程建遠(yuǎn)，王保利 ，范 濤 ，王云宏 ，蔣必辭

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710077；2.煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京 100013)

0 引 言

煤炭地質(zhì)工作是煤炭資源勘查、開(kāi)發(fā)、利用全過(guò)程中所有地質(zhì)工作的統(tǒng)稱(chēng)，它包含煤田地質(zhì)與煤礦地質(zhì)2個(gè)階段。煤田地質(zhì)是指煤礦建井階段之前開(kāi)展的地質(zhì)工作，煤礦地質(zhì)是由建井階段的礦建地質(zhì)與生產(chǎn)階段的礦井地質(zhì)組成，其中礦井地質(zhì)是在煤礦建井和生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行的、直接為煤礦生產(chǎn)服務(wù)的地質(zhì)工作，它的主要任務(wù)是查明影響正常生產(chǎn)、開(kāi)拓和回采的煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等，研究煤層和圍巖中瓦斯賦存規(guī)律，掌握煤礦儲(chǔ)量變化情況，為礦井安全高效生產(chǎn)提供地質(zhì)保障服務(wù)[1-2]。近年來(lái)，透明地質(zhì)、地質(zhì)透明化等不斷涌現(xiàn)的新概念[3-5]，是煤礦智能開(kāi)采階段傳統(tǒng)礦井地質(zhì)工作的延伸和深化，也是由數(shù)字地球、透明地球、透明礦山等衍生的熱詞[6-7]。

1998年，美國(guó)前副總統(tǒng)戈?duì)柺状翁岢隽恕皵?shù)字地球”的概念[8]，隨后數(shù)字礦山、數(shù)字煤礦、數(shù)字城市等概念在不同行業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)[9-11]；1999年，澳大利亞地質(zhì)學(xué)家Carr等在“數(shù)字地球”的基礎(chǔ)上，提出了“玻璃地球”的概念，其含義是建立一個(gè)橫向分區(qū)或連片的、多尺度的、數(shù)字化的、透明的地殼淺層模型，其中凝聚了所能采集的全部地質(zhì)空間信息和屬性信息[12]；此后，透明地球[13]、透明礦山[14]、智能礦山[15]、智慧礦山[16]等新的名詞術(shù)語(yǔ)，可以視為“數(shù)字地球”“玻璃地球”概念在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。自從2014年黃陵一礦1001工作面無(wú)人化開(kāi)采首次取得成功以來(lái)，我國(guó)煤礦開(kāi)采進(jìn)入了智能開(kāi)采的新發(fā)展階段，“透明地質(zhì)”逐漸得到了采礦專(zhuān)家的高度重視[17]。2017年，袁亮院士率先提出基于透明空間地球物理和多物理場(chǎng)耦合、實(shí)現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采的科學(xué)構(gòu)想，這一構(gòu)想可以視為煤礦“透明地質(zhì)”的發(fā)端[18-19]；2020年，國(guó)家八部委聯(lián)合下發(fā)了“關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)”，明確提出構(gòu)建實(shí)時(shí)、透明的煤礦采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、洗選等數(shù)據(jù)鏈條，分級(jí)建設(shè)智能化平臺(tái)的總體要求[20]；2021年，王國(guó)法院士指出“透明地質(zhì)”技術(shù)對(duì)煤礦智能化的保障支撐能力不足，成為煤礦智能化的十大“痛點(diǎn)”之一[21]；同年，國(guó)家能源局、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局聯(lián)合頒布的《煤礦智能化建設(shè)指南(2021年版)》中，將智能地質(zhì)保障系統(tǒng)作為重要建設(shè)內(nèi)容，并設(shè)置了“透明地質(zhì)”專(zhuān)欄，提出了“建立實(shí)時(shí)更新的地質(zhì)與工程數(shù)據(jù)高精度融合模型，實(shí)現(xiàn)礦井地質(zhì)信息的透明化”的目標(biāo)和要求[22]。目前，隨著煤礦智能化建設(shè)速度的不斷加快，“透明地質(zhì)”“地質(zhì)透明化”已經(jīng)成為一個(gè)煤礦智能開(kāi)采領(lǐng)域高頻出現(xiàn)的熱詞。然而，對(duì)于“透明地質(zhì)” “地質(zhì)透明化”的內(nèi)涵與外延、應(yīng)用場(chǎng)景、實(shí)現(xiàn)路徑、關(guān)鍵技術(shù)等，目前尚缺少相關(guān)文獻(xiàn)的論述[23]。

