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王双明，耿济世，李鹏飞，孙 强，范章群，李 丹
(1.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054；
2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；
3.西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院，陕西 西安 710054；
4.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)
煤炭作为我国主体能源，在我国能源安全中发挥着压舱石的作用[1-4]。随着煤炭不断开采，我国东部浅部煤炭资源趋于枯竭，西部地区俨然已成为我国煤炭资源的主产区[5-6]。然而，西北地区为生态脆弱区，在煤炭开采深度、强度不断提高的同时，给当地带来了严重的生态环境问题[7-10]。为实现习近平总书记提出的“绿水青山就是金山银山”的生态文明发展理念，绿色安全开发成为我国煤炭工业高质量发展的必由之路[11-14]。
在煤炭开采过程中，诱发了众多生态和地质环境问题，如地表沉陷、植被损害、水资源污染等[15-19]，这与我国绿色发展理念严重相悖。众多学者也在煤炭及其共伴生资源开采利用与环境保护等方面开展了大量研究，提出了煤炭绿色开发地质保障的内涵、科学问题以及研究框架，为破解国家能源需求与环境保护之间矛盾提供战略思路[17]。钱鸣高院士提出了煤炭资源绿色开采的理念、基础理论和技术框架，为煤炭开采和自然之间建立起复合的生态平衡机制[20-23]。袁亮院士[24]提出了煤炭精准开采的科学理念，为实现互联网+科学开采的未来少人(无人)采矿提出了技术路径。在煤炭绿色安全高效生产面临严峻挑战背景下，我国研究人员提出了深地煤炭资源流态化开采理论与技术和“地上无煤、井下无人”的开发途径[25-26]，为实现深地煤炭资源开采的颠覆性变革奠定了基础。此外保水开采[27-28]、煤与瓦斯共采[29-30]、煤与热共采[31]、煤矿生态修复[32-33]等科学构想也为煤炭工业绿色发展提供了相应的理论保障。
绿色开发地质保障是煤炭资源合理开发与利用的前提。笔者通过文献调研和理论分析，阐明了煤炭绿色开发地质保障的科学内涵，构建了煤炭开采、地质工程、生态环境与人文经济四位一体的绿色安全开发知识体系，提出了全生命周期煤炭绿色开发地质保障理论和实施技术。
在新时代中国特色社会主义背景下，中国共产党第二十次全国代表大会明确提出，必须牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，站在人与自然和谐共生的高度谋划发展[34-35]，这对我国煤炭开发提出了更高的要求。因此，亟需开展煤炭绿色开发地质保障理论与技术研究[16,36-38]。笔者在中国知网(CNKI)分别以主题“煤炭+地质+环境”“煤炭+绿色”和“煤炭+地质+保障”为检索词，搜集并整理了自2008−2021 年间的相关文献，如图1 所示。根据数据变化情况可知，自2017 年开始，关于煤炭绿色开发的相关研究显然成为当下关注的热点。
图1 2008−2021 年不同关键词文献年发文量Fig.1 Annual volume of articles published by different keywords in 2008‒2021
