煤炭綠色開發地質保障體系的構建

王雙明，耿濟世，李鵬飛，孫 強，范章群，李 丹

(1.陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 煤炭綠色開采地質研究院，陜西 西安 710054；4.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

煤炭作為我國主體能源，在我國能源安全中發揮著壓艙石的作用[1-4]。隨著煤炭不斷開采，我國東部淺部煤炭資源趨于枯竭，西部地區儼然已成為我國煤炭資源的主產區[5-6]。然而，西北地區為生態脆弱區，在煤炭開采深度、強度不斷提高的同時，給當地帶來了嚴重的生態環境問題[7-10]。為實現習近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”的生態文明發展理念，綠色安全開發成為我國煤炭工業高質量發展的必由之路[11-14]。

在煤炭開采過程中，誘發了眾多生態和地質環境問題，如地表沉陷、植被損害、水資源污染等[15-19]，這與我國綠色發展理念嚴重相悖。眾多學者也在煤炭及其共伴生資源開采利用與環境保護等方面開展了大量研究，提出了煤炭綠色開發地質保障的內涵、科學問題以及研究框架，為破解國家能源需求與環境保護之間矛盾提供戰略思路[17]。錢鳴高院士提出了煤炭資源綠色開采的理念、基礎理論和技術框架，為煤炭開采和自然之間建立起復合的生態平衡機制[20-23]。袁亮院士[24]提出了煤炭精準開采的科學理念，為實現互聯網+科學開采的未來少人(無人)采礦提出了技術路徑。在煤炭綠色安全高效生產面臨嚴峻挑戰背景下，我國研究人員提出了深地煤炭資源流態化開采理論與技術和“地上無煤、井下無人”的開發途徑[25-26]，為實現深地煤炭資源開采的顛覆性變革奠定了基礎。此外保水開采[27-28]、煤與瓦斯共采[29-30]、煤與熱共采[31]、煤礦生態修復[32-33]等科學構想也為煤炭工業綠色發展提供了相應的理論保障。

綠色開發地質保障是煤炭資源合理開發與利用的前提。筆者通過文獻調研和理論分析，闡明了煤炭綠色開發地質保障的科學內涵，構建了煤炭開采、地質工程、生態環境與人文經濟四位一體的綠色安全開發知識體系，提出了全生命周期煤炭綠色開發地質保障理論和實施技術。

1 煤炭綠色研究背景及當前研究現狀

在新時代中國特色社會主義背景下，中國共產黨第二十次全國代表大會明確提出，必須牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，站在人與自然和諧共生的高度謀劃發展[34-35]，這對我國煤炭開發提出了更高的要求。因此，亟需開展煤炭綠色開發地質保障理論與技術研究[16,36-38]。筆者在中國知網(CNKI)分別以主題“煤炭+地質+環境”“煤炭+綠色”和“煤炭+地質+保障”為檢索詞，搜集并整理了自2008?2021 年間的相關文獻，如圖1 所示。根據數據變化情況可知，自2017 年開始，關于煤炭綠色開發的相關研究顯然成為當下關注的熱點。

圖1 2008?2021 年不同關鍵詞文獻年發文量Fig.1 Annual volume of articles published by different keywords in 2008?2021

我國能源結構的現狀是“缺油、少氣、相對富煤”，是以煤炭作為主要燃料的少數國家。盡管近些年來國家已經大力發展風能、太陽能、核能、生物質能等清潔能源，能源結構得到明顯優化，但短期內煤炭的主體能源地位難以改變。因此，從煤炭的資源屬性角度來看，如何高效開發利用煤炭資源依然是煤炭行業的重要課題，包括煤系稀土元素、煤系金屬礦產資源以及煤系非常規油氣資源。據國家統計局2022 年統計數據顯示(圖2)，近十年來，我國煤炭生產總量占比從2012 年的72.6% 降低到2021 年的67.0%，非化石能源從11.2% 提升到20.3%。同時，煤炭消費總量從2012 年的68.5% 降低到2021 年的56.0%，非化石能源從9.7%提升到16.6%。盡管我國煤炭生產總量和消費總量占比逐年下降，但其生產總量和消費總量仍超過能源總量的65%和55%。這些研究成果在我國能源結構調整、生態環境保護和經濟可持續發展方面發揮了巨大的作用。然而，目前的煤炭綠色開發理念主要關注于“水資源保護、土地和建筑物保護、減少礦井災害(煤礦塌陷、瓦斯爆炸、地下煤氣化等)、降低大氣污染”等方面。事實上，煤炭綠色開發與其賦存地質條件和生態環境密切相關。實現全生命周期煤炭綠色開發，防止地質環境損害，協調煤炭開發和生態環境保護尤為必要。

