近日，受《煤田地质与勘探》邀约，中煤科工西安研究院贾建称研究员团队撰文《煤炭地质学“十三五”主要进展及展望》。从应用基础研究、矿井地质保障技术以及煤岩测试自动化三个方面，详细论述了我国煤炭地质学“十三五”期间取得的主要成就。
“十三五”期间，煤炭地质学科积极顺应中国经济新常态下新的发展理念，深度融合现代地球科学理论、方法与新一代信息技术，围绕建设“集约、安全、高效、绿色”的现代煤炭工业体系愿景，聚焦为煤系矿产资源安全绿色智能化开发和清洁高效集约化利用提供理论和方法的目标，进行资源一体化勘查与综合评价、开发地质条件精细探测、隐蔽致灾因素超前探查与治理的基础理论与技术创新，涌现出一批具有国际影响力的高水平研究成果。
1.应用基础研究
1.1 陆相断陷盆地聚煤作用的层序地层控制模式
陆相盆地活动性强，尤其是断陷盆地基底稳定性差，沉积中心迁移频繁，造成沉积相带窄、变化快、组合关系复杂，聚煤作用强度和煤层分布受盆地类型、覆水状况和沉积体系域控制。王东东等[20]、史鸣剑等[21]、郭彪等[22]认为，断陷盆地湖泊扩张体系域早期和晚期的聚煤环境优越，尤其是最大湖泛面到高水位体系域稳定加积期聚集的泥炭分布广、厚度最大、连续性好，并且具有穿时性；低水位体系域和高位体系域末端的聚煤环境较差；基底多幕式构造运动是造成断陷盆地泥炭堆积模式与K. Bohacs等[23]模型有较大差异的根本原因。这为陆相断陷盆地煤炭资源预测和煤系矿产勘探提供了理论依据。
1.2 煤系页岩气储层评价方法
我国埋深3 000 m以浅的煤系页岩气资源量(除东北地区)为32万亿m3，占页岩气地质资源量的30%[24]，主要集中在鄂尔多斯、塔里木、四川和南华北盆地[25-26]。与海相页岩相比，煤系泥页岩具有单层厚度小、总厚度大；总有机碳含量高(0.5%~30.0%)，吸附能力强；有机质成熟度低(R介于0.5%~3.5%，平均1.75%)，以腐殖型干酪根为主；黏土矿物以伊利石、伊–蒙混层为主，含量较高；石英、长石等脆性矿物含量较低(40%以下)；孔隙率较高，纳米级孔隙发育，微孔和介孔对孔容和比表面积的贡献突出[25,27-29]等特点，因此，煤系页岩气储层评价的内容和方法与海相页岩气的应不同。傅雪海等[30]以生烃条件(总有机碳含量、有机质成熟度)和储层条件(厚度、埋深、气含量及脆性矿物含量)为评价指标，将山西省石炭–二叠纪煤系泥页岩划分为组合有利储层、组合较有利储层和组合不利储层。Peng Yanxia等[31]给出了煤系页岩气有利区和目标区评价的有机质热成熟度、生油门限、S1+S2单位气态烃产量、总有机碳含量的下限值。
1.3 煤系气及共伴生矿产资源协同勘查和一体化开发理论
煤系是多种矿产资源的载体，除与煤在成因上共生的煤层气，锗、镓、锂、铝、铁矿等金属矿床，高岭土、伊利石、隐晶质石墨等非金属矿床外，还伴生有煤系页岩气、致密砂岩气、油页岩、耐火黏土、硅藻土、膨润土，以及砂岩型铀矿、油气、化工矿产等。在特定情况下，煤系中共伴生矿产的实际价值甚至超过煤炭本身。继曹代勇等[32]提出煤系矿产资源分类后，李增学等[33]根据煤系矿产资源的“四位(固态、液态、气态和分散元素)一体(煤系载体)”赋存特征，提出煤系多形态矿产资源双协同勘查的基本思路、原则和理论体系，构建了煤系矿产资源协同勘查系统、勘查模式及实施方案。易同生等[34]将南方晚二叠世煤系气藏划分为源储一体型、源储紧邻型、下生上储型，指出不同组合类型气藏的最有利勘探层位和勘探区块。宁树正等[35]建立了煤系矿产资源一体化勘查与综合评价技术体系。
