废弃矿井多能互补体系为集风、光、热、水清洁能源生产、储备、转换与生态工程固碳于一体的产-储-固智慧新型负碳绿色能源供应体系，集成多元地质信息感知、多种能源融合、物化联合储能、碳固结与利用、多网智慧调控、智能应急救援等基础与工程科学，以地表地下空间为载体，数字孪生技术为支撑，多维度分级分类分区域联动能源生产、储备、供给与碳捕集、封存、利用体系，实现清洁能源稳续供给、碳永久封存、能-碳平衡共存，如图1所示。

　　废弃矿井多能互补体系聚焦低浓度瓦斯抽采利用、新能源综合开发利用、新型综合储能、煤基多源固废利用、分布式智能电网、数字孪生全息联动领域，突出原创性、突破性、颠覆性、引领性创新，着力加强战略研究、基础研究、共性技术与装备攻关，破解高效生产、多能转化、减固碳关键核心技术，优化工艺技术，实现能源生产端透明化、智能化、减灾化、低碳化，能源转化端电气化、氢氨化、材料化、势能化，固碳端环保化、安全化、资源化、功能化，支撑净零碳数字能源供储工业。

　　统筹考虑双碳战略目标与能源安全战略保障，提出实现废弃矿井绿色负碳多能互补开发利用3步走战略：第1步是实现生态碳汇与CO2地质封存，有效吸收矿化CO2.形成负碳涵养主体，加强水、光、风、热等新能源开发，推进技术革新;第2步是规模化抽水蓄能、压缩空气储能、氢氨储能等新型废弃矿井储能模式，实现废弃矿井多能耦合稳定平稳供给;第3步是深度融合智慧互联网、大数据、区块链等新兴信息技术，三维动态虚拟映射工程大数据体系与空间灾变信息，构建废弃矿井绿色低碳分布式智慧电网体系与数字孪生管控系统，实现废弃矿井能源稳定高效供给与减降碳高效运行。

　　废弃矿井多能互补主要研究方向

　　1 数字孪生工程原态场景

　　深度融合5G、大数据、云计算、区块链、VR等现代通讯技术与虚拟现实技术，实时提取废弃矿井立体空间信息数据、构筑物、损伤煤岩结构、多相流体运移动态信息，实现空天地一体化饱和式信息提取与4D多源模型数据实景重构，构筑废弃矿井多能互补多元情景数字孪生系统。

　　(1)基于声、光、核、磁监测监控设备研发，强适应废弃矿井流固冲击荷载环境，高监控参数指标，高保真监测信号与接收传输技术，构建系统框架和数据模型、可视化、空间分析等方法体系，空间表达方法及数字地下空间组件化系统设计方法，数字地下空间与工程的数据分类和标准，适用于地下空间与工程的数据交换，标记语言数据模型、地下空间与工程的元数据，空间综合信息数据库，地下空间海量数据的三维与四维快速存取技术和时空建模方法。

　　(2)全时空多源信息实时感知，安全风险双重预防闭环管控方法，全流程人-机-环-管数字互联、数字协同运行，复杂地层多源数据的建模方法和基于特征的地层空间建模方法，三维和四维地下空间与工程的可视化技术，系统的图形平台和增强现实技术，海量数据的快速采集方法，尤其是基于数字照相的数据采集方法。勘探-钻探-表面扫描数据采集，岩土原位测试数据的实时反分析法。

　　(3)计算机科学、海量数据存储、卫星图像、宽带网络、互操作性、元数据、图像识别、数据整合、可视化、虚拟现实技术，时空条件下隐蔽地下空间与工程的数字化表达与可视化。

　　(4)不连续性、非均质性、各向异性、坍塌特性、蠕变时效特征，含水量、孔隙比、渗透性、各向异性、不均匀性等信息提取，数字模型与数值模型的一体化分析方法，4D地层模型重构与串流、涌水、区域垮塌、内衬结构失稳、功能空间渗漏、管理调度机构失灵等事故信息判识。

　　2 工程扰动多场耦合灾变演化

　　资源开发、CO2地质封存与工程利用对废弃矿井空间形成复合多类别叠加扰动，流体运移与围岩复合交变原位失稳与动态演化平衡，揭示多场耦合条件下地层演化与工程稳定机制，构建灾变前兆信息指标体系，形成多元多场景条件下废弃矿井多场耦合致灾判识模型。

