基于“美丽地球”建设的煤炭地质勘查研究

谭克龙，潘海洋,2，徐 翰，殷榕蔚，陈美英

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039； 2.山东科技大学，山东青岛 266590)

1 “美丽地球”建设发展方向的提出

生态环境是人类生存和发展的根基，生态环境变化直接影响文明兴衰演替。“绿水青山”发展理念核心是生态环境问题，党的十八大把建设“蓝天常在、青山常在、绿水常在”的“美丽中国”作为我国建设生态文明的宏伟目标，并成为我国特色社会主义“五位一体”总体布局的战略。“美丽中国”建设离不开洁净能源，我国是一个以煤炭为主体能源和重要工业原料的发展中国家，煤炭在一次能源结构中将长期占主导地位，未来相当长时间内煤炭资源依旧是安全性最好、保障程度最高、供应最稳定的能源。煤炭作为我国主体能源，煤炭引发的生态环境问题与以煤炭作为主体能源需稳定供给之间的矛盾长期存在。据中国煤炭工业协会2019年统计数据，2018年中国原煤产量为36.8亿t，同比增长超过4.5%，全国煤矿井数量减少至5 800(千万吨级煤矿42处)个左右，其中90%煤矿为井工开采。煤炭井工开采引发的大气污染、水资源破坏、土地沉陷、矸石堆放等环境问题是煤炭产业践行“绿水青山”理念的瓶颈问题，也是“黑色煤炭”向“绿色煤炭”转变迫切需要克服的难题。中国煤炭地质总局以为国家提供绿色能源为己任，以打造具有核心竞争力的世界一流地质与生态文明建设企业集团为战略目标，于2019年1月提出“透明地球、美丽地球、数字地球”建设的科学布局与科技创新发展方向，以地质灾害治理、环境修复为依托，做生态文明建设的先行者，奉献“美丽地球”建设。

2 “美丽地球”建设中的煤炭地质勘查工作

2015年习近平总书记曾强调：“煤炭将长期是我国主要能源，对煤炭的注意力不能分散”。李克强总理指出“煤炭清洁开发利用作为能源转型发展的立足点和首要任务”。煤炭产业“十三五”规划纲要明确提出“大力推进煤炭清洁高效利用，坚持绿色开发与清洁利用相结合，推动绿色发展，形成集约、安全、高效、绿色的现代煤炭工业体系”。煤炭地质单位围绕“美丽地球”建设的勘查工作将作为贯穿煤炭产业全过程的主要工作之一，为“绿水青山”建设发挥地质保障作用。

2.1 绿色勘查

绿色勘查是“美丽地球”建设中对勘查工作的基本要求，推动煤炭绿色勘查，综合考虑勘查区生态特征、环境承载力。充分考虑煤炭勘查对环境的影响，合理选择节约、成熟、高效的勘查技术，开展煤系多矿种协同勘查、评价，最大限度降低勘查工作对生态环境的扰动，最大限度的降低勘查工作成本投入及勘查人员劳动强度，以最少的成本取得预期的勘查目标与成果。加大区域成矿背景分析与研究，通过对地层、构造、沉积特征以及聚煤规律研究。勘查过程中环境扰动与环境修复同时推进，保障绿色勘查对环境近零污染与可控扰动，在技术经济合理的条件下最大限度修复环境。依据中国地质调查局历年地勘成果报告显示，自2006年以来，平均每年约20亿元的煤炭地质勘查投入，平均每年煤炭勘查钻探约100万m以上，峰值为2011年的987.76万m，后逐步下降至2017年的96万m。地质勘查过程中槽探、钻探、坑探等工程对环境产生不同程度破坏与扰动，并产生大量固、液废弃物。据初步测算，普通钻探工程每百米钻进约产生2.5t岩屑固废；施工中使用的泥浆、示踪剂、油料等化学物质以及人类活动垃圾对环境产生的污染成为约束煤炭绿色勘查的主要问题。在推动“美丽地球”建设过程中，煤炭地质“绿色勘查”亟待开展，绿色勘查标准体系亟待建立。

