煤炭地质绿色勘查基本架构

江 涛

(浙江煤炭地质局，杭州 310000)

0 绿色勘查提出的背景

长期以来，矿业的强劲发展在为国民经济建设提供重要支撑的同时，也确实造成了严重的环境负效应，生态文明建设已经成为经济社会可持续发展的关键[1]。党的“十八大”将生态文明建设纳入中国特色社会主义“五位一体”总体布局，“创新、协调、绿色、开放、共享”新发展理念的提出，极大影响和改变了我国的发展思路、发展方式和发展未来。就矿业来讲，如何转变粗放的矿业发展模式，促进矿业勘查开发与环境保护协调发展，发挥“绿水青山就是金山银山”生态效益，就成为发展绿色矿业、建设绿色矿山的基本立足点。地质勘查作为矿业的基础和发展起点，首当其冲面临如何减少生态环境破坏以及提高资源勘查效率的难题，能否实现勘查阶段的“绿色”，将直接影响整个行业的绿色发展甚至生态文明建设的整体大局。

2017年“生态优先、绿色勘查”被正式写入六部委联合印发的《关于加快建设绿色矿山的实施意见》中。绿色勘查即是以生态文明建设为目标，在既要找到金山银山，更要保护绿水青山，实现资源保障与生态保护双赢过程中探索出的地质勘查新路子。

在煤炭绿色勘查开发方面，国内一些学者等从不同角度进行了探索，提出了许多重要的认识与理念。在“绿色煤炭资源”方面，彭苏萍、王佟、袁亮等均提出了绿色煤炭资源概念，并对我国绿色煤炭资源进行了评价，对其资源量进行了估算[2-4]；在“煤系共伴生矿产”方面，王佟用“煤系气”阐述了煤系多类型天然气之间的有机联系[5]，曹代勇对煤系矿产资源类型划分及组合关系进行了探讨，并阐述了煤系矿产资源及其发展趋势，为煤系多能源矿产协同勘查理论与实践奠定了基础[6]；在“协同勘查理论体系研究”方面，王佟在《中国煤炭地质综合勘查与技术新体系中》初步体现了协同勘查思想[7]，李增学与王佟等进一步阐述了协同勘查的理论与技术体系[8]；潘树仁等初步建立了煤炭绿色勘查的技术体系[9]。

当前，绿色勘查已成为国家和行业内外的普遍共识。不同领域、不同矿种的绿色勘查在环保理念和环保手段等常规意义“绿色”方面具有较高共性，但具体到资源地质条件、资源赋存特征、矿产组合类型、关键勘查技术运用、资源协同开发与综合利用，即广义“绿色”内涵方面，不同矿种的绿色勘查又存在明显差异，煤炭地质绿色勘查需充分体现煤炭、煤系、煤盆地特点以及煤炭地质勘查特色。

1 煤炭、煤系、煤盆地地质勘查特点

1.1 煤炭赋存具有原位性和空间连续性

煤炭作为一种沉积型、非流态矿产资源，在不受强烈构造活动改造前提下通常具有原位性和连续性[1]，其边界确定、储量圈定、资源可靠级别等常需依据大量钻探、物探数据，钻孔等勘探施工不可避免对土地、地表(下)水、植被等造成破坏，而这些钻孔后续无法拓展使用，这就为尽量减少施工工作量、缩短环境扰动周期、降低环境影响程度、提升勘探成果综合利用水平等提出了更高的绿色勘查的要求；另一方面，我国煤炭地质勘查经过长期发展已积累了大量成果资料，煤炭资源赋存的原位性和连续性为综合利用已有地质资料、勘查成果、地质模型预测邻近未知区煤炭及其他共伴生资源禀赋，以“数据分析”最大限度取代“工程勘查”，实现绿色勘查提供了可能。

1.2 煤系共伴生矿产具有多样性

煤系为一套含有煤层或煤线的沉积岩系，大都呈灰、灰绿、灰黑和黑色，主要由砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩和煤等组成，富含暗色有机质。共伴生多类型矿产资源是我国煤与煤系的突出特征之一，主要分为气体矿产资源和固体矿产资源两大类。

1.2.1 气体矿产资源

大量的煤炭勘查与开发实践证实，煤层气等煤系非常规天然气资源作为清洁、低碳、优质能源，广泛分布于煤层与煤系中，同时也是煤炭安全生产的主要威胁因素之一。煤层作为主要勘查对象，无论是从安全生产、资源综合利用还是生态环境保护角度，进行煤与煤层气协同勘查开发均是十分必要的，现阶段煤炭勘查中基本实现了煤与煤层气协同勘查，这些实质上已体现了绿色勘查的核心理念。

