高新技术项目和中国科学院知识创新工程重大项目的延续项目，2009年16万吨铁基浆态床煤基合成油装车投料试车成功，生产出合格的产品(李贺, 2014).2010年内蒙古伊泰煤制油项目正式实现满负荷生产，生产规模为16万吨/年，标志着具有我国完全自主知识产权的煤间接液化制油成套技术从中试到工业化放大完全获得成功.2012、2013年装置生产各类油品17.2万吨、18.1万吨(李贺, 2014).
目前，我国己投入工业化示范的煤制油项目有5个，产能达到160万吨.根据煤制油项目进展情况和几个煤制油企业规划，到2015年煤制油产能可达1200万吨，2020年可达3300万吨的规模.预计，按照高中低三种增速计算，到2015年我国煤制油的生产规模分别达到600万吨/年、1000万吨/年、1200万吨/年.到2020年高增长情景下可达5000万吨/年(李贺, 2014).据介绍，15家商业规模的煤液化工厂的总产量将可以替代中国2020年石油进口量的15%(张扬健, 2011).
必须指出的是，在煤制油方面力争短期能在技术上有突破性进展，要强化研发煤炭的地下气化技术.同时要进一步降低成本、能耗、水耗，推动具有商业竞争力的规模化生产.
由图 17可见，基于我国目前面临的能源形势，以及现有技术条件，发展煤基替代能源是最具现实基础的.因此稳定的煤制醇、煤制醚，较大规模的煤制油技术以及一定规模煤炭转化加工工厂的建设将必是我国未来发展煤基替代能源必须遵循的路线图.人们必须清晰的认识到，从长远看，特别是我国煤炭能源潜力大，使用时期远大于油、气.因此发展以煤和煤炭转化能源的征程将必是长远的，必须强化开发，而成本高是相对的或暂时的，一旦有所突破将是长效的，并且有很强的战略意义.
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图 17 煤基替代能源方案发展路线图(中国科学院能源战略研究组, 2006) Fig. 17 Develop projects of coal-based alternative energy resources (Research Center of Energy Strategy ofCAS, 2006) |
(1)我国过去30年中能源消费的基本特征
① 消费量快速增长，已成为能源消费世界第一大国；
② 人均能耗水平为美、日相同发展阶段的36%和81%；
③ 消费强度为美、日相同发展阶段的34%和78%，且与碳排放强度同呈稳步下降势态；
④ 人均碳排放量仅为美、日的29%和56%，排放强度稳步下降；
⑥ 能源消费结构以煤炭为主，超七成能源用于工业，即工业能耗占比超过70%；
⑦ 用电总量增长13倍，人均电耗仍不及美、日的1/5和1/3.
(2)未来30年我国的能源消费结构
未来30年正值我国快速发展的时期，对能源的消费将必是巨量的.
① 结构调整任重道远，2030年煤炭占能源消费比例仍超过50%(图 18)；
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图 18 2010-2040年中国能源消费结构变化趋势(王安建和王高尚, 2012 Fig. 18 The trend of China′s energy consumption structure from 2010 to 2040(Wang and Wang, 2012 |
② 2030年电力需求增加1.5倍，人均耗电量仍仅为美、日目前的1/2和80%；
③ 2010-2030年中国累计需求原煤826亿吨，为过去60年的1.6倍(图 20)；
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图 20 不同阶段中国能源累计需求量变化(王安建和王高尚, 2012)石油：亿吨油当量；原煤：亿吨；天然气：百亿立方米；天然铀：万吨；一次能源：亿吨油当量. Fig. 20 The change of China′s energy demand in different development stages (Wang and Wang, 2012) |
④ 天然气需求增速居化石能源之首(图 20)，累计需求量为过去60年的6倍(图 20)；
⑤ 优质能源保障程度持续下降，能源安全形势极为严峻.
(3) 2010-2040年对能源的需求和消费预测
未来30年中国能源消费预测(图 19；图 20)表明：在电力生产逐年增长的总形势下，在世界油、气能源紧缺和产油国和地区动荡的政治形势制约下，能源的需求不论是过去、现在、还是将来，我国以煤炭为主体能源配置结构的格局，将必长期稳定，是不会发生根本性改变的，但必须强化煤炭的高效、高能、低污和高产的统一、高新技术的有效利用和自主创新.
