煤地质学研究新进展及其前景展望Interna-tional Journal of Coal Geology 2016～2020年文献统计*——基于

鲍 园 孟佳豪 胡宜亮 孙 强

(①西安科技大学地质与环境学院， 西安 710054， 中国) (②西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院， 西安 710054， 中国)

0 引 言

煤地质学是一门研究煤层、煤系及其共伴生矿产资源的物质组成、物化性质、形成演化及其分布规律的科学，它涵盖煤田地质学、煤岩学、煤地球化学和油气地质学等学科研究内容(曹代勇等， 2010)。煤炭作为中国最重要的能源矿产之一，在一次能源消费中占比超过55%(中华人民共和国国家统计局， 2020)，居绝对主导地位，对中国经济发展具有至关重要的意义。随着世界主要产煤国家对煤炭资源安全开采、洁净利用的要求逐渐提高和煤矿开采深度的不断增加，煤地质学的研究重点也在逐渐发生变化。煤系气作为一种相对清洁的能源日益引起国内外学者的广泛关注(Bao et al.，2020; 李勇等， 2020； 孙钦平等， 2021)，深部煤炭资源开发中遇到的煤矿瓦斯灾害、动力地质灾害及矿井水害等与煤地质学研究相关问题的重要性日益凸显。随着科学技术不断的发展，涌现出了许多新的理论、分析方法和测试手段(孙琪皓等， 2019； 毕鹏程等， 2020； 姚佳明等， 2020)，同时出现的问题也越来越复杂，学科之间需要理论交叉以应对复杂的现实问题，使得煤地质学出现了新的生长点，形成了一些新的边缘研究领域(曹代勇等， 2010； 张泓等， 2010； 王佟等， 2017)。InternationalJournalofCoalGeology是爱思唯尔(Elsevier)公司出版的、被煤地质学领域科技工作者广泛认可的国际期刊之一，该期刊出版的文章能在一定程度上反映出国际上煤地质学近期的研究方向与热点内容。

图 1 第一作者所属国家的发文数量统计结果Fig. 1 Statistical results of the papers published by the countries of the first author

宋党育等(2016)对该期刊上2011～2015年发表的文章进行了统计分析，认为煤中矿物质、微量元素与地球化学，煤岩学和有机地球化学，石油、天然气、页岩气是21世纪初煤地质学研究的主要方向，煤层气是当时的研究热点。但是，近5年关于煤地质学的研究热点内容发生了怎样变化？这方面尚缺少相关的统计分析。本文通过统计2016～2020年InternationalJournalofCoalGeology期刊上发表的784篇论文(其中有109篇是关于页岩气的储层表征、富集机理、开发评价以及常规油气等方面的研究，不属于煤地质学研究范畴，未做统计分析)，分别从第一作者国家分布、单位分布、研究内容等方面进行发文数量变化统计分析，重点探讨了近5年关于煤地质学研究的热点内容，并对未来发展趋势做了前景展望。研究成果为厘清煤地质学的发展历程、当前研究热点及未来发展方向提供了参考依据。

1 煤地质学的发展

第2次工业革命时期，随着欧洲煤炭资源需求量的快速增加，煤地质学作为一门独立学科，最早是从地质学中独立出来的(缪富恩， 1963)。中国煤地质学发展要晚于西方国家，主要可划分为4个阶段： 1840年鸦片战争前的萌芽阶段、鸦片战争到辛亥革命时期的创立阶段、辛亥革命到新中国成立时期的缓慢发展阶段以及新中国成立后的快速发展阶段(关世桥， 2011)。

