煤炭生态地质勘查基本构架与科学问题

王 佟1,2,孙 杰2,3,江 涛4,林中月1,张 博5,赵 欣3,谢志清3

(1.中国煤炭地质总局,北京 100038; 2.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054; 3.中国煤炭地质总局 勘查研究总院,北京 100039;4 中国煤炭地质总局 浙江煤炭地质局,浙江 杭州 310017; 5.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)

摘 要:基于煤盆地矿产资源与生态环境地质特征,以实现煤盆地多资源协同勘查开发与资源开发中生态环境和谐为目标,提出了煤炭生态地质勘查的理念与基本构架。煤炭生态地质勘查是指以煤炭地质基础理论和生态学理论为指导,针对煤盆地呈固、液、气、元素“四态”赋存的矿产资源、地表及地下空间关键层位、生态环境与其他自然资源,采用空、天、地一体化的多种勘查技术,涵盖资源勘查、开发地质保障、资源开发与环境保护、资源综合利用、生态修复与生态系统重构并贯穿于煤炭资源勘查开发到矿山闭坑全过程的相关地质与生态勘查工作。煤炭生态地质勘查是今后煤炭地质勘查工作的重要发展方向,核心理念是生态保护优先。基于煤炭生态地质勘查理念,以煤系矿产资源和水资源、地质关键层以及生态环境保护、监测、修复相关的主要地理要素、地质信息为对象,建立了煤炭生态地质勘查基本架构,分析了煤炭地质勘查工作向资源保障和环境保护与生态建设相结合的生态地质勘查方向转变的紧迫性。研究认为:煤炭生态地质勘查要统筹好资源保障与生态环境的关系,超前规划布局,优选遥感、快速精准钻探、高精度地球物理勘探等绿色勘查技术“空天地一体化”协同应用。根据煤盆地资源赋存特征选用煤与多种矿产资源的双目标、三目标、四目标、多目标协同勘查模式,同时在资源勘查、资源开采、采后修复全过程中注重地质关键层和生态环境信息的变化,实施环境保护与生态修复措施,并通过地质大数据分析技术,集成多维数据展示勘查成果,实现对煤系多种矿产资源、生态环境地质信息、开发地质条件的透明化、数字化。

关键词:煤炭;煤系矿产;生态地质勘查;基本架构;勘查技术

中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一,在能源结构中,长期以煤炭作为基础能源。我国煤炭地质勘查成果丰硕,为煤炭资源稳定供应提供了可靠的资源保障。经过60多年的发展,全国煤炭地质系统累计完成钻探工程量超过2亿m,地震工程量约2 000多万物理点,发现了鄂尔多斯、华北、吐哈、准东等潜在资源量超过5 000亿t以上的聚煤盆地,500多个大型煤田,累计探获的煤炭资源量20 108.75亿t[1],积累了丰富的煤炭地质勘查资料[2-3]。尽管我国煤炭资源相对丰富,但能够实现安全高效、生态环境友好,适宜清洁利用,具有经济竞争力的煤炭资源相对缺少。为应对煤炭开发利用对环境的负面影响,国内学者开展了绿色煤炭资源勘查与评价,提出了“绿色煤炭资源”的概念[1,4-5]。我国已经探明的绿色煤炭资源量9 988.92亿t,绿色煤炭基础储量约为876.36亿t,经济可采的绿色煤炭资源储量仅457.53亿t[1],主要分布在“九宫”分区的晋陕蒙(西)宁和北疆地区,见表1。东部浅部煤炭资源已接近枯竭,部分矿井开采深度已经突破1 500 m,面临着高应力、高地温、高瓦斯、多水害等一系列问题亟待解决。同时,西部地区煤炭资源探明率较低,生态环境普遍脆弱,且水资源匮乏。

表1 我国绿色煤炭资源主要分布地区情况[1]
Table 1 Distribution of green coal resources in China[1]