圖2 2012?2021 年我國能源生產與消費結構Fig.2 Energy production and consumption structure of China in 2012?2021

2 煤炭綠色開發地質保障的科學內涵

隨著煤炭開采向深部轉移，地下巖土層結構發生變化，導致地表系統的水、土壤、大氣和生物等資源的分布狀態和演化過程都發生了顯著變化[39-40]。在生態脆弱區，煤炭資源開采已經造成了地面塌陷、地表開裂、水土流失、水位下降與植被枯死等諸多生態地質環境問題。

煤炭開發地質保障體系的科學研究主要表現為5個方面：(1) 突出深部資源采動條件下的地質條件變化；(2) 強調地下采動與地表生態環境的整體研究；(3) 理解采動引起時空效應范疇的物理–化學–生物之間的耦合機制；(4) 揭示采動效應下巖石圈–大氣圈–水圈–土壤圈–生物圈的相互作用和物質循環機理；(5) 總結基于可持續生態承載力的人類活動與生態環境的協同演化特征，找出破解資源開發與地質環境脆弱之間矛盾的鑰匙。

目前，煤炭綠色開發地質保障研究將從以下3 個方面開展工作。

2.1 煤炭采前精準探查

煤炭開采過程中，地質條件的變化必然對地質環境造成嚴重的影響，誘發地質災害和生態環境損害[41-43]。因此，采前掌握煤炭開采范圍內地質結構和生態環境地質條件尤為重要(圖3)，這是煤炭綠色開發地質保障的重要內容[44-45]。研究主要分為以下3 個方面。

圖3 地質條件與地質功能Fig.3 Geological conditions and functions

(1) 煤炭采前地質結構勘查。利用地球物理探測等技術手段對影響煤炭開采的地質因素，如地形地貌、巖土體工程性質和環境地質等進行系統勘測。采用三維一體化勘查技術和高度自動化、智能化的快速高效分析技術，構建高精度“綠色開采”三維地質模型。

(2) 煤炭采前環境地質體構建。根據煤炭開采區地質條件和相關參數，構建煤炭開采環境地質體溫度(T)、滲流(H)、應力(M)、化學(C)耦合條件下的地質體多尺度性能演化模型，實現采前煤炭綜合勘查與評價。

(3) 煤炭采前生態環境類型劃分。通過對煤炭采前生態環境監測，建立礦山生態環境地質模型，制定煤炭開發生態地質保護對策。利用遙感探測等技術手段調查分析勘查區自然地理、地質條件與生態環境特征，對勘查區生態地質環境進行分區分類，并制定相應的煤炭資源開發模式，盡量減少對地表生態環境的擾動與破壞，實現煤炭資源開發與生態地質環境保護協調發展。

2.2 煤炭采中地質結構與生態環境演化

煤炭資源的大規模、高強度開采對生態脆弱礦區地下水環境造成嚴重損害，導致開采區應力場發生變化，引發煤層及圍巖形變，煤層所處區域的地質條件和生態環境發生惡劣變化[4,46-48](圖4)。研究主要分為以下3 個方面。

圖4 煤炭采動前地質結構響應Fig.4 Response of geological structure before coal mining

(1) 煤炭采中地質條件變化與環境損害研究。精準探測與評估開采過程中地質條件變化，揭示開采過程中應力場、變形場、滲流場等多場耦合作用下生態環境的時空演化特征和損害機制，闡明煤炭開采多物理場演化過程對生態環境的動態擾動、損害機理，查明生態環境損害類型及特點，分析誘發生態環境損害的主控因素。

(2) 煤炭采中礦井災害防控。基于地質條件實時監測與分析，實現煤炭開采區域覆巖變形及沉降的控制，評價水文地質條件和工程地質條件變化，對煤礦突水、沖擊地壓和煤與瓦斯突出等災害風險進行監測預警。

