移动扫码阅读

1 煤炭绿色开发地质保障技术内涵

党的十九大开启了决胜全面建成小康社会及中国特色社会主义的新时代。实施创新驱动战略，推进能源生产和消费革命，构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系成为新时代的主旋律。煤炭作为传统能源，发展面临着“煤炭革命”的机遇与挑战。习近平总书记指出：“我们正在压缩煤炭比例，但国情还是以煤为主，在相当长一段时间内，甚至从长远来讲，还是以煤为主的格局，只不过比例会下降，我们对煤的注意力不要分散”。我国的基本国情和能源资源禀赋决定了“煤炭革命”绝不等于“革煤炭的命”。研究表明，未来相当长时期，在我国一次能源消费结构中，煤炭的比重将逐步降低，但是煤炭产量仍将保持低速增长，煤炭作为我国主体能源的地位短时间内难以改变，但按照生态文明建设的总体部署，煤炭开采、加工、利用面临的生态环境约束将日益增大。

实现煤炭安全绿色开采、清洁高效利用是推动能源生产和消费革命的要求，是煤炭资源向绿色能源转变的根本出路，“绿色煤炭”是煤炭绿色开发的基础。曹代勇等[1]从狭义和广义两方面论述了“绿色煤炭”概念。他认为，狭义的绿色煤炭是指具有低硫、低磷、低熔点和高发热量等特性的煤炭，特别适宜作动力煤和化工原料。广义的绿色煤炭概念是建立在循环经济基础之上，用“绿色理念”开采“黑色煤炭”和对煤炭进行“绿色加工”，实现煤炭资源的绿色勘查、清洁开采和无污染使用。

煤炭绿色开发带来一系列理念的转变。煤炭的角色由单一燃料向燃料与原料并重发展；“煤炭资源”勘查由煤层扩展到“煤系共伴生资源”，包括金属、非金属及其他能源资源；煤炭生产从注重“数量”向注重“质量”转变；煤炭行业由资源型向社会环境型转变。煤炭绿色开发对煤炭地质工作提出了新要求，也带来了新的发展机遇：①煤炭地质勘查既要查明煤炭资源的数量、质量和赋存规律，为矿区规划和矿井建设提供资源基础，也要查明煤层、隔水层、含水层空间组合特征，揭示维系地表生态系统的地质条件，为绿色开采和清洁利用提供地质依据。②煤炭地质勘查必须由地面走向矿井，探测开采过程地质条件的变化规律和损害特征，为减少采动损害提供地质技术支撑。上述工作既为煤炭地质勘查提供了更大的发展空间，也对煤炭地质勘查技术提出了新的更高要求。据此，笔者提出煤炭绿色开发地质保障技术的概念：以煤及含煤岩系共伴生矿产精细勘查为基础，开展煤炭开采过程地质条件变化及损害实时探测，建立三维地质—采掘工程耦合模型，为煤及煤系矿产资源安全绿色开采、清洁高效利用提供地质技术支撑。

2 西部煤炭绿色开发地质保障技术研究现状

我国西部煤炭资源丰富，煤炭资源量占据全国煤炭资源总量的70%以上，神东、陕北、黄陇、新疆4个亿吨级煤炭(生产)基地和宁东能源化工基地，担负国民经济发展中基础能源供给的主要角色。而西部地处干旱-半干旱带，水资源匮乏，地表植被稀少，生态环境脆弱，成煤盆地后期形变强烈，煤类多，变化大，煤层自燃普遍，严重制约了西部煤炭资源的安全高效开发[2-3]。长期以来，国内众多学者和地质工作者在煤炭绿色开发地质保障技术方面进行了大量理论探索和工程实践。近年来，国土资源部在陕西建立了煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西省建立了煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西省煤炭学会设立了煤炭绿色开采地质保障专业委员会，形成了煤炭绿色开发地质保障技术成果孵化、人才聚集和学术交流的良好环境，正在打造立足西部、面向全国的煤炭绿色开发地质保障技术创新团队。

