论煤炭绿色开采的地质保障

王双明1,2,3,孙 强1,2,3,乔军伟1,2,3,王生全1,2,3

(1.西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院,陕西 西安 710054; 2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室,陕西 西安 710054; 3.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054)

摘 要:受“缺油、少气、相对富煤”能源资源禀赋特点制约,煤炭一直是我国能源安全的基础保障。煤炭资源是地球演化过程形成的层状沉积矿产,是近地表地壳的组成部分,煤炭开采会对地质条件和生态环境造成损害。煤炭绿色开采地质保障从煤炭资源赋存地质条件出发,为实现煤炭资源安全高效开采、减缓和减小采掘工程对地质条件和生态环境损害,提供地质理论和技术支撑。从绿色开采地质保障的内涵、科学问题、技术问题、研究思路4个方面系统阐释了煤炭绿色开采地质保障理论与技术。煤炭绿色开采地质保障突出深部煤炭资源开采扰动下的地质条件变化,强调煤炭开采活动与地质结构和地表生态环境变化的整体研究,关注地下采掘工程引起时空效应范畴的地质条件变化和生态环境演化之间的耦合机制。总体研究思路是开采前精细勘查、开采过程有效减损、开采后恢复利用。采前实施空天地一体化精细勘查,查明煤系矿产资源空间赋存特征及维系地表生态系统的主要地质因素,构建涵盖煤系资源、地质条件、生态环境等要素的高精度三维模型,评价煤炭资源最佳利用方向和区域环境承载能力;采中进行地质条件损害探测、监测,揭示应力场、形变场、渗流场变化规律,研究煤系气、地下水运移和涌出特点,分析导致围岩动力灾害发生的地质因素,提出煤与瓦斯突出、水害、冲击地压等灾害超前预警理论及防控措施;采后进行采空区水体、有害气体、遗留资源的探测,巷道围岩、煤柱变形特征监测,研究煤-岩-水相互作用及采空区稳定性变化,开展地质条件及地表生态恢复演化过程研究,提出地下空间及遗留资源的综合利用理论与技术。煤炭绿色开采地质保障涵盖找煤、勘探、开采及采空区利用全过程,追求煤系矿产资源和生态环境保护协调发展。

关键词:煤炭;绿色开采;地质保障;精细勘查;有效减损;恢复利用

我国能源资源“缺油、少气、相对富煤”的禀赋特征,决定了煤炭是我国的基础能源,是我国能源安全的战略保障。中国能源中长期(2030,2050)发展战略研究[1]指出,受中国能源资源禀赋制约,煤炭的主体能源地位短期内难以发生改变,到2020年煤炭消费占比将维持在60%左右,2050年在40%左右。据前瞻产业研究院研究成果[2],今后一段时期我国煤炭年需求总量最低将保持在2%以上的增速。由于东部煤炭资源趋于枯竭,西部地区是今后中国煤炭工业生产的重点区域,但脆弱的生态环境严重制约着煤炭工业的可持续发展。贯彻绿色发展理念、推动煤炭绿色开采已成为新时代煤炭工业高质量发展的重大需求[3-8]

煤系及煤系矿产资源是近地表地质体的重要组成部分,在地质结构上承受着上覆岩体自重应力,维系着近地表地质体的稳定。煤系资源开采形成地下空间,导致开采区地质结构和应力场发生变化,对人类的生产、生活和生态环境造成了重大影响。在保障国家煤炭基础能源安全供应的前提下,最大限度地降低煤系资源开发活动对自然环境造成的影响,预防和减小煤炭开采对地质条件与生态环境损害,是今后煤炭资源开发面临的重大科学和技术难题[9-13]

前人在绿色煤炭、绿色勘查、绿色开采、绿色矿山等方面已开展了卓有成效的讨论和研究[14-18],内容集中在煤炭资源评价、高效开发、绿色矿山建设、矿山环境恢复治理等方面。笔者围绕煤炭资源勘查和开采全过程,以煤炭绿色开采为核心内容,以实现煤炭资源开采和生态环境保护协调发展为目标,提出煤炭绿色开采地质保障理论,构建绿色开采地质保障技术,服务于煤炭资源开采前、开采过程中、开采后(下文分别简称采前、采中、采后)全过程,为破解国家能源需求与环境保护之间矛盾提供战略思考。