詮釋了煤礦地質(zhì)透明化的含義，圍繞煤礦井下超前鉆孔、掘進(jìn)巷道、采煤工作面3個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，重點(diǎn)闡述煤礦地質(zhì)透明化的技術(shù)背景、目標(biāo)需求、實(shí)現(xiàn)路徑、關(guān)鍵技術(shù)等，提出分時(shí)段、分區(qū)段、分層級(jí)實(shí)現(xiàn)煤礦地質(zhì)透明化的技術(shù)思路。

1 煤礦地質(zhì)透明化的含義詮釋

1.1 煤礦地質(zhì)透明化的定義

在漢語(yǔ)詞典中，“透明”是指物質(zhì)透過(guò)光線(xiàn)的性質(zhì)或情況，形容透亮和明白；“地質(zhì)”泛指地球的性質(zhì)和特征，主要是指地球的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、發(fā)育歷史以及礦產(chǎn)資源的賦存狀況和分布規(guī)律等。從狹義上講，地質(zhì)體是無(wú)法透過(guò)光線(xiàn)的，因此“透明地質(zhì)”只是一種理想境界；從廣義上講，地質(zhì)體是可以透過(guò)物理射線(xiàn)的，如伽馬射線(xiàn)、聲波、電磁波等，因此在特定條件下地質(zhì)體是可以透明的。與“透明地質(zhì)”相對(duì)應(yīng)，“地質(zhì)透明化”是實(shí)現(xiàn)“透明地質(zhì)”的一個(gè)持續(xù)、漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程；“透明地質(zhì)”主要突出了地質(zhì)工作的結(jié)果，而“地質(zhì)透明化”則強(qiáng)調(diào)了“地質(zhì)透明”的過(guò)程。從這個(gè)意義上講，煤礦地質(zhì)工作的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“透明地質(zhì)”，其實(shí)現(xiàn)路徑是通過(guò)多種手段達(dá)到“地質(zhì)透明化”的過(guò)程。

迄今為止，“地質(zhì)透明化”尚無(wú)明確的定義。在邏輯學(xué)中，定義是通過(guò)一個(gè)概念明確另一個(gè)概念內(nèi)涵的邏輯方法，定義是由被定義項(xiàng)、下定義項(xiàng)和定義聯(lián)項(xiàng)3部分組成的，其中“被定義項(xiàng)”是其內(nèi)涵被明確的概念，如“地質(zhì)透明化”；“下定義項(xiàng)”是用來(lái)確定被定義項(xiàng)內(nèi)涵的概念，如“地質(zhì)透明化”的內(nèi)涵與外延；“定義聯(lián)項(xiàng)”是下定義項(xiàng)和被定義項(xiàng)之間的邏輯聯(lián)系。定義要揭示“被定義項(xiàng)”的本質(zhì)特征，“下定義項(xiàng)”的內(nèi)涵和外延應(yīng)與“被定義項(xiàng)”相等[24]。下定義的方法有:①屬加種差定義法；②語(yǔ)詞定義法，即揭示標(biāo)志概念的語(yǔ)詞意義的定義。這里，以語(yǔ)詞定義法給出煤礦地質(zhì)透明化的定義如下：煤礦地質(zhì)透明化是利用多種手段開(kāi)展地質(zhì)信息采集，并與采掘工程信息相互融合，構(gòu)建三維地質(zhì)模型，從而為煤礦生產(chǎn)提供超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

1.2 煤礦地質(zhì)透明化的內(nèi)涵

概念的內(nèi)涵是指一個(gè)概念所反映的事物的本質(zhì)屬性的總和，煤礦地質(zhì)透明化的內(nèi)涵是指在不同時(shí)間、不同空間、不同精度條件下煤礦地質(zhì)工作的內(nèi)容以及目標(biāo)。