2.1 煤系矿产资源协同勘查与综合评价

近年来，煤炭资源勘查已发展为煤系共伴生矿产资源协同勘查，并在鄂尔多斯盆地、吐哈盆地、伊犁盆地取得煤铀兼探突破。

文献[4-5] 对鄂尔多斯盆地演化-改造过程中油、气、煤和铀多种能源矿产形成、聚散和成藏规律进行了研究，提出了盆地内多种能源矿产“协同勘查”和综合预测的理论，指导煤系矿产资源协同勘查初见成效。陕西省煤田地质集团利用煤田勘查钻孔放射性测井资料对黄陇地区铀矿资源进行研究评价，通过野外观测和少量工程验证，在研究区内发现了铀矿资源，在下白垩统志丹群环河、华池组，罗汉洞组以及侏罗系安定组等地层发现了含铀矿藏，取得找矿突破。文献[6-9]对陕西、宁夏等主要矿区的煤层气资源进行了研究评价，为陕西黄陇矿区和韩城矿区煤层气开发提供了地质依据。舒建生等[10]在陕西境内含煤岩系研究发现了镓元素的富集规律。赵力等[11]对新疆的煤层气资源开发条件和潜力进行了研究，经过近几年的勘查和开发工作，准南、库拜、三塘湖等煤田的煤层气资源勘查开发程度逐步提高，阜康矿区白杨河和三工河2个区块已实现年产量7 000万m3。

2.2 生态脆弱煤矿区煤炭开采和生态环境保护

在以陕西北部浅埋煤层区为代表的生态脆弱煤矿区，范立民进行了煤层赋存特征及保水采煤关键技术的深入研究。马雄德等[12]总结了神南矿区导水裂隙带高度与采煤高度的关系；李德海等[13]研究了浅埋多煤层群开采地表治理技术。夏玉成等[14]提出了矿区地下水水位下降与恢复的计算方法，形成了煤炭开采水资源保护的理论技术体系。王双明[15-17]等研究了煤层、隔水层、含水层和地表生态系统的空间组合特征，揭示了地下水位埋深与地表生态系统的依存关系，发现了采动隔水性损害是生态环境损害的根源，保护隔水层性能不受损害是矿区生态环境保护的关键，生态水位保护是环境保护的核心，指出创新减损开采技术是西部煤炭开采必须破解的技术难题。在此基础上，提出了生态脆弱区实现煤炭开采与生态环境保护协调发展的理念和技术：即以煤水空间组合特征研究为基础、以采动地质条件变化分区为途径、以采煤方法规划为手段、以防止隔水岩组破坏为目标、以保护生态水位为核心的采煤保水技术体系，将西部生态脆弱矿区环境保护引领到了生态水位保护新阶段。神华集团在神东矿区开展了为期3年的研究，建立了大规模高强度现代采煤对地下水资源及生态环境影响的量化指标和分析方法。

新疆煤炭资源主要分布在塔里木、准葛尔、和吐哈盆地边缘地带，生态环境十分脆弱。文献[18-19]研究了新疆煤炭资源开发与水资源保护问题；分析了导水裂隙与关键层结构的耦合关系，揭示了导水裂隙发育与开采参数的关系。赵其文等[20]分别研究了露天煤矿开采对地下水质、水资源和含水地层的影响，煤矿开采所造成的大气及辐射污染对生态环境的影响。

2.3 复杂地质条件矿区地质灾害预测预报

西部煤矿地质条件复杂，水、火、瓦斯等隐蔽致灾地质因素多。文献[21-22]以勘查地质资料为基础，以矿井掘采地质资料为补充，动态研究地质条件变化规律，通过深度挖掘已有勘查资料内蕴的地质信息(尤其是三维地震信息)，提高了矿井地质条件的预测准确性。解决了长期以来煤炭地质与矿井地质“两张皮”、地质勘查及矿井地质信息相脱节的问题，通过激活煤炭地质勘查信息流，解决了地质报告产品一次性、地质成果非实证性、地质预测精度有限性等难题，用地质条件的精细预测预报技术支撑煤炭精准开采。吕广罗等[23-24]在综放条件下煤矿顶板离层水害发生机理及防治技术研究方面取得突破。建立了以地质构造、导水裂隙带等四参数为主要指标的矿井水害危险性地质预测指标体系，并建立了以“监测孔水位”为核心指标的离层积水涌突联合预测预报系统，有效地指导了煤矿防治水工作。

