煤炭開發推動地學研究發展

王雙明，孫 強，谷 超，李鵬飛，耿濟世，王生全，師慶民

(1.陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西省西安市，710054；2.西安科技大學地質與環境學院，陜西省西安市，710054；3.西安科技大學煤炭綠色開采地質研究院，陜西省西安市，710054)

0 引言

煤炭作為我國的主體能源，為經濟社會快速發展提供了重要保障[1-2]。近10年內，煤炭資源消耗總量在一次能源的占比均在50%以上，有效發揮了能源安全穩定器的作用。然而，煤炭開發受生態環境和地質條件等諸多因素影響。地球科學(以下簡稱“地學”)是一門以地球為研究對象的學科統稱，借助該學科可掌握影響煤炭開發的地質環境因素，如地形地貌、巖土體工程性質和環境地質等。此外，通過煤炭資源勘探、監測、評估，可為煤炭工業綠色發展提供相應的理論保障[3]。

煤炭開發強度和深度的增大對地學領域研究的要求越來越高。地學理論和技術可有效解決煤炭開發過程中地質概況和安全方面遇到的嚴峻問題。王雙明等[4]從煤炭資源賦存地質條件出發，系統闡述了煤炭綠色開采地質保障理論與技術，構建了煤炭綠色開發的地質保障體系；彭蘇萍[5]通過梳理40 a煤炭地質保障體系的發展歷程，指出礦井地質透明化是地質保障系統未來的發展方向；袁亮等[6-7]通過分析我國礦井地質保障技術體系的現狀，指出煤炭精準智能開采模式下礦井地質保障技術的發展方向。近年來，眾多學者提出“煤炭安全智能開采地質保障系統”“實時動態透明地質保障系統”“煤礦地質保障共享平臺”等煤炭開發地質保障理念和技術框架，為煤炭安全高效開發提供了相應理論保障[8-10]。

隨著煤炭開發逐漸走向自動化、信息化、智能化時代，煤炭工業呈現出由勞動密集型轉向技術密集型的趨勢。該趨勢推動了地學領域的“理論與理念創新，技術與裝備革新”，使人類對地球的認知趨于“透明化”“可視化”。筆者通過分析地學研究與煤炭開發之間的關系，闡明了煤炭開發推動地學研究發展的科學內涵，以期為煤炭開發提供新的方向性思路。

1 地學研究以及與煤炭開發的內在聯系

1.1 地球科學的內涵及發展歷程

地學是認識地球的形成、演化以及與人類自身生存和發展休戚相關的氣候、環境、資源、災害、可居住性、可持續發展等的一門自然科學，其主要任務是研究地球環境變化與人類活動的關系，揭示地球各圈層相互作用及其資源與環境效應，指導人類科學、合理地勘查、開發和利用自然資源(如煤炭、石油、天然氣、水電等)，保護自然環境、預防自然災害，服務于人類的生存發展需求。

地學的發展歷史可追溯至人類文明伊始，人們為了滿足生存的基本需要，對地球及其環境產生了樸素的認識，如《水經注》《夢溪筆談》等記載。在地理大發現時期，地學視野由局部大陸擴展到全球，地球科學開始分化為地質學、地理學、氣象學和測量學等。進入20世紀后，人類對自然災害的預防、預測的需求提高，以及能源危機、生態危機、資源危機的出現，地學分化出地球物理學、地球化學等新興學科。隨著新興技術(如探空火箭、資源衛星、深海鉆探、同位素地質年代測量、電子計算機、遙感技術等)的廣泛應用及其與地學的融合，形成了以“上天、入地、下?！睘闀r代特征，內容豐富的學科知識體系，使得地學研究呈現出全球化、系統化的趨勢。21世紀以來，人們對整個地球乃至整個宇宙系統提出了新的認識和見解，如“宜居星球”“地球生存計劃”“時域地球”[11]等具有前瞻性的科學構想。

