基于“美麗地球”建設(shè)的煤炭地質(zhì)勘查研究

譚克龍，潘海洋,2，徐 翰，殷榕蔚，陳美英

(1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039； 2.山東科技大學(xué)，山東青島 266590)

1 “美麗地球”建設(shè)發(fā)展方向的提出

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的根基，生態(tài)環(huán)境變化直接影響文明興衰演替?！熬G水青山”發(fā)展理念核心是生態(tài)環(huán)境問題，黨的十八大把建設(shè)“藍(lán)天常在、青山常在、綠水常在”的“美麗中國”作為我國建設(shè)生態(tài)文明的宏偉目標(biāo)，并成為我國特色社會主義“五位一體”總體布局的戰(zhàn)略?！懊利愔袊苯ㄔO(shè)離不開潔凈能源，我國是一個以煤炭為主體能源和重要工業(yè)原料的發(fā)展中國家，煤炭在一次能源結(jié)構(gòu)中將長期占主導(dǎo)地位，未來相當(dāng)長時間內(nèi)煤炭資源依舊是安全性最好、保障程度最高、供應(yīng)最穩(wěn)定的能源。煤炭作為我國主體能源，煤炭引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題與以煤炭作為主體能源需穩(wěn)定供給之間的矛盾長期存在。據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年中國原煤產(chǎn)量為36.8億t，同比增長超過4.5%，全國煤礦井?dāng)?shù)量減少至5 800(千萬噸級煤礦42處)個左右，其中90%煤礦為井工開采。煤炭井工開采引發(fā)的大氣污染、水資源破壞、土地沉陷、矸石堆放等環(huán)境問題是煤炭產(chǎn)業(yè)踐行“綠水青山”理念的瓶頸問題，也是“黑色煤炭”向“綠色煤炭”轉(zhuǎn)變迫切需要克服的難題。中國煤炭地質(zhì)總局以為國家提供綠色能源為己任，以打造具有核心競爭力的世界一流地質(zhì)與生態(tài)文明建設(shè)企業(yè)集團(tuán)為戰(zhàn)略目標(biāo)，于2019年1月提出“透明地球、美麗地球、數(shù)字地球”建設(shè)的科學(xué)布局與科技創(chuàng)新發(fā)展方向，以地質(zhì)災(zāi)害治理、環(huán)境修復(fù)為依托，做生態(tài)文明建設(shè)的先行者，奉獻(xiàn)“美麗地球”建設(shè)。

2 “美麗地球”建設(shè)中的煤炭地質(zhì)勘查工作

2015年習(xí)近平總書記曾強(qiáng)調(diào)：“煤炭將長期是我國主要能源，對煤炭的注意力不能分散”。李克強(qiáng)總理指出“煤炭清潔開發(fā)利用作為能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的立足點(diǎn)和首要任務(wù)”。煤炭產(chǎn)業(yè)“十三五”規(guī)劃綱要明確提出“大力推進(jìn)煤炭清潔高效利用，堅(jiān)持綠色開發(fā)與清潔利用相結(jié)合，推動綠色發(fā)展，形成集約、安全、高效、綠色的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系”。煤炭地質(zhì)單位圍繞“美麗地球”建設(shè)的勘查工作將作為貫穿煤炭產(chǎn)業(yè)全過程的主要工作之一，為“綠水青山”建設(shè)發(fā)揮地質(zhì)保障作用。

