煤炭生態地質勘查基本構架與科學問題

孫富海

（湖北煤炭地質物探測量隊,湖北武漢430200）

受到經濟全球化的影響，近年來煤炭產業環境發生了多樣性變化，煤炭產業作為我國重要的產業構成，具有寬廣發展空間，而煤炭生態地質勘察將以生態保護優先為核心理念，成為今后我國煤炭地質勘查工作的重要發展方向。充分完善煤炭生態地質勘察的基本架構可進一步支持相關科研人員和工作人員形成生態環境保護意識，并從煤炭產業與生態環境改善的關鍵要素入手，實現煤炭開采流程的更新，有效降低生態環境破壞風險。

1 我國煤炭資源基本情況

公開資料顯示，2010～2018 年，我國煤炭行業利潤總額分別為 2930.0 億元、4342.0 億元、3555.0 億元、2370.0 億元、1268.0 億元、441.0 億元、1091.0 億元、2959.0 億元和2888.0 億元，通過開展時間序列平穩性檢驗，發現國民生產總值的增長可有效促進煤炭價格的增長，進一步帶動煤炭行業發展步伐，這意味著在未來一段時間內，我國仍舊具有較大的煤炭資源開采需求。國家統計局資料顯示，2016～2019 年，我國煤炭消費量分別為 37.59×108t、38.60×108t、38.99×108t、39.44×108t，供需缺口為-1.01×108t、-0.77×108t、0.57×108t、0.82×108t，基于生態環境保護與煤炭資源開采存在的矛盾沖突，煤炭生態地質勘察工作將以煤炭地質技術理論和生態學理論為指導從生態保護角度完成資源整合。目前，我國煤系礦產資源可分為煤系非常規天然氣和煤系共伴生非金屬礦產，其中煤系非常規天然氣主要包括煤層氣、巖頁氣和致密氣，其在我國的資源占有量分別為2000m 以淺的煤層氣資源量30.05×1012m3、3000m以淺頁巖氣資源量約為32×1012m3和30.95×1012m3，頁巖氣約占我國頁巖氣地質資源量的20%以上，致密氣占我國天然氣資源總量的60%左右；而煤系共伴生非金屬礦產則主要包括高嶺土、耐火粘土、膨潤土、硅藻土、石墨等，我國的資源占有量分別為16.7×108t、29.2×108t、8.88×108t、1.9×108t和0.60×108t，煤系共伴生非金屬礦產中的高嶺土約占我國高嶺土儲量的50%以上，硅藻土可占我國總探明儲量的71%。從這一角度出發，積極開展生態地質勘查研究，有助于充分整合煤炭地質勘察發展脈絡（如圖1所示），有效掌握生態環境地質特征，在實現生態環境和諧發展的同時滿足資源勘查開發需要。

2 煤炭生態地質勘察的基本架構

公開資料顯示，我國華北地區、西北地區、東北地區、華東地區、中南地區、西南地區的煤炭資源總儲量占比分別為39.9%、45.9%、1.34%、4.44%、2.61%和5.8%，資源保有量分別為48.95%、29.98%、3.30%、5.90%、3.2%和8.61%，基于當前我國的煤炭需求，可知未來一段時間內煤炭產業具有較大發展空間。煤炭生態地質勘察工作的合理開展，能夠引導相關人員全面認識到煤炭資源開發利用對環境的負面影響，并針對性開展綠色煤炭資源勘查與評價。

圖1 煤炭地質勘察發展脈絡

煤炭生態地質勘察的基本架構主要是以我國主要煤系礦產資源量以及我國綠色煤炭資源的主要分布情況為基礎實現的，充分整合了我國在煤炭地質勘查中的發展經驗，使得煤炭地質勘查工作逐漸由找煤勘察、綜合勘察、協同勘察發展到生態地質勘查，進一步優化了煤炭資源開發利用基礎。以煤炭地質學和生態地質學為理論基礎，煤炭生態地質勘察框架可覆蓋煤層發育及主要關鍵層分析、構造特征及復雜程度分析、煤質特征及煤類分析、煤層結構及穩定性分析、水文及工程地質特征分析、地貌地理特征分析、氣候與生物特征分析、水系發育特征分析以及經濟與社會發展分析，可有效契合我國東北地區、黃淮海地區、東南地區，蒙東地區、晉陜蒙寧地區、西南地區、北疆地區、甘青南疆地區和西藏地區的地域環境，對煤炭勘查地區、煤炭開采地區以及廢氣和關閉的礦山地區信息進行充分整合，并在勘查信息的支持下，有序開展煤與煤系礦產協同勘察工作以及煤礦區生態環境勘查工作。其中煤與煤系礦產協同勘察工作可覆蓋煤炭勘察、煤系共伴生固體礦產勘察、煤系金屬元素礦產勘察、水資源勘察和重要關鍵層勘察，而煤礦區生態環境工作可覆蓋生態環境保護、生態資源分析以及生態環境監測和修復。在完善的煤炭生態地質勘查基本框架的支持下，我國將進一步協調煤炭資源開采利用與生態環境保護之間的關系，充分利用已知區、相鄰區勘察成果資料完成地質背景、礦產資源類型、資源豐度、分布特征以及資源量的預測分析，全面降低煤炭資源開采利用風險以及生態環境破壞風險。