1.2 地學研究與煤炭開發的內在聯系

煤炭是我國能源安全的兜底保證，其高質量發展離不開地學的保障與支持。隨著煤炭開采技術的不斷進步(炮采→普采→綜采)，煤炭開發環境逐步復雜化(淺部→深部、厚煤層→薄煤層、簡單地質構造→復雜地質構造)。同時，煤礦地質保障對地學理論和內容的要求也越來越高。煤炭開發對地質保障的要求已經由煤田預測與評價(即“儲量地質保障技術”)、地質勘查保障(進行煤層賦存狀況的判別，即地質構造、煤層厚度和煤層對比)進入智能綠色地質保障階段，集“煤炭開采”“地質工程”“生態環境”“人文經濟”于一體，構建起全生命周期的煤炭綠色開發地質保障理論和實施技術體系。

“地球宜居性”已列入我國地球科學未來10～15 a發展愿景[12]，重點研究地球的基本性質、狀態、演化規律，探討人類生存條件的變化趨勢及應對策略。在滿足宜居需求的重大科學基礎問題中，資源能源保障中的重要科學問題被首先提出。2020年9月，習近平總書記提出了“碳達峰、碳中和”的科學戰略目標，指明煤炭工業新時期轉型升級的方向，促進了地學研究新領域的發展，如“透明地質”“數字地質”“宜居地質”以及人與自然和諧共生等新方向。煤炭開發與地學研究的關系如圖1所示。

圖1 煤炭開發與地學研究的關系

1.2.1 透明地質

煤炭開發智能化、無人化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，也是煤礦自動化、數字化發展的新階段。在實現以上目標的過程中，根據煤炭資源地質保障的需求，基于先進的鉆探技術、物探技術可實現礦井全方位、全生命周期的地質參數實時感知、精細化探測，可為地學研究提供地球內部多元化的綜合信息與應用場景。通過數據融合技術對龐雜數據信息的解譯和分類，借助大數據及信息技術可構建透明的可視化大數據云平臺，從而通過云平臺實時共享區域地質信息、地球物理屬性、地下精細化結構等信息，如圖2所示。

圖2 煤炭智能開采與透明地質

多尺度、多維度、區域性地質空間模型的構建，可全方位掌握地質體的綜合屬性，實現地學研究的透明化與可視化。通過采前、采中、采后取得的地質資料，結合新興技術可實現不同深度、不同尺度地質體的精細化和透明化探測。透明地質的出現可直觀形象展現地質體和地質結構，極大提高了對地質現象、礦產資源和地質環境的認知能力，對指導地下深部礦產資源的勘查，保障國家能源安全具有重要意義。

1.2.2 數字地質

隨著淺部煤炭資源日漸匱乏，開采條件愈發復雜，煤炭開發由淺部向深部轉變，呈“四高一強”的總體特征，對應的地質信息具有多元性、動態性、隨機性、時空性等特點[13]。傳統的地學理論和方法大多是定性描述，無法探尋深部開采災變的本質。

數字地質依靠實測性地質大數據支撐，基于深部地球數字信息(如巖性、地層、礦產、水文、構造等)，運用大數據融合等信息化技術，構建以地學研究為基礎的深部信息化數字平臺，搭建“數據—信息—知識—決策”鏈式信息數字模型。該模型具有多分辨、多時空、多種類等特點，可揭示深部煤炭開發的地球自然現象本質，推動數字地質技術的發展，如圖3所示。此外，過去地質現象可通過如今的數字化模型進行重新定量化表達。

圖3 煤炭深部開采與數字地質

地質數字化、信息化對地學研究具有重要意義，主要體現在以下幾個方面。

(1)提高信息共享效率。通過數字地質相關技術，可以快捷方便地查詢和檢索數據，更好地開展地質科研工作，促進科技信息共享與合作。

(2)輔助決策。數字地質技術可以為工程人員決策提供科學依據，為規劃和管理提供有力支撐。

(3)提高經濟效益。數字地質的應用可降低地質工作成本、提高工作效率，進而提高經濟效益。如，通過數字地質技術進行遠程勘探和數據分析，可以減少地質勘探的時間和費用等。