另外，一些学者开展了煤系气合采可行性和前沿技术探索。秦勇等[36]分析了滇东–黔西地区煤层群赋存条件下合采地质条件特点，提出了合采兼容性的跨度阈值及合采产层组分层均衡压裂改造的设计思路。张晧等[37]比较研究了叠置型煤系气田中不同压力体系下的合采地质条件及不同储层的产气特征，将煤系气合采工艺分为同压力体系合采、分压力体系合采及负压体系合采，认为同压力体系合采受压力系统影响而限制较大，分压力体系合采在合理构建井下空间前提下可满足任意情况下的煤系气合采作业，负压合采只适用于高产气低产水的条件。张芬娜等[38]建立了上部为煤层、下部为高压产气层条件下高效抽采煤系气的双管柱尺寸选取模型。秦勇等[39]将煤系气合层开采工艺归纳为分排、先分后合和合排三类基本模式，分析不同模式的适用性和局限性，为山西、川南、滇东等地煤系气资源合采提供了理论支持。
1.4 煤炭清洁高效利用机理研究
低碳经济和严格的环保政策推动煤的清洁利用研究，煤炭液化、气化、焦化成为煤化工工艺学和煤化学研究的热点和重点。吴浩等[40]揭示了低阶煤粒度、低温热解温度、升温速率、保温时间对半焦燃烧特性的影响规律与热解反应动力学机理，认为500℃时半焦的燃烧性能最好，为蒙陕地区低阶煤用作高炉喷吹煤提供了理论支撑。Chen Jingwei等[41]认为煤炭地下超临界水气化的能耗和能效要比联合循环气化系统的高，污染物排放少，工业化前景广阔。2016年启动的国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项，从分子水平揭示了煤经合成气直接制低碳烯烃等高值化学品的催化机理与定向调控方法[42-43]，燃煤过程中砷、硒、铅等重金属的形态转化和迁移释放机理[44]，煤层底板灰分中碱性金属在生物气化中的复合催化作用机理[45-46]，燃煤有机污染物的生成机理及排放特性[47]等，形成了煤制油气用煤资源地质调查、采样测试与煤岩煤质相结合的工作方法，厘定并建立了液化、气化用煤的煤质指标与评价新方法，编制了全国煤制油气用煤资源分布图。煤和污泥等掺混后的燃料性能、结焦和结渣特性的试验研究[48]，为电厂和城市污泥环保处理提供了新途径。
1.5 煤层气储层评价与有利区预测
经过近30年的地面勘探与开发试验，我国煤层气资源家底已经清楚，但越来越多的开发工程表明，煤层气富集区并不一定是高产区，因此，煤层气开发工程与地质条件的适应性研究备受重视。王镜惠等[49]统计分析了沁水盆地南部煤层气井日产气量与储层含气性指数、煤层甲烷解吸效率指数、气水产出效率指数的关系，给出了高阶煤煤层气区单井产量800 m3/d和1 500 m3/d的煤储层产气能力指数阈值。部分学者[36,50]认识到压裂渗透率与煤层原始渗透率之间没有必然联系，强调煤体结构在储层压裂改造效果中的重要性。胡秋嘉等[51]、贾慧敏等[52]用流压回升伤害指数来表征井底流压回升对储层的伤害程度，认为凡尔漏失和气锁导致的抽油机系统排水效率降低是流压回升的主要原因，提出液压冲洗清除煤粉来防治固定凡尔漏失、机械振动清除煤粉来防治游动凡尔漏失、恒沉没工艺与气井间间断抽水工艺防气锁的方法。
作为一种边际资源，煤层气开发受市场经济条件约束。刘键烨等[53]以净现值为评价指标，建立了低油价背景下以盈利能力为导向的煤层气区块优选方法。
1.6 煤矿水害类型及煤层顶板复合含水层水患机理
随着煤炭开发重心向西部深埋矿区和东部老矿区深部延伸，水患成为威胁煤矿安全生产的主要类型。“一矿一策、一面一策”体现了我国煤矿水文地质条件复杂多变，“源头预防、区域治理、井上下联合治理”显示水患精准治理理念的重大转变。吕广罗等[54]研究大埋深巨厚煤层综放工作面顶板离层水涌突特征与机理，形成以地面直通式导流泄水孔与井下探放水孔相结合的疏放手段，以控制采高、推进速度、强化疏排为主的离层水综合防治技术体系，建立以监测孔水位+覆岩破断距+工作面来压+支架异常状态+围岩异常+瓦斯释放速率突增为核心指标的离层水涌突联合预测预报系统。陈红影[55]将全国矿井水害事故划分为7大类22亚类48细类，提出了不同类型水害危险性评价的关键因素。杨飞[56]将山西省较大以上采空突水事故划分为4亚类8细类，模拟研究了不同类型采空突水事故的发展规律和致灾机理，建立了老空水害成灾模式。
