中国煤炭地质勘查 关键技术与工程运用——不断超越 引领中国煤炭地质新发展

王 佟（中国煤炭地质总局）

中国煤炭地质勘查 关键技术与工程运用
——不断超越 引领中国煤炭地质新发展

王 佟（中国煤炭地质总局）

煤炭是我国的基础能源，在我国一次性能源构成中一直占70%以上。进入新世纪以来，随着经济高速发展，我国煤炭需求量日益加大。因煤炭产量不足而引发的煤电荒曾惊动了中南海。2004年，温家宝总理批示“要把建设大型煤炭基地作为重大而紧迫的任务，加快煤炭地质勘查工作”。为从根本上缓解我国能源接替和供应紧张的局面，发改委和国土资源部相继委托我局实施了13个大型煤炭基地和45个重点规划矿区的资源评价工作。中国煤炭地质总局联合中国矿业大学（北京）、西安科技大学、山东科技大学等煤炭系统科研生产单位开展了新时期煤炭地质勘查关键技术的研究工作，组织实施了27项重点专项课题研究，攻克了亟需破解的制约我国煤炭地质勘查事业的三大难题：一是东部地区煤炭开发强度大，接替资源严重不足；二是西部地区煤炭资源虽然丰富，具备整装开采的条件，但自然条件恶劣，勘查程度低，严重制约着煤炭工业的战略西移；三是地质勘查技术单一，勘查速度和精度无法满足特、大型安全高效矿井建设需要。取得了一系列创新成果，建立了中国煤炭地质综合勘查理论与技术体系，取得了煤炭资源勘查的重大突破，有力支撑了煤炭工业的健康可持续发展五大关键技术：建立了以煤炭地质理论为支撑，以遥感调查技术、高精度地球物理勘查技术、煤炭地质快速精准钻探技术、煤矿区环境遥感监测与工程治理技术、煤炭地质信息化技术为关键核心技术的构成的立体的煤炭地质综合勘查理论与技术体系。

煤炭地质理论研究取得重大进展，建立了我国主要赋煤区煤系高分辨层序地层格架、成煤模式与控煤构造样式分类系统。

煤炭地质勘查方法取得新成果，建立了适应不同区域、不同条件的勘查模式和精细勘查程序。

创新点一：研发出适合不同复杂地层条件的多工艺复合钻进技术及配套设备、特种钻具和钻探技术优选专家系统，实现了复杂地质条件下的快速精准钻探。

创新点二：研发出针对西部复杂煤田地质条件的三维地震观测系统设计、专用成孔设备和工艺、层析静校正、叠前偏移和全三维属性解释技术，拓宽了三维地震的应用范围，提高了地震资料采集、处理和解释的效率和精度，能够查明落差5米以上的断层和直径大于20米的陷落柱。

创新点三：建立了中国各大煤田遥感地质光谱库和解译标志，创建了西部复杂地区1：50000-1：5000大比例尺煤田快速遥感地质填图模式，制定了煤田遥感地质填图规范。提出了煤炭地质遥感调查与地球物理勘探、钻探等相互配合的综合勘查流程，大大缩短了煤炭资源核心勘查周期。

创新点四：开发了具有自主知识产权的数字煤田系列软件，建立了全国491个煤田的煤炭资源空间数据库。实现了地质勘查野外数据采集、资料分析、图表绘制、工程管理、远程访问等地质勘查“三边”工作全过程的信息化。

项目依托的300余项大型勘查工程，新发现煤炭资源储量1000多亿吨，新增探明资源储量3500多亿吨。缓解了东部老矿区资源接替的紧张局面，实现了危机老矿区持续稳定的发展。在西部自然条件恶劣地区，探明了黄陇、榆神府、准东、宁东等大型整装煤田，保障了国家重点规划矿区和特大型现代化矿井的建设。进入新世纪以来，项目研究成果推广并成功应用到全国1000多个大型煤炭地质勘查项目中，煤炭地质单位累计为国家发现和探明10000多万亿吨煤炭资源，相当于上世纪五十年的探明资源量，无论勘查速度还是勘查质量都得到了很大的提升。