我国能源结构的现状是“缺油、少气、相对富煤”，是以煤炭作为主要燃料的少数国家。尽管近些年来国家已经大力发展风能、太阳能、核能、生物质能等清洁能源，能源结构得到明显优化，但短期内煤炭的主体能源地位难以改变。因此，从煤炭的资源属性角度来看，如何高效开发利用煤炭资源依然是煤炭行业的重要课题，包括煤系稀土元素、煤系金属矿产资源以及煤系非常规油气资源。据国家统计局2022 年统计数据显示(图2)，近十年来，我国煤炭生产总量占比从2012 年的72.6% 降低到2021 年的67.0%，非化石能源从11.2% 提升到20.3%。同时，煤炭消费总量从2012 年的68.5% 降低到2021 年的56.0%，非化石能源从9.7%提升到16.6%。尽管我国煤炭生产总量和消费总量占比逐年下降，但其生产总量和消费总量仍超过能源总量的65%和55%。这些研究成果在我国能源结构调整、生态环境保护和经济可持续发展方面发挥了巨大的作用。然而，目前的煤炭绿色开发理念主要关注于“水资源保护、土地和建筑物保护、减少矿井灾害(煤矿塌陷、瓦斯爆炸、地下煤气化等)、降低大气污染”等方面。事实上，煤炭绿色开发与其赋存地质条件和生态环境密切相关。实现全生命周期煤炭绿色开发，防止地质环境损害，协调煤炭开发和生态环境保护尤为必要。
图2 2012−2021 年我国能源生产与消费结构Fig.2 Energy production and consumption structure of China in 2012‒2021
随着煤炭开采向深部转移，地下岩土层结构发生变化，导致地表系统的水、土壤、大气和生物等资源的分布状态和演化过程都发生了显著变化[39-40]。在生态脆弱区，煤炭资源开采已经造成了地面塌陷、地表开裂、水土流失、水位下降与植被枯死等诸多生态地质环境问题。
煤炭开发地质保障体系的科学研究主要表现为5个方面：(1) 突出深部资源采动条件下的地质条件变化；
(2) 强调地下采动与地表生态环境的整体研究；
(3) 理解采动引起时空效应范畴的物理–化学–生物之间的耦合机制；
(4) 揭示采动效应下岩石圈–大气圈–水圈–土壤圈–生物圈的相互作用和物质循环机理；
(5) 总结基于可持续生态承载力的人类活动与生态环境的协同演化特征，找出破解资源开发与地质环境脆弱之间矛盾的钥匙。
目前，煤炭绿色开发地质保障研究将从以下3 个方面开展工作。
2.1 煤炭采前精准探查
煤炭开采过程中，地质条件的变化必然对地质环境造成严重的影响，诱发地质灾害和生态环境损害[41-43]。因此，采前掌握煤炭开采范围内地质结构和生态环境地质条件尤为重要(图3)，这是煤炭绿色开发地质保障的重要内容[44-45]。研究主要分为以下3 个方面。
图3 地质条件与地质功能Fig.3 Geological conditions and functions
(1) 煤炭采前地质结构勘查。利用地球物理探测等技术手段对影响煤炭开采的地质因素，如地形地貌、岩土体工程性质和环境地质等进行系统勘测。采用三维一体化勘查技术和高度自动化、智能化的快速高效分析技术，构建高精度“绿色开采”三维地质模型。
(2) 煤炭采前环境地质体构建。根据煤炭开采区地质条件和相关参数，构建煤炭开采环境地质体温度(T)、渗流(H)、应力(M)、化学(C)耦合条件下的地质体多尺度性能演化模型，实现采前煤炭综合勘查与评价。
(3) 煤炭采前生态环境类型划分。通过对煤炭采前生态环境监测，建立矿山生态环境地质模型，制定煤炭开发生态地质保护对策。利用遥感探测等技术手段调查分析勘查区自然地理、地质条件与生态环境特征，对勘查区生态地质环境进行分区分类，并制定相应的煤炭资源开发模式，尽量减少对地表生态环境的扰动与破坏，实现煤炭资源开发与生态地质环境保护协调发展。
2.2 煤炭采中地质结构与生态环境演化
煤炭资源的大规模、高强度开采对生态脆弱矿区地下水环境造成严重损害，导致开采区应力场发生变化，引发煤层及围岩形变，煤层所处区域的地质条件和生态环境发生恶劣变化[4,46-48](图4)。研究主要分为以下3 个方面。
图4 煤炭采动前地质结构响应Fig.4 Response of geological structure before coal mining
(1) 煤炭采中地质条件变化与环境损害研究。精准探测与评估开采过程中地质条件变化，揭示开采过程中应力场、变形场、渗流场等多场耦合作用下生态环境的时空演化特征和损害机制，阐明煤炭开采多物理场演化过程对生态环境的动态扰动、损害机理，查明生态环境损害类型及特点，分析诱发生态环境损害的主控因素。
