董書寧，劉再斌，程建遠，陳寶輝，代振華,3，李 丹

煤炭智能開采地質(zhì)保障技術(shù)及展望

董書寧1,2，劉再斌1，程建遠1，陳寶輝1，代振華1,3，李 丹1

(1. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077；3. 煤炭科學研究總院，北京 100013)

煤炭智能開采是我國煤炭工業(yè)在新一輪技術(shù)變革下的戰(zhàn)略選擇，是實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)的必由之路，地質(zhì)保障技術(shù)可為煤炭智能開采提供準確可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)支撐，且能有效探查隱蔽致災地質(zhì)因素以減少煤礦生產(chǎn)災害事故的發(fā)生。我國煤炭地質(zhì)保障技術(shù)從服務于資源勘查、高產(chǎn)高效礦井建設(shè)到服務于煤礦安全高效生產(chǎn)，從基礎(chǔ)地質(zhì)勘查工作、GIS系統(tǒng)到隱蔽致災因素探查，不同時期的煤炭地質(zhì)保障技術(shù)具有鮮明的特點。分析了在煤炭智能開采背景下地質(zhì)保障技術(shù)面臨的3個難題：地質(zhì)條件探測精度不足、動態(tài)地質(zhì)信息監(jiān)測困難與智能開采缺乏統(tǒng)一的地質(zhì)基礎(chǔ)。在前期研究的基礎(chǔ)上，論述了面向煤炭智能開采的地質(zhì)保障技術(shù)體系，主要包含高精度綜合探測、一體化智能在線監(jiān)測、工作面地質(zhì)透明化三大關(guān)鍵技術(shù)，通過煤炭開采過程中地質(zhì)信息綜合精準感知、動態(tài)融合、同步映射和孿生反饋，實現(xiàn)地質(zhì)保障的數(shù)字化、三維可視化和智能化。面對新一輪能源科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，針對新形勢下煤礦安全發(fā)展新要求，提出了煤炭智能開采地質(zhì)保障云平臺、技術(shù)標準體系構(gòu)建的發(fā)展方向，平臺化、標準化的技術(shù)體系可為煤炭安全高效智能綠色開采提供可靠的地質(zhì)保障。

智能開采；地質(zhì)保障；透明礦井；綜合探測；智能監(jiān)測

煤炭作為我國的主體能源和重要的化工原料，在國民經(jīng)濟中占有重要的戰(zhàn)略地位[1]。黨的十九大報告指出，綠水青山就是金山銀山，必須壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)，推進能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。面對新一輪能源科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，針對新形勢下煤礦安全發(fā)展新要求，智能開采是實現(xiàn)我國煤礦安全高效生產(chǎn)的必由之路[2]。

在煤炭開采過程中，瓦斯、水害、頂板等災害事故均與地質(zhì)條件密切相關(guān)[3-5]，在煤礦重(特)大事故中，與地質(zhì)條件有關(guān)的占到事故總數(shù)的90%左右[6-7]。近年來，隨著我國推出“科技強安”專項行動，堅持“機械化換人、自動化減人、智能化無人”思路，煤礦安全生產(chǎn)形勢總體穩(wěn)定、趨向好轉(zhuǎn)[8]，全國百萬噸死亡率明顯下降。但隨著煤炭開采向深部延伸，在高瓦斯、高地應力、高地溫等條件下，瓦斯、水害、火災、頂板以及沖擊地壓等多因素復合災害愈發(fā)頻繁；同時，高強度、集約化、智能化的煤炭開采技術(shù)快速發(fā)展，對煤炭安全防控技術(shù)提出了新的要求。作為煤礦智能化的技術(shù)支撐，煤炭地質(zhì)保障技術(shù)受到了高度重視[9-10]，其貫穿于煤礦生產(chǎn)的全生命周期[11-12]，在災害防治、隱蔽致災因素探查、煤炭智能開采等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是實現(xiàn)煤炭資源安全高效智能綠色開采的基礎(chǔ)和前提[13]，在我國煤炭工業(yè)健康快速發(fā)展中占有不可或缺的重要基礎(chǔ)地位[14-15]。

自新中國成立以來，我國煤炭地質(zhì)保障技術(shù)取得了長足的進步，在一定程度上為我國煤礦安全高效生產(chǎn)提供了地質(zhì)基礎(chǔ)。但目前我國煤炭地質(zhì)保障基礎(chǔ)理論研究薄弱，煤炭地質(zhì)保障工作仍存在地質(zhì)探測精度不足、動態(tài)信息監(jiān)測困難、信息融合不夠等難題，亟需通過理論、技術(shù)創(chuàng)新推動我國煤炭地質(zhì)保障體系的進一步發(fā)展，從而服務于煤炭智能開采?；诖?，筆者系統(tǒng)闡述了我國煤炭地質(zhì)保障技術(shù)的發(fā)展歷程，深入分析了在煤炭智能開采背景下地質(zhì)保障技術(shù)存在的難題，在此基礎(chǔ)上介紹了煤炭智能開采地質(zhì)保障關(guān)鍵技術(shù)，并提出了煤炭地質(zhì)保障技術(shù)未來的發(fā)展方向。