高精度三维地震勘探技术在北方所有新建大型矿井和生产矿井得到推广应用，地质构造查明程度大大提高，为煤矿安全生产和老矿井产能改造升级、新建矿井高产高效提供了可靠的地质保障；快速精准钻探技术被国家安全生产总局指定为矿山抢险、灾后恢复专门救援技术，在内蒙骆驼山煤矿突水、山西王家岭煤矿突水、郑州超化煤矿突水等灾害抢险中，快速打通了地面与井下巷道的“生命通道”，使受困矿工成功获救。

《中国煤炭地质勘查关键技术与工程应用》项目经中国煤炭工业协会组织有关专家对项目成果鉴定认为达到国际领先水平。中央电视台、中国政府网、科技日报等媒体对项目成果进行了报道和高度评价。项目主要研究成果分获2008年陕西省科学技术奖一等奖和2009中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖。

项目第一完成人徐水师 现任中国煤炭地质总局局长、总工程师，兼任国家能源领导小组专家成员、中国地质学会副会长、中国矿业联合会主席团主席、中国国际地球科学计划全国委员会委员、中国煤炭工业协会副会长、中国煤炭建设协会副理事长、中国遥感学会副会长、全国煤炭行业“653工程”领导小组副组长、专家指导委员会副主任、“653工程”煤田地质与测绘领域首席专家。中国测绘学会测绘与经济管理委员会委员等职务。1998年享受国家政府特殊津贴。2007年获得第十届李四光野外科技奖，获省部级一、二等以上科技奖项10余项，出版专著6部。

项目第二完成人王佟 现任中国煤炭地质总局副总工程师，中国地质学会矿产专业委员会副主任委员，构造地质专业委员会，中国煤炭学会煤田地质专业委员会委员、煤炭工业技术委员会煤田地质专家委员会委员，“653工程”煤田地质与测绘领域培训方向首席专家，教授级高工，享受国务院特殊津贴专家。长期从事野外地质勘查和地质科学技术工作，曾担任30余项大中型地质勘查项目项目和10余项重点科研项目负责人。获省部级一、二等科技奖项10余项，发表重要学术论文20余篇，出版专著3部。

项目第三完成人孙升林 现任中国煤炭地质总局副局长，中国地球物理专业委员会副主任委员，中国煤炭学会煤田地质专业委员会委员、中国地质学会委员，“653工程”煤田地质与测绘领域培训方向首席专家，教授级高工，享受国务院特殊津贴专家，获省部级一、二等科技奖项10余项，出版专著3部。

项目第四完成人曹代勇 中国矿业大学（北京）地测学院院长，教授、博士生导师。中国地质学会构造地质专业委员会常委，中国煤炭学会煤田地质专业委员会委员、矿井地质专业委员会委员，煤炭工业技术委员会煤田地质专家委员会委员，“653工程”煤田地质与测绘领域培训方向首席专家，主要研究方向：煤田构造、地质勘查理论与方法、矿产资源评价等。获国家科技进步三等奖1项，省部级科技奖10余项。出版专著和教材10部，发表论文近200篇。

交替剪接的预测

脊椎动物基因组的编码能力通过交替剪接大大增强，这使单个基因能够产生一个以上截然不同的蛋白。交替剪接决定遗传信息如何控制细胞过程，而很多人类疾病突变都影响剪接。能够从基因组序列数据预测不同交替剪接的信使RNA的表达，是基因表达领域人们所长期追寻的一个目标。研究人员开发出一种“剪接代码”，它能准确预测数百个RNA特征是怎样协同工作来调控数千个外显子依赖于组织的交替剪接的。这个代码已被用来预测交替剪接在发育和神经过程中会怎样发挥重要作用，并且为了解剪接调控的机制提供了线索。该代码还被集成到了一个网络工具中，它使研究人员能够扫描未定性的外显子和内显子序列，预测依赖于组织的剪接模式。

“伯吉斯页岩型”动物群落在早奥陶世地层被发现

加拿大卑诗省的伯吉斯页岩以含有各种各样软体动物化石而出名，这些动物来自寒武纪中期，距今约5.1亿年前，它们提供了一个了解早期海洋动物的窗口。现在，人们知道类似的动物来自相距非常远的不同地方，如中国和格陵兰，但过去有关证据似乎表明，这些动物在寒武纪中期灭绝了。实际上不是这样的。在摩洛哥的Lower Fezouata 和Upper Fezouata构造中发现了一种“伯吉斯页岩型”动物群落，其时间在距今约4.80亿-4.72亿年前的早奥陶世。这种类型的动物在寒武纪之后显然还存在。Fezouata生物区系为伯吉斯页岩群落和“奥陶系大规模生物多样化事件”（海洋生命史中最大事件之一，以前几乎全部由有壳类动物化石来代表）的早期阶段提供了一个联系。本期封面所示为来自Fezouata生物区系的一种marrellomorph节肢动物。

