深部煤炭资源赋存规律、开采地质条件与精细探测基础研究 .doc

“深部煤炭资源赋存规律、开采地质条件与精细探测基础研究” 2008年成果交流研讨会在河南焦作召开 2008年8月27～29日，“深部煤炭资源赋存规律、开采地质条件与精细探测基础研究”973计划项目2008年成果交流研讨会在焦作河南理工大学召开。 会议以学术报告和论文交流的形式介绍了各课题取得的相关成果；项目首席对后三年的工作提出了具体要求，对项目和各课题研究最终提交的主要成果、目标作了具体部署和安排。河南理工大学张战营副校长、景国勋副校长，科技部能源领域专家咨询组责任专家黄素逸教授、罗治斌教授，项目专家组专家张泓研究员、虎维岳首席科学家、何满潮首席科学家，各课题的正、副组长、主要技术骨干、课题参加人员及项目办公室人员共60余人出席会议。 会议由项目首席科学家何满潮教授主持。 河南理工大学张战营副校长首先致欢迎词。他对研讨会在河南理工大学的召开、对各位专家和代表的光临表示热烈的欢迎。张校长简要介绍了河南理工大学的发展历程，希望各位专家到学校参观指导，并提出宝贵意见。 黄素逸教授代表项目跟踪专家讲了话。他说，深部煤炭资源973项目中评估得到了专家较高的评价。为了更好地完成项目，他建议1）进一步明确目标，把项目完成好，为下一步滚动发展打下坚实的基础；2）各位课题组长、课题骨干、课题成员要全身心投入研究工作，为完成项目的总目标、使项目的亮点更加突出作出自己的努力；3）进一步凝炼主题，集中力量突破几个重点问题；4）加强各课题之间的数据共享和资料交流。 张泓研究员在讲话中指出，深部煤炭资源973项目对煤田地质勘探行业的作用和影响是很大的。此次成果交流研讨会是一次承前启后的会议，希望把中评估中发现的个别课题的研究内容存在一定程度偏离的情况纠正过来，统一到项目总目标上来。他强调，973项目必须严格围绕项目的研究目标开展研究工作，每个课题都是项目中不可缺少的一个链条，只有所有链条都正常运转，才能保证项目整体目标的实现。 唐跃刚、姜尧发、黄文辉、康红普、王兆丰、虎维岳、何满潮、曹思远、于光明、石显新、曹代勇、朱国维分别作了题为“晋城15＃煤中硫的赋存分布规律”、“华北晚古生代煤层分布与煤质变化特征”、“深部煤炭资源开发综合评价理论与方法”、“煤矿井下地质力学测试及应力场分布特征研究”、“地勘期间煤层瓦斯含量测试技术新进展”、“华北东部地区深岩溶形成的地质过程与古地理”、“深井降温技术研究进展”、“煤田勘探中的微断裂检测”、“利用三维三分量地震数据预测煤系裂隙”、“瞬变电磁法勘探中的低阻屏蔽层问题及解决对策”、“深部煤炭地质勘查模式探讨”、“矿井复杂地质条件探测装备与方法的研究” 的学术报告。 唐跃刚教授在题为“晋城15＃煤中硫的赋存分布规律”的报告中，介绍了综合运用沉积学、煤岩学、煤化学、煤地球化学、煤地质学等多学科理论，采用现代先进的测试分析方法，对晋城王台铺矿15＃煤进行系统分析和研究得出的认识1）与3＃和9＃煤相比，15＃煤以暗淡型煤为主，镜质组含量多，惰质组含量最少，煤岩类型好。2）有机硫含量镜质组壳质体惰质体。显微黄铁矿类型多，有相当数量的细粒黄铁矿是小于10μm，煤中黄铁矿嵌布类型以大颗粒型、条带型、嵌布型为主，煤破碎易解离，有利于煤的脱刘。3）煤中灰分与硫分、全硫与黄铁矿硫均呈正比，煤中硫尤其是黄铁矿硫多集中于暗淡煤，且颗粒大，接近顶部硫分增加。4）15煤层稀土元素分配模式图的极大相似性表明其物源供给具有同源性和稳定性。这些结论对15＃煤中硫与灰的分布与硫的脱出与降硫降灰等综合洁净利用具有重要指导作用。 