郭昌放，楊 真，武 祥，張海紅，吳鍆鈦，陳一鼎，周興策

(1.中國礦業(yè)大學(xué)人工智能研究院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.昆明煤炭科學(xué)研究所，云南省昆明市，650051)

0 引言

煤炭是我國的主體能源和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[1-2]，據(jù)《中國能源中長期(2030、2050)發(fā)展戰(zhàn)略研究》報(bào)告推測(cè)，未來30年內(nèi)煤炭資源在我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例仍然保持在一半左右[3]。因此，我國的能源格局仍然是以煤炭為主，關(guān)鍵是接下來如何做好煤炭這篇大文章[4]。近些年來，我國正在加快構(gòu)建清潔、高效、安全和可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系，煤炭工業(yè)作為我國的傳統(tǒng)行業(yè)，高效智能的生產(chǎn)管理技術(shù)體系建設(shè)已經(jīng)成為煤炭行業(yè)未來發(fā)展的需求和必然方向[5-6]。2020年，8部委制定和發(fā)布了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，煤礦智能精準(zhǔn)開采[7]不僅符合國家的戰(zhàn)略規(guī)劃，同時(shí)也已成為行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)以及未來綠色采礦的必由之路。

近年來，袁亮院士以及澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)[8]等國內(nèi)外眾多學(xué)者與機(jī)構(gòu)曾先后提出，礦山的透明化建設(shè)作為煤礦智能精準(zhǔn)開采實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和前提，對(duì)于推動(dòng)煤炭資源的安全高效開采具有重要意義[9-10]。作為目前煤炭工業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)迫切需要解決的核心問題，透明礦山建設(shè)已成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

煤炭資源的開采處于一個(gè)持續(xù)發(fā)展和動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境過程中，礦山的透明化建設(shè)所涉及的人-設(shè)備-環(huán)境具有分布范圍廣、種類多、更新快、環(huán)境復(fù)雜等因素，實(shí)施過程中會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)。1990年，加拿大開始著手?jǐn)?shù)字化礦山建設(shè)相關(guān)研究，設(shè)計(jì)并研發(fā)出了遙控采礦系統(tǒng)，而且該系統(tǒng)在鎳礦開采過程中得到了成功應(yīng)用[11]。此后，澳大利亞、瑞典和芬蘭等國家相繼投入到數(shù)字化礦山的建設(shè)過程中，并研發(fā)了礦井可視化軟件。1999年，澳大利亞學(xué)者提出了“玻璃地球”的概念[12]，設(shè)想利用遙感、地質(zhì)以及地球物理勘探等方法實(shí)現(xiàn)地下1 km內(nèi)地質(zhì)狀況的透明化。2008年，IBM公司首席執(zhí)行官彭明盛[13]首次提出“智慧地球”的概念，旨在將智能技術(shù)應(yīng)用到生活的各個(gè)方面，使地球變得越來越智能化。

目前，“互聯(lián)網(wǎng)+”正在與各產(chǎn)業(yè)進(jìn)行快速的融合，煤炭開采行業(yè)也在由原來的勞動(dòng)密集、粗放型生產(chǎn)管理模式向信息化、自動(dòng)化、精準(zhǔn)化、智能化以及無人化開采方式轉(zhuǎn)變，因此透明礦山以及智慧礦山等概念相繼被提出并進(jìn)行設(shè)計(jì)研究[14-15]。2017年，袁亮院士[16]提出了基于透明空間地球物理和多物理場(chǎng)耦合為核心的煤炭精準(zhǔn)開采理念，通過將地理空間服務(wù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、CT掃描技術(shù)、VR技術(shù)等推動(dòng)礦山的可視化建設(shè)；2018年，毛善君教授等[17]研究人員提出了透明化礦山管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過三維模型的構(gòu)建與動(dòng)態(tài)修正、多源時(shí)空數(shù)據(jù)的集成和可視化等關(guān)鍵技術(shù)為透明礦山的建設(shè)提供整體的架構(gòu)思路；2019年，陸斌[18]提出了基于孔間地震細(xì)分動(dòng)態(tài)探測(cè)方法對(duì)工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，以推動(dòng)透明礦山的建設(shè)；程建遠(yuǎn)等[19]研究人員提出了透明礦山建設(shè)的地質(zhì)模型梯級(jí)構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)；田建川[20]提出了基于煤礦地質(zhì)異常透明化的自動(dòng)化采煤系統(tǒng)和方法。

