新时期煤炭地质勘查产业链重构展望

2021-03-24侯慎建宋中强张玉峰龙陆军

中国煤炭地质 2021年1期

侯慎建，宋中强，张玉峰，龙陆军，陈明

(中国煤炭地质总局，北京 100038； 2.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

我国煤炭地质勘查产业经过70年发展，从经济发展角度经历了四个发展期，单一煤炭勘查发展时期；以勘查、基础工程和商贸、宾馆、旅游并行的多种经营时期；地质工作井喷的大地质时期；转型升级期。从煤炭地质勘查产业链发展方向看，经过三次纵向延伸、三次横向拓展。最终形成了一个以我国主体能源煤炭为中心的产业链，以清洁能源为辅助的产业链、以地质勘查技术服务为技术服务链的多链宽领域产业链[1]。

煤炭地质勘查产业链从前期的地质勘探延伸到矿井地质勘查，再次延伸到绿色矿山治理，最终延伸到深地地质。形成了一条服务于主体能源、保障主体能源的完整产业链。伴随着我国改革开放的不断深入，煤炭地质勘查产业完成了三次横向拓展，从地质勘查行业拓展到房屋、道路、桥梁的基础勘察；拓展到清洁能源勘查；拓展到城市地质、农业地质、灾害地质工程，煤炭地质勘查产业链见图1[2]。

图1 煤炭地质勘查产业链体系树Figure 1 Coal geological exploration industry system tree

进入新时期煤炭地质勘查产业链有必要进行重构，只有这样才能更好地保障主体能源的安全，提供更优质的地质技术服务。煤炭地质勘查产业，其实质是一个提供地质技术服务的产业，通过地质勘查数据为相应的主业提供地质技术服务。重构煤炭地质勘查产业链，必须以全过程地质技术服务为纽带，形成连续、专一、不间断地质勘查技术服务，以主体能源、清洁能源为核心，以绿色可持续发展为宗旨，最终为满足人民的美好生活需求提供优质地质技术服务[2]。

新时期煤炭地质勘查产业，要不断强化新能源勘查产业链，寻找新型能源保障国家能源安全。优化传统勘查产业链，要减少劣质供给、强化优质供给，发挥勘查业强项、补强短板。打造精准专业化、专一化全过程服务链，为煤矿地质灾害防治、为绿色智能开采、为透明矿井系统、为智慧矿山系统、为矿山修复与治理提供优质地质技术勘查服务。构建一个煤炭地质勘查技术服务链，为建设绿色、环保、美丽的中国提供优质地质勘查技术服务[3]。

1 国家供给侧改革层面必须重构产业链，强化优质供给、减少劣质供给

地勘产业属于技术与资本密集型产业，具有较强的市场、政策和环境依赖性。当前，地质工作供给侧结构性矛盾依然突出，主要是传统矿产勘查产品供应过剩，新型资源环境类产品供应不足。从供给端而言，部分地勘单位提供的结构相对单一的地质勘查产品，已难以满足生态文明建设和经济社会发展对地质工作的强劲需求，有效供给不足。从需求侧来说，环境地质、农业地质、灾害地质和城市地质等领域潜力很大，新兴战略性产业所需矿产勘查刚刚起步，在这方面有大量地质工作要做。供给侧结构性矛盾的主要原因是地质勘查产品供给与地质勘查市场需求的不匹配、不协调、不平衡，突出表现为供给不能适应需求的重大变化而做出及时调整。此外，地勘单位探索产业转型升级的模式并不具有广泛的普适性，很多时候只是为了应对短期发展困难而被动选择的，因此，还需要进一步探索供给侧与需求侧有机衔接的长效机制，形成可复制、易推广的经验做法。

地勘单位装备水平偏低、人才短缺、创新能力不足已成为地勘单位能力提升的三大瓶颈因素。大多地勘单位的设备仪器得不到及时更新，高精尖设备更是缺乏。

2019年全国地勘单位总收入2 289.02亿元。其中：财政拨款收入342.33亿元；地质勘查业收入374.19亿元，收入占比16.34%；工程勘察与施工收入1 025.86亿元，工程勘察与施工收入占比44.82%；矿业权转让收入5.45亿元，收入占比0.2%；矿产开发收入53.06亿元，收入占比2.3%。除上述收入外的其他收入(多种经营)488.13亿元，收入占比21.32%。

