深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势.pdf

深部煤炭 资源赋存规律与开发地质 评价 研 究现状及今后发展趋 势 彭苏萍 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 中国矿业大学， 北京1 0 0 0 8 3 总第1 0 0期 摘要 在对我国煤炭资源开发现状与存在问题进行系统分析的基础上 ， 对深部煤炭资源开发的科技支撑 基础和科技发展趋势进行 了较详细的评价， 提出了深部煤炭资源开发急需解决的四个关键科学问题 ， 并对 今后的研究重点提出了作者的建设性意见。 关键词 深部煤炭资源； 赋存规律； 研究现状； 发展趋势 中图分类号 T D 1 6 3 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 ． 2 7 9 8 2 0 0 8 0 2 ． 0 0 0 1 ． 1 1 Pr e s e n t S t u d y a nd De v e l o p me n t Tr e nd o f Th e De e p e n Co a l Re s o ur c e Di s t r i b u t i o n a n d M i n i n g Ge o l o g i c Ev a l ua t i o n PENG S u- p i n g T h e S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fC o a l R e s o u r c e a n d S a f e Mi n i n g， C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g a nd T e c h n o l o g y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e p r e s e n t d e v e l o p me n t a n d e x i s t e d i s s u e o f c o a l r e s o u r e c e i n C h i n a，I t i s e v a l u a t e d i n d e t a i l t o t h e s u p p o a n d d e v e l o p me n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ．F o u r p ri n c i p l e s c i e n t i fi c a n d t e c h n i c a l q u e s t i o n s a r e p r o p o s e d f o r t h e d e e p e n c o al mi n i n g ．An d t h e f o c al r e s e a r c h p o i n t s a r e e mp h asi z e d i n fi n a 1 ． Ke y wo r d s d e e p e n c o al r e s o u r c e；d i s t r i b u t i o n；p r e s e n t s t u d y ；d e v e l o p me n t t r e n d 根据 国际能源署 I E A 预测 ， 世界煤炭 消费量 2 0 2 0年将达到 5 8亿 t ， 较 2 0 0 0年增长 3 4 ． 9 5 ％ 。 亚 洲呈强劲增长趋势。煤炭资源丰富的国家仍将煤炭 作为国家的重要能源， 产量仍不断上升。美国为减 少对 国外石油依赖和避免电能短 缺， 提出煤炭是 国 家能源政策的核心 ； 澳大利亚、 波兰及部分第三世界 国家把煤炭作为国家经济发展和出口创汇的重要物 质。煤炭依然是世界上最经济最可靠的能源和能源 战略资源。 长期以来 ， 煤炭一直是我国的主要能源 资源 ， 它 在我国化石能源资源量中 占9 5 ％。1 9 8 8年以来 ， 我 国煤炭的产量和消费量在世界上一直居首位 ， 占世 界总量的3 0 ％左右。