煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查基本構(gòu)架與科學(xué)問題

孫富海

（湖北煤炭地質(zhì)物探測量隊(duì),湖北武漢430200）

受到經(jīng)濟(jì)全球化的影響，近年來煤炭產(chǎn)業(yè)環(huán)境發(fā)生了多樣性變化，煤炭產(chǎn)業(yè)作為我國重要的產(chǎn)業(yè)構(gòu)成，具有寬廣發(fā)展空間，而煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察將以生態(tài)保護(hù)優(yōu)先為核心理念，成為今后我國煤炭地質(zhì)勘查工作的重要發(fā)展方向。充分完善煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察的基本架構(gòu)可進(jìn)一步支持相關(guān)科研人員和工作人員形成生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識，并從煤炭產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境改善的關(guān)鍵要素入手，實(shí)現(xiàn)煤炭開采流程的更新，有效降低生態(tài)環(huán)境破壞風(fēng)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(yè)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(wěn)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)國民生產(chǎn)總值的增長可有效促進(jìn)煤炭價格的增長，進(jìn)一步帶動煤炭行業(yè)發(fā)展步伐，這意味著在未來一段時間內(nèi)，我國仍舊具有較大的煤炭資源開采需求。國家統(tǒng)計(jì)局資料顯示，2016～2019 年，我國煤炭消費(fèi)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(tài)環(huán)境保護(hù)與煤炭資源開采存在的矛盾沖突，煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察工作將以煤炭地質(zhì)技術(shù)理論和生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo)從生態(tài)保護(hù)角度完成資源整合。目前，我國煤系礦產(chǎn)資源可分為煤系非常規(guī)天然氣和煤系共伴生非金屬礦產(chǎn)，其中煤系非常規(guī)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)，積極開展生態(tài)地質(zhì)勘查研究，有助于充分整合煤炭地質(zhì)勘察發(fā)展脈絡(luò)（如圖1所示），有效掌握生態(tài)環(huán)境地質(zhì)特征，在實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的同時滿足資源勘查開發(fā)需要。

2 煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察的基本架構(gòu)

公開資料顯示，我國華北地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)、華東地區(qū)、中南地區(qū)、西南地區(qū)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(dāng)前我國的煤炭需求，可知未來一段時間內(nèi)煤炭產(chǎn)業(yè)具有較大發(fā)展空間。煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察工作的合理開展，能夠引導(dǎo)相關(guān)人員全面認(rèn)識到煤炭資源開發(fā)利用對環(huán)境的負(fù)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(zhì)勘察發(fā)展脈絡(luò)

煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察的基本架構(gòu)主要是以我國主要煤系礦產(chǎn)資源量以及我國綠色煤炭資源的主要分布情況為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的，充分整合了我國在煤炭地質(zhì)勘查中的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，使得煤炭地質(zhì)勘查工作逐漸由找煤勘察、綜合勘察、協(xié)同勘察發(fā)展到生態(tài)地質(zhì)勘查，進(jìn)一步優(yōu)化了煤炭資源開發(fā)利用基礎(chǔ)。以煤炭地質(zhì)學(xué)和生態(tài)地質(zhì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察框架可覆蓋煤層發(fā)育及主要關(guān)鍵層分析、構(gòu)造特征及復(fù)雜程度分析、煤質(zhì)特征及煤類分析、煤層結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析、水文及工程地質(zhì)特征分析、地貌地理特征分析、氣候與生物特征分析、水系發(fā)育特征分析以及經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展分析，可有效契合我國東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、東南地區(qū)，蒙東地區(qū)、晉陜蒙寧地區(qū)、西南地區(qū)、北疆地區(qū)、甘青南疆地區(qū)和西藏地區(qū)的地域環(huán)境，對煤炭勘查地區(qū)、煤炭開采地區(qū)以及廢氣和關(guān)閉的礦山地區(qū)信息進(jìn)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(chǎn)協(xié)同勘察工作以及煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境勘查工作。其中煤與煤系礦產(chǎn)協(xié)同勘察工作可覆蓋煤炭勘察、煤系共伴生固體礦產(chǎn)勘察、煤系金屬元素礦產(chǎn)勘察、水資源勘察和重要關(guān)鍵層勘察，而煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境工作可覆蓋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)資源分析以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和修復(fù)。在完善的煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查基本框架的支持下，我國將進(jìn)一步協(xié)調(diào)煤炭資源開采利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，充分利用已知區(qū)、相鄰區(qū)勘察成果資料完成地質(zhì)背景、礦產(chǎn)資源類型、資源豐度、分布特征以及資源量的預(yù)測分析，全面降低煤炭資源開采利用風(fēng)險以及生態(tài)環(huán)境破壞風(fēng)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(fèi)量分別為3867.0 百萬噸油當(dāng)量、3864.2 百萬噸油當(dāng)量、3769.0 百萬噸油當(dāng)量、3710.0 百萬噸油當(dāng)量、3718.4 百萬噸油當(dāng)量、3772.1 百萬噸油當(dāng)量，面對日益緊張的能源環(huán)境，煤炭產(chǎn)業(yè)具有較大發(fā)展壓力，以煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查基本框架為基礎(chǔ)的勘察工作能夠有效協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源開采利用之間的關(guān)系。

