王雙明,孫 強(qiáng),谷 超,李鵬飛,耿濟(jì)世,王生全,師慶民
(1.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西省西安市,710054;2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西省西安市,710054;3.西安科技大學(xué)煤炭綠色開采地質(zhì)研究院,陜西省西安市,710054)
煤炭作為我國的主體能源,為經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展提供了重要保障[1-2]。近10年內(nèi),煤炭資源消耗總量在一次能源的占比均在50%以上,有效發(fā)揮了能源安全穩(wěn)定器的作用。然而,煤炭開發(fā)受生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)條件等諸多因素影響。地球科學(xué)(以下簡(jiǎn)稱“地學(xué)”)是一門以地球?yàn)檠芯繉?duì)象的學(xué)科統(tǒng)稱,借助該學(xué)科可掌握影響煤炭開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因素,如地形地貌、巖土體工程性質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)等。此外,通過煤炭資源勘探、監(jiān)測(cè)、評(píng)估,可為煤炭工業(yè)綠色發(fā)展提供相應(yīng)的理論保障[3]。
煤炭開發(fā)強(qiáng)度和深度的增大對(duì)地學(xué)領(lǐng)域研究的要求越來越高。地學(xué)理論和技術(shù)可有效解決煤炭開發(fā)過程中地質(zhì)概況和安全方面遇到的嚴(yán)峻問題。王雙明等[4]從煤炭資源賦存地質(zhì)條件出發(fā),系統(tǒng)闡述了煤炭綠色開采地質(zhì)保障理論與技術(shù),構(gòu)建了煤炭綠色開發(fā)的地質(zhì)保障體系;彭蘇萍[5]通過梳理40 a煤炭地質(zhì)保障體系的發(fā)展歷程,指出礦井地質(zhì)透明化是地質(zhì)保障系統(tǒng)未來的發(fā)展方向;袁亮等[6-7]通過分析我國礦井地質(zhì)保障技術(shù)體系的現(xiàn)狀,指出煤炭精準(zhǔn)智能開采模式下礦井地質(zhì)保障技術(shù)的發(fā)展方向。近年來,眾多學(xué)者提出“煤炭安全智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)”“實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)透明地質(zhì)保障系統(tǒng)”“煤礦地質(zhì)保障共享平臺(tái)”等煤炭開發(fā)地質(zhì)保障理念和技術(shù)框架,為煤炭安全高效開發(fā)提供了相應(yīng)理論保障[8-10]。
隨著煤炭開發(fā)逐漸走向自動(dòng)化、信息化、智能化時(shí)代,煤炭工業(yè)呈現(xiàn)出由勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型的趨勢(shì)。該趨勢(shì)推動(dòng)了地學(xué)領(lǐng)域的“理論與理念創(chuàng)新,技術(shù)與裝備革新”,使人類對(duì)地球的認(rèn)知趨于“透明化”“可視化”。筆者通過分析地學(xué)研究與煤炭開發(fā)之間的關(guān)系,闡明了煤炭開發(fā)推動(dòng)地學(xué)研究發(fā)展的科學(xué)內(nèi)涵,以期為煤炭開發(fā)提供新的方向性思路。
地學(xué)是認(rèn)識(shí)地球的形成、演化以及與人類自身生存和發(fā)展休戚相關(guān)的氣候、環(huán)境、資源、災(zāi)害、可居住性、可持續(xù)發(fā)展等的一門自然科學(xué),其主要任務(wù)是研究地球環(huán)境變化與人類活動(dòng)的關(guān)系,揭示地球各圈層相互作用及其資源與環(huán)境效應(yīng),指導(dǎo)人類科學(xué)、合理地勘查、開發(fā)和利用自然資源(如煤炭、石油、天然氣、水電等),保護(hù)自然環(huán)境、預(yù)防自然災(zāi)害,服務(wù)于人類的生存發(fā)展需求。
