煤地質學研究新進展及其前景展望Interna-tional Journal of Coal Geology 2016～2020年文獻統計*
——基于

鮑 園 孟佳豪 胡宜亮 孫 強

(①西安科技大學地質與環境學院， 西安 710054， 中國) (②西安科技大學煤炭綠色開采地質研究院， 西安 710054， 中國)

0 引 言

煤地質學是一門研究煤層、煤系及其共伴生礦產資源的物質組成、物化性質、形成演化及其分布規律的科學，它涵蓋煤田地質學、煤巖學、煤地球化學和油氣地質學等學科研究內容(曹代勇等， 2010)。煤炭作為中國最重要的能源礦產之一，在一次能源消費中占比超過55%(中華人民共和國國家統計局， 2020)，居絕對主導地位，對中國經濟發展具有至關重要的意義。隨著世界主要產煤國家對煤炭資源安全開采、潔凈利用的要求逐漸提高和煤礦開采深度的不斷增加，煤地質學的研究重點也在逐漸發生變化。煤系氣作為一種相對清潔的能源日益引起國內外學者的廣泛關注(Bao et al.，2020; 李勇等， 2020； 孫欽平等， 2021)，深部煤炭資源開發中遇到的煤礦瓦斯災害、動力地質災害及礦井水害等與煤地質學研究相關問題的重要性日益凸顯。隨著科學技術不斷的發展，涌現出了許多新的理論、分析方法和測試手段(孫琪皓等， 2019； 畢鵬程等， 2020； 姚佳明等， 2020)，同時出現的問題也越來越復雜，學科之間需要理論交叉以應對復雜的現實問題，使得煤地質學出現了新的生長點，形成了一些新的邊緣研究領域(曹代勇等， 2010； 張泓等， 2010； 王佟等， 2017)。InternationalJournalofCoalGeology是愛思唯爾(Elsevier)公司出版的、被煤地質學領域科技工作者廣泛認可的國際期刊之一，該期刊出版的文章能在一定程度上反映出國際上煤地質學近期的研究方向與熱點內容。

圖 1 第一作者所屬國家的發文數量統計結果Fig. 1 Statistical results of the papers published by the countries of the first author

宋黨育等(2016)對該期刊上2011～2015年發表的文章進行了統計分析，認為煤中礦物質、微量元素與地球化學，煤巖學和有機地球化學，石油、天然氣、頁巖氣是21世紀初煤地質學研究的主要方向，煤層氣是當時的研究熱點。但是，近5年關于煤地質學的研究熱點內容發生了怎樣變化？這方面尚缺少相關的統計分析。本文通過統計2016～2020年InternationalJournalofCoalGeology期刊上發表的784篇論文(其中有109篇是關于頁巖氣的儲層表征、富集機理、開發評價以及常規油氣等方面的研究，不屬于煤地質學研究范疇，未做統計分析)，分別從第一作者國家分布、單位分布、研究內容等方面進行發文數量變化統計分析，重點探討了近5年關于煤地質學研究的熱點內容，并對未來發展趨勢做了前景展望。研究成果為厘清煤地質學的發展歷程、當前研究熱點及未來發展方向提供了參考依據。

1 煤地質學的發展

第2次工業革命時期，隨著歐洲煤炭資源需求量的快速增加，煤地質學作為一門獨立學科，最早是從地質學中獨立出來的(繆富恩， 1963)。中國煤地質學發展要晚于西方國家，主要可劃分為4個階段： 1840年鴉片戰爭前的萌芽階段、鴉片戰爭到辛亥革命時期的創立階段、辛亥革命到新中國成立時期的緩慢發展階段以及新中國成立后的快速發展階段(關世橋， 2011)。

