辽宁工程技术大学鄂尔多斯研究院立足鄂尔多斯市产业发展需求，设立校地科技合作培育项目，重点服务于能源领域，与鄂尔多斯市企事业单位共同提出研究题目。项目聚焦能源绿色开发、安全高效智能开采、资源价值利用等关键技术难题，通过定向对接企业需求，组建科研创新团队，开展产学研协同攻关，助力企业突破技术瓶颈，推动鄂市能源产业技术升级与创新发展，实现“校-院-地”优势互补、合作共赢目标。
本成果来自于2024年A组校地科技合作培育项目《中浅部煤层采空区CO2地质封存安全评估及地表变形监测》。
一、项目背景
煤炭作为我国最主要的能源资源之一，随着煤炭持续开采，形成了大规模的采空区，引发了大量的采空区遗煤自然发火、采空区地表沉陷、诱发地震等一系列地质灾害问题。另外，煤炭资源的大量使用造成温室效应加剧，对人类赖以生存的环境造成了严重的威胁，我国于2020年提出了“CO2排放力争于2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和”的目标。目前CO2地质封存技术是治理CO2排放的有效方法之一，已被广泛应用于CO2治理。
当前治理采空区的方法综合投入成本高且没有充分利用采空区空间，成为了采空区治理与利用的技术瓶颈，CO2地质封存技术由于目标封存体空间、深部封存体注入阻力、综合成本等问题而无法进行大规模的碳封存。探索大规模、低成本的CO2地质封存技术已然成为治理CO2排放的前沿科学问题。
为了解决大规模煤矿采空区利用及CO2地质封存空间的双重问题，中浅部煤层采空区CO2地质封存技术成为关键科学问题。将CO2封存到地下采空区中，不仅充分利用采空区空间，还能够有效治理CO2的排放，因此有必要对中浅部煤层采空区CO2地质封存安全稳定性及对地表变形的影响开展深入的研究，实现煤炭工业领域绿色低碳化发展。
项目旨在微-介-宏观尺度上围绕煤炭开采扰动形成的地下采空区，尤其是中浅部煤层开采过程中形成的采空区的安全、高效利用，探索大规模的、低成本的CO2地下高效封存技术路径。首先，在微观尺度上分析不同相态CO2在采空区上覆岩层中的微观运移规律与损伤机理以及岩石在损伤作用下的力学特性变化；然后，在介观尺度上构建中浅部煤层采空区CO2逸散范围数学模型；最后，在宏观尺度上开展中浅部煤层开采-垮落-注入-封存-监测一体化物理实验及数值模拟实验研究。从微-介-宏观尺度上深入探究中浅部煤层采空区CO2地质封存技术。
在校地科技合作培育项目研究基础上，成功获批2024年辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才项目《煤矿采空区CO2地质封存多尺度模型构建及运移机理研究》，围绕校地科技合作培育项目申请发明专利4项，发表SCI论文1篇；获中国安全生产协会科技进步二等奖1项。
图1 不同相态CO2浸泡前后岩石孔隙结构变化和不同相态CO2与水的两相流动图
三、工程应用
项目所提出的中浅部煤层开采-垮落-注入-封存-监测一体化实验方法，可为煤炭开采扰动形成的地下采空区的高效安全开发提供更科学的指导，在设计封存方案时可以更准确地选择适合的注入方式和工艺流程，保障封存的安全性和稳定性，实现绿色低碳、清洁高效的利用煤矿废弃地下空间，大幅降低采空区治理的综合成本，推动煤炭工业领域低碳化可持续发展，该项目成果成功应用于国能集团内蒙古敏东一矿CCUS项目。
图2 从中浅部煤层采空区上覆岩层所钻取的岩石图片和现场图片
四、行业影响
项目研究成果的成功应用可为鄂尔多斯市大规模煤矿采空区利用及CO2地质封存空间的双重难点问题提供有效路径，形成中浅部煤层开采过程中的采空区安全、高效利用、CO2地下高效封存技术。通过准确评价CO2地质封存安全性和稳定性，为废弃矿山治理和应用以及CO2地质封存提供理论指导。不仅能够有效治理CO2的排放，还能降低地质灾害发生的可能性，减轻对全球气候和生态系统的压力，推动鄂尔多斯市煤矿产业向清洁、低碳的方向发展，实现双碳目标和高质量推进绿色矿山建设并行化发展。
附：科研团队介绍
本科研团队隶属于辽宁工程技术大学渗流力学创新研究团队，团队多年来一直从事渗流力学相关理论的研究工作，在矿山安全与环境治理、多场耦合、多相流体渗流等方面获得了丰硕的研究成果。负责了多项国家重点研发计划、国家自然科学基金和省部级重点研发项，获批国家自然科学基金项目20余项，省部级科研项目40余项，获得省部级奖励20余项，发表学术论文400余篇，专利30余项，专著8部，标准2项，培养研究生近百余名。