透明礦山的實(shí)現(xiàn)不僅僅要以精準(zhǔn)化的地質(zhì)勘探成果為基礎(chǔ)，同時(shí)還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井動(dòng)態(tài)復(fù)雜多場(chǎng)多參量信息的集成、融合和挖掘分析，以促進(jìn)礦井更大范圍、更廣維度和更高精度的透明化，為煤礦的智能精準(zhǔn)開采提供數(shù)據(jù)支持。

1 透明礦山建設(shè)存在問題及建設(shè)思路

1.1 透明礦山建設(shè)存在問題

透明礦山作為煤礦智能化、無人化的基礎(chǔ)和前提，能夠快速準(zhǔn)確的為管理人員和技術(shù)人員提供決策支持和安全保障。然而，煤炭資源的開采處于一個(gè)持續(xù)發(fā)展和動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境過程中，透明礦山建設(shè)所涉及的人、設(shè)備和環(huán)境分布范圍廣、種類多、更新快、環(huán)境復(fù)雜，實(shí)施過程中面臨諸多挑戰(zhàn)。

1.1.1礦山生產(chǎn)外部環(huán)境-煤礦多源大數(shù)據(jù)不對(duì)稱

煤礦工作面回采是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[21]，它涉及采礦、掘進(jìn)、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)、水文、地質(zhì)、測(cè)量、監(jiān)控監(jiān)測(cè)等多個(gè)學(xué)科專業(yè)，需要由生產(chǎn)技術(shù)部、地質(zhì)部、通風(fēng)部、調(diào)度室、計(jì)劃科、生產(chǎn)隊(duì)組、掘進(jìn)隊(duì)組、準(zhǔn)備隊(duì)組、開拓隊(duì)組等多個(gè)部門協(xié)同配合作業(yè)完成。而且從工作面的設(shè)計(jì)到回采完成的整個(gè)過程中，周圍的人、設(shè)備和環(huán)境都在不斷的發(fā)生變化，并時(shí)刻產(chǎn)生著數(shù)據(jù)量巨大、類別廣泛以及形式各異的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，具體特征如下。

(1)數(shù)據(jù)量大。煤礦工作面在回采過程中實(shí)時(shí)產(chǎn)生著大量的生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，其中包括圖形化的工程數(shù)據(jù)、礦井水、火、瓦斯、頂?shù)装宓葹橹鞯沫h(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)備位置以及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，人員位置數(shù)據(jù)以及人工測(cè)量數(shù)據(jù)等。而且，隨著煤礦企業(yè)信息化水平的提高，數(shù)據(jù)量將會(huì)更大。

(2)數(shù)據(jù)種類繁多。煤礦工作面在回采過程中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)種類主要有工程圖紙、圖像、數(shù)字、文字、視頻、音頻等多種形式[22]。

(3)數(shù)據(jù)迭代更新迅速。煤礦工作面在回采過程中有關(guān)空間數(shù)據(jù)信息、開采進(jìn)度以及監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、揭露數(shù)據(jù)，以及其他設(shè)備和人員位置狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息都在時(shí)刻發(fā)生著變化[23]，因此數(shù)據(jù)的更新變化速度較快。