九宫分区省份成煤时代绿色保有资源量/亿t绿色储量分布/亿t陕西C-P,T,J1 451.1197.81山西C-P,J754.33206.16晋陕蒙(西)宁区内蒙古C-P,J5 318.4393.93甘肃J124.5914.5宁夏J255.2712.19北疆区新疆J2 085.1932.94

煤盆地是沉积矿产的聚宝盆,煤系是煤盆地中一套含有煤层或煤线及有机质泥页岩的沉积岩系。近年来,随着勘查技术的进步在煤炭、煤层气资源勘查的同时,煤盆地内发现了相对丰富的砂岩型铀矿资源、镓、锗、锂等金属元素矿产资源,这些矿产资源的发现填补了国内找矿的空白。国内学者对煤系共伴生资源提出了不同的分类方法[6-7],煤系共伴生矿产资源的研究主要针对煤层气、页岩气、砂岩气等煤系非常规天然气,煤系砂岩型铀矿等大宗固体矿产资源,以及煤中镓、锗、锂等稀有元素矿产资源。煤系非常规天然气的有机质来源、类型以及热演化程度与聚煤、煤化作用密切相关[8],已有学者将煤层气、煤系致密砂岩气、煤系页岩气等统称为“煤系气”[9],倡导煤与煤系气协同勘查开发。我国煤系气资源中2 000 m以浅的煤层气资源约30.05万亿m3,鄂尔多斯、沁水、准噶尔、滇东黔西、二连等9个盆地的煤层气资源量均大于1万亿m3[10];煤系砂岩气初步估算资源量30.95万亿m3,约占我国天然气总量的60%[11];煤系地层中,炭质泥页岩发育面积广、有机质含量高,是页岩气重要的勘探层位。此外,在山西等地还发现煤系灰岩气[12],在青海木里地区还发现了煤系陆域天然气水合物。煤系中发育多种类型固体矿产资源,主要包括油页岩、石墨、高岭土、铝土矿、耐火黏土等,如油页岩层在纵向上与煤层互层。松辽盆地、鄂尔多斯盆地、准格尔盆地中油页岩资源丰富,探明储量占全国的一半以上。煤系石墨矿多为隐晶质石墨,矿体集中、易于开发,作为战略性新兴矿产,每年支撑着我国一半以上的石墨产量[13]。煤系高岭土探明储量16.7亿t,占全国高岭土储量的一半以上[14]。煤系铝土矿、耐火黏土时空分布规律与高岭土一致,也主要分布于我国煤系地层中。这些矿产资源或者分布广、品位高、储量大,或者战略价值极高,见表2。煤系中分布丰富的沉积型铀矿和锗、锂、镓等金属元素矿产资源,富含的金属元素多达65种[7]。内蒙古侏罗纪直罗组煤系地层中发现超大型铀矿,具备超大型铀矿的资源潜力[15]。在准噶尔盆地黑岱沟煤矿发现超大型镓矿床,估算资源量6.34万t,镓平均含量44.8 μg/g[16]。内蒙古锡林郭勒盟胜利煤田发现煤层中锗金属含量达1 600 t,占我国锗储

表2 我国主要煤系矿产资源量
Table 2 Statistics of major coal mining resources in China

类型矿种资源量资源占全国比重煤层气2 000 m以浅的煤层气资源量30.05万亿m3煤系非常规天然气页岩气3 000 m以浅页岩气资源量约为32万亿m3[19]约占我国页岩气地质资源量的20%以上致密气30.95万亿m3约占我国天然气资源总量60%高岭土探明储量16.7亿t占我国高岭土储量的50%以上耐火黏土资源总量约为49.2亿t煤系共伴生非金属矿产膨润土探明储量8.88亿t硅藻土探明储量1.9亿t占总探明储量的71%石墨资源储量0.60亿t[20]

量的30%[17]。呼伦贝尔盟伊敏煤田大磨拐河组初步估算锗资源量4 000 t[18]