目前，美國、俄羅斯、澳大利亞、中國和其他國家的煤炭儲量分布比例分別為24%、15%、14%、13%和34%，2013～2018 年，全球煤炭消費量分別為3867.0 百萬噸油當量、3864.2 百萬噸油當量、3769.0 百萬噸油當量、3710.0 百萬噸油當量、3718.4 百萬噸油當量、3772.1 百萬噸油當量，面對日益緊張的能源環境，煤炭產業具有較大發展壓力，以煤炭生態地質勘查基本框架為基礎的勘察工作能夠有效協調生態環境保護和資源開采利用之間的關系。

3 煤炭生態地質勘察內容

以恢復生態學理論、生態經濟學理論、可持續發展理論和生態重建理論為基礎，可知煤炭開采對土地的破壞和壓占以及對水資源的占用和污染、采煤誘發的地質災害是其對生態環境的主要負面影響。煤炭生態地質勘查工作的有效開展，能夠基于礦區的地理位置和區域范圍、地質與地貌、氣候水文條件、生物狀況和土壤類型，實現資源保障和生態環境關系的統籌協調。目前，煤炭生態地質勘查的內容主要包括生態地質勘查規劃和煤系礦產資源協同勘察。就生態地質勘察規劃而言，主要是通過深入貫徹落實“生態優先，綠色勘查”的核心理念，確定生態地質勘察的目標和任務，并結合前期資料以及礦區的主要環境信息，制定勘查工作總體規劃。煤系礦產資源協同勘察主要包括煤與煤系礦產協同勘察、煤與共伴生固體礦產的協同勘察、煤與金屬元素礦產資源的協同勘察以及煤與水資源的協同勘察與利用。目前我國的綠色煤炭資源主要分布如表1所示。

4 煤炭生態地質勘查的相關科學問題

4.1 生態地質環境類型區分

近年來，在習近平總書記“綠水青山就是金山銀山”生態理念的支持下，我國生態環境保護工作取得了實質性推進成效，可持續發展理念得以被深度貫徹和落實。基于煤炭與我國社會生產、人民生活和生態環境保護的多重聯系，有效發展煤炭生態地質勘查工作至關重要。在煤炭生態地質勘查工作中需精細化開展生態地質環境類型區分：在勘察工作開展前，相關人員應精細化掌握礦區的基本情況以及地質條件和水文條件，在此基礎上，可將生態地質環境類型劃分為地表徑流黃土溝壑型、地表水溝谷河流綠洲型、淺水沙漠灘地綠洲型。就地表徑流黃土溝壑型生態地質環境而言，該類地形地表植被發育雖較為茂盛，植被覆蓋度較高，但植被多樣性低，雨季地表水系的徑流量遠大于枯水期，地下水資源主要是風化基巖含水層中富余的水資源，但水量有限，在這類生態地質環境中，地下煤炭資源的開采將面臨更大的地表開裂風險和地形破碎風險，同時，由于雨季中降水量較多，容易造成嚴重的水土流失情況或導致滑坡、泥石流等地質災害；就地表水溝谷河流綠洲型生態地質環境而言，地下水的組成較為復雜，水資源豐富，植被環境較好，但在資源開采中，容易造成植被生態退化，在一定程度上增加了生態治理難度；就淺水沙漠灘地綠洲型生態地質環境而言，其具有豐富的水資源，但植被覆蓋度相對較低，在資源開采中應對開采強度進行合理控制，避免對原有水文地質條件造成大范圍破壞，避免加劇沙漠化進程[1]。

表1 綠色煤炭資源主要分布

4.2 煤炭開采對礦區環境影響分析

以可持續發展理論、生態文明理論、多中心治理理論為基礎，可知煤炭生態地質勘查工作有助于我國構建完善的礦區生態治理體系，進一步完善礦區生態環境治理的法律法規，提高治理水平。在煤炭生態地質勘查中，需精細化完成煤炭開采對礦區環境的影響分析，以下對其進行介紹：

相關人員應在煤炭生態地質勘查工作開展過程中，全面掌握礦區的地理位置和交通狀況以及自然地理概況，包括氣象與水文、地形地貌、植被特征、土壤類型、地層巖性、地質構造與地震活動、水文地質條件以及煤炭資源開發利用現狀和人類工程活動等，繼而通過整合已有數據信息，充分明確采煤引起的地質環境效應，包括地質災害效應、水資源及水環境效應、土地資源及植被效應。就地質災害效應分析而言，應根據礦區基本情況導出煤礦地質災害特征表，內容應包括相關重點位置的坐標、礦區規模主要特征、威脅對象、穩定性、危害程度、危險性和影響程度等，并判斷，地質災害效應是否會導致地面塌陷和滑坡。就煤炭資源開采對礦區水資源及水環境的影響效應而言，應判斷地下水位下降情況、水質污染情況以及河川基流量減少情況，在地下水位下降情況分析中應完成垮落帶高度預測、導水裂陷帶高度預測、保護層和防水煤巖柱高度預測；在水質污染情況分析中應對地表水情況、地下水水質情況進行科學探究[2]。