2.2 精准勘查

精准勘查在“美丽地球”建设中作用重要，通过精准勘查全面了解地质环境特征，最大限度减少对环境的扰动。近年来，中国煤炭地质总局为努力践行“美丽地球”建设，逐步形成了服务于煤矿开采“全生命周期”的煤矿区环境地质勘查与煤矿灾害防治技术，开展了许多矿山环境治理与勘查评价项目。如；地-井-巷联合精细探查技术广泛应用于小断层、多层含水层富水性的探查，在潞安集团司马矿导水断层精细探测工程中，探查出断距5m的伴生断层。老空区积水精细探测综合技术应用于山西大同塔山煤矿三盘区风井疏放侏罗系采空区积水钻探工程，圈出8301工作面异常区，查明老窑积水范围及积水量。倾斜多煤层水平开采综合勘探技术应用于黑龙江鹤岗矿区水文地质补充勘探工程，探测导水裂缝带高度与顶板突水危险性预测，还应用于山西潞安集团孟家窑煤层顶板危险性评价。瞬变电磁超前探测技术应用于内蒙古鄂尔多斯白云乌素煤矿，探明了1806工作面内顶底板的4个富水异常区域的水文地质情况。顶板松散层突水溃沙固沙预防技术应用于陕西石圪台煤矿22303工作面松散层注浆工程，对基岩厚度小于41.3m的富水区进行注浆加固，达到顶板加固、防止溃水溃沙的目的，保障了工作面的安全回采。

煤炭地质勘查、探测精度应有效支撑煤炭矿井“全生命周期”的开采安全，保障资源勘查精度满足矿井设计、建设、开采需求，使得地质条件精准评价、矿井灾害的精准预测，为“透明矿井”建设提供有效支撑。做到勘查工作精准决策、勘查技术精准选择、勘查工程的精准布置、勘查过程的精准控制、勘查条件的精准分析、勘查成果精准评价。

2.3 智慧勘查

智慧勘查是“美丽地球”建设的主要表现形式，“互联网+”背景下，煤炭地质勘查信息化工作方式、内容及性质发生根本性的变革。煤炭地质勘查成果由非结构化数据转变为可用二维表结构来逻辑表达的结构化数据，使得地勘成果数据量成几何基数增长[1]。利用结构化地勘成果数据进行深层次挖掘与集成，创造出新的地质勘查成果成为煤炭地质勘查信息化工作的重点。推动“美丽地球”建设，需本着绿色、集约的勘查理念，依托勘查成果共享、透明、数据化的支持，利用大数据、云计算等分析手段结合沉积学、矿床学等理论，将煤炭地质成果进行集成与创新，替代原始的实物工作量投入，实现“数据勘查”，传统的勘查手段仅作为对数据勘查成果的验证与补充通过数据勘查，实现资源共享，为智慧勘查奠定基础。

二十世纪八、九十年代开始出现煤炭资源勘查专家系统，近年来，人工智能的算法逐步成熟，人工智能技术被应用到各行各业中帮助人们解决实际问题。在大数据、云计算、三维地质建模、人工智能等新兴技术支持下，煤炭地质勘查工作效率获得极大提高，如：煤岩层对比、构造分析、沉积环境分析、开采条件评价、开采环境影响评价等自动化分析系统逐步显现出雏形。在大数据、云计算、人工智能的驱动与影响下，煤炭地质勘查行业蕴藏着巨大的创新空间和与创新需求。地勘数据共享需求与透明程度随着“互联网+”思维引入得到很大提升，“互联网+”服务平台(如：地质云)对地质勘查数据结构化深度加工、挖掘、融合，将简单、零散的地勘数据成果汇集成数据流、决策流，最终创造出新的、更大的地质成果。传统煤炭地质勘查针对地质信息的采集、汇总、解释、评价，将随着信息化提升变革为基于原始煤炭地质勘查数据的集成、挖掘、创新和验证的智慧勘探。大数据、人工智能、神经网络分析等技术借助互联网、云计算，将地球动力学系统、成矿系统、勘查系统和专家智能分析系统充分运用到地质勘查工作中，通过“互联网+地质”平台共享零散的煤炭地质勘查数据，并集成、融合形成新的地勘成果信息，引导煤炭地质勘查向着“智慧勘查”转变。

