中国工程院院士王双明:揭示鄂尔多斯盆地聚煤规律新概念

时间:2019-06-03 15:19:29          访问次数:0

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院士(右一)与外方合作开展煤层气勘查研究

本网 王成祥独家报道 中国工程院院士王双明为煤炭地质勘探工作做出了卓越贡献,是我国煤炭地质与勘查领域具有重要学术影响的专家。他涉及勘探研究、总结煤田地质领域40年来,创造了诸多理论成果,具有原创性,前瞻性和引领性。尤其是在鄂尔多斯盆地煤炭普查、勘探与设计、防治煤炭开采对地下水和地面环境破坏等领域取得了多项在国内、国际具有重要影响力的原创性研究成果,为神府煤田安全高效开发建设,提高了详实科学的第一手资料。

1 首次发现盆地煤炭分布具有环带状聚煤规律

1985-1994年,国家煤炭结构调整向西北转移,改革开放急需要煤炭的节点上,通过国内外大量数据研究,得出了面积为37万平方公里的鄂尔多斯盆地煤炭资源的分布特征,首次发现盆地煤炭分布具有环带状聚煤规律的重大结论,同时,提出了转换成煤新观点;确定了煤炭资源的地质储量,为国家建设大型煤炭基地提供了科学依据。新华社、人民日报分别在有关能源和燃料的报道中,重点报道了王双明这一科研成果重大意义。揭示世界罕见大煤田的分布特征的研究走出了一条把握地质形成的走向规律,从传统的打钻勘探普查到点面分析再到工业设计“一条龙”的研究路线。王双明的这种研究思维和实践在世界煤炭勘探范围都是少见的。

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院士组织实施的我国第一口煤层气井在韩城矿区竣工

1980年后期,国家经济建设急需要煤炭,而煤炭生产量的缺口非常大,再加上我国东部煤炭基地资源开采到了枯竭期,现有的生产能力,满足不了经济发展对煤炭的需求量。在这种情况下,国家出台煤炭工业发展西北转移的战略性结构调整,桥头堡是开发鄂尔多斯盆地---神府井田。

王双明院士作为专家组成员参加陈家山11.28矿难救援.jpg

院士(右二)作为专家组成员参加陈家山11.28矿难救援

鄂尔多斯盆地,北起阴山、大青山,南抵秦岭,西至贺兰山、六盘山,东达吕梁山、太行山,总面积37万平方公里。而当时只知道鄂尔多斯盆地储存大量的煤,至于有多少煤,储量分布状况,开采程度如何,没有科学详实的地质资料下结论。

此时,王双明带领他的煤田地质队,承担煤炭战略西移鄂尔多斯盆地勘探的艰巨任务,他们挺进环境恶劣的毛乌素沙漠,餐露宿,克服重重困难,历时9年,给鄂尔多斯盆地做了一个全方位的CT检查,取得了突破性的科研成果。

1.1揭示了全盆地煤炭资源总体分布规律

研究利用1456个钻孔及102处实测剖面资料,发现了鄂尔多斯盆地3种物性标志,揭示了由沉积-构造作用形成的垂直层序,破解了陆相地层岩性变化大难以对比的地质难题;建立了含煤地层综合层序,确定了主要煤层的层位和分布范围。石炭二叠纪煤层北厚南薄,青铜峡-靖边-吴堡以北厚度大于10m,平凉-庆阳-铜川以南缺失。三叠纪仅在延安-子长一带形成2-3m厚的可采煤层。侏罗纪煤层大于5m的区域为一向东南开口的环带状,其上叠加多处厚度20m以上的富煤区。

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院士(左三)陪同谢克昌院士在陕北考察

王双明将上述特征与盆地演化过程进行综合分析,发现了聚煤规律:晚古生代为陆表海盆地,聚煤区平行海岸分布,自北向南迁移;三叠纪为大型湖泊,聚煤区与三角州分布范围一致;侏罗纪为大型内陆湖盆,聚煤区围绕盆地中心无煤区呈环带状分布,汝箕沟、大同、宁武、义马煤田均是该环带的组成部分。同时,他提出了大地构造背景转换过程控制聚煤期,沉积体系转换部位控制聚煤区的学术思想,为战略性找煤提供了理论依据。

1.2查明了全盆地煤炭资源总量

以聚煤规律为基础,以3509个钻孔为依据,划分4种类型39个含煤单元,查明鄂尔多斯盆地2000 m以浅煤炭资源总量为19765亿t ,1000m以浅为6561亿t,按目前的开采和用煤规模,可供全国使用80年以上。