1922年中國地質學會的成立標志著中國煤地質學發展迎來了曙光。楊起和韓德馨主編的《中國煤田地質學》為我國煤地質學發展奠定了理論基礎(楊起等， 1979； 韓德馨等， 1980)。1949年以前煤炭地質學研究的主要內容是煤巖學、成煤古植物學、含煤巖系、煤層與煤田構造等基本特征(繆富恩， 1963)，即借助國外的地質理論研究中國的煤炭資源儲量、分布、煤系地層特點等方面，并對國內的煤田和煤盆地分布、成煤時代、煤系地層劃分對比及煤質等方面均有了一定認識。1996年《中國煤炭工業百科全書——地質測量卷》對“煤田地質學”進行了定義：煤田地質學，又稱煤地質學，即運用地質學理論、方法，全面研究煤、煤層、含煤巖系、煤盆地、煤田以及煤成氣、煤成油、油頁巖和其他共伴生元素、礦產的成因、組成、性質及其分布規律的學科(楊錫祿等， 1996)。新中國成立以后煤地質學的研究內容得到了進一步的拓展，新增了煤成因、控煤構造、煤系沉積地質學、聚煤規律與聚煤模式、煤炭資源預測與潛力評價、煤礦開采地質條件預測與綜合評價技術和煤炭清潔高效利用技術方面的研究(張泓等， 2010； 關世橋， 2011； 胡社榮等， 2012)。之后，曹代勇等(2018)對煤地質學的定義進行了進一步的拓展，延伸到了煤炭及其伴生資源評價和勘探、開發地質、煤加工利用和環境保護等工程技術問題。經過幾十年的發展與完善，現今人們對煤地質學研究有了新的認識與理解，本文對煤地質學的研究內容進行了重新梳理，認為煤地質學是一門運用地質學和地球化學的理論與方法，研究煤層、煤系及其共伴生礦產資源的成因、組成、性質、分布規律、資源評價、勘探、開發、煤加工利用和環境保護等的學科。

2 近五年發文統計結果與分析

InternationalJournalofCoalGeology期刊上發表的784篇學術論文，按文獻類型統計，研究類文章716篇，綜述類文章28篇，簡報類文章40篇。按第一作者所屬國家分類，位列前3位的國家是中國、美國和澳大利亞。按第一作者所屬單位分類，位列前3位的單位依次為中國礦業大學(北京)、昆士蘭大學和中國地質大學(北京)。按研究內容分類，煤巖學和有機地球化學方向是近5年的研究熱點內容。

2.1 按第一作者所屬國家分類

以5年內各類文章的第一作者所屬國家進行統計，各個國家發文數量如圖 1所示。對比發現，第一作者來自中國的發文數量最多，共計215篇，占全部的27.4%； 其次是美國、澳大利亞和德國，分別為126篇、83篇、48篇； 可將這些國家按發文數量分為3個梯隊，第1梯隊是中國、美國和澳大利亞，發表的論文數量在80篇以上，這3個國家5年內發文數量占了全部的54.1%； 第2梯隊是德國、波蘭、英國和加拿大，發表的論文數量在30～50篇，這4個國家發文數量占了全部的19.5%； 第3梯隊是印度、土耳其、葡萄牙等，發表論文的數量在30篇以下，這些國家發文數量占全部文章的26.4%(圖 1)。表明近5年來，我國在煤炭相關領域的研究相比于其他國家偏多，發表文章數量比第二名(美國)多近1倍。

圖 2 不同年份的第一作者所屬國家的發文數量統計結果Fig. 2 Statistical results of the papers published by the countries of the first author in different years

將發文數量前10的國家按不同年份進行分類，統計結果如圖 2所示。由圖 2可知在以第一作者所屬國家劃分中，中國在該期刊各年發表文章數量在不同的年份均是第一，并且每年文章的數量在30篇以上。其中中國作者發文數量在近5年也存在一定的波動性，體現在2016年到2018年發文數量持續增加， 2019年突然下降。產生這一現象的主要原因可能與2018年中華人民共和國科學技術部(2018)發布通知中明確指出要對部門和單位政策文件、各類考核評價條件和指標以及有關管理信息系統和工作表格中涉及“四唯”的內容進行修改，部門和高校也開始取消發表論文獎勵制度，使得論文發表數量在2019年突然下降。

2.2 按第一作者所屬單位分類

對近5年發表各類文章的第一作者所屬單位進行統計分析，由于所屬單位數據較多，將統計后的數據排序，對其排名靠前單位進行繪制，結果如圖 3所示。

表 1 不同研究方向的發文數量近10年統計結果Table 1 Statistical results of the published paper numbers of different research contents in recent ten years

圖 3 第一作者所屬單位發文數量及其占比統計結果Fig. 3 Statistical results of the number and proportion of papers published by the units of the first author