除煤层气外，经证实煤系还可能分布致密砂岩气和页岩气，该现象已越来越引起重视，煤系致密砂岩和泥页岩作为聚煤间歇期韵律性或旋回性的产物，其有机质来源、类型以及热演化程度与聚煤、煤化作用密切相关，极可能为“同源气体赋存于煤系不同层位”的广义“煤层气”，现已有学者[5]采用“煤系气”论述“煤层气、煤系页岩气、煤系致密砂岩气”三者的有机联系并积极倡导煤与煤系气协同勘查开发，获得广泛关注，煤系气提法、概念也越来越形成共识。另外，山西等地发现的煤系灰岩气可能进一步拓展煤系气内涵及其研究领域[10]。

1.2.2 固体矿产资源

煤系也分布多类型固体矿产资源，如华北赋煤区石炭二叠纪煤系广泛分布山西式铁矿、高岭岩矿，部分地区发现石墨矿、煤系铀矿，这些矿产资源或者分布广、品位高、储量大或者战略价值极高，成为煤炭地质绿色勘查中不可忽视的对象。

除上述矿产资源外，煤与煤系还广泛分布锗、锂、镓等稀有元素，中国煤炭地质总局在煤与煤系共伴生矿产资源调查中发现煤系富含价值元素多达86种，提出了二连-海拉尔锗、镓成矿带；天山锗、镓成矿带；阴山锗、镓、锂成矿带；太行山东锗、镓成矿带；祁连-秦岭锗、镓成矿带；四川盆地周边镓、锂成矿带；川滇黔相邻锗、镓、锂成矿带；滇西三江锗成矿带，成果显著。

煤系共伴生固体矿产资源的多样性不仅为煤炭地质绿色勘查提供明确的协同目标和对象，也为新时期生态文明建设提出了煤与煤系资源综合开发、综合利用的“绿色”要求。

1.3 煤系水具有致灾与资源双重属性

我国煤田地质构造类型复杂，水文地质条件多样，矿井突水隐蔽致灾因素与机理多变。煤矿水害不仅容易造成井下作业人员重大伤亡，在经济损失严重程度、事故抢险救援难度和恢复矿井生产所需时间等方面在煤矿灾害事故中也最为突出[11]。但水又是一种资源，与煤炭资源呈逆向分布[12]，中西部富煤地区多为干旱和半干旱的生态脆弱区，在中西部严重贫水矿区煤系中发现具有开发潜力的地下水资源，可通过煤水共采，稀缺地下水合理利用方式抑制其致灾属性，发挥资源属性。

1.4 煤系各目标层相互叠置、纵向连续

如前所述，作为协同勘查主要目标层的煤层、煤系泥页岩层、煤系致密砂岩层因聚煤期韵律性或旋回性而具有明显的互相叠置纵向连续特征，主体勘查对象煤层在煤系各段均有可能分布，甚至因多煤层、巨厚煤层分布而可能覆盖整套煤系，煤炭勘查往往不同程度进入甚至穿透煤系，这就为煤炭勘查中通过一次进场，一次钻探、一次测井、一次取心，一次综合测试分析，达到一次性获取更多目标层、更多勘查对象关键评价参数，实现绿色勘查的目的。

2 煤炭地质绿色勘查的基本架构

2.1 树立煤炭地质绿色勘查理念

煤炭是我国主体能源，在一次能源消费占比长期在60%以上，煤炭之于我国能源安全的战略地位强力推动着煤炭地质勘查的快速发展，然而长期以来，我国煤炭地质勘查均以“煤”为主，忽视了对于有用甚至价值极高的共伴生矿产的勘查评价。鉴于此，广大煤炭地质工作者在长期勘查实践中针对我国煤炭地质条件、煤质特点和煤炭工业发展需求，积极探索，将以“煤”为主的勘查逐步发展为以“煤”为主的多能源、多矿产协同勘查。

结合上述煤炭、煤系、煤炭地质勘查特色，笔者认为：煤炭地质绿色勘查即是以新发展理念为引领、生态环境保护为约束、技术创新手段为支撑、资源安全保障为目标，为实现环境扰动最小化和勘查效益最大化的煤与煤系多能源资源和矿产资源的协同勘查。具体内涵：生态保护优先，在满足要求前提下，采用尽可能少的、经济合理的技术方法手段，以可控可恢复的最低环境代价获取尽可能覆盖全面、内容丰富、数据翔实的包括煤炭、煤系气、水资源、共伴生矿产，以及协同开发相关地质问题与工程地质条件等在内的多元化信息，服务绿色矿山资源综合开发与综合利用，贯穿于整个煤炭地质勘查工作中的具有更广泛“绿色”内涵的一种理念和实践。