1 煤炭地質(zhì)保障技術(shù)發(fā)展歷程

我國煤礦生產(chǎn)從人工開采、炮采、普采，發(fā)展到非常成熟并廣泛應用的綜采，目前智能化開采也在如火如荼的探索實踐之中[16]。在煤炭開采技術(shù)和煤炭工業(yè)核心需求不斷發(fā)展轉(zhuǎn)變的同時，煤炭地質(zhì)保障系統(tǒng)的核心內(nèi)涵也在不斷豐富完善。自新中國成立以來，我國煤炭地質(zhì)保障技術(shù)的發(fā)展從服務于資源勘查、高產(chǎn)高效礦井建設(shè)到服務于煤礦安全高效生產(chǎn)，從基礎(chǔ)地質(zhì)勘查工作、GIS系統(tǒng)到隱蔽致災因素探查，不同時期的煤炭地質(zhì)保障技術(shù)具有鮮明的特點。

建國初期，為了滿足國民經(jīng)濟建設(shè)對能源的需求，煤炭資源勘查處于煤炭地質(zhì)工作的首位，其主要目標是尋找和查明煤炭資源分布和儲量。自20世紀50年代開始，我國共組織實施了四輪全國范圍的煤炭資源預測與評價[17]，據(jù)2013年《全國煤炭資源潛力評價》，我國已查明埋深2 000 m以淺的煤炭資源總量5.9萬億t。王鐘堂等[18]總結(jié)了新中國成立以來我國煤田地質(zhì)勘探和煤田地質(zhì)研究方面的主要成果，敘述了中國煤炭資源的形成、分布規(guī)律及七個主要聚煤期的煤炭資源遠景；毛節(jié)華等[19]以第三次全國煤田預測資料為基礎(chǔ)，論述了中國煤炭資源的分布現(xiàn)狀與前景，指出我國存在晉、陜、蒙、寧、豫和新疆塔里木河以北，以及南方川南、黔西、滇東等富煤區(qū)。根據(jù)我國煤炭資源分布特征，目前共有四種不同的煤炭綜合區(qū)劃方案：一是魏同等[20]提出的“三帶七區(qū)”劃分方案，二是第三次煤炭資源預測與評價時提出的“五大賦煤區(qū)和七大規(guī)劃區(qū)”劃分方案[21]，三是田山崗等[22]提出的“井”字形區(qū)劃方案，四是中國煤炭地質(zhì)總局在2011年“全國煤炭資源潛力評價”提出的“三帶六區(qū)”劃分方案[23]。但也應注意到，目前已有的煤炭資源評估體系還不完善[24]，其評估內(nèi)容不應局限于資源本身，還應拓展資源運用范圍，包括勘查區(qū)域生態(tài)環(huán)境、土地與資源等內(nèi)容。

改革開放以來，我國社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，對煤炭資源的需求愈加強勁，以高產(chǎn)高效為主要特征的“雙高礦井”建設(shè)逐漸成為煤炭工業(yè)整體發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。1992年，根據(jù)國內(nèi)外煤炭工業(yè)形勢和我國煤炭現(xiàn)代化建設(shè)的需要，原煤炭工業(yè)部做出了在全國煤炭行業(yè)建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的決定[25]，這從根本上改變了煤炭行業(yè)長期存在的用人多、效率低、安全性低的狀況。要實現(xiàn)高產(chǎn)高效礦井建設(shè)必須提高煤礦采煤機械化率，采用集約化生產(chǎn)模式，這就對煤炭地質(zhì)保障技術(shù)提出了更高的要求。由于地質(zhì)條件不清嚴重制約了煤礦生產(chǎn)效率，煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的超前探查變得十分迫切，煤炭地質(zhì)保障工作不再僅僅是尋找和查明煤炭資源，還需以查清井田開發(fā)地質(zhì)條件為目的，為礦井建設(shè)、設(shè)計與開發(fā)提供依據(jù)，從而合理開發(fā)利用煤炭資源。因此，在“九五”建設(shè)時期，我國把地質(zhì)保障系統(tǒng)作為煤礦高效安全開采的關(guān)鍵技術(shù)，列入高產(chǎn)高效礦井建設(shè)保障體系[26]。此外，柴登榜等通過對我國礦井地質(zhì)工作的全面總結(jié)和調(diào)查，系統(tǒng)地提出了礦井地質(zhì)工作方法并編寫出版了《礦井地質(zhì)及礦井水文地質(zhì)》[27]《礦井地質(zhì)手冊》[28]；趙存明等[29]將雙高礦井地質(zhì)工作劃分為井田范圍主采煤層開采地質(zhì)條件評價、采區(qū)采前地質(zhì)條件探查、綜采工作面地質(zhì)條件超前探測3個層次；彭蘇萍[30]先后針對開采工作面地質(zhì)狀況掌握較少，綜采工作面采煤效率影響嚴重和安全事故頻發(fā)等問題，形成了地面、采區(qū)、工作面及巷道配套技術(shù)，為高產(chǎn)高效工作面(礦井)提供可靠的地質(zhì)保障。1998年，中國煤炭學會礦井地質(zhì)專業(yè)委員會指出需要推廣地質(zhì)探測技術(shù)，建立安全地質(zhì)保障系統(tǒng)，進一步推動了高產(chǎn)高效礦井建設(shè)[31]。