2.1 綠色勘查

綠色勘查是“美麗地球”建設(shè)中對勘查工作的基本要求，推動煤炭綠色勘查，綜合考慮勘查區(qū)生態(tài)特征、環(huán)境承載力。充分考慮煤炭勘查對環(huán)境的影響，合理選擇節(jié)約、成熟、高效的勘查技術(shù)，開展煤系多礦種協(xié)同勘查、評價，最大限度降低勘查工作對生態(tài)環(huán)境的擾動，最大限度的降低勘查工作成本投入及勘查人員勞動強(qiáng)度，以最少的成本取得預(yù)期的勘查目標(biāo)與成果。加大區(qū)域成礦背景分析與研究，通過對地層、構(gòu)造、沉積特征以及聚煤規(guī)律研究?？辈檫^程中環(huán)境擾動與環(huán)境修復(fù)同時推進(jìn)，保障綠色勘查對環(huán)境近零污染與可控擾動，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的條件下最大限度修復(fù)環(huán)境。依據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局歷年地勘成果報告顯示，自2006年以來，平均每年約20億元的煤炭地質(zhì)勘查投入，平均每年煤炭勘查鉆探約100萬m以上，峰值為2011年的987.76萬m，后逐步下降至2017年的96萬m。地質(zhì)勘查過程中槽探、鉆探、坑探等工程對環(huán)境產(chǎn)生不同程度破壞與擾動，并產(chǎn)生大量固、液廢棄物。據(jù)初步測算，普通鉆探工程每百米鉆進(jìn)約產(chǎn)生2.5t巖屑固廢；施工中使用的泥漿、示蹤劑、油料等化學(xué)物質(zhì)以及人類活動垃圾對環(huán)境產(chǎn)生的污染成為約束煤炭綠色勘查的主要問題。在推動“美麗地球”建設(shè)過程中，煤炭地質(zhì)“綠色勘查”亟待開展，綠色勘查標(biāo)準(zhǔn)體系亟待建立。

2.2 精準(zhǔn)勘查

精準(zhǔn)勘查在“美麗地球”建設(shè)中作用重要，通過精準(zhǔn)勘查全面了解地質(zhì)環(huán)境特征，最大限度減少對環(huán)境的擾動。近年來，中國煤炭地質(zhì)總局為努力踐行“美麗地球”建設(shè)，逐步形成了服務(wù)于煤礦開采“全生命周期”的煤礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)勘查與煤礦災(zāi)害防治技術(shù)，開展了許多礦山環(huán)境治理與勘查評價項(xiàng)目。如；地-井-巷聯(lián)合精細(xì)探查技術(shù)廣泛應(yīng)用于小斷層、多層含水層富水性的探查，在潞安集團(tuán)司馬礦導(dǎo)水?dāng)鄬泳?xì)探測工程中，探查出斷距5m的伴生斷層。老空區(qū)積水精細(xì)探測綜合技術(shù)應(yīng)用于山西大同塔山煤礦三盤區(qū)風(fēng)井疏放侏羅系采空區(qū)積水鉆探工程，圈出8301工作面異常區(qū)，查明老窯積水范圍及積水量。傾斜多煤層水平開采綜合勘探技術(shù)應(yīng)用于黑龍江鶴崗礦區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工程，探測導(dǎo)水裂縫帶高度與頂板突水危險性預(yù)測，還應(yīng)用于山西潞安集團(tuán)孟家窯煤層頂板危險性評價。瞬變電磁超前探測技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)蒙古鄂爾多斯白云烏素煤礦，探明了1806工作面內(nèi)頂?shù)装宓?個富水異常區(qū)域的水文地質(zhì)情況。頂板松散層突水潰沙固沙預(yù)防技術(shù)應(yīng)用于陜西石圪臺煤礦22303工作面松散層注漿工程，對基巖厚度小于41.3m的富水區(qū)進(jìn)行注漿加固，達(dá)到頂板加固、防止?jié)⑺疂⑸车哪康?，保障了工作面的安全回采?/p>

煤炭地質(zhì)勘查、探測精度應(yīng)有效支撐煤炭礦井“全生命周期”的開采安全，保障資源勘查精度滿足礦井設(shè)計、建設(shè)、開采需求，使得地質(zhì)條件精準(zhǔn)評價、礦井災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)測，為“透明礦井”建設(shè)提供有效支撐。做到勘查工作精準(zhǔn)決策、勘查技術(shù)精準(zhǔn)選擇、勘查工程的精準(zhǔn)布置、勘查過程的精準(zhǔn)控制、勘查條件的精準(zhǔn)分析、勘查成果精準(zhǔn)評價。

2.3 智慧勘查

智慧勘查是“美麗地球”建設(shè)的主要表現(xiàn)形式，“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，煤炭地質(zhì)勘查信息化工作方式、內(nèi)容及性質(zhì)發(fā)生根本性的變革。煤炭地質(zhì)勘查成果由非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎枚S表結(jié)構(gòu)來邏輯表達(dá)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，使得地勘成果數(shù)據(jù)量成幾何基數(shù)增長[1]。利用結(jié)構(gòu)化地勘成果數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次挖掘與集成，創(chuàng)造出新的地質(zhì)勘查成果成為煤炭地質(zhì)勘查信息化工作的重點(diǎn)。推動“美麗地球”建設(shè)，需本著綠色、集約的勘查理念，依托勘查成果共享、透明、數(shù)據(jù)化的支持，利用大數(shù)據(jù)、云計算等分析手段結(jié)合沉積學(xué)、礦床學(xué)等理論，將煤炭地質(zhì)成果進(jìn)行集成與創(chuàng)新，替代原始的實(shí)物工作量投入，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)勘查”，傳統(tǒng)的勘查手段僅作為對數(shù)據(jù)勘查成果的驗(yàn)證與補(bǔ)充通過數(shù)據(jù)勘查，實(shí)現(xiàn)資源共享，為智慧勘查奠定基礎(chǔ)。