从2019年全国地质勘查业收入仅占16.34%，第一位是服务于城市地质、农业地质、勘查地质的地质服务业，占比44.82%；第二位是社会服务业，占比21.32%。我们应该动用20%的优质装备、人员，组建一支野战团队，保障国家煤炭能源安全。同时投资组建一支深地地质勘查、清洁能源勘查队伍，保障国家能源安全。利用自身地质技术优势，用50%的队伍服务城市地质、农业地质、灾害地质、绿色矿山地质，逐步退出社会服务行业。不断强化地质技术研究，不断更新地质装备、淘汰落后设备、组织专项技术攻关，打通技术壁垒，不断增强科技创新力，突破制约地勘行业的三大瓶颈。

2 发扬强项、补强短板，重构煤炭地质勘查产业技术保障体系

新时期煤炭地质勘查产业与飞速发展的煤矿开采新需求相比、与国家对绿色矿山生态环境的需求相比、与国外先进的勘查技术相比，我国现有的勘查技术还存在很多短板。

2.1 煤矿智能化开采地质精准探测与煤岩自动识别技术

新时期传统煤炭地质勘查产业链需要重构，需要强化专一精准服务，传统的煤炭地质勘查产业已经无法满足新时期煤矿生产地质技术服务要求。伴随着煤矿开采机械化程度的提高，对煤矿地质、构造、瓦斯、水文、冲击地压等控制精度要求越来越高。开采技术条件是智能分析与判别、预警、提示的基础和先行者，必须要对开采地质条件进行精准勘查，实现煤岩自动识别、地质数据推演、地质智能分析模型、地质隐蔽致灾的智能探测、地质信息可视化[4]。才能保证新时期煤矿建设的需求。这些方面急需开展研发与攻关。现阶段的煤矿勘探对复杂地质问题未形成多种探测技术综合配套；未建立从静态数据与动态地质分析相结合的煤炭地质精准勘探技术方法；大数据技术、人工智能技术、图形图像技术在地质勘探及综合分析中的应用较少；智能分析预测、精准判别煤层及地质灾害问题不能满足未来智能开采的要求[5]。

今后重点开展攻关研究，通过将地质、钻探、物探(高密度电法，CT、两宽一高地震勘查技术等)等勘探技术与大数据、人工智能、物联网、VR 等技术融合，建立精准勘探地质评价方法，研究煤岩自动识别技术、地质灾害智能分析预测技术，研发综合勘探—地质数据处理—智能地质模型与动态三维交互—智能预测分析一体化智能精准勘探地质保障系统，提高煤炭地质勘探的精度，实现“主动感知、动态分析、智能预测、精准勘探”解决煤矿智能勘探最基础的地质问题[6]。

新时期煤炭地质勘查产业全过程技术咨询服务模式，是由一个联合体完成时间跨越近百年的煤炭地质勘查产业链全过程技术服务，从煤炭地质勘查到矿井地质，最后到矿井关闭后的绿色矿山治理。

2.2 煤炭开采近零污染排放技术

煤炭开采过程中产生的矿井水、煤矸石、以甲烷为主的烃类气是矿井实现废水、废气、固废近零排放难题。以美国为首的西方国家在十年前已经开始强制推行零排放开采技术。目前我国正在进行的矿井水害治理措施主要是减排、回灌(深部封存)与综合利用一体化技术，已经取得突破，但是大规模回灌监测、环境影响评价、高矿化废水封存等方面还存在较大不足。煤矸石处置方面，当下综合利用制取建筑材料、化工材料存在利用率低、成本高、难以形成规模化。我国开展煤基固废地下处置技术研究，通过将矸石粉碎、分选后地下注浆回填的方式，进行分级利用、处置，初步形成了新型覆岩离层注浆充填技术，但是该技术在浆液导控、浆液扩散区域控制等方面存在不足，易于形成失压沉降、跑浆问题；矿物分选技术成本较高，难以实现较好的经济效益。矿井瓦斯方面，国家强制开展“先抽后采”的要求，但是存在低渗、低含量瓦斯难以抽取，且低浓度瓦斯难以利用。