(4)數(shù)據(jù)共享頻繁。由于煤礦企業(yè)的生產(chǎn)需要多部門、多專業(yè)人員協(xié)同配合作業(yè)才能完成，因此在生產(chǎn)過程中分散在不同地點(diǎn)、不同部門、不同人員處的多源數(shù)據(jù)信息需要及時(shí)地共享，保證對(duì)生產(chǎn)信息的統(tǒng)一認(rèn)知，便于生產(chǎn)安排和執(zhí)行[24]，避免因信息不對(duì)稱而造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

由于煤礦企業(yè)工作范圍較大且人員分布較分散，此外煤礦企業(yè)各部門之間在生產(chǎn)中有著高度分工和專業(yè)化的特點(diǎn)，因此各部門以及每個(gè)作業(yè)人員個(gè)體之間互相獨(dú)立，掌握的數(shù)據(jù)和信息各不相同。由于缺少統(tǒng)一的協(xié)同工作信息共享機(jī)制和作業(yè)平臺(tái)，從而導(dǎo)致煤礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多源數(shù)據(jù)得不到及時(shí)的共享，技術(shù)人員和管理人員難以實(shí)現(xiàn)對(duì)多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，使得煤礦企業(yè)生產(chǎn)安排以及資源優(yōu)化配置難度大，各系統(tǒng)協(xié)同配合復(fù)雜度高。因此，目前煤礦企業(yè)存在著嚴(yán)重的“信息孤島”和“數(shù)據(jù)不透明”問題。煤礦多源數(shù)據(jù)共享現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 煤礦多源數(shù)據(jù)共享現(xiàn)狀

因此，透明礦山建設(shè)首先需要建立統(tǒng)一的信息協(xié)同共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)煤礦多源大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和透明化管理。

1.1.2礦山生產(chǎn)內(nèi)部環(huán)境-煤礦地質(zhì)保障技術(shù)有待提高

煤礦地質(zhì)環(huán)境的精準(zhǔn)探測(cè)是實(shí)現(xiàn)安全高效開采的基礎(chǔ)條件，不僅直接影響著礦井采掘方案的制定，同時(shí)也給井下作業(yè)人員的安全帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。

目前，主要通過鉆探、地質(zhì)學(xué)、統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)以及后來發(fā)展起來的地球物理勘探等方法[25-26]。地面以及井下鉆探、巷探等方式雖然得到的結(jié)果最為直接和真實(shí)，但是往往需要花費(fèi)較高的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本，而且具體實(shí)施過程與制定的方案往往存在偏差，同時(shí)還存在一定的探測(cè)盲區(qū)，留下安全隱患[27]。相比之下，地球物理勘探方法往往具有更高的經(jīng)濟(jì)性和快捷性。常見的礦井物探方法主要有：地面地震勘探法[28-29]、礦井瞬變電磁法[30]、礦井地質(zhì)雷達(dá)法[31]、礦井直流電法[32]、電磁波CT法以及地震槽波透射勘探等。其中，地面地震勘探方法探測(cè)范圍較大，但其精準(zhǔn)度相對(duì)井下物探方法較低[33]。井下地震槽波透射勘探應(yīng)用效果顯著[34-35]，但是，地震勘探往往以炸藥作為震源，而且由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施作業(yè)人員較多，施工程序較為復(fù)雜，設(shè)備也比較多而且繁重，從而導(dǎo)致整個(gè)勘探過程持續(xù)時(shí)間長、成本高，并具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。礦井瞬變電磁法以及直流電法對(duì)于富水性較強(qiáng)的異常體比較敏感，雖然在礦山水害防治與預(yù)測(cè)方面取得了較好的應(yīng)用成果[36-37]，但是對(duì)于斷層、陷落柱等地質(zhì)異常反應(yīng)不夠靈敏，從而導(dǎo)致應(yīng)用場(chǎng)景具有一定的局限性。

