王国法院士：探秘太阳石的奥秘，剥开污涅，呈现煤的真身
王国法，中国工程院院士，中国煤炭科工集团首席科学家，煤矿开采技术装备与智慧矿山专家。王国法是中国煤炭高效综采技术与装备体系的主要开拓者之一和煤矿智能化的科技领军者，为煤炭工业综合机械化和智能化做出了重大贡献。获得国家科学技术进步奖一等奖和二等奖等六项，曾获孙越崎能源科学技术奖能源大奖、全国杰出工程师奖、全国劳动模范等。
煤炭是地球赋予人类的宝贵财富，在地球漫长的运动和变化过程中，太阳穿透时空，穿透大地，把能量传给森林植物，大量植物在泥炭沼泽中持续地生长和死亡，其残骸不断堆积，经过长期而复杂的生物化学作用并逐渐演化，终成晶石——“太阳石”，一种可以燃烧的“乌金”。
▲ 成煤过程示意图
▲ 中国北疆泥盆纪角质残植煤
人类很早就发现并使用煤炭生火取暖。18世纪末，西方开始使用蒸汽机，煤炭被广泛应用于炼钢等工业领域，成为工业的“粮食”。从19世纪60年代末开始，煤炭和煤电的利用在西方快速发展，推动了第二次工业革命，催生了现代产业和社会形态。第二次工业革命促进了生产关系和生产力的快速发展，人类进入“电气时代”，煤炭与石油成为世界的动力之源。从20世纪40年代起，核能、电子计算机、空间技术和生物工程等新技术的发明和应用，推动第三次工业革命不断向纵深发展，技术创新日新月异，煤炭从传统燃料向清洁能源和高端化工原材料转变，成为能源安全的“稳定器”和“压舱石”。在已经到来的第四次工业革命中，煤炭的智能、绿色开发和清洁、低碳、高效利用成为主旋律，随着煤炭绿色、智能开发和清洁、低碳、高效转化利用技术的不断创新，将使我国煤炭在下个百年中继续成为最有竞争力的绿色清洁能源和原材料之一。
▲ 《天工开物》记载的中国煤炭开采技术
能源和粮食一样，是国家安全的基石。我国的能源资源赋存特点是“富煤、贫油、少气”，煤炭资源总量占一次能源资源总量的九成以上，煤炭赋予了我们温暖，也赋予了社会繁荣发展不可或缺的动力和材料。我国有14亿人口，煤炭、石油和天然气的人均占有量仅为世界平均水平的67%、5.4%和7.5%。开发利用好煤炭是保持我国经济社会可持续高质量发展的必要条件。
煤炭深埋地下，需要地质工作者和采煤工作者等共同努力才能获得。首先需要经过地质勘探找到煤炭，弄清煤层的分布规律和赋存条件，这就是煤炭地质学家的工作。煤炭开发首先要确定开拓方式，埋深较浅的煤层可以采用露天开采，建设露天煤矿；埋深较深的煤层可以采用井工地下开采，建设竖井或斜井，到达地下煤层后再打通巷道通达采区各作业点，这就是建井工程师的工作。接下来，采矿工程师和装备工程师需要完成井下巨系统的设计和运行，把煤炭从地下采出并运送到地面煤仓和选煤厂，经过分选的煤炭最终才能被运送给用户。
▲ 高密度全数字三维地震探测技术
▲ 地下开采的煤矿
煤炭就是“太阳石”，是一种既能发光发热又能百变金身的“乌金”。它不仅可以用于超超临界燃煤发电和整体煤气化联合循环发电，实现近零碳排放，还可以高效转化为油气和石墨烯等一系列高端煤基材料，亦可作为航天器燃料和多种高科技产品的原材料。煤炭副产品还可以循环利用，促进自然生态绿色发展。
▲ 石墨烯结构示意图
▲ 碳纳米管的立体结构示意图
▲ 航天煤油火箭将卫星送上太空
过去的煤矿和所有矿山一样，在给予人类不可或缺的物质财富的同时，会造成生态环境的损害，如采空区、塌陷区、煤矸堆积区等产生的环境负效应。然而，现代绿色智慧矿山开发注重与生态环境协调发展，在采矿的同时进行生态保护和修复。矿业开发投入了大量资金，也产出了巨额财富，促进了资源地区的社会经济发展，大幅度增加了生态治理的投入能力，内蒙古鄂尔多斯—陕北榆林煤田开发30多年来生态环境明显向好，把昔日的毛乌素沙漠变成了鸟语花香的绿洲，这是煤炭开发促进地区绿色发展的最有力证明。
▲ 抚顺西露天煤矿的生态蝶变
▲ 矿山景观设计
▲ 上海佘山世茂洲际酒店
（利用矿坑改造的主题酒店）
今日的现代化煤矿已不是昔日的煤矿，今日的煤炭利用也不仅是昔日的烧火做饭。当今的智能化煤矿，把新一代信息技术与采矿技术深度融合，建设起完整的智能化系统，并且把人的智慧与系统智能融为一体，实现了生产力的巨大进步，安全生产得到了根本保障。当前，我国智能化煤矿建设正在全面推进，矿山面貌焕然一新，逐步实现煤矿全时空、多源信息实时感知，安全风险双重预防闭环管控；全流程人—机—环—管数字互联高效协同运行，生产现场全自动化作业。煤矿职工职业安全和健康得到根本保障，煤炭企业价值和高质量发展有了核心技术支持。