在陕北煤炭基地与钻机工人在一起.jpg

院士(右五)在陕北煤炭基地与钻机工人在一起

1.3 创立了煤炭资源评价指标体系和递阶层次评价模型

根据创立的煤炭资源评价指标体系和递阶层次评价模型,确定了适合优先开发的区域。到2014年,优先开发区内已设立25个国家规划矿区,6处大型煤炭基地,原煤产量已占全国1/3。研究成果荣获1997年国家科技进步二等奖(排名第1),截止2015年2月,成果被引用503次,两篇论文在国际地质大会进行交流。

2 独创煤田综合勘查技术体系

研究将地震、磁法、钻探技术有机结合,这种独创煤田综合勘查技术体系,在鄂尔多斯盆地煤田勘探中的首次应用和广泛推广,是勘探效率被常规的打眼钻探提高了上千陪,时间从3—8年缩短到10个月,摸清了大型盆地的煤炭储存和分布情况,这样技术的实验成功,破解了整个沙漠覆盖区可采煤层高效、高精度地质勘查技术难题,将煤田勘探技术由单一的钻探引领到了综合勘查新阶段,大面积推广后,为同类条件下大型煤炭基地建设和现代化矿井生产提供了地质技术支撑,至今被世界产煤国家广泛运用。

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院士(左四)在彬长矿区施工现场研究岩芯

陕北榆神矿区适合建设大型机械化矿井,地质勘查要精确控制煤层分岔、冲刷等厚度变化和自燃边界才能满足开采需求。但区内沙漠广布,修路难度大,成本高,植被损坏严重,通过加密钻孔提高精度技术、经济均不可行。王双明针对这一技术难题组织进行了多项研究和野外试验,发现煤层厚度1m左右能产生有效反射波,煤层自燃后会形成磁异常,提出了用反射地震追踪煤层厚度变化,用磁法测定煤层自燃边界,用少量钻孔精确控制煤层深度、厚度,采集测试样品的技术新思路。创立了地震、磁法、钻探优势互补的综合勘查技术体系和工程布置原则,实现了勘查技术集成创新。运用综合勘查技术,使榆神矿区勘探费用比全国平均水平降低70%,减少沙区植被损毁约100公顷,单个井田的勘探时间由2年缩短为10个月,勘探线上煤层厚度的探测密度由750m提高到5m。

王双明院士给程安东省长汇报陕北煤炭基地规划方案2001-2.jpg

院士给上级领导汇报陕北煤炭基地规划方案

煤层自燃边界的控制精度由375m提高到了25m以内,地震反演煤层厚度误差小于0.6m,控制分叉位置及冲刷范围的精度提高到了50m以内。该技术被广泛应用,产生了显著的经济社会效益(附件P109-116)。王双明因此在2006年获得陕西省科学技术一等奖(排名第1),其中,可采煤层连续性勘查技术被纳入“中国煤炭地质综合勘查关键技术与工程运用”;2010年获国家科技进步二等奖(排名第7)。

3 保护水资源与煤矿开采矛盾的课题研究

针对煤炭开采对地下水资源破坏这一不可回避的技术顽症,通过40多年大量勘探数据分析研究,摸清了生态脆弱矿区煤水空间赋存规律,掌握了地表生态系统与地下水位的依存关系,提出煤矿井下开采,把控制和保护生态水位含水层的设计列入规程中,这样解决保护水资源与煤矿开采中矛盾的研究成果,在鄂尔多斯盆地水资源非常匮乏的沙漠区的部分矿区采用,水资源由100%的破坏下降到30%,确定了煤炭高效、节能、环保开采的发展方向。

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院士(左三)在麟游北部找煤项目工地

陕北榆神府煤田,处于毛乌素沙漠腹地,生态环境非常脆弱,治沙保水的任务十分艰巨,而此地区地下水赋存结构具有供水和生态价值的含水层位于煤层之上且埋藏很浅。导致煤炭地下开采与保护水资源的矛盾非常尖锐,煤炭大规模开采以来,榆林市境内地表水体由869个减少为79个,神木县41500公顷农田变为荒地,3600多人饮水困难,矿区地质环境保护被陕西省政府列为重大问题进行研究。王双明组织开展了一系列观测和研究实验,分析了地表植被生长指标与地下水位之间的依存关系,揭示了安全生态水位为1.5-5m,发现了煤层上覆岩层是维系生态水位的重要地质条件,煤炭开采对上覆岩层的损害高度约为20-30倍采高,保护生态水位的前提是煤层上覆岩层厚度必须大于采动裂隙发育高度。基于上述发现,王双明提出了以煤水空间组合特点分区为基础,以避免煤层上覆岩层损害为途径,以控制生态水位为核心的矿区地质环境保护新理念:煤层上覆岩层厚度小于100m为隔水性损害区,必须禁止开采或充填开采;100-200m为隔水性变化区,必须限定开采高度,避免对隔水性造成损害;厚度大于200m为隔水性稳定区,鼓励大采高、大规模开采。