(2) 煤炭采中矿井灾害防控。基于地质条件实时监测与分析，实现煤炭开采区域覆岩变形及沉降的控制，评价水文地质条件和工程地质条件变化，对煤矿突水、冲击地压和煤与瓦斯突出等灾害风险进行监测预警。
(3) 煤炭采中地质结构–生态环境响应分析。煤炭采动过程中应对开采扰动后的地质结构、地下水环境和生态环境特征实时监测，评估地质结构–地下水环境–生态环境的多尺度损害程度，提出地质结构–生态环境的损害修复技术。
2.3 煤炭采后地质保障
煤炭开采后岩体结构和应力状态随时间发生变化，采空区覆岩结构逐步压实、垮落带逐渐整合、地表沉降趋于稳定[49-50]。因此，煤炭采后地质保障功能的重新建立尤为重要。研究主要分为以下3 个方面。
(1) 煤炭采后地表生态与地质条件分析。考虑到煤炭开采条件下覆岩结构岩与地质环境的相互作用，提出生态脆弱矿区损害防控与修复技术。分析充填技术、充填模式和充填时间对煤层覆岩变形、损害的控制效果。
(2) 煤炭采后地表环境监测与修复。利用无人机、卫星、地面物探等手段，对煤炭开采影响范围的覆岩变形情况详细探测。根据采空区稳定性和生态环境特征，提出土地最佳利用途径和分类治理方案。提出地表生态环境和地质灾害监测技术和地表生态环境自然恢复及修复技术。
(3) 煤炭采后地下资源开发利用。采用物探、化探、钻探等手段查明煤炭开采后地下遗留资源，分析地下空间资源的利用前景，建立地下遗留资源评价指标体系。提出遗留矿产资源探测和评价技术、地下空间探测技术和地下空间资源综合评价方法与利用技术。
“煤炭绿色开发地质保障理论体系”以地质科学为基础，结合采矿学相关理论，同时考虑生态环境和人文经济等因素的影响，破解煤炭绿色开发中的难题，构建以煤炭开采、地质工程技术、生态环境与人文经济四位一体的绿色安全开采体系(图5)，为煤炭工业高质量发展提供相应的理论[51-53]。
图5 煤炭绿色开采地质理论体系Fig.5 Geological theory system of green coal mining
3.1 基础地质学
煤炭的储存和开采取决于多种地质因素[54-55]。随着生产发展的需要，近代地质学的各个部分已形成独立的学科体系，并衍生出很多相关分支学科，如：矿物学、岩石学、矿床学、古生物学、构造地质学、大地构造学、地球物理学、地球化学、地层学、地史学、地貌学、水文地质学、工程地质学、第四纪地质学等基础理论[56-57]。此外，随着煤炭开采规模和深度越来越大，从地质到采矿以及相关的环境要求都面临着新的挑战。
基础地质科学对影响煤炭开采的地质因素如地形地貌、岩土体工程性质和环境地质等进行系统归纳，筛选出开采场地的主要影响指标与控制因素。同时，通过地质雷达和地球物理勘探等技术手段，对煤层覆岩地质结构、垮落带裂隙发育情况和煤层顶板的封闭性等做出具体评价。
3.2 采矿学
煤炭资源的安全高效绿色开采是煤炭行业亟待解决的突出问题。如今，煤炭资源开采逐渐向自动化、智能化、环保化的方向发展[58-59]。近年来采矿工程与自动控制、系统论、计算机等高新技术密切关联，与矿业系统、爆破工程、井巷工程、通风工程、安全工程、材料力学、结构力学、充填理论等学科紧密结合，较大地促进了煤炭工程基础理论研究的进展，同时也在煤炭开采过程中极大地促进了煤炭工程向安全、高效、绿色、智能化方向迈进[60-61]。
采矿学理论对煤炭开发地质保障体系的建立具有重要意义。结合采矿工程理论深入分析煤炭开采过程中覆岩结构与地质环境之间的相互作用，揭示煤炭开采过程中覆岩变形和损害的扰动机理，进而提出生态修复关键技术。
3.3 生态学
煤炭开发地质保障是生态环境可持续发展的地质技术与地质工程[62]。煤炭开采过程中岩石圈、水圈、生物圈和大气圈之间的相互作用对生态环境影响巨大。引发地质灾害、农田受损、水土流失加剧、河水流量减少，甚至引发断流、地下水位下降、浅层地下水疏干、大气污染和温室效应等一系列生态环境问题[63-65]。
为减少因煤炭开采而导致的生态环境问题，需结合土壤学、环境学、生物学、气候学、生物化学、污染生态学等相关生态学科理论，制定绿色、安全、可持续发展的煤炭开采计划。结合相关生态学理论，揭示煤炭开采后生态环境自然恢复规律和主控因素，为地表生态环境修复提供理论支撑。
