向地球深部进军已成为我国现在和未来面临的重大战略科技问题，国家正在启动的面向2030 国家重大科技项目“地球深部探测”提出深地科学钻探深度将突破13000m，深部资源开采目标为油气10000m、地热6000m、固态资源3000m。特别是高效开采2000m 以深的固体资源，必须突破现有的开采方法、开采理论和开采技术，迫切需要构建颠覆性深部资源开采理论与技术。

2004 年我国的千米深井仅有8 处，2015 年全国千米深井已达80 余处，并且还以每年10～25m 的速度向下延伸。如下图所示，根据有关统计数据，我国主要固态资源近70%分布在2000m 以深(数据源自《中国矿产资源报告(2015)》)。

▲ 我国主要固体资源埋深情况

从我国能源发展战略、煤炭资源赋存特点、矿井开采深度以及开采延伸速度等方面看，加强深部煤炭资源开发是保障我国能源安全的必然战略选择，深部煤炭资源开采势在必行。

然而，深部固体资源的开采将导致突发性工程灾害和重大恶性事故增加、作业环境恶化，按照现有开采方式、开采技术发展水平、矿井灾害认知与防治水平，固体矿物的开采深度不可能无限向深部延伸，传统的开采方式与目前的技术水平已经不足以支撑深部固体资源开采，而是存在一个极限开采深度。谢和平等从采煤工作面环境温度、巷道变形控制以及采动岩体能量聚集灾变等几个方面，提出了极限开采深度确定方法，明确指出目前技术水平条件下煤炭井工开采的极限深度为1500m(谢和平等，2012f)。

此外，根据全世界30 余个国家的地应力实测结果，结合岩石力学实验与力学理论分析，6000m 以深的岩体基本处于三向等压状态，深部岩体进入全范围塑性流变状态。当深度超过6000m 时，目前所有的矿物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，6000m 以深的固体矿物资源开发已成为现有采矿技术可望不可及的奢望。国家重大科技项目“地球深部探测”提出深地科学钻探将突破13000m，深部资源开采目标为油气10000m、地热6000m、固态资源3000m。特别是深部2000m 以深的固体资源如何开采，迫切需要构想颠覆性理念、理论与技术。

基于此，谢和平首次提出“深地煤炭资源流态化开采的颠覆性理论与技术构想”(谢和平等，2017a、b)，其核心是由传统的“井下挖煤出地面”转变为“井下挖煤不出地面”，由传统的“井下只挖煤”转变为“井下深部原位实现挖煤、电、热、气一体化综合开发利用”，实现对深地煤炭资源的采、选、冶、充、电、气的原位、实时和一体化开发，实现深地煤炭资源开发的“地上无煤、井下无人”的绿色环保开采目标。未来的深部煤矿将不会再有人下井、煤出井、矸石成山和尘土飞扬的场景，而是清洁、安全、智能、环境协调、生态友好的电力传输和能源调蓄基地。

1 深部原位流态化开采的定义

流态化开采的定义是指将深地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采、选、充及热、电、气转化的流态化开采技术体系。

深部原位流态化开采颠覆性构想是在深地原位实现固体资源的就地流态化，形成液化、气化、电化、生物化以及混合化等流态化资源，并以流态化形式高效智能传输至地表。与传统的煤炭开发理论与技术相比，由传统的“井下挖煤”颠覆性地转变为“井下煤炭就地流态化，油、气、电、热等流态化资源升井”的模式；由传统的“井下单一采煤”颠覆性地转变为“井下深地原位实现挖煤、电、热、气一体化综合开发利用”，深地原位流态化开采颠覆性理论与技术构想突破了传统的煤炭固体矿产资源极限开采深度的限制，从根本上颠覆了固体资源的开采模式。因此，深部资源开采的核心关键词是深部原位、流态化、颠覆性，为了实现煤炭深部原位流态化开采，需要构建多项颠覆性的理论与技术体系。

深部原位流态化开采构想包括以下主要技术流程：①深部原位无人采掘。以深部原位无人智能盾构作业(TBM)破割煤岩体，通过传送设施将矿物块粒传送至分选模块；②深部原位智能分选。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深部原位转化。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深部原位充填调控。在深部原位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。

▲ 深部原位盾构式采-选-充-电-气-热一体流态化开采系统示意图

实现深部煤炭原位流态开发的根本转变，关键在于探索一套井下采、选、冶、充、气、电、输的一体化无人作业智能采掘与转化系统，通过深部原位无人作业、深部原位智能采掘、深部原位利用和深部原位高效传输，将深地固体资源原位气化、液化、电气化和流态化，极大地提高深地资源的开发效率、运输效率和利用转换效率，颠覆传统固体资源的开采模式和运输模式，开辟新的采矿工业模式，引领矿产资源开采技术革命，完成深地矿产资源清洁高效-生态友好开发，实现“地上无煤、井下无人”的绿色环保开采目标，开拓经济增长新空间。实现固体矿产资源开采深度上的突破，为我国矿产资源总量翻一番提供技术支撑。