2 0 0 6年全国累计原煤产量超 过2 4亿 t 。在今后相当长的时期内， 煤炭还将是中 国的主要能源 ， 仍需保证煤炭的高产稳产。 1 我国煤炭资源开发现状及存在的问题 1 ． 1 我国煤炭资源丰富 ， 但对煤炭资源的分布规律 研究薄弱 ， 可供建井的煤炭精查储量严重不足 我 国煤炭资源丰富 、 地理分布广泛 、 煤种齐全 ， 为煤炭资源洁净利用提供了良好的基础。我国远景 煤炭资源储量5 5 5 5 3 亿 t ， 其中， 累计探明煤炭资源 量 1 0 4 2 1 ． 3 5 亿 t 考虑地质条件损失， 煤炭资源保 有储量为 1 0 0 3 2 亿 t 。预测资源量和地质总资源 量居世界第一位。但是 ， 资源现状不容乐观， 资源保 障程度低 ， 储量分布和 品种数量不均 ， 勘探程度低 ， 经济可采储量 和人均 占有量少 。截止 2 0 0 0年末 ， 我 国尚未利用的精查储量仅为 6 1 8 亿 t ， 占资源总量的 6 ． 2 5 ％， 其 中可供大中型矿井利用的精查储量仅 3 0 0 亿 t 左右。据估算， 到 2 0 2 0年， 煤炭精查储量缺 口1 2 5 0亿 t ， 详查储量缺口2 1 0 0亿 t ， 普查储量缺 收稿 日期 2 0 0 8 - 0 2 ． 1 3 基金项目 国家“ 9 7 3 ” 项 目 2 0 0 2 c b 2 1 1 7 0 7 、 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 0 ， 国家自然基金重大项 目 5 0 4 9 0 2 7 1 ， “ 十五” 国家科技攻关重 点项 目 2 0 0 1 B A 8 0 3 B 0 4 0 3 ， 教育部重大科研项 目 N o ． 3 0 6 0 0 2 ，国家创新研究群体基金 5 0 2 2 1 4 0 2 ， 教育部“ 长江学者和创 新团队发展计划” I R T 0 4 0 8 ， 国家杰出青年基金项目 5 0 0 2 5 4 1 3 。 作者简介 彭苏萍 1 9 5 9一 ， 男 ， 江西萍乡人 ， 中国工程 院院士 、 教授 ， 从 事煤 矿工程地质与工程物探理论 与技术研究 。 维普资讯 2 0 0 8 年2月 彭苏萍 深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势 第1 7卷第2 期 口6 6 0 0亿 t 。并且 ， 以前我 国对 煤炭资源 的特性 煤的物质组成 、 加工利用性质、 成因机制和赋存规 律 开展系统研究不够， 给煤炭资源的深加工和综合 利用带来重重困难 。因此 ， 加强我 国煤 的成藏规律 、 开发及高效清洁利用的有关科学 问题的研究 ， 将成 为我国煤 田地质长期科学技术研究发展的主要 目标 和战略任务。 1 ． 2 加强深部煤炭资源开发是保障我国能源安全 的必然战略选择 我国在已有的 5 ． 5 7万亿 t 煤炭资源中， 埋深在 1 0 0 0 I l l 以下 的为 2 ． 9 5万亿 t ， 占煤炭资源总量的 5 3 ％。由于我国的煤炭资源主要是通过地下开采获 得的， 在长期大规模 的开发中， 浅部资源的逐渐减少 和枯竭， 地下开采的深度越来越大。1 9 8 0国内煤矿 开采的平均深度为 2 8 8 m， 1 9 9 5年达到 4 2 8 m， 2 0世 纪末 已经近 5 0 0 m， 目前煤矿开采深度以每年 8～ 1 2 m的速度增加， 可以预计在未来 2 0年我国很多煤 矿将进入到 1 0 0 0 m到 1 5 0 0 m 的深度 。我国西部 地区浅部资源虽储量很大， 但该区水资源缺乏 ， 生态 环境脆弱。煤炭资源的超强度集中开发， 将使本来 非常脆弱的生态环境雪上加霜 ， 加 剧恶化。由于西 部地区经济欠发达 ， 同时受交通运输等外部 条件制 约， 煤炭开发重心西移 的方案在 近期 内难 以实现。 因此加强我国东部地 区深部煤炭资源的开发和生产 是我国煤炭工业今后发展的必然趋势。 1 ． 3 掌握深部煤炭赋存规律， 解决开发所遇到的一 系列科学技术问题 ， 是煤炭工业发展的战略必需 与国内外煤 田赋存特征 比较， 我国东部煤矿区 具有新生界覆盖层厚 、 煤层埋藏深 、 基底为奥陶系承 压含水层的特点。