地學(xué)的發(fā)展歷史可追溯至人類文明伊始,人們?yōu)榱藵M足生存的基本需要,對(duì)地球及其環(huán)境產(chǎn)生了樸素的認(rèn)識(shí),如《水經(jīng)注》《夢(mèng)溪筆談》等記載。在地理大發(fā)現(xiàn)時(shí)期,地學(xué)視野由局部大陸擴(kuò)展到全球,地球科學(xué)開始分化為地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)和測(cè)量學(xué)等。進(jìn)入20世紀(jì)后,人類對(duì)自然災(zāi)害的預(yù)防、預(yù)測(cè)的需求提高,以及能源危機(jī)、生態(tài)危機(jī)、資源危機(jī)的出現(xiàn),地學(xué)分化出地球物理學(xué)、地球化學(xué)等新興學(xué)科。隨著新興技術(shù)(如探空火箭、資源衛(wèi)星、深海鉆探、同位素地質(zhì)年代測(cè)量、電子計(jì)算機(jī)、遙感技術(shù)等)的廣泛應(yīng)用及其與地學(xué)的融合,形成了以“上天、入地、下海”為時(shí)代特征,內(nèi)容豐富的學(xué)科知識(shí)體系,使得地學(xué)研究呈現(xiàn)出全球化、系統(tǒng)化的趨勢(shì)。21世紀(jì)以來,人們對(duì)整個(gè)地球乃至整個(gè)宇宙系統(tǒng)提出了新的認(rèn)識(shí)和見解,如“宜居星球”“地球生存計(jì)劃”“時(shí)域地球”[11]等具有前瞻性的科學(xué)構(gòu)想。
煤炭是我國能源安全的兜底保證,其高質(zhì)量發(fā)展離不開地學(xué)的保障與支持。隨著煤炭開采技術(shù)的不斷進(jìn)步(炮采→普采→綜采),煤炭開發(fā)環(huán)境逐步復(fù)雜化(淺部→深部、厚煤層→薄煤層、簡(jiǎn)單地質(zhì)構(gòu)造→復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造)。同時(shí),煤礦地質(zhì)保障對(duì)地學(xué)理論和內(nèi)容的要求也越來越高。煤炭開發(fā)對(duì)地質(zhì)保障的要求已經(jīng)由煤田預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)(即“儲(chǔ)量地質(zhì)保障技術(shù)”)、地質(zhì)勘查保障(進(jìn)行煤層賦存狀況的判別,即地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度和煤層對(duì)比)進(jìn)入智能綠色地質(zhì)保障階段,集“煤炭開采”“地質(zhì)工程”“生態(tài)環(huán)境”“人文經(jīng)濟(jì)”于一體,構(gòu)建起全生命周期的煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障理論和實(shí)施技術(shù)體系。
“地球宜居性”已列入我國地球科學(xué)未來10~15 a發(fā)展愿景[12],重點(diǎn)研究地球的基本性質(zhì)、狀態(tài)、演化規(guī)律,探討人類生存條件的變化趨勢(shì)及應(yīng)對(duì)策略。在滿足宜居需求的重大科學(xué)基礎(chǔ)問題中,資源能源保障中的重要科學(xué)問題被首先提出。2020年9月,習(xí)近平總書記提出了“碳達(dá)峰、碳中和”的科學(xué)戰(zhàn)略目標(biāo),指明煤炭工業(yè)新時(shí)期轉(zhuǎn)型升級(jí)的方向,促進(jìn)了地學(xué)研究新領(lǐng)域的發(fā)展,如“透明地質(zhì)”“數(shù)字地質(zhì)”“宜居地質(zhì)”以及人與自然和諧共生等新方向。煤炭開發(fā)與地學(xué)研究的關(guān)系如圖1所示。
圖1 煤炭開發(fā)與地學(xué)研究的關(guān)系
1.2.1 透明地質(zhì)
煤炭開發(fā)智能化、無人化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐,也是煤礦自動(dòng)化、數(shù)字化發(fā)展的新階段。在實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的過程中,根據(jù)煤炭資源地質(zhì)保障的需求,基于先進(jìn)的鉆探技術(shù)、物探技術(shù)可實(shí)現(xiàn)礦井全方位、全生命周期的地質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)感知、精細(xì)化探測(cè),可為地學(xué)研究提供地球內(nèi)部多元化的綜合信息與應(yīng)用場(chǎng)景。通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)龐雜數(shù)據(jù)信息的解譯和分類,借助大數(shù)據(jù)及信息技術(shù)可構(gòu)建透明的可視化大數(shù)據(jù)云平臺(tái),從而通過云平臺(tái)實(shí)時(shí)共享區(qū)域地質(zhì)信息、地球物理屬性、地下精細(xì)化結(jié)構(gòu)等信息,如圖2所示。
圖2 煤炭智能開采與透明地質(zhì)
