对新时代中国煤炭资源勘查工作发展思路的探讨

2019-04-04侯慎健左明星马国东

西安科技大学学报 2019年2期

侯慎健，王佟，张博，左明星，江涛，马国东

（1.中国煤炭地质总局，北京100038；2.中国矿业大学（北京）管理学院，北京100083；3.中国煤炭地质总局第一勘探局，河北邯郸056004）

0 引言

中国能源结构总体为“富煤、贫油、少气”。能源资源禀赋和当前经济发展阶段，决定了未来相当长时期内煤炭仍将是中国的主体能源和重要工业原料［1-3］。虽然近几年煤炭在能源结构中的比例有所下降，但短期内煤炭消费总量仍将保持在60%以上。中国煤炭资源较为丰富，资源潜力巨大，同时，煤炭资源生产开发规模也位居世界第一。中国东部地区特别是太行山以东诸煤田，经过50多年的开发，浅部资源条件简单煤质优良的山西组煤炭资源，经多年高强度开发，资源也所剩无几［4］，逐步转为开发深部条件复杂的资源，面临危机矿山局面，即便是西部的晋陕蒙宁甘和新疆北疆地区地质构造简单、煤层厚、埋深浅，但区域内水资源极度短缺，生态环境脆弱，煤炭资源勘查开发程度较低［5］。2015年，全国煤炭产量完成37.5亿 t，2016年为 33.6亿 t，2017年为 34.5亿t，预计2020～2030年间中国煤炭需求将可能达到峰值，保持在45亿t左右。目前中国可采煤炭资源储量约1 500亿t左右，按照年35亿t的产能估算，已有储量仅供开采40 a左右。如果考虑中国回采率的实际情况，绿色开发对开采条件、生态环境条件、水资源条件、安全和技术条件、区域社会经济条件等要求更高［6］，可采年限可能更低。基于中国煤炭资源赋存特征以及探明资源的构成，分析了煤炭资源接续潜力和保障能力，认为中国煤炭资源勘探程度较低，优质绿色煤炭资源分布范围和储量小，据此对今后中国煤炭资源勘查工作的布局与任务进行讨论。

1 煤炭资源特点与资源保障能力分析

1. 1 煤炭资源分布特征概述

中国煤炭资源分布极不均衡。从地理分布来看，中国含煤盆地和煤炭资源受“两横”“两纵”呈“井”字形展布的构造带，即东西向展布的天山-阴山构造带、昆仑-秦岭-大别山构造带和南北向展布的大兴安岭-太行山-雪峰山构造带、贺兰山-六盘山-龙门山构造带控制。“井”字形［7-10］的区划格局将全国划分为三大地带（东中西）和9大区，煤炭资源呈“九宫”分布［11-12］（图1）。全国探获煤炭资源总量约5.82万亿t，保有资源量9 455.89亿t.按照“九宫”分布格局，东北区保有资源总量为325.08亿 t，预测资源量为324.53亿t；黄淮海区保有资源总量为1 604.76亿t，预测资源量为2 045.52亿t；东南区保有资源总量为103.29亿t，预测资源量为214.77亿t；蒙东区保有资源总量为3 146.47亿t，预测资源量为1272.11亿 t；晋陕蒙宁区保有资源总量为10 620.24亿t，预测资源量为135 248.15亿t；西南区保有资源总量为1 116 074亿t，预测资源量为2 697.32亿t；北疆区保有资源总量为2 097.85亿t，预测资源量为15 857.84亿t；南疆-甘青区保有资源总量为419.53亿t，预测资源量为2 825.28亿t；西藏保有资源总量为21.94亿t，预测资源量为39.34亿t.晋陕蒙宁区和新疆的北疆区是中国煤炭资源主要分布区。

1. 2 煤炭资源勘查情况

从资源勘查程度的地区分布来看，中国浅部煤炭资源勘查程度总体表现为东高西低、北高南低的特征，东部以东北和黄淮海2个分区的勘查程度较高，中部以蒙东和晋陕蒙（西）宁2个分区的勘查程度较高，西部以甘肃、南疆和川西地区的勘查程度较高。按照“九宫”分布格局，东北区资源探明程度为57%；黄淮海区资源探明程度为50%；东南区资源探明程度为42%；蒙东区资源探明程度为72%；晋陕蒙宁区资源探明程度为45%；西南区资源探明程度为31%；北疆区资源探明程度为12%；南疆—甘青区资源探明程度为14%；西藏资源探明程度为43%.

