新时代山西煤炭地质工作若干问题的思考

刘汉斌

(1.山西大学资源与环境工程研究所，山西省太原市，030006；2.山西省煤炭地质局，山西省太原市，030006)

能源是国家繁荣发展的基础，能源安全是国家长治久安的基石。党的十九大报告指出：“推进绿色发展，推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系”。如何按照十九大的要求，推进能源生产革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系和低碳循环发展经济体系，保护生态环境，留住绿水青山是新时代我国经济、社会、能源、环境可持续协调发展的重大战略需要，也是未来我国能源发展的必由之路。

煤炭是我国主要的一次能源，是我国能源稳定与安全的基础(彭苏萍，2018)。2017年我国煤炭消费量占能源消费量的60%(国家统计局，2017)，预计到2020年我国煤炭消费比重仍会维持在58%左右(国家发改委，2017)。实现煤炭生产和煤炭消费的变革，提高煤炭的开发利用效率，减少煤基污染物排放和生态环境等的破坏，对我国能源生产和消费革命及清洁低碳、安全高效的能源体系的构建具有重要意义(谢和平等，2018)。

推进煤炭生产革命，首先是煤炭开发利用的理念革命，其次才是技术革命。我国煤炭总量丰富，全国2000 m以浅煤炭资源量5.82万亿t，保有资源量1.94亿t(彭苏萍，2018)。但同时面临着绿色煤炭资源量少、回采率低、开采条件复杂、安全形势严峻、环境压力大、地质保障低、深部采矿理论滞后、采矿智能化水平低等诸多问题(袁亮，2017)。另一方面，煤炭资源常年的高强度开采导致了严重的资源浪费与生态环境破坏，严重影响了

新时代我国现代能源体系的建立。面对这些问题，近年来众多学者从不同角度就煤炭地质勘查、开发、利用、矿山建设提出了诸如绿色勘查、综合勘查、绿色煤炭、科学产能、科学开采、绿色开采、绿色矿山等众多新概念、新理念、新构想。这其中诸如绿色勘查和绿色矿山已经为煤炭地质界和采矿界所认同，并形成规范共同遵守。这些新概念、新理念、新构想从不同角度阐释和指明了我国煤炭生产变革的发展路径和前进方向，共同构成了新时代我国煤炭能源体系建设的结构框架和新时代煤炭地质勘查、开发、矿山建设的构建链条，分别见图1和图2。

图1 新时代能源体系与煤炭绿色矿山架构图

图2 新时代煤炭地质勘查、开发、矿山建设链条图

山西是我国煤炭大省，也是国家的煤炭能源基地。建国以来，山西省累计生产原煤183亿t(山西省经信委，2018)。长期的高强度、粗放式、无序开采和利用导致全省煤炭资源破坏严重、环境污染日益加剧，生态压力与日俱增(牛仁亮，2003)。随着中国特色社会主义进入了新时代，如何站到更高层级的历史方位上，探索一条新时代山西煤炭产业发展新路，是摆在我们面前的一个历史问题。本文从新时代能源体系要求出发，分析思考了目前流行的几种煤炭地质理念与构想，并结合山西省煤炭地质工作实际，提出新时代山西煤炭地质工作的前进方向。

1 新时代煤炭地质工作的若干理念

1.1 绿色勘查与煤炭综合勘查

1.1.1 绿色勘查

伴随着经济的发展，矿产的需求量越来越大，矿产勘查活动逐渐变得常态化，但以往的粗放式的矿产勘查活动对环境破坏较大的缺点也逐渐显示出来，土壤污染、水污染、生态环境恶化、次生地质灾害屡见不鲜。如何在保证矿产勘查活动的同时，化解保生态与保发展的矛盾，减少对生态环境的影响，成为矿业发展的一个难题。于是绿色勘查的理念应运而生，并在2016 年被纳入《国土资源“十三五”规划纲要》。之后，国土资源部又发布《绿色勘查行动宣言》，号召全国地质勘查行业实施绿色勘查。2017年国土资源部等 6 部门又联合印发《关于加快建设绿色矿山的实施意见》，要求各勘查部门逐步健全绿色勘查标准体系。

