“卓越科学家”专题丨王佟教授级高工：矿山地质层改性的理论架构、关键技术与工程应用

创新点

（1）从地壳浅部空间系统观的角度入手，提出了矿山地质层改性的概念，拟定了理论架构和研究内容，阐述了工程技术和应用发展方向，其核心是通过人工措施实现不良负向地质属性的正向改性，再造一个能够满足资源勘查、安全开采和生态保护预设目标的地质体，形成新的地质环境。

（2）建立了资源地质层（体）、安全地质层（体）和生态地质层（体）3类地质层剖面与结构，将安全地质层（体）和生态地质层提升到与资源地质层（体）并重的勘查对象，丰富和发展了煤炭地质勘查理论。

（3）建立了基于地质属性差异的矿山地质层（体）精细识勘查和精准改良技术，包括“地质研究+物探+钻探+模拟+监测”五位一体的矿山地质层（体）的识别技术以及“仿生改良与近似修复”的矿山地质层（体）的改性技术。

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矿山地质层改性的理论架构、关键技术与工程应用

作者：王佟¹, 韩效忠², 吴兆剑³, 赵欣⁴, 曹安业⁵, 张彪⁶, 程彦¹, 李聪聪^7,8, 孙鹏杰⁶, 王伟超⁹, 宁建鸿²

单位：1. 中国煤炭地质总局；2. 中煤地质集团有限公司；3. 中广核铀业发展有限公司；4. 中国煤炭地质总局勘查研究总院；5. 中国矿业大学矿业工程学院；6. 北京大地高科地质勘查有限公司；7. 西安科技大学地质与环境学院；8. 中国煤炭地质总局航测遥感局；9. 中国煤炭地质总局青海煤炭地质局

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

随着煤炭工业的技术创新和转型升级，现有的资源勘查精度和对地质条件的认知程度已难以满足日益大规模增长的煤矿开采强度和开采规模需求；以往基于地下静态地质条件变化研究评价的地质勘查工作已无法有效解决高强度开采导致的水害、瓦斯、火灾、顶板、冲击地压等隐蔽灾害，以及土地破坏、水土流失、生物多样性破坏、地面沉降、固废污染、土壤质量降低等生态环境问题。受煤炭工业高质量发展内在需求的驱动，煤炭地质勘查工作被赋予了新的内涵，煤矿开采地质保障技术得到迅速发展。

在煤炭资源综合利用方面，围绕煤基固废处理、瓦斯抽采、矿井水综合利用及煤系共伴生矿产勘查开发等方向，开展了煤矸石绿色充填、注浆改性等资源综合利用、煤层压裂增透、超高压水力割缝、高矿化度矿井水处理等一系列研究。在煤矿安全开采方面，聚焦矿山压力与岩层控制、煤矿开采地质保障、水质评价与水害防治、矿井瓦斯防治与动态评价等方向，形成了冲击地压机理与控制、顶底板水害防治、煤层防突模式等地质保障技术。在煤炭绿色开发方面，立足生态脆弱区保水采煤、矿井灾害精细预测、生态减损和修复、煤炭清洁利用等方向，创建了煤炭绿色开发地质保障理论和技术；在矿山生态修复方面，研究形成地形地貌修复、地表水系重塑、土壤层重构以及“空天地时”一体化监测技术，提出了生态地质层理论。

上述相关研究有力推进了煤炭工业可持续发展，但面对我国能源产业绿色低碳转型新需求，煤炭地质工作应进一步加强如下研究：①加强地壳浅层空间系统观的应用，充分认识矿山开采地质条件变化的复杂性和复合性，力求解决旧问题的同时，不产生新的问题；②加强系统全面的煤炭地质勘查理论框架构建，深刻理解矿山资源综合利用、安全开采、生态破坏等问题的本质是矿山地质层(体)优良地质属性先天不足或后天被破坏；③加强矿山地质属性及制约其变化的物质场、应力场、流体场等多场叠加耦合机制的研究，精准刻画和改造影响资源精准开采和生态环境变化的矿山地质层(体)。

为此，笔者系统分析总结前人研究成果，着眼地壳浅层空间系统，提出矿山地质层(体)改性的概念和科学内涵，建立矿山地质层(体)理论和地质改性技术体系，划分出资源、安全、生态3种类型矿山地质层(体)，论述地质层改性技术及其在资源综合利用、矿山安全开采、生态绿色矿山建设等方面的工程应用和改性措施，为矿山开发地质保障工作提供新的思路和方法。