以往煤炭地质勘查工作基本为以煤为主,主要限于对煤系中煤层的控制,对煤盆地中其他矿产资源的勘查和勘查活动对区域生态环境的影响及其演化等问题的研究不足。这样的勘查方式不但遗漏了同构造单元内的其他矿产,甚至在同一勘查区内可能发生针对不同矿种的多次进场重复勘查,加剧了对地表和地下水等环境和生态的扰动问题。同时,煤炭开采利用引发的地表塌陷、水系破坏、大气与环境污染等生态地质问题更是时有发生。一方面使地表土壤、土地资源受到破坏;另一方面,会使上覆岩层中含水层受到破坏,进而导致区域生态系统退化。煤炭开采过程中排放的废气、废水及固废也对区域生态环境产生影响。

针对这些问题国内一些学者进行了十分重要的研究,彭苏萍[21]系统分析了我国煤炭资源分布特征与水资源条件对煤炭资源开发的影响;王双明等[22]研究了鄂尔多斯煤炭开采对生态环境的影响,提出了生态脆弱区采煤塌陷区土壤与植被损害过程及机理;魏江生等、郑永红等[23-24]提出了采煤塌陷对地下水系、土壤水分特性的影响,分析了煤矸石堆放产生的水体、土壤重金属污染的特征等;学者们[1,25-27]在“煤炭科学产能”“煤炭资源精准开采”、“煤-水双资源开采”等方面进行的深入研究,都有力推动了煤炭绿色勘查与开发。2017年5月,“生态优先、绿色勘查”已被正式写入原国土资源部等六部门联合印发的《关于加快建设绿色矿山的实施意见》中。

生态地质勘查研究已经成为地质勘查学科发展的新动向,而煤炭生态地质勘查将成为今后煤炭地质勘查工作的主要发展方向。因此,笔者立足于煤盆地矿产资源与生态环境地质特征,以实现资源勘查开发活动与生态环境和谐为目标,提出煤炭生态地质勘查的理念、理论基础、基本架构和技术方法,为煤盆地多资源协同勘查开发与资源开发利用中生态环境保护提供指导和借鉴。

1 煤炭生态地质勘查发展脉络及理论框架

新中国成立70 a来,随着煤炭地质理论研究和勘查技术的进步,“煤田地质勘查”逐步发展成为“煤炭地质勘查”,并建立了中国煤炭资源综合勘查新体系[28],但仍然是针对煤炭资源的勘查。近年来,在综合勘查技术的基础上,针对煤系地层共伴生矿产资源种类多、分布广的特点,逐步确立了煤炭与煤层气、煤铀兼探、煤水共探共采等多资源协同勘查的理念。协同勘查是综合勘查的进一步发展,由单资源为主发展为多资源勘查,通过多种先进勘查技术手段的协同运用实现对多目标的勘查。协同勘查既注重多种先进勘查技术的综合应用,更强调煤系地层中多种能源与其他共伴生矿产资源的综合勘查、一体化评价与共同开发地质研究[29]。进入新时代,根据国家战略需求演变下的生态地质勘查发展需求,笔者提出的煤炭生态地质勘查,是在协同勘查理念的基础上又一次技术理念的提升,进一步考虑了环境约束条件,特别是生态环境信息的问题,同时吸收大数据、人工智能等技术理念,实现勘查工作的精准化、综合化、绿色化以及信息的多维化,如图1所示。

图1 煤炭地质勘查发展脉络
Fig.1 Development context coal geological exploration

1.1 概念与内涵

笔者提出的煤炭生态地质勘查是指以煤炭地质基础理论和生态学理论为指导,针对煤盆地呈固、液、气、元素“四态”赋存的矿产资源、地表及地下空间关键层位、生态环境与其他自然资源,采用空、天、地一体化的多种勘查技术,涵盖资源勘查、开发地质保障、资源开发与环境保护、资源综合利用、生态修复与生态系统重构并贯穿于煤炭资源勘查开发到矿山闭坑全过程的相关地质与生态勘查工作。

生态保护优先是煤炭生态地质勘查的重要特征。应采用尽可能少而经济合理的技术方法手段,以可控、可恢复的最低环境代价,查明煤与煤系共伴生矿产资源、地下水资源以及资源开发相关的地质特征、影响开发的隐蔽地质致灾因素、勘查开发引起的生态环境变化信息等地质问题,服务绿色矿山开发、资源科学利用及矿山采后生态修复,实现资源开发与环境保护再造和谐。