党的十九大报告提出，必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策，像对待生命一样对待生态环境。绿色勘查是以绿色发展理念为引领，以科学管理和先进技术为手段，以同时产生环境效益和经济效益为目标，实施地质勘查全过程环境影响最小化控制，并对受扰动生态环境进行修复的勘查方式。显然，绿色勘查是矿产勘查领域贯彻落实中央生态文明战略的重要举措，也是建设绿色矿业的基本要求。狭义的绿色勘查是指在地质勘查过程中对环境和生态污染破坏少。广义的绿色勘查是指在绿色发展和保护生态环境的理念下，使用多种勘查手段，在考虑到矿床开采条件的基础上，开展矿产资源的综合勘查与评价，实现矿产成果和环境效益的平衡和优化(曹代勇等，2018)。与传统勘查相比，绿色勘查具体体现在矿产勘查理念的变化、勘查思路的变化、勘查手段的变化和勘查成果(评价方式)的变化，见图3。在矿产勘查理念上，煤炭绿色勘查变以往的“找煤”为“煤系矿产”，包括煤炭、煤层气、页岩气、高岭土、高铝煤矸石、煤系铝土矿等。在勘查思路上，绿色勘查更加注重3S技术和物探技术的运用与三维地质建模，尽可能减少地面施工与钻探工程。

图3 新时代煤炭地质勘查理念-勘查手段-评价方式链条图

1.1.2 综合勘查

近年来，随着煤炭地质勘查理论和勘查技术的进步，煤炭地质勘查又提出了综合勘查的概念。综合勘查是指在充分研究工作区地质构造规律和沉积规律的基础上，依据工作区地貌地质特点和地球物理特征，综合运用遥感、物探、化探、钻探、测试化验等勘查手段，在绿色勘查理念的指导下，对工作区展开多种矿产资源的综合勘查(王佟，2013；舒建生，2018)。综合勘查在理念上强调煤与煤层气、煤炭共伴生矿产资源进行协同勘查，在勘查手段上注重多种勘查方式综合运用，强调煤基煤系矿产资源的综合勘查、综合评价、一体化勘查与矿产资源的综合开发利用。

1.2 绿色煤炭资源与科学产能

1.2.1 绿色煤炭资源

绿色煤炭是新时代对煤炭地质工作提出的新要求。绿色煤炭资源是指在当前技术条件下，资源禀赋好，能够安全高效开采，清洁高效利用，生态破坏小，具有经济竞争力的煤炭资源(王佟等，2017)。绿色煤炭资源与洁净煤的区别在于，洁净煤一般是指低硫、低灰、低熔点、高发热量的煤炭资源(唐书恒等，2016；杨淑婷等，2011)，而绿色煤炭资源在强调洁净的同时，更加注重开采条件和生态破坏及经济竞争力。王佟等(2017)在分析我国煤炭资源状况的基础上，阐述了我国绿色煤炭资源的概念内涵，构建了绿色煤炭资源评价技术框架。绿色煤炭资源量是指能够满足煤矿安全、技术、经济、环境等综合条件，并支撑煤炭科学产能和科学开发的煤炭资源量(袁亮等，2018)。袁亮等(2018)基于我国煤炭资源赋存特征，提出了绿色煤炭资源的概念，分析了我国绿色煤炭资源量的分布。

1.2.2 科学产能

谢和平等(2012)针对我国煤炭资源开采的现状及存在的问题，提出了煤炭资源科学产能的概念和内涵。科学产能是指在具有保证一定时期内持续开发的储量前提下，用安全、高效、环境友好的方法将煤炭资源最大限度采出的生产能力。(谢和平等，2011；谢和平等，2014)。

1.3 科学开采、绿色开采、绿色矿山

1.3.1 科学开采

科学开采是指在科学发展观的引领下，地质与生态环境协调发展的前提下，克服复杂地质条件和工程环境带来的安全隐患，安全、高效、绿色、经济、可持续地最大限度地获取自然资源，包括安全开采、绿色开采、高效开采、节能低碳开采和经济开采(谢和平等，2012；钱鸣高，2010；王家臣等，2016；钱鸣高，2018)。新时代科学开采技术框架见图4。

图4 新时代科学开采技术框架

1.3.2 绿色开采

绿色开采是指在地质和生态环境协调发展的前提下，运用低开采、高利用、低排放的开采技术，安全、高效、绿色、经济地获取矿产资源，即按照环境友好的发展要求，通过控制开采、保水开采技术、矸石井下充填与地面加固技术、土地复垦技术、矿井瓦斯抽采技术、煤炭地下气化等技术的综合利用，在实现煤炭资源高采出率的同时，大幅减轻煤炭开采对生态环境的破坏，改变传统采煤工艺造成的突出生态与环境问题，使环境资源得到最优配置(钱鸣高，2010)。绿色开采是我国煤炭工业的发展方向，其基础是绿色勘查，核心内容是建设绿色矿山(钱鸣高，2007；谢和平，2014)。