在煤炭資源勘查、煤礦設(shè)計(jì)、建井、開(kāi)拓、掘進(jìn)和采煤等不同階段，煤礦地質(zhì)透明化的內(nèi)涵各不相同。在煤炭資源勘查階段，煤田地質(zhì)工作的內(nèi)容是查明含煤盆地的地層結(jié)構(gòu)、巖性分布、煤層層數(shù)、煤層厚度、地質(zhì)儲(chǔ)量、大中型構(gòu)造發(fā)育等地質(zhì)條件；在煤礦設(shè)計(jì)階段，煤田地質(zhì)工作的內(nèi)容是查明影響采區(qū)劃分的地質(zhì)構(gòu)造、煤層變化、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、瓦斯含量以及影響開(kāi)采的巖漿巖、火燒區(qū)、陷落柱等災(zāi)害地質(zhì)條件；在煤礦建井階段，建井地質(zhì)工作要求系統(tǒng)編錄所揭露的地質(zhì)信息，及時(shí)預(yù)報(bào)施工過(guò)程中的地質(zhì)問(wèn)題，為移交生產(chǎn)做好準(zhǔn)備；在大巷開(kāi)拓階段，礦井地質(zhì)工作要求超前查明潛在的隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，因?yàn)榇笙锏臉?biāo)高、走向、坡度不能輕易調(diào)整；在煤巷掘進(jìn)階段，礦井地質(zhì)的目標(biāo)是超前探明掘進(jìn)巷道前方的煤層起伏、厚度變化等幾何信息以及斷層、陷落柱、瓦斯、采空區(qū)等隱蔽致災(zāi)因素信息；在工作面回采階段，礦井地質(zhì)的目標(biāo)是預(yù)先查明采煤工作面前方的煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造等，同時(shí)要監(jiān)測(cè)采掘擾動(dòng)條件下動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的孕育演化等。

因此，煤礦地質(zhì)透明化在煤礦不同生產(chǎn)階段被賦予不同的地質(zhì)內(nèi)涵，它不是一個(gè)空泛的、靜止的、固化的概念，而是一個(gè)具體的、發(fā)展的、動(dòng)態(tài)的工作過(guò)程，其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是以能否滿(mǎn)足某一生產(chǎn)階段的地質(zhì)需求作為依據(jù)的。由于煤礦生產(chǎn)活動(dòng)是動(dòng)態(tài)的、遞進(jìn)的，這就要求地質(zhì)透明化能夠?qū)崿F(xiàn)適時(shí)的動(dòng)態(tài)透明、漸進(jìn)的局部透明和適配的透明度，即在時(shí)間上應(yīng)該是適時(shí)的、動(dòng)態(tài)的，無(wú)需過(guò)于超前；在空間上應(yīng)該是局部透明、漸進(jìn)透明，無(wú)需一次性達(dá)到礦井透明；在透明程度上是有限的、漸進(jìn)的，以滿(mǎn)足不同生產(chǎn)階段的地質(zhì)需求為目標(biāo)。

1.3 煤礦地質(zhì)透明化的外延

概念的內(nèi)涵代表了事物的屬性，概念的外延反映了具有特有屬性的事物的范圍；內(nèi)涵與外延總體呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的互補(bǔ)關(guān)系，概念內(nèi)涵越豐富則其外延越具體。因此，從煤礦生產(chǎn)的空間、時(shí)間和透明度3個(gè)維度出發(fā)，煤礦地質(zhì)透明化的外延可以按照煤礦生產(chǎn)在時(shí)空上的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)表達(dá)，即超前鉆孔地質(zhì)透明化、掘進(jìn)巷道地質(zhì)透明化、采煤工作面地質(zhì)透明化、煤礦采區(qū)地質(zhì)透明化、井田范圍地質(zhì)透明化等，這就是煤礦地質(zhì)透明化的外延范圍。具體內(nèi)涵如下：

1)超前鉆孔地質(zhì)透明化：在巷道掘進(jìn)前，利用鉆探與物探“兩探”融合的思路，縱向由鉆探控制、徑向由物探掃描，形成一個(gè)鉆孔“線(xiàn)狀”地質(zhì)透明化的脊線(xiàn)。

2)掘進(jìn)巷道地質(zhì)透明化：在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，利用“長(zhǎng)掘長(zhǎng)探”“隨掘隨探”等技術(shù)開(kāi)展動(dòng)態(tài)跟蹤探測(cè)，對(duì)異常區(qū)實(shí)施鉆探驗(yàn)證，形成掘進(jìn)巷道“束狀”地質(zhì)透明化的條帶。

3)采煤工作面地質(zhì)透明化：在工作面回采前，采用槽波地震、音頻電透視等技術(shù)對(duì)工作面靜態(tài)地質(zhì)條件開(kāi)展探測(cè)；在工作面回采過(guò)程中，開(kāi)展隨采地震、隨采電法、微震監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)等對(duì)動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，形成采煤工作面“帶狀”地質(zhì)透明化的區(qū)域。

4)煤礦采區(qū)地質(zhì)透明化：隨著超前鉆孔、掘進(jìn)巷道、采煤工作面等所獲地質(zhì)信息的不斷增加，接續(xù)工作面開(kāi)采地質(zhì)條件愈加透明，形成煤礦采區(qū)“片狀”地質(zhì)透明化的塊段。