1.2 目标与对象

煤炭生态地质勘查研究对象为煤盆地内资源本身属性和生态环境特征的地质信息要素等,涉及对煤炭资源-共伴生矿产资源-地下水资源-影响环境保护与影响资源科学开发的重要关键岩层-地表环境与生态资源等多目标的协同勘查,即所有地上和地下空间的地质资源与环境、生态系统协调。总体可以分为4类:① 煤盆地中煤系矿产资源,主要包括煤炭、煤系气、固体矿产、金属元素矿产等矿产资源;② 与煤炭开采和生态环境具有紧密联系的水资源及其他自然资源;③ 煤炭开发阶段煤系或煤上下地层对生态环境保护相关的重要关键层,如主要含(隔)水层、采煤覆岩关键层等及其他影响开发的地质隐蔽致灾因素;④ 生态环境保护、监测、生态修复或恢复相关的主要地理要素、地质信息等。

1.3 煤炭生态地质勘查的基本架构

煤炭生态地质勘查基本架构以煤炭地质学、生态地质学为理论依据,基于煤炭资源“九宫分布”[22]的特征,确定不同分区的重点勘查范围,将煤矿区划分为未勘查区、勘查区、开采区和废弃/关闭区4个时区,根据不同时区煤系共伴生矿产资源的多样性特征以及资源开发与生态环境演变关系,选定不同目标因素协同勘查模式,优选绿色勘查工程技术,开展煤炭资源勘查、共伴生资源勘查、煤与水资源协同勘查、煤与重要关键层地质条件评价、环境与生态保护/修复与利用的地质保障,实现透明地质、生态地质、数字地质完美结合的勘查目标,如图2所示。

2 煤炭生态地质勘查范畴与研究领域

煤炭生态地质勘查是将煤盆地内煤系矿产和其他自然资源勘查与勘查开发活动对生态环境的影响及响应措施纳入同一体系系统研究。

2.1 生态地质勘查规划

煤炭生态地质勘查要统筹好资源保障与生态环境的关系,超前规划布局。针对我国地质条件、生态环境和资源禀赋特征,按照“生态优先,绿色勘查”的理念,首先系统分析、挖掘探明区和邻近区的勘查成果资料,预测勘查区内的主体共伴生矿产资源,以及可能面临的环境约束条件,进而确定勘查的主要目标和任务。其次,遵循地质条件和资源分布规律,合理布置工作量。再次,选择高效、环保、经济的勘查技术手段,提高地质勘查的精度、深度和广度,科学合理地制定勘查工作总体规划。

图2 煤炭生态地质勘查的基本架构
Fig.2 Basic framework of green exploration in coal geology

2.2 煤系矿产资源协同勘查

协同勘查是煤炭生态地质勘查的主要内容。煤炭生态地质勘查首先要实现对煤炭和煤系共伴生矿产资源的协同勘查。针对不同勘查区,在开展勘查工作前,可充分利用已知区、相邻区钻探、物探、化探等成果资料,利用“地质大数据”对未知区地质背景、矿产资源类型、资源丰度、分布特征甚至资源量展开预测,进而确定协同勘查的主体目标矿种和勘查工作任务,最大限度减少资源遗漏和替代工程勘查。

根据煤系多矿产资源时空分布、成藏(矿)类型、环境约束条件选择适宜的协同勘查模式。可将协同勘查类型划分为:双目标因素协同勘查,包括煤与气共探、煤与水共探、煤与固体矿产共探、煤与金属元素矿产共探等;以及在此基础上的煤与气、水等三目标因素协同勘查;煤与气、水和固体矿产等四目标因素的协同勘查;煤与气、水和固体矿产、金属元素矿产以及其他地质条件的多目标多因素协同勘查。这里仅针对双目标因素的协同勘查内容做具体介绍,其他如煤与气和水等三目标因素、煤与气、水和固体矿产四目标因素、煤与气、水和固体矿产、元素矿产以及其他地质条件的多目标多因素协同勘查因其理念相同不做赘述。