1922年中国地质学会的成立标志着中国煤地质学发展迎来了曙光。杨起和韩德馨主编的《中国煤田地质学》为我国煤地质学发展奠定了理论基础(杨起等， 1979； 韩德馨等， 1980)。1949年以前煤炭地质学研究的主要内容是煤岩学、成煤古植物学、含煤岩系、煤层与煤田构造等基本特征(缪富恩， 1963)，即借助国外的地质理论研究中国的煤炭资源储量、分布、煤系地层特点等方面，并对国内的煤田和煤盆地分布、成煤时代、煤系地层划分对比及煤质等方面均有了一定认识。1996年《中国煤炭工业百科全书——地质测量卷》对“煤田地质学”进行了定义：煤田地质学，又称煤地质学，即运用地质学理论、方法，全面研究煤、煤层、含煤岩系、煤盆地、煤田以及煤成气、煤成油、油页岩和其他共伴生元素、矿产的成因、组成、性质及其分布规律的学科(杨锡禄等， 1996)。新中国成立以后煤地质学的研究内容得到了进一步的拓展，新增了煤成因、控煤构造、煤系沉积地质学、聚煤规律与聚煤模式、煤炭资源预测与潜力评价、煤矿开采地质条件预测与综合评价技术和煤炭清洁高效利用技术方面的研究(张泓等， 2010； 关世桥， 2011； 胡社荣等， 2012)。之后，曹代勇等(2018)对煤地质学的定义进行了进一步的拓展，延伸到了煤炭及其伴生资源评价和勘探、开发地质、煤加工利用和环境保护等工程技术问题。经过几十年的发展与完善，现今人们对煤地质学研究有了新的认识与理解，本文对煤地质学的研究内容进行了重新梳理，认为煤地质学是一门运用地质学和地球化学的理论与方法，研究煤层、煤系及其共伴生矿产资源的成因、组成、性质、分布规律、资源评价、勘探、开发、煤加工利用和环境保护等的学科。

2 近五年发文统计结果与分析

InternationalJournalofCoalGeology期刊上发表的784篇学术论文，按文献类型统计，研究类文章716篇，综述类文章28篇，简报类文章40篇。按第一作者所属国家分类，位列前3位的国家是中国、美国和澳大利亚。按第一作者所属单位分类，位列前3位的单位依次为中国矿业大学(北京)、昆士兰大学和中国地质大学(北京)。按研究内容分类，煤岩学和有机地球化学方向是近5年的研究热点内容。

2.1 按第一作者所属国家分类

以5年内各类文章的第一作者所属国家进行统计，各个国家发文数量如图 1所示。对比发现，第一作者来自中国的发文数量最多，共计215篇，占全部的27.4%； 其次是美国、澳大利亚和德国，分别为126篇、83篇、48篇； 可将这些国家按发文数量分为3个梯队，第1梯队是中国、美国和澳大利亚，发表的论文数量在80篇以上，这3个国家5年内发文数量占了全部的54.1%； 第2梯队是德国、波兰、英国和加拿大，发表的论文数量在30～50篇，这4个国家发文数量占了全部的19.5%； 第3梯队是印度、土耳其、葡萄牙等，发表论文的数量在30篇以下，这些国家发文数量占全部文章的26.4%(图 1)。表明近5年来，我国在煤炭相关领域的研究相比于其他国家偏多，发表文章数量比第二名(美国)多近1倍。

图 2 不同年份的第一作者所属国家的发文数量统计结果Fig. 2 Statistical results of the papers published by the countries of the first author in different years

将发文数量前10的国家按不同年份进行分类，统计结果如图 2所示。由图 2可知在以第一作者所属国家划分中，中国在该期刊各年发表文章数量在不同的年份均是第一，并且每年文章的数量在30篇以上。其中中国作者发文数量在近5年也存在一定的波动性，体现在2016年到2018年发文数量持续增加， 2019年突然下降。产生这一现象的主要原因可能与2018年中华人民共和国科学技术部(2018)发布通知中明确指出要对部门和单位政策文件、各类考核评价条件和指标以及有关管理信息系统和工作表格中涉及“四唯”的内容进行修改，部门和高校也开始取消发表论文奖励制度，使得论文发表数量在2019年突然下降。

2.2 按第一作者所属单位分类

对近5年发表各类文章的第一作者所属单位进行统计分析，由于所属单位数据较多，将统计后的数据排序，对其排名靠前单位进行绘制，结果如图 3所示。

表 1 不同研究方向的发文数量近10年统计结果Table 1 Statistical results of the published paper numbers of different research contents in recent ten years

图 3 第一作者所属单位发文数量及其占比统计结果Fig. 3 Statistical results of the number and proportion of papers published by the units of the first author