姜尧发教授介绍了对华北晚古生代煤层分布与煤质变化特征的研究成果1）华北晚古生代上石炭统太原组煤中全硫含量大都为2％～5％，硫含量总体上呈现出北低南高、东西展布的态势。下二叠统山西组煤中全硫含量大都＜1％，仅在盆地南缘局部地区出现异常高值。中二叠下石盒子组至晚二叠统上石盒子组煤中全硫含量大都在1％左右。2）由于成煤原始物质和聚煤环境不同，华北盆地太原组和山西组主要煤层的显微煤岩组分含量具有显著的差别。总体而言，太原组煤中镜质组含量普遍较高，镜质组分的降解程度较强，黄铁矿含量较高；而山西组煤中惰质组含量普遍较高，成煤植物的木质结构保存相对较好，黄铁矿含量普遍较低。石盒子组煤的显微组分特征是壳质组含量较高，且呈现层位越高壳质组含量越高的变化趋势。3）原始沉积在深部的太原组煤层与原始沉积在浅部的山西组煤层在煤质、煤岩、地球化学特征等都表现出显著的差别，反映其原始沉积环境、成煤泥炭沼泽的介质等原始成因因素不同。而同一煤层在横向（或平面）上变化不大。4）后期构造变形就位深部的山西组煤层，不但表现出与太原组煤层的原始差别，而且山西组同一煤层的煤质、煤岩、地球化学、煤体结构等特征也随深度不同而变化。 黄文辉教授在题为“深部煤炭资源开发综合评价理论与方法”的报告中指出，深部煤炭资源评价不仅要考虑煤炭资源量问题，还必须考虑开采地质条件、开采技术难度及深部开采的安全问题。在对深部煤炭资源进行评价时，可按照煤炭资源指数、经济开采（或开发难度）指数和安全指数三个分类要素来划分不同的评价参数。煤炭资源指数是评价煤炭资源是否值得开采的首要因素。它主要包括评价区的煤炭资源量的大小指数和煤质优劣指数。煤炭资源量的大小主要包括，煤层的单层厚度、累计厚度、煤层的稳定性、可采指数等。而煤质评价时主要考虑煤的变质程度类型（即煤级或煤类）、煤中灰分和挥发份的相对含量、煤中硫磷等有害元素相对含量等要素。煤炭资源开采条件的评价对深部区意义重大，它决定了评价区煤炭的开发难度和经济开采潜力。因为深部区存在与浅部完全不同的地质环境条件，同时需要特殊的技术手段和额外的投入。这些因素如深部高应力条件下煤矿巷道的支护问题、深部区复杂的水文地质条件和构造地质条件带来的成本问题等。在进行开采条件评价时，开采中涉及到安全的部分要素如瓦斯突出和热害等因素要纳入评价中，并将这些因素作为煤矿安全生产的因素进行单独评价。煤炭资源安全指数是评价煤炭开采的安全性的重要指标。一般情况下，深部区地热和瓦斯含量都会急剧增高，同时地应力也增高，这将产生大量的煤矿安全隐患问题。这些安全隐患主要包括煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、冒顶、底鼓以及热害等问题。这些问题都将严重影响了深部煤炭的开采，因此特将安全指数作为评价深部煤炭资源条件的一个重要指标。 康红普研究员介绍了煤矿井下地质力学测试及应力场分布特征的研究成果1 根据煤矿井下特点，提出了小孔径、单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法；采用一个钻孔，就可完成地应力、煤岩体强度、煤岩体结构及其相互作用关系的测量。2 开发研制出小孔径水压致裂地应力测试装置、煤岩体强度测定装置及矿用钻孔窥视仪，并进行系统集成，形成了与单孔、多参数、耦合快速测试方法相配套的井下煤岩体地质力学快速测试系统，填补了国内空白，使井下快速测试变为现实。3 采用开发的煤岩体地质力学原位快速测试系统，在12个省份、20个矿区进行了200余个测站的测试工作。