多尺度、多維度、區(qū)域性地質(zhì)空間模型的構(gòu)建,可全方位掌握地質(zhì)體的綜合屬性,實(shí)現(xiàn)地學(xué)研究的透明化與可視化。通過采前、采中、采后取得的地質(zhì)資料,結(jié)合新興技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不同深度、不同尺度地質(zhì)體的精細(xì)化和透明化探測(cè)。透明地質(zhì)的出現(xiàn)可直觀形象展現(xiàn)地質(zhì)體和地質(zhì)結(jié)構(gòu),極大提高了對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象、礦產(chǎn)資源和地質(zhì)環(huán)境的認(rèn)知能力,對(duì)指導(dǎo)地下深部礦產(chǎn)資源的勘查,保障國家能源安全具有重要意義。
1.2.2 數(shù)字地質(zhì)
隨著淺部煤炭資源日漸匱乏,開采條件愈發(fā)復(fù)雜,煤炭開發(fā)由淺部向深部轉(zhuǎn)變,呈“四高一強(qiáng)”的總體特征,對(duì)應(yīng)的地質(zhì)信息具有多元性、動(dòng)態(tài)性、隨機(jī)性、時(shí)空性等特點(diǎn)[13]。傳統(tǒng)的地學(xué)理論和方法大多是定性描述,無法探尋深部開采災(zāi)變的本質(zhì)。
數(shù)字地質(zhì)依靠實(shí)測(cè)性地質(zhì)大數(shù)據(jù)支撐,基于深部地球數(shù)字信息(如巖性、地層、礦產(chǎn)、水文、構(gòu)造等),運(yùn)用大數(shù)據(jù)融合等信息化技術(shù),構(gòu)建以地學(xué)研究為基礎(chǔ)的深部信息化數(shù)字平臺(tái),搭建“數(shù)據(jù)—信息—知識(shí)—決策”鏈?zhǔn)叫畔?shù)字模型。該模型具有多分辨、多時(shí)空、多種類等特點(diǎn),可揭示深部煤炭開發(fā)的地球自然現(xiàn)象本質(zhì),推動(dòng)數(shù)字地質(zhì)技術(shù)的發(fā)展,如圖3所示。此外,過去地質(zhì)現(xiàn)象可通過如今的數(shù)字化模型進(jìn)行重新定量化表達(dá)。
圖3 煤炭深部開采與數(shù)字地質(zhì)
地質(zhì)數(shù)字化、信息化對(duì)地學(xué)研究具有重要意義,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
(1)提高信息共享效率。通過數(shù)字地質(zhì)相關(guān)技術(shù),可以快捷方便地查詢和檢索數(shù)據(jù),更好地開展地質(zhì)科研工作,促進(jìn)科技信息共享與合作。
(2)輔助決策。數(shù)字地質(zhì)技術(shù)可以為工程人員決策提供科學(xué)依據(jù),為規(guī)劃和管理提供有力支撐。
(3)提高經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)字地質(zhì)的應(yīng)用可降低地質(zhì)工作成本、提高工作效率,進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。如,通過數(shù)字地質(zhì)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程勘探和數(shù)據(jù)分析,可以減少地質(zhì)勘探的時(shí)間和費(fèi)用等。
1.2.3 宜居地質(zhì)
煤炭資源綠色開發(fā)與利用是我國實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型的必由之路,有利于推動(dòng)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[14-15]。在煤炭開發(fā)過程中,通過對(duì)生態(tài)環(huán)境的地質(zhì)研究與評(píng)估,可以推動(dòng)煤礦區(qū)的環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)。此外,煤炭開發(fā)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(guī)模儲(chǔ)能設(shè)施,進(jìn)行地下城市建設(shè)等;而井工煤礦開采塌陷區(qū)和露天煤礦排土場(chǎng),可進(jìn)行地面礦山公園及濕地公園建設(shè)等,從而構(gòu)建人與自然和諧共生的礦區(qū)美麗家園,如圖4所示。
圖4 煤炭綠色開采與宜居地質(zhì)
在此背景下,基于“煤炭開發(fā)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,經(jīng)濟(jì)發(fā)展反哺城市建設(shè)”的可持續(xù)發(fā)展理念,以生態(tài)修復(fù)與重塑為基礎(chǔ)可在煤礦區(qū)進(jìn)行人-地和諧共生的系統(tǒng)性改造[16-17]。通過應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)手段對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行有效保護(hù),可降低煤炭開發(fā)對(duì)環(huán)境的影響,并對(duì)受影響的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行有效的生態(tài)修復(fù),從而為地球的宜居性提供相應(yīng)保障。同時(shí),數(shù)字地質(zhì)、透明地質(zhì)的發(fā)展可提供多分辨、多時(shí)空、多種類的地球數(shù)字信息、可視化場(chǎng)景以及相應(yīng)技術(shù)手段,為宜居地質(zhì)奠定信息和技術(shù)支撐,如圖5所示。