1 煤炭绿色开采地质保障的内涵

1.1 煤炭绿色开采

针对煤炭开采带来的生态和地质环境问题,钱鸣高等[19]率先提出了煤炭资源绿色开采的理念、基础理论和技术框架。煤炭绿色开采是指根据矿产资源开采对环境的负外部性[20-21],从广义资源的角度认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各种资源,实现对煤层及共伴生资源的共采或保护;从开采源头减轻采煤对环境的影响或进行环境修复,防止和尽可能减轻采煤对地质环境和其他生态的不良影响,在人类经济活动和自然之间建立起复合的生态平衡机制(图1)[19-24]

图1 绿色开采的主要内容(据文献[19]修改)
Fig.1 Main contents of green mining(modified from Reference[19])

1.2 煤炭绿色开采的地质保障

煤炭开采与地质条件之间存在着显著的相互制约(图2)。一方面,煤炭开采造成近地表地质体形成大范围的地下空间,打破了地应力场的平衡,引起了地质结构和地质条件的变化,导致地面下沉、地表开裂、边坡失稳、水土流失、土地荒漠化等一系列地质环境问题。另一方面,地质条件也严重制约着煤炭的高效安全生产,如煤矿突水、煤层围岩变形、煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害的发生均与地质结构有着密切关系。

图2 煤田地质条件及开采响应
Fig.2 Geological conditions and mining effects

以往服务于煤炭开采规划与工程建设的地质工作称为煤田地质;服务于开采过程的地质工作称为矿井地质。前者主要为矿区规划和矿井建设提供地质依据,后者主要研究采集煤炭开采工程揭露的地质现象,分析总结煤层分布范围、厚度、产状、连续性等变化特点和规律,支撑煤矿正常生产。随着我国煤矿综合机械化开采技术的成熟和推广,大型机械化矿井生产成为煤炭生产的主流,矿井生产规模越来越大,大规模机械化开采对矿井规划、建设、生产过程的地质工作提出了新要求。最突出的特点是必须将煤炭采前、采中、采后地质工作作为系统工程进行研究,为开拓部署、开采技术选择、设备选型、采空区治理和利用提供全生命周期的地质技术服务。

受中国煤炭资源“东少西多”禀赋特点的制约,开发西部煤炭资源已成为保障国家能源安全的重大需求。但西部地区水资源匮乏、生态环境脆弱,如何按照生态文明建设的总体要求,实现西部煤炭资源开采和生态保护协调发展,已经成为新时代西部煤炭工业高质量发展必须破解的技术难题。煤炭绿色开采地质保障是在煤炭绿色开采理念和开采地质保障技术基础上提出的[14],是在实现煤炭资源高效安全采出的同时,最大程度减小对地质及生态环境损害的地质理论和技术。包括采前煤炭资源赋存条件精细勘查、经济技术和环境影响地质评价,采中地质条件和生态环境变化规律及探测、监测和预测,采后地质条件和生态环境演化、恢复和修复。其独特性表现为:注重煤炭资源开采扰动下的地质条件变化,强调煤炭开采活动、地质结构和地表生态环境变化的整体研究,揭示煤炭资源开采全生命周期地质条件和生态环境变化之间的耦合机制(图3),为破解煤炭资源开采与地质环境脆弱之间的矛盾提供理论基础和地质技术支撑。

图3 煤炭绿色开采的内涵
Fig.3 Connotation of coal green mining

综上所述,煤炭开采地质保障是支撑矿区科学规划、矿井安全高效开采、采空区及遗留资源利用、生态环境可持续发展的地质技术和地质工程。

2 绿色开采地质保障的科学问题

2.1 采前精细勘查与三维建模

煤炭资源赋存地质条件精细勘查与三维建模是采前煤炭绿色开采地质保障的核心内容。从三维空间上揭示煤系、煤层、地下水的赋存规律和地质构造的发育特征,及其与地表生态环境之间的空间关系和成因联系,为研究煤炭开采过程中地质条件和地质环境变化奠定基础(图4)。

