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煤炭地质勘查学科发展报告
发布时间:2014-12-24
1主要进展
  1.1勘查技术手段与设备发展迅猛
  自李希霍芬和王竹泉等中外地质学家对中国煤炭资源质考察算起,我国煤田地质工作已有近一个半世纪历程。经过数代煤炭人的艰辛探索,形成了具有中国煤田地质特色的勘查技术体系。70年代后期,我国开始应用计算机软件绘制煤田地质图。80年引入代遥感技术。90年代中期研发计算机辅助野外数据采集技术系统。2004年以来实现了地质信息采集处理的数字化[3-4],"3S"系统支持下的煤炭资源勘查与评价已经实现。
  我国的煤田物探和矿井物探技术,伴随着新中国诞生、成长的步伐,在过去的60年时间里,逐渐从无到有,从小到大,由弱变强,现已称为煤炭地质勘查技术行列中不可或缺的中坚力量,形成了以地震、电法和测井技术为主的煤炭勘查技术体系,整体上居于国际先进水平。
  在众多的物探勘查方法中,以煤田地震勘探技术应用最广,发展最快。1955年我国第一支煤田地震勘探队伍在华东成立,通过人工解释来判别岩性,寻找新煤田和圈定煤系分布范围。50余年来,煤田地震勘探技术实现了数次飞跃,勘探方法由折射波法到反射波法,勘探技术从单一地震到多地震、从单分量到多分量、从野外数据一次采集到多次随时间推移覆盖、从早期的初级勘探一体化到数据采集、处理和解释的三维可视化,从小道数二维勘探到大道数二维与三维勘探,从构造勘探向岩性勘探跨越,探测能力不断增强[5~7]。地震信号高密度采集技术、资料处理技术、3D可视化连片解释技术,地震数据体属性分析技术,深度域偏移成像技术、地震资料精细目标处理、地质动态解释技术更加成熟。多分量静校正、小波变换、反射波和折射波VSPCDP同时成像技术提高了地震波初至拾取精度,减少了资料解释陷阱[8~11]。目前,高分辨率二维地震勘探能够解释落差大于10m或15m的隐伏断层,成为地面和井下勘探的主要技术。三维地震勘探不仅能够查明煤田(井田)内落差超过5m的断层,解释落差3~5m的断点和波幅10m以上的褶皱,还能够探测覆盖层厚度、煤田陷落柱、煤层冲刷带、煤矿采空区、煤层宏观结构和厚度变化、煤系基底深度、岩浆岩等地质条件,解释煤层顶、底板岩性变化和岩石力学性质等,成为煤田勘查、矿井补充勘探的首选技术。三维地震勘探技术服务领域已突破了厚黄土塬区、高原区、复杂山区,复杂岩溶区、沙漠、戈壁滩、湖泊沼泽、海洋,获得了良好的勘查效果。特别是近十年来,煤炭三维地震勘探取得了令人瞩目的进展,地震成果从传统的构造地质向水文地质、开采地质方向拓展,服务阶段从以往的资源勘查阶段上升到服务于煤矿高效安全开采生产阶段,其解决煤矿生产地质问题的精度和能力得到了业主的普遍公认,成为煤矿采区采前构造勘探的首选技术手段而得到了大范围的推广应用[3][12]。2009年首次采用高密度三维地震方法准确识别出地下煤层气化的平面展布形态,为煤炭地下气化扩大工程设计提供重要的地质信息[13];2010年,济宁二号煤矿开展的利用三维地震探测工作面"三带"发育高度的有益尝试,有可能成为今后煤炭四维地震的萌芽[14]。另外,也积极开展了利用高分辨率地震勘探技术,对石膏矿、岩盐、油页岩等非煤资源精细探测的实践[14-17];同时,煤田地震勘探以其浅层、高分辨率地震勘探的特色,在全国城市活断层地质调查项目中,发挥了重要的作用。