绘制了山西省煤矿矿区地应力分布图，并与震源机制解及全国宏观构造应力场进行了比较。所测煤矿矿区的最大水平主应力方向与我国宏观构造应力场特征存在较好的一致性。4 进行了单孔不同层位地应力测量，得出岩性不同地应力不同，煤岩层强度与刚度越大，水平应力越高的规律。基于地应力、煤岩强度与结构测试数据，分析了三者之间的相互作用关系。5 对不同岩性、不同强度与刚度的煤岩层赋予不同的原岩应力值，分析了巷道、掘进工作面与采场周围应力分布特征。这些研究成果已在煤炭企业十几个矿区得到推广应用，在巷道支护设计、巷道布置、采煤、煤矿安全等方面起到了积极的作用，取得了良好的技术效果与经济效益。 王兆丰教授在“地勘期间煤层瓦斯含量测试技术新进展”报告中指出，我国现行的地勘时期煤层瓦斯含量测定方法（AQ1046-2007）以及煤层气含量测定方法（GB/T 19559- 2004）存在技术缺陷，测值误差随钻孔取心深度增加而增大，当煤层埋深超过800m时，大部分测值误差为40～80。鉴于此，课题组研制了泥浆介质取心模拟测试装置并申报了发明专利；解决了提钻过程泥浆压降模拟和提钻过程漏失瓦斯量实时精确测定两个技术难题； 建立了模拟逼近推算提钻过程煤心漏失瓦斯量的测试方法；研究了泥浆介质中取样过程煤的瓦斯解吸规律，研究结果表明，在空气介质中煤样瓦斯解吸是一个速度衰减的等压解吸过程，在泥浆介质中取样过程煤样瓦斯解吸则是一个速度先增后减的非等压解吸过程，它们的解吸特征及解吸规律是截然不同的，用煤样在空气介质中的瓦斯解吸测定数据及规律不能准确地推算出在泥浆介质中取样过程煤样的漏失瓦斯量，为此认为，我国煤层瓦斯含量解吸测定法测定瓦斯含量的两个基本假设“煤样提至孔深一半处开始解吸瓦斯”和“提钻过程的漏失瓦斯量可用Q-规律推算”是不成立的；基于煤的瓦斯解吸规律研究结果，提出了泥浆介质中取样过程煤样漏失瓦斯量推算新方法，经实际应用证明，采用新的漏失瓦斯量推算方法可以显著提高煤层瓦斯含量解吸测定法的测值准确性与可靠性。 虎维岳首席在题为“华北东部地区深岩溶形成的地质过程与古地理”的报告中，从华北东部地区岩溶与地质和古地理气候演化历史、岩溶优先分异与叠加效应、华北东部地区深岩溶发育的基本特征3个方面介绍了研究成果。他指出，在华北地区自古生代以来约6亿年里，奥陶系灰岩先后经历了沉积成岩、溶蚀破坏、充填交结和再度溶蚀破坏的过程。目前我们看到的岩溶结果是历史岩溶作用和结果叠加的产物。奥陶纪华北古地理环境表明，华北地区主要为陆表浅海相沉积环境，为巨厚的可溶性灰岩的形成创造了良好的地理环境，以致华北及东北南部奥陶系广泛发育，且岩相稳定。由于在马家沟灰岩沉积后不久就受到加里东运动的影响，使得该地区大面积抬升露出水面，海水退去，陆地抬升，开始了长达1.5亿年的加里东运动剥蚀期，使得奥陶系灰岩遭受了第一次岩溶过程。该期间华北古地台非常平缓，地形起伏不超过20 m，所以，在该时期本区地下水交替十分缓慢，加之地貌表层覆盖有10～30m的铝土层，岩溶不发育，只是在南北陆台隆起带和边缘地区岩溶发育相对较强。在加里东后期奥陶系灰岩顶部溶孔被充填，使岩石的岩溶裂隙度降低，渗透性减弱，这就是目前多种资料证明的马家沟灰岩顶部岩溶充填充分胶结，岩层渗透性差的根本原因。从中石炭开始，华北地区接受了从本溪组到石千峰组巨厚煤系的沉积，到了晚石炭和二叠纪，华北地区地面又开始缓慢下降，进入了滨潜海环境，由于海陆环境的交互出现，沉积了大量的薄层灰岩和煤系。大约从侏罗纪开始，华北地区受燕山运动影响再次上升剥蚀，这一时期大陆的连续抬升，地形高差加大，水循环和水交替活动加剧，岩溶发育强度大且连续，膏溶角跞岩层、岩溶陷落柱等都是这一时期的岩溶作用的产物，岩溶陷落柱中充填着晚古生代沉积岩石说明了主要岩溶活动发生在晚古生代后期。