抗疟疾新药筛选结果

现在每年仍有近2.5亿疟疾病例见诸报道，死亡人数超过80万，其中大多数死亡者是5岁以下儿童。疟疾寄生虫镰刀形疟原虫已经产生了明显的抗药性，迫切需要开发新药。通过识别数以千计能够抑制红细胞中无性阶段镰刀形疟原虫生长的化合物，也许可以找到青蒿素的替代药物，它们很多在结构和机制上都与目前的药物截然不同。研究人员发表了对超过300,000种化合物的一个化学基因组筛选结果：共有1,300 种有疗效，其中561种具有很强药效和广谱治疗作用。通过对来自葛兰素史克公司化学药品数据库的近200万种药物的筛选，发现超过13,500种有疗效，其中很多对抗多种药物的分离体都有活性。这些研究提供了丰富的潜在线索，从事抗疟疾新药研究的学术机构及企业的实验室都可以免费获取。本期封面刊登的“三维等值面”所示为红细胞中镰刀形疟原虫裂殖子感染。

呼吸链Complex I的结构被确定

Complex I是呼吸链的第一种酶，它通过将NADH和苯醌之间的电子转移同质子转位耦合起来，而在线粒体中的细胞能量生产中扮演一个中心角色。这个巨大的复合物是呼吸链的最后环节，其机制和完整结构过去并不为人们所知。现在，来自大肠杆菌的Complex I的膜区域以及来自温泉菌（嗜热菌）的完整Complex I的结构已被确定。这些结构提供了关于耦合机制的有力线索：两个主要区域界面上发生的构形变化，会驱动一个长阿尔法螺旋发生一种活塞式运动，使附近跨膜螺旋倾斜，导致质子转位。本期封面图片所描绘的是来自嵌入在类脂双层中的温泉菌（嗜热菌）的呼吸链Complex I。每个亚单元都用不同颜色表示，亲水区域中的Fe-S簇显示为球形。背景所示为偏振光下的膜区域的晶体。

尼安德特人的基因组序列

一个国际性的研究团队对尼安德特人的基因组序列进行了测定。研究人员将在克罗地亚的一个洞穴中发现的来自3个尼安德特人骨头的样品的基因组与来自世界不同地区的5个现代人的基因组进行了比较。结果显示，人类拥有多种独特的基因，其中包括在人类与尼安德特人从一个共同祖先分开之后少数在我们的人类种系中快速扩散的基因。这些发现给人们提供了一份我们拥有人类身份的关键的基因组区域及基因的最终候选名单。现代人类与尼安德特人很可能在小范围内发生过杂交，时间可能是当现代人离开非洲之后在中东遇到尼安德特人的时候。

传染性疾病的发展趋势

在发展中国家，传染性疾病依然是最大杀手之一，其中肺结核和疟疾最为严重。2008年，全球约有1100万人感染肺结核，2.5亿例疟疾病例，造成数以百万计的儿童死亡，带来令人惊愕的人道主义灾难。3300万人携带艾滋病（HIV/AIDS）的人交叉感染了肺结核和/或疟疾，交叉感染全面增加这三种疾病发病率和死亡率。曾经我们立志要通过药物或疫苗找到解决这三种瘟疫的“魔弹”，但是却发现全面治愈或简单治疗方法是不存在的。这些病原体有着复杂的基因指令系统，可以不停的彻底改造自己，逃避传染防控措施带来的压力。为了防控这些传染性疾病，我们需要更有力的工具。本期将介绍用以理解和控制疟疾和肺结核的细胞、分子和流行病研究策略。