二十世紀(jì)八、九十年代開始出現(xiàn)煤炭資源勘查專家系統(tǒng)，近年來，人工智能的算法逐步成熟，人工智能技術(shù)被應(yīng)用到各行各業(yè)中幫助人們解決實(shí)際問題。在大數(shù)據(jù)、云計算、三維地質(zhì)建模、人工智能等新興技術(shù)支持下，煤炭地質(zhì)勘查工作效率獲得極大提高，如：煤巖層對比、構(gòu)造分析、沉積環(huán)境分析、開采條件評價、開采環(huán)境影響評價等自動化分析系統(tǒng)逐步顯現(xiàn)出雛形。在大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能的驅(qū)動與影響下，煤炭地質(zhì)勘查行業(yè)蘊(yùn)藏著巨大的創(chuàng)新空間和與創(chuàng)新需求。地勘數(shù)據(jù)共享需求與透明程度隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”思維引入得到很大提升，“互聯(lián)網(wǎng)+”服務(wù)平臺(如：地質(zhì)云)對地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化深度加工、挖掘、融合，將簡單、零散的地勘數(shù)據(jù)成果匯集成數(shù)據(jù)流、決策流，最終創(chuàng)造出新的、更大的地質(zhì)成果。傳統(tǒng)煤炭地質(zhì)勘查針對地質(zhì)信息的采集、匯總、解釋、評價，將隨著信息化提升變革為基于原始煤炭地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)的集成、挖掘、創(chuàng)新和驗(yàn)證的智慧勘探。大數(shù)據(jù)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等技術(shù)借助互聯(lián)網(wǎng)、云計算，將地球動力學(xué)系統(tǒng)、成礦系統(tǒng)、勘查系統(tǒng)和專家智能分析系統(tǒng)充分運(yùn)用到地質(zhì)勘查工作中，通過“互聯(lián)網(wǎng)+地質(zhì)”平臺共享零散的煤炭地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，并集成、融合形成新的地勘成果信息，引導(dǎo)煤炭地質(zhì)勘查向著“智慧勘查”轉(zhuǎn)變。

3 “美麗地球”建設(shè)中煤炭勘查的工作內(nèi)容

我國煤炭資源勘查開發(fā)理論研究、煤炭資源開采技術(shù)領(lǐng)先于世界，但粗放型勘查開發(fā)利用付出的環(huán)境代價高，采中瓦斯、水、應(yīng)力災(zāi)害防治支出高，采后采煤沉陷災(zāi)害治理、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)成本高，以上現(xiàn)狀無法契合“綠水青山”發(fā)展理念要求。將“綠色”的勘查理念與先進(jìn)的勘查技術(shù)手段結(jié)合起來，統(tǒng)籌解決煤系、煤盆地內(nèi)礦產(chǎn)協(xié)同的勘查與開發(fā)，及在煤礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治、礦山環(huán)境恢復(fù)等問題，做到煤炭資源綠色勘查、綠色開發(fā)、綠色利用、恢復(fù)綠色[2]。

3.1 服務(wù)煤礦“全生命周期”

1978—2018年，全國煤炭年產(chǎn)量凈增長4.8倍，煤礦數(shù)量由1998年的8萬多處減至2018年的5 800處以下，煤礦事故死亡人數(shù)下降95%左右，重特大事故下降98%，百萬噸死亡率由9.71降至0.093，下降99%。煤炭地質(zhì)勘查工作為保障國家能源安全供應(yīng)和國民經(jīng)濟(jì)健康，以及煤礦災(zāi)害防治做出了重要貢獻(xiàn)。在“美麗地球”建設(shè)發(fā)展方向引導(dǎo)下，煤炭地質(zhì)勘查思維方式從尋找煤炭資源向著勘查綠色資源、防治煤礦地質(zhì)災(zāi)害、保障礦井安全的“全生命周期”服務(wù)轉(zhuǎn)變[3]。將傳統(tǒng)的以煤炭資源勘查為核心的“煤田地質(zhì)勘探”發(fā)展為以煤為主，共伴生礦綜合勘查、綜合評價、綜合開采。為服務(wù)綠色煤炭資源開發(fā)、綠色礦山建設(shè)和關(guān)閉礦山綠色恢復(fù)等提供技術(shù)保障。