到了三叠纪以后，由于强烈的地壳运动和火山活动，出现北北东或北动向排列的小盆地，断裂活动频繁，岩层发生褶皱和倾斜，地形起伏加剧，河湖发育，地下水循环加剧，河流、地貌、断裂控制着地下水循环特点，深循环水造成现代岩溶的发生。古岩溶化可溶岩抬升裸露地面后，在浅部露头区受到垂直水流的作用，已经充填的古岩溶再次遭受现代岩溶作用，形成现代岩溶带。较深部的加里东期未被充填的古岩溶受分异岩溶的叠加作用，形成岩溶暗河、大的岩溶洞穴。目前揭露的多种资料表明，华北地区深部（＞500m）岩溶发育的基本特征是在垂直方向上，上部由浅而深，岩溶发育强度由强变弱；下部由浅而深，岩溶发育强度呈现弱强弱规律。在顺层方向上，由浅至深，岩溶发育由强变弱。 何满潮首席在题为“深井降温技术研究进展”的报告中，从我国深井热害情况、国内外研究现状及主要研究进展3方面介绍了研究成果。他指出，我国深井热害非常严重，现场调研表明，在山东、江苏、河南及安徽四省40个矿工作面温度＞26℃。高温热害带来了一系列问题工人体能下降、工作效率低；高温中暑、诱发疾病；现场晕倒、影响安全等，已严重影响到我国深部能源开采，因此，深井热害治理迫在眉睫。目前，国内外深井降温工程技术主要有集中空调式降温技术（分地面集中式和井下集中式）、冰冷式降温技术、气冷式降温技术、热－电－乙二醇降温技术等。这些降温技术各有所长，但也有局限性。其中，地面集中空调式降温深度大，压力高，因而造价高，而井下集中空调式降温技术有排热困难、降温效果差、运行费用高的缺点； 冰冷式降温技术容易形成堵塞以致中断运行，通过喷淋降温会增加湿度，且运行费用高；气冷式降温技术需要有压缩气源、降温能力小、运行费用高；热-电-乙二醇降温技术要求矿井必须具备坑口瓦斯发电厂，冷源需经过二级制冷，冷量提取小，且类似条件少，难以推广。针对目前深井降温技术存在的上述问题，结合徐州矿务集团深井热害控制工程具体条件，课题组研发了矿井水冷式降温技术，设计了以矿井涌水为冷源的HEMS降温系统。在下列3方面取得了进展1）提出了利用矿井涌水作为冷源的深井新型降温模式，研发了HEMS降温系统的成套技术和装备；2）根据地层温度场特征及矿井涌水量的不同，提出了深井热害控制的三种模式，形成了相关的配套技术及工艺系统；3）研发了T-P耦合作用实验系统，通过实验研究，揭示了温度瓦斯控制效应，压力破裂-气体负压效应；揭示了降温至30C可有效阻止吸附瓦斯逸出的重要规律。 曹思远教授正在国外，由方吾松硕士代替他宣读了论文。论文中介绍了煤田勘探中的微断裂检测技术，重点介绍了点谱分析技术。他指出，点谱分析是一种连续时频分析技术，它给地震道的每一个时间样点计算一个频谱。这种技术具有很好的时间定位和频率定位，可以避免傅立叶分析中复杂的时窗问题、改善地层特征的可视性、估算薄层厚度、压制噪音、弱信号提取、改善谱平衡及计算拟吸收衰减系数，进而提高地震分辨率。 于光明博士后在题为“利用三维三分量地震数据预测煤系裂隙”报告中，介绍了课题组针对薄煤层裂隙探测的特殊性，结合3D3C地震勘探的PS波观测记录，通过含裂隙煤系的地震波场模拟和倾斜界面三维PS波共转换点道集抽取及影响因素分析等研究，取得的成果1）利用理论地震图计算得到薄煤层内裂隙引起反射PS波的视偏振异常及随方位变化，可作为煤层是否存在裂隙的重要标志；2）引入倾角CCP道集方法将以往PS波的二维动校叠加扩展到三维动校叠加，研究论述了实现PS波共转换点抽道集的倾角等影响因素，并论述了新的PS波动校近似公式精度；3）在倾角CCP道集基础上通过PS波偏振的角道集分析并结合钻井资料初步验证了煤层裂隙带预测的新方法。 