3 煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察內(nèi)容

以恢復(fù)生態(tài)學(xué)理論、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論、可持續(xù)發(fā)展理論和生態(tài)重建理論為基礎(chǔ)，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(fā)的地質(zhì)災(zāi)害是其對生態(tài)環(huán)境的主要負(fù)面影響。煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查工作的有效開展，能夠基于礦區(qū)的地理位置和區(qū)域范圍、地質(zhì)與地貌、氣候水文條件、生物狀況和土壤類型，實(shí)現(xiàn)資源保障和生態(tài)環(huán)境關(guān)系的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。目前，煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查的內(nèi)容主要包括生態(tài)地質(zhì)勘查規(guī)劃和煤系礦產(chǎn)資源協(xié)同勘察。就生態(tài)地質(zhì)勘察規(guī)劃而言，主要是通過深入貫徹落實(shí)“生態(tài)優(yōu)先，綠色勘查”的核心理念，確定生態(tài)地質(zhì)勘察的目標(biāo)和任務(wù)，并結(jié)合前期資料以及礦區(qū)的主要環(huán)境信息，制定勘查工作總體規(guī)劃。煤系礦產(chǎn)資源協(xié)同勘察主要包括煤與煤系礦產(chǎn)協(xié)同勘察、煤與共伴生固體礦產(chǎn)的協(xié)同勘察、煤與金屬元素礦產(chǎn)資源的協(xié)同勘察以及煤與水資源的協(xié)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(tài)地質(zhì)勘查的相關(guān)科學(xué)問題

4.1 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型區(qū)分

近年來，在習(xí)近平總書記“綠水青山就是金山銀山”生態(tài)理念的支持下，我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作取得了實(shí)質(zhì)性推進(jìn)成效，可持續(xù)發(fā)展理念得以被深度貫徹和落實(shí)。基于煤炭與我國社會生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的多重聯(lián)系，有效發(fā)展煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查工作至關(guān)重要。在煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查工作中需精細(xì)化開展生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型區(qū)分：在勘察工作開展前，相關(guān)人員應(yīng)精細(xì)化掌握礦區(qū)的基本情況以及地質(zhì)條件和水文條件，在此基礎(chǔ)上，可將生態(tài)地質(zhì)環(huán)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(tài)地質(zhì)環(huán)境而言，該類地形地表植被發(fā)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(yuǎn)大于枯水期，地下水資源主要是風(fēng)化基巖含水層中富余的水資源，但水量有限，在這類生態(tài)地質(zhì)環(huán)境中，地下煤炭資源的開采將面臨更大的地表開裂風(fēng)險和地形破碎風(fēng)險，同時，由于雨季中降水量較多，容易造成嚴(yán)重的水土流失情況或?qū)е禄?、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害；就地表水溝谷河流綠洲型生態(tài)地質(zhì)環(huán)境而言，地下水的組成較為復(fù)雜，水資源豐富，植被環(huán)境較好，但在資源開采中，容易造成植被生態(tài)退化，在一定程度上增加了生態(tài)治理難度；就淺水沙漠灘地綠洲型生態(tài)地質(zhì)環(huán)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(yīng)對開采強(qiáng)度進(jìn)行合理控制，避免對原有水文地質(zhì)條件造成大范圍破壞，避免加劇沙漠化進(jìn)程[1]。