(3) 煤炭采中地質結構–生態環境響應分析。煤炭采動過程中應對開采擾動后的地質結構、地下水環境和生態環境特征實時監測，評估地質結構–地下水環境–生態環境的多尺度損害程度，提出地質結構–生態環境的損害修復技術。

2.3 煤炭采后地質保障

煤炭開采后巖體結構和應力狀態隨時間發生變化，采空區覆巖結構逐步壓實、垮落帶逐漸整合、地表沉降趨于穩定[49-50]。因此，煤炭采后地質保障功能的重新建立尤為重要。研究主要分為以下3 個方面。

(1) 煤炭采后地表生態與地質條件分析。考慮到煤炭開采條件下覆巖結構巖與地質環境的相互作用，提出生態脆弱礦區損害防控與修復技術。分析充填技術、充填模式和充填時間對煤層覆巖變形、損害的控制效果。

(2) 煤炭采后地表環境監測與修復。利用無人機、衛星、地面物探等手段，對煤炭開采影響范圍的覆巖變形情況詳細探測。根據采空區穩定性和生態環境特征，提出土地最佳利用途徑和分類治理方案。提出地表生態環境和地質災害監測技術和地表生態環境自然恢復及修復技術。

(3) 煤炭采后地下資源開發利用。采用物探、化探、鉆探等手段查明煤炭開采后地下遺留資源，分析地下空間資源的利用前景，建立地下遺留資源評價指標體系。提出遺留礦產資源探測和評價技術、地下空間探測技術和地下空間資源綜合評價方法與利用技術。

3 煤炭綠色開采地質保障理論體系

“煤炭綠色開發地質保障理論體系”以地質科學為基礎，結合采礦學相關理論，同時考慮生態環境和人文經濟等因素的影響，破解煤炭綠色開發中的難題，構建以煤炭開采、地質工程技術、生態環境與人文經濟四位一體的綠色安全開采體系(圖5)，為煤炭工業高質量發展提供相應的理論[51-53]。

圖5 煤炭綠色開采地質理論體系Fig.5 Geological theory system of green coal mining

3.1 基礎地質學

煤炭的儲存和開采取決于多種地質因素[54-55]。隨著生產發展的需要，近代地質學的各個部分已形成獨立的學科體系，并衍生出很多相關分支學科，如：礦物學、巖石學、礦床學、古生物學、構造地質學、大地構造學、地球物理學、地球化學、地層學、地史學、地貌學、水文地質學、工程地質學、第四紀地質學等基礎理論[56-57]。此外，隨著煤炭開采規模和深度越來越大，從地質到采礦以及相關的環境要求都面臨著新的挑戰。

基礎地質科學對影響煤炭開采的地質因素如地形地貌、巖土體工程性質和環境地質等進行系統歸納，篩選出開采場地的主要影響指標與控制因素。同時，通過地質雷達和地球物理勘探等技術手段，對煤層覆巖地質結構、垮落帶裂隙發育情況和煤層頂板的封閉性等做出具體評價。

3.2 采礦學

煤炭資源的安全高效綠色開采是煤炭行業亟待解決的突出問題。如今，煤炭資源開采逐漸向自動化、智能化、環保化的方向發展[58-59]。近年來采礦工程與自動控制、系統論、計算機等高新技術密切關聯，與礦業系統、爆破工程、井巷工程、通風工程、安全工程、材料力學、結構力學、充填理論等學科緊密結合，較大地促進了煤炭工程基礎理論研究的進展，同時也在煤炭開采過程中極大地促進了煤炭工程向安全、高效、綠色、智能化方向邁進[60-61]。

采礦學理論對煤炭開發地質保障體系的建立具有重要意義。結合采礦工程理論深入分析煤炭開采過程中覆巖結構與地質環境之間的相互作用，揭示煤炭開采過程中覆巖變形和損害的擾動機理，進而提出生態修復關鍵技術。

3.3 生態學

煤炭開發地質保障是生態環境可持續發展的地質技術與地質工程[62]。煤炭開采過程中巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈之間的相互作用對生態環境影響巨大。引發地質災害、農田受損、水土流失加劇、河水流量減少，甚至引發斷流、地下水位下降、淺層地下水疏干、大氣污染和溫室效應等一系列生態環境問題[63-65]。