石显新研究员在题为“瞬变电磁法勘探中的低阻屏蔽层问题及解决对策”的报告中，针对我国华北型煤田地表浅层广泛存在低阻屏蔽层的现状，将时域有限差分（FDTD）法和时频分析技术引入地球物理勘探中电磁场的模拟计算，通过大量的数值模拟深入研究了低阻层对电磁法勘探的屏蔽影响规律，定量研究了低阻层对电磁场的延迟作用和减速作用，系统研究了在低阻屏蔽层下的探测深度问题，为在华北型煤田进行深部电磁法勘探提供了理论依据，并能很好地指导深部煤炭资源勘探的实践。此外，针对目前深部煤田水文地质条件探测中广泛应用的瞬变电磁法，开展了瞬变电磁法中心回线装置边缘效应的影响及消除方法研究，提出了基于大定源回线的视电阻率计算方法，这种方法能有效地消除边缘效应的影响，可以大大提高瞬变电磁法的资料解释精度，具有重要理论意义和实用价值。 曹代勇教授作了题为“深部煤炭地质勘查模式探讨”的报告。他指出，当前，东部地区煤炭资源勘查重点转向巨厚新生界覆盖区、推覆体下、老矿区深部等区块。勘查难度加大，常规方法和技术已难以满足深层煤炭资源地质勘查的需要，急需采用新的理论和先进技术。为此，课题通过对深层煤矿床典型实验区的系统对比研究，划分出深层煤矿床的综合勘查模式，即在赋煤规律研究的基础上，针对查明某类煤矿床所必须具备的有利地质条件、有效勘查技术手段、合理勘查程序和勘查工程布置方案的高度概括和总结。当前，中国东部煤炭资源勘查工作已从直接找煤和以钻探为主的勘查模式，转变为地质、物探、遥感等多种方法有机组合，识别深、难、新类型的综合勘查阶段。勘查区类型的划分和勘查模式的建立，提供了类比、借鉴类似煤矿床勘查经验的基础，可以为深部煤炭资源勘查提供方法学依据，拓宽找煤勘查思路，制定最佳工作方案。在老矿区深部或外围勘查区，勘查工作应遵循由浅至深，从已知到未知的原则，在对浅部已有资料的详细分析的基础上，对矿区深部的构造形态和煤系煤层延伸状况做出初步推断，由浅部勘探线向外延展，布置深钻孔控制主采煤层埋深。然后，采用适量的钻探和物探工程查明煤层赋存状况和开采地质条件。在深部新区勘查区，要从区域地质背景入手，充分利用区域地质、物探资料，尤其是石油部门的物探资料和深钻井资料中有关煤层的信息，加强多元信息综合分析、详细研究聚煤规律和赋煤构造格局，优选有利的勘查靶区。技术手段应采用物探与钻探结合的综合勘查方法，工作程序应为物探先行，地震或电法圈定煤层赋存范围和有利区块，再施工少量钻探工程进行验证，由点到面，逐步展开。在复杂地质条件勘查区，要特别重视地表和浅部地质工作，加强区域构造格局和控煤构造样式的研究。在构造预测基础上，选择有利区段，采用地质填图、槽探和井探等山地工程，配合浅钻，了解煤系赋存状况，控制赋煤块段，在此基础上，施工钻探和物探工程，查明煤炭资源。在生产矿井深部煤层勘查区，要以上部煤层勘查和开采成果为依据，着重加强对聚煤作用时间演化和煤层地质条件垂向变化规律的研究；在技术方法和工程布置方面，可采用井下钻探与井下物探工程相结合的方案，开展下部煤层的勘查。 朱国维副教授在题为“矿井复杂地质条件探测装备与方法的研究”的报告中，分别介绍了分布式矿井三分量地震仪、GR-2矿井地质雷达及矿井复杂地质构造探测方法。所研制的全数字化分布式矿井地震仪主要包括数字三分量检波器、本安便携式主机等，采用总线型结构实现主机和各数字三分量检波器（从机）的互连，通过数据传输协议来实现各节点之间数据的可靠传输。