图1 中国煤炭地质“井”字型分区示意Fig.1 Schematic diagram of China’s coal resources octothorpe-shaped distribution characteristics

中部保有资源量主要分布在晋陕蒙（西）宁区，开发条件较好，后备资源比较充足。西南区煤炭资源也比较丰富，大部分分布在贵州省，其次为云南省，尚未利用资源储量勘探程度适中。西部煤炭资源分布集中，蕴藏资源量巨大，绝大部分分布于新疆，但勘查程度普遍偏低，新疆北疆地区目前探明率仅12%，尚有近1.6亿t资源未勘探。结合各省剩余煤炭资源量分布情况，可以得出如下结论：山西、陕西、内蒙古、新疆4省区因煤炭资源高度集中，且剩余资源量占绝对优势，是未来煤炭资源勘探开发主力区域。大兴安岭-太行-雪峰山以东，即处于东北区、黄淮海区、东南区的相关省份，除河南、河北、山东、安徽4省区还有少量资源分布外，其他省份煤炭资源面临枯竭。

1. 3 煤炭资源／储量分布情况

按照勘查程度差异，煤炭资源状况可以进一步划分为储量和基础储量进行分析，中国煤炭资源的基础储量约为2 731.92亿 t，其中储量为1 487.97亿 t，约占全国保有煤炭资源总量的7.6%.按照“九宫”分布格局，中部地区的资源/储量相对高，分别贡献全国资源储量和基础储量的78.2%和73.5%.东部地区资源储量为230.05亿t，占全国资源储量的15.5%，基础储量为502.67亿t，占全国资源基础储量的18.4%.晋陕蒙（西）宁区的资源储量和基础储量最多，分别高达829.91亿t和1 469.00亿t，其次为西南区、黄淮海区和蒙东区，而东北区和东南区的储量仅为29.43亿t和27.19亿t.从资源储量构成来看，晋陕蒙（西）宁区占全国的56.0%，其次为西南区，占全国的15.0%，黄淮海区占12.0%，蒙东区占8.0%左右，南疆、甘青区占3.0%以及北疆区占2.0%左右。山西省的煤炭资源探明率高，储量位居全国第一，占全国总量的38.0%，其次为内蒙古占全国总量的15.0%，贵州省占全国总量的8.5%，陕西省占全国总量的8.5%.东部地区河南、安徽、山东均不超过百亿t的资源储量，其余省份的资源储量更低。东南省份资源储量甚至普遍不足5亿t，能够经济可采的煤炭资源几乎殆尽。

1. 4 煤炭资源接续潜力与资源保障能力分析

中国煤炭资源的开发前景，主要取决于构造对煤炭资源赋存条件的控制［13］，中国煤炭资源开采条件北方基本中等而南方复杂［14］。因此，不但现在即便是将来中国煤炭开发的重心仍然在北方。从预测资源来看，中国2 000 m以浅的预测资源量为38 800亿t，其中1 000 m以浅预测资源量为14 380亿 t，1 000～2 000 m预测资源量为24 424亿t.按照“九宫”分布格局，1 000 m以浅的预测资源主要分布在北疆区以及晋陕蒙（西）宁区，其中北疆区占1 000 m以浅的预测资源总量的60.3%，晋陕蒙（西）宁区占1 000 m以浅预测资源总量的14.9%，其次为西南区和蒙东区。新疆地区1 000 m以浅的预测资源将是未来勘查的重点方向，与之相比的是，东部地区预测资源量占全国的比重非常有限，且主要赋存于1 000 m以深。东北各省、安徽、河北和河南等省预测资源一般埋藏较深，分布零星，构造复杂，资源条件较好的区块很少，找煤前景不乐观，深部找煤将是重点。