為減少因煤炭開采而導致的生態環境問題，需結合土壤學、環境學、生物學、氣候學、生物化學、污染生態學等相關生態學科理論，制定綠色、安全、可持續發展的煤炭開采計劃。結合相關生態學理論，揭示煤炭開采后生態環境自然恢復規律和主控因素，為地表生態環境修復提供理論支撐。

3.4 人文經濟學

煤炭作為我國能源結構的主體，對我國人文經濟(會計學、統計學、社會學、管理學、經濟學、金融學、人文科學、財政學)的發展起到重要作用[66]。煤炭企業亟需加強人員素質培養、能力培訓、人文關懷。因此，結合國家能源經濟發展戰略，立足市場需求，制定完善的煤炭開采計劃，方能最大程度推動經濟的可持續發展[67]。

人文經濟學理論對解決煤炭資源環境問題具有良好的針對性和適用性，想要實現煤炭資源開發與生態環境、社會經濟和諧可持續發展，需運用人文經濟學原理分析經濟發展形勢及生態環境問題與煤炭開采的關系，建立健全煤炭開采過程中生態環境評價指標體系，提出解決相應問題的對策與建議。

4 煤炭綠色開采總體研究思路

從研究層次和煤炭開采結構的角度分析，煤炭綠色開采研究主要包括基礎地質條件、煤炭采動損害機制、損害演化過程、生態環境影響和減損與修復技術5 個方面(圖6)。

圖6 煤炭綠色開采地質研究內容之間相互關系Fig.6 Relationship between geological researches for green coal mining

4.1 基礎地質條件

煤炭賦存地質環境的精準識別是探查煤炭賦存和開采范圍內的三維地質體結構、水文地質單元和生態環境的重要基礎[68-69]。借助地球物理探測、鉆探和現場試驗等手段，查明煤炭開采區域的主要地質條件。煤炭賦存的地質條件包括煤層厚度、埋深、儲量、水文地質條件、構造、煤層與圍巖接觸關系、巖土體基本物理力學指標等重要信息。根據地層結構特點、巖土層物理力學參數和植被信息等進行不同區塊和深度上的工程巖組劃分，確定煤炭開采影響范圍內地層結構關系，提出基于地層巖土力學特性和地層結構變化的反演分析方法，構建三維可視化地質結構模型，提出煤炭綠色開采的科學方案(圖7)。準確獲取地質力學和水文地質特性參數，為后續研究提供重要依據。

圖7 煤炭綠色開采科學方案Fig.7 Scientific program of green coal mining

4.2 煤炭采動損害機制

煤炭資源開采的主要特點是在近地表形成地下空間，導致開采區應力場發生變化，引發煤層和周圍巖體的形變，導致煤層所處的地質條件和地質環境發生持續變化[70-71]。根據地層幾何特征、地層類型、巖土體結構、水文地質結構等變化規律，研究煤炭采動后地層結構變形的損害模式及其主控因素。構建煤炭綠色開采三維地質結構演化的精細化分析模型和可快速查詢地質參數數據庫，為評估開采過程中地質條件的變化規律提供相應技術保障(圖8)。

圖8 煤炭采動過程中地層結構損害機制與主控因素Fig.8 Mechanism and main controlling factors of formation structure damage during coal mining

煤炭開采過程中，根據地層結構動力學演化過程和時空結構秩序，主要解決地層地質功能結構變遷演化的階段性特征問題和時空有序結構形成與轉化問題[72-73]。通過協同論、耗散結構論、突變論、系統論、控制論和信息論等方法，總結地層地質功能結構變化的影響因素、宏觀變形損害的空間結構和功能結構的動態演變過程。構建煤炭安全開采條件下覆巖變形的演化模型，揭示采動條件下地質系統損害的時空演化機理(圖9)。

圖9 煤炭采動過程覆巖變形損害的演化過程Fig.9 Evolution of overburden deformation and damage during coal mining

4.3 煤炭采動過程生態環境效應

煤炭開采過程中地質條件的變化必然會影響地質環境，從而引發地面塌陷、地裂縫、水位下降等地質災害和生態環境損害問題[74]。通過研究煤炭采動過程中覆巖變形破壞演化過程和損害臨界條件，歸納煤炭賦存環境和采動損害的主控因素，如地質結構與地質條件、采礦工藝與規模、充填支護形式和覆巖微–宏觀性質等，進而對不同演化階段的工程影響和環境效應進行相應的評估，并對可能面臨的工程地質和生態環境問題提出針對性的解決措施(圖10)。