經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國高產(chǎn)高效礦井地質(zhì)保障技術(shù)取得了突破性進展，基本構(gòu)建形成了“雙高”煤炭地質(zhì)保障體系[32]?？傮w來說，“雙高”煤炭地質(zhì)保障體系是煤田地質(zhì)勘探技術(shù)方法的延伸和深化，其應用范圍從礦井規(guī)劃建設(shè)到綜采工作面回采結(jié)束，貫穿煤炭開采全過程的地質(zhì)探測、研究、預測過程[26]。從技術(shù)上看，高產(chǎn)高效礦井地質(zhì)保障工作[33]是根據(jù)高產(chǎn)高效礦井機械化、集中化程度高的特點，以地質(zhì)量化預測為先導，以物探、鉆探等綜合技術(shù)為手段，并依托先進的計算機技術(shù)實現(xiàn)地質(zhì)工作的動態(tài)管理，主要包括3個方面：①將地球物理技術(shù)、基礎(chǔ)地質(zhì)勘探手段與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)有機結(jié)合，并應用于煤礦采區(qū)開采地質(zhì)條件的預測與評價；②利用地面三維地震、礦井物探、地面鉆探和井巷工程等多元數(shù)據(jù)，查明采區(qū)內(nèi)斷層分布、煤層埋藏深度與厚度、煤層的傾角與露頭位置、巖溶裂隙發(fā)育帶的分布和隔水層厚度；③利用GIS技術(shù)建立礦井多元信息集成系統(tǒng)，把三維地震、礦井物探、構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)等多元信息進行復合、綜合分析后建立預測與評價模型，實現(xiàn)地質(zhì)資料信息化和數(shù)字化。

21世紀以來，煤炭工業(yè)快速發(fā)展，在采煤工藝和技術(shù)裝備研發(fā)方面都取得了長足的進展，煤礦生產(chǎn)效率和質(zhì)量持續(xù)走高，出現(xiàn)了煤炭“黃金十年”現(xiàn)象[34]。但由于煤炭開采過程中隱蔽致災地質(zhì)因素尚未探查清楚，煤礦各類地質(zhì)災害事故頻發(fā)，煤炭地質(zhì)保障技術(shù)亟需從服務于礦井建設(shè)升級到服務于煤礦生產(chǎn)，從地面到井下全方位服務于煤礦隱蔽致災地質(zhì)因素的探查與治理，實現(xiàn)煤礦的安全高效生產(chǎn)。韓德馨等[35]指出安全高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)采用量化預測、綜合探測等技術(shù)，依托計算機等先進技術(shù)，查明影響煤炭開采的地質(zhì)因素，為煤礦生產(chǎn)各個層次和階段提供可靠的地質(zhì)保障；趙宗沛等[36]提出了基于地質(zhì)基礎(chǔ)資料的管理、地質(zhì)資料綜合分析和采前地質(zhì)探測，建立適于不同層次、不同地質(zhì)條件的地質(zhì)安全保障系統(tǒng)；筆者[14]論述了煤礦安全高效生產(chǎn)地質(zhì)保障技術(shù)、裝備及應用現(xiàn)狀，指出煤礦生產(chǎn)是一個龐大的地下系統(tǒng)工程，準確的地質(zhì)資料和超前預測是煤礦安全和高效生產(chǎn)最根本的保障條件。

煤炭安全高效開采地質(zhì)保障主要是對煤礦隱蔽致災地質(zhì)因素的探查與治理[37]。國外相關(guān)機構(gòu)在瞬物探領(lǐng)域取得了一系列成果。國內(nèi)以中國煤炭科工集團為代表的研究院致力于煤炭開采地質(zhì)保障技術(shù)研究，主要是以礦井地質(zhì)規(guī)律分析技術(shù)方法為基礎(chǔ)，采用先進的計算機信息處理技術(shù)，結(jié)合物探和鉆探技術(shù)，對隱蔽致災地質(zhì)因素進行探查與預測，研發(fā)出了先進的物探、鉆探技術(shù)與裝備。以三維地震、地面電法、礦井電法、槽波地震等為特色的地球物理探測技術(shù)與裝備趨于成熟[38-41]，煤層底板高承壓奧灰?guī)r溶水害隱患地面區(qū)域超前治理的新技術(shù)得到應用[42]，煤礦井下順煤層超長定向鉆孔創(chuàng)造了3 353 m的世界紀錄[43]，這些技術(shù)與裝備的發(fā)展為我國煤礦安全高效生產(chǎn)提供了堅實的地質(zhì)保障。