本文根據宋黨育等(2016)的研究方向分類做了調整，體現在： 1、石油、天然氣、油頁巖與頁巖氣中與有機化學相關的文章以及煤化作用歸為煤巖學和有機地球化學； 2、煤系氣包含與煤系地層相關的煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣等非常規天然氣； 3、煤自燃與地下氣化歸為一類； 4、煤炭資源生產、礦井瓦斯和礦井水歸為煤炭開采及礦井水處理由圖 3可知，統計結果中中國的研究院或大學占比很高，達6/11。根據第一作者所屬單位發文數量圖可將這些單位分為3個梯隊，第1梯隊是中國礦業大學(北京)，發表文章30篇，占比為12.7%； 第2梯隊是昆士蘭大學、中國地質大學(北京)和中國礦業大學，發表論文數量在20～30篇，占比為10%～12%； 第3梯隊是亞琛工業大學、美國地質調查局等，占比小于10%。不難發現各國發表文章的單位主要為大學和研究院，其中高校更是煤地質研究的主要力量。前11名中以礦業、資源為特色的學校占比較大，且中國礦業大學(北京)、中國地質大學(北京)和中國礦業大學在每年的文章發表數量中都排名靠前，由此可見這3所大學是中國煤地質學研究中的主力軍，為研究煤地質的發展奠定了基礎。以中國礦業大學(北京)為例，其在近5年的發表論文數量排在第1名，這與該學校的獨特性有一定關系，它是以煤炭資源研究為主體和特色的綜合類大學，學校中開設的大部分專業都跟煤研究有或多或少的聯系，進而支撐了煤相關學科的研究。目前，很多理工科高等院校都有設立煤地質專業和課程，更促使了煤地質學研究的快速發展，它們正成為當代研究的主要力量。因此可以說，教育為煤地質學的發展，提供了強有力的人才支撐，起到非常重要的推進作用，特別是高等院校師生，更是煤地質學研究主要力量。

2.3 按研究方向分類

本文將近5年發表的784篇文章按研究方向劃分歸類，最終歸為9個研究方向：沉積環境、煤巖學和有機地球化學、煤中礦物質、微量元素與地球化學、煤系氣、煤地下氣化及煤自燃、煤炭潔凈化利用、古生物、煤炭開采及礦井水處理和其他。結合宋黨育等(2016)對2011～2016年InternationalJournalofCoalGeology期刊上發表的文章數據統計結果匯總出不同研究方向10年內的發文數量如表 1所示。分析表中數據可知：煤巖學和有機地球化學是近5年內研究熱點，發文數量最多，共計245篇； 煤系氣、煤中礦物質、微量元素與地球化學和沉積環境方向發文數量超過100篇，近5年一直為人們所重視； 煤炭開采及礦井水方向的論文數量有70篇，該方向的研究一直在持續開展； 煤炭潔凈化利用、煤地下氣化及煤自燃和古生物方向的論文數量少于40篇，在近5年研究相對較少。綜合之前的論文第一作者的所屬國家和所屬單位發文數量圖，發現這些論文主要源于每個國家較為固定的高?；蜓芯繖C構，并且發文數量多的所屬單位和國家的研究內容多且方向廣，而發表論文數量少的單位和國家的研究方向相對較少。

3 煤地質學研究的熱點內容

圖4為不同研究方向的發文數量統計結果，其中5年內發文數量在100篇以上的有4個，分別為煤巖學和有機地球化學、煤系氣、煤中礦物質、微量元素與地球化學和沉積環境。它們分別占論文總數的31.3%、16.7%、16.1%和13.5%。下面將對這4個方向研究內容進行詳細論述。

圖 4 近5年熱點研究內容的發文數量統計結果Fig. 4 Statistical results of the hot research articles published in recent five years

3.1 煤巖學和有機地球化學

近5年有關煤巖學與有機地球化學方向的論文有245篇，占論文總數的31.3%，論文數量相較于前5年有所增加，主要研究內容包括烴源巖的生油、生氣潛力、有機地球化學特征等。

