煤炭开发推动地学研究发展

王双明，孙 强，谷 超，李鹏飞，耿济世，王生全，师庆民

(1.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西省西安市，710054；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西省西安市，710054；3.西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院，陕西省西安市，710054)

0 引言

煤炭作为我国的主体能源，为经济社会快速发展提供了重要保障[1-2]。近10年内，煤炭资源消耗总量在一次能源的占比均在50%以上，有效发挥了能源安全稳定器的作用。然而，煤炭开发受生态环境和地质条件等诸多因素影响。地球科学(以下简称“地学”)是一门以地球为研究对象的学科统称，借助该学科可掌握影响煤炭开发的地质环境因素，如地形地貌、岩土体工程性质和环境地质等。此外，通过煤炭资源勘探、监测、评估，可为煤炭工业绿色发展提供相应的理论保障[3]。

煤炭开发强度和深度的增大对地学领域研究的要求越来越高。地学理论和技术可有效解决煤炭开发过程中地质概况和安全方面遇到的严峻问题。王双明等[4]从煤炭资源赋存地质条件出发，系统阐述了煤炭绿色开采地质保障理论与技术，构建了煤炭绿色开发的地质保障体系；彭苏萍[5]通过梳理40 a煤炭地质保障体系的发展历程，指出矿井地质透明化是地质保障系统未来的发展方向；袁亮等[6-7]通过分析我国矿井地质保障技术体系的现状，指出煤炭精准智能开采模式下矿井地质保障技术的发展方向。近年来，众多学者提出“煤炭安全智能开采地质保障系统”“实时动态透明地质保障系统”“煤矿地质保障共享平台”等煤炭开发地质保障理念和技术框架，为煤炭安全高效开发提供了相应理论保障[8-10]。

随着煤炭开发逐渐走向自动化、信息化、智能化时代，煤炭工业呈现出由劳动密集型转向技术密集型的趋势。该趋势推动了地学领域的“理论与理念创新，技术与装备革新”，使人类对地球的认知趋于“透明化”“可视化”。笔者通过分析地学研究与煤炭开发之间的关系，阐明了煤炭开发推动地学研究发展的科学内涵，以期为煤炭开发提供新的方向性思路。

1 地学研究以及与煤炭开发的内在联系

1.1 地球科学的内涵及发展历程

地学是认识地球的形成、演化以及与人类自身生存和发展休戚相关的气候、环境、资源、灾害、可居住性、可持续发展等的一门自然科学，其主要任务是研究地球环境变化与人类活动的关系，揭示地球各圈层相互作用及其资源与环境效应，指导人类科学、合理地勘查、开发和利用自然资源(如煤炭、石油、天然气、水电等)，保护自然环境、预防自然灾害，服务于人类的生存发展需求。

地学的发展历史可追溯至人类文明伊始，人们为了满足生存的基本需要，对地球及其环境产生了朴素的认识，如《水经注》《梦溪笔谈》等记载。在地理大发现时期，地学视野由局部大陆扩展到全球，地球科学开始分化为地质学、地理学、气象学和测量学等。进入20世纪后，人类对自然灾害的预防、预测的需求提高，以及能源危机、生态危机、资源危机的出现，地学分化出地球物理学、地球化学等新兴学科。随着新兴技术(如探空火箭、资源卫星、深海钻探、同位素地质年代测量、电子计算机、遥感技术等)的广泛应用及其与地学的融合，形成了以“上天、入地、下海”为时代特征，内容丰富的学科知识体系，使得地学研究呈现出全球化、系统化的趋势。21世纪以来，人们对整个地球乃至整个宇宙系统提出了新的认识和见解，如“宜居星球”“地球生存计划”“时域地球”[11]等具有前瞻性的科学构想。

1.2 地学研究与煤炭开发的内在联系

煤炭是我国能源安全的兜底保证，其高质量发展离不开地学的保障与支持。随着煤炭开采技术的不断进步(炮采→普采→综采)，煤炭开发环境逐步复杂化(浅部→深部、厚煤层→薄煤层、简单地质构造→复杂地质构造)。同时，煤矿地质保障对地学理论和内容的要求也越来越高。煤炭开发对地质保障的要求已经由煤田预测与评价(即“储量地质保障技术”)、地质勘查保障(进行煤层赋存状况的判别，即地质构造、煤层厚度和煤层对比)进入智能绿色地质保障阶段，集“煤炭开采”“地质工程”“生态环境”“人文经济”于一体，构建起全生命周期的煤炭绿色开发地质保障理论和实施技术体系。

“地球宜居性”已列入我国地球科学未来10～15 a发展愿景[12]，重点研究地球的基本性质、状态、演化规律，探讨人类生存条件的变化趋势及应对策略。在满足宜居需求的重大科学基础问题中，资源能源保障中的重要科学问题被首先提出。2020年9月，习近平总书记提出了“碳达峰、碳中和”的科学战略目标，指明煤炭工业新时期转型升级的方向，促进了地学研究新领域的发展，如“透明地质”“数字地质”“宜居地质”以及人与自然和谐共生等新方向。煤炭开发与地学研究的关系如图1所示。