图4 煤炭开采影响因素及其相互关系
Fig.4 Factors influencing coal development and their interrelations

采前地质保障可划分为预查、普查、详查和勘探4个阶段。预查阶段主要研究煤系的分布规律、控制因素及区域生态环境特点;普查阶段主要研究煤系层序、成煤层位、主要煤层分布范围,评价区域生态环境承载力;详查阶段主要研究控制勘查区煤层分布的地质构造和地质因素,确定煤系其他矿产资源的种类、分布特点,地表地质灾害类型及主要影响因素;勘探阶段主要研究煤层厚度、连续性,煤质及最佳利用方向,煤层气含量及变化规律,含水层、隔水层的空间分布和组合特点,确定开采过程中可能出现的地质灾害类型。

为此,采前煤炭绿色开采地质保障主要研究5方面内容:① “空-天-地”一体化精细勘查理论与三维建模;② 煤、水、气及其他煤系矿产资源赋存规律;③ 煤岩、煤质变化规律及煤炭最佳利用方向;④ 维系地表生态系统的关键地质因素;⑤ 勘查区地表及矿井地质灾害类型。

2.2 采中地质条件变化与环境损害

2.2.1 采中地质条件变化

煤炭资源开采的主要特点是在近地表形成地下空间,导致开采区应力场发生变化,引发煤层及围岩产生形变,煤层所处的地质条件和环境发生持续变化(图4)。应力场、变形场、渗流场等探测、监测及时空演化特征是采中煤炭绿色开采地质保障的核心内容。由于地下地质结构的隐蔽性和非均质性,精准探测与评估开采过程中地质条件变化规律,是实现“透明矿井”、支撑煤炭绿色开采及地表生态环境保护与修复的基础。采中地质条件变化主要研究3方面内容:① 地质条件变化的探测和监测;② 地质条件变化规律及控制因素;③ 应力场、变形场、渗流场等多场耦合机制与时空演化特征。

2.2.2 采中地质环境损害

煤炭开采过程中,地质条件变化必然扰动地质环境,诱发地质灾害和生态环境损害。揭示扰动特点、扰动过程、扰动机理及维系地表生态系统的主要地质条件,研究开采过程中地质灾害和地质环境损害的类型及特点,分析诱发地质灾害和生态环境损害的主要地质因素,是减小地质条件损害、保护地质环境的核心。采中地质环境损害主要研究4方面内容:① 地表生态系统与地质条件的依存关系;② 地表生态环境指标体系构建;③ 地质灾害和环境损害机理;④ 减少生态损害和防控地质灾害的理论和技术途径。

2.3 采后地质条件恢复与生态演化

2.3.1 采后地质条件变化与采空区资源开发利用

煤炭开采后岩体结构和应力状态随时间发生变化,采空区垮落带逐步压实、裂隙带逐渐弥合、地表沉降趋于稳定。揭示垮落带压实、裂隙带弥合和地表沉降规律,开展采空区探测和稳定性评估。提出采空区开发利用理论和技术,为矿区可持续发展提供理论指导。采后地质条件变化与采空区资源开发利用主要研究3方面内容:① 应力-湿度-温度耦合作用下覆岩、巷道围岩、煤柱的损伤机理;② 采空区稳定性指标体系、探测和评估方法;③ 地下空间、水、气及遗留资源的探测与利用。

2.3.2 采后矿区生态环境恢复与修复

已有开采实践表明,除非对采空区进行全部充填,煤炭开采必然会引起地形地貌、水文地质条件、地表生态等发生变化。通过现场观测、遥感监测、模拟实验查明煤炭开采对地形地貌、地下水位、植被群落影响的时空格局,揭示采空区生态环境自然恢复的规律和主要控制因素,为地表生态环境修复提供理论支撑。采后矿区生态环境恢复与修复主要研究3方面内容:① 采空区生态环境损害的类型和特点;② 采空区生态环境损害机理;③ 地表生态环境修复理论和技术途径。