2.2 推行煤炭地质绿色勘查实践

煤炭地质绿色勘查实践包括四方面内容：一是绿色勘查规划与绿色施工；二是大数据分析；三是轻扰化勘查技术手段，即绿色勘查技术的应用；四是开展多目标协同勘查(图1)。

图1 煤炭地质绿色勘查的基本架构Figure 1 Coal geological green exploration basic framework

2.2.1 绿色勘查规划与绿色施工

绿色勘查首先要求勘查工程本身的环保，也就是勘查工作要最大限度地减少对环境的影响。勘查施工开展前，根据实际情况制定科学的绿色勘查规划和施工方案，评价勘查施工对于生态环境的影响方式、范围和程度，制定环境保护和修复方案以及环境突发事件应急预案等；勘查施工过程中，在保证质量、安全等基本要求前提下，通过科学管理、技术进步，实现节能、节地、节水、节材和环境保护；勘查施工结束后，根据环境保护和修复方案开展占地复垦或绿化，最大限度恢复或修复生态环境。

2.2.2 大数据分析

地质条件和研究成果是煤炭地质绿色勘查的物质基础[10]。我国煤炭地质勘查经过多年发展已积累了海量地质条件、地质特征、勘查成果和测试、分析数据，这些数据不仅包括煤炭本身，还包括其他共伴生矿产的关键参数和信息。煤炭地质绿色勘查应注重对于区域和邻近已知区包括煤炭在内的矿产勘查成果的系统收集和梳理，通过对大数据关键信息的挖掘与基础地质条件的综合研究分析，最大限度获取未知区矿产资源相关信息，达到“信息化勘探”目的。

“大数据分析”可直观理解为通过已知区成果资料对未知区地质背景、矿产资源类型、资源丰度、分布特征甚至资源量展开预测，不仅能为已知区进一步开展绿色勘查提供指导，也能为未知区煤系多能源矿产预测，根据矿产组合类型明确绿色勘查对象与目标，构建针对性绿色勘查模式，开展绿色勘查工程验证，最大限度替代工程勘查提供有力帮助。

2.2.3 绿色勘查技术应用

勘查技术“绿色”是相对概念，凡与地质载体“接触”并有环境扰动的勘查技术从绝对意义上讲均非绿色勘查技术，但可通过转变思想观念、优化勘查手段、依托科技创新来提升勘查技术“绿色度”，如：遥感、物化探先行；优先选择占地少、环境扰动小、易修复的勘查技术手段；以钻代槽减少地表破坏；一基多孔、一孔多支、一孔多用钻探提升钻井综合利用水平，减少机台数量与搬迁；小口径快速精准钻探缩短环境扰动周期、降低环境影响程度；非炸药式激发高分辨率地震勘探降低施工风险和环境破坏程度；轻质化、模块化设备机具便于人工搬迁和减小机台面积；环保型泥浆减小对于土壤和地表(下)水资源的污染等。可见，勘查技术是否“绿色”关键取决于其选择和应用是否是在“绿色”新发展理念指导下实施的。

煤炭地质绿色勘查关键技术主要包括遥感技术、快速精准钻探技术、高精度地球物理勘探技术以及信息化勘探技术[7]。

遥感技术：遥感是通过空间传感器接收地面目标反射、散射外来电磁波或者目标自身发射的电磁波而获得目标物理参数的技术方法[13]，具有视域广、效率高、成本低、综合性强等优点，通过高分辨率卫星图像与雷达遥感数据相融合的增强处理与信息挖掘技术，提高了大范围地层、构造、水体解译精度，现已被广泛应用于矿产资源扫面勘查与靶区优选中，特别是在自然环境恶劣、交通不便、生态脆弱等地区的资源勘查中发挥了重要作用。遥感与其他勘查技术最大区别在于其为“非接触式”勘查，为本质绿色勘查技术。2017年，六部委《关于加快建设绿色矿山的实施意见》在“生态优先，绿色勘查”中已明确将其列为大力发展和推广的绿色技术手段。目前，遥感在煤炭勘查应用中已形成了煤炭资源调查遥感探测模式、工作流程和技术方法体系[8]。

快速精准钻探技术：钻探是矿产勘查中最普遍、最直观、最不可或缺的技术手段。快速精准钻探是利用先进钻探技术或有机组合技术高效实现实际钻孔轨迹与设计轨迹偏差最小的钻探技术，在快速精准基础上采用小口径则可进一步发挥降低设备和钻进成本，减少占地，减轻环境影响的优势，同时小口径钻探也引领和驱动了井内设备，尤其是测井设备的集成化、微型化、电子化和智能化以及针对多目标的测井手段和参数在煤炭、煤层气、页岩气甚至陆域天然气水合物等多矿种快速协同勘查中的广泛应用，逐步形成了符合我国煤炭地质绿色勘查特色的重要技术手段。