3.4 人文经济学
煤炭作为我国能源结构的主体，对我国人文经济(会计学、统计学、社会学、管理学、经济学、金融学、人文科学、财政学)的发展起到重要作用[66]。煤炭企业亟需加强人员素质培养、能力培训、人文关怀。因此，结合国家能源经济发展战略，立足市场需求，制定完善的煤炭开采计划，方能最大程度推动经济的可持续发展[67]。
人文经济学理论对解决煤炭资源环境问题具有良好的针对性和适用性，想要实现煤炭资源开发与生态环境、社会经济和谐可持续发展，需运用人文经济学原理分析经济发展形势及生态环境问题与煤炭开采的关系，建立健全煤炭开采过程中生态环境评价指标体系，提出解决相应问题的对策与建议。
从研究层次和煤炭开采结构的角度分析，煤炭绿色开采研究主要包括基础地质条件、煤炭采动损害机制、损害演化过程、生态环境影响和减损与修复技术5 个方面(图6)。
图6 煤炭绿色开采地质研究内容之间相互关系Fig.6 Relationship between geological researches for green coal mining
4.1 基础地质条件
煤炭赋存地质环境的精准识别是探查煤炭赋存和开采范围内的三维地质体结构、水文地质单元和生态环境的重要基础[68-69]。借助地球物理探测、钻探和现场试验等手段，查明煤炭开采区域的主要地质条件。煤炭赋存的地质条件包括煤层厚度、埋深、储量、水文地质条件、构造、煤层与围岩接触关系、岩土体基本物理力学指标等重要信息。根据地层结构特点、岩土层物理力学参数和植被信息等进行不同区块和深度上的工程岩组划分，确定煤炭开采影响范围内地层结构关系，提出基于地层岩土力学特性和地层结构变化的反演分析方法，构建三维可视化地质结构模型，提出煤炭绿色开采的科学方案(图7)。准确获取地质力学和水文地质特性参数，为后续研究提供重要依据。
图7 煤炭绿色开采科学方案Fig.7 Scientific program of green coal mining
4.2 煤炭采动损害机制
煤炭资源开采的主要特点是在近地表形成地下空间，导致开采区应力场发生变化，引发煤层和周围岩体的形变，导致煤层所处的地质条件和地质环境发生持续变化[70-71]。根据地层几何特征、地层类型、岩土体结构、水文地质结构等变化规律，研究煤炭采动后地层结构变形的损害模式及其主控因素。构建煤炭绿色开采三维地质结构演化的精细化分析模型和可快速查询地质参数数据库，为评估开采过程中地质条件的变化规律提供相应技术保障(图8)。
图8 煤炭采动过程中地层结构损害机制与主控因素Fig.8 Mechanism and main controlling factors of formation structure damage during coal mining
煤炭开采过程中，根据地层结构动力学演化过程和时空结构秩序，主要解决地层地质功能结构变迁演化的阶段性特征问题和时空有序结构形成与转化问题[72-73]。通过协同论、耗散结构论、突变论、系统论、控制论和信息论等方法，总结地层地质功能结构变化的影响因素、宏观变形损害的空间结构和功能结构的动态演变过程。构建煤炭安全开采条件下覆岩变形的演化模型，揭示采动条件下地质系统损害的时空演化机理(图9)。
图9 煤炭采动过程覆岩变形损害的演化过程Fig.9 Evolution of overburden deformation and damage during coal mining
4.3 煤炭采动过程生态环境效应
煤炭开采过程中地质条件的变化必然会影响地质环境，从而引发地面塌陷、地裂缝、水位下降等地质灾害和生态环境损害问题[74]。通过研究煤炭采动过程中覆岩变形破坏演化过程和损害临界条件，归纳煤炭赋存环境和采动损害的主控因素，如地质结构与地质条件、采矿工艺与规模、充填支护形式和覆岩微–宏观性质等，进而对不同演化阶段的工程影响和环境效应进行相应的评估，并对可能面临的工程地质和生态环境问题提出针对性的解决措施(图10)。