(1)煤与煤系气协同勘查开发。

煤系气是在煤系地层中生成、储集的非常规天然气[12]。煤炭勘查时,煤田钻孔需要兼顾对煤系气资源的勘查与评价。可通过含气量测试、测井和气测录井判断含气层;通过施工少量煤系气探井或参数井替代煤田钻孔或者利用煤田钻孔改造为煤系气参数井,达到既能满足煤系地层取样又能保证煤储层参数测定的目的;对于含气量较高的地层,可进一步进行试采评价。在煤炭开采阶段,首先需要做好煤炭与煤层气探采时空配置的研究工作,确定煤炭与煤系气的开采时序,将煤炭开采中的灾害瓦斯(CH4)在勘探中预先抽排,转变为清洁的天然气资源利用,保障后续煤炭安全开采。

(2)煤与共伴生固体矿产的协同勘查。

煤炭共伴生的固体矿产种类丰富。煤炭勘查时可通过“一孔多用”,增加采样测试和测井内容,结合区域矿产地质资料研究,特别是测井、化验测试等其他技术手段的综合应用,全面评价煤系中煤炭及共伴生矿产资源的赋存规律和状态、勘探前景,实现资源协同勘查。例如,沉积型铀矿在北方部分煤田发育,是主要伴生矿产。煤铀兼探大营模式的成功是“协同勘查”理念的具体实践,同时带动了煤钾兼探、煤铝兼探等多种伴生矿产的协同勘查[30-31]

(3)煤与金属元素矿产资源的协同勘查。

煤中元素种类繁多,具有重要的找矿前景。常量元素包括Na,Mg,Ca,K,Si,Al,Ti,P,S等元素,其余60余种元素属煤中微量元素。在煤与金属元素矿产资源的协同勘查实施中,除进行钻孔测井外,需要采集样品进行荧光光谱测定和化学分析。对确认有共伴生矿后,则要进一步研究共伴生矿产资源的分布规律、品位变化、矿石成分、结构构造,赋存状态等。煤炭采出后需要对原煤和燃烧后煤灰中的元素矿产进行回收、提取和综合利用。

(4)煤与水资源的协同勘查与利用。

我国煤矿水文地质条件复杂,煤炭资源开采受水灾害威胁严重。地表水系与地下水资源与人民生活息息相关,除在前期进行煤矿水文地质的勘查外,煤矿生产过程中要科学有序的安排并且落实矿井的具体防水以及治水工作,同时,还需要进一步加强地表水资源的保护和充分利用。国内在被认为极度干旱缺水的煤矿区,发现了多处具有水资源开发潜力的古湖床含水盆地和高孔隙度砂岩含水层[32],其中新疆大南湖矿区侏罗系含水层具有4.39亿m3地下水静储量,三塘湖矿区侏罗系含水层预计矿井正常涌水量为455.52万m3/a,均可通过煤水共采方式实现资源协同开发。

(5)煤与重要关键层工程地质条件、隐蔽地质致灾因素评价。

覆岩关键层、含(隔)水层等重要关键层工程地质条件评价,能够为矿山开采对区域地下水和地面环境的影响、破坏提供相关灾害预防、工程改造、环境治理参数。岩层采动破断裂隙是煤矿突水的重要通道,其演化规律是预测矿井突水、进行水害防治的重要参数。覆岩主关键层破断将引起其上部所有岩层直至地表的整体破断和移动,进而造成地表塌陷[33]。在钻探和测井及其他地球物理方法勘查工作中要重点关注小构造的发育、地层岩性变化,并且选取重点层位进行力学实验测试,结合后期煤炭开采工艺,确定覆岩关键层的位置。根据地下水资源补径排条件及岩层孔渗特性,划定主要含(隔)水层,必要时追加水文孔进行抽水试验,获取水文地质参数。