1.3.3 绿色矿山

绿色矿山的概念最早提出于2010年(国土资源部，2010)，是指在地质勘探、矿山建设、生产、闭坑、生态修复的全过程，按照利用资源集约化、开采科学化、管理规范化、生态公益环保化、采矿充填常态化、矿山管理生态化的要求开发矿产资源，实现矿产开发与生态环境保护协调发展、矿业经济的可持续发展。新时代绿色矿山建设思维导图见图5。

2017年，原国土资源部等6部门联合印发《关于加快建设绿色矿山的实施意见》，并从矿区环境、开发利用方式、资源循环利用、数字矿山、矿山企业形象5个方面提出了煤炭行业绿色矿山建设要求。重点包括：在开采方式上，倡导充填开采、保水开采和煤与瓦斯协调开采等绿色开采技术；在恢复治理上，主张资源开发利用与矿山地质环境治理恢复和土地复垦方案同时进行；在资源评价上，主张多种资源先上后下，先抽后掘，先抽后采，逐层开采，综合评价综合回收；在节约利用上，要求分类处理、物尽其用，原煤入选率100%，废水重复利用率85%以上。2018年6月，自然资源部发布了《煤炭行业绿色矿山建设规范》(DZ/T 0315-2018)，并从2018年10月1日起实施。

图5 新时代绿色矿山建设思维导图

1.4 煤炭精准开采与近零生态环境影响开发利用

1.4.1 煤炭精准开采

新时代煤矿开采生态化水平趋势图见图6，随着互联网+、数字矿山、物联网、大数据、云计算等概念的提出，袁亮(2017)在总结煤炭开采历史及科技发展的基础上，提出了精准开采的设想，并预测2030 年我国可基本实现煤炭精准开采。煤炭精准开采以透明矿山和多场耦合为基础，以少人(无人)开采技术和安全开采技术为支撑，以数字化、信息化为重要手段，是智能开采与灾害防控一体化的未来采矿新模式，对提高煤炭安全开采技术水平与资源开发效率具有重大意义。

图6 新时代煤矿开采生态化水平趋势图

1.4.2 煤炭近零生态环境影响开发利用

王金华等(2018)在中国工程院“煤炭绿色开发利用与煤基多元协同清洁能源技术革命”研究项目的基础上，又提出了煤炭近零生态环境影响开发利用的理念技术构想，认为在中长期的尺度上，未来煤炭开发利用可以实现少影响或不影响生态环境，到2050年我国可建立起“采前有规则、采中能控制、采后可修复”的煤炭绿色开采技术体系，实现由单一煤炭生产到煤炭综合利用转变和煤炭从勘探到生产加工全过程的产业链生态破坏控制。与此同时，谢和平等(2018)在中国工程院能源革命战略研究项目的基础上，就中国煤炭能源革命的战略提出了“近零生态损害、科学产能、高效低碳”的煤炭发展理念和近零生态损害科学开采、近零排放的清洁低碳利用、矿井建设与地下空间一体化利用、流态化开采的全产业链煤炭技术革命路线图，描绘了我国未来30 年煤炭革命的技术发展战略蓝图。

2 新时代山西煤炭地质工作

我国是一个富煤、少气、贫油的国家，煤炭是最主要的能源，资源量占我国化石能源资源基础储量的94%以上(彭苏萍，2018)。山西作为国家能源与重工业基地，预计未来很长一段时间内，以煤为主的产业结构不可能改变。按照新时代能源发展要求，做好山西煤炭地质勘查工作，保证山西的煤炭能源持续稳定供应，对推进我国能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系具有重要意义。

2.1 绿色勘查，摸清科学产能

2.1.1 遥感与地震勘探

近年来，高分辨率遥感技术被广泛应用于煤炭地质勘查与评价、矿区生态环境、地质灾害调查与监测等领域，并取得一系列重要成果。因此，山西煤炭地质勘查今后要更加重视运用GPS、INSAR、倾斜摄影、三维激光扫描、无人机探测、地空电磁法等技术，对矿区地表生态环境、煤层自燃区进行评价和预测。随着地球物理勘探技术的迅猛发展，煤炭地震物理勘探在煤炭资源勘查、开采技术精细探测、采空区探测方面应用越来越广。在绿色勘查理念的指导下，整合全省煤炭地质地震勘探资料，建设全省煤系地层地球物理模型和全省煤系地层地震属性库，建立山西不同地区、不同埋深煤系地层地震属性模型，指导全省煤炭地质勘查与开发利用。