1.2 透明礦山建設(shè)思路

透明礦山作為礦山智能精準(zhǔn)開采地質(zhì)保障體系建設(shè)的核心，面對(duì)礦山井下封閉的環(huán)境，持續(xù)發(fā)展和動(dòng)態(tài)變化的條件，難以一蹴而就。因此，本文從目前礦山企業(yè)迫切需要解決的礦井生產(chǎn)外部感知環(huán)境及內(nèi)部地質(zhì)環(huán)境透明化入手展開深入探討和研究，具體建設(shè)思路如圖2所示。

圖2 透明礦山建設(shè)思路

首先，一是，針對(duì)礦山生產(chǎn)外部環(huán)境的透明化感知，應(yīng)基于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建立煤礦多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)協(xié)同共享平臺(tái)，從而保證礦井生產(chǎn)相關(guān)人、設(shè)備和環(huán)境所感知礦井生產(chǎn)外部環(huán)境的對(duì)稱和透明。二是，針對(duì)不同的物探技術(shù)和探測(cè)原理，通過對(duì)其反演算法的研究和優(yōu)化，以及基于平臺(tái)所獲取的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨采動(dòng)過程持續(xù)更新提高礦井生產(chǎn)內(nèi)部環(huán)境地質(zhì)勘探結(jié)果的精準(zhǔn)性。

其次，為了進(jìn)一步提高地質(zhì)環(huán)境預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性和可靠性，促進(jìn)礦井內(nèi)部地質(zhì)環(huán)境的透明化，多種物探技術(shù)聯(lián)合探測(cè)方法相繼被使用。雖然反演預(yù)測(cè)結(jié)果的多解性得到有效控制，但是需要消耗的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本較高，難以實(shí)現(xiàn)常態(tài)化推廣應(yīng)用。在具體實(shí)施過程中，針對(duì)不同的探測(cè)任務(wù)往往選擇不同的探測(cè)方法，而探測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性除了取決于現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量外，反演算法的優(yōu)化和揭露多源先驗(yàn)數(shù)的充分結(jié)合和利用往往也能夠提高探測(cè)的精準(zhǔn)性。

最后，在煤礦多源數(shù)據(jù)協(xié)同平臺(tái)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)所面臨的具體問題，通過對(duì)相關(guān)多源數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析，來提高更大范圍和更高維度的礦山信息化建設(shè)。

2 透明礦山建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 煤礦多源大數(shù)據(jù)協(xié)同共享平臺(tái)建設(shè)

煤礦工作面生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多源數(shù)據(jù)按照類別總體可劃分為：圖形化工程數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及文檔類數(shù)據(jù)。在這3類數(shù)據(jù)中，同種類數(shù)據(jù)內(nèi)部以及不同種類數(shù)據(jù)之間都是獨(dú)立分散的，因此需要建立統(tǒng)一的協(xié)同共享機(jī)制實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和透明化管理[38]。

本研究團(tuán)隊(duì)通過大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，研究了煤礦多源數(shù)據(jù)的分類、特點(diǎn)以及透明化現(xiàn)狀，提出了煤礦多源數(shù)據(jù)協(xié)同共享機(jī)制和平臺(tái)建設(shè)架構(gòu)，采用CAD的二次開發(fā)方式，按照自定義的mxg標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，通過nodejs運(yùn)行的服務(wù)端系統(tǒng)，將煤礦中不同的多源數(shù)據(jù)以圖形化工程數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，統(tǒng)一到同一張圖紙上進(jìn)行展示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)感知多源數(shù)據(jù)的高效管理、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確更新和快速共享，為工作面內(nèi)地質(zhì)異常的層析反演和結(jié)果的預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。更為重要的是，該平臺(tái)將有助于實(shí)現(xiàn)煤礦更大范圍和更高維度的透明化。圖形化工程數(shù)據(jù)協(xié)同作業(yè)平臺(tái)應(yīng)用界面如圖3所示，煤礦多源監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)協(xié)同管理應(yīng)用界面如圖4所示。

圖3 圖形化工程數(shù)據(jù)協(xié)同作業(yè)平臺(tái)應(yīng)用界面

圖4 煤礦多源監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)協(xié)同管理應(yīng)用界面