5)井田范圍地質(zhì)透明化：在煤礦采區(qū)地質(zhì)透明化的基礎(chǔ)上，將地形、地層、構(gòu)造、巷道、設(shè)備等多源異構(gòu)信息加以融合，在統(tǒng)一地理坐標(biāo)系下構(gòu)建三維地質(zhì)模型，形成井田范圍“面狀”地質(zhì)透明化的區(qū)域。

限于篇幅，圍繞超前鉆孔、掘進(jìn)巷道與采煤工作面三大場(chǎng)景的地質(zhì)透明化，重點(diǎn)對(duì)不同場(chǎng)景地質(zhì)透明化的背景條件、實(shí)現(xiàn)路徑和關(guān)鍵探測(cè)技術(shù)展開(kāi)敘述。

2 煤礦地質(zhì)透明化的應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 超前鉆孔地質(zhì)透明化

鉆孔地質(zhì)透明化是指通過(guò)鉆探描述、鉆孔測(cè)量、鉆孔成像和鉆孔物探等手段，實(shí)現(xiàn)鉆孔縱向不同深度、徑向一定范圍內(nèi)煤巖層界面、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)災(zāi)害等地質(zhì)透明化的過(guò)程。

2.1.1 背景分析

鉆探作為一種最重要的地質(zhì)探測(cè)手段，在煤礦地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)異常體探測(cè)和儲(chǔ)量計(jì)算、災(zāi)害探查與治理等方面應(yīng)用廣泛，煤礦井下鉆孔的類(lèi)型、數(shù)量較多。從工程用途上分，煤礦井下鉆孔包括地質(zhì)孔、探放水孔、瓦斯抽采孔、消突鉆孔、卸壓孔、防塵孔等；從施工層位上分，包括順煤層孔、頂板孔、底板孔、穿層孔等；從成孔工藝上分，包括定向鉆孔、非定向孔。以煤與瓦斯突出礦井為例：采掘前需要施工底板穿層孔以掩護(hù)煤巷掘進(jìn)，煤巷掘進(jìn)階段需要施工超前泄壓孔以確保安全掘進(jìn)，而在工作面形成后、回采前需要在工作面內(nèi)部施工抽采卸壓孔，以達(dá)到瓦斯壓力小于0.74 MPa、含量小于8 m3/t的安全回采要求(圖1)；對(duì)于一個(gè)走向長(zhǎng)度2 000 m、傾向?qū)挾?00 m的工作面，暫不考慮到底板巖巷的穿層孔、煤巷掘進(jìn)的超前孔等，僅以工作面采前瓦斯抽采鉆探工作量估算：設(shè)兩條順槽按照鉆孔間距2 m、鉆孔深度110 m、兩巷對(duì)穿的作業(yè)方式，則需要施工鉆孔2 000個(gè)、鉆探進(jìn)尺22萬(wàn)m。

圖1 煤礦鉆孔分布示意Fig.1 Schematic of borehole distribution in coal mine

盡管煤礦井下鉆孔數(shù)量、鉆探進(jìn)尺較大，但是以前的鉆探施工僅服務(wù)于單一的工程目的，例如超前探放水、瓦斯抽采、超前卸壓等，缺乏“一個(gè)鉆孔就是一項(xiàng)工程”的系統(tǒng)思維，也缺少?gòu)牡刭|(zhì)透明化角度思考“一孔多用”等[25-26]。實(shí)際上，如果每個(gè)鉆孔能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)透明，并將鉆探與物探融為一體，鉆孔縱向依靠鉆探控制、徑向利用物探覆蓋，則能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔“線(xiàn)狀”地質(zhì)透明化。

2.1.2 實(shí)現(xiàn)路徑

煤礦井下超前鉆孔地質(zhì)透明化的實(shí)現(xiàn)路徑，主要包括4個(gè)步驟：

1)鉆孔測(cè)量：在鉆機(jī)開(kāi)孔前，對(duì)鉆孔位置、高度、方位角、傾角、層位等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，確保施工鉆孔參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求；在鉆進(jìn)過(guò)程中，利用MWD隨鉆測(cè)量系統(tǒng)或鉆孔軌跡測(cè)量?jī)x，測(cè)定鉆孔的空間軌跡[27]。

2)鉆探描述：在鉆機(jī)施工中，記錄鉆孔的深度、變徑、返渣、泥漿漏失量、鉆機(jī)給進(jìn)力、轉(zhuǎn)速、扭矩、起拔力、泥漿泵壓以及出水點(diǎn)、出水量、封孔長(zhǎng)度等，采用巖屑錄井方法初步判層。