　　该方向主要包括：

　　(1)复合工艺地层应力场-裂隙场-渗流场耦合演化分析，多相介质耦合作用煤岩力学与物性演化规律，固、液、气介质溶质渗流、迁移、转化、扩散、分布时空演化特征，多相多场耦合液、固、气介质运移分布定量表征，各项异性裂隙孔隙网络衍生与扩展展布规律。

　　(2)废弃矿井区域原生/扰动地质特征，基于时空分布的气液运移-动态聚集规律，循环流体荷载作用下深地硐室群围岩稳定性与防渗防控方法。

　　(3)废弃矿井地层温度场、应力场、裂隙场、渗流场、溶解反应场、迁移场耦合演化机理与气、液、固介质渗流、迁移、吸附、转化机制，构建封存多相多场耦合作用模型。

　　(4)遗传算法、模糊数学、神经网络机器学习手段，构建多相多场耦合作用下废弃矿井资源开发潜力动态模型，提出废弃矿井多场耦合风险指标体系与预警评判标准。

　　3 创新多能互补技术体系

　　围绕废弃矿井空间、水、热等资源，推进风、光等新能源及CO2与煤基固废资源综合开发利用，形成多能互补与负碳能源体系，规划协同作业工艺工序体系，实现废弃矿井永续能源载体与负碳储蓄体价值。

　　该方向主要包括：

　　(1)压缩空气储能、抽水蓄能、电化学储能、氢氨储能新型储能体系构建，多种储能体系自洽式运行，风、光、水、热清洁能源耦合式发展。

　　(2)废弃矿井区域水、光、风、气、热多能耦合发电体系，微型核电站自运行模块构建，低碳能源互补的分布式智慧能源生态，融合生态修复、新能源建设与电网服务的综合国土空间规划。

　　(3)生态工程固碳体系，废弃矿区地表碳汇植被修复，塌陷区CO2工程固碳，CO2驱替煤层气(CO2-ECBM)，氢氨-CO2工程体系，低浓度瓦斯抽采与全浓度利用技术体系。

　　(4)产-储-运-封-入网一体化运行体系构建，废弃矿井全地下、半地下、全地上开发利用规划体系，分布式恒星模式、星座模式、星云模式及其综合运行模式。

　　4 CO2工程封存与生态碳汇

　　基于废弃矿井的生态工程碳汇潜力巨大，推进废弃矿井CO2封存地质工程响应规律研究，矿区生态修复与污染防控研究，探索碳封存转化机理与封存分布演化特征，阐明多场耦合条件下CO2资源化利用路径与影响因素指标，明确废弃矿井碳汇施工路线图，盘活废弃矿井碳封存与利用潜力。

　　该方向主要包括：

　　(1)直接空气CO2捕集、CO2分子断键与重构、新型膜分离技术、CO2远程输运与安全存储技术、等离激元CO2高效转化利用技术。

　　(2)废弃矿区生态系统固碳与碳汇规律特征，资源气化转碳机理与捕碳方法，封存CO2多元转化机理与时空运移特征，CO2封存气液扩散、运移、动态聚积规律，原生带-裂隙带-低压采空区条件下的超临界CO2、气态CO2分布-迁移规律和扩散-渗流-吸附-转化特征，时间和空间尺度下CO2聚积特征和物理化学封存动态转化机理。

　　(3)废弃矿井瓦斯分级分类开发利用技术、瓦斯煤化工理论工艺技术、低浓度瓦斯提纯与利用技术、低浓度瓦斯蓄热式氧化与乏风氧化技术、废弃矿井煤层气开发与利用技术、煤矿瓦斯输运与利用安全保障系统。

　　(4)废弃矿井地下空间气液固耦合模型，废弃矿井CO2封存风险安全评价，基于废弃矿井地质条件、资源开发状况、采空区空间特征，

　　采用机器学习方法构建废弃矿井CO2封存综合评价模型，建立废弃矿井CO2封存安全评价指标体系与灾害评价标准，废弃空间CO2逃逸路径与感知监测理论。

　　(5)废弃矿井区域生态修复与水-光-气互补系统，生物固碳-生物质能利用技术，高效固碳与生物固碳能力，微生物-植被生物碳汇影响因素与指标体系，生物碳汇综合评价方法。

　　5 分布式智能电网建设

　　建设废弃矿井分布式能源和微电网工程标准体系，构建气油水光互补分布式无碳能源智能电网生态圈，气油水光互补智能电网以网架结构为基础，以通讯平台为支撑，以智能调控为手段，构建发、变、配、用电和电网调度为一体的废弃矿井智能电网。