图1 煤炭开发与地学研究的关系

1.2.1 透明地质

煤炭开发智能化、无人化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，也是煤矿自动化、数字化发展的新阶段。在实现以上目标的过程中，根据煤炭资源地质保障的需求，基于先进的钻探技术、物探技术可实现矿井全方位、全生命周期的地质参数实时感知、精细化探测，可为地学研究提供地球内部多元化的综合信息与应用场景。通过数据融合技术对庞杂数据信息的解译和分类，借助大数据及信息技术可构建透明的可视化大数据云平台，从而通过云平台实时共享区域地质信息、地球物理属性、地下精细化结构等信息，如图2所示。

图2 煤炭智能开采与透明地质

多尺度、多维度、区域性地质空间模型的构建，可全方位掌握地质体的综合属性，实现地学研究的透明化与可视化。通过采前、采中、采后取得的地质资料，结合新兴技术可实现不同深度、不同尺度地质体的精细化和透明化探测。透明地质的出现可直观形象展现地质体和地质结构，极大提高了对地质现象、矿产资源和地质环境的认知能力，对指导地下深部矿产资源的勘查，保障国家能源安全具有重要意义。

1.2.2 数字地质

随着浅部煤炭资源日渐匮乏，开采条件愈发复杂，煤炭开发由浅部向深部转变，呈“四高一强”的总体特征，对应的地质信息具有多元性、动态性、随机性、时空性等特点[13]。传统的地学理论和方法大多是定性描述，无法探寻深部开采灾变的本质。

数字地质依靠实测性地质大数据支撑，基于深部地球数字信息(如岩性、地层、矿产、水文、构造等)，运用大数据融合等信息化技术，构建以地学研究为基础的深部信息化数字平台，搭建“数据—信息—知识—决策”链式信息数字模型。该模型具有多分辨、多时空、多种类等特点，可揭示深部煤炭开发的地球自然现象本质，推动数字地质技术的发展，如图3所示。此外，过去地质现象可通过如今的数字化模型进行重新定量化表达。

图3 煤炭深部开采与数字地质

地质数字化、信息化对地学研究具有重要意义，主要体现在以下几个方面。

(1)提高信息共享效率。通过数字地质相关技术，可以快捷方便地查询和检索数据，更好地开展地质科研工作，促进科技信息共享与合作。

(2)辅助决策。数字地质技术可以为工程人员决策提供科学依据，为规划和管理提供有力支撑。

(3)提高经济效益。数字地质的应用可降低地质工作成本、提高工作效率，进而提高经济效益。如，通过数字地质技术进行远程勘探和数据分析，可以减少地质勘探的时间和费用等。

1.2.3 宜居地质

煤炭资源绿色开发与利用是我国实现煤炭工业转型的必由之路，有利于推动煤炭工业的可持续发展[14-15]。在煤炭开发过程中，通过对生态环境的地质研究与评估，可以推动煤矿区的环境治理和生态修复。此外，煤炭开发的地下遗留空间可采取合理的利用方式，如作为固、液、气大规模储能设施，进行地下城市建设等；而井工煤矿开采塌陷区和露天煤矿排土场，可进行地面矿山公园及湿地公园建设等，从而构建人与自然和谐共生的矿区美丽家园，如图4所示。

图4 煤炭绿色开采与宜居地质

在此背景下，基于“煤炭开发推动经济发展，经济发展反哺城市建设”的可持续发展理念，以生态修复与重塑为基础可在煤矿区进行人-地和谐共生的系统性改造[16-17]。通过应用现有技术手段对生态环境进行有效保护，可降低煤炭开发对环境的影响，并对受影响的生态环境进行有效的生态修复，从而为地球的宜居性提供相应保障。同时，数字地质、透明地质的发展可提供多分辨、多时空、多种类的地球数字信息、可视化场景以及相应技术手段，为宜居地质奠定信息和技术支撑，如图5所示。

图5 数字地质、透明地质、宜居地质间联系

2 煤炭开发促进地学研究发展的实践路径

随着煤炭工业的改革与发展，煤炭开发逐步趋向于智能化、专业化、定制化、集群化、绿色化。同时，地学研究也迈向“精细化、整体化、全面化”的新发展阶段[18]。在煤炭开发推动作用下，“拓宽研究领域、提升研究精度、拓展研究尺度”是实现地学研究高质量发展的技术路径。

2.1 拓宽研究领域

地学研究的深度和广度主要体现在技术手段和研究内容两方面。在煤炭地质保障系统的革新过程中，传统的地质写实、地质测量、钻探技术等不断升级与发展，一些先进的地质技术装备与手段应运而生。

(1)物探技术具有非接触、无损探测、成本低、速度快、覆盖面广等优势，在资源勘探、矿井设计、采区划分、工作面优化等方面应用广泛。

(2)测井技术利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，在煤岩层的层理确定、岩溶裂隙、产状、钻井井壁状况、煤矿“三带”发育情况等方面发挥着重要作用。

