煤炭生态地质勘查基本构架与科学问题

孙富海

（湖北煤炭地质物探测量队,湖北武汉430200）

受到经济全球化的影响，近年来煤炭产业环境发生了多样性变化，煤炭产业作为我国重要的产业构成，具有宽广发展空间，而煤炭生态地质勘察将以生态保护优先为核心理念，成为今后我国煤炭地质勘查工作的重要发展方向。充分完善煤炭生态地质勘察的基本架构可进一步支持相关科研人员和工作人员形成生态环境保护意识，并从煤炭产业与生态环境改善的关键要素入手，实现煤炭开采流程的更新，有效降低生态环境破坏风险。

1 我国煤炭资源基本情况

公开资料显示，2010～2018 年，我国煤炭行业利润总额分别为 2930.0 亿元、4342.0 亿元、3555.0 亿元、2370.0 亿元、1268.0 亿元、441.0 亿元、1091.0 亿元、2959.0 亿元和2888.0 亿元，通过开展时间序列平稳性检验，发现国民生产总值的增长可有效促进煤炭价格的增长，进一步带动煤炭行业发展步伐，这意味着在未来一段时间内，我国仍旧具有较大的煤炭资源开采需求。国家统计局资料显示，2016～2019 年，我国煤炭消费量分别为 37.59×108t、38.60×108t、38.99×108t、39.44×108t，供需缺口为-1.01×108t、-0.77×108t、0.57×108t、0.82×108t，基于生态环境保护与煤炭资源开采存在的矛盾冲突，煤炭生态地质勘察工作将以煤炭地质技术理论和生态学理论为指导从生态保护角度完成资源整合。目前，我国煤系矿产资源可分为煤系非常规天然气和煤系共伴生非金属矿产，其中煤系非常规天然气主要包括煤层气、岩页气和致密气，其在我国的资源占有量分别为2000m 以浅的煤层气资源量30.05×1012m3、3000m以浅页岩气资源量约为32×1012m3和30.95×1012m3，页岩气约占我国页岩气地质资源量的20%以上，致密气占我国天然气资源总量的60%左右；而煤系共伴生非金属矿产则主要包括高岭土、耐火粘土、膨润土、硅藻土、石墨等，我国的资源占有量分别为16.7×108t、29.2×108t、8.88×108t、1.9×108t和0.60×108t，煤系共伴生非金属矿产中的高岭土约占我国高岭土储量的50%以上，硅藻土可占我国总探明储量的71%。从这一角度出发，积极开展生态地质勘查研究，有助于充分整合煤炭地质勘察发展脉络（如图1所示），有效掌握生态环境地质特征，在实现生态环境和谐发展的同时满足资源勘查开发需要。

2 煤炭生态地质勘察的基本架构

公开资料显示，我国华北地区、西北地区、东北地区、华东地区、中南地区、西南地区的煤炭资源总储量占比分别为39.9%、45.9%、1.34%、4.44%、2.61%和5.8%，资源保有量分别为48.95%、29.98%、3.30%、5.90%、3.2%和8.61%，基于当前我国的煤炭需求，可知未来一段时间内煤炭产业具有较大发展空间。煤炭生态地质勘察工作的合理开展，能够引导相关人员全面认识到煤炭资源开发利用对环境的负面影响，并针对性开展绿色煤炭资源勘查与评价。

图1 煤炭地质勘察发展脉络

煤炭生态地质勘察的基本架构主要是以我国主要煤系矿产资源量以及我国绿色煤炭资源的主要分布情况为基础实现的，充分整合了我国在煤炭地质勘查中的发展经验，使得煤炭地质勘查工作逐渐由找煤勘察、综合勘察、协同勘察发展到生态地质勘查，进一步优化了煤炭资源开发利用基础。以煤炭地质学和生态地质学为理论基础，煤炭生态地质勘察框架可覆盖煤层发育及主要关键层分析、构造特征及复杂程度分析、煤质特征及煤类分析、煤层结构及稳定性分析、水文及工程地质特征分析、地貌地理特征分析、气候与生物特征分析、水系发育特征分析以及经济与社会发展分析，可有效契合我国东北地区、黄淮海地区、东南地区，蒙东地区、晋陕蒙宁地区、西南地区、北疆地区、甘青南疆地区和西藏地区的地域环境，对煤炭勘查地区、煤炭开采地区以及废气和关闭的矿山地区信息进行充分整合，并在勘查信息的支持下，有序开展煤与煤系矿产协同勘察工作以及煤矿区生态环境勘查工作。其中煤与煤系矿产协同勘察工作可覆盖煤炭勘察、煤系共伴生固体矿产勘察、煤系金属元素矿产勘察、水资源勘察和重要关键层勘察，而煤矿区生态环境工作可覆盖生态环境保护、生态资源分析以及生态环境监测和修复。在完善的煤炭生态地质勘查基本框架的支持下，我国将进一步协调煤炭资源开采利用与生态环境保护之间的关系，充分利用已知区、相邻区勘察成果资料完成地质背景、矿产资源类型、资源丰度、分布特征以及资源量的预测分析，全面降低煤炭资源开采利用风险以及生态环境破坏风险。