长期以来社会对煤矿和煤炭的认知存在很多误区，煤矿和煤炭被污名化。由中国工程院院士王国法等主编，近百位科学家参与编写，由中国科学技术出版社与科学出版社联合出版的太阳石系列科普丛书，包括《发现太阳石》《开采太阳石》《百变太阳石》《太阳石铸青山》四册，从地质学、采矿学、煤化学、生态学、机电工程、信息工程、安全工程和管理科学等多学科融合视角，系统介绍煤炭勘探与开发、清洁利用和转化、矿区生态保护与修复的科学知识，力求全维度展示现代煤矿和煤炭利用的真面貌，真实讲述煤炭智能、绿色开发利用的科学知识和价值，真实呈现现代煤炭工业的新面貌，正本清源，剥开污名化煤炭的种种错误认知，帮助读者正确认识煤炭和煤炭行业。
太阳石系列科普丛书
发现太阳石
ISBN 978-7-5236-0279-9
作者：王国法，吴群英，张宏
北京：中国科学技术出版社，2023.10
它深埋于地下，历经亿万年的锤炼，才蜕变为今天的煤炭。它凝聚着太阳的精华，蕴藏着巨大的能量，被称为“太阳石”。纯黑的外表掩藏不住它炙热的内心，等待着人们的发现。运用现代科技的力量，探秘太阳石宝藏。追寻远古太阳的足迹，为人类带来光明和温暖。“太阳石”朴实无华，没有宝石绚丽的光彩，但它无私奉献；从百米千米矿井开采出来，为人类奉献光和热。《发现太阳石》主要讲述煤炭的形成过程、煤炭的性质与分类、煤炭分布、煤层赋存特征、煤的共伴生资源、煤炭勘查技术以及煤田地质测绘等内容。
开采太阳石
ISBN 978-7-5236-0278-2
作者：王国法，吴群英，张宏
北京：中国科学技术出版社，2023.10
发现了煤炭之后，接下来就需要开采煤炭了。煤炭开发首先要确定开拓方式，埋深较浅的煤层可以采用露天开采，建设露天煤矿；埋深较深的煤层可以采用井工地下开采，建设竖井或斜井，到达地下煤层后再打通巷道通达采区各作业点，这就是建井工程师的工作。接下来，采矿工程师和装备工程师需要完成井下巨系统的设计和运行，把煤炭从地下采出并运送到地面，煤仓和选煤厂，经过分选的煤炭最终才能被运送给用户。《开采太阳石》主要讲述智能化矿区、智能化煤矿、智能开采、智能掘进、数字煤矿、黑灯选煤厂、智能化管理和6S 智能化煤矿时代等内容。
百变太阳石
ISBN 978-7-03-076581-9
作者：王国法,吴群英,张宏
北京：科学出版社，2023.10
人们通常把煤炭比做乌金，形象地把乌金礼赞为“太阳石”。“太阳石”朴实无华，没有宝石绚丽的光彩，但它无私奉献；从百米千米矿井开采出来，为人类奉献光和热。煤炭浑身是宝，经过科技魔法的作用，有千般颜色、万般姿态，可以说生活中处处离不开煤炭。煤炭除了可以燃烧、供暖、发电以外还可以为汽车、飞机、火箭提供能源、用来生产布料、化肥、为生产高端化妆品提供原料……《百变太阳石》主要讲述煤炭通过具体的科技手段，如何实现清洁高效全面利用的，更全面、具体、形象地介绍煤炭的多种应有。让大众了解煤炭鲜为人知的用途。
太阳石铸青山
ISBN 978-7-03-076580-2
作者：王国法,吴群英,张宏
北京：科学出版社，2023.10
人们通常把煤炭比做乌金，形象地把乌金礼赞为“太阳石”。“太阳石”朴实无华，没有宝石绚丽的光彩，但它无私奉献；从百米千米矿井开采出来，为人类奉献光和热。《太阳石铸青山》主要讲述矿山开发的得与失、矿山修复、矿井废弃资源利用、矿区新面貌等内容。具体包括矿山改造成花园、工业遗址、博物馆、疗养院、矿井深坑改造的五星酒店等不同观感的大胆尝试。书中既包括废弃矿山矿井的改造又包括正在生产运行中的矿山新貌，充分展示新时代矿业领域的新形象、新模式。
▲ 中国工程院院士彭苏萍、袁亮、武强、康红普、顾大钊、王双明、孙友宏、葛世荣联名推荐
本文摘编自《百变太阳石》（王国法, 吴群英, 张宏主编. 北京: 科学出版社: 中国科学技术出版社, 2023.10）一书，王国法院士为太阳石系列科普丛书撰写的“开篇序言”，有删减修改，标题为编者所加。
（本文编辑：刘四旦）
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