表1 綠色煤炭資源主要分布

4.2 煤炭開采對礦區(qū)環(huán)境影響分析

以可持續(xù)發(fā)展理論、生態(tài)文明理論、多中心治理理論為基礎(chǔ)，可知煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查工作有助于我國構(gòu)建完善的礦區(qū)生態(tài)治理體系，進(jìn)一步完善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的法律法規(guī)，提高治理水平。在煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查中，需精細(xì)化完成煤炭開采對礦區(qū)環(huán)境的影響分析，以下對其進(jìn)行介紹：

相關(guān)人員應(yīng)在煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查工作開展過程中，全面掌握礦區(qū)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(zhì)構(gòu)造與地震活動、水文地質(zhì)條件以及煤炭資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和人類工程活動等，繼而通過整合已有數(shù)據(jù)信息，充分明確采煤引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)，包括地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)、水資源及水環(huán)境效應(yīng)、土地資源及植被效應(yīng)。就地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)分析而言，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)基本情況導(dǎo)出煤礦地質(zhì)災(zāi)害特征表，內(nèi)容應(yīng)包括相關(guān)重點(diǎn)位置的坐標(biāo)、礦區(qū)規(guī)模主要特征、威脅對象、穩(wěn)定性、危害程度、危險性和影響程度等，并判斷，地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)是否會導(dǎo)致地面塌陷和滑坡。就煤炭資源開采對礦區(qū)水資源及水環(huán)境的影響效應(yīng)而言，應(yīng)判斷地下水位下降情況、水質(zhì)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(yīng)完成垮落帶高度預(yù)測、導(dǎo)水裂陷帶高度預(yù)測、保護(hù)層和防水煤巖柱高度預(yù)測；在水質(zhì)污染情況分析中應(yīng)對地表水情況、地下水水質(zhì)情況進(jìn)行科學(xué)探究[2]。

4.3 科技支撐

近年來，我國科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，考慮到煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察工作具有較高的系統(tǒng)性和較大的覆蓋面，應(yīng)積極整合相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，提高勘查水平和勘察效率。目前，煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查工作可覆蓋煤與煤系，礦產(chǎn)協(xié)同勘察和煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境勘察，在煤與煤系礦產(chǎn)協(xié)同勘察中，為進(jìn)一步提高煤炭煤系共伴生固體礦產(chǎn)、煤系金屬元素、礦產(chǎn)水資源和重要關(guān)鍵層勘察結(jié)果的精準(zhǔn)性,可以引進(jìn)并應(yīng)用高分辨率、高光譜遙感技術(shù)、高精度地球物理勘探技術(shù)、快速精準(zhǔn)鉆探技術(shù)、地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和多維化信息展示技術(shù)[3]。其中高分辨率、高光譜遙感技術(shù)可通過空間傳感器接受地面目標(biāo)反射的外來電磁波或目標(biāo)自身發(fā)射的電磁波而獲得目標(biāo)物理參數(shù)，完成礦產(chǎn)資源掃面勘查與靶區(qū)優(yōu)選、礦山環(huán)境勘查與生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測。而地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和多維化信息展示技術(shù)可充分發(fā)揮可視化優(yōu)勢，支持相關(guān)人員有效掌握生態(tài)地質(zhì)信息，合理制定煤炭資源開采規(guī)劃。在煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境分析工作中可采用工程治理技術(shù)、生態(tài)修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)提高生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)資源分析和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與修復(fù)的有效性和實(shí)效性，充分發(fā)揮煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查工作的作用優(yōu)勢，深度貫徹落實(shí)“生態(tài)優(yōu)先，綠色勘察”的核心理念[4]。