目前，美国、俄罗斯、澳大利亚、中国和其他国家的煤炭储量分布比例分别为24%、15%、14%、13%和34%，2013～2018 年，全球煤炭消费量分别为3867.0 百万吨油当量、3864.2 百万吨油当量、3769.0 百万吨油当量、3710.0 百万吨油当量、3718.4 百万吨油当量、3772.1 百万吨油当量，面对日益紧张的能源环境，煤炭产业具有较大发展压力，以煤炭生态地质勘查基本框架为基础的勘察工作能够有效协调生态环境保护和资源开采利用之间的关系。

3 煤炭生态地质勘察内容

以恢复生态学理论、生态经济学理论、可持续发展理论和生态重建理论为基础，可知煤炭开采对土地的破坏和压占以及对水资源的占用和污染、采煤诱发的地质灾害是其对生态环境的主要负面影响。煤炭生态地质勘查工作的有效开展，能够基于矿区的地理位置和区域范围、地质与地貌、气候水文条件、生物状况和土壤类型，实现资源保障和生态环境关系的统筹协调。目前，煤炭生态地质勘查的内容主要包括生态地质勘查规划和煤系矿产资源协同勘察。就生态地质勘察规划而言，主要是通过深入贯彻落实“生态优先，绿色勘查”的核心理念，确定生态地质勘察的目标和任务，并结合前期资料以及矿区的主要环境信息，制定勘查工作总体规划。煤系矿产资源协同勘察主要包括煤与煤系矿产协同勘察、煤与共伴生固体矿产的协同勘察、煤与金属元素矿产资源的协同勘察以及煤与水资源的协同勘察与利用。目前我国的绿色煤炭资源主要分布如表1所示。

4 煤炭生态地质勘查的相关科学问题

4.1 生态地质环境类型区分

近年来，在习近平总书记“绿水青山就是金山银山”生态理念的支持下，我国生态环境保护工作取得了实质性推进成效，可持续发展理念得以被深度贯彻和落实。基于煤炭与我国社会生产、人民生活和生态环境保护的多重联系，有效发展煤炭生态地质勘查工作至关重要。在煤炭生态地质勘查工作中需精细化开展生态地质环境类型区分：在勘察工作开展前，相关人员应精细化掌握矿区的基本情况以及地质条件和水文条件，在此基础上，可将生态地质环境类型划分为地表径流黄土沟壑型、地表水沟谷河流绿洲型、浅水沙漠滩地绿洲型。就地表径流黄土沟壑型生态地质环境而言，该类地形地表植被发育虽较为茂盛，植被覆盖度较高，但植被多样性低，雨季地表水系的径流量远大于枯水期，地下水资源主要是风化基岩含水层中富余的水资源，但水量有限，在这类生态地质环境中，地下煤炭资源的开采将面临更大的地表开裂风险和地形破碎风险，同时，由于雨季中降水量较多，容易造成严重的水土流失情况或导致滑坡、泥石流等地质灾害；就地表水沟谷河流绿洲型生态地质环境而言，地下水的组成较为复杂，水资源丰富，植被环境较好，但在资源开采中，容易造成植被生态退化，在一定程度上增加了生态治理难度；就浅水沙漠滩地绿洲型生态地质环境而言，其具有丰富的水资源，但植被覆盖度相对较低，在资源开采中应对开采强度进行合理控制，避免对原有水文地质条件造成大范围破坏，避免加剧沙漠化进程[1]。

表1 绿色煤炭资源主要分布

4.2 煤炭开采对矿区环境影响分析

以可持续发展理论、生态文明理论、多中心治理理论为基础，可知煤炭生态地质勘查工作有助于我国构建完善的矿区生态治理体系，进一步完善矿区生态环境治理的法律法规，提高治理水平。在煤炭生态地质勘查中，需精细化完成煤炭开采对矿区环境的影响分析，以下对其进行介绍：

相关人员应在煤炭生态地质勘查工作开展过程中，全面掌握矿区的地理位置和交通状况以及自然地理概况，包括气象与水文、地形地貌、植被特征、土壤类型、地层岩性、地质构造与地震活动、水文地质条件以及煤炭资源开发利用现状和人类工程活动等，继而通过整合已有数据信息，充分明确采煤引起的地质环境效应，包括地质灾害效应、水资源及水环境效应、土地资源及植被效应。就地质灾害效应分析而言，应根据矿区基本情况导出煤矿地质灾害特征表，内容应包括相关重点位置的坐标、矿区规模主要特征、威胁对象、稳定性、危害程度、危险性和影响程度等，并判断，地质灾害效应是否会导致地面塌陷和滑坡。就煤炭资源开采对矿区水资源及水环境的影响效应而言，应判断地下水位下降情况、水质污染情况以及河川基流量减少情况，在地下水位下降情况分析中应完成垮落带高度预测、导水裂陷带高度预测、保护层和防水煤岩柱高度预测；在水质污染情况分析中应对地表水情况、地下水水质情况进行科学探究[2]。