由于过去对煤炭资源的勘查主要 集中在 6 0 0 m以浅， 对深部煤炭资源 的赋存状况和 开发地质条件 的协调配合研究极少， 深部煤炭资源 勘探开发的难度越来越大 ， 引发的地质灾害 日趋严 重， 主要表现在 1 由于对深部煤炭资源赋存状况掌握程度 低， 开发的盲 目性越来越大。我国现有开发煤矿 的 地质评价多是上个世纪8 0年代以前完成的， 由于当 时的技术手段缺乏 ， 主要是依据钻探成果 ， 工程的平 面控制稀 一般大于 2 5 0 m ， 深度控制浅 一般小于 6 0 0 m ， 因此造成对煤 田地质条件的控制效果差 ， 与 大规模综合机械化采煤技术 的要求极不适用， 并造 成重大的经济损失。以淮南矿区潘二矿为例， 该矿 依据 8 0年代初期的精查地质勘探报告， 认为是地质 条件简单矿井类 型， 从而按年产 3 0 0万 t 的矿井生 产规模进行矿井和采 区设计 ， 采用综合机械化采煤 技术。矿井建成进行生产时 ， 发现是瓦斯含量高 、 地 2 质构造复杂的突出矿井类型。煤炭回采过程中， 经 常遇到断层而造成工作面停产和采煤机组搬家， 大 大影响采煤效益。建矿 1 2年煤炭年产量不达产、 长 期停 留在 5 0万 t 左右， 并发生多次煤矿生产和安全 事故， 造成近 2 0亿元的负债， 最后破产。 2 深部煤炭资源精确勘查的技术难度越来越 大。如前所述 ， 我国煤炭资源的勘查主要是在钻探 工程的基础上综合研究完成 ， 精查地质勘探报告 只 能查明大于 1 0 m以上 的断层。随着煤矿综合机械 化生产技术的推广， 对煤矿采区地质状况的掌握程 度要求越来越高， 为保证综合机械化生产的效益， 一 般要求查 明煤矿采区内断距大于 5 m的断层 ， 最好 能满足查明断距大于 3 m断层 的技术要求。因此， 必须探索经 济可行的高分辨探测技术 与方法。同 时， 由于浅部煤炭资源开发造成上覆煤岩体的运动、 破坏， 也进一步提高 了深部煤炭资源精细勘 查的难 度 在上覆采动煤岩层松动区， 进一步钻探时钻孔井 眼的保护难度加大， 或进行地球物理勘探时， 物理波 场的特征与未采区比较已发生了很大变化， 因此 ， 给 深部煤炭资源高分辨勘查提出了新的课题。 3 深部开发地质条件发生很大变化 ， 致灾因 素增多 ， 影响强度加大。深部与浅部的区别在于“ 三 高” 高地应力 、 高地温和高底板承压水 及极强 的 时间效应。近年来 ， 由于过去对深部地质条件下开 采技术的协调配合研究极少 ， 深井 开采引发的地质 灾害 日趋严重 ， 主要表现在 突水事故。 自 1 9 8 4年 6月 2日开滦矿务 局范 各庄矿发生井下岩溶陷落柱特大突水灾害 以来 ， 先 后在淮北杨庄矿、 义马新安矿、 峰峰梧桐矿、 皖北任 楼矿 、 徐州张集矿 、 永城车集矿 、 陈四楼矿、 邢台东庞 矿等又相继发生特大型奥灰岩岩溶突水淹井事故， 造成重大人员伤亡和巨大的经济损失。初步估计， 近五年中的直接经济损失超过 3 5亿元 ， 同时产生 了 若干地质环境负效应。 井筒破裂。 自1 9 8 7年在安徽淮北矿务局所属 的临涣 、 海孜、 童亭三个矿先后发生井筒破裂后 。 至 今， 据不完全统计， 仅在安徽淮南、 淮北、 江苏大屯、 徐州和山东兖州等矿区内井筒断裂就达 6 2个 ， 严重 地影响矿井的安全生产 。 围岩变形 ， 巷道失稳， 冲击地压现象剧增。由原 始沉积作用和后期构造作用造成的含煤岩系的非连 续性和非均质性 ， 随着煤炭采深 的增加引起 的覆岩 自重压力的增大和构造应力的增强 ， 表现为围岩发 生剧烈变形 、 巷道和采场失稳、 并易发生破坏性的冲 击地压， 给支护和顶板管理带来许多 困难。据淮南 矿务局不完全统计 ， 由于巷道变形造成的维检费 ， 每 维普资讯 2 0 0 8年2月 彭苏萍 深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势 第1 7卷第2期 年都在 1 ． 5亿元以上。 地温增高 ， 作业条件恶化 。采深增加引起的井 下气地温的升高， 严重影响矿工的身体健康和生产 效率。淮南矿务局九龙岗矿井深 8 3 0 m， 采煤工作 面气温高达3 0℃， 矿工中高血压病例、 心悸病例患 者增多。平顶山矿务局八矿采煤工作面温度 3 6℃ 左右， 矿工经常发生井下中暑昏倒及呕吐的病例 ， 并 普遍患有传染性湿疹 、 冬季感冒的发病率也特别高。 