一种可穿透肿瘤多肽的辅助提高癌症药物的效率

抗癌药物对肿瘤的低穿透性可能是药效限制的重要因素。研究人员以小鼠癌细胞为模型，展示了先前表征过的一种可穿透肿瘤多肽iRGD在特定肿瘤和neuropilin-1依赖疗法中提高血管和组织的渗透性，可以辅助药物穿透进入血管外的肿瘤组织。更为重要的是，这种作用不需要药物以化学的方式与多肽连接。iRGD与多种结构药物共同注射均可提高药效，这些药物种类包括小分子（阿霉素）、纳米颗粒（白蛋白结合紫杉醇、阿霉素脂质体）和单克隆抗体（赫赛汀）。因此，iRGD辅助是提高抗癌药物效率的有效途径，并能同时减少抗癌药物的副作用。

界面限域铁心用于催化氧化

限制在纳米级矩阵中的表面配位不饱和亚铁结构（Coordinatively Unsaturated Ferrous，CUF）位点是大多数酶和均相催化反应的活性中心。制备相似的催化活性位点对于不均相催化尤为重要，中国科学院大连化物所包信和院士领导的课题组利用表面科学实验和密度泛函理论计算发现界面限域作用可以通过氧化铁和金属底物很强结合力来稳定CUF位点。金属支持物与界面限域CUF位点的协同作用激活了分子氧的活性。研究显示，在质子交换膜燃料电池的典型操作条件下，该结构可以高效催化低温一氧化碳氧化。

最早的多细胞生命形式

西非加蓬弗朗斯维尔附近黑色页岩内一大化石层中一系列保存完好的厘米尺度的化石，让我们能有机会一瞥也许是迄今所发现的最早的多细胞生命形式。这些新发现来自距今21亿年前的沉积物，是在大气氧浓度上升后不久，在被称为“寒武纪爆炸”的多细胞生命形式迅速扩大之前约15亿年。这些化石大小和形状各不相同，是具有很好结构的软体生物的残留物，其中一些有褶皱，说明它们可能具有柔性的层状结构。它们的形状和规则的质地反映了其组织的多细胞程度。这些化石可能代表着目前所报道的关于在大生物尺度上细胞-细胞信号作用及协调的生长行为的最早证据。本期封面所示为用显微断层摄影成像方式所显示出的一个大化石标本的结构。

“μ子氢”中“兰姆移位”的最新测量结果

质子是所有普通物质的一个基本亚原子组成部分及其单独作为氢离子而存在的普遍性，我们关于其结构和行为的知识还有一些令人吃惊的空白。研究表明，那些知识空白可能要比人们所以为的更大。新确定的数值来自具有技术挑战性的光谱实验——“μ子氢”中的“兰姆移位”的测量。“μ子氢”是一个奇特的原子，在其中电子被其更重的孪生兄弟μ子代替。结果是出乎意料的：所测出的电荷半径比以前的数值几乎小5%。这一偏差仍未得到解释。这一结果可能的意义是，测量得最为准确的基本常数“里德伯常数”的数值将需要修改，或者量子电动力学理论的有效性将受到质疑。

猴与人的分化

灵长类的化石记录很稀少，仍然存在实质性的缺口。其中一个缺口是“旧世界”的猴子与“新世界”高等灵长类内的类人猿和人类的分化。这种分化以前仅限于“非洲-阿拉伯大陆”的渐新世，但在沙特西北一个新的、处在进化树根部的狭鼻猿的发现缩小了这个缺口。沙特发现的这个材料来自距今约2800万年前的渐新世中期，它的狭鼻猿分化特征非常少，说明“旧世界”的猴子与“新世界”的类人猿之间的分化发生在那个时期之后。本期封面所示为头盖骨的前部，其犬齿和上颚宽臼齿都在原处。头盖骨的大小表明这是一个中等大小的灵长类，体重在15公斤和20公斤之间。

气候变化对动物种群的影响

气候变化影响植物和动物生命中定期发生的事件，如发芽、迁徙和冬眠以及种群动态和形态变化。同时对所有这些相互作用的因素进行监测是困难的，但对一种冬眠型哺乳动物黄腹土拨鼠种群所做的一项长期生命史研究提供了适合于完成这项任务的数据。1976-2008年间的气候变化使这些土拨鼠过早从冬眠中苏醒过来，延长了它们的生长季，所以它们现在要比其开始冬眠时重一些。与此同时，体型较大个体的适应性也增加了，导致种群规模迅速增大。气候变化生态学中的主要挑战是预测未来气候变化对于种群的影响。关于土拨鼠的这项研究工作提供了实现这一目的所需的数据。本期封面所示为冬天在落基山脉拍摄的黄腹土拨鼠照片。