1.2.3 宜居地質

煤炭資源綠色開發與利用是我國實現煤炭工業轉型的必由之路，有利于推動煤炭工業的可持續發展[14-15]。在煤炭開發過程中，通過對生態環境的地質研究與評估，可以推動煤礦區的環境治理和生態修復。此外，煤炭開發的地下遺留空間可采取合理的利用方式，如作為固、液、氣大規模儲能設施，進行地下城市建設等；而井工煤礦開采塌陷區和露天煤礦排土場，可進行地面礦山公園及濕地公園建設等，從而構建人與自然和諧共生的礦區美麗家園，如圖4所示。

圖4 煤炭綠色開采與宜居地質

在此背景下，基于“煤炭開發推動經濟發展，經濟發展反哺城市建設”的可持續發展理念，以生態修復與重塑為基礎可在煤礦區進行人-地和諧共生的系統性改造[16-17]。通過應用現有技術手段對生態環境進行有效保護，可降低煤炭開發對環境的影響，并對受影響的生態環境進行有效的生態修復，從而為地球的宜居性提供相應保障。同時，數字地質、透明地質的發展可提供多分辨、多時空、多種類的地球數字信息、可視化場景以及相應技術手段，為宜居地質奠定信息和技術支撐，如圖5所示。

圖5 數字地質、透明地質、宜居地質間聯系

2 煤炭開發促進地學研究發展的實踐路徑

隨著煤炭工業的改革與發展，煤炭開發逐步趨向于智能化、專業化、定制化、集群化、綠色化。同時，地學研究也邁向“精細化、整體化、全面化”的新發展階段[18]。在煤炭開發推動作用下，“拓寬研究領域、提升研究精度、拓展研究尺度”是實現地學研究高質量發展的技術路徑。

2.1 拓寬研究領域

地學研究的深度和廣度主要體現在技術手段和研究內容兩方面。在煤炭地質保障系統的革新過程中，傳統的地質寫實、地質測量、鉆探技術等不斷升級與發展，一些先進的地質技術裝備與手段應運而生。

(1)物探技術具有非接觸、無損探測、成本低、速度快、覆蓋面廣等優勢，在資源勘探、礦井設計、采區劃分、工作面優化等方面應用廣泛。

(2)測井技術利用巖層的電化學特性、導電特性、聲學特性、放射性等地球物理特性，在煤巖層的層理確定、巖溶裂隙、產狀、鉆井井壁狀況、煤礦“三帶”發育情況等方面發揮著重要作用。

(3)“空-天-地”一體化技術整合無人機測繪、全球定位系統(GPS)、地理信息科學(GIS)、遙感技術(RS)、地質雷達及合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)等先進技術，實現了對多源異構數據的集成化感知，可用于礦井全生命周期礦山地質環境的智能化監測。

(4)透明礦井技術以精準探測技術為基礎，與物聯網、大數據、云計算、人工智能等現代信息技術深度融合，實現人-機-環的協同管理，為智能礦山邁向智慧礦山奠定了基礎。

同時，地學研究的內容也不斷深入。最初煤炭資源評價與預測是地質資源保障研究的主要內容。我國多次進行全國范圍內的煤炭資源評價預測，埋深2 000 m以淺的煤炭資源總量5.90萬億t，查明和預測的資源量為2.02萬億t[19]。隨著綜采裝備和技術的發展及其應用，對地質保障技術要求越來越高，已轉入對煤炭賦存基礎地質超前勘查階段。進入21世紀，煤礦地質保障技術趨于成熟化、精細化，地質保障技術逐步邁向系統化、綠色化、智能化，研究重點拓寬至地質演化、生態環境修復等領域的科學研究，嘗試探尋人與自然和諧共生的本質問題，如圖6所示。