湿热环境可能引起某种生理 障碍 易产生昏昏欲 睡 的感觉 ， 导致采面的事故增高。 采深增加引起瓦斯高度聚积 、 诱发严重 的安全 事故。根据采煤 工业 界的经验 ， 当煤矿开采 在 3 5 0 m以浅时 ， 煤 中瓦斯富集相对较弱 ， 人们可以通过调 整矿井通风量来预 防矿 井瓦斯事 故。当深度大 于 5 0 0 m时， 每增加 1 0 0 I n瓦斯增加 3 0 ％ 以上并 易于 聚积， 原有通风设 备难 于满足安全生产 的需要 。因 此 ， 深部煤矿开采 中的瓦斯问题成为保障煤矿安全 的一个重大问题 。近年来 ， 由于瓦斯突出和爆炸引 起 的死亡 1 0人 以上的煤矿事故 7 0 ％出现在 中国东 部矿区。 由上可知， 我 国煤矿随着采深的逐年递增 ， 引起 的一系列矿井灾害事故是在近十年来显现 出来并严 重地影响煤炭正常生产 ， 而研究人员还习惯于浅部 开采条件下的地质作用特征和矿压显现规律来推断 深部开采地质状况 ， 这显然远远不够。因此 ， 必须进 行统一的、 三维 的、 系统 的多元研究 ， 以揭示其 中的 一 系列基本科学问题 ， 为深部煤炭安全生产作 出积 极努力。 1 ． 4 目前我国在深部煤炭资源评价和开发 的研 究 与国家上差距不大 ， 容易形成原创性科研成果 ， 为我 国深部煤炭资源的开发提供技术保障 向深部要资源是 国际新潮 流， 很多 国家开展 了 深部资源赋存规律及开发地质条件的研究， 为我国 的研究提供了很好的借鉴。1 9 8 3年， 原苏联的权威 学者就提出对甚至超过 1 6 0 0 m的深 煤 矿井开采 进行专题研究。当时的西德还建立了特大型模拟试 验台， 专 门对 1 6 0 0 m深矿井 的三 维矿压 问题进行 了模拟试验研究。近二十年来 ， 国内外学者在资源 开 发 中 的 岩 爆 预 测 B a r t o n ，D o w d i n g C ．H． A n d e r s s o n C ． A 等， 1 9 8 5 ， 1 9 9 4； Z u b e l e w i c z A 等 ， 1 9 8 3 ； M u e l l e r ． W 等 ， 1 9 9 1 ； 、 矿井 底板涌水 量预测 B a r e n b l a n t t ， 1 9 9 0； R o m m， 1 9 9 6 及 改善围岩的物 理 力学性质、 应力解除及合理开挖等 各方面进行 了深 入的研究 ， 取得 了很大的成绩 。一 些有深井开采 矿 山的国家 ， 如美 国、 加拿 大、 澳大利亚 、 南非 ， 波兰等 集 中人力和财力紧密结合深部开采相关技术开展基 础问题 的研究。如南非政府 、 大学与工业部 门密切 配合 ， 从 1 9 9 8年 7月开始启动了一个“ D e e p Mi n e ” 的研究计划 ， 耗资约合 1 ． 3 8亿美元 ， 旨在解决深部 资源安全 、 经济开采所需解决 的一 些关键 问题。加 拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为期 1 0年的两个深部资源开发研究计划 ， 针对资源开发 中的岩爆潜在区的支护体系和岩爆危险评估等进行 了卓有成效 的探讨 。美 国 I d a h o大学 、 密西根工业 大学及西南研究院也联合展开了深部资源开发的基 础研究 ， 并与美国国防部合作， 就资源开发 中岩爆引 发的地震信号和天然地震或化爆与核爆信号 的差异 与辨别进行了研究。但 总的来说 ， 研究 工作还刚刚 形成规模， 技术和理论体系还不完善。 中国矿业大学对深部煤炭资源分布规律和开发 的基础研究 已有 1 0余 年 的研究历史 。1 9 9 3年 ， 针 对煤炭资源深部延伸开发过程 中生产效率降低 、 安 全事故增多的情况， 我国煤炭地质科技人员就向原 煤炭工业部建议开展深部煤炭资源开发地质安全保 障系统的研究 ， 在 国家有关部 门和煤炭企业的支持 下， 在深部煤炭资源开发动态地质条件评价 、 煤矿深 部复杂地质构造精细探测技术与方法研究方面获得 了多项以发明专利和国家软件版权为标志的原创性 科研成果。国家 自然科学基金委员会优秀群体研究 基金 已两期资助由谢和平、 彭苏萍 、 何满潮教授的研 究群体开展深部煤炭资源开发中岩石力学行为与安 全开采方面的研究 ， 教育部以长江学者 与创新 团队 研究基金资助彭苏萍教授开展深部煤炭资源开发地 质安全保障系统 的研究。