本文根据宋党育等(2016)的研究方向分类做了调整，体现在： 1、石油、天然气、油页岩与页岩气中与有机化学相关的文章以及煤化作用归为煤岩学和有机地球化学； 2、煤系气包含与煤系地层相关的煤层气、页岩气、致密砂岩气等非常规天然气； 3、煤自燃与地下气化归为一类； 4、煤炭资源生产、矿井瓦斯和矿井水归为煤炭开采及矿井水处理由图 3可知，统计结果中中国的研究院或大学占比很高，达6/11。根据第一作者所属单位发文数量图可将这些单位分为3个梯队，第1梯队是中国矿业大学(北京)，发表文章30篇，占比为12.7%； 第2梯队是昆士兰大学、中国地质大学(北京)和中国矿业大学，发表论文数量在20～30篇，占比为10%～12%； 第3梯队是亚琛工业大学、美国地质调查局等，占比小于10%。不难发现各国发表文章的单位主要为大学和研究院，其中高校更是煤地质研究的主要力量。前11名中以矿业、资源为特色的学校占比较大，且中国矿业大学(北京)、中国地质大学(北京)和中国矿业大学在每年的文章发表数量中都排名靠前，由此可见这3所大学是中国煤地质学研究中的主力军，为研究煤地质的发展奠定了基础。以中国矿业大学(北京)为例，其在近5年的发表论文数量排在第1名，这与该学校的独特性有一定关系，它是以煤炭资源研究为主体和特色的综合类大学，学校中开设的大部分专业都跟煤研究有或多或少的联系，进而支撑了煤相关学科的研究。目前，很多理工科高等院校都有设立煤地质专业和课程，更促使了煤地质学研究的快速发展，它们正成为当代研究的主要力量。因此可以说，教育为煤地质学的发展，提供了强有力的人才支撑，起到非常重要的推进作用，特别是高等院校师生，更是煤地质学研究主要力量。

2.3 按研究方向分类

本文将近5年发表的784篇文章按研究方向划分归类，最终归为9个研究方向：沉积环境、煤岩学和有机地球化学、煤中矿物质、微量元素与地球化学、煤系气、煤地下气化及煤自燃、煤炭洁净化利用、古生物、煤炭开采及矿井水处理和其他。结合宋党育等(2016)对2011～2016年InternationalJournalofCoalGeology期刊上发表的文章数据统计结果汇总出不同研究方向10年内的发文数量如表 1所示。分析表中数据可知：煤岩学和有机地球化学是近5年内研究热点，发文数量最多，共计245篇； 煤系气、煤中矿物质、微量元素与地球化学和沉积环境方向发文数量超过100篇，近5年一直为人们所重视； 煤炭开采及矿井水方向的论文数量有70篇，该方向的研究一直在持续开展； 煤炭洁净化利用、煤地下气化及煤自燃和古生物方向的论文数量少于40篇，在近5年研究相对较少。综合之前的论文第一作者的所属国家和所属单位发文数量图，发现这些论文主要源于每个国家较为固定的高校或研究机构，并且发文数量多的所属单位和国家的研究内容多且方向广，而发表论文数量少的单位和国家的研究方向相对较少。

3 煤地质学研究的热点内容

图4为不同研究方向的发文数量统计结果，其中5年内发文数量在100篇以上的有4个，分别为煤岩学和有机地球化学、煤系气、煤中矿物质、微量元素与地球化学和沉积环境。它们分别占论文总数的31.3%、16.7%、16.1%和13.5%。下面将对这4个方向研究内容进行详细论述。

图 4 近5年热点研究内容的发文数量统计结果Fig. 4 Statistical results of the hot research articles published in recent five years

3.1 煤岩学和有机地球化学

近5年有关煤岩学与有机地球化学方向的论文有245篇，占论文总数的31.3%，论文数量相较于前5年有所增加，主要研究内容包括烃源岩的生油、生气潜力、有机地球化学特征等。