中国较多地区的煤矿开采受到了生态环境和开采条件等因素的制约。晋陕蒙（西）宁区和蒙东区煤炭开发受水资源及生态环境承载能力的约束问题已经显现；山西的生态环境制约已经很突出，地表塌陷，水资源流失等灾害严重；蒙东地区煤炭资源埋藏浅，多为巨厚的褐煤，露天开发对草原生态环境破坏严重；西南区资源潜力较大，但区域开发条件较差，如矿区瓦斯含量高，安全和技术条件约束突出；北疆煤炭资源丰富，开发条件优越，目前主要受新疆能源输送通道制约；青海的高原生态脆弱，不宜扩大开发规模；东北区和东南区资源接续乏力，将陆续退出煤炭生产领域；黄淮海区可供新井建设资源有限，且部分矿区已经开采深部资源，煤炭生产规模也将大幅度衰减。

综上所述，预计在几年后，中国除中部晋陕蒙宁地区外，新疆北疆地区将是中国煤炭开采又一个特大型生产基地。

2 今后需要重点统筹的问题

2.1 绿色煤炭资源评价和深部煤炭资源勘查

此前的煤炭地质勘查工作主要是对资源赋存地质条件和资源量为主的勘查与评价工作，而对煤炭开发与能否安全高效开采、生态环境友好，清洁高效利用以及经济竞争力等方面问题的研究较少。今后，煤炭资源勘查既要研究资源本身的质量等地质条件，更要研究煤炭开发对生态环境的影响与扰动、水资源保护和有效利用、生态环境修复以及煤中有害元素与环境的关系等。也就是勘查绿色煤炭资源并评价资源量，提出适宜当前技术条件下能够绿色开发的资源。开发绿色煤炭资源也是减少目前煤炭开发应用中许多负面影响的主要路径，据王佟等（2017）初步评价中国的绿色煤炭资源为9 733.65亿t.绿色煤炭资源勘查与评价是今后煤炭地质勘查的主要研究方向，包括煤田构造样式［15-16］识别、绿色煤炭资源评价、开发方式与环境保护、煤炭资源与水资源的配置及结合不同的煤种煤质特点和适用性，精准分级分质利用以及开发利用模式等方面。煤炭资源勘查工作的研究重点也应着力加强对制约煤炭资源科学利用与环境约束因素的研究，加大煤炭资源绿色开发地质条件与绿色煤炭资源勘查工作。

近些年中国对煤炭地质勘查的投入不足，国家应该从能源战略高度审视煤炭资源勘查工作。建议今后首先是加强对中西部地区资源地质条件的精细勘查，特别是绿色资源勘查评价，部署专项支持提高西部地区煤炭资源精查、详查比例，支持研究西部水资源及生态环境的保护技术研究，真正形成中国煤炭资源接替梯形结构。

另外，深部煤炭资源的勘查也是未来中国煤炭资源接续利用的又一主要目标，要纳入国家深地研究工作中统筹部署，不仅要研究1 000～2 000 m间的煤炭资源地质条件，还要研究2 000 m以下的煤炭资源地质条件。目前，即便是东部地区深部资源赋存条件的研究程度仍然低，探明可采储量更低，今后一段时期内，东部地区要重点研究复杂地质条件下，巨厚新生界覆盖的深部煤炭地质条件相较浅部变化情况，找出规律性，特别是要注重深部瓦斯与地下水叠加地质条件下的资源评价。其它地区对1 000 m以下的煤炭资源赋存地质条件的研究更低，中国1 000 m以下资源各区分布情况不同，晋陕蒙（西）宁区预测资源量大，占中国的46.6%，北疆区总量占29.4%，北疆区以及晋陕蒙（西）宁区2 000 m以浅预测资源总量约战全国的75.7%，其次为黄淮海区和西南区。这些地区是今后深部煤炭地质勘查的重点区域。

2. 2 矿井隐蔽地质灾害探测技术

煤矿隐蔽致灾因素很多，但主要是小构造以及裂隙带对煤层连续性的破坏、顶板冒落等工程地质灾害；煤矿水害、瓦斯突出等。隐蔽致灾因素的精细探测对提高煤矿科学产能，实现煤矿高产高效和安全开采意义重大。三维地震勘探主要用于小构造探测，提高了煤矿采区的勘探精度，极大地提高了煤矿瓦斯、水害和小构造等隐蔽地质致灾因素综合探测的效率和精度。煤矿三维地震勘探数据通过数据可视化解释和反演技术，提高了地震技术解决小构造的能力，在中国东部条件好的地区达到查明断距≥3 m断层的勘探精度，在条件较差的矿区达到查明断距≥5 m断层的勘探精度。复杂地区三维地震地质成果准确率由原来的30%～50%提高到80%以上，可以查明落差大于5 m的断层和直径大于20 m的陷落柱，定量解释厚度0.5 m以上煤层，较准确地圈定采空区、岩浆岩侵入体和煤层冲刷带分布范围。