2 煤炭智能開采地質(zhì)保障技術(shù)難題

目前，煤炭工業(yè)正面臨新一輪的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革，2020年3月，八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》[44]，指出要重點突破精準地質(zhì)探測、重大危險源智能感知與預警，到2025年實現(xiàn)開拓設(shè)計、地質(zhì)保障等系統(tǒng)的智能化決策和協(xié)同運行，煤炭地質(zhì)保障進入了服務于煤炭智能開采新階段[45]。彭蘇萍[46]指出從地質(zhì)層面確保智能開采工作的順利進行，提高礦井地質(zhì)的透明化水平是地質(zhì)保障的核心。王國法等[47]指出工作面智能開采必須建立在煤層地質(zhì)情況全面詳細了解的基礎(chǔ)之上，需要在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達及信息動態(tài)關(guān)聯(lián)上進一步攻關(guān)。筆者[48]指出煤礦智能化開采是煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然發(fā)展趨勢，這就要求煤炭地質(zhì)保障系統(tǒng)不僅要在精準探測技術(shù)上實現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新和跨越式發(fā)展[49]，還要實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息、知識三層架構(gòu)下的全息透明[50]。但總體來說，我國煤炭智能開采地質(zhì)保障技術(shù)還未成熟，仍然面臨以下3個方面的技術(shù)難題。

2.1 地質(zhì)條件探測精度

目前以“遠程視頻監(jiān)控、采煤機記憶截割”為主要特征的智能化開采，主要通過高清攝像頭和傳感器獲取工作面的實時工況，利用記憶截割技術(shù)指導采煤機自動截割，但該開采方法不具有普適性，只適用于煤層起伏變化小、地質(zhì)構(gòu)造簡單的工作面，無法適應在煤層起伏變化大、地質(zhì)構(gòu)造復雜的工作面連續(xù)工作，制約了煤礦智能化開采的推廣[51]。因此，要想真正實現(xiàn)煤炭智能開采，必須對礦井地質(zhì)構(gòu)造、煤層變化等進行精準探測和動態(tài)解釋[52]。目前，采用高精度三維地震對地下煤巖層的控制精度達到十米級，井下槽波、無線電波透視等其他主要物探手段的控制精度在米級，但是智能開采工作面采煤機滾筒控制精度要求達到厘米級，如何進一步提升煤炭地質(zhì)條件探測精度，并集成多種探測技術(shù)，動態(tài)融合更新標定地下煤巖層空間位置，建立多屬性動態(tài)三維地質(zhì)模型，以此指導三機協(xié)同工作是煤炭智能開采地質(zhì)保障面臨的一大技術(shù)難題。

2.2 動態(tài)地質(zhì)信息監(jiān)測

隨著煤礦井下“采、掘、機、運、通、排”六大系統(tǒng)智能化、無人化的進程不斷推進，大量智能傳感器廣泛應用于礦井生產(chǎn)各個子系統(tǒng)，通過對礦井全要素、全周期進行智能在線監(jiān)測與信息互饋，從而實現(xiàn)數(shù)字化管控[53]。一般來說，礦井地質(zhì)動態(tài)信息監(jiān)測主要采用微震、連續(xù)電法等常規(guī)手段對重點區(qū)域的狀態(tài)信息進行監(jiān)測。但是，由于采掘擾動，煤炭開采圍巖平衡性有可能被破壞，若地質(zhì)條件失穩(wěn)，會引發(fā)各種地質(zhì)災害。因此，需要及時準確地獲取采區(qū)地質(zhì)條件的變化信息，減少事故的發(fā)生[54]。目前，礦井地質(zhì)動態(tài)信息監(jiān)測中應用的電法監(jiān)測和微震監(jiān)測，雖然監(jiān)測范圍相對較大，但數(shù)據(jù)處理存在一定的延時性；水文監(jiān)測、瓦斯監(jiān)測和應力監(jiān)測雖然實時性相對較高，但監(jiān)測范圍相對較??；此外，地質(zhì)測量工作遠沒有擺脫單一化的監(jiān)測手段和人工輔助測量分析的局面，由于監(jiān)測手段落后，很難及時獲取煤礦開采過程中隱蔽致災因素前期的先兆信息，成為制約煤炭智能開采的又一技術(shù)難題。

2.3 統(tǒng)一的地質(zhì)基礎(chǔ)

煤礦工業(yè)信息網(wǎng)絡越來越成熟，生產(chǎn)系統(tǒng)以及地質(zhì)資料等數(shù)據(jù)庫的建立使得各專業(yè)數(shù)據(jù)獲取量迅速增長，在單一的子專業(yè)系統(tǒng)領(lǐng)域，充分發(fā)揮了專業(yè)信息的創(chuàng)造性，提升了煤礦數(shù)據(jù)資料的利用率和準確率[55]。但是地質(zhì)系統(tǒng)與開采系統(tǒng)存在系統(tǒng)壁壘，相對孤立封閉運行，缺少互聯(lián)互通，海量多源地質(zhì)數(shù)據(jù)通常未被充分的利用、挖掘和融合，不能服務于煤炭智能開采，形成了數(shù)據(jù)孤島，造成資源的浪費[56]。