圖5 數(shù)字地質(zhì)、透明地質(zhì)、宜居地質(zhì)間聯(lián)系
隨著煤炭工業(yè)的改革與發(fā)展,煤炭開發(fā)逐步趨向于智能化、專業(yè)化、定制化、集群化、綠色化。同時(shí),地學(xué)研究也邁向“精細(xì)化、整體化、全面化”的新發(fā)展階段[18]。在煤炭開發(fā)推動(dòng)作用下,“拓寬研究領(lǐng)域、提升研究精度、拓展研究尺度”是實(shí)現(xiàn)地學(xué)研究高質(zhì)量發(fā)展的技術(shù)路徑。
地學(xué)研究的深度和廣度主要體現(xiàn)在技術(shù)手段和研究?jī)?nèi)容兩方面。在煤炭地質(zhì)保障系統(tǒng)的革新過程中,傳統(tǒng)的地質(zhì)寫實(shí)、地質(zhì)測(cè)量、鉆探技術(shù)等不斷升級(jí)與發(fā)展,一些先進(jìn)的地質(zhì)技術(shù)裝備與手段應(yīng)運(yùn)而生。
(1)物探技術(shù)具有非接觸、無損探測(cè)、成本低、速度快、覆蓋面廣等優(yōu)勢(shì),在資源勘探、礦井設(shè)計(jì)、采區(qū)劃分、工作面優(yōu)化等方面應(yīng)用廣泛。
(2)測(cè)井技術(shù)利用巖層的電化學(xué)特性、導(dǎo)電特性、聲學(xué)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(chǎn)狀、鉆井井壁狀況、煤礦“三帶”發(fā)育情況等方面發(fā)揮著重要作用。
(3)“空-天-地”一體化技術(shù)整合無人機(jī)測(cè)繪、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息科學(xué)(GIS)、遙感技術(shù)(RS)、地質(zhì)雷達(dá)及合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成化感知,可用于礦井全生命周期礦山地質(zhì)環(huán)境的智能化監(jiān)測(cè)。
(4)透明礦井技術(shù)以精準(zhǔn)探測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ),與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合,實(shí)現(xiàn)人-機(jī)-環(huán)的協(xié)同管理,為智能礦山邁向智慧礦山奠定了基礎(chǔ)。
同時(shí),地學(xué)研究的內(nèi)容也不斷深入。最初煤炭資源評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)是地質(zhì)資源保障研究的主要內(nèi)容。我國多次進(jìn)行全國范圍內(nèi)的煤炭資源評(píng)價(jià)預(yù)測(cè),埋深2 000 m以淺的煤炭資源總量5.90萬億t,查明和預(yù)測(cè)的資源量為2.02萬億t[19]。隨著綜采裝備和技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用,對(duì)地質(zhì)保障技術(shù)要求越來越高,已轉(zhuǎn)入對(duì)煤炭賦存基礎(chǔ)地質(zhì)超前勘查階段。進(jìn)入21世紀(jì),煤礦地質(zhì)保障技術(shù)趨于成熟化、精細(xì)化,地質(zhì)保障技術(shù)逐步邁向系統(tǒng)化、綠色化、智能化,研究重點(diǎn)拓寬至地質(zhì)演化、生態(tài)環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的科學(xué)研究,嘗試探尋人與自然和諧共生的本質(zhì)問題,如圖6所示。
圖6 煤炭開發(fā)與地學(xué)研究豐度
在煤炭開發(fā)的助推下,地學(xué)研究尺度逐漸從井下裂紋、鉆孔、巷道、采場(chǎng)擴(kuò)展至井田、礦區(qū)乃至整個(gè)煤田,并延伸至整個(gè)地球。