3.1.1 煤岩学

四是技术要求高，质量难保证。中药材的药性受地理、生态等因素如纬度、海拔、地形地貌、光照、气温、土壤和降水的影响，这些环境条件对中药材生长都起着决定性作用。如果不按照技术要求随意种植，既影响品质，又易遭到病虫害侵袭。中药材对栽培技术要求严格，特别是随着中药材生产质量管理规范(GAP)的试行，对中药材生产技术要求更为严格，对达不到GAP要求的，不能进入下一道生产环节，生产的药材就是废品。同时，中药材抗病虫性较差，极易受病虫害侵袭，加上我县农户一般都把中药材作为农作物生产的“附带物”进行栽培，凭经验管理中药材，有的产量很低，有的品质达不到要求，没有更新品种的观念，品种退化严重。

煤岩学是把煤作为有机岩石，以物理方法为主研究煤的物质成分、结构、性质、成因及合理利用。近5年主要是对煤层的煤岩学性质、成因及其意义开展研究，在煤岩学的地质应用与新的分析和测试手段方面也有新的突破，如利用拉曼光谱技术(RS)和计算机断层扫描技术(CT)对石墨表面FWHM宽度和煤的表面韧性变形、弹性模量等参数进行表征(Rantitsch et al.，2016; Manjunath et al.，2019)。此外，煤岩学方面还包括改变外部条件对煤储层的影响研究，如通过微波处理后不同等级煤的岩石物理变化研究(Li H et al.，2016)、风化作用对炼焦煤性质的影响(Smedowski et al.，2016)以及在循环加载条件下无烟煤渗透率的变化研究(Fan et al.，2019)。

3.1.2 有机地球化学

有机地球化学研究包括煤或岩层中有机组分的组成和地球化学特征及有机质生烃潜力等方面，近5年有关有机质的来源及其成因研究增多。由于拉曼光谱具有快速、可靠和非破坏性的特征，近年来应用拉曼光谱技术在有机质的成熟度研究方面非常热门，通过拉曼光谱可以测量笔石的有机成熟度(Mumm et al.，2016)、借助镜质体反射率表示的热成熟度快速确定富含有机物泥岩中干酪根热成熟度(Sauerer et al.，2017)、利用分散的干酪根评价元古代岩石中无序的碳质物质热成熟度(Baludikay et al.，2018)、基于拉曼光谱成熟度指示值和镜质组反射值之间的相关性对不同干酪根类型的成熟度进行评估(Al-Hajeri et al.，2020)。

3.2 煤系气

煤系气是指煤系中包括煤层气(含生物气)、页岩气、致密砂岩气等非常规天然气。2011～2015年的研究热点是煤层气方向，论文数量为189篇(宋党育等， 2016)，但近5年煤系气的论文数量为131篇，占总数的16.7%，热度有所下降。该方向主要是对煤层气的生成、赋存、煤储层的特征以及煤层气的运移与开发等方面开展研究，尤其是对与煤层气开采直接相关的储层渗透率，甲烷的吸附/解吸的研究。如利用micro-CT技术研究煤的孔隙度和渗透率变化特征(Ramandi et al.，2016)； 煤经压裂开发后储层特性发生的变化进行了研究(Kang et al.，2016; Jing et al.，2018)。压裂液会使煤的甲烷吸附量降低、有效扩散系数下降、气体渗透率显著降低、传质通道变窄以及亲水性增强，使得煤中气体吸附能力和传质速率降低。为了表征条件改变之后储层特性的变化还提出了一些新的模型(Connell，2016; Saurabh et al.，2016)，如使用煤的类毕奥系数和横向各向同性性质构建的渗透率模型，它可以呈现渗透率随压力变化的完整图像(Saurabh et al.，2016)； Connell(2016)改进了自己2010年提出的煤渗透率模型，引入了割理压缩性与孔隙压力，以及与吸附应变的影响相关的特性，新模型可以更准确地表征煤层渗透率的变化。前人对直接影响煤层气储量大小的甲烷吸附能力，也做了不少的研究(Busch et al.，2019; Chattaraj et al.，2019; Song et al.，2020)。如木质素的大分子结构和化学性质(即极性或疏水性)、碳含量、镜质组含量、惰质组含量、水分、灰分、挥发分产率以及煤阶都会影响甲烷在煤中的吸附能力。