2.3 生态环境保护与修复

支撑生态环境保护与修复是煤炭生态地质勘查的一项重要任务,既包括勘查阶段的生态环境保护,也包括煤炭开采、采后的环境保护与修复再造工作。

(1)煤炭勘查阶段。

矿山生态环境保护需要考虑在煤炭预查、普查、详查、勘探各阶段勘查工作对于生态环境的影响方式、范围和程度,制定环境保护和修复方案以及环境突发事件应急预案等。如以钻代槽探,减少地表植被破坏;钻探施工中采用套管隔离等减少钻井液对储层的污染和伤害,及时修复钻后井场环境等;“一孔多用”减少同一地区针对不同矿产多次勘查造成的环境扰动;在生态脆弱区可选择航空物探、高光谱遥感技术等手段,应用轻便物探、深穿透地球化学的方式,最大限度减少对环境的影响和破坏。

(2)煤炭开采和采后阶段。

煤炭开采阶段主要是进行保护性的开采布局和时序设计;尽量减轻地表损伤,预防采空塌陷、植被退化、水资源枯竭等生态环境灾害;综合评价矿区环境容量和合理开发强度。

煤矿采后阶段重点是对矿区生态环境的修复工作,需要有目的地开展矿区生态环境地质的评估、调查、治理、修复和重塑生态地质环境,进而实现资源与生态环境的科学合理利用[34-35]。相关内容主要包括矿山环境修复、边坡稳定与修复、固体废弃物污染修复、水体污染修复、土地复垦等。

生态地质修复技术可分为工程治理、生态修复、生物修复三大类[36]。工程治理是针对矿山开采造成的环境不安全隐患,采用工程技术手段加强或改变地质结构、水文条件、岩土体结构,消除、缓解或改善危险和影响程度,常用的有采空塌陷治理技术、回填整平技术、坡面加固排危技术、土方疏通技术等。生态修复是通过工程措施修复和生态系统自身修复两种方式,修复被破坏的土地、植被、景观、生物群落等。生态修复常采用物理性修复、化学修复、植物修复、动物修复技术等。生物修复是使用微生物修复生态环境中遭受污染和破坏的土壤和水体等。可采用微生物修复技术、细菌修复技术等,以减少水土流失,修复土壤基质[37]。在开展生态地质修复工程的同时,应注意工程本身对环境的二次影响和扰动。近年来,生态地质修复技术在徐州市采空区综合治理与生态修复、淮南市废弃煤矿自然生态环境综合治理等工程中得到很好的应用。

3 煤炭生态地质勘查的科技支撑与研究需求

煤炭生态地质勘查要优选“绿色”勘查技术。“绿色”勘查技术是相对概念,从绝对意义上讲,凡与地质载体“接触”的勘查技术均非绿色勘查技术,但可通过转变思想、改变方式、技术创新来提升勘查技术“绿色度”。要运用“空天地一体”的多种勘查技术,协同配合,相互验证、综合分析,在勘查、开采和采后修复各个环节注重环境保护,将环境影响破坏降到最低。煤炭生态地质勘查关键技术主要包括遥感技术、快速精准钻探技术、高精度地球物理勘探技术地质大数据和生态地质保护与修复技术等。

煤炭生态地质勘查是综合采用多种勘查技术,通过多手段对多目标的精准绿色勘查,实现资源的有效综合利用和环境保护,具体可采用的勘查技术如下:

遥感技术是通过空间传感器接受地面目标反射、散射外来电磁波或者目标自身发射的电磁波而获得目标物理参数的技术方法[38]。现已被广泛应用于矿产资源扫面勘查与靶区优选,矿山环境调查与生态环境动态监测等领域。特别是在自然地理条件恶劣、交通不便、工作困难、生态脆弱区资源勘查中发挥了重要作用。遥感与其他勘查技术最大区别在于其为“非接触式”勘查,在西北地区相较东部地区应用效果显著,为本质绿色勘查技术。近年来,新型高分辨率、高光谱遥感技术、后遥感技术、可见光斜视和立体观测、干涉测量技术、综合多种遥感器的遥感卫星平台等的发展,为遥感找煤和生态环境监测提供了新的数据源和发展方向[39]