2.2 煤礦工作面地質(zhì)異常精準(zhǔn)勘探技術(shù)

工作面作為煤礦生產(chǎn)的核心單元，內(nèi)部地質(zhì)異常的精準(zhǔn)識(shí)別作為工作面透明化建設(shè)的核心，直接影響著工作面回采方案的制定、回采效率以及井下工作人員的生命安全。隨著煤礦開采深度的增加，工作面所面臨的開采條件將變得更加復(fù)雜，因此，透明礦山建設(shè)首先需要保證對(duì)工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造及煤層賦存狀態(tài)的精準(zhǔn)勘探。

2.2.1地質(zhì)構(gòu)造的精準(zhǔn)探測(cè)

井下工作面電磁波CT技術(shù)作為一種非接觸式探測(cè)方法，由于具有施工便捷、效率高、分辨能力強(qiáng)、成本較低等特點(diǎn)，而且還不存在破壞性，使其成為目前國內(nèi)外煤礦工作面內(nèi)部地質(zhì)異常探測(cè)和反演的主要方法[39-40]。電磁波透射定點(diǎn)觀測(cè)法示意圖如圖5所示。

圖5 電磁波透射定點(diǎn)觀測(cè)法示意圖

然而，目前煤礦工作面常見的層析反演算法大都采用單一的初始模型，經(jīng)過反復(fù)向改進(jìn)的鄰近解集移動(dòng)，直到滿足允許條件以求得最終解，但是其反演結(jié)果很大程度上取決于單一初始模型的選擇，而且容易陷入局部最優(yōu)解[41]。而隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展以及多領(lǐng)域?qū)W科的交叉融合，一些先進(jìn)的智能計(jì)算方法憑借其特殊的全局優(yōu)化隨機(jī)搜索機(jī)制，對(duì)初始模型依賴程度較低的特性，已經(jīng)在各行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[42-43]。因此，將智能算法引入到工作面地質(zhì)異常反演重構(gòu)過程中代替?zhèn)鹘y(tǒng)反演算法的研究，對(duì)于實(shí)現(xiàn)工作面內(nèi)地質(zhì)異常環(huán)境的精準(zhǔn)識(shí)別具有重要意義，并為工作面內(nèi)地質(zhì)異常的反演提供了一種新思路[44]。

此外，煤礦工作面的形成以及回采在時(shí)間和空間上是持續(xù)發(fā)展和動(dòng)態(tài)變化的過程，時(shí)刻都在揭露新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)[31]。然而，這些已揭露的多源先驗(yàn)數(shù)據(jù)都只是定性的參與到地質(zhì)異常反演結(jié)果的分析和預(yù)測(cè)過程中，并未參與到層析反演的計(jì)算過程中。這不僅直接影響著反演結(jié)果的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，同時(shí)還產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)資源浪費(fèi)。因此，通過構(gòu)建基于多源數(shù)據(jù)約束的地質(zhì)異常重構(gòu)模型，將外界多源先驗(yàn)數(shù)據(jù)引入到層析反演計(jì)算過程中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多源先驗(yàn)數(shù)據(jù)的充分利用，進(jìn)一步提高煤礦工作面地質(zhì)構(gòu)造勘探的精準(zhǔn)性[31]。工作面地質(zhì)構(gòu)造精準(zhǔn)探測(cè)流程如圖6所示。

圖6 工作面地質(zhì)構(gòu)造精準(zhǔn)探測(cè)流程

2.2.2工作面煤厚的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)

工作面煤厚的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)作為透明礦山建設(shè)的重要屬性之一，同時(shí)也是智能無人工作面實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。礦井地震探測(cè)技術(shù)主要以煤、巖本身作為研究對(duì)象，根據(jù)波的反射、折射、透射及頻散等特性來探查未被開采煤層的不連續(xù)性。由于槽波地震勘探技術(shù)由于其探測(cè)距離大、精度高、抗電干擾能力強(qiáng)以及波形易于識(shí)別等[45]優(yōu)點(diǎn)，而且槽波對(duì)煤厚變化比較敏感，在煤層內(nèi)傳播的槽波頻散特征明顯，易于識(shí)別，因此可通過采集煤層槽波地震信號(hào)對(duì)煤厚分布結(jié)果進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