3.1.1 煤巖學

四是技術要求高，質量難保證。中藥材的藥性受地理、生態等因素如緯度、海拔、地形地貌、光照、氣溫、土壤和降水的影響，這些環境條件對中藥材生長都起著決定性作用。如果不按照技術要求隨意種植，既影響品質，又易遭到病蟲害侵襲。中藥材對栽培技術要求嚴格，特別是隨著中藥材生產質量管理規范(GAP)的試行，對中藥材生產技術要求更為嚴格，對達不到GAP要求的，不能進入下一道生產環節，生產的藥材就是廢品。同時，中藥材抗病蟲性較差，極易受病蟲害侵襲，加上我縣農戶一般都把中藥材作為農作物生產的“附帶物”進行栽培，憑經驗管理中藥材，有的產量很低，有的品質達不到要求，沒有更新品種的觀念，品種退化嚴重。

煤巖學是把煤作為有機巖石，以物理方法為主研究煤的物質成分、結構、性質、成因及合理利用。近5年主要是對煤層的煤巖學性質、成因及其意義開展研究，在煤巖學的地質應用與新的分析和測試手段方面也有新的突破，如利用拉曼光譜技術(RS)和計算機斷層掃描技術(CT)對石墨表面FWHM寬度和煤的表面韌性變形、彈性模量等參數進行表征(Rantitsch et al.，2016; Manjunath et al.，2019)。此外，煤巖學方面還包括改變外部條件對煤儲層的影響研究，如通過微波處理后不同等級煤的巖石物理變化研究(Li H et al.，2016)、風化作用對煉焦煤性質的影響(Smedowski et al.，2016)以及在循環加載條件下無煙煤滲透率的變化研究(Fan et al.，2019)。

3.1.2 有機地球化學

有機地球化學研究包括煤或巖層中有機組分的組成和地球化學特征及有機質生烴潛力等方面，近5年有關有機質的來源及其成因研究增多。由于拉曼光譜具有快速、可靠和非破壞性的特征，近年來應用拉曼光譜技術在有機質的成熟度研究方面非常熱門，通過拉曼光譜可以測量筆石的有機成熟度(Mumm et al.，2016)、借助鏡質體反射率表示的熱成熟度快速確定富含有機物泥巖中干酪根熱成熟度(Sauerer et al.，2017)、利用分散的干酪根評價元古代巖石中無序的碳質物質熱成熟度(Baludikay et al.，2018)、基于拉曼光譜成熟度指示值和鏡質組反射值之間的相關性對不同干酪根類型的成熟度進行評估(Al-Hajeri et al.，2020)。

3.2 煤系氣

煤系氣是指煤系中包括煤層氣(含生物氣)、頁巖氣、致密砂巖氣等非常規天然氣。2011～2015年的研究熱點是煤層氣方向，論文數量為189篇(宋黨育等， 2016)，但近5年煤系氣的論文數量為131篇，占總數的16.7%，熱度有所下降。該方向主要是對煤層氣的生成、賦存、煤儲層的特征以及煤層氣的運移與開發等方面開展研究，尤其是對與煤層氣開采直接相關的儲層滲透率，甲烷的吸附/解吸的研究。如利用micro-CT技術研究煤的孔隙度和滲透率變化特征(Ramandi et al.，2016)； 煤經壓裂開發后儲層特性發生的變化進行了研究(Kang et al.，2016; Jing et al.，2018)。壓裂液會使煤的甲烷吸附量降低、有效擴散系數下降、氣體滲透率顯著降低、傳質通道變窄以及親水性增強，使得煤中氣體吸附能力和傳質速率降低。為了表征條件改變之后儲層特性的變化還提出了一些新的模型(Connell，2016; Saurabh et al.，2016)，如使用煤的類畢奧系數和橫向各向同性性質構建的滲透率模型，它可以呈現滲透率隨壓力變化的完整圖像(Saurabh et al.，2016)； Connell(2016)改進了自己2010年提出的煤滲透率模型，引入了割理壓縮性與孔隙壓力，以及與吸附應變的影響相關的特性，新模型可以更準確地表征煤層滲透率的變化。前人對直接影響煤層氣儲量大小的甲烷吸附能力，也做了不少的研究(Busch et al.，2019; Chattaraj et al.，2019; Song et al.，2020)。如木質素的大分子結構和化學性質(即極性或疏水性)、碳含量、鏡質組含量、惰質組含量、水分、灰分、揮發分產率以及煤階都會影響甲烷在煤中的吸附能力。