2.1.2 地质建模与“新三边”工作

山西位于华北聚煤盆地的核心部位，煤层沉积稳定，地层性质相对稳定。近年来，随着勘查程度的提高，地质资料积累众多，为煤系地层三维地质建模提供了便利。以数字煤田、数字矿山、地质云、大数据为基础，建立勘查区和矿山地质三维地质模型，为服务煤炭地质勘查和矿山采掘决策。以往的煤炭地质勘查，由于地质资料积累不够，老一辈地质人提出了“边勘查、边研究、边调整”的三边工作原则，但是目前随着勘查程度的加深，工作区区域地质情况已基本摸清，新时代的三边工作也应调整为“先建模、边勘查、边研究、边调整”。在勘查之前，就根据预查和周边地质资料进行地质建模，在模型的基础上布置钻孔和工作量，在施工中不断调整和优化地质模型，煤炭地质勘探“新三边”工作思路见图7。

图7 煤炭地质勘探“新三边”工作思路

2.1.3 摸清科学产能

山西煤炭资源丰富，截至2012年底，全省2000 m以浅煤炭资源储量6552亿t，1200 m以浅煤炭资源量2709亿t。但资源量不等于可采量，可采量不等于绿色煤炭资源量。据估算，山西下组高硫煤约占全省煤炭资源总量的1/4；“三下采煤”和各类保护区等压覆煤炭资源约占全省煤炭资源总量的1/4；受构造、煤层厚度、埋深、水害影响煤炭资源约占全省煤炭资源总量的1/4。因此，山西绿色可采煤炭资源储量仅占全省保有查明资源储量的1/4。因此，在今后的煤炭地质勘探工作中，除了以往常规的储量计算外，还应对勘查区煤炭进行洁净等级划分和绿色煤炭资源量评价，并对照现行的实际开采水平进行科学产能的划分计算，保障全省绿色煤炭资源量的持续与稳定供应。新时代煤炭勘查新思路见图8。

图8 新时代煤炭勘查新思路

2.2 综合勘查，服务绿色开采

从预查开始，即推行综合勘查、综合评价。改变以往单一的煤炭勘查理念，树立综合勘查、综合评价、综合开发的勘查思路，逐步推进煤与煤系气、煤系共伴生矿产及煤系水资源的共同勘查、协同评价，建立绿色煤炭资源勘查评价体系，实现煤炭资源的精细勘查。新时代煤系矿产综合勘查框架图见图9。

图9 新时代煤系矿产综合勘查框架图

2.2.1 煤系气勘查

山西煤系气包括煤层气、页岩气、致密砂岩气。山西页岩气有利区估算资源量4.44万亿m3(山西省国土资源厅，2016)。鄂尔多斯盆地东缘探明致密砂岩气储量达2000多亿m3(山西省人民政府，2017)。山西煤层气资源丰富，截至2015年底，山西全省2000 m以浅煤层气资源总量约8.3万亿m3，约占全国煤层气资源量的28%，探明煤层气储量5784亿m3，占全国的88%。2015年，全省煤层气抽采量101.3亿m3，利用量57.3亿m3。其中，煤矿瓦斯抽采量60.2亿m3、利用量22.3亿m3(山西省人民政府，2017)。根据《山西省煤层气资源勘查开发规划(2016-2020)》，到2020年，山西计划全省煤层气新增探明地质储量5000～8000亿m3，到2025年新增探明地质储量5000 m3。因此，做好全省煤层气勘查工作，大力推进煤矿瓦斯抽采全覆盖工程，加大井下煤矿瓦斯抽采量，力争在煤层气与页岩气、致密砂岩气共探共采和深部煤层气基础理论、关键技术方面取得突破，保障山西煤层气开发利用，是新时代煤炭工作的另一重要任务。

2.2.2 煤系共伴生矿产勘查

山西煤系地层中拥有丰富的煤炭共伴生矿产，除煤系气外还有高铝煤矸石，高岭石，耐火黏土、铝土矿、黄铁矿，三稀矿产锂、镓、锗、铀等，山西煤中主要共伴生矿产见表1。山西以往的煤炭地质勘查工作，由于对煤系共伴生矿产不重视和分析测试技术的制约，煤系共伴生矿产的分析测试大多缺失。进入新时代，在综合勘查和绿色勘查理念的指引下，有必要整合全省煤炭地质勘查和化验资料，对山西煤中共伴生矿产与煤中微量元素进行重新的资源评价和开发利用评价。