3 “美丽地球”建设中煤炭勘查的工作内容

我国煤炭资源勘查开发理论研究、煤炭资源开采技术领先于世界，但粗放型勘查开发利用付出的环境代价高，采中瓦斯、水、应力灾害防治支出高，采后采煤沉陷灾害治理、生态环境恢复成本高，以上现状无法契合“绿水青山”发展理念要求。将“绿色”的勘查理念与先进的勘查技术手段结合起来，统筹解决煤系、煤盆地内矿产协同的勘查与开发，及在煤矿区地质灾害防治、矿山环境恢复等问题，做到煤炭资源绿色勘查、绿色开发、绿色利用、恢复绿色[2]。

3.1 服务煤矿“全生命周期”

1978—2018年，全国煤炭年产量净增长4.8倍，煤矿数量由1998年的8万多处减至2018年的5 800处以下，煤矿事故死亡人数下降95%左右，重特大事故下降98%，百万吨死亡率由9.71降至0.093，下降99%。煤炭地质勘查工作为保障国家能源安全供应和国民经济健康，以及煤矿灾害防治做出了重要贡献。在“美丽地球”建设发展方向引导下，煤炭地质勘查思维方式从寻找煤炭资源向着勘查绿色资源、防治煤矿地质灾害、保障矿井安全的“全生命周期”服务转变[3]。将传统的以煤炭资源勘查为核心的“煤田地质勘探”发展为以煤为主，共伴生矿综合勘查、综合评价、综合开采。为服务绿色煤炭资源开发、绿色矿山建设和关闭矿山绿色恢复等提供技术保障。

3.2 保障环境“近零损害”

我国煤炭井工开采为主，且开采技术条件复杂，瓦斯、矿井水、采煤沉陷、煤矸石等灾害、环境问题凸出。推进煤炭资源勘查、开发对环境“近零损害”是解决煤炭产业环境约束的最终目标。“美丽地球”建设引领煤炭地质勘查工作方法由粗放型勘查施工向着“零扰动”“可恢复”的方向发展，改变传统煤炭地质勘查对地表生态、土地、水资源的扰动与破坏，保障煤炭资源高产、高效、绿色开采。通过勘查技术的革新推动煤炭地质勘查往绿色勘查转变，运用先进、成熟的、经济、合理的勘查技术，保证煤炭地质勘查工作对环境近零损坏，扰动可控。通过前期的精准勘查、数据勘查，预控煤矿开采的地质灾害的发生，从根本上解决煤矿开采对环境的影响。实现生态近零损害、污染物近零排放，有效减少碳排放，建成绿色、安全、高效的煤炭开发利用体系。

3.3 支撑建设“透明矿井”

我国煤炭安全开采瓦斯、顶板、水害等事故时有发生，2018年全国煤矿共发生事故224起、死亡333人，煤矿百万吨死亡率0.093，仍远高于美国等发达国家水平。新时代煤炭地质勘查应推动改善煤矿严峻的安全形势，建立安全高效的“透明矿井”，大幅降低煤矿安全生产事故。

以绿色勘查、精准勘查、数据勘查为支撑，推动煤炭矿井向着“智能化”“无人化”“透明化”开采转变[4,5]。综合利用遥感、钻探、测井、物探等勘查技术，并结合大数据、云计算、人工智能等先进技术手段，综合布置勘查工程，利用高精度三维动态地质模型构建“透明矿井”实现精准掌握煤层赋存条件，实现地质构造、陷落柱、瓦斯等致灾因素的高清透视；煤炭精准开采及灾害预警监测数据快速分析，建立煤矿灾害致灾机理及灾变理论模型，实现对煤矿灾害的自适应、超前、准确预警。