4.4 勘查結(jié)果整合

在煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查工作的開展過程中，相關(guān)人員將會利用不同技術(shù)搜集相關(guān)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境信息，如高分辨率、高光譜遙感技術(shù)、高精度地球物理勘探技術(shù)、地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，在后續(xù)的煤炭資源開采工作中，需要對前期的勘察結(jié)果進(jìn)行精細(xì)化整合，以明確資源開采需求和資源開采風(fēng)險，繼而針對性優(yōu)化資源開采方案，提高資源利用率。近年來，我國科學(xué)技術(shù)環(huán)境大大改善，在相關(guān)先進(jìn)信息技術(shù)的支持下，數(shù)據(jù)的傳輸效率明顯提高，大數(shù)據(jù)對社會生產(chǎn)和人民生活的影響日益增強(qiáng)。在這種情況下，可利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)對勘察結(jié)果進(jìn)行充分整合。例如，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可對不同生態(tài)地質(zhì)環(huán)境中的植被分布數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，必須對植被指數(shù)的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，繼而利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)完成植被發(fā)育空間分布特征的分析和植被發(fā)育變化趨勢的分析，充分體現(xiàn)相關(guān)先進(jìn)技術(shù)在煤礦資源開采勘察中的生態(tài)意義。另外，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)還可在勘察結(jié)果整合中導(dǎo)出礦區(qū)地下水埋深變化及分布特征、EVI 與地下水埋深的相互關(guān)系、分析礦區(qū)地下水埋深影響植被生長發(fā)育的機(jī)理、分析煤炭開采對頂板覆巖結(jié)構(gòu)的影響，分析地下水變化、動態(tài)監(jiān)測采動引起的地下水埋深變化、數(shù)值模擬地表生態(tài)地質(zhì)環(huán)境對煤炭開采的響應(yīng)[5]。

4.5 生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)

目前，煤炭資源開采可能導(dǎo)致礦區(qū)地表被破壞，植物資源減少甚至消失，同時還可能會對礦區(qū)附近的水環(huán)境造成污染，導(dǎo)致動物源減少，生態(tài)環(huán)境和自然景觀遭到嚴(yán)重破壞。在這種情況下，科學(xué)開展煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查工作有助于協(xié)調(diào)資源開采利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，不斷創(chuàng)新和探索礦區(qū)開發(fā)方式，完成生態(tài)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)與治理，推動土地資源的二次開發(fā)利用和地方企業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展。在生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)過程中，應(yīng)利用煤炭生態(tài)地質(zhì)勘查工作中收集的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，明確采礦前后礦區(qū)地標(biāo)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(zhì)的變化。并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合礦山的地理位置、礦山的開采歷史及現(xiàn)狀以及礦山的地形地貌、氣象水文、地質(zhì)巖性、地質(zhì)構(gòu)造、周邊人類工程活動，包括放牧和工程建設(shè)等，從長期發(fā)展出發(fā)，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(guān)生態(tài)問題，形成全新的修復(fù)模式，完成廢石堆放地的生態(tài)修復(fù)、廢棄煤礦井口區(qū)的生態(tài)修復(fù)、采煤塌陷地的生態(tài)恢復(fù)以及采礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)。

5 結(jié)論

總而言之，在習(xí)近平總書記綠水青山就是金山銀山生態(tài)理念的支持下，我國對生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的重視程度不斷提升，基于煤炭產(chǎn)業(yè)與我國社會生產(chǎn)、人民生活以及生態(tài)效應(yīng)的密切聯(lián)系，應(yīng)基于煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察的基本架構(gòu)，進(jìn)一步細(xì)化煤炭生態(tài)地質(zhì)勘察內(nèi)容，并有效解決生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型區(qū)分、煤炭開采對礦區(qū)環(huán)境影分析、科技支撐、勘察結(jié)果整合以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)等相關(guān)科學(xué)問題。