2.4 煤炭地质云及煤矿地质保障信息系统

国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室率先建成了“互联网+煤炭地质”专业云服务平台(CGC)和煤矿地质保障“一张图”共享平台，结合煤矿物联网系统的建设，实现了煤炭地质及矿井掘采信息的采集、汇聚、存储和分析处理与展示，实现了煤炭资源勘查和煤矿开采信息融合与共享，建立了矿井三维地质模型，实现了煤矿生产过程中地测、安全及环境等信息动态化管理，推动煤炭地质走进“互联网”+新时代。

2.5 基于煤岩组分的煤炭分级分质加工利用

我国西部煤炭资源以侏罗纪低阶煤为主，挥发分含量高，加工转化前景广阔。李振等[25]开展了煤炭分级分质纯化利用研究，研制了“具有改性功能的对撞式气流粉碎分选机及粉碎分选系统，实现了高惰质组煤煤岩组分选择性破碎和分选；赵洪宇等[26-27]提出了神府煤催化梯级协同热解多联产转化新术及新方法，研发了铁矿石催化热解低阶煤技术；刘源等[28]研究了神府煤-活化耦合产物的特性及热解温度对产物性能的影响，揭示了热解-活化耦合机制；在煤炭热解成焦油、煤气及半焦方面取得了技术突破。

3 西部煤炭绿色开发地质保障技术发展趋势

3.1 提高绿色煤炭资源地质勘查精度

袁亮[29]提出了“绿色煤炭资源量”概念，即能够满足煤矿安全、技术、经济、环境等综合条件，并支撑煤炭科学产能和科学开发的煤炭资源量。按照这一定义，我国“绿色煤炭资源”约为5 000亿t，仅占全国煤炭资源量约10%，西部是绿色煤炭资源的主要分布区域。创新勘查技术，加大对煤质和煤化作用的研究，寻找和勘探煤质优良、煤类稀缺、开采条件良好，开采过程对生态环境损害较小的“绿色煤炭资源”，为大型煤炭基地和安全高效矿井建设提供资源保障，是现阶段煤炭地质工作的主要任务。围绕上述任务，发展西部复杂地表条件下，以查明可采煤层连续性、煤质稳定性和煤类变化规律为主要地质任务的煤炭资源精细勘查技术已成为绿色煤炭资源勘查的重大需求。

3.2 创建采煤保水技术体系

西部煤炭资源总量丰富，煤质总体优良，但干旱少雨，生态环境脆弱，实现采煤与生态环境保护协调发展是面临和必须破解的重大技术难题。按照生态文明建设环境保护优先，自然恢复为主的总体要求，减少和控制采动对生态环境的损害应作为煤炭绿色开采地质保障技术重要内容。西部生态环境与地下水位埋藏深度依存关系密切，不同区域具有不同安全生态水位，煤炭开采过程中生态环境保护的核心就是生态水位保护。开采实践表明，由于地质条件不同，煤炭开采以后会形成三种区域，隔水性稳定区、隔水性变化区、隔水性损坏区。因此，建立以煤水空间组合地质特征研究为基础，以采动隔水性变化分区为途径，以采煤方法的规划为手段，以防止隔水性的破坏为目标，以保护生态水位为核心的采煤保水技术体系，是实现采煤与生态环境保护协调发展的重大需求和总体趋势。