  以地面瞬变场为代表的交流电法异军突起,已逐渐成为煤矿采区水文地质勘探的主力,其中包括瞬变电磁法(TEM)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)及混合源电磁法(EH-4电导率成像系统)等。在交流电磁法中,由于瞬变电磁法具有对低阻体敏感、体积效应小、施工效率高等优点,在煤矿防治水领域得到广泛应用,目前已成为煤矿采区水文地质勘探的主要物探手段[18-23]。
  近年来煤炭物探的另一个亮点是煤矿井下物探技术进入一个蓬勃发展的新阶段。
  尽管以地面三维地震和瞬变电磁法为代表的物探技术取得了很大的发展,在探测煤田深部含水层、含水构造、煤层厚度、岩浆岩和陷落柱、矿井地质灾害方面发挥了重要作用,已经能够较好地为煤矿开采超前提供构造条件和水文地质条件的探测成果,但仍然无法满足煤矿高效安全开采对于地质条件查明程度的客观要求,为此给煤矿井下物探技术与装备的超常规发展提供了契机。相比较而言,我国的矿井物探技术发展较晚。考虑到地面物探受地表条件影响较大、距目标体较远、分辨率难以满足生产要求等因素,上世纪八十年代中期至九十年代初,以开滦范各庄矿2171陷落柱特大透水事件为起点,我国开始从国外引进槽波地震、瑞雷波、无线电波坑道透视等技术与装备,并进行了消化、吸收、改进、试制和自主研发,到世纪之交我国矿井物探技术与装备已经初步形成了包括井下电法、坑透、电透视、瑞利波、地质雷达、煤厚探测仪等技术系列,并开展了大量的方法研究和现场试验工作,取得了一定的地质效果[24-28]。煤矿井下瞬变电磁法勘探技术技术以其特有的长距离、全方位、对水敏感、定向性好、施工效率高等特点,迅速得到了广大矿井地质工作者的欢迎。同样,煤矿井下槽波地震探测技术也开始重新得到重视,它以探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征较易于识别等优点,尤其在探测精度和距离上优于其他煤矿井下勘探方法,其探测距离可达煤厚的300倍,广泛应用于探查小断层、陷落柱、煤层分叉与变薄带、充水采空区及废弃巷道等地质异常。如今,愈来愈多的煤矿超大超宽工作面,使槽波地震焕发出勃勃生机,新型探测仪器设备、施工方法、以及处理软件不断升级[29-32]。
  钻探新工艺、新技术不断完善,设备和机具设计向安全可靠、操作简便、人性化方向发展。金刚石钻进和绳索取芯钻进技术很好地解决了钻孔液漏失、孔壁坍塌和硬岩层"打滑"等技术难题。空气泡沫钻进工艺较好地解决了干早缺水地区供水困难、钻具过空巷和裂隙发育地层时冲洗液漏失、孔壁不稳等关键技术难题。气动潜孔锤正反循环钻进技术突破了硬岩钻进的困难。液动冲击回转钻进、空气泡沫反循环钻进技术大幅度降低了钻具过中硬岩石时的材料消耗,提高了钻进效率。受控定向钻进技术有效解决了陡直地层的找煤难题。超大孔径、超千米深孔钻进技术在深部找煤中得到了广泛应用。电镀金刚石适岩钻头、绳索取心适岩聚晶金刚石钻头、新型复合片无芯钻头分别解决了电镀钻头保径薄弱、非煤系软岩钻进效率偏低问题,延长了钻头服务寿命。各种新型钻井冲洗液及其净化装置对控制泥浆固体含量,降低泥浆费用,提高钻进效率,保证钻探生产安全、延长设备寿命、降低钻探成本方面起到了关键作用;钻进参数监测系统的成功研制,使得我国煤田钻探技术步入世界先进行列[33]。
  特别是煤矿井下随钻测量定向钻进技术装备的推广应用,在进一步推动煤矿井下瓦斯防治水平的同时,为验证物探异常提供了有力手段,还可在煤矿井下地质勘探、防治水工程施工、矿井建设、救援钻孔施工等方面发挥重要作用,并有可能在非煤矿山井下固体矿产勘探、矿藏评价等方面发挥作用。
  煤质分析技术,基本实现了仪器设备自动化,测试过程智能化,操作流程简单化,数据处理微机化,全面提高了测试工作效率和成果精度。