2.3 煤矿区煤层气(瓦斯)井上井下联合抽采关键技术

在过去相当长的一段时期内，煤矿灾害中，瓦斯事故占到80%以上。现在主要通过地面井抽采和井下抽采两者相互融合，取长补短来解决瓦斯灾害问题。一方面，井下煤层群卸压区域内煤层气抽采仅依靠井下工程将难以满足生产需要，迫切需要引入地面钻井抽采，同时抽采卸压瓦斯和采空区瓦斯，实现“一井两用”；另一方面，地面煤层气井普遍产量低、不稳定，容易造成瓦斯抽采盲区，在一些低渗煤层抽采效果并不理想，影响煤炭的开采。需要研究煤层瓦斯增透技术提高煤层的透气性，通过井下采动卸压和外加的煤层瓦斯增透技术可以提高煤层的透气性，提高地面煤层气的产量[7]。目前美国在煤矿区煤层气地面抽采处于领先，我国在煤层气井下抽采具有一定优势，如果将地面抽采与地下抽采融合发展，是目前面临的难题。

2.4 煤炭开采水害防治及水资源保护利用技术

我国煤炭开采96%是井下开采，采空塌陷是对生态环境最大的伤害，主要是对地下水系的不可修复性破坏。我国中东部矿区水害严重，需要防治水；西部矿区缺水严重，需要保护水(保水采煤)，即使在西部严重缺水矿区，也存在严重的水害威胁，煤炭开采水害防治及水资源保护利用仍是当前我国煤矿安全生产和科学开采面临的重大难题[8]。

对于中东部地区奥灰水的治理，目前主要是采用基于突水系数法的底板区域治理的技术，不仅会造成奥灰水的污染，还造成极大的经济损失。西部地区的煤矿区含水层均位于煤层顶板之上，矿井涌水量可达到10万m3/d之多，远远超出以往预测。针对西部煤矿区超大量高矿化度矿井水的问题，我国目前正在研究矿井水减量技术，提出了电动化学注浆、生物注浆、采动空间注浆等技术应用到我国中西部煤矿区超大量高矿化度矿井水减量及治理领域的技术，虽然有望在该领域取得突破，但是，尚未在工程实践中得到应用，尚未形成技术体系。

2.5 煤中共伴生战略性金属探测与提取技术

煤中战略性金属资源是我国“战略性金属”矿产资源的重要组成部分。2020年由中国煤炭地质总局主持的地质调查项目，对我国煤层、煤系中共生、伴生的金属元素及矿产资源进行了系统研究。研究发现我国35种战略矿产资源，在煤系共伴生矿产资源中发现了18种。对于煤中战略性关键金属研究，我国虽然起步较早，但资源化研究进展缓慢。煤中金属元素赋存状态的揭示及其提取技术仍然是制约我国煤中战略性金属资源化开发的难题，而美国等国通过集中系统攻关，目前煤中稀土等提取已经进入中试阶段，大大增加了其战略性矿产的保障及供给能力。

2.6 深井勘查技术

陆地地球物理勘查技术已达到世界领先水平。地球物理勘查技术方面：海洋地球物理勘查技术还有差距，已经能够生产先进的地震装备、时频电磁、大地电磁装备。钻探工程技术方面：大型钻探设备、压裂设备、特制钻探钻具还有一定差距，目前我国已研制万米钻机。石油系统已突破8 588m钻探，全取心达到7 018m。在耐高温钻探设备研制方面已有重大突破，高温水基泥浆耐温达到242℃、螺杆钻具耐温达到180℃、涡轮钻具耐温达到240℃。为深地干热岩勘探开发，提供了设备基础。中石化在四川成功打出一口，直井4 000m，水平井1 500m的页岩气井，单井日产178万m3。单井年产6.2亿m3。压裂压力达到110MPa，合1 100个大气压，分段压裂次数突破15次。在分段压裂技术方面的突破，为深地非常规天然气开发提供了技术保障[9]。以上勘查技术、设备的突破，为我国深井地质勘查提供了可行性。为干热岩勘查、深地地质勘查提供了技术、设备保障。

3 保障国家主体能源安全，寻找新的可替代能源，重构能源保障体系

煤炭因为价格低廉在过去相当长的时间成为世界主体能源，我国能源结构中，煤炭成为绝对主体能源，在改革开放后的32年里，一直占比高达70%以上，最高达到77.8%，要彻底改变人类能源消费理念。人类大量使用煤炭是因为它是最便宜的能源。但是在治理大气污染和减碳的外部成本叠加到煤炭身上之后，煤炭成了“最昂贵”的能源。因此我们必须加快寻找新的可替代能源。