此外，煤礦智能化子系統(tǒng)都擁有各自的基礎(chǔ)平臺，且每個平臺中專業(yè)軟件與數(shù)據(jù)管理標準一一對應，專業(yè)化軟件和數(shù)據(jù)庫等采用單獨計算、存儲和網(wǎng)絡通信資源的煙囪式部署[57]，由于缺乏統(tǒng)一的地質(zhì)基礎(chǔ)，未建立煤礦地質(zhì)信息化標準體系，設(shè)備間的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等都依照之前的孤立專業(yè)子系統(tǒng)設(shè)置，數(shù)據(jù)端接口封閉，這就導致智能開采地質(zhì)保障各子系統(tǒng)之間無法實現(xiàn)實時互聯(lián)互通，業(yè)務體系與流程相互孤立，未能形成真正的數(shù)字化管控體系。因此，為實現(xiàn)煤炭智能開采，充分挖掘多源海量地質(zhì)數(shù)據(jù)并有效地服務于煤炭開采，打通地質(zhì)與各系統(tǒng)之間的壁壘，為煤礦生產(chǎn)提供統(tǒng)一的地質(zhì)基礎(chǔ)是亟需解決的技術(shù)難題。

3 煤炭智能開采地質(zhì)保障關(guān)鍵技術(shù)

針對以上3個方面的技術(shù)難題，在以往煤炭地質(zhì)保障技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建面向煤炭智能開采的地質(zhì)保障技術(shù)體系，主要包含高精度綜合探測、一體化智能在線監(jiān)測、工作面地質(zhì)透明化三個方面。

3.1 高精度綜合探測

地質(zhì)信息的獲取是煤炭智能開采中地質(zhì)透明化的基礎(chǔ)，如何獲取高精度的地質(zhì)信息是煤炭地質(zhì)保障的重要任務之一。為突破地質(zhì)條件探測精度不足這一瓶頸，更好服務于煤炭智能開采，程建遠等[58]提出利用高精度綜合探測技術(shù)對礦井進行多層級、遞進式探測。高精度綜合探測技術(shù)[59]主要包括高密度全數(shù)字三維地震探測技術(shù)、井下槽波地震探測技術(shù)、定向鉆探技術(shù)和孔中物探技術(shù)等。

高密度全數(shù)字三維地震勘探提高了地震數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率[60]，增強了小地質(zhì)目標體成像功能，可以更真實地反映煤層的真實構(gòu)造形態(tài)。目前，高密度全數(shù)字三維地震勘探在查明煤層頂?shù)装?、小斷層、陷落柱等方面已?jīng)取得了顯著的效果，有望為今后的透明工作面三維建模提供準確的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

井下探測手段中，槽波地震勘探通過高震源激發(fā)頻率，在探測范圍內(nèi)布置接收點和激發(fā)點，實現(xiàn)高接收信號頻率、強能量、高信噪比、高分辨率成像等功能。目前，槽波地震勘探在透明工作面內(nèi)部構(gòu)造探測上，可以實現(xiàn)沖刷帶、小斷層等的精細探測，其探測準確率大于80%，成為煤礦地質(zhì)精細化探測的一項關(guān)鍵技術(shù)[61]。

定向鉆探技術(shù)具有探測距離遠、探測精度高等特點，可以實現(xiàn)煤層穩(wěn)定性、充水水源、采空區(qū)、陷落柱以及斷層等[62]探查，但其施工成本相對較高、探測范圍較小。因此，需充分利用鉆孔、結(jié)合物探手段對鉆孔徑向一定范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造、煤層頂?shù)装迤鸱⒚簬r界面、低阻異常區(qū)等綜合探測。此外，利用孔中三分量瞬變電磁探測可以準確定位異常體的深度和方位；利用鉆孔雷達可以測量出順煤層鉆孔煤層頂?shù)装逦恢?，為高精度三維地質(zhì)建模提供依據(jù)。

基于上述高精度探測技術(shù)，利用智能化儀器設(shè)備，采用多層級、遞進式探測方法，通過地面勘探、井下探測、采掘揭露等手段分別構(gòu)建工作面黑箱、灰箱、白箱、透明箱地質(zhì)模型，可以解決地質(zhì)條件探測精度不足的問題，逐級實現(xiàn)地質(zhì)透明化，進而為煤礦探、掘、采一體化生產(chǎn)服務。

3.2 一體化智能在線監(jiān)測

煤與瓦斯突出、沖擊地壓、礦井突水、斷層或陷落柱等煤礦動力災害是制約煤炭智能開采的隱蔽致災地質(zhì)因素，需采用多種技術(shù)手段對各類致災因素進行實時監(jiān)測，并對工作面內(nèi)的空間環(huán)境狀態(tài)進行獲取，從而實現(xiàn)災害預警，減少煤炭開采過程中災害事故的發(fā)生。