在煤矿地下水害防治与水资源保护利用方面要研究限厚开采或充填开采控制导裂带发育高度的“保水采煤”技术、煤炭高效开采在上覆岩层中产生的导水裂隙带的发育规律、裂隙带对含（隔）水层稳定性的影响、以及隔水层破坏而引起的生态潜水流场径流方向及水位的改变，从而科学地揭示煤炭高效开采对生态潜水流场的扰动规律。在充分认识地下水地质条件的基础上，采用瞬变电磁等勘探技术对预测的富水带实现超前探测，结合井下钻探验证和输干排放能够有效防治煤矿突水，并实现地下水资源化利用。

2. 3 煤炭与煤系共伴生矿产资源协同勘查与开发地质技术

煤炭资源勘查阶段在查明煤炭资源赋存特征等地质条件的同时，兼顾与煤炭资源有紧密联系的煤系其它能源矿产包括煤层气、致密砂岩气等非常规天然气［17］，以及高岭土、铝土矿、“三稀”矿产等其他固体矿产的勘查与评价。中国煤田中已发现多处超大型伴生锂矿［18］，其成因对研究聚煤古地理环境特别是煤的综合利用很有意义。

研究煤炭的洁净利用技术，建立煤炭资源洁净潜力评价体系。一方面加强研究煤炭与煤系其他资源分布特征、煤质煤类特征、煤系共伴生矿产赋存特征和资源潜力等研究工作，分析煤中稀土元素的分布赋存特征，以期为实现煤系多矿产的综合评价、协同勘查开发提供支撑。

另一方面，煤层气（瓦斯）在煤矿开发阶段如果不能提前抽采或抽放，在煤矿开发阶段可能局部富集，形成煤矿瓦斯突出等灾害。对煤层气等煤系气资源重点是研究与煤炭资源的协同勘查与煤与煤层气（瓦斯）共采技术，使煤与煤系气资源协同勘查与开发具有现实可行性。既能有效减少了资源浪费，又能变煤矿开发致灾因素为资源优势，将极大的推进煤系多能源矿产安全绿色高效开发，改善中国的能源生产结构。

2. 4 地质环境承载能力与环境治理及生态修复技术

煤矿开发对地质环境产生的扰动强度和环境效应是不同的，地面沉降、水位下降等环境扰动对人居环境、生态环境及矿区可持续发展产生严重甚至灾难性后果。环境地质研究与环境治理已越来越引起人们的重视，煤矿区环境与生态地质工作成为煤炭地质勘查工作的一个主要阶段，因此，加强环境与生态地质技术研究，并紧密服务于工程治理，需要着力开展以下几个方面的工作

1）环境承载力研究。由于煤矿区构造环境的差异，将地下开采强度控制在该煤矿区地质环境可承受的范围内，才能变“损害后治理”为“损害前防范”；

2）研究含水层与隔水层的特性、不同含水层的水力联系、煤水关系，评价水资源。从煤田特殊的煤层-地下水空间组合关系出发，深入研究煤炭高效开采在上覆岩层中产生的导水裂隙带的发育规律、裂隙带对含（隔）水层稳定性的影响、隔水层破坏而引起的生态潜水流场径流方向及水位的改变，揭示煤炭开采对生态潜水流场的扰动规律，为合理制定环境修复与工程治理提供支撑；

3）煤矿开发过程中生态环境监测与工程治理技术，生态环境监测包括矿山开发占用土地、生态景观破坏、土壤侵蚀、地表水污染、诱发崩塌、地面塌陷等。环境治理技术包括已有沉降与塌陷区修复治理与景观再造、采矿过程关键层注浆加固、井下充填等技术。