不断加快新能源勘查步伐，2017年9月6日我国宣布：青海省水文地质工程地质环境地质调查院在共和盆地钻获温度达到236℃以上的干热岩体。这也是青海继2009年在全国首次发现陆地可燃冰之后，在新能源领域的又一重大发现。据初步测算，地壳中3～10 000m深处干热岩所蕴含的能量极其可观，相当于全球石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的数十倍。国土资源部中国地质调查局相关负责人表示，我国的干热岩资源量与美国的约在同一数量级。经过初步评价，全国陆域干热岩资源量为856万亿吨标准煤，根据国际标准，以其2%作为可采资源，全国陆域干热岩可采资源量达17万亿吨标准煤。这是目前发现唯一可替代煤炭成为国家主体能源的新能源[10]。

4 新时期产业链能更好的服务于生态文明和“美丽中国”建设

建立绿色矿山、绿色能源、绿色煤电新理念。我国煤炭行业，由于多年来大规模、高强度、持久性的无序开采，导致了一系列环境问题凸显，地面沉降、植被破坏、水体污染、资源浪费等[11]。近十年来的煤炭结构调整和转型升级，尤其是2016年国家去产能政策的实施，使大量低效无效煤矿相继关闭，据煤炭工业协会统计：全国煤矿数量由2005年的24 800处，减少到2019年的5 000多处，退出的资源枯竭、长期亏损、安全基础差的煤矿达2万处以上。据国土资源部统计,我国已经形成采煤沉陷区面积达到20 000 km2，中国已取得矿权的矿区面积超过60 000 km2,每年增加600 km2。涉及27个省(市、自治区),这些矿区主要集中在晋陕蒙、黄淮海、云贵川及黑吉辽等区域。其中,山西、陕西、贵州、内蒙古、山东5个省份取得采矿权的区域面积较大,均超过5 000 km2,其中山西矿区面积最大,超过10 000 km2。排名前五位的省份矿区面积总计接近40 000 km2,约占全国取得采矿权矿区面积的60%。煤矿开采期造成的诸多问题并没有随着煤矿的关闭而消失，煤矿采空区的安全、环境、生态问题诸如环境污染、生态破坏、土地资源化、地下空间利用等问题依然存在，在强调生态环境建设的今天问题尤为突出。同时，煤炭又是我国主体能源，这种能源消费结构在未来较长时期内不会改变。我们只能改变传统观念、改变开采理念、提高能源利用率，这是今后从业者的重要任务。

5 构建地质勘查技术服务体系

1) 构建煤炭地质勘查产业地质技术服务体系。从1986年至今已经进入工程勘察领域30年，一直以工程施工为主，在工程勘察领域还没有形成完整的技术服务体系，没有专业研发队伍、没有设备研发队伍，这样就无法形成自己的技术研发体系，同时没有更加专业的施工设备。如果没有形成技术服务体系，就不可能实现优质的技术服务[12]。

为保障城市建设的安全运行，需要有一支探测、检测队伍，使用探地雷达进行城市浅层空间探测，排查城市道路隐患、排查城市管网隐患、排查地铁系统运行隐患、构建城市地下浅层空间三维地质建模[13]。利用地应力检测系统，对地下工程、地铁工程、桥梁工程、隧道工程、基坑工程、地震灾害工程进行地应力变形检测。利用地质全自动探测信息系统，对地下水系统、农田污染、河水污染情况实施动态全自动检测。对农业重金属污染进行清污治理[14]。

伴随着我国城市化建设步伐的加快，城市管网建设、地铁建设、地下浅层空间开发速度越来越快，人们要向地下拓展生存空间。向地下构建生存空间，需要利用勘查设备探测浅层空间地质数据，通过勘察数据构建地质模型。

2)依托煤炭地质勘查产业自身行业优势，构建特色勘查产业服务体系，实现煤炭地质勘查产业转型升级。中国煤炭地质勘查产业队伍庞大，仅次于石油系统，以分布广、专业划分细、专业种类齐全为特色，在我国各个勘查领域都有煤炭地质勘查人员的身影，在城市、农村、建筑工地，在石油、矿山、路桥工地都有煤炭地质勘查人的足迹。

庞大的人才队伍，丰富的实战经验，我们有必要构筑一个具有煤炭地质勘查产业特色的地质技术服务服务链。更好地服务农业地质、城市地质、灾害地质及国家基础工程建设，实现地质勘查产业的转型升级。