微震監(jiān)測技術(shù)[63-64]具有實時、連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點，能實時監(jiān)測巖石破裂現(xiàn)象。采用微震監(jiān)測手段對工作面內(nèi)部進行探測與解釋，可實現(xiàn)工作面頂?shù)装迤茐牡脑诰€監(jiān)測以及導水通道從孕育、發(fā)展到最終失穩(wěn)全過程描述。

電法監(jiān)測[65]可以實時在線監(jiān)測采動過程中煤層頂?shù)装逡曤娮杪实淖兓Y(jié)合微震監(jiān)測結(jié)果，可以分析圍巖破壞范圍和含水體是否導通等。

除了礦井水害等監(jiān)測之外，還需進一步豐富地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，利用掘進機切割煤體所產(chǎn)生的地震回波信號作為巷道隨掘超前探測的震源激發(fā)信號，基于多源地震理論及相關(guān)干涉理論，利用巷道隨掘超前探測三維成像技術(shù)進行時域、頻域分析、相關(guān)干涉及隨掘地震成像，實現(xiàn)掘進工作面前方100~ 300 m范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的動態(tài)、智能探測[66]。煤礦智能化開采是一個系統(tǒng)工程，隨采隨掘隨鉆智能探測技術(shù)，將為智能開采、智能掘進提供高精度的“地質(zhì)導航”。

煤礦智能化透明礦井建設(shè)、災害精準預警需要更高精度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，提升地質(zhì)信息精度不但需要多屬性監(jiān)測技術(shù)，還需要改進監(jiān)測材料及工藝。光纖光柵傳感器利用光纖光柵波長變化的高靈敏性，對溫度、應力、應變、加速度等物理量進行高精度的直接測量?？捎糜诒O(jiān)測井下水溫水壓、應力應變等物理參數(shù)[67]，為災害預警提供基礎(chǔ)的參數(shù)信息。

依托先進的動態(tài)監(jiān)測技術(shù)及材料工藝，豐富和完善了煤礦開采工作面地質(zhì)屬性信息，為了進一步對煤礦井下進行空間定位和場景重構(gòu)，采用井下抗干擾能力強、點云密度大的高精度三維激光雷達[68]，對地下環(huán)境進行3D成像及同步定位與地圖構(gòu)建。基于三維激光雷達掃描可以創(chuàng)建虛擬的采煤場景，將井下數(shù)字化采掘設(shè)備映射在虛擬場景中，實現(xiàn)采掘活動的真實重現(xiàn)。

通過上述多物理場、多參數(shù)的一體化實時在線監(jiān)測，可為煤炭開采過程中災害預警提供理論和數(shù)據(jù)支撐，促進煤礦安全高效智能開采。

3.3 工作面地質(zhì)透明化

煤炭開采是一個隨時空變化的動態(tài)過程，因此，在工作面開采過程中的地質(zhì)認識也是一個不斷深化和更新的過程。這就需要充分利用煤礦生產(chǎn)各個階段的多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)提取出可利用于煤炭智能開采的地質(zhì)信息，進而實現(xiàn)工作面地質(zhì)透明化。工作面地質(zhì)透明化技術(shù)流程如圖1所示。

首先，煤炭智能開采地質(zhì)探測、監(jiān)測數(shù)據(jù)可以分為3類：以地面鉆探、物探等數(shù)據(jù)為主的靜態(tài)數(shù)據(jù)；以工作面巷道掘進和回采期間得到的更新數(shù)據(jù)為主的動態(tài)數(shù)據(jù)；以工作面回采過程中獲得的隨采地震、電磁法監(jiān)測、微震監(jiān)測等在線監(jiān)測數(shù)據(jù)為主的實時數(shù)據(jù)。這些多源數(shù)據(jù)存在復雜性、異構(gòu)性、海量性、孤立性，但又存在相關(guān)性，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)配準標定、交叉驗證、聯(lián)合反演，整合安全可靠、高性能的數(shù)據(jù)預處理算法，聚合動態(tài)、靜態(tài)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，將多種異構(gòu)數(shù)據(jù)源一鍵接入，降低地質(zhì)數(shù)據(jù)的多解性，提高數(shù)據(jù)的精度，逐級完成數(shù)據(jù)級融合、特征級融合、決策級融合[69]。

圖1 工作面地質(zhì)透明化技術(shù)流程

其次，利用高密度三維地震數(shù)據(jù)體為基礎(chǔ)地質(zhì)構(gòu)造框架，以鉆探、采掘數(shù)據(jù)、鉆孔雷達等進行模型動態(tài)標定，實現(xiàn)煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造幾何建模，并通過槽波地震勘探和電磁法探測的地質(zhì)信息進行構(gòu)造和含水體等屬性填充，以多種智能在線監(jiān)測手段同步實時映射更新工作面地質(zhì)模型，實現(xiàn)動態(tài)逐級透明化建模。