圖6 煤炭開發與地學研究豐度

2.2 拓展研究尺度

在煤炭開發的助推下，地學研究尺度逐漸從井下裂紋、鉆孔、巷道、采場擴展至井田、礦區乃至整個煤田，并延伸至整個地球。

在煤礦采場尺度范圍內，裂紋是線狀的空隙，通過研究其發育程度、連通性、規模和性質，可揭示煤層的完整性、滲透性和穩定性。鉆孔是煤炭開發過程必不可少的部分，不僅是支護、注漿、水力壓裂等技術的必備工序，還可通過鉆孔實現各種測試與試驗，如地應力測量、鉆孔窺視、力學參數測定等，從而為礦井安全高效生產提供更加有力的支撐。巷道、采場是煤炭開采的直接場所，可為地學研究提供重要信息。在區域尺度范圍內，通過分析區域內煤層、巖層空間分布條件及其構造的發育情況，探究區域內地形地貌、河流水系、生態植被等特征，可揭示區域地質的災變本質，為區域合理規劃與可持續發展提供基礎資料。在全球尺度方面，通過研究全球范圍內煤炭資源的分布與開發，可揭示地球地殼演化規律、板塊構造形成機制以及全球應力分布規律等。

2.3 提升研究精度

在研究尺度提升的同時，隨著研究手段與方法的不斷進步與發展，煤炭開發與利用領域研究的精度也不斷提高。研究精度逐漸從米級到納米級、從宏觀到微觀，如借助電鏡掃描、CT、核磁等設備研究巖石孔隙、裂隙的精度現已達到微米級、納米級等。

因此，在煤炭開發帶動下，地學研究精度隨之提高，逐步邁向新的層次和新的高度，目前已實現地下千米級別地質結構的精細探測與識別，如圖7所示。

圖7 煤炭開發與地學研究尺度及精度

3 煤炭開發與地學學科發展模式

地質學、遙感測繪學、地球物理學等地學學科在保障煤炭安全高效開發過程中發揮了重要作用。在煤炭采前探查、采中地質保障、采后恢復利用的煤炭開發全生命周期都需要地學相關學科的支撐。具體體現在地質環境條件適宜性、煤炭開發模式及實踐、地質保障方法及策略、地質綜合評價模型與方法、風險動態預測與防控等方面，如采前對地質構造、巖層巖性、地形地貌等進行勘查；采中監測預警采場耦合條件的地質災害、環境損害及煤炭開發過程中的事故災害；采后的環境修復、污染治理、剩余資源利用等，如圖8所示。

圖8 煤炭開發與地球系統科學發展

另一方面，隨著“雙碳”目標的提出和“生態文明”“可持續發展”理念的深入推進，煤炭開發過程對地質保障研究內容和技術手段的要求也越來越高。煤炭開發在局部上擾動巖石圈、水圈、土壤圈、大氣圈、生物圈，這為探索多圈層地學研究提供了非常有利的“研究窗口”，繼而可深度揭示地球淺表層子系統之間的相互作用及演化規律。

4 結論

(1)闡述了地學的科學內涵及其發展歷程，認為地學研究與煤炭開發存在內在聯系，而煤炭開發進一步延伸拓寬了地學研究內涵。

(2)地學研究在保障煤炭開發安全、高效的同時，煤炭開發也推動了地學研究的創新與發展，促進了“透明地質”“數字地質”“宜居地質”等領域的新發展。因此，煤炭開發拓寬了地學的研究領域、提升了地學的研究精度、拓展了地學的研究尺度。

(3)“雙碳”背景下，隨著煤炭行業綠色低碳轉型速度的加快，煤炭開發將繼續擴展地學研究范圍，為地學探索地球多圈層研究提供有利的“研究窗口”，同時也可為煤礦區的綠色發展提供有力的地質保障。