  1.2综合勘查方法体系更加成熟
  中国不同含煤区煤田的开采地质条件复杂多样。除普遍发育的脆性断裂和高原地应力外,华北东部煤矿开采面临着严重的水害和瓦斯灾害威胁;东北含煤区煤层结构复杂,冲刷带和火山岩发育,热流值高;华南含煤区煤体韧性变形(层滑和褶皱)强烈,煤层连续性差,构造煤发育,高瓦斯和突出矿井较多;滇藏含煤区均是小型残留煤盆地,冲击地压和大地热流值高;西北含煤区的塔里木盆地煤层埋藏深,祁连山侏罗纪煤田分布零散,准噶尔盆地和吐哈盆地煤层冲刷带发育,水文条件复杂。依据煤田地质背景,瞄准解决的主要地质问题,选取"地震主导,多手段配合"综合勘探模式,开展地表与井下结合,物探、钻探、巷探结合。通过各种勘查成果的相互对比和相互验证,达到准确探明开采地质条件之目的的立体式综合勘查方法体系更加成熟,并在生产中发挥了重大作用。近年来中煤科工集团西安院采取以三维地震勘探为主,电法勘探为辅,钻探验证的思路,对准格尔煤田、东胜-神府煤田、哈密煤田、淮北煤田的一些矿区(井田)开展了以查明中小型构造和水文地质条件为主的多手段立体式综合勘探,合理跨越了勘查阶段,缩短了勘探周期,加快了勘查进度,极大地提高了勘查精度,降低了勘探成本和开采风险。
  1.3与煤伴生的微量元素勘查研究受到重视
  20世纪50年代至70年代,煤地质工作者对与煤伴生的U、Ge、Ga等有用元素进行过调查。80年代以来,随着人们对资源开发中环境保护问题的日益重视,查明煤中有害元素种类、含量及分布特点,研究它们的地球化学特性等成为煤炭地质勘查的重要任务之一。2000~2003年,"中国洁净煤地质研究"课题将煤岩学、煤化学和微量元素地球化学理论与洁净煤技术有机结合起来,筛分出煤中11种潜在有毒有害元素作为环境评价指标,得出了它们在煤中的危险丰度,研究了潜在有害元素在煤炭资源开发利用全过程中的迁移、富集、转化、再分配、及其对环境与人类健康的影响。同时,与煤伴生的有益元素成因与成矿机理研究取得较大进展。李宏涛等[34]采用多种分析方法,发现东胜煤田砂岩型铀矿床中磁铁矿-黄铁矿-方解石间具有成因联系,认为球状次生磁铁矿是烃类和微生物共同作用的结果,对本区铀矿和油气勘探具有重要的启发作用。樊爱萍等[35]将煤盆地演化与成矿作用结合起来,指出东胜煤田砂岩物性受成岩过程和成岩环境控制,氧化-还原、酸性-碱性过渡带有利于铀元素在直罗组砂岩中富集成矿。
  1.4煤与煤层气资源一体化勘探日益规范
  煤层气(瓦斯)是与煤相伴生的同源同体矿产。中国的煤层气资源占全球的15.3%。煤炭与煤层气共采,可产生利用资源与保障矿井安全生产双重功效。煤炭与煤层气地质勘查是煤气共采的基础。按照国土资源部《关于加强煤炭和煤层气资源综合勘查开采管理的通知》(国土资发〔2007〕96号》)要求,煤田勘查坚持统筹规划,协调开发的原则,从普查阶段开始就将煤层气勘查评价与煤勘查有机结合起来,统一部署、同时设计、同时组织施工,进行一体化勘探、综合评价。十一五和十二五国家科技重大专项项目第40项目(2011ZX05040,煤层气与煤炭协调开发关键技术)已经在沁水盆地等区块取得了阶段性成果。
  2国内外比较
  相对于美国、澳大利亚、印度、南非、俄罗斯等主要产煤国,中国在煤田地质条件复杂许多的情况下,保持了多年的煤炭产量世界第一,显示了中国在煤炭勘查和开发领域的巨大进步。但是,毋容置疑,与国内外的同行相比,我们在一些方面尚存在着较大的差距[36]。
  2.1重要的仪器装备及处理软件几乎全部仰仗国外进口,但国产化已在推进