高精度地球物理勘探技术：主要包括地震、重磁电以及地球物理测井等。地震勘探被证实是查明煤层地质情况，特别是构造控制最为有效的一种方法，与钻探形成明显优势互补，是煤炭地质勘查最为常用和标准的勘探方法；地球物理测井和钻探通常搭配使用，尤其在无心钻井的岩性判别、岩性组合、煤岩界面识别、煤质分析以及煤系气各储层物性与资源潜力评价、富集区预测等方面可提供关键技术参数；重磁电则在划分构造单元、圈定地质异常体、研究基底起伏、预测含煤远景区以及采空区分布和富水性探测等方面发挥重要作用。近年来，随着以三维地震勘探、精细小口径测井等为核心的高精度地球物理勘查技术的快速发展和在煤炭勘查中的广泛应用，煤与煤系矿产勘查效率快速提升，成为煤炭地质绿色勘查的关键技术手段。

信息化勘探技术：信息化勘探包括三个方面，一是基于资源勘查功能需求而开发的数据、影像处理等软件平台及其应用；二是信息化技术与常规勘查技术的联合运用；三是通过建立勘查成果信息库或云平台进行“大数据分析”。

2.2.4 煤与煤系多资源及综合开发地质条件协同勘查

煤炭地质绿色勘查的核心是多目标协同，以煤为主，同时兼探一种或多种与煤共伴生的矿产资源。其勘查目标层主要为煤层、煤系、含水层；勘查对象主要包括煤、煤系气(煤层气、煤系页岩气、煤系致密砂岩气、煤系灰岩气、煤系天然气水合物等)、其它共伴生固态矿产、水资源以及与上述矿产资源综合开发密切相关的工程地质条件、隐蔽致灾因素等。通过一次进场，一次性获取更多目标层、更多勘查对象关键参数，实现绿色勘查。

煤炭资源勘查的核心是通过绿色勘查，全面掌握煤炭资源煤岩煤质煤类特征、资源赋存特征、顶底板及其围岩工程地质特征并开展聚煤规律分析和资源潜力评估，在此基础上结合绿色煤炭资源评价指标体系进一步开展绿色煤炭资源精细评价[2-3]，全面摸清绿色煤炭资源的空间分布特征及其资源量和保障能力。绿色煤炭资源是近两年在绿色新发展理念指导下提出的概念，体现了“优质资源、资源开发条件优劣程度、资源综合利用”的多重含义，是新时代煤炭地质绿色勘查必须开展的重要工作和与以往煤炭地质勘查最显著的区别。

煤系资源勘查的主要对象是煤系气和其他共伴生固体矿产，通过绿色勘查全面掌握煤系气烃源有机质类型和丰度、生烃潜力、储层关键物性参数及物性评估，煤系气吸附-解吸特征，资源潜力评估以及有利靶区优选等；掌握主要固态共伴生矿产的资源类型、赋存与分布特征，品位及其资源量；获取稀有元素的种类及其丰度参数等。

水资源勘查应作为煤炭地质绿色勘查的主要内容，尤其是水资源稀缺地区开展水资源协同勘查尤为必要，勘查评价水资源，掌握水文地质特征、评估水资源量以及开展水害危险性评估，能为指导煤炭开发模式选取、保障煤炭安全生产、水资源保护与综合利用发挥最大“绿色”效益。

煤与煤系多种矿产资源协同勘查的同时，还要对影响煤与煤系资源综合开发的瓦斯、水害、工程地质相关等隐蔽致灾因素开展精细探测和评估，为煤与煤系资源综合安全开发提供地质保障。

2.3 “绿色化”煤炭地质勘查成果

煤炭地质勘查成果绿色化是将以煤炭成果为核心，关联其他矿产资源及其地质载体的多元化信息通过地质云、孪生数据、虚拟现实等方式实现基于数字化、信息化和网络化的分层、分级、可控共享。煤炭地质勘查成果绿色化，不仅能快速实现“煤炭资源精准定位、关联矿产立体呈现、地质模型三维可视”的目的，也为资源综合开发或“下一次”绿色勘查实践提供了“大数据分析”的数据源，更搭建起了集展示、交流、合作、共享于一体的科技平台。

3 结论

1)煤炭地质绿色勘查是以新发展理念为引领、生态环境保护为约束、技术创新手段为支撑、资源安全保障为目标，为实现勘查效益最大化和环境扰动最小化的煤与煤系多能源资源及其它共伴生矿产资源的协同勘查，是服务于资源综合开发利用，建设绿色矿山，贯穿于地质勘查全过程的具有更广泛“绿色”内涵的一种理念和实践。

2)煤炭地质绿色勘查的基本架构包括：树立煤炭地质绿色勘查理念、推动绿色勘查实践、建立绿色勘查成果。

3)未来绿色勘查实践应重点开展工作，一是尽快建立、完善煤炭地质绿色勘查相关标准体系，二是加快推动绿色勘查，将绿色新发展理念深入、持续落实在工程实践中，三是区域环境的科学开发与保护。