3 绿色开采地质保障总体研究思路

以国家能源安全重大需求和生态文明建设为导向,基于煤炭开采与地质环境保护多学科交叉的特点,以煤炭资源采前、采中、采后地质条件的变化及对生态环境的影响为重点,探讨大规模、强扰动、长时间背景下煤炭绿色开采地质保障中的重大技术问题。运用煤炭地质学、岩石力学、采矿工程、生态学、环境学等理论和方法,以“绿水青山就是金山银山”理念为指导,实现采前精细勘查、采中有效减损、采后恢复利用(图5)。

图5 煤炭绿色开采地质保障总体研究思路
Fig.5 Overall research approach of geological guarantee for coal green mining

基于对近地表地质体的“减损保稳”,实现煤炭高效开采和生态环境协调发展。采前尽量减少地面施工和山地工程,减少地质勘查对地表和自然环境的扰动;采中尽可能减少开采对近地表地质体、地下应力场、变形场、渗流场的破坏,实现资源的最大综合开发和生态环境的最小扰动;采后对受扰动的地质体和地面开展持续的监测和预警,尽量修复开采中造成的不可避免的损害,同时对采煤形成的地下空间资源以及残余煤炭、矿井水、瓦斯、地热等能源等进行综合利用。

4 绿色开采地质保障技术

根据新时代生态文明建设的总体要求,矿区环境保护应贯彻“预防保护优先、自然恢复为主”的原则。因此,以减小环境损害为前提,以煤炭安全高效开采为目标,构建涵盖采前、采中、采后全过程煤炭绿色开采地质保障技术(图6)。

图6 煤炭绿色开采地质保障技术
Fig.6 Coal green mining geological support technology

4.1 采前地质保障技术

4.1.1 精细勘查与三维建模

随着以人工智能为标志的第4次工业革命的到来,煤炭开采呈现出大规模、高效率、智能化的发展趋势,对煤炭地质勘查成果精度提出了新要求。必须从矿区-井田-工作面尺度上对煤炭资源赋存规律与地质结构进行高精度高分辨率的勘查,采用“空-天-地”一体化勘查技术和高度自动化、智能化的快速高效测试分析技术,建立高精度“透明矿井”三维地质模型。

采前地质条件精细探查关键技术主要有:① 以卫星遥感、航空地球物理勘探为主的“空-天”勘查技术;② 地面地球物理勘探、定向钻探、地球物理测井为主的综合勘查技术;③ 自动化、智能化测试技术为主的高效精细测试技术;④ 地上地下一体化“透明矿井”高分辨率三维快速建模技术;⑤ 开采地质条件综合评价技术。

4.1.2 资源综合评价技术

大量煤炭地质勘查成果表明,煤、煤层气、页岩气、致密砂岩气、铝、锗、镓、稀土、高岭土等矿产资源[25-28]常常共伴生于煤系之中,资源综合勘查、综合评价已成为现阶段煤炭地质工作的重要内容。

采前资源综合评价主要包括3方面:① 煤岩、煤质及煤炭最佳利用方向评价技术;② 煤、煤层气、煤系页岩气、煤系致密砂岩气综合评价技术;③ 煤及煤系中重要金属元素综合评价技术。

4.1.3 环境承载力评价技术

环境承载力评价是生态环境脆弱矿区煤炭资源勘查必须完成的主要任务。普查阶段以煤田为单元开展环境承载力评价,详查阶段以矿区为单元开展环境承载力评价,勘探阶段以井田为单元开展环境承载力评价。采前环境承载力评价关键技术主要包括3方面:① 环境承载力指标体系;② 环境承载力评价模型;③ 环境承载力分区。