如何养活饥饿的世界

到2050年世界人口将由现在的68亿增长到91亿，正如马尔萨斯主义者所提出的警告：我们将如何喂饱这些越来越多的嘴？在1961年至2007年间，世界人口从30亿翻了一番，但农业产量保持相同的发展速度，当前一些规划表明这种情况还将继续。毋容置疑的是，气候变化在一定程度上增加了农业产量规划的不确定性，但这仅仅是强调了通过管理和研究来完善预测的重要性。联合国粮农组织的一名官员认为2050年养活世界人口应该“很容易”。本期以专题的形式报道为实现养活世界的目标所能依靠的高新技术及其未来发展。

50个人类基因外显子揭示高原适应

藏高原的居民表现出可遗传的高海拔适应性。深圳华大基因研究院汪建研究员和王俊研究员领导的课题组与加州大学伯克利分校及华南理工大学合作分析了藏族人50个外显子的序列。研究识别出人种特异性的等位基因频率变化基因，这些基因极有可能与高原适应性有关。自然选择最强的信号来自于响应缺氧的转录因子Endothelial Per-Arnt-Sim domain protein 1（EPAS 1）。EPAS 1的单核苷酸多态性显示汉族人与藏族人之间存在78%的差异，这是迄今观察到的最高速度等位基因频率变化。这单核苷酸多态性与血红细胞丰度的联系支持了EPAS 1在缺氧适应中的作用。因此，本项人类基因组研究揭示了高原适应的重要功能基因的位点。

HIV持久性及HIV感染者长期无药物缓解的前景

即使出现有效抗病毒疗法，HIV感染还将长期存在。这种现象可能归因于病毒复制的不完全抑制，但更应归于早期建立的潜伏性感染细胞的稳定储存库。因此，控制HIV可能需要终生抗病毒疗法。这种疗法易于产生药物抗性和累积性副作用，并且对于HIV世界流行最严重的地区来说是无法承受的经济负担。本文介绍当今对HIV持久性和根除病毒潜在方法限制的理解，从而提议多学科联合努力实现两个高度相关目标：开发HIV预防疫苗和实现HIV感染者长期无药物缓解。

不对称密度相关性塑造了热带树木群落的物种丰度

人们对决定物种普遍和稀有的因素了解很少，尤其在高度多样性的群落中。理论预测邻近的相同和不同种类之间的相互关系可以影响物种的相对丰度，但是缺乏经验性试验。利用生存层次模型对巴拿马Barro Colorado岛上180种热带树的超过30000株树苗进行物种对邻近个体敏感性与其在群落中相对丰度的相互关系的分析。实验结果表明，同一物种而不是其他物种的对邻近个体生存的影响出现较大范围的变化，同种邻近影响与物种丰度之间存在显著的关联。尤其特别的是，稀有物种比普通物种遭受邻近同类的更多影响，这表明同物种密度相关性塑造了多样群落的物种丰度。

色素性视网膜炎锥状光感受体的基因再生恢复视觉响应

色素性视网膜炎是一种遗传性疾病，导致不可医治的致盲，全世界约有20万患者。研究表明，在光不明感锥状细胞中表达古细菌氯视紫红质可以替代先天光转导串连，可以恢复色素性视网膜炎模式小鼠的光敏性。重激活光感受体触发了所有视网膜锥途径，驱动复杂的视网膜回路功能，激活了皮质回路，介导视觉导向行为。利用人视网膜发现，氯视紫红质可以重激活非光敏性光感受体。

二维取向附生晶制造超薄PbS片

可控各向异性是先进材料领域生产复合功能材料的关键理论。根据这一理论，纳米晶体的取向附生晶自组装更大的块状体是纳米技术领域最具前景的方法之一。实验表明，PbS纳米晶体可以通过二维取向附生晶构成微米级多维超薄单晶片。研究发现，这一过程由共溶剂引发，在纳米晶体形成的初始阶段，共溶剂改变了成核和生长速率，最终由PbS多面体上油酸配体紧密包裹驱动。所获得的纳米片层无需进一步处理就可以用于光电探测设备上。