　　该方向主要包括：

　　(1)新型储能+多能互补煤矿区碳中和基础研究，新型蓄能+多能互补煤矿区低碳能源体系构建，煤矿区源-储-荷分布式微电网运行演变与调控理论，基于电网多场景调节多能异构分布式能源并网理论，交变荷载下煤矿区深部储能空间稳定控制与监测理论。

　　(2)资源枯竭城市废弃矿洞群协同储能，构建多区域水、光、风、气、传统能源、热互补的分布式智慧能源系统，废弃矿洞储能电站构筑国家级废弃地下空间储能云，建立燃气、燃油、光伏、风力等多能发电模块，建成以矿井为主体的气水光互补低碳生态圈。

　　(3)废弃矿区源-储-荷分布式微电网运行演变与调控理论，电网多场景调节多能异构分布式能源并网理论，交变荷载下煤矿区深部储能空间稳定控制与监测理论。

　　(4)构建微型智能电网，实现规模化分布式能源的消纳与存储。源-源互补消除不同电源之间的时空分布差异，构建多能聚合的能源供应体系，源-网协调实现能源产供优化，将分散式和集中式的能源生产与消费进行优化组合，网-荷互动实现有序智能充放电，增强系统接纳新能源的能力。

　　6 数字风险预警系统

　　建设能源大数据平台，示范建设多能互补清洁能源供应中心，构建以网架结构为基础，以通讯平台为支撑，以智能调控为手段的发、变、配、用和电网调度为一体的分布式现代化智能电网，构建“两高一全”能源电力供应体系，推动微型电网工程高质量发展。

　　该方向主要包括：

　　(1)沉陷区水库及井下机组设备、控制中心及关键部位的监测监控与智能管理，基于遥感监测的长期数据，初步分析沉陷区范围和时空动态演化规律。构建沉陷区沉降变形预警预报、矿井与电站关键设备健康状态评估与预警、关键设备的运行状态监测等功能的监测监控、智能预测预警与智能管理系统。

　　(2)巷道围岩进行稳定分析及水下无人监控预警，基于海量大数据挖掘的深地水下空间围岩破裂失稳前兆智能感知和判识技术，揭示循环水力荷载和水力侵蚀复合作用下围岩破裂失稳机制，实现水下围岩破裂失稳无人智能监测预警。

　　(3)对深水深地、水气交变、人工运维困难的工作环境，地下矿洞群围岩状态参数检测技术，矿洞水库稳定性监测传感器优化布置及大数据网络结构设计，基于数据驱动的矿洞群及关键设备健康状态评估与预警技术和平台。

　　7 应急救援技术装备

　　灾后新型可靠的救援装备、救援方法、救援系统以及救援信息的即时性、精准性与完备性是高质量应急救援的重要保障。废弃矿井能源圈、储能圈、固碳圈灾害信息监测、灾变现场评估、模态化应急救援方案共性同源执行、异构平行互馈执行机制，新型救援技术、装备、决策指挥平台研发与兼容为废弃矿井多能互补体系灾害救援的关键核心问题。

　　该方向主要包括：

　　(1)智能应急救援平台，基于多场耦合作用下精密感知原理与执行机制，多元异构数据融合传输机理，多源海量数据筛选评判标准体系，泛数据云计算决策模型，即时、高频率、高带宽现实与虚拟数据互馈机制，多元多场景救援网络框架构建，新型救援方案模型驯练方法，分布式救援集中管控网络体系。

　　(2)智能应急救援装备，空天地联动灾变现场数据信息监测重构仪器装备，现场实物图像判识与自主救援决策机器装备，灾害巡检机器人、空间修复与装备维护机器人，水气等多相介质与损伤围岩条件下信息传输接收算法，灾害区域等级划分标准与救援策略。

　　(3)数字孪生虚拟灾变现场，多源多维信息4D集成，工业互联网与智能机器人深度耦合技术，数字信号转译图形演示技术，采集与决策信号同步双向实时在线传输技术，灾变影响因素权重分析与次生灾害预测模型，救援与修复方案实时集成虚拟现实同步执行方法。

　　(4)新型救援方法体系，决策层、传输层、执行层即时互动式数据传递方法，物联网、机器人、灾源场景高度互联耦合即时模型集成模块，能源、储能、固碳圈灾源即时圈定隔绝与联合防控体系方法，多尺度分源灾害防治技术与装备。

来源：《双碳目标下废弃矿井绿色低碳多能互补体系建设思考》