再次，為了將融合建模后的統(tǒng)一數(shù)據(jù)體轉(zhuǎn)化為服務于智能開采的信息和知識，需將新一代信息通信技術(shù)與傳統(tǒng)地質(zhì)勘探、煤炭開采深度融合，搭建“數(shù)據(jù)透明-信息透明-知識透明”三層全息透明架構(gòu)，構(gòu)建包含智能傳輸控制、智能數(shù)據(jù)服務、智能應用三大部分的流程化分工協(xié)作模式，首先將動態(tài)數(shù)據(jù)聚合集成，將信息結(jié)構(gòu)化后系統(tǒng)升級為知識，完成數(shù)據(jù)、信息、知識對事物認識的3個連貫階段，使架構(gòu)體系更好地運行，采用流程化、模塊化的思想，將5G、云計算、數(shù)字孿生、服務中臺等新興技術(shù)與傳統(tǒng)地質(zhì)行業(yè)相結(jié)合，實現(xiàn)開采智能控制、數(shù)據(jù)智能服務和模塊智能應用，打通地質(zhì)信息與開采系統(tǒng)之間的壁壘，實現(xiàn)從地質(zhì)到開采各個要素之間統(tǒng)一的規(guī)范化集成、系統(tǒng)化重構(gòu)。

最后，基于多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)和三維可視化建模技術(shù)，將井下各類物探、鉆探數(shù)據(jù)進行集成、融合和分析，實現(xiàn)模型的動態(tài)更新和實時可視化表達。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)字孿生模型[70]，將真實開采工況映射至虛擬空間，對物理實體的幾何、構(gòu)造特征進行仿真描述，基于一個多維多屬性矢量空間框架與平臺，真實展現(xiàn)出物理模型的幾何形態(tài)和屬性狀態(tài)，指導智能開采，實現(xiàn)三維動態(tài)地質(zhì)模型與煤礦生產(chǎn)決策系統(tǒng)實時互饋和動態(tài)優(yōu)化。

4 煤炭智能開采地質(zhì)保障技術(shù)展望

隨著以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等為代表的新一代信息通信技術(shù)在煤礦智能化建設(shè)中落地應用，煤炭智能開采對地質(zhì)保障技術(shù)提出了更高的要求。針對地質(zhì)信息的有限性、隱蔽性、灰色性和多解性，以及多源海量信息間成非線性的特點，煤炭地質(zhì)保障技術(shù)不僅需要采用人工智能等輔助決策技術(shù)來確定隱蔽致災地質(zhì)因素，實現(xiàn)智能預警，還需將各種形式的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標準集成到統(tǒng)一平臺上，采用多源信息的聚合、整合、融合處理技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進行處理且通過統(tǒng)一網(wǎng)絡集成，實現(xiàn)信息共享和功能共享。因此，筆者提出煤炭智能開采地質(zhì)保障技術(shù)平臺化、標準化的發(fā)展方向，為安全高效智能綠色的煤炭開采提供可靠準確的地質(zhì)保障。

4.1 智能開采地質(zhì)保障云平臺

煤炭智能開采是一個多專業(yè)、多領(lǐng)域融合的巨系統(tǒng)[71]，地質(zhì)保障是其重要基礎(chǔ)，須將各項地質(zhì)工作充分融入煤炭智能開采各個系統(tǒng)中，在橫向上整合多專業(yè)系統(tǒng)，縱向上集成多業(yè)務層級，使得煤炭智能開采地質(zhì)保障體系流程更加完善。

煤炭智能開采涉及地質(zhì)、掘進、開采、通風、機電、運輸、排水、安全等多個專業(yè)與部門，利用大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，采用數(shù)據(jù)協(xié)同及多專業(yè)協(xié)作機制，建設(shè)地質(zhì)保障云平臺(圖2)：通過建設(shè)時空一體化數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準與口徑，利用應力、溫度、濕度、濃度等多參數(shù)傳感器監(jiān)測技術(shù)裝備，從而對煤礦地質(zhì)空間信息動態(tài)修正，實現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)各部門的信息集成與共享，加大統(tǒng)一管控的能力；通過大數(shù)據(jù)以及人工智能進行分析和預測，提升決策支持水平，拓展業(yè)務集成融合的廣度和寬度，信息全面集成，數(shù)據(jù)標準準確統(tǒng)一。

地質(zhì)保障云平臺實現(xiàn)了地質(zhì)探測數(shù)據(jù)的數(shù)字化分類存儲，增強了數(shù)據(jù)信息的實時性、共享性、標準性及可靠性，為煤礦水害監(jiān)測預警、瓦斯抽采監(jiān)測決策、沖擊地壓監(jiān)測分析、智能通風監(jiān)測管控等地質(zhì)保障工作提供統(tǒng)一平臺；提供了地質(zhì)信息和工程信息共享和協(xié)同處理機制以及三維交互可視化展示，為智能開采提供高精度電子地圖導航，為數(shù)據(jù)采集、整合及分析應用提供支撐，優(yōu)化和重構(gòu)地質(zhì)保障工作流程，為智能開采數(shù)字化管控提供了地質(zhì)基礎(chǔ)；通過基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中臺、服務中臺、服務應用、應用前臺和用戶入口實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息、知識的全息透明，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建智能地質(zhì)保障系統(tǒng)，為煤礦生產(chǎn)與決策提供智能地質(zhì)綜合保障，進而實現(xiàn)煤礦的綠色智能開采。