快速精准钻探技术是利用先进钻探技术、通过优化机械参数和泥浆配置与准确定位目标层的有机组合,实现实际钻孔轨迹与设计轨迹偏差最小的快速钻探技术。在快速精准基础上采用小口径则可进一步发挥降低设备和钻进成本,减小占地,减轻环境影响的优势,特别是钻孔岩层剖面和各含水层的保护以及关键层的快速精准定位。

高精度地球物理勘探技术主要包括地震勘探、地球物理测井等。地震勘探被证实是查明煤层地质情况,特别是构造控制最为有效的一种方法。目前,三维地震技术迅速发展,已在炸药成孔和激发工艺、高密度数据采集和特殊观测系统设计技术、层析静校正技术、共中心点道集校正技术、大倾角叠前深度偏移成像技术等关键技术方面取得突破性进展[40]。地球物理测井和钻探通常搭配使用,尤其在无心钻井的岩性判别、岩性组合、煤岩界面识别、煤质分析以及煤系气各储层物性与资源潜力评价、富集区预测等方面可提供关键性技术参数。伴随着小口径钻探发展而来的小口径测井技术,可实现设备集成化、微型化、电子化和智能化,已在煤炭、煤层气、页岩气甚至陆域天然气水合物等多矿种多目标协同勘查中广泛应用。

地质大数据分析技术是基于煤炭资源勘查积累的海量遥感、钻探、物探、化探、分析测试数据,这些资料不仅包括煤炭本身,还包括煤层气甚至其他共伴生矿产资源的关键参数和信息。通过建立勘查成果信息库,搭建地质云计算平台,进行“地质大数据分析”,分析指导勘查工作。目前,地质大数据分析运用在煤炭地质勘查行业仍处于研究阶段,在存储管理、数据挖掘、地质大数据可视化等技术方面,还需要深入开展分析研究和技术攻关[41]

多源数据信息的集成、整合和同化是勘查地质大数据多维化展示的难点[42-43],需要对遥感影像、野外踏勘、钻探、物探、样品测试等不同技术手段产生的多源、多分比率、多类型的地质大数据,进行有效的分类、整合、关联、处理、利用,形成勘查成果数字化、多维化。煤炭地质勘查信息的多维化展示是以资源与生态环境地质信息成果为核心,关联其地质载体的多元化信息成果,将三维建模、动态模拟、虚拟现实等技术紧密结合,实现多维化的信息展现,最终达到基于信息化和网络化的可控共享。

4 结 论

(1)煤炭生态地质勘查是指以煤炭地质基础理论和生态学理论为指导,针对煤盆地呈固、液、气、元素“四态”赋存的矿产资源、地表及地下空间关键层位、生态环境与其他自然资源,采用空、天、地一体化的多种勘查技术,涵盖资源勘查、开发地质保障、资源开发与环境保护、资源综合利用、生态修复与生态系统重构并贯穿于煤炭资源勘查开发到矿山闭坑全过程的相关地质与生态勘查工作。

(2)煤炭生态地质勘查是今后煤炭地质勘查工作的重要发展方向,核心理念是生态保护优先,其勘查对象包括煤盆地内煤炭、煤系气、固体矿产、金属元素矿产等矿产资源和水资源;与生态环境保护相关的重要关键层;生态环境保护、监测、生态修复或恢复相关的主要地理要素、地质信息。煤炭生态地质勘查要统筹好资源保障与生态环境的关系,超前规划布局,优选遥感、快速精准钻探、高精度地球物理勘探等绿色勘查技术“空天地一体化”协同应用。

(3)根据煤盆地资源赋存特征选用煤与煤系气、煤与煤系共伴生固体矿产、煤与金属元素矿产以及煤与水资源的双目标、三目标、四目标乃至多目标矿产资源及特殊地质条件的协同勘查模式,同时在资源勘查、资源开采、采后修复全过程中注重地质关键层和生态环境信息的变化,实施后生态环境保护与修复措施,并通过地质大数据分析技术集成多维数据展示勘查成果,实现对煤系多种矿产资源、生态环境地质信息、开发地质条件的透明化、数字化。