沉积控水理论持续深化，汪洋等[57]在剖析深埋侏罗纪煤层上覆含(隔)水层时空结构与富水性分区的基础上，采用沉积环境影响指数、砂岩厚度、导水裂隙带发育高度等6个评价指标，建立矿井涌(突)水风险评价方法，提出“上行开采低位截流”“工作面单侧截流” “工作面双侧截流”与“工作面方向调整截流”的顶板水源头治理模式。
2 矿井地质保障技术
煤矿6种灾害都与开采地质条件密切相关。煤矿现代化水平越高，矿井生产建设对地质条件的依赖程度就越强，煤炭精准智能开采对矿井地质条件的查明程度提出了新的更高要求。自20世纪90年代初国内学者提出煤矿安全高效生产地质保障系统概念以来，地质保障技术和手段日益先进，可靠程度愈来愈高。
2.1 定向钻进技术
钻探既是煤炭资源勘查的主要方法，也是查证煤矿隐蔽致灾因素、防治各类地质灾害的主要手段。地面大直径钻探技术、绳索取心定向钻进技术发展迅速，空气洗井技术、增阻堵漏技术、无机胶凝注浆固化技术、套管隔离技术等广泛应用于不同地质结构钻进情况下的洗井和防漏中，普通回转钻机离线式随钻同步抗磁测斜系统为瓦斯抽采钻孔、探放水钻孔的施工提供了技术支持，多矢量传感器组合校正方法为测量单元所有线性时不变误差的精准校正提供了保障，孔底单弯螺杆钻具力学模型和三维钻速方程为水平定向钻孔轨迹自动跟踪设计轨迹提供了理论依据[58-59]。中煤科工集团西安研究院有限公司研发的孔底螺杆马达定子旋转稳斜导向系统、小型化防爆型泥浆脉冲无线随钻测量系统、电磁波无线随钻测量系统和随钻测量地质导向系统，以及PDC定向钻进钻头与扩孔钻头等配套钻具、套铣打捞技术等，为复合定向钻进中钻孔轨迹精准控制提供了支撑，高韧性高强度外平钻杆、单弯螺杆马达满足了远距离定向钻进动力传递及泥浆脉冲信号稳定传输与排渣需求，ZDY12000LD、ZDY15000LD等大功率定向钻机扭矩和给进起拔力大、钻进及处理孔内事故能力强、工艺适应性广[60-62]。由此形成的煤矿井下近水平复合定向钻进成套技术与装备在神东煤炭集团有限公司保德煤矿先后创造了顺中硬(坚固性系数f>1.5)低透气性煤层定向钻进主孔深度2 311、2 570、3 353 m，总进尺3 094、3 164、4 428 m的瓦斯抽采钻孔的孔深纪录。
高位大直径长距离定向钻进是软煤(0.8＜f≤1.5)矿井采空区和工作面上隅角瓦斯抽采的有效技术。回转钻进二次成孔技术、滑动定向钻进技术(上升段)、旋转保直定向钻进技术(水平段)、扭转冲击钻进技术，以及大转矩高起拔力定向钻机配套的冲击螺杆马达、大扭矩螺杆马达、高压潜孔锤和高强度钻杆等，应用于黔西北、淮南、平顶山、焦作、晋城、高平、潞安、阳泉、鸡西、铁法等矿区，以及澳大利亚等一些高突矿井瓦斯抽采中，解决了沿采动裂隙带钻进难、成孔难、轨迹控制难、瓦斯抽采能力不足等难题，最大成孔深度1 026 m[63-66]。将“定向先导孔+正向分级扩孔+大孔开分支”工艺应用于山西高平矿区赵庄矿井1309工作面瓦斯抽采中，单孔最高抽采量达3.3万m3/d、单个钻场最高抽采量5万m3/d[67]。这与高抽巷瓦斯抽采能力相当，证明以孔代巷高效抽采瓦斯具有显著的技术经济效益。