3.3 提升煤炭清洁利用地质保障程度

煤质和煤类是煤炭清洁利用的基础。受煤炭主要作为燃料使用和地质勘查规程、规范的制约，以往地质勘查工作煤质测试和煤类研究相对薄弱。近年来，煤炭加工转化技术取得重大进展，煤炭用作化工原料的前景更加广阔。西部侏罗纪煤炭资源不仅煤质总体优良，而且煤炭中焦油含量相对较高。陕西和新疆部分煤炭企业的生产实践表明，采用低温干馏技术，可以将侏罗纪低煤阶煤炭资源转化成煤焦油、煤气和半焦，能在一定程度上弥补缺油、少气和焦煤稀少的资源禀赋不足。由于化工和低温干馏用煤对煤质稳定性要求极高，开展化工和低温干馏用煤煤质补充勘查和煤类变化规律研究，已成为现阶段煤炭规模化加工利用的当务之急。煤质补充勘查和研究不仅要查清适合特定化工用煤、低温干馏用煤的资源总量，而且要按一定要求采样测试，对主要煤质指标在平面和垂直方向上的变化规律进行研究，提高煤炭规模化加工转化和清洁利用的煤质保障程度。

4 结 语

西部是绿色煤炭资源的主要分布区域，也是我国最主要的煤炭生产基地。以绿色发展理念为导向，以勘查技术创新为核心，以保障煤炭绿色开采、支撑煤炭清洁利用为主要内容的煤炭勘查开采地质保障技术，近年来在西部取得一定进展。未来西部煤炭绿色开采地质保障工作将围绕3大方向拓展深化：提高绿色煤炭资源地质勘查精度，创建采煤保水技术体系，提升煤炭清洁利用地质保障程度。

致谢：王国柱高级工程师对本文提出了宝贵的意见，在此表示感谢！

参考文献:

[1] 曹代勇,魏迎春,宁树正.绿色煤炭基础地质工作框架刍议[J]煤田地质与勘探,2018,46(3):1-5.

CAO Daiyong,WEI Yingchun,NING Shuzheng.The framework of basic geological works for green coal[J].Coal Geology & Exploration,2018,46(3):1-5.

[2] 973计划(2013CB227900)“西部煤炭高强度开采下地质灾害防治与环境保护基础研究”项目组.西部煤炭高强度开采下地质灾害防治理论与方法研究进展[J].煤炭学报,2017,42(2):267-275.

Research Group of National Key Basic Research Program of China(2013CB227900)(Basic Study on Geological Hazard Prevention and Environmental Protection in High Intensity Mining of Western Coal Area).Theory and method research of geological disaster prevention on high-intensity coal exploitation in the west areas[J].Journal of China Coal Society,2017,42(2):367-275.

[3] 王双明.鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价[M].北京:煤炭工业出版社,1996.

[4] 段中会,徐高中,贺晓浪.论煤铀兼探中综合勘查与评价技术的基本原则[J].中国煤炭地质,2015,27(9):1-4,17.

DUAN Zhonghui，XU Gaozhong,HE Xiaolang.On basic principles in intergrated coal exploration in company with uranium and evaluation technology[J].Coal Geology of China,2015,27(9):1- 4,17.

[5] 李增学,王 佟,王怀洪,等.多能源矿产协同勘查理论与技术体系研究[J].中国煤炭地质,2011,23(4):68-72.

LI Zengxue,WANG Tong,WANG Huaihong,et al.Theory and technical system study on multiple energy mineral resources exploration in coordination[J].Coal Geology of China,2011,23(4):68-72.

[6] 蔺亚兵,宋一民,蒋同昌,等.黄陇煤田永陇矿区煤层气成藏条件及主控因素研究[J].煤炭科学技术,2018,46(3):168-175.

LIN Yabing,SONG Yimin,JIANG Tongchang,et al.Study on forming conditions and main controlling factors of CBM reservoirs in Yonglong Mining Area of Huanglong Coalfield[J].Coal Science and technology,2018,46(3):168-175.