4.3 科技支撐

近年來，我國科學技術水平不斷提高，考慮到煤炭生態地質勘察工作具有較高的系統性和較大的覆蓋面，應積極整合相關先進技術，提高勘查水平和勘察效率。目前，煤炭生態地質勘查工作可覆蓋煤與煤系，礦產協同勘察和煤礦區生態環境勘察，在煤與煤系礦產協同勘察中，為進一步提高煤炭煤系共伴生固體礦產、煤系金屬元素、礦產水資源和重要關鍵層勘察結果的精準性,可以引進并應用高分辨率、高光譜遙感技術、高精度地球物理勘探技術、快速精準鉆探技術、地質大數據分析技術和多維化信息展示技術[3]。其中高分辨率、高光譜遙感技術可通過空間傳感器接受地面目標反射的外來電磁波或目標自身發射的電磁波而獲得目標物理參數，完成礦產資源掃面勘查與靶區優選、礦山環境勘查與生態環境動態監測。而地質大數據分析技術和多維化信息展示技術可充分發揮可視化優勢，支持相關人員有效掌握生態地質信息，合理制定煤炭資源開采規劃。在煤礦區生態環境分析工作中可采用工程治理技術、生態修復技術和生物修復技術提高生態環境保護、生態資源分析和生態環境監測與修復的有效性和實效性，充分發揮煤炭生態地質勘查工作的作用優勢，深度貫徹落實“生態優先，綠色勘察”的核心理念[4]。

4.4 勘查結果整合

在煤炭生態地質勘查工作的開展過程中，相關人員將會利用不同技術搜集相關生態地質環境信息，如高分辨率、高光譜遙感技術、高精度地球物理勘探技術、地質大數據分析技術等，在后續的煤炭資源開采工作中，需要對前期的勘察結果進行精細化整合，以明確資源開采需求和資源開采風險，繼而針對性優化資源開采方案，提高資源利用率。近年來，我國科學技術環境大大改善，在相關先進信息技術的支持下，數據的傳輸效率明顯提高，大數據對社會生產和人民生活的影響日益增強。在這種情況下，可利用數據挖掘技術和數據分析技術對勘察結果進行充分整合。例如，數據挖掘技術可對不同生態地質環境中的植被分布數據進行整合，必須對植被指數的遙感數據進行初步整理，繼而利用數據分析技術完成植被發育空間分布特征的分析和植被發育變化趨勢的分析，充分體現相關先進技術在煤礦資源開采勘察中的生態意義。另外，數據挖掘技術和數據分析技術還可在勘察結果整合中導出礦區地下水埋深變化及分布特征、EVI 與地下水埋深的相互關系、分析礦區地下水埋深影響植被生長發育的機理、分析煤炭開采對頂板覆巖結構的影響，分析地下水變化、動態監測采動引起的地下水埋深變化、數值模擬地表生態地質環境對煤炭開采的響應[5]。

4.5 生態環境保護與修復

目前，煤炭資源開采可能導致礦區地表被破壞，植物資源減少甚至消失，同時還可能會對礦區附近的水環境造成污染，導致動物源減少，生態環境和自然景觀遭到嚴重破壞。在這種情況下，科學開展煤炭生態地質勘查工作有助于協調資源開采利用和生態環境保護的關系，不斷創新和探索礦區開發方式，完成生態地質環境恢復與治理，推動土地資源的二次開發利用和地方企業協調發展。在生態環境保護與恢復過程中，應利用煤炭生態地質勘查工作中收集的相關數據和信息，明確采礦前后礦區地標景觀和植被的變化、土地資源的變化、周邊大氣、水、土壤的的變化以及地質的變化。并以此為基礎，結合礦山的地理位置、礦山的開采歷史及現狀以及礦山的地形地貌、氣象水文、地質巖性、地質構造、周邊人類工程活動，包括放牧和工程建設等，從長期發展出發，有效解決土地占壓和破壞凍土層、破壞水體污染、土壤污染、植被破壞、礦渣堆積等相關生態問題，形成全新的修復模式，完成廢石堆放地的生態修復、廢棄煤礦井口區的生態修復、采煤塌陷地的生態恢復以及采礦區的生態修復。

5 結論

總而言之，在習近平總書記綠水青山就是金山銀山生態理念的支持下，我國對生態環境保護工作的重視程度不斷提升，基于煤炭產業與我國社會生產、人民生活以及生態效應的密切聯系，應基于煤炭生態地質勘察的基本架構，進一步細化煤炭生態地質勘察內容，并有效解決生態地質環境類型區分、煤炭開采對礦區環境影分析、科技支撐、勘察結果整合以及生態環境保護與修復等相關科學問題。