与此同时， 中国煤炭地质 总局、 中国矿业大学 、 中国地 质大学 、 煤炭科学 院等 单位在深部煤炭资源赋存规律、 煤质分布特征等方 面进行了卓有成效 的工作 ， 获得 了一批有影 响的科 研成果。在国家计委的支持下， 煤炭科学院、 中国矿 业大学等单位开展了我国煤矿深部承压水分布规律 和矿井 防治水关键技术的工业性试验。何满潮教授 等最近又针对深部煤矿开发中高地温问题， 在徐州 矿务局开展 了矿井降温 和低温综 合利用方法 的研 究。通过上述一 系列 的科研工作 ， 目前 已在深部煤 炭资源赋存规律和开发地质评价方面研究方面积累 了一定经验 ， 形成了一支初步的技术队伍 ， 为开展本 项 目的研究奠定了良好 的基础。 项 目研究将在深部煤炭资 源赋存规律 、 深部煤 炭开发中地应力 、 高地温和高承压水体的分 布特征 与规律 、 深部地质构造 和灾害源高分辨探测理论与 方法等方面获得多项原创性 的科研成果 ， 形成深部 煤炭资源开发综合地质评价方法， 打破国外 的技术 垄断 ， 为即将到来的深部资源开发提供强有力 的地 维普资讯 2 0 0 8 年2月 彭苏萍 深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势 第1 7卷第2 期 质保障体系； 为深部资源开发中的重大灾害事故 的 发生提供科学的预测预报手段； 为深部资源开采降 低成本 、 提高经济效益提供技术手段， 极大限度地开 发和利用地下资源 ； 为我国经济可持续发展提供能 源保障。 2 国内外深部煤炭资源开发研究现状和发 展趋势 国外一些主要产煤国家从上个世纪 6 0年代就 开始进入深井开采 。1 9 6 0年西德 煤炭平均开采深 度已经达 6 5 0 m， 1 9 8 7年已将近达 9 0 0 m； 原苏联在 8 O年代末就有一半以上产量来 自6 0 0 m以下深部。 并早在 8 0年代初 ， 在科研方面开始注意对深井问题 的研究。1 9 8 3年， 原苏联的权威学者就提出对甚至 超过 1 6 0 0 m的深 煤 矿井开采进行专题研究。当 时的西 德 还建 立 了特 大 型模 拟 试 验 台， 专 门 对 1 6 0 0 m 深矿井的三维矿压问题进行 了模拟试验研 究。由此可见 ， 随着浅部煤炭资源大规模开采开采， 资源储量的日渐减少， 向深部要资源 已成为国际潮 流， 对深部资源开发的研究工作也越来越重视， 具体 表现在以下方面 2 ． 1 在深部煤炭资源赋存条件、 煤质分布规律研究 方面 从 2 0世纪 5 0年代末开始 ， 我 国煤 田勘探系统 和有关高校、 科研单位共同努力， 开展了多次煤田地 质预测 ， 通过系统的理 论总结 ， 出版 了我 国第 一部 中国煤田地质学 ， 研究成果不仅对国民经济的发 展起了重要作用 ， 而且极大推动了中国煤 田地质学 及其相关学科的发展。 上个世纪 9 0年代末， 韩德馨院士主编 了 中国 煤岩学 1 9 9 6 ， 系统总结了中国各个聚煤期和聚 煤区的成煤特征和煤层的赋存规律， 初步形成了具 有中国特色的煤田地质学和煤岩学学科体系。杨起 也主编了 中国煤变质作用 等高水平的研究专著。 这些研究专著展示 了2 O世纪 9 O年代末我 国煤 田地 质学发展的最高学术水平 ， 受到 国内外地质学界的 重视和好评 。 特别值得指出的是 ， 1 9 9 2年 ～1 9 9 7年完成的第 三次全国煤田预测工作 ， 对我国的煤 田地质特征和 聚煤规律进行 了全面总结 ， 从研究含煤地层 的划分 和对比、 各主要含煤期的聚煤古地理 、 沉积特征和聚 煤规律 、 煤系的后期构造变形和煤变质等方 面进行 了系统研究 ， 并对我 国深部煤炭资源潜力进行 了系 统分析。认为我 国深部煤炭资源潜力 巨大， 圈定 了 2 5 5 4个预测 区， 预测总面积 3 9 ． 31 0 k m ， 垂 深 2 0 0 0 m以浅 的预 测资 源 量为 4 ． 5 51 0 t ， 垂深 4 1 0 0 0 m以浅 的预测 资源量 为 1 ． 8 41 0 t ，垂深 6 0 0 m以浅的预测资源量为 0 ． 9 41 0 t 。