為了提高工作面煤厚探測(cè)精準(zhǔn)性，本研究團(tuán)隊(duì)在準(zhǔn)備對(duì)拾取的地震槽波走時(shí)進(jìn)行層析反演計(jì)算時(shí)，提出了遺傳算法(GA)與同步迭代重建技術(shù)(SIRT)相結(jié)合的GA-SIRT混合反演模型，充分利用了遺傳算法強(qiáng)大的全局搜索能力和SIRT算法快速的局部收斂速度。此外，它分別抑制了GA算法和SIRT算法的局部搜索能力差和局部最優(yōu)值效應(yīng)，有效提高了煤厚探測(cè)的精準(zhǔn)性。工作面煤厚的精準(zhǔn)探測(cè)流程如圖7所示。

圖7 工作面煤厚的精準(zhǔn)探測(cè)流程

2.3 煤礦掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)異常的精準(zhǔn)勘探技術(shù)

煤礦掘進(jìn)工作面前方透明化精準(zhǔn)勘探不僅有利于提高巷道的掘進(jìn)效率，同時(shí)對(duì)于井下作業(yè)人員的安全保障也具有重要意義。目前煤礦主要的超前探測(cè)手段是采用鉆探進(jìn)行探測(cè)，但鉆探施工效率低且存在一孔之見的局限，如果施工不當(dāng)還可能導(dǎo)致瓦斯爆炸及突水等事故。在這種背景下，地球物理方法最近幾年得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展；目前在煤巷進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的地球物理方法主要包括地震類、電磁法類及其他類技術(shù)，其中用于煤巷前方構(gòu)造探測(cè)主要采用地震類方法，如MSP技術(shù)、RTSP技術(shù)等；但MSP和RTSP技術(shù)通常需要在左右?guī)筒贾么罅颗诳谆蝈N擊點(diǎn)及三分量檢波點(diǎn)，施工時(shí)間長，后續(xù)處理步驟多，不利于及時(shí)指導(dǎo)掘進(jìn)工作，并影響掘進(jìn)工作進(jìn)度。另外目前雖有通過反射槽波進(jìn)行異常構(gòu)造超前探測(cè)的方法，但是其探測(cè)過程是通過接收的反射槽波，然后檢測(cè)出反射槽波的最大振幅及其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，進(jìn)而得出探測(cè)前方的異常構(gòu)造；但是由于煤巷內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，導(dǎo)致接收的反射槽波的波形會(huì)受影響相互疊加，這樣對(duì)后續(xù)檢測(cè)出最大振幅比較困難，無法有效地檢測(cè)出異常構(gòu)造的位置。

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于連續(xù)跟蹤槽波信號(hào)的煤巷超前探測(cè)異常構(gòu)造方法，只需一個(gè)錘擊點(diǎn)就可進(jìn)行測(cè)試，而且探測(cè)精準(zhǔn)度高，施工時(shí)間短，后續(xù)處理簡單，便于及時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全掘進(jìn)。反射槽波連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)布置如圖8所示。

圖8 反射槽波連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)布置

本方法基于反射槽波信號(hào)并采用能量包絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)在煤層中激發(fā)地震波時(shí)，由于頂、底板圍巖速度明顯高于煤層中地震波的傳播速度，當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷浣谴笥谂R界角時(shí)會(huì)發(fā)生全反射，經(jīng)過多次全反射混合疊加，在煤層中形成槽波，槽波作為一團(tuán)能量束縛在煤層中傳播。如果遇到異常構(gòu)造，槽波就會(huì)在分界面發(fā)生反射，通過反射槽波能量包絡(luò)對(duì)應(yīng)的時(shí)間來反演波阻抗界面(即異常構(gòu)造)距探測(cè)位置的距離，并通過對(duì)巷道連續(xù)跟蹤探測(cè)接收到的反射槽波能量包絡(luò)在時(shí)間和空間上的關(guān)系來預(yù)測(cè)異常構(gòu)造的具體位置。利用反射槽波定位異常地質(zhì)體的流程如圖9所示。