在煤礦采場(chǎng)尺度范圍內(nèi),裂紋是線狀的空隙,通過研究其發(fā)育程度、連通性、規(guī)模和性質(zhì),可揭示煤層的完整性、滲透性和穩(wěn)定性。鉆孔是煤炭開發(fā)過程必不可少的部分,不僅是支護(hù)、注漿、水力壓裂等技術(shù)的必備工序,還可通過鉆孔實(shí)現(xiàn)各種測(cè)試與試驗(yàn),如地應(yīng)力測(cè)量、鉆孔窺視、力學(xué)參數(shù)測(cè)定等,從而為礦井安全高效生產(chǎn)提供更加有力的支撐。巷道、采場(chǎng)是煤炭開采的直接場(chǎng)所,可為地學(xué)研究提供重要信息。在區(qū)域尺度范圍內(nèi),通過分析區(qū)域內(nèi)煤層、巖層空間分布條件及其構(gòu)造的發(fā)育情況,探究區(qū)域內(nèi)地形地貌、河流水系、生態(tài)植被等特征,可揭示區(qū)域地質(zhì)的災(zāi)變本質(zhì),為區(qū)域合理規(guī)劃與可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)資料。在全球尺度方面,通過研究全球范圍內(nèi)煤炭資源的分布與開發(fā),可揭示地球地殼演化規(guī)律、板塊構(gòu)造形成機(jī)制以及全球應(yīng)力分布規(guī)律等。
在研究尺度提升的同時(shí),隨著研究手段與方法的不斷進(jìn)步與發(fā)展,煤炭開發(fā)與利用領(lǐng)域研究的精度也不斷提高。研究精度逐漸從米級(jí)到納米級(jí)、從宏觀到微觀,如借助電鏡掃描、CT、核磁等設(shè)備研究巖石孔隙、裂隙的精度現(xiàn)已達(dá)到微米級(jí)、納米級(jí)等。
因此,在煤炭開發(fā)帶動(dòng)下,地學(xué)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(shí)現(xiàn)地下千米級(jí)別地質(zhì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測(cè)與識(shí)別,如圖7所示。
圖7 煤炭開發(fā)與地學(xué)研究尺度及精度
地質(zhì)學(xué)、遙感測(cè)繪學(xué)、地球物理學(xué)等地學(xué)學(xué)科在保障煤炭安全高效開發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用。在煤炭采前探查、采中地質(zhì)保障、采后恢復(fù)利用的煤炭開發(fā)全生命周期都需要地學(xué)相關(guān)學(xué)科的支撐。具體體現(xiàn)在地質(zhì)環(huán)境條件適宜性、煤炭開發(fā)模式及實(shí)踐、地質(zhì)保障方法及策略、地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型與方法、風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與防控等方面,如采前對(duì)地質(zhì)構(gòu)造、巖層巖性、地形地貌等進(jìn)行勘查;采中監(jiān)測(cè)預(yù)警采場(chǎng)耦合條件的地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境損害及煤炭開發(fā)過程中的事故災(zāi)害;采后的環(huán)境修復(fù)、污染治理、剩余資源利用等,如圖8所示。
圖8 煤炭開發(fā)與地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展
另一方面,隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和“生態(tài)文明”“可持續(xù)發(fā)展”理念的深入推進(jìn),煤炭開發(fā)過程對(duì)地質(zhì)保障研究?jī)?nèi)容和技術(shù)手段的要求也越來越高。煤炭開發(fā)在局部上擾動(dòng)巖石圈、水圈、土壤圈、大氣圈、生物圈,這為探索多圈層地學(xué)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(tǒng)之間的相互作用及演化規(guī)律。
(1)闡述了地學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵及其發(fā)展歷程,認(rèn)為地學(xué)研究與煤炭開發(fā)存在內(nèi)在聯(lián)系,而煤炭開發(fā)進(jìn)一步延伸拓寬了地學(xué)研究?jī)?nèi)涵。
(2)地學(xué)研究在保障煤炭開發(fā)安全、高效的同時(shí),煤炭開發(fā)也推動(dòng)了地學(xué)研究的創(chuàng)新與發(fā)展,促進(jìn)了“透明地質(zhì)”“數(shù)字地質(zhì)”“宜居地質(zhì)”等領(lǐng)域的新發(fā)展。因此,煤炭開發(fā)拓寬了地學(xué)的研究領(lǐng)域、提升了地學(xué)的研究精度、拓展了地學(xué)的研究尺度。
(3)“雙碳”背景下,隨著煤炭行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型速度的加快,煤炭開發(fā)將繼續(xù)擴(kuò)展地學(xué)研究范圍,為地學(xué)探索地球多圈層研究提供有利的“研究窗口”,同時(shí)也可為煤礦區(qū)的綠色發(fā)展提供有力的地質(zhì)保障。