以王桂梁 教授为首的课题组采用板块构造和构造控煤的研究 方法 ， 在 中 国东部地 区滑拖 构造下找 到煤炭储 量 1 2 0多亿 t ， 对稳定东部煤炭生产起重要 的作用。有 关学者利用层序地层学 的方法对深部煤炭资源的的 形成环境进行了深入研究 ， 提出了幕式聚煤作用、 海 侵过程成煤等新的认识 ， 认为不但原始沉积环境、 海 平面变化控制成煤， 而且可容空间变化速率控制了 煤层堆积 ， 煤层厚度及连续性受海平面／ 基准面变化 的控制 邵龙义等 ， 2 0 0 3 。 与此同时 ， 以洁净煤利用为核心的煤 中有害元 素地球化学研究 引起 了人们 的高度关注 ， 国家 自然 科学基金委员会多次列重点项 目给予资助， 并在有 害元素分布、 赋存状态及 A s 、 s e 等元素的环境影响 等方面取得了明显进展。很多学者对成煤时的海水 进退与煤中含量的关系进行 了深入研究 ； 杨起等系 统总结 了山东有关矿区晚古生代煤 中硫及伴生元素 分布特征 ， 发现高硫煤中富集 A s 、 U、 Mo 、 N i 和 z n等 有害元素， A s 主要赋存于硫化物中， u的富集与海 水有关。曾荣树等 1 9 9 8 ， 张军营等 1 9 9 9 对贵州 晚二叠世煤中 H g 、 A s 、 S b和 F等有害元素分布特征 的研究， 表明H g 、 A s 、 s b主要存在于硫化物矿物中。 任德贻 、 代世峰等 1 9 9 9 ， 2 0 0 2 ， 2 0 0 3 ， 2 0 0 4， 2 0 0 5 通 过大量研究 ， 初步提出了煤中有害微量元 素富集的 5种成因类型， 即陆源富集型 、 沉积 的生物作用富集 型 、 岩浆热液作用富集型、 深大断裂 一热液作用富集 型和地下水作用富集 型， 并对煤炭利用过程中有害 元素的环境效应进行了深入研究。国际上 ， 美 国和 前苏联从六七十年代起对本 国主要煤 田煤中有害元 素进行了系统研究， 到 1 9 9 9年美国联邦地质调查所 已积累各州有代表性的煤层煤样数据 1万个 以上。 英 国、 澳大利亚、 加拿大、 印度和捷克等 国也开展 了 专门研究。如 B o t is k a 等 2 0 0 0 根据已有的资料和 捷克煤盆地的分析数据 ， 系统总结了煤 中 1 3 8种矿 物和所有元素可能 的赋存状态， 并对煤 中矿物的成 因进行了阐释 。F i n k e l m a n等 2 0 0 2 讨论了煤使用 对人 类 健 康 的 影 响及 可 能 的 解 决 办 法。Wa r d 2 0 0 2 通过对澳大利亚煤 田煤层的研究 ， 对煤 中矿 物质的含量、 赋存特征、 检测方法以及矿物质在燃煤 过程中的影响进行 了系统 总结。H u g g i n s 2 0 0 3 论 述了对煤中微量元素含量和赋存状态的测试方法。 Y u d o v i c h 2 0 0 4 、 2 0 0 5 等通过对煤中砷 、 汞的地球化 学特征 、 含量 、 赋存状态及其在燃烧过程中的习性进 行研究 ， 对煤中有害元 素的地球化学特征及其 环境 污染 的影 响 进 行 了 总结。俄 罗斯 的 I o 且 o B H I I和 维普资讯 2 0 0 8年2月 彭苏萍 深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势 第1 7卷第2期 K e T p n c于 2 0 0 2年出版了“ 煤 中无机质” 的专著对无 机质的成因、 分类、 当代煤的微矿物学、 煤包体地球 化学及煤层、 煤产地 、 煤 田的地球化学均有新的认识 和论述。因此 ， 以洁净煤技术为核心 的煤 的地球化 学研究， 已成为当前国际上煤田地质学领域的前沿 课题之一 ， 也是深部煤炭资源今后研究的重点之一 。 2 ． 2 在深部煤炭资源构 造形变与地应 力关 系研究 方面 煤炭资源向深部延伸开发 中， 引发 了一 系列与 浅部资源开发中没有过的工程灾害， 如冲击地压 、 井 筒断裂和高强度的瓦斯与煤突出等。它们与深部煤 炭资源处于一 种受高地应力 控制 的环境 有密切关 系。国家 自然科学基金委员会于 2 0 0 3年启动“ 深部 岩体力学基础研究与应用” 重大项 目研究 ， 同时又以 创新优秀团队研究基金形式重点资助中国矿业大学 为主体的研究 队伍 ， 开展深部煤 炭资源 构造形 变与 地应力的关系， 以查清构造应力场对深部资源开发 的影响和引发工程灾害 的致灾机理。 