3.4 勘查评价“绿色煤炭”

我国煤炭资源总量丰富，绿色煤炭资源储量低、绿色资源总体勘查程度较低[6]，可供规划建设的基础储量不足，亟需提升经济可采绿色储量规模。我国绿色煤炭资源暂未有准确预测，部分学者初步预测绿色煤炭资源基础储量约为8 764亿t，经济可采的绿色储量更低仅为4 575亿t[7]。亟待提升绿色煤炭资源的勘查程度，尤其是绿色煤炭资源勘查与评价。

煤炭地质工作注重成本与效益，注重煤炭资源勘查开发与评价过程中包含资源勘查成本、开采成本、清洁利用成本、环境恢复成本等构成的“全成本”评价。其中，勘查成本包含“绿色勘查”投入成本，开采成本应为煤矿井“绿色、高产、高效”条件下的开采成本，清洁利用成本包括不同煤质、不同区域煤炭资源在转化、利用过程中清洁投入与节能减排成本。以煤炭资源条件、煤质等为基础，在当下开采技术与环境治理技术基础上，开展煤炭资源综合评价，依据“绿水青山”发展理念评价形成“绿色煤炭资源”，以便有计划开发煤炭资源，杜绝非经济的、高绿色恢复成本的非绿色煤炭资源开发。

3.5 综合勘查与评价“共伴生矿产”

我国含煤地层分布广、建造厚度大，成煤时代完整，煤田沉积、构造条件复杂多样，赋存丰富的煤炭资源。2014年，中国煤炭地质总局组织开展了全国“煤系矿产资源综合调查与评价”，得出我国煤系矿产资源包括了能源矿产、金属矿产、非金属矿产等，种类繁多，资源潜力巨大。

“绿水青山”发展理念下煤系共伴生矿产资源协同勘查是煤炭地质勘查的重要工作内容。通过协同使用各种勘查技术手段、方法，优化勘查管理实现勘查技术与方法优势互补，协调勘查工程实施过程的关系，保证煤系多矿种同步勘查与评价；协同不同矿种勘查的经济评价的理论与方法，周密的进行经济效益评价，选择出最佳勘查、开发方案。同沉积条件、同地层的多种矿产协同勘查，固、液、气矿产协同勘查、协同开发，最少的勘查投入获得最佳找矿效果。

4 结论

“美丽地球”建设是新时代煤炭地质工作的一项主要工作，本文提出煤炭地质勘查新的工作方向与工作内容，目的是在确保煤矿井安全生产的基础之上，最大限度减小(或消除)煤矿开采引发的环境负面效应，坚持“绿色勘查、精准勘查、智慧勘查”煤炭地质勘查工作方向，加大“绿色煤炭资源”勘查评价，以及“共伴生矿产”综合勘查开发，以精准的煤炭地质勘查成果服务煤矿井“全生命周期”，保障煤矿开发对环境的“近零损害”，支撑煤矿“透明矿井”建设，从而科学监测、防治煤炭开采中瓦斯、矿井水、采煤沉陷、矸石等问题。

我国煤炭地质勘查通过60多年的勘查实践，已建立了一整套针对不同地形、地物条件的地质填图、山地工程、遥感、物探、钻探、化验测试等勘查技术体系；具有科学布置各项勘探工程，综合分析研究各类地质信息，编制数字化煤炭地质勘查报告的先进的煤炭地质综合勘查技术体系；总结出了一整套针对与我国特殊煤炭地质条件的煤炭地质综合勘探理论和方法。并且建立了以《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T0215-2002)为核心，以地质填图、遥感、地震、电法、钻探、测井、水文地质、煤质评价等其它专业规范为补充的煤炭地质勘查标准化体系。涵盖了资源勘查、矿井建设、煤矿开采、采后治理等多个方面，为新时代中国煤炭地质勘查事业绿色、持续、高效发展奠定了基础。