2 深部原位流态化开采构想形成过程

围绕向深地进军、向深地要资源的国家战略目标，谢和平院士课题组自2012 年开始进行煤炭资源开发颠覆性理论与技术的思考和研究，提出了一系列颠覆性的理论与技术构想。

▋ 2012 年2 月，谢和平院士课题组探讨了目前我国煤炭开采的极限条件，首次提出了极限开采深度，并由此提出煤炭开发未来实现煤不出地面、井下无人、井下选矿、燃烧发电与地下气化于一体的生态矿山开采技术思想。

▋ 2014 年6 月，在中国工程院国际工程科技大会上，谢和平院士首次提出煤炭资源流态化开采的学术构想，初步形成了煤炭技术革命的路径。2015 年3 月，在煤炭工业“十三五”科技发展规划编制会议上，谢和平院士提出了煤炭资源开采固液转化的技术构想，其中近零生态损害的智能化无人开采技术、近零污染物排放的清洁高效利用技术已列入煤炭工业“十三五”科技发展规划。

▋ 2015 年12 月20 日，在中国煤炭工业协会的“煤炭工业科技发展研讨会”上，谢和平院士在“煤炭技术革命方向”学术报告中，首次提出了煤炭3.0 阶段、4.0 阶段、5.0 阶段的学术构想，形成“地上无煤、井下无人”的“煤炭梦”论述。

▋ 2016 年4 月7 日，在“深地颠覆性技术”研讨会上，谢和平院士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，提出了未来深地固体资源开发的科学路径。

▋ 2016 年8 月19 日、8 月26 日和9 月13 日，国家重大科技专项“地球深部探测计划”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建议稿的重点研发内容。

▋ 2016 年10 月，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，谢和平院士提出了深部固态矿产资源流态化开采的定义，界定了流态化开采的科学内涵。

▋ 2016 年11 月29 日，在“深部固体矿产资源流态化开采”会议上，谢和平院士提出在已有煤炭资源开发研究的基础上，将未来深部固态矿产资源流态开采划分为3.0、4.0、5.0 共三个阶段，并论述了各阶段的目标、任务和基础理论与技术。

▋ 2016 年12 月6 日，在“深部固体矿产资源流态化开采关键技术”研讨会上，谢和平院士进一步明确了深部固态矿产资源流态化开采的科学定义，流态化开采科学论述由煤炭领域扩展到金属非金属领域。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。

▲ 煤炭深部原位流态化开采与多元智能型清洁能源基地示意图

▋ 2017 年2 月19 日，在北京的“煤炭资源流态化开采与煤炭技术革命”研讨会上，谢和平院士系统地提出了煤炭流态化开采的科学思想，基本形成了煤炭资源深部原位流态化开采的颠覆性理论和技术构想。2017 年8 月14 日，在中国地质科学院召开了“面向2030-地球深部探测”重大项目实施方案分组论证会议，着重论证了“深层固体资源智能化流态开采”实施方案，标志着深部原位流态化开发理论与技术研究进入了国家科技计划重大项目建议方案，流态化的科学构想逐步成为科学技术研究指南。

3 煤炭深部原位流态化开采的战略路线

深部原位流态化开采颠覆了传统煤炭开采理念和技术体系，是新的资源及能源开采方式革命。煤炭资源流态化开采以流态化开采理论体系为基础，以智能化、无人化、流态化三大技术体系为支撑，研发相关技术装备，为实现井下无人作业、煤炭资源安全高效回采提供基础。基于上述技术蓝图，提出“2025 基础研究、2035 技术攻关、2050集成示范”的战略实施路线。即：

▲ 深部原位煤炭流态化开采发展路线图

煤炭深部原位流态化开采是深地科学研究的重要内容，是国家能源开发未来科技发展的战略储备技术。伴随着深地科学基本规律的探索和技术创新，必将把这一科学构想变为一个全新的、现实的开采技术体系，从而开辟新的采矿工业模式，实现深地矿产资源清洁高效、生态友好开发的目标。

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本文摘编自《煤炭革命的战略与方向》（谢和平等著. 北京：科学出版社，2018.5）一书“第5 章 煤炭革命颠覆性理论与技术”，有删减。标题为编者所加。

Coal Industry Reform: Strategies and Directions

ISBN 978-7-03-057310-0

责任编辑：李雪

落实习近平主席关于“推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系”的讲话精神，煤炭必须自身进行革命，真正革落后产能的命，革污染排放的命，全面实现煤炭绿色生态开采、清洁低碳利用，使煤炭成为清洁能源。依托中国工程院重点咨询研究项目，谢和平院士领衔由行业协会、科研机构、大学、企业等行业核心研究力量组成的科研团队，系统研究并阐明了煤炭革命的科学基础、四大理论和六大理念；提出了煤炭革命的绿色安全开发、清洁低碳利用、多元协同发展、国际化发展、新型人才培养五大战略；提出了煤炭3.0 阶段、4.0 阶段、5.0 阶段的战略发展蓝图和煤炭技术革命路线图；勾勒了近零生态损害的科学开采、近零排放的清洁低碳利用、矿井建设(设计)与地下空间一体化利用、流态化开采四大领域的煤炭革命颠覆性理论和技术以及不同历史发展阶段的技术发展构想。为我国煤炭行业绘制了科技发展路线图，为煤炭科技发展提供了方向性指南。

（本文编辑：刘四旦）

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