(3)“空-天-地”一体化技术整合无人机测绘、全球定位系统(GPS)、地理信息科学(GIS)、遥感技术(RS)、地质雷达及合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)等先进技术，实现了对多源异构数据的集成化感知，可用于矿井全生命周期矿山地质环境的智能化监测。

(4)透明矿井技术以精准探测技术为基础，与物联网、大数据、云计算、人工智能等现代信息技术深度融合，实现人-机-环的协同管理，为智能矿山迈向智慧矿山奠定了基础。

同时，地学研究的内容也不断深入。最初煤炭资源评价与预测是地质资源保障研究的主要内容。我国多次进行全国范围内的煤炭资源评价预测，埋深2 000 m以浅的煤炭资源总量5.90万亿t，查明和预测的资源量为2.02万亿t[19]。随着综采装备和技术的发展及其应用，对地质保障技术要求越来越高，已转入对煤炭赋存基础地质超前勘查阶段。进入21世纪，煤矿地质保障技术趋于成熟化、精细化，地质保障技术逐步迈向系统化、绿色化、智能化，研究重点拓宽至地质演化、生态环境修复等领域的科学研究，尝试探寻人与自然和谐共生的本质问题，如图6所示。

图6 煤炭开发与地学研究丰度

2.2 拓展研究尺度

在煤炭开发的助推下，地学研究尺度逐渐从井下裂纹、钻孔、巷道、采场扩展至井田、矿区乃至整个煤田，并延伸至整个地球。

在煤矿采场尺度范围内，裂纹是线状的空隙，通过研究其发育程度、连通性、规模和性质，可揭示煤层的完整性、渗透性和稳定性。钻孔是煤炭开发过程必不可少的部分，不仅是支护、注浆、水力压裂等技术的必备工序，还可通过钻孔实现各种测试与试验，如地应力测量、钻孔窥视、力学参数测定等，从而为矿井安全高效生产提供更加有力的支撑。巷道、采场是煤炭开采的直接场所，可为地学研究提供重要信息。在区域尺度范围内，通过分析区域内煤层、岩层空间分布条件及其构造的发育情况，探究区域内地形地貌、河流水系、生态植被等特征，可揭示区域地质的灾变本质，为区域合理规划与可持续发展提供基础资料。在全球尺度方面，通过研究全球范围内煤炭资源的分布与开发，可揭示地球地壳演化规律、板块构造形成机制以及全球应力分布规律等。

2.3 提升研究精度

在研究尺度提升的同时，随着研究手段与方法的不断进步与发展，煤炭开发与利用领域研究的精度也不断提高。研究精度逐渐从米级到纳米级、从宏观到微观，如借助电镜扫描、CT、核磁等设备研究岩石孔隙、裂隙的精度现已达到微米级、纳米级等。

因此，在煤炭开发带动下，地学研究精度随之提高，逐步迈向新的层次和新的高度，目前已实现地下千米级别地质结构的精细探测与识别，如图7所示。

图7 煤炭开发与地学研究尺度及精度

3 煤炭开发与地学学科发展模式

地质学、遥感测绘学、地球物理学等地学学科在保障煤炭安全高效开发过程中发挥了重要作用。在煤炭采前探查、采中地质保障、采后恢复利用的煤炭开发全生命周期都需要地学相关学科的支撑。具体体现在地质环境条件适宜性、煤炭开发模式及实践、地质保障方法及策略、地质综合评价模型与方法、风险动态预测与防控等方面，如采前对地质构造、岩层岩性、地形地貌等进行勘查；采中监测预警采场耦合条件的地质灾害、环境损害及煤炭开发过程中的事故灾害；采后的环境修复、污染治理、剩余资源利用等，如图8所示。

图8 煤炭开发与地球系统科学发展

另一方面，随着“双碳”目标的提出和“生态文明”“可持续发展”理念的深入推进，煤炭开发过程对地质保障研究内容和技术手段的要求也越来越高。煤炭开发在局部上扰动岩石圈、水圈、土壤圈、大气圈、生物圈，这为探索多圈层地学研究提供了非常有利的“研究窗口”，继而可深度揭示地球浅表层子系统之间的相互作用及演化规律。

4 结论

(1)阐述了地学的科学内涵及其发展历程，认为地学研究与煤炭开发存在内在联系，而煤炭开发进一步延伸拓宽了地学研究内涵。

(2)地学研究在保障煤炭开发安全、高效的同时，煤炭开发也推动了地学研究的创新与发展，促进了“透明地质”“数字地质”“宜居地质”等领域的新发展。因此，煤炭开发拓宽了地学的研究领域、提升了地学的研究精度、拓展了地学的研究尺度。

(3)“双碳”背景下，随着煤炭行业绿色低碳转型速度的加快，煤炭开发将继续扩展地学研究范围，为地学探索地球多圈层研究提供有利的“研究窗口”，同时也可为煤矿区的绿色发展提供有力的地质保障。