在陕北榆神矿区西湾勘探工地与外方合作者在一起.jpg

在陕北榆神矿区西湾勘探工地与外方合作者在一起

上述成果在陕北能源化工基地规划建设中起到了重要的基础作用(附件P123-130)。充填和分层开采的两处大型煤矿均实现了水位保护,陕北被列为国家大型煤炭示范基地,王双明也被陕西省政府聘为陕北能源化工基地建设专家咨询组专家。这项研究成果在2011年获国家科技进步二等奖(排名第1),学术论文分别获2012年度F5000和煤炭学报百篇最具影响力学术论文。

4 减少煤炭地下开采对地面的破坏影响研究

掌握了井下采煤后地质沉陷后对地面破坏规律,研究发现了植物群落和土壤因子之间的关系,揭开了如何把损害程度减少到最低点的密码,用技术的手段将地表塌陷、开裂,限制在一定的范围和时间段内,使破坏程度在一定的范围内得到自然恢复,能大幅度的减少地下开采对地面的破坏,节省了复垦费用,为国家制定煤炭开采对环境保护的相关政策提供了理论根据。

曾培炎给王双明颁奖.JPG

曾培炎给王双明院士颁奖

陕北浅埋藏厚煤层开采导致地表植被退化、枯死,农田搁荒等一系列社会问题。王双明揭示了煤炭开采对土地质条件的损害机理:采掘工程产生空间、应力场变化产生动力,煤层上覆岩层冒落、开裂和塌陷损害了维系植被群落的地质条件和地球化学环境,导致土壤质量和植物群落和生产力下降。塌陷1年表现为植被严重衰退型,塌陷2年表现为植被土壤共损型,塌陷5年为植被土壤初步改善型,塌陷10年表现为植被土壤部分因子同步恢复型,但达不到未塌陷地的生态类型。因此,减少和避免采动损害必须作为生态环境保护的主要技术途径,人工整治与生物工程原则上只能作为促进矿区植被和土壤生态系统加快恢复的补救措施。

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院士(左四)在渭北旱塬找水工地

王双明同志长期从事煤炭地质勘查的科研与实践工作,对技术精益求精,科学研究一丝不挂,富有很强的创造和创新力。他和他的科研团队在对鄂尔多斯盆地找煤、勘探和建设中的种种地质现象进行立体式解剖、分析、研究,为类似大型煤田的开采积累了经验。尤其是在聚煤规律研究、提高地质勘查效率和精度、矿区地质环境保护和矿井地质灾害防控方面取得重要成果并得到广泛应用(附件P86-142),为鄂尔多斯盆地摸清了资源家底,在煤炭开发和煤炭地质科技方面做出了突出贡献。先后获国家科技进步二等奖3项(2项排名第1,1项第7),省部级一等奖3项(均排名第1)(附件P2-7);发表学术论文30余篇,出版专著3部(。从1992年起享受国务院特贴,1998年成为国家有突出贡献专家,2005年获李四光地质科学奖。2017年11月当选中国工程院院士。

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院士(右一)在红柳林煤矿调研

我国是世界煤炭消费和煤炭储量大国,而在煤炭勘探开发领域远远落后与世界其他产煤大国,国家在“一五”期间的煤炭重点工程,勘探设计几乎都是由外国专家完成,改革开放以来,正是像王双明这样一批我国自己培养的科研技术人员,他们忘我无私,奋力拼搏,攻克了一道道技术难关,啃下了许多硬骨头,树立了中国煤炭开采的国际地位。王双明曾经带领他的科研勘探团队,用智慧、心血和汗水,攻克了赋存毛乌素大沙漠的神府煤田的储煤规律,加快了被称为世界巨能煤田的快捷、高效、安全、环保开发的开采进程,为神府煤田开发实现国内领先,超越世界一流领先水平做出了贡献。


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