针对沿极软(f≤0.8)低渗煤层钻进容易发生喷孔、塌孔、卡钻、掉钻、埋钻等事故，成孔率和事故处理成功率低、轨迹控制难而遗留瓦斯抽采盲区和空白带的难题，研发了空气复合定向钻进技术、主孔探顶和侧钻开分支孔技术、中风压空气/氮气复合冲孔强排渣钻进技术，配套矿用有线地质导向随钻测量装置、空气螺杆马达、异形定向钻具、矿用空压机、孔口除尘器、空气流量与压力监控系统等，在贵州黔西青龙煤矿突出煤层(f=0.37)中，施工完成253个顺煤层压风定向钻孔，95%钻孔达到设计孔深，单孔最大成孔深度385 m，累计进尺超过3万m，单孔瓦斯抽采纯量是普通回转钻孔的10倍以上[68]，实现了极软煤层定向钻进成孔深度和瓦斯抽采效果的重大突破。
同时，将定向钻进技术应用到碎软煤层顶板水平井、煤层顶/底板小曲率梳状钻孔瓦斯抽采工程中，采用泥浆护壁、清水钻进、螺旋钻杆+泥浆脉冲无线随钻测量复合定向钻进等技术，实施“沿顶/底板主孔钻进、分支孔导通煤层”工艺，在阳泉、韩城、黔西、高平等矿区和淮南顾桥矿的长距离定向钻进抽采瓦斯(煤层气)工程中，成孔率、钻孔速度、瓦斯抽采效率、经济效益比顺煤层的有大幅度提高，为高突矿井瓦斯治理提供了方案[69-72]。
另外，定向钻进技术广泛应用于超前弱化坚硬煤层和预裂复杂坚硬顶板中，卸压效果良好[73-75]。防治水方面，黄河北煤田邱集煤矿采用定向钻进注浆技术和井上下水文观测孔水压实时监控技术，在11煤层顶板施工梅花式和穿层式钻孔，6个主孔和25个分支孔总进尺12 011 m，累计注浆104 880 t，实现了对含水层裂隙及隐蔽导水通道的精准封堵，解放了6 000万t煤炭资源[76]。刘林[77]将定向钻进注浆加固煤层底板、构筑关键隔水层防断层活化、封闭不良钻孔再注浆封孔等技术应用于永夏矿区新桥煤矿隐蔽水害防治中，保证了南一采区安全回采。
2.2 地面三维地震勘探技术
三维地震勘探从仪器、设备到数据采集、处理与解释技术实现了全数字化和可视化。高密度全数字三维地震勘探不仅能够较精准地控制小型断层、褶皱、裂隙、煤层赋存状态、地层分界面、巷道位置，还通过增加空间采样率、减小面元尺度、拓宽方位角、增加覆盖次数，应用“人工智能蚂蚁追踪方法”降噪和叠前时间偏移技术，获得“高分辨率、高信噪比、高保真度”的三维数据体，再融合地质知识和地震属性自动提取技术、标准化处理技术及人工网络转化，实现对煤层厚度、采空区、下组煤、陷落柱、活断层的精准探测[78-80]。利用多源异构信息融合与反演技术，建立煤层含气量与波阻抗、声波时差之间的相关性，进而预测煤层气富集区，拓展了地震勘探成果的应用范围[81]。
2.3 矿井物探技术
槽波地震勘探主要进展体现在对煤层断层、煤层厚度、夹矸分布形态的探测上。Guo Changfang等[82]提出的遗传算法(GA)–同步迭代重构算法(SIRT)，廉洁等[83]提出的透射波速与煤层厚度关系式，将槽波勘探对煤层厚度预测的准确率提高到86%以上。蒋锦朋[84]将三维弹性波全波形反演方法引入槽波模型构建中，较精确地刻画了煤层中断层、夹矸、陷落柱等地质异常体。王增玉等[85]根据含夹矸煤层Love型槽波频散曲线特性和煤层PP波与PS波反射系数关系定量预测煤层夹矸厚度及位置。目前，反射槽波在探测采空区、煤层冲刷带及断层等地质异常的距离为煤层厚度的100倍，精度达90%以上；透射波法探测煤层厚度变化、断层与夹矸、陷落柱、废弃巷道等距离为煤层厚度的300倍。槽波与钻探、巷探及与其他物探技术结合，为超长工作面内地质异常体精准探查提供了技术支持。
将智能化芯片、人工智能算法等应用于瞬变电磁勘探中，使得矿井富水区预测、陷落柱采空积水区位置和范围的精准探测更加准确。邱长凯[86]使用非结构四面体网格刻画任意复杂的地电模型、矢量有限元求解主动源4种偶极子场源频率域或时间域后认为，基于总场的有限元离散算法准确度高、可靠性和通用性好，开发的代数多重网格预条件迭代求解器为电磁法勘探中大规模三维频率域电磁正反演模拟提供了处理工具。