图10 煤炭采动过程覆岩变形损害演化过程Fig.10 Evolution of overburden deformation and damage during coal mining
4.4 煤炭采动后减损控制与修复技术
煤炭采动后减损控制与生态环境修复的研究主要针对生态环境损害前和损害后的变化特点开展防治工作[75-76]。煤炭采动后，实施充填技术，对隔水顶板导水裂隙通道实施注浆修复等技术手段，对已发生损害的煤矿区采用煤矸石回填和生态系统再造等，实现生态修复治理。分析预测修复后生态环境前景，构建煤炭采动后生态环境修复治理综合评价技术体系(图11)。
图11 煤炭采动后减损控制与生态环境修复Fig.11 Loss reduction control and restoration of geological ecological environment after coal mining
4.5 煤炭采动地质研究总体要求
煤炭绿色开采过程中，在“精细勘查”“有效减损”和“生态修复”理念的指导下，通过地质手段在煤炭绿色开采过程中构建三维地质结构演化的精细化模型，建立系统完备的煤炭绿色开采地质科学体系(图12)，实现煤炭资源绿色开采和清洁高效利用，为我国煤炭能源绿色可持续发展提供保障。煤炭绿色开采地质科学系统研究包括3 个重要阶段(图13)。
图12 煤炭绿色开采地质系统措施Fig.12 Measures of geological system for green coal mining
图13 煤炭开采地质研究阶段划分与总体要求Fig.13 Overall requirements and stage division of geology research for coal mining
(1) 煤炭开采全过程(采前、采中和采后)地质结构系统功能演化的科学分析。通过监测采集煤炭开采前后的地质结构实时变化信息，准确阐述煤炭开采中的地质结构演化过程及覆岩变形损害规律，进而采取科学技术手段保障煤炭绿色安全开采。
(2) 针对开采过程中存在的地质损害问题采取相应的解决措施。通过绿色地质勘查技术精准探测地形地貌，掌握相关地质开采条件等重要信息。开发完善的科学监测系统，实时监测煤炭采动引起的围岩变形、岩爆、冒顶片帮和高压突水等矿井灾害问题，并对可能面临的工程实际问题提出针对性解决措施。
(3) 煤炭绿色开采地质科学研究成果科学归纳，开放共享。对煤炭绿色开采地质体系进行系统总结(采前精准地质勘查，采中智能化、信息化、绿色安全科学开采，采后生态环境恢复及效益评估)。及时更新数据库，将最新参数和信息添加到数据库中，完善模型。
a.煤炭绿色开发地质保障以煤炭绿色安全开采和生态环境保护为核心目标，以煤炭采前、采中和采后的地质条件和生态环境响应特征为重要研究对象，重建煤炭绿色开发地质保障技术与生态环境功能。结合煤炭开采条件下覆岩结构与地质环境相互作用机理，提出生态脆弱矿区损害防控与修复技术。构建生态脆弱区煤炭资源开采与生态环境保护的分析研究平台，寻求系统解决资源开采与生态文明建设矛盾的新途径。
b.随着煤炭开采进程逐渐加快，国家对煤炭开发地质保障工作的要求越来越高。明确煤炭绿色开发地质保障的研究目标，为煤炭全生命周期的绿色安全开发和生态环境保护提供支持，实现煤炭资源绿色开采和能源清洁高效利用，保护矿山生态环境。
c.根据我国能源优化趋势和煤炭开采现状，提出了“煤炭绿色开发地质保障科学系统”理念，并指出该系统应从科学分析、科学对待、科学归纳3 个方面出发，发展基础地质学、采矿学、生态学、人文经济学多学科交叉的煤炭绿色开发地质保障理论与技术，发挥地质科学在煤炭绿色安全开采中的重要作用。
致谢：感谢西安科技大学侯恩科教授和《煤田地质与勘探》编辑部晋香兰执行主编的大力支持和帮助，感谢董志浩、赵飞、胡建军博士对本文图表编辑的帮助。
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