  我国目前使用的大型地面物探仪器几乎全部依靠国外进口,地震、瞬变电磁仪、地质雷达等都来自法国、美国、加拿大、瑞典等国。但近十年来,国产第一套具有2000道以上带道能力的ES109大型地震数据采集记录系统正在加以完善定型,以投入产品化、工业化的生产和应用。在矿井物探方面,国内自主研发的井下直流电法仪、坑透仪、瑞雷波、地质雷达、电透仪、测井仪、测斜仪、瞬变电磁仪等,整体上形成系列化,具有一定的生产规模和能力,基本满足了国内的需求。还有一些令人瞩目的新方法、新技术正在处于试验或推广阶段,如地面高密度全数字三分量三维地震勘探技术、基于被动地震监测的微震探测技术、煤矿井下网络电法底板动态监测技术、高精度地震散射波成像与CRP道集成像技术、煤矿突水灾害治理效果的监测技术、矿井多波多分量地震勘探超前探测技术以及煤层气富集区的地球物理综合探测技术等[37-44]。这些新方法、新技术与新装备的研发或试验成功,有望成为今后几年物探技术的发展方向。但是,国内一些关键仪器装备的稳定性、可靠性、灵敏度以及软硬件配套能力等,与国外尚有明显的差距[45-47]。
  大型煤炭钻探装备的情况与物探类似。在经过大规模引进技术装备的阶段后,近年来的追赶步伐加快,大型定向随钻测量钻机已批量生产应用。总的来说,国内外钻进设备性能及价格各有优缺点。以煤矿井下千米定向钻机为例:(1)钻孔深度能力和机动性。国内外钻机都具有1000m深度钻孔的能力,也都能够自动行走,但是国产的履带钻机机动性可能更好;(2)地质条件的适应。国产钻进设备因为钻杆强度大,既可以在简单地质条件,也可以在复杂地质条件下施工,比国外钻进设备的适应性更广泛;(3)钻孔定向性。国外钻进设备比国内的精度高得多,可操作性好得多。(4)国外钻进设备在整机性能、自动化程度、操作的舒适性等方面比国内的要好。(5)价格。国产钻进装备比国外的低数倍,优势明显。
  2.2煤炭勘探的系统思维和综合研究不足,但正在向集成动态分析演进
  煤炭勘查和安全生产是一个多元地质信息采集、处理、分析、解释、预报的往复过程,地质工作不能仅限于地质规律定性总结,其重点工作应该是对所获信息的综合研究、分析、处理,在此基础上给出综合的动态地质预测预报,并随后进行实际采掘工程的揭露验证,而后又重新回到信息采集、处理、分析、解释、预报的反馈流程中。但是,由于体制问题、条块分割和技术发展水平等原因,以往的地质、物探、钻探、井巷掘进成果多局限于本专业范畴,缺少真正意义上的多学科交叉和综合集成研究,各阶段各专业地质成果未能在一个平台上综合分析、动态校验和相互印证,影响了地质工作效率和水平的提高。为此,一些矿区企业已按照优势互补的原则和市场化配置的需要,组建专业的矿井地质服务队伍,发挥集成的设备优势和人才优势,最终实现"地质勘探立体化、信息采集多元化、信息处理自动化、预测预报智能化、解释成果可视化"。
  3展望
  未来我国煤炭勘查技术的发展,将有以下特点:新的成矿理论等基础研究成果将成为勘查技术的发展支柱;基于地质过程是系统的整体,煤炭勘查与其他一些学科分支的交叉、渗透将进一步强化,会出现一些边缘性新技术新领域;在观测、探测、测试、分析和计算机处理等方面高新技术的应用,使技术手段迅速更新换代;高效安全开采煤炭对地质保障体系的需求,将推进物探、钻探向精细探测和综合动态解释发展;煤与煤层气、以及煤与其他矿种的一体化勘查;深层煤矿床勘查开发,将催生新的技术、装备与作业规程。


来源:中国煤炭学会
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