第二代曲波变换技术广泛应用于露天煤矿边坡和地质灾害勘察中，提高了原始地质雷达信号中有效波的识别能力，为地质异常精细解释提供了方法[87-88]。矿井音频电透视技术与高密度电测深法组合，实现了对工作面内部隐伏陷落柱的综合探测[89]。孔中物探、孔间物探、孔–巷物探、巷间物探成为地质异常超前精细探测的主要方式，井上下结合、物探与钻探、物探与巷探、多种物探方法的综合探测为巷道安全掘进和工作面顺利回采提供了可靠的地质保障。
2.4 碎软煤层区煤层气(瓦斯)水平井分段压裂高效抽采核心技术
水平井分段压裂是针对致密低渗油气储层提出的人工强化改造增产技术措施，2013年引入大宁–吉县区块本煤层地面煤层气开发试验中，在中硬煤层区取得单井产量12 000 m3/d的佳绩[90]。碎软低渗煤层是由煤体结构与力学性质不同的多个煤分层组成，碎软或软硬叠合，各向异性显著，顺煤层施工水平井和分段压裂效果不佳。张群等[91]阐明了顶板岩层较脆性、碎软煤层相对塑性条件下，沿煤层顶板施工水平井和垂直煤层分段射孔与水力压裂时裂缝向煤层扩展机理，认为这种模式产生的压裂缝长度是碎软煤层中直接压裂的缝长的6.7倍。许耀波等[92]认为在软/硬煤复合煤层中，沿局部硬煤段不固井施工水平井分段射孔压裂能够形成复杂不规则的垂直裂缝，并扩展进入软煤分层中；将水平井分段压裂4个关键工艺应用于赵庄井田硬煤分层的煤层气开发中，单井产能达4 700 m3/d，是直井平均产能的15~20倍；将煤层顶板水平井分段压裂技术应用于赵庄井田碎软煤层区地面煤层气开发中，实现了单井产能6 400 m3/d、最高9 325 m3/d的佳绩。同时将其应用到黔北、黔西、阳泉、韩城等碎软低渗煤矿区井下瓦斯预抽中，大幅度提高了瓦斯抽采率和百米钻孔瓦斯抽采量[70-71,93]。
2.5 工作面三维地质模型
煤矿安全、智能开采迫切需要实现工作面开采地质条件和隐蔽致灾因素的透明化，以增强采掘设备全面自主地感知煤岩界面，提高智能分析与决策、自动精准控制与高效采煤能力。为此，依托现代信息技术和时态地理信息系统，融合煤炭地质勘查、地面三维地震勘探、井下钻探、矿井物探、随采地震勘探，利用采煤机截割信号、煤/岩电磁特性等多源异构地质信息，构建工作面三维地质模型，以实现工作面内部煤层厚度、煤体结构、地质构造、煤/岩界面等开采地质条件，以及富水区、瓦斯异常区等隐蔽致灾因素的精确定位与可视化和透明化。程建远等[94-96]、王峰[97]将工作面地质透明化建设视为一个不断逼近的动态过程，提出利用工作面“静态地质数据”和“动态地质数据”梯级构建三维地质模型的思路和关键技术，为采煤机自动截割提供了地质保障。
3 煤岩测试自动化
随着光学显微镜、显微数码相机和图像控制与处理技术的发展，镜质体反射率测试与煤岩显微组分精准识别进入图像分析阶段。王慧采用曲波变换对煤岩显微图像中各惰质组分组的形态学或几何学参数进行纹理结构差异分析，实现了基于压缩感知的惰质组分的自动分类。赵俊国[99]发明了通过摄像机自动聚焦识别粉煤光片图像灰度值来判识煤岩组分的自动化检测及控制技术。宋孝忠等针对壳质组与黏结剂间灰度重叠区的有效分割、显微组分组图像自动识别中的关键技术难题，以Leica DM 2500P型偏反光显微镜和具有数字图像采集功能的工业相机为基础，研发出具有自动扫描和聚焦驱动控制装置的煤岩显微图像采集系统，开发出粉煤光片中煤岩显微组分组图像的去噪预处理和自动分割与识别技术，形成了GKMC烟煤显微组分组图像法自动测定技术及装备系统，为煤岩显微组分组精准高效测定提供了技术与检测平台。