4.2 采中地质保障技术

4.2.1 采中地质条件变化监测与探测技术

探测和监测煤层、岩土体的应力和变形,地下水、瓦斯等的流场和运移是采中地质保障技术的核心内容。采用卫星、无人机、InSAR、地面物探和光纤等技术探测和监测矿区三维变形强度、规模、范围,应用微震、瞬变电磁、槽波、高密度电法、核磁共振等探测和监测煤层、围岩裂隙发育特征及地下水、瓦斯的运移,构建采中矿井三维地质信息采集、灾害源识别技术体系,研发地质灾害可视化监测和预警系统,为煤炭采中地质保障提供技术支撑。采中地质条件探测与监测技术主要包括3方面:① “空-天-地”地表沉降监测技术;② 应力场、形变场、渗流场的探测和监测技术;③ 隐蔽致灾体的探测、监测及灾害预警技术。

4.2.2 采中地质环境损害与矿井灾害防控技术

煤层上覆岩层冒落、冒裂、弯曲下沉是开采过程地质条件损害的主要形式。水文地质和煤层气赋存条件变化是导致突水和瓦斯灾害的根源。控制采空区覆岩变形及沉降、减少水文地质条件损害,降低瓦斯灾害发生风险,是采中地质保障与矿井灾害防控研究的主要内容。采中地质条件损害防控技术主要包括3方面:① 煤层覆岩减损技术;② 隔水性保护技术;③ 煤层气抽采利用技术。

4.3 采后地质保障技术

4.3.1 采后地表环境监测与修复技术

利用卫星、无人机、InSAR、地面物探、钻探、分布式光纤等手段,查明采动影响的范围,探测覆岩变形;根据采空区稳定性和生态环境特征,提出建设用地、农业用地、景观用地等最佳利用途径和分类治理方案。监测地下水位、水质、土壤养分、生物群落等变化和恢复情况,提出促进矿区生态环境自然恢复技术。采后地表环境监测和修复技术主要包括4方面:① 采空区探测和监测技术;② 地表生态环境和地质灾害监测技术;③ 采空区土地分类治理与利用技术;④ 地表生态环境自然恢复及修复技术。

4.3.2 采后地下遗留资源开发利用技术

开发利用采空区遗留的煤炭、煤层气、地热、矿井水、地下空间等资源,是保障煤矿区经济环境可持续发展的重要内容。采用井下物探、化探、钻探等手段查明遗留资源,分析地热利用的前景,构建采空区遗留资源综合评价技术。针对矿井水的pH值、Eh值、离子类型和浓度等特征,分类进行无害化处理,为矿区提供生产、生活用水和生态用水。采用超声波、直流电法、瞬变电磁、地质雷达等手段探测地下空间的分布范围及特征,根据地下空间的规模、稳定性、地质条件提出地下商场、水库、油库、储能电站等分类利用技术。采后地下遗留资源综合利用技术主要包括4个方面:① 遗留矿产资源综合探测和评价技术;② 采空区地热资源综合评价和利用技术;③ 矿井水无害化处理与资源化利用技术;④ 地下空间探测及综合利用技术。

5 结 论

(1)煤炭绿色开采地质保障以煤炭安全高效开采和生态环境保护协调发展为目标,以采前、采中、采后地质条件和地表生态环境在“时间-空间-强度”方面的响应特征与规律为重点研究对象,集合航空遥感、地球物理、岩石力学、地质力学和生态学等学科,关注于“水资源保护、土地和建筑物保护、减少矿井灾害、降低大气污染”等内容,探讨了新时代“生态文明”建设背景下煤炭开采过程绿色开采地质保障中的重大科学与技术问题。

(2)在“采前精细勘查,采中有效减损,采后恢复利用”的理念指导下,提出了采前煤系矿产资源综合勘查和三维建模技术,采中地质条件变化探测和减损技术,采后地表环境监测修复和采空区遗留资源综合利用技术,为实现煤炭安全高效开采与生态环境保护协调发展提供了技术支撑。