圖10 煤炭采動過程覆巖變形損害演化過程Fig.10 Evolution of overburden deformation and damage during coal mining

4.4 煤炭采動后減損控制與修復技術

煤炭采動后減損控制與生態環境修復的研究主要針對生態環境損害前和損害后的變化特點開展防治工作[75-76]。煤炭采動后，實施充填技術，對隔水頂板導水裂隙通道實施注漿修復等技術手段，對已發生損害的煤礦區采用煤矸石回填和生態系統再造等，實現生態修復治理。分析預測修復后生態環境前景，構建煤炭采動后生態環境修復治理綜合評價技術體系(圖11)。

圖11 煤炭采動后減損控制與生態環境修復Fig.11 Loss reduction control and restoration of geological ecological environment after coal mining

4.5 煤炭采動地質研究總體要求

煤炭綠色開采過程中，在“精細勘查”“有效減損”和“生態修復”理念的指導下，通過地質手段在煤炭綠色開采過程中構建三維地質結構演化的精細化模型，建立系統完備的煤炭綠色開采地質科學體系(圖12)，實現煤炭資源綠色開采和清潔高效利用，為我國煤炭能源綠色可持續發展提供保障。煤炭綠色開采地質科學系統研究包括3 個重要階段(圖13)。

圖12 煤炭綠色開采地質系統措施Fig.12 Measures of geological system for green coal mining

圖13 煤炭開采地質研究階段劃分與總體要求Fig.13 Overall requirements and stage division of geology research for coal mining

(1) 煤炭開采全過程(采前、采中和采后)地質結構系統功能演化的科學分析。通過監測采集煤炭開采前后的地質結構實時變化信息，準確闡述煤炭開采中的地質結構演化過程及覆巖變形損害規律，進而采取科學技術手段保障煤炭綠色安全開采。

(2) 針對開采過程中存在的地質損害問題采取相應的解決措施。通過綠色地質勘查技術精準探測地形地貌，掌握相關地質開采條件等重要信息。開發完善的科學監測系統，實時監測煤炭采動引起的圍巖變形、巖爆、冒頂片幫和高壓突水等礦井災害問題，并對可能面臨的工程實際問題提出針對性解決措施。

(3) 煤炭綠色開采地質科學研究成果科學歸納，開放共享。對煤炭綠色開采地質體系進行系統總結(采前精準地質勘查，采中智能化、信息化、綠色安全科學開采，采后生態環境恢復及效益評估)。及時更新數據庫，將最新參數和信息添加到數據庫中，完善模型。

5 結論

a.煤炭綠色開發地質保障以煤炭綠色安全開采和生態環境保護為核心目標，以煤炭采前、采中和采后的地質條件和生態環境響應特征為重要研究對象，重建煤炭綠色開發地質保障技術與生態環境功能。結合煤炭開采條件下覆巖結構與地質環境相互作用機理，提出生態脆弱礦區損害防控與修復技術。構建生態脆弱區煤炭資源開采與生態環境保護的分析研究平臺，尋求系統解決資源開采與生態文明建設矛盾的新途徑。

b.隨著煤炭開采進程逐漸加快，國家對煤炭開發地質保障工作的要求越來越高。明確煤炭綠色開發地質保障的研究目標，為煤炭全生命周期的綠色安全開發和生態環境保護提供支持，實現煤炭資源綠色開采和能源清潔高效利用，保護礦山生態環境。

c.根據我國能源優化趨勢和煤炭開采現狀，提出了“煤炭綠色開發地質保障科學系統”理念，并指出該系統應從科學分析、科學對待、科學歸納3 個方面出發，發展基礎地質學、采礦學、生態學、人文經濟學多學科交叉的煤炭綠色開發地質保障理論與技術，發揮地質科學在煤炭綠色安全開采中的重要作用。

致謝：感謝西安科技大學侯恩科教授和《煤田地質與勘探》編輯部晉香蘭執行主編的大力支持和幫助，感謝董志浩、趙飛、胡建軍博士對本文圖表編輯的幫助。