2.4 煤礦安全隱患的透明化管理

現(xiàn)階段，煤礦安全形勢(shì)不容樂觀，有的煤礦隱患排查治理工作浮于表面，難以形成良好的反饋和透明化管理機(jī)制[46]。因此，構(gòu)建煤礦事故隱患排查系統(tǒng)，有利于有效管控并及時(shí)治理煤礦生產(chǎn)作業(yè)過程中出現(xiàn)的可能導(dǎo)致各類安全事故的隱患，防范隱患未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治理而演變成為事故。

圖9 利用反射槽波定位異常地質(zhì)體的流程

圖10 煤礦安全隱患透明化管理技術(shù)框架

本研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建開發(fā)的基于文本挖掘的煤礦事故隱患排查信息系統(tǒng)[47]，能夠有效提高煤礦安全隱患的持續(xù)追蹤和透明化管理。在煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求的指導(dǎo)下，該系統(tǒng)結(jié)合煤礦企業(yè)長期隱患排查治理工作經(jīng)驗(yàn)，梳理優(yōu)化事故隱患排查治理流程，構(gòu)建了煤礦事故隱患排查治理體系。并且將文本挖掘技術(shù)應(yīng)用于煤礦事故隱患排查信息知識(shí)發(fā)現(xiàn)，能夠從不斷增長的海量隱患文本數(shù)據(jù)有效提取事故隱患背后的規(guī)律、規(guī)則和特點(diǎn)，反饋提升煤礦自身的隱患排查水平，為煤礦事故隱患排查和治理決策提供支持，實(shí)現(xiàn)隱患排查從粗放式管理向精細(xì)化管理、從被動(dòng)應(yīng)對(duì)向主動(dòng)預(yù)防、從依賴傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)向基于數(shù)據(jù)挖掘的智慧決策的轉(zhuǎn)變，從而增強(qiáng)煤礦從業(yè)人員的工作安全因素，減小煤礦安全問題對(duì)企業(yè)發(fā)展的限制，對(duì)煤礦企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展和煤礦從業(yè)者的人身安全意義重大。煤礦安全隱患透明化管理技術(shù)框架如圖10所示。

3 結(jié)語

針對(duì)礦井生產(chǎn)外部和內(nèi)部環(huán)境透明化建設(shè)過程中存在的感知基礎(chǔ)多源大數(shù)據(jù)的不對(duì)稱、煤層地質(zhì)信息探測(cè)的不精準(zhǔn)等問題，提出了透明礦山建設(shè)的思路和框架。系統(tǒng)全面地介紹了礦山多源數(shù)據(jù)協(xié)同共享平臺(tái)的架構(gòu)，剖析了反演建模、充分利用多源先驗(yàn)數(shù)據(jù)提供模型約束、優(yōu)化智能算法提高反演精確性等的可行性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤炭的地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、掘進(jìn)工作面的地質(zhì)異常等的精準(zhǔn)探測(cè)，并對(duì)安全隱患透明化管理技術(shù)框架提出了若干思路。透明礦山不僅僅局限于完成礦山數(shù)據(jù)的共享與協(xié)同、地質(zhì)構(gòu)造的精準(zhǔn)探測(cè)以及安全隱患的透明化管理，而是應(yīng)該充分利用多源先驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其融入礦井生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)從單個(gè)作業(yè)地點(diǎn)到整個(gè)礦井更大范圍、從單一的地質(zhì)屬性到水、火、瓦斯、沖擊地壓等更高維度的透明化。