3.3 煤中矿物质、微量元素与地球化学

煤中的矿物质和微量元素可以用以追溯煤炭的形成环境和地质演化方面的信息，并且其中某些微量元素具有较高的利用价值，所以煤中矿物质、微量元素与地球化学方面的研究可以高效、合理、洁净地利用煤炭资源，因此人们对该方面的研究比较重视，使得这个方向的发文数量一直保持在一个较高的水平，近5年的论文有126篇，占论文总数的16.1%。

3.3.1 煤中矿物质与地球化学

3.3.2 微量元素

近5年在微量元素方面主要是对微量元素的富集方式、来源、分布、含量以及利用开展研究。相较于前5年人们对于煤开采利用中微量元素对环境的影响和稀土元素的利用关注度明显提高，并且研发了一些提高微量元素利用率的手段。如先对粉煤灰使用氢氧化钠焙烧，再使用酸浸出可以明显提高粉煤灰中稀土的提取率(Taggart et al.，2018)； 采用碱-酸联合(氢氧化钠-盐酸)浸出工艺浸提粉煤灰，可以明显减少活性二氧化硅去除率，增加REY富集率(Wang et al.，2019)。在微量元素分析和测试手段方面也有了新的突破，如电子探针(EPMA)可以快速提供煤中显微组分和无机相元素组成空间信息，虽然它给出了煤中无机元素的可能存在方式，但是测量结果是半定量的(Misch et al.，2016)。将汞与蒙脱石矿物结合，并在大于800℃下加热，可以使汞完全分解，这样可以进一步提高热分解法测汞的准确度(Xu et al.，2017)。利用AG50W-x8阳离子交换树脂结合四极杆电感耦合等离子体质谱分析可以准确测定煤和煤相关样品中的铕浓度，这种方法可以有效避免钡离子的光谱干扰(Yan et al.，2018)。

3.4 沉积环境

4 发展趋势与展望

根据2011～2020年的煤地质学研究热点的变化趋势，沉积环境、煤岩学与有机地球化学和煤炭洁净化利用方向文章数量相比前5年增加明显，煤系气、地下气化及煤自燃、煤炭开采及矿井水处理方向在近5年的发文数量呈减少趋势，煤中矿物质、微量元素与地球化学和古生物方面的文章数量呈平稳发展态势。为应对当前气候变化和碳减排、碳中和的远景目标(谢和平等， 2021)，预测未来一段时间内，煤炭洁净化利用方面的研究将成为新的热点话题，煤岩学与有机地球化学和沉积环境方面的研究将会稳定发展，而在煤系气方面的研究文章将会减少。

随着世界经济、科技文化和先进的测试技术进步，为解决现实中遇到越来越复杂的科学与工程问题，不同学科之间必然出现相互交叉与融合、彼此联系的现象，涌现出一大批交叉学科。煤地质学发展也将呈现出精细化、多维度和多融合的趋势，如煤地质学与环境学相结合形成了环境地质学，煤地质学与微生物学交叉形成微生物地质学以及煤地质学研究向更微观方向发展形成了纳米地质学。

5 结 论

通过对2016～2020年发表在InternationalJournalofCoalGeology期刊上论文进行统计分析，结合中国煤地质学的发展进程，对当前煤地质学的研究热点内容及未来发展方向进行了探讨，取得主要认识如下：

(1)近5年来，在该期刊上发表论文数量较多的国家依次为中国、美国和澳大利亚，占比分别为27.4%、16.1%和10.6%。第一作者所在单位发文较多的机构依次为中国矿业大学(北京)、昆士兰大学和中国地质大学(北京)，在前11名中占比分别为12.7%、11.9%和11.4%。

(2)煤岩学和有机地球化学方向是近5年各国煤炭地质工作者关注的热点研究内容； 煤系气、地下气化及煤自燃、煤炭开采及矿井水处理方向在近5年的发文数量呈减少趋势； 沉积环境、煤岩学与有机地球化学和煤炭洁净化利用方面的文章数量明显增加； 煤中矿物质、微量元素与地球化学和古生物方面的研究在平稳进行。

(3)为应对气候变化、环境保护和生态文明绿色发展的迫切需求，煤炭洁净化利用方向的研究将逐渐增多，多学科之间的交叉与融合方向研究也必将如雨后春笋般出现。