3.3 煤中礦物質、微量元素與地球化學

煤中的礦物質和微量元素可以用以追溯煤炭的形成環境和地質演化方面的信息，并且其中某些微量元素具有較高的利用價值，所以煤中礦物質、微量元素與地球化學方面的研究可以高效、合理、潔凈地利用煤炭資源，因此人們對該方面的研究比較重視，使得這個方向的發文數量一直保持在一個較高的水平，近5年的論文有126篇，占論文總數的16.1%。

3.3.1 煤中礦物質與地球化學

3.3.2 微量元素

近5年在微量元素方面主要是對微量元素的富集方式、來源、分布、含量以及利用開展研究。相較于前5年人們對于煤開采利用中微量元素對環境的影響和稀土元素的利用關注度明顯提高，并且研發了一些提高微量元素利用率的手段。如先對粉煤灰使用氫氧化鈉焙燒，再使用酸浸出可以明顯提高粉煤灰中稀土的提取率(Taggart et al.，2018)； 采用堿-酸聯合(氫氧化鈉-鹽酸)浸出工藝浸提粉煤灰，可以明顯減少活性二氧化硅去除率，增加REY富集率(Wang et al.，2019)。在微量元素分析和測試手段方面也有了新的突破，如電子探針(EPMA)可以快速提供煤中顯微組分和無機相元素組成空間信息，雖然它給出了煤中無機元素的可能存在方式，但是測量結果是半定量的(Misch et al.，2016)。將汞與蒙脫石礦物結合，并在大于800℃下加熱，可以使汞完全分解，這樣可以進一步提高熱分解法測汞的準確度(Xu et al.，2017)。利用AG50W-x8陽離子交換樹脂結合四極桿電感耦合等離子體質譜分析可以準確測定煤和煤相關樣品中的銪濃度，這種方法可以有效避免鋇離子的光譜干擾(Yan et al.，2018)。

3.4 沉積環境

4 發展趨勢與展望

根據2011～2020年的煤地質學研究熱點的變化趨勢，沉積環境、煤巖學與有機地球化學和煤炭潔凈化利用方向文章數量相比前5年增加明顯，煤系氣、地下氣化及煤自燃、煤炭開采及礦井水處理方向在近5年的發文數量呈減少趨勢，煤中礦物質、微量元素與地球化學和古生物方面的文章數量呈平穩發展態勢。為應對當前氣候變化和碳減排、碳中和的遠景目標(謝和平等， 2021)，預測未來一段時間內，煤炭潔凈化利用方面的研究將成為新的熱點話題，煤巖學與有機地球化學和沉積環境方面的研究將會穩定發展，而在煤系氣方面的研究文章將會減少。

隨著世界經濟、科技文化和先進的測試技術進步，為解決現實中遇到越來越復雜的科學與工程問題，不同學科之間必然出現相互交叉與融合、彼此聯系的現象，涌現出一大批交叉學科。煤地質學發展也將呈現出精細化、多維度和多融合的趨勢，如煤地質學與環境學相結合形成了環境地質學，煤地質學與微生物學交叉形成微生物地質學以及煤地質學研究向更微觀方向發展形成了納米地質學。

5 結 論

通過對2016～2020年發表在InternationalJournalofCoalGeology期刊上論文進行統計分析，結合中國煤地質學的發展進程，對當前煤地質學的研究熱點內容及未來發展方向進行了探討，取得主要認識如下：

(1)近5年來，在該期刊上發表論文數量較多的國家依次為中國、美國和澳大利亞，占比分別為27.4%、16.1%和10.6%。第一作者所在單位發文較多的機構依次為中國礦業大學(北京)、昆士蘭大學和中國地質大學(北京)，在前11名中占比分別為12.7%、11.9%和11.4%。

(2)煤巖學和有機地球化學方向是近5年各國煤炭地質工作者關注的熱點研究內容； 煤系氣、地下氣化及煤自燃、煤炭開采及礦井水處理方向在近5年的發文數量呈減少趨勢； 沉積環境、煤巖學與有機地球化學和煤炭潔凈化利用方面的文章數量明顯增加； 煤中礦物質、微量元素與地球化學和古生物方面的研究在平穩進行。

(3)為應對氣候變化、環境保護和生態文明綠色發展的迫切需求，煤炭潔凈化利用方向的研究將逐漸增多，多學科之間的交叉與融合方向研究也必將如雨后春筍般出現。