[7] 申小龙,蔺亚兵,贾志鑫.陕北三叠纪煤田蟠龙至高家屯勘查区煤层气赋存规律研究[J].中国煤炭地质,2017,29(5):16-19,33.

SHEN Xiaolong,LIN Yabing,JIA Zhixin.Study on CBM hosting pattern in Panlong-Gaojiatun Exploration Area,Northern Shaanxi Triassic Coalfield [J].Coal Geology of China,2017,29(5):16-19,33.

[8] 魏有宁,岳 涛.宁夏煤层气的富集控制因素浅析[J].科技创新与应用,2017(4):188.

WEI Youning,YUE Tao.Analysis on the control factors of coalbed methane enrichment in Ningxia[J].Technology Innovation and Application,2017(4):188.

[9] 蔺亚兵,段中会,王 兴,等.陕西省煤层气资源勘查开发现状及建议[J].中国煤炭地质,2016,28(12):34-37.

LIN Yabing,DUAN Zhonghui,WANG Xing,et al.On CBM exploration and exploitation status quo in Shaanxi Province and some suggestions[J].Coal Geology of China,2016,28(12):34-37.

[10] 舒建生.陕西府谷矿区南部煤中镓的赋存规律和成矿前景探讨[J].中国煤炭,2018,44(11):33-38.

SHU Jiansheng.Occurrence regularity and metallogenic prospect analysis of gallium in coal of south Fugu mining area in Shaanxi[J].China Coal,2018,44(11):33-38.

[11] 赵 力,杨曙光.新疆煤层气产业发展现状及存在的问题[J].中国煤层气,2018,15(3):3-6.

ZHAO Li,YANG Shuguang.Development status and existing problems of Xinjiang’s CBM industry [J].China Coalbed Methane,2018,15(3):3-6.

[12] 马雄德,王苏健,蒋泽泉,等.神南矿区采煤导水裂隙带高度预测[J].西安科技大学学报,2016,36(5):664-668.

MA Xiongde,WANG Sujian,JIANG Zequan,et al.Prediction on the height of water-flowing fractured zone in southern Shenmu mine[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2016,36(5):664-668.

[13] 李德海,李晓峰,孔国华,等.浅埋多煤层条带开采地表移动特征[J].矿山压力与顶板管理,1997,13(S1):72-74,91.

LI Dehai,LI Xiaofeng,KONG Guohua,et al.Surface movement characteristics of shallow multi-seam strip mining [J]. Mine Pressure and Roof Management,1997,13(S1):72-74,91.

[14] 夏玉成,雷通文,白红梅.煤层覆岩与地下水在采动损害中的互馈效应探讨[J].煤田地质与勘探,2006(1):41-45.

XIA Yucheng,LEI Tongwen,BAI Hongmei.Discussion of interaction between cover rocks and underground water in environmental hazards induced by coal mining[J]. Coal Geology & Exploration,2006(1):41-45.

[15] 王双明,黄庆享,范立民,等.生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区研究[J].煤炭学报,2010,35(1):7-14.

WANG Shuangming,HUANG Qingxiang,FAN Limin,et al.Study on overburden aquclude and water protection mining regionazation in the ecological fragile mining area[J].Journal of China Coal Society,2010,35(1):7-14.

[16] 王双明,黄庆享,范立民,等.生态脆弱区煤炭开发与生态水位保护[M].北京:科学出版社,2010.

[17] 王双明,杜华栋,王生全.神木北部采煤塌陷区土壤与植被损害过程及机理分析[J].煤炭学报,2017,42(1):17-26.

WANG Shuangming,DU Huadong,WANG Shengquan.Analysis of damage process and mechanism for plant community and soil properties at northern Shenmu subsidence mining area[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):17-26.

[18] 周海魂,黄新兰.新疆煤炭资源开发与生态环境保护[J].中国煤炭,2011,37(6):16-19.

ZHOU Haihun,HUANG Xinlan.Coal resources development and ecological environment protection in Xinjiang[J].China Coal,2011,37(6):16-19.