3.2 保障環(huán)境“近零損害”

我國煤炭井工開采為主，且開采技術(shù)條件復(fù)雜，瓦斯、礦井水、采煤沉陷、煤矸石等災(zāi)害、環(huán)境問題凸出。推進(jìn)煤炭資源勘查、開發(fā)對環(huán)境“近零損害”是解決煤炭產(chǎn)業(yè)環(huán)境約束的最終目標(biāo)?！懊利惖厍颉苯ㄔO(shè)引領(lǐng)煤炭地質(zhì)勘查工作方法由粗放型勘查施工向著“零擾動”“可恢復(fù)”的方向發(fā)展，改變傳統(tǒng)煤炭地質(zhì)勘查對地表生態(tài)、土地、水資源的擾動與破壞，保障煤炭資源高產(chǎn)、高效、綠色開采。通過勘查技術(shù)的革新推動煤炭地質(zhì)勘查往綠色勘查轉(zhuǎn)變，運(yùn)用先進(jìn)、成熟的、經(jīng)濟(jì)、合理的勘查技術(shù)，保證煤炭地質(zhì)勘查工作對環(huán)境近零損壞，擾動可控。通過前期的精準(zhǔn)勘查、數(shù)據(jù)勘查，預(yù)控煤礦開采的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從根本上解決煤礦開采對環(huán)境的影響。實(shí)現(xiàn)生態(tài)近零損害、污染物近零排放，有效減少碳排放，建成綠色、安全、高效的煤炭開發(fā)利用體系。

3.3 支撐建設(shè)“透明礦井”

我國煤炭安全開采瓦斯、頂板、水害等事故時有發(fā)生，2018年全國煤礦共發(fā)生事故224起、死亡333人，煤礦百萬噸死亡率0.093，仍遠(yuǎn)高于美國等發(fā)達(dá)國家水平。新時代煤炭地質(zhì)勘查應(yīng)推動改善煤礦嚴(yán)峻的安全形勢，建立安全高效的“透明礦井”，大幅降低煤礦安全生產(chǎn)事故。

以綠色勘查、精準(zhǔn)勘查、數(shù)據(jù)勘查為支撐，推動煤炭礦井向著“智能化”“無人化”“透明化”開采轉(zhuǎn)變[4,5]。綜合利用遙感、鉆探、測井、物探等勘查技術(shù)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段，綜合布置勘查工程，利用高精度三維動態(tài)地質(zhì)模型構(gòu)建“透明礦井”實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)掌握煤層賦存條件，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造、陷落柱、瓦斯等致災(zāi)因素的高清透視；煤炭精準(zhǔn)開采及災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測數(shù)據(jù)快速分析，建立煤礦災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理及災(zāi)變理論模型，實(shí)現(xiàn)對煤礦災(zāi)害的自適應(yīng)、超前、準(zhǔn)確預(yù)警。

3.4 勘查評價“綠色煤炭”

我國煤炭資源總量豐富，綠色煤炭資源儲量低、綠色資源總體勘查程度較低[6]，可供規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)儲量不足，亟需提升經(jīng)濟(jì)可采綠色儲量規(guī)模。我國綠色煤炭資源暫未有準(zhǔn)確預(yù)測，部分學(xué)者初步預(yù)測綠色煤炭資源基礎(chǔ)儲量約為8 764億t，經(jīng)濟(jì)可采的綠色儲量更低僅為4 575億t[7]。亟待提升綠色煤炭資源的勘查程度，尤其是綠色煤炭資源勘查與評價。