摘要

ABSTRACT

新时代煤炭工业高质量发展对煤炭地质勘查工作提出了新要求，以资源勘查为主的传统地质勘查理论与技术方法需进一步优化、创新与发展，以适应矿山绿色勘查、高效安全智能化开采及生态环境友好绿色开发的新需求。研究指出，矿山开发过程中的资源、安全和生态问题归根结底是地质问题，与岩层等地质层(体)的地质属性密切相关，通过人工措施实现地质属性的定向改造已成为地质勘查工作的又一新内容，可有效提升矿山地质保障能力。据此，从地质条件变化研究入手，提出矿山地质层改性的概念，从理论架构、研究内容、工程技术应用和发展方向等方面尝试建立矿山地质层改性理论和技术体系。地质层改性的科学内涵是在不改变地壳浅层空间系统稳定性的前提下实现区域局部或部分岩层地质属性的正向改良，科学问题是先天条件和采动影响下地质层(体)地质属性的制约机制，核心技术是基于地质属性差异的矿山地质层(体)的精细识别和精准改良技术，技术目标是实现地质层(体)由不利于开发的负向属性向符合预设条件的正向属性转化，以改良制约资源综合利用的不良资源地质属性，弱化采动引发的冲击地压、水害、瓦斯突出等有害安全地质属性，消减地表沉降、地形地貌破坏、水系断流、矿井水污染等失衡生态地质属性，为矿山资源综合利用、煤炭安全开发以及生态环境友好提供地质保障。矿山地质层改性理论将地壳浅层空间地质层(体)系统的观念贯穿整个改性过程，突出场效应和多场叠加制约下的地质属性及演变规律的重要性，强调基于自然优良属性的仿生改良和近似恢复重构等改性技术的系统性，从源头保障地壳浅层空间系统的整体稳定性，一体化推进资源、安全和生态地质属性的系统改性，为矿山绿色安全高效生产地质保障提供全新的理论和技术支撑。

部分图表

图 1 矿山地壳浅部资源、安全、生态三类地质层(体)及其空间结构关系

图 2 矿山典型多场叠加效应示意

图 3 地质条件改性理论架构

图 4 矿山地质层(体)改性技术

图 5 构造碎软煤层的地质改性

图 6 坚硬富水难垮落顶板地质改性示意

图 7 永城某矿L10层灰岩注浆改性示意

图 8 木里露天煤矿生态地质层(体)地质改性

作者简介

王佟，男，1959年5月17日出生，甘肃省会宁县人，教授级高工，博士，中国煤炭地质总局一级首席专家，国务院政府特殊津贴专家。获“李四光地质科学奖”和“孙越崎能源大奖”。中国地质学会会士，自然资源部煤炭与煤层气地质科技创新团队首席，中国煤炭工业技术委员会专家委员会资源勘查与地质保障委员会主任委员。2017、2019年、2021年分别入选中国工程院院士增选有效候选人。

研究方向

煤炭地质与勘查技术

主要成果

长期从事煤炭地质野外勘查工程与理论技术研究工作。研究了我国中东部复杂地区找煤与勘查、西部生态脆弱地区煤与煤系资源和生态环境协同勘查的技术难题。主持了祁连山木里矿区我国首个高原高寒缺氧煤矿区超难生态治理工程技术工作，取得了创新性成果。推动了我国煤炭地质勘查从“煤炭资源勘查”到“煤与煤系多资源协同勘查”到“煤炭生态地质勘查”的新发展阶段，提升了行业科学技术水平，为国家能源安全和矿山生态环境保护做出了贡献。获国家科技进步二等奖3项，省部级科学技术一等奖15项。发表论文100多篇，专著7部。b

来源：

王佟，韩效忠，吴兆剑，等. 矿山地质层改性的理论架构、关键技术与工程应用[J]. 煤炭学报，2025，50(1)：491−505.
WANG Tong，HAN Xiaozhong，WU Zhaojian，et al. Theoretical framework, key technologies and engineering applications of geological layer modification in mining[J]. Journal of China Coal Society，2025，50(1)：491−505.

策划丨韩晋平

责编丨黄小雨

编辑丨李莎

审核丨郭晓炜

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