4.3 科技支撑

近年来，我国科学技术水平不断提高，考虑到煤炭生态地质勘察工作具有较高的系统性和较大的覆盖面，应积极整合相关先进技术，提高勘查水平和勘察效率。目前，煤炭生态地质勘查工作可覆盖煤与煤系，矿产协同勘察和煤矿区生态环境勘察，在煤与煤系矿产协同勘察中，为进一步提高煤炭煤系共伴生固体矿产、煤系金属元素、矿产水资源和重要关键层勘察结果的精准性,可以引进并应用高分辨率、高光谱遥感技术、高精度地球物理勘探技术、快速精准钻探技术、地质大数据分析技术和多维化信息展示技术[3]。其中高分辨率、高光谱遥感技术可通过空间传感器接受地面目标反射的外来电磁波或目标自身发射的电磁波而获得目标物理参数，完成矿产资源扫面勘查与靶区优选、矿山环境勘查与生态环境动态监测。而地质大数据分析技术和多维化信息展示技术可充分发挥可视化优势，支持相关人员有效掌握生态地质信息，合理制定煤炭资源开采规划。在煤矿区生态环境分析工作中可采用工程治理技术、生态修复技术和生物修复技术提高生态环境保护、生态资源分析和生态环境监测与修复的有效性和实效性，充分发挥煤炭生态地质勘查工作的作用优势，深度贯彻落实“生态优先，绿色勘察”的核心理念[4]。

4.4 勘查结果整合

在煤炭生态地质勘查工作的开展过程中，相关人员将会利用不同技术搜集相关生态地质环境信息，如高分辨率、高光谱遥感技术、高精度地球物理勘探技术、地质大数据分析技术等，在后续的煤炭资源开采工作中，需要对前期的勘察结果进行精细化整合，以明确资源开采需求和资源开采风险，继而针对性优化资源开采方案，提高资源利用率。近年来，我国科学技术环境大大改善，在相关先进信息技术的支持下，数据的传输效率明显提高，大数据对社会生产和人民生活的影响日益增强。在这种情况下，可利用数据挖掘技术和数据分析技术对勘察结果进行充分整合。例如，数据挖掘技术可对不同生态地质环境中的植被分布数据进行整合，必须对植被指数的遥感数据进行初步整理，继而利用数据分析技术完成植被发育空间分布特征的分析和植被发育变化趋势的分析，充分体现相关先进技术在煤矿资源开采勘察中的生态意义。另外，数据挖掘技术和数据分析技术还可在勘察结果整合中导出矿区地下水埋深变化及分布特征、EVI 与地下水埋深的相互关系、分析矿区地下水埋深影响植被生长发育的机理、分析煤炭开采对顶板覆岩结构的影响，分析地下水变化、动态监测采动引起的地下水埋深变化、数值模拟地表生态地质环境对煤炭开采的响应[5]。

4.5 生态环境保护与修复

目前，煤炭资源开采可能导致矿区地表被破坏，植物资源减少甚至消失，同时还可能会对矿区附近的水环境造成污染，导致动物源减少，生态环境和自然景观遭到严重破坏。在这种情况下，科学开展煤炭生态地质勘查工作有助于协调资源开采利用和生态环境保护的关系，不断创新和探索矿区开发方式，完成生态地质环境恢复与治理，推动土地资源的二次开发利用和地方企业协调发展。在生态环境保护与恢复过程中，应利用煤炭生态地质勘查工作中收集的相关数据和信息，明确采矿前后矿区地标景观和植被的变化、土地资源的变化、周边大气、水、土壤的的变化以及地质的变化。并以此为基础，结合矿山的地理位置、矿山的开采历史及现状以及矿山的地形地貌、气象水文、地质岩性、地质构造、周边人类工程活动，包括放牧和工程建设等，从长期发展出发，有效解决土地占压和破坏冻土层、破坏水体污染、土壤污染、植被破坏、矿渣堆积等相关生态问题，形成全新的修复模式，完成废石堆放地的生态修复、废弃煤矿井口区的生态修复、采煤塌陷地的生态恢复以及采矿区的生态修复。

5 结论

总而言之，在习近平总书记绿水青山就是金山银山生态理念的支持下，我国对生态环境保护工作的重视程度不断提升，基于煤炭产业与我国社会生产、人民生活以及生态效应的密切联系，应基于煤炭生态地质勘察的基本架构，进一步细化煤炭生态地质勘察内容，并有效解决生态地质环境类型区分、煤炭开采对矿区环境影分析、科技支撑、勘察结果整合以及生态环境保护与修复等相关科学问题。