(3)随着煤炭绿色开采技术进步和煤矿智能化进程加快,对煤炭开采地质保障工作的要求会越来越高。加大对煤炭绿色开采地质保障研究的投入,建立采前能查明,采中能减损,采后能利用的煤炭绿色开采地质保障技术体系,是实现煤炭资源绿色开采和清洁高效利用,改善矿山生态环境,建设资源节约型和环境友好型社会的重要任务。

致谢 感谢西安科技大学侯恩科教授和夏玉成教授对本文给予的大力支持和帮助,感谢研究生董志浩和赵飞对本文图表的编辑工作。

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Geological guarantee of coal green mining

WANG Shuangming1,2,3,SUN Qiang1,2,3,QIAO Junwei1,2,3,WANG Shengquan1,2,3

(1.Geological Research Institute for Coal Green Mining,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China; 2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation 710054,China; 3.College of Geology and Environment,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China)

Abstract:Constrained by the characteristics of energy resource endowment of “lack of oil,less gas and relatively rich coal”,coal is always the basic guarantee of energy security in China.Coal resource is a layered sedimentary mineral formed in the process of earth evolution,and it is a part of the near surface crust.Coal mining will cause damage to geological conditions and ecological environment.The geological guarantee of coal green mining is based on the geological conditions of coal resources occurrence,which provides the geological theory and technical support for the safe and efficient mining of coal resources,mitigating and reducing the damage to the geological conditions and ecological environment of the mining areas.This paper systematically explains the geological guarantee theory and technology for green coal mining from four aspects:connotation,scientific issues,technical issues and research ideas.The geological guarantee of green coal mining highlights the change of geological conditions under the disturbance of deep coal mining,emphasizes the overall study of coal mining activities,geological structure and the change of surface ecological environment,and focuses on the change of geological con-ditions and the evolution of ecological environment in the category of space-time effect caused by underground mining operations.The general research idea is to explore finely before mining,reduce damage effectively during mining and restore utilization after mining.Before mining,the fine exploration of the integration of space,sky and earth is carried out to find out the spatial occurrence characteristics of coal bearing mineral resources and the main geological factors to maintain the surface ecosystem,and to build a high-precision three-dimensional model covering coal bearing resources,geological conditions,ecological environment and other elements,so as to evaluate the best utilization direction of coal resources and regional environmental carrying capacity.During mining,the damage detection and monitoring of geological conditions are carried out to reveal the variation laws of stress field,deformation field and seepage field,to study the characteristics of coal bearing gas and groundwater migration and gushing,to analyze the geological factors leading to the occurrence of surrounding rock dynamic disasters,and to put forward the advance warning theory and prevention and control measures of coal and gas outburst,water hazard,bumping pressure and other disasters.After mining,the water body,harmful gas and residual resources in the goafs shall be detected,and the deformation characteristics of the surrounding rock and coal pillar of the roadway shall be monitored.The interaction of coal rock water and the stability change of goafs are studied,the geological conditions and the evolution process of surface ecological restoration are studied,and the comprehensive utilization theory and technology of underground space and residual resources are put forward.The green mining geological guarantee covers the whole process of coal search,exploration,mining and utilization of goafs,and pursues the coordinated development of coal bearing mineral resources and ecological environment protection.

Key words:coal;green mining;geological guarantee;explore finely;reduce damage effectively;restore utilization

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王双明,孙强,乔军伟,等.论煤炭绿色开采的地质保障[J].煤炭学报,2020,45(1):8-15.doi:10.13225/j.cnki.jccs.YG19.1758

WANG Shuangming,SUN Qiang,QIAO Junwei,et al.Geological guarantee of coal green mining[J].Journal of China Coal Society,2020,45(1):8-15.doi:10.13225/j.cnki.jccs.YG19.1758

中图分类号:TD82

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2020)01-0008-08

收稿日期:20191118

修回日期:20191229

责任编辑:韩晋平

基金项目:陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2019JL-01);国家自然科学基金资助项目(41972288)

作者简介:王双明(1955—),男,陕西岐山人,中国工程院院士。E-mail:sxmtwsm@163.com