煤炭地質(zhì)工作注重成本與效益，注重煤炭資源勘查開發(fā)與評價過程中包含資源勘查成本、開采成本、清潔利用成本、環(huán)境恢復(fù)成本等構(gòu)成的“全成本”評價。其中，勘查成本包含“綠色勘查”投入成本，開采成本應(yīng)為煤礦井“綠色、高產(chǎn)、高效”條件下的開采成本，清潔利用成本包括不同煤質(zhì)、不同區(qū)域煤炭資源在轉(zhuǎn)化、利用過程中清潔投入與節(jié)能減排成本。以煤炭資源條件、煤質(zhì)等為基礎(chǔ)，在當(dāng)下開采技術(shù)與環(huán)境治理技術(shù)基礎(chǔ)上，開展煤炭資源綜合評價，依據(jù)“綠水青山”發(fā)展理念評價形成“綠色煤炭資源”，以便有計劃開發(fā)煤炭資源，杜絕非經(jīng)濟(jì)的、高綠色恢復(fù)成本的非綠色煤炭資源開發(fā)。

3.5 綜合勘查與評價“共伴生礦產(chǎn)”

我國含煤地層分布廣、建造厚度大，成煤時代完整，煤田沉積、構(gòu)造條件復(fù)雜多樣，賦存豐富的煤炭資源。2014年，中國煤炭地質(zhì)總局組織開展了全國“煤系礦產(chǎn)資源綜合調(diào)查與評價”，得出我國煤系礦產(chǎn)資源包括了能源礦產(chǎn)、金屬礦產(chǎn)、非金屬礦產(chǎn)等，種類繁多，資源潛力巨大。

“綠水青山”發(fā)展理念下煤系共伴生礦產(chǎn)資源協(xié)同勘查是煤炭地質(zhì)勘查的重要工作內(nèi)容。通過協(xié)同使用各種勘查技術(shù)手段、方法，優(yōu)化勘查管理實(shí)現(xiàn)勘查技術(shù)與方法優(yōu)勢互補(bǔ)，協(xié)調(diào)勘查工程實(shí)施過程的關(guān)系，保證煤系多礦種同步勘查與評價；協(xié)同不同礦種勘查的經(jīng)濟(jì)評價的理論與方法，周密的進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評價，選擇出最佳勘查、開發(fā)方案。同沉積條件、同地層的多種礦產(chǎn)協(xié)同勘查，固、液、氣礦產(chǎn)協(xié)同勘查、協(xié)同開發(fā)，最少的勘查投入獲得最佳找礦效果。

4 結(jié)論

“美麗地球”建設(shè)是新時代煤炭地質(zhì)工作的一項(xiàng)主要工作，本文提出煤炭地質(zhì)勘查新的工作方向與工作內(nèi)容，目的是在確保煤礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)之上，最大限度減小(或消除)煤礦開采引發(fā)的環(huán)境負(fù)面效應(yīng)，堅(jiān)持“綠色勘查、精準(zhǔn)勘查、智慧勘查”煤炭地質(zhì)勘查工作方向，加大“綠色煤炭資源”勘查評價，以及“共伴生礦產(chǎn)”綜合勘查開發(fā)，以精準(zhǔn)的煤炭地質(zhì)勘查成果服務(wù)煤礦井“全生命周期”，保障煤礦開發(fā)對環(huán)境的“近零損害”，支撐煤礦“透明礦井”建設(shè)，從而科學(xué)監(jiān)測、防治煤炭開采中瓦斯、礦井水、采煤沉陷、矸石等問題。

我國煤炭地質(zhì)勘查通過60多年的勘查實(shí)踐，已建立了一整套針對不同地形、地物條件的地質(zhì)填圖、山地工程、遙感、物探、鉆探、化驗(yàn)測試等勘查技術(shù)體系；具有科學(xué)布置各項(xiàng)勘探工程，綜合分析研究各類地質(zhì)信息，編制數(shù)字化煤炭地質(zhì)勘查報告的先進(jìn)的煤炭地質(zhì)綜合勘查技術(shù)體系；總結(jié)出了一整套針對與我國特殊煤炭地質(zhì)條件的煤炭地質(zhì)綜合勘探理論和方法。并且建立了以《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T0215-2002)為核心，以地質(zhì)填圖、遙感、地震、電法、鉆探、測井、水文地質(zhì)、煤質(zhì)評價等其它專業(yè)規(guī)范為補(bǔ)充的煤炭地質(zhì)勘查標(biāo)準(zhǔn)化體系。涵蓋了資源勘查、礦井建設(shè)、煤礦開采、采后治理等多個方面，為新時代中國煤炭地質(zhì)勘查事業(yè)綠色、持續(xù)、高效發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。