目前 ， 对矿井构造规律 的研究 已从 定性描述逐 步发展到定量分析， 数理统计、 模糊综合评判、 灰色 系统理论 、 岩石力学以及构造应力场分析等 已得到 较为广泛的应用 ， 也取得 了较好 的应用效果 。但是 这些研究大都针对矿井浅部开采而展开的， 深部高 地压等必将引起岩石和煤力学性质和变形行为的改 变 ， 从而表现出更为复杂的构造变形 和构造组合规 律 ， 并对地应力的分布产生深刻 的影响。 岩石性质是影响地应力 的基本 因素之一 ， 陶振 宇等曾指出岩性及其强度可能会显著影响地应力分 布 ， A i t m a t o v e t a 1 ．还讨论了岩石 物理力学性质与地 应力 的关 系， 指出在坚硬岩石 杨 氏模量 E5 0 1 1 0 G P a 、 中等坚硬岩石 E 2 0 5 0 G P a 和软岩 石 E 1 ． 0 2 0 G P a 中地应力有较大差异 ， 并随 岩石杨氏模量降低而相应减小。朱焕春等探讨了不 同岩石 中地应力分布 ， 通过对地应力与岩石杨 氏模 量及深度的关 系的讨论 ， 显示 出地应力随岩石杨 氏 模量增 高而增 大。断裂构造 对应力场 也有重要 影 响， 不论是单一活动断裂还是复合活动断裂 ， 均对岩 体中的应力场有 明显 的影响。活动断裂附近的主应 力方位和量值均不同程度地发生变化， 而这种变化 主要限于断裂附近一定距离 内； 同一条断裂不 同段 具有不同的应力状态 ， 活动断裂 附近的应力是 随时 间而变化的； 复合活动断裂能造成在断裂复合部位 的局部应力集中， 产生地震和其它高地应力现象； 非 活动断裂对其附近 的应力场也有 明显影响 ， 在断裂 附近， 应力方位发生转向 ， 旋转角度可从十几度到近 9 0 。 。对瑞典 F o r s ma r k地 区的地应力和地 质构造研 究时发现 ， 断层影响到局部应力 的方 向， 断裂组成地 应力局部分区的界 面， 断层 的上盘与下盘应力 大小 和方向都有差别 。 任何断裂 ， 是 断层两侧岩体沿 断层面 的相对运 动。因此 ， 断裂附近的应力场应该 同时受到断裂本 身和两侧岩体物理力 学性质 的影响 ， 王靖涛等探讨 了在地应力场中断裂传播的能量耗损。断裂几何形 态的复杂性也能造成断裂附近应力状态的变化 。s u 等曾进行了单一断裂和复合断裂对地应力场影响以 及断裂两侧岩体 的主要物理力学性质影响的研究 。 黄醒春等研究 了复杂断层扰动下的地应力场 ， 苏生 瑞等从断裂物理力学性质及几何形态等方面人 手， 通过数值模拟分析 ， 探讨断裂附近应力场变化的规 律和机理。贾立宏等将灰色多项式银河拟合理论应 用于矿山地应力场的拟合计算 中， 提出了对拟合地 应力场模型的残差修正方法 。金立平等通过试验建 立 了煤的破坏判据 以及煤层稳定性分析 的指标， 提 出用虚拟应力状态韵 方法来考虑采矿工程的影响 ， 并对煤层的区域稳定性进行了划分 ； 白晨光等将神 经 网络应用于地应力研究 ， 探讨 了 P D P模型在地应 力预测 中的理论 和方法 ； 孙宗顺等较为系统 的研究 了不同性质断裂构造 中地应力状态演变规律。 尽管矿井构造和原岩应力关系的研究取得了相 对较多的研究成果 ， 但从构造演化的角度探讨原岩 应力的分布规律， 尤其是矿井深部不同构造发育 、 演 化、 叠加和组合对原岩应力的影响还值得深入研究。 采动影 响会产生煤岩体应力的二次分布。多年 来 ， 采矿与力学工作者们针对矿压显现和采场 变形 控制 ， 提出了多种学说 ， 其 中钱鸣高院士 、 缪协兴教 授提出的关键层理论 ， 对采动岩体变形 、 采动应力转 移叠加和岩层破断都给出了合理 的定性定量解 释O 原西德 、 前苏联、 波兰等国的学者也对深部开采 的巷 道地压及其控制措施进行了相应研究。如 A． L i o n c o 和 A． A s s i s 研究 了深部矿井岩体的非线性大变形力 学模型， 探讨 了超深岩体在开挖后的非线性大变形 特性 ， 指出弹性模量与围压 开采深度 有很大 的关 系。起源于前苏联 的应力控制理论 ， 也称 为围岩弱 化法 、 卸压法等， 通过一定 的技术手段 ， 人为降低支 承压力区围岩的承载能力， 使支承压力向围岩深部 转移， 以此来提高围岩的稳定。 