GR-2矿井地质雷达设计了多级雪崩发射机，提高了发射机的稳定性和发射功率，设计的发射机瞬间发射电压可达700V；开发了延长二次重采样差分式接收机，接收机的灵敏度100μV，能接收15V以上信号而不会被高压信号击穿，从而为加大发射机的功率提供技术保证；在数据采集系统方面，利用步进延迟和等效采样技术实现地质雷达数据高速采集。课题组应用上述装备开展了矿井探测技术与方法试验研究，通过试验完善装备技术，初步建立了矿井复杂地质构造精细探测技术，并获国家发明专利4项，实用新型专利1项，国家软件版权2项。目前正在申请的专利有2项。 总之，各位报告人在报告中介绍了中评估以来各课题取得的部分成果，其中，有的优秀成果正在申报煤炭行业的科技进步特、一等奖；特别令人鼓舞的是，针对中评估中专家提出的意见，许多课题结合自己前一阶段的研究工作实际，进行了深入的思考，并在后续的研究工作中得到体现，取得了可喜的进展。与会的专家和首席科学家，对各课题取得的成果和本次交流研讨会上的报告，都给予了积极的评价。 学术报告结束后，虎维岳首席作了总结讲话。他首先通报了项目中期评估工作的情况，并做了简要总结。他指出，深部煤炭资源973项目中评估总体评价是好的，专家和科技部主管部门领导都对项目前两年的工作给予了充分肯定。但也提出了几个问题1）个别课题的研究工作在一定程度上偏离了项目的总体目标；2）部分研究工作在不同课题之间存在交叉和重复，部分研究工作与其他研究项目存在交叉；3）要加强对相关领域研究成果的利用和借鉴；4）在重点研究区的选择上要更加集中。为此，根据专家意见，对有些课题的研究内容和目标作了调整。他特别强调指出，今后3年是项目攻坚阶段、出成果的阶段，任务十分繁重，希望大家本着对国家高度负责的态度，通过努力拿出高水平的成果。对于项目后3年的研究工作，虎首席提出了4点要求1）为了确保完成项目研究工作的总体目标，各个课题之间要密切合作，加强交流，特别是课题1和和课题2之间，课题7、8、9之间，课题10和课题3、4、5、6之间要加强合作，加强资料共享。2）项目研究工作目前进入关键阶段，各课题要抓紧各项工作，对已经取得的研究成果要及时总结和发布（包括发明、专利、论文、著作、科研成果申报等）。3）各课题的主要研究工作成果及研究工作动态要及时通报项目办公室，由项目办公室及时在项目网站公布并向科技部项目跟踪专家和相关管理部门汇报，使管理部门与专家及时掌握项目动态、项目研究人员共享项目成果和资料。4）高度重视项目主要研究成果和技术资料的保密工作，加强知识产权保护意识。虎首席还对各课题预期提交的最终成果及提供的形式作了具体布置。 最后，项目跟踪专家罗治斌教授讲了话。他说，听了多位专家的学术报告，觉得成果很丰富、每个成果水平都比较高，相信以此为素材会取得创新性的成果，让我们对项目后3年取得优秀成果很有信心。针对目前项目存在的问题，他建议1）项目要突出重点，提高集中度，每个课题都要集中到深部；2）由首席带领各课题组长到典型矿区如徐州、开滦、沁水盆地等地去与现场单位交流，希望达成合作协调，把依托单位落到实处；3）要加强课题管理工作，各课题内部及课题之间一定要做好协调、交流工作，项目办公室应对此进行考核。 会后，与会专家参观了河南理工大学的地质博物馆和实验室。 8月29日，参加学术研讨会的大部分专家赴云台山世界地质公园进行了地质考察。 与会专家普遍认为，本次学术研讨会开得很成功，充分展示了深部煤炭资源973项目取得的成果。承办单位河南理工大学对本次会议非常重视，为会议的成功召开做了大量周密、细致的工作，提供了良好的条件。为此，对河南理工大学和课题四的全体同仁表示衷心感谢。 8