圖2 地質(zhì)保障云平臺技術(shù)架構(gòu)

4.2 智能開采地質(zhì)保障技術(shù)標準體系構(gòu)建

煤礦智能化給地質(zhì)保障技術(shù)的發(fā)展帶來了前所未有的挑戰(zhàn)和機遇，目前我國仍處于煤礦智能化的探索階段，相應的煤炭智能開采地質(zhì)保障技術(shù)也處于初級發(fā)展階段，需要不斷的完善改進。但由于我國煤層賦存條件復雜多樣，不同煤炭企業(yè)對煤礦智能化的開采要求、技術(shù)路徑和發(fā)展目標等存在較大差異，相應的地質(zhì)保障技術(shù)需求也不盡相同。此外，如何對煤炭智能開采地質(zhì)保障技術(shù)進行評價也是行業(yè)內(nèi)面臨的一個難題，例如如何定義量化指標和評作工作面透明程度等。因此，需要全面分析煤炭智能開采對地質(zhì)保障技術(shù)的要求，深入研究地質(zhì)保障技術(shù)的評價方法，編制相應技術(shù)標準，不僅可以規(guī)范地質(zhì)保障技術(shù)和裝備的應用，還能通過量化指標對地質(zhì)保障系統(tǒng)進行準確可靠的評價。

煤炭智能開采地質(zhì)保障技術(shù)標準體系應包含基礎(chǔ)地質(zhì)工作、礦井水害防治、煤礦瓦斯治理、沖擊地壓防治和煤礦地質(zhì)透明化的相關(guān)技術(shù)與評價方法?；A(chǔ)地質(zhì)工作指建井、掘進、回采前、回采中的地質(zhì)勘探工程和具備的地質(zhì)資料分析、制圖等；礦井水害、瓦斯、沖擊地壓等災害防治應對其超限預警指標、防治措施等做出相應規(guī)定；煤礦地質(zhì)透明化主要包括數(shù)據(jù)采集要求、數(shù)據(jù)處理存儲方式、三維建模、透明度評價方法等做出具體規(guī)定。

煤炭地質(zhì)保障技術(shù)標準體系的構(gòu)建具有可操作性和高可靠性，有利于提高煤炭地質(zhì)保障工作的科學性、全面性、系統(tǒng)性和預見性，為煤炭智能開采提供準確可靠的地質(zhì)基礎(chǔ)，從而加速煤礦智能化建設(shè)，促進我國煤炭工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

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Technologies and prospect of geological guarantee for intelligent coal mining

DONG Shuning1,2, LIU Zaibin1, CHENG Jianyuan1, CHEN Baohui1, DAI Zhenhua1,3, LI Dan1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technologyand Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China; 3. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

Intelligent coal mining is the strategic selection of the coal industry under the new round of technological change. It is the way that must get through to achieve efficient production of coal mine safety. Geological guarantee technologies can provide accurate and reliable geological data for intelligent coal mining. Moreover, it could reduce the occurrence of coal mine production disasters and accidents by effectively detecting hidden geological factors. The development process of coal geological guarantee technologies in China is systematically expatiated, from serving for resource exploration, high-yield and efficient mine construction to serving for safe and efficient production of coal mines, from basic geological exploration work, GIS mapping to hidden disaster factors detecting and exploration. Coal geological guarantee technologies in different periods has distinct characteristics. In sufficient accuracy of geological condition detection, difficulty of monitoring dynamic geological information and lacks of unified geological foundation were analyzed. An upgraded geological guarantee technology system for intelligent coal mining which mainly contains high precision integrated detection, integrated intelligent on-line monitoring and geology transparency of mining workface was put forward on the basis of the previous geological guarantee technologies research. It could realize digitization, 3D visualization and intellectualization of geological guarantee through the comprehensive accurate perception of geological information, dynamic integration, synchronous mapping and digital twin feedback during mining. Facing a new round of energy science and technology revolution and industrial change, considering the new requirements for coal mine safety under the new situation development, the development direction of geological support cloud platform and technical standard system construction were put forward. Platform-based and standardized technology system can provide reliable geological guarantee for safe, efficient and intelligent green coal mining.

intelligent mining; geological guarantee; transparent mine; integrated detection; intelligent monitoring

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語音講解

TD163

A

1001-1986(2021)01-0021-11

2020-12-26；

2021-01-21

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0804100)；天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項重點項目(2019-TD-ZD003)；天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項項目(2018-TD-MSD072)

董書寧，1961年生，男，陜西藍田人，博士，研究員，博士生導師，從事礦井水害防治與地質(zhì)保障技術(shù)研究工作. E-mail：dongshuning@cctegxian.com

董書寧，劉再斌，程建遠，等. 煤炭智能開采地質(zhì)保障技術(shù)及展望[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：21–31. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.003

DONG Shuning，LIU Zaibin，CHENG Jianyuan，et al. Technologies and prospect of geological guarantee for intelligent coal mining[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：21–31. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.003

(責任編輯 晉香蘭)