对于深部开采而言 ， 无论是采场矿压 ， 还是岩层 内部移动或地表沉陷， 采动覆岩整体运动的介质属 性都十分复杂 。不同的类型的岩石会表现 出不 同的 变形破坏特征 ， 即使是同一种岩石 ， 在不同的应力水 平下表现出不 同的变形破坏形式。最明显的特征是 原来在浅部变形较小 、 稳定性较高 的围岩体进入深 5 维普资讯 2 0 0 8年2月 彭苏萍 深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势 第1 7 卷第2 期 部以后发生明显的软岩的大变形 、 大地压 、 难支护的 现象。深部硬岩在地质条件恶化 、 碎裂岩体增多 、 地 应力增大等复杂环境下 ， 岩体 的受力 、 变形、 和破 裂 特征 ， 深部采矿地压转移的时空分布规律等方面与 浅部岩体工程具有许 多不 同的特点 。因此 ， 深人开 展深部采动岩体变形规律及地应力场特征研究 ， 将 能为我国即将到来的深部资源开发提供强有力的技 术保障体系， 为深部资源开发的重大灾害事故 的发 生提供科学的预测 、 预报手段 和防治技术 ， 为深部资 源开采提供新技术， 为深部开采降低成本 、 提高经济 效益提供技术手段 ， 极大限度地开发和利用我国的 地下资源， 即能为我国经济可持续发展和国家安全 战略的实施提供能源和资源保证。 2 ． 3 矿井深部承压水的分布规律及运动特征研究 在我国深部煤炭资源开发过程中 ， 将要遇到的 重大难题之一是开发过程中煤层底部奥陶系岩溶水 体对矿井 的危 害。尽 管 6 0年代 中期 S n o w D ． T ． ， P o m m E ． C ． 和 L o u i s C ． 等人便针对岩溶裂隙用渗透 张量方法建立了各 向异性裂隙介质 的渗流模型 ， 后 经其他学者进一步发展到广义双重介质渗流模型 、 广义多重介质渗流场与应力场耦合模 型等 ， 但矿井 突水量 预测 的准确性仍然不尽如人 意。裂 隙的组 合 、 交叉 、 交切形式 的多样性 和复杂性 ， 导致 水在裂 隙网络中的渗流不仅具有非均质各向异性 、 不连续 等特征， 而且在裂隙交叉点上还存在偏流 、 偏 向效 应 。显然 ， 采用以均匀 、 连续为特征的多孔介质渗流 理论， 对岩溶裂隙矿区的地下水系统模拟 ， 必然导致 较大偏差甚至面目全非。 早期矿井涌水量预测多借助单孔渗流理论， 如 水文地质比拟法、 矿井含水系数法和大井法预测矿 井涌水量。由于勘探程度低 、 条件复杂而理 沦方法 简单 ， 上述预测方法存在较大偏差。在矿井 开采阶 段 ， 用矿井实际排水资料作统计回归分析， 建立回采 面和巷道的回归方程， 或用影响因素之问的相关关 系做相关 分析 预 测 矿井 涌水 量 ， 李 金凯 、 王延 福 1 9 8 5 对华北类型的岩溶煤矿提出了底板突水量的 预测方法 ， 预测结果有较大改善。之后数值模型、 地 下水系统及管理在矿井涌水量预测 中被广泛应用 ， 煤科院西安分院 8 0年代后期提 出排供结合综合利 用矿井水的开采方法 ， 改变了深 降强排韵 传统防治 水观念 ； 武强等 1 9 8 9 总结 了华北型煤 田矿井防治 水决策系统及预测方法 ， 矿井 防治水研究进入决策 管理新阶段。 在世界产煤大国美 、 中、 英 、 澳、 俄等 国中， 原苏 联 、 匈牙 利 、 中国等 国地 质条 件 比较 复杂 ， 大水 矿 区 分布 较 广， 突 水 灾 害 严 重。 原 苏 联 学 者 B ． Ⅱ ． 6 C n e c a p e B 斯列萨列夫， 1 9 4 8 最早提出“ 安全水头” 概念和预测突水的简支梁理论公式 ， 而匈牙利和南 斯拉夫则利用相对隔水层厚度进行突水判别。原苏 联学者 A ． A ． B O P I ／ I C O B首先 采用相似材料立体模 型对采空区底板岩层的变形进行了研究 ； F a r i a等从 岩石力学的角度研 究底板破坏机理； 目前数值模拟 被广泛应用于突水研究。我国五十年代煤矿突水研 究开始起步 ， 在 1 9 6 4年焦作水文地质大会战中提出 用突水系数法作为煤层底板突水的判别模型。刘天 泉 1 9 8 1 在国内率先提 出煤层 采空 区岩层破坏 的 “ 三带” 理论， 其他学者则对矿 山压力 、 突水机理 、 模 式及预测进行了大量研究。在现场观测