伴随煤炭地质勘查技术方法和相关学科理论的不断发展,对煤盆地矿产资源勘查精度的提高和对生态环境保护和修复工作将不断加强和完善,今后的煤炭地质勘查必然沿着生态地质勘查模式,向着资源勘查与生态环境保护相协调的可持续发展方向迈进。

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Basic configuration and scientific problems of coal eco-geological survey

WANG Tong1,2,SUN Jie2,3,JIANG Tao4,LIN Zhongyue1,ZHANG Bo5,ZHAO Xin3,XIE Zhiqing3

(1.China Administration of Coal Geology,Beijing 100038,China; 2.School of Geology and Environment,Xian University of Science & Technology,Xian 710054,China; 3.General Prospecting Institute,China Administration of Coal Geology,Beijing 100039,China; 4.Zhejiang Coal Geology Bureau,China Administration of Coal Geology,Hangzhou 310017,China; 5.State Key Laboratory for Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China)

Abstract:In order to achieve the harmony of ecological environment in the multi-resource collaborative exploration and development of coal basins,this paper proposes the concept and basic configuration of coal eco-geological survey based on the resources and environmental geological characteristics of coal basins.Under the guidance of coal geology and ecology theories,in coal eco-geological exploration,it needs to analyze the mineral resources that are deposited in the “four states” of solid,liquid,gas and elements,key layers of surface and underground space,local ecological environment and ecosystems,using integrated ground-air-space exploration techniques.Its scope refers to the relevant geological and ecological exploration work of resource exploration,mining geological work,resource development and environmental protection,comprehensive utilization of resources,ecological restoration and ecosystem reconstruction,which runs through the entire process from coal resource exploration and development to the shutdown and reuse of coal mines.Coal eco-geological survey is an important direction of coal geological survey in the future,and its core ideology is the priority of ecological protection.Based on the concept of coal eco-geological survey,the basic configuration of coal eco-geological survey is further established,focusing on the main geographical elements and geological information about coal-derived mineral resources,water resources and geological key layers,as well as environmental protection,monitoring and ecological restoration as the object.It is urgent to promote the transformation of coal geological survey to eco-geological survey by considering the resource security,environmental protection and ecological construction.This study also suggests that coal eco-geological survey should coordinate the relationship between resource security and ecological environment,advance planning layout,and preferably use integrated ground-air-space green survey technologies covering remote sensing,rapid precision drilling,and high-precision geophysical exploration.The collaborative exploration mode of coal and other mineral resources should be selected according to the resource characteristics of coal basins.Typical modes include the bi-objective,tri-objective and tetra-objective collaborative exploration.Meanwhile,the implementation of environmental protection and ecological restoration measures depends on the changes of geological key layers and eco-environment information in the whole process of resource exploration,resource exploitation and post-mining restoration.Moreover,after adopting the technology of geological data analysis,the survey results demonstrated by multidimensional data can be integrated.Finally,the transparency and digitization of various mineral resources,environmental geological information and the geological conditions for resource development can be achieved.

Key words:coal;coal-derived minerals;eco-geological exploration;basic configuration;prospecting technology

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王佟,孙杰,江涛,等.煤炭生态地质勘查基本构架与科学问题[J].煤炭学报,2020,45(1):276-284.doi:10.13225/j.cnki.jccs.YG19.0923

WANG Tong,SUN Jie,JIANG Tao,et al.Basic configuration and scientific problems of coal eco-geological survey[J].Journal of China Coal Society,2020,45(1):276-284.doi:10.13225/j.cnki.jccs.YG19.0923

中图分类号:TED167;TD823

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2020)01-0276-09

收稿日期:2019-07-14

修回日期:2019-11-14

责任编辑:陶 赛

基金项目:国家大型煤炭基地开发潜力研究资助项目;新时代生态地质勘查模式研究资助项目

作者简介:王 佟(1959—),男,甘肃会宁人,教授级高级工程师,博士。E-mail:wangtong517@126.com