[19] 张东升,刘洪林,范钢伟.新疆伊犁矿区保水开采内涵及其应用研究展望[J].新疆大学学报:自然科学版,2013,30(1):13-18.

ZHANG Dongsheng,LIU Honglin,FAN Gangwei.Prospects for the connotation and application research of aquifer-protection mining on Yili minging area of Xinjiang [J].Journal of Xinjiang University:Natural Science Edition,2013,30(1):13-18.

[20] 赵其文,王国全,郑洁.新疆伊犁煤炭资源开采中辐射污染防治现状与对策研究[J].环境科学与管理,2013,38(9):68-70.

ZHAO Qiwen,WANG Guoquan,ZHENG Jie.Radioactive pollution prevention and control measures in coal resources exploration in Yili[J].Environmental Science and Management,2013,38(9):68-70.

[21] 段中会,马 丽,高 阳,等.煤矿复杂地质条件精细预测预报技术及应用[J].中国煤炭地质,2017,29(9):53-60.

DUAN Zhonghui,MA Li,GAO Yang,et al.Precise prediction and forecasting technologies and their application under coalmine complex geological condition[J].Coal Geology of China,2017,29(9):53-60.

[22] 马 丽,段中会,秦永军,等.煤矿开采地质信息约束下的地震精细解释[J].煤炭技术,2018,37(6):115-118.

MA Li,DUAN Zhonghui,QIN Yongjun,et al.Precision seismic interpretation under restriction of geological information in coal mining[J].Coal Technology,2018,37(6):115-118.

[23] 吕广罗.采煤工作面顶板离层水体涌突特征及其水害防治技术[C].第一届中国西部矿山地质环境保护学术论坛论文摘要集,2017:2.

[24] 吕广罗,李文平,黄阳,等.综放开采煤层顶板离层积水涌突特征及防治关键技术研究[J].中国煤炭地质,2016,28(11):55-61,73.

LYU Guangluo,LI Wenping,HUANG Yang,et al.Coal roof abscission layer ponding water gushing and bursting characteristics and study on key technologies of prevention and control during fully mechanized mining[J].Coal Geology of China,2016,28(11):55-61,73.

[25] 李 振,王 进,付艳红,等.气流粉碎过程的选择性特征及其数值模拟[J].中国矿业大学学报,2016,45(2):371-376.

LI Zhen,WANG Jin,FU Yanhong,et al.Selectivity characteristics and numerical simulation of airflow pulverization process [J].Journal of China University of Mining & Technology,2016,45(2):371-376.

[26] 赵洪宇,李玉环,宋 强,等.外加铁矿石对哈密低阶煤热解特性影响[J].燃料化学学报,2016,44(2):154-161.

ZHAOHongyu,LI Yuhuan,SONG Qiang,et al.Effect of additive iron ore on pyrolysis characteristics of a low rank coal from Hami[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2016,44(2):154-161.

[27] 赵洪宇,李玉环,宋 强,等.氧化钙对褐煤和无烟煤热解特性影响[J].西安科技大学学报,2016,36(1):80-85.

ZHAO Hongyu,LI Yuhuan,SONG Qiang,et al.Effect of calcium oxide on pyrolysis characteristics of brown coal and anthracite coal[J].Journal of Xi'an University of Science and Technology,2016,36(1):80-85.

[28] 刘 源,贺新福,张亚刚,等.神府煤热解-活化耦合反应产物特性及机制研究[J].燃料化学学报,2016,44(2):146-153.

LIU Yuan,HE Xinfu,ZHANG Yagang,et al.Mechanism and product characteristics of pyrolysis-activation coupling reaction of Shenfu coal[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2016,44(2):146-153.

[29] 袁 亮.我国煤炭资源高效回收及节能战略研究[J].中国矿业大学学报：社会科学版 2018,20(1):3-12.

YUAN Liang.Strategies of high efficiency recovery and energy saving for coal resources in China [J]Journal of China University of Mining & Technology:Social Sciences，2018,20(1):3-12.