表1 山西煤中主要共伴生矿产

2.2.3 煤系水资源勘查

树立综合勘查的勘查思路，在煤炭地质勘查中，将煤系水资源化利用，资源化勘查。提高矿井水处理利用水平，推动煤矿矿井水的二次利用与零排放，推广矿井水和工业外排污水(包括中水)的资源化利用技术，处理后的水作为工矿区工业用水、生活用水、绿化用水和农田灌溉用水等(山西省人民政府，2016)，探索利用废旧矿井回灌或储存矿井水，建设地下水库(山西省经信委，2018)。研究山西煤系水资源开发和保护利用方案，对大同矿区干旱区采空区积水进行资源化利用。

2.3 保障有效，建设绿色矿山

2.3.1 矿区环境治理与生态修复

由于长期以来粗放的发展模式和“先破坏、先污染、后治理”的发展思路，山西煤炭资源的开发利用造成了严重的环境污染和生态破坏，甚至已成为制约山西经济进一步发展的首要因素(牛仁亮，2003)。据统计，截至2015年，山西全省由于采煤造成的采空区面积近5000 km2，受灾人口约230万人(山西省人民政府，2015)。在新的历史条件下，按照绿色矿山的要求，在煤炭资源开发利用的同时，做好矿山地质环境治理恢复和土地复垦，是新时代山西煤炭地质工作的重要任务。

2.3.2 矿井水害防治与矿山垂直救援

针对山西老空区积水和煤矿水害频发的现实，做好山西煤矿矿井水害防治工作和灾后救援地质服务。矿井水探测方面，做好矿井水文地质精细化勘查，创新煤炭地质保障技术，采用地面-井下-巷道物探联合法精细探测技术，煤矿采区小构造探测、含水层探测、采空区探测及煤田陷落柱探测；采用地面-井下电磁法、瞬变电磁法高精度、超前探测煤矿采空区积水；研发矿山突水预警系统，为山西煤炭安全高效绿色开采提供精准地质服务。服务矿山垂直救援方面，按照以人为本和有备无患的理念，变被动救援为主动备战，大力发展钻孔快速定位、小口径和大口径快速钻进技术，做好矿山垂直救援地质保障工作，服务矿山紧急抢险和救灾。

2.3.3 采煤沉陷区治理与闭坑矿井综合利用

以煤矿去产能为契机，加大煤矿采空区和废弃矿井的煤层气抽采力度(山西省人民政府，2015)和废旧矿井地下水库建设(顾大钊，2015)。山西省煤炭资源丰富，采煤历史悠久，采空区或废弃矿井繁多。近年来，在国家煤炭去产能的号召下，累计关停大型矿井52座，这些区域蕴含有丰富的煤层气资源。山西蓝焰煤层气集团承担的“废弃矿井采空区地面煤层气抽采技术研究及示范”项目中废弃矿井单井日均产量1155 m3(山西省科技厅，2017)。目前，全省采空区面积大约5000 km2，其中废弃矿井4700余口，预测全省采空区煤层气资源量约2100亿m3(山西省国土资源厅，2017)。 开展全省废弃矿井采空区煤层气调查，建立采空区与废弃矿井煤层气数据库与资源评价模型，是新时代山西煤炭地质勘查的另一重要任务。开发利用好采空区和废弃关停矿井煤层气是绿色矿山的建设要求，同时也是煤炭绿色开采的内在需要(谢和平等，2017)。

3 结语

山西是我国煤炭大省，也是国家的能源基地，做好新时代山西煤炭地质工作，保证山西的煤炭能源供应，对推进全国能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系具有重要意义。在面临煤炭去产能的今天，山西应大力淘汰落后产能，开采科学产能、绿色煤炭，走煤炭高效、清洁、绿色开发利用的发展道路。山西的煤炭地质工作首先应大力发展绿色勘查，摸清全省的科学产能家底和绿色煤炭资源家底，保障全省乃至全国的绿色煤炭需求量。其次，山西应树立综合勘查理念，大力发展绿色勘查技术和绿色开发技术，推进煤与煤系气、煤系共伴生矿产、煤系水资源的共同勘查协同评价，建立绿色煤炭资源勘查评价体系，实现煤炭资源的精细勘查，为下一步煤炭的精准开发奠定基础。再次，山西煤炭地质工作应创新煤炭地质保障技术，在煤炭水文地质精细化勘查方面，矿山垂直救援方面，矿区生态环境治理生态修复、沉陷区治理与闭坑矿井的资源化利用方面做好地质服务保障，为建设绿色矿山做好地质服务。