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图 19 2010-2040年中国不同品种能源需求量变化趋势(王安建和王高尚, 2012) Fig. 19 Demand trends for different types of energy in China from 2010 to 2040 (Wang and Wang, 2012) |
(4)未来30年我国在发展进程中对煤炭需求的出路何在！
进入21世纪以来，全球对资源、能源的争夺，动荡的政治形势(特别是能源产地的中东)，影响着、也制约着发展中国家的社会进步和经济发展.不论是能源产出、储存(油、气、煤)和运输，还是产地与主体消费地域的矛盾以及能源配置结构都会得出必然的结论，即中国以本土的优势能源煤炭作为主体已不容争辩.
显然第一深度空间的煤炭( < 800 m)已越来越不足以供给和支持我国未来30年的快速发展和振兴！为此，突破500 m、800 m强化向第二深度空间“挺进”已为我国发展的轨迹.这一空间不仅是中国要这样前进，而世界上各大煤炭生产国也必然是沿着这一路线图前进！
为此第二深度空间的煤炭，从现在起则必须深化与加速理论、技术、方法和实施的研究与探索；且必须在安全、防灾、高产、高能、高效利用等诸多方面赋以新的理念，制定出未来30年我国对煤炭的需求和深部潜力的分析和研究，厘定出创新的与自主创新的第二深度空间煤炭事业发展和利用的路线图.
8 结语(1)经过半个多世纪的研究和实践，中国煤炭工业已经基本建成比较完整的，并拥有一部分现代化水平的煤炭工业体系.但是煤炭工业现代化建设的任务和道路仍会很长.应当确切地说，当今煤炭工业在总体上看仍还是粗放型的，且水平较低，创新意识差，这主要体现在：
① 监测预警水平尚低
当今国家和煤矿人多注重产出效益，忽略监测与防范系统的建设；多注重形式，不能在监测和防范上给予较大投入，不是以建立在本土主体能源-煤炭为基准，难以建立起较为完善的，且适宜本国实际的地面、地下立体监测系统.
② 对地面、地下地球物理方法的适宜性，方法本身的特性和如何科学的、有机的的应用尚缺乏深入理解.
总希望通过已有的、简单的、单一的技术“包打天下”，而很少考虑技术的多元互补与交叉；地球物理监测、探测、解译水平尚低，各矿区技术力量薄弱，未能形成一支创新的技术队伍；技术集成和对观测结果分析与解译能力尚较差，通常满足于现象的看图识字，缺乏对基本理念的理解.更为严重的是，不允许失败，一次失败则会导致对地球物理先进方法与技术的全盘否定！
③ 全国煤炭机械化、智能化、数字化安全开采有待加强
尽管我国在煤炭开采自动化、智能化、数字化方面已有大幅度的提高，且具相当水平，但在煤层中灾害事件探查和超前预测方面尚重视不够.有的煤矿进口设备闲置，或没有充分利用，特别是有一定规模和水平工程技术人员的专门队伍有待组成(有的煤矿却很好，如义马煤矿等).
④ 对煤炭高效、高能利用和煤炭转化能源尚缺乏迫切感
对能源尚缺乏战略上的迫切感和应对世界能源形势的危机感；对洁净煤技术，煤转化油、转化气技术未能强化与深化研究.
(2)必须充分认识到，在我国经济发展、科技进步和社会前进的征途上，不可再生的化石能源(油、气、煤)消费是不会锐减的，只会逐日上升，然而它们最终的枯竭确是不可回避的事实.因此人类利用能源的根本出路仍然在于，逐步地大力减少化石能源的消耗量，强化增大核能和可再生能源的分维及其研究和利用.
(3)应当充分地认识到，要走新型工业化道路，在国家能源安全方针导向下，必须加强应用基础研究(滕吉文, 2004).加强高、新科技应用以及技术创新，实施科教兴煤战略，大力推进产业结构升级，从而使我国煤炭工业走上一条资源消耗低，科技含量高，环境污染少的新型工业化道路.
(4)提升煤炭本身的价值.通过煤炭资源的市场和价格的杠杆作用，提升煤炭资源的本身价值，促进煤炭资源的高效、高能利用，特别是煤成气、煤成油等燃料能源的新导向.
(5)必须进行“节能减排”和大力降低能源使用量的强度.遵循煤炭能源利用和综合发展的路线图，以构建我国可持续发展的能源战略轨迹，为人类营造一个良好的生活与生存空间，以利于社会和经济和可持续发展！
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