3)鉆孔成像：鉆孔完鉆后，采用高清攝像頭對(duì)孔內(nèi)情況進(jìn)行顯示，錄制孔內(nèi)圖像，通過(guò)對(duì)孔壁視頻圖像分析，判斷巖性、構(gòu)造與穿層情況。

4)鉆孔物探：鉆孔封孔前，利用鉆孔伽馬[28]、鉆孔雷達(dá)[29]、鉆孔瞬變[30]、孔間透視[31]等鉆孔物探技術(shù)，對(duì)鉆孔徑向30 m范圍內(nèi)地層、構(gòu)造、含水性等開(kāi)展遠(yuǎn)探測(cè)，從而形成一條沿鉆孔軌跡延伸、徑向擴(kuò)展的鉆孔“線(xiàn)狀”地質(zhì)透明化的脊線(xiàn)。

2.1.3 關(guān)鍵技術(shù)

在鉆孔地質(zhì)透明化過(guò)程中，鉆探描述、鉆孔測(cè)量、鉆孔成像等技術(shù)比較成熟，鉆孔物探包括鉆頭前方探測(cè)(簡(jiǎn)稱(chēng)“前探”)和鉆孔徑向遠(yuǎn)探測(cè)(簡(jiǎn)稱(chēng)“遠(yuǎn)探”)2項(xiàng)新技術(shù)，其中“前探”主要服務(wù)于地質(zhì)導(dǎo)向定向鉆進(jìn)，鉆孔地質(zhì)雷達(dá)[32]、鉆孔瞬變電磁探測(cè)技術(shù)[33]是實(shí)現(xiàn)鉆孔徑向“遠(yuǎn)探”的核心技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)鉆孔徑向的分層定厚、構(gòu)造探測(cè)以及富水區(qū)探測(cè)等[26]。

筆者針對(duì)鉆孔物探的開(kāi)孔定向、鉆孔成像2項(xiàng)技術(shù)加以闡述。

1)開(kāi)孔定向技術(shù)。鉆孔設(shè)計(jì)的開(kāi)孔位置、高度、傾斜角、方位角和孔深等參數(shù)中，開(kāi)孔位置與高度由地測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)確定并測(cè)量記錄，傾角參數(shù)在開(kāi)鉆前易于測(cè)量和校準(zhǔn)，鉆孔深度在不要求實(shí)時(shí)連續(xù)記錄情況下能夠以加裝鉆桿的長(zhǎng)度累加方式獲得；鉆孔開(kāi)孔的方位角測(cè)量方法與誤差問(wèn)題以往經(jīng)常被忽視，一些煤礦采用地質(zhì)羅盤(pán)地磁測(cè)量的方式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量鉆孔方位角，經(jīng)常造成10°～20°的測(cè)量誤差，因?yàn)樵阢@場(chǎng)強(qiáng)鐵磁干擾環(huán)境下地質(zhì)羅盤(pán)的指北針容易被磁化[34]，而鉆孔開(kāi)孔方位角如同“瞄準(zhǔn)鏡”的準(zhǔn)星，“失之毫厘，差之千里”。

由于煤礦井下鉆場(chǎng)周?chē)嬖趶?qiáng)鐵磁干擾，在這種復(fù)雜工況條件下，基于地球自轉(zhuǎn)加速度測(cè)量的慣性陀螺測(cè)量技術(shù)，以陀螺及加速度計(jì)等慣性傳感器為基礎(chǔ)進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)鉆孔開(kāi)孔方位角、傾角的高精度測(cè)量[35]。如光纖陀螺的動(dòng)態(tài)航向精度達(dá)到了±0.2′、靜態(tài)穩(wěn)定時(shí)間小于1 min、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)間不大于4 min、尋北精度0.056°，反應(yīng)時(shí)間不到5 min[36]。

2)鉆孔成像技術(shù)。鉆孔成像技術(shù)是將高清攝像頭和自適應(yīng)廣角鏡頭安裝到成像探管中，然后將成像探管送入孔內(nèi)，拍攝孔壁四周全景圖像，并通過(guò)電纜將視頻圖像傳送到孔口監(jiān)視器，地質(zhì)人員可以實(shí)時(shí)觀看孔壁四周的圖像；同時(shí)，攝像機(jī)錄下整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的圖像，也可將某一深度圖像以照片傳輸?shù)街鳈C(jī)，用于分析鉆孔內(nèi)部的煤巖界面、井壁地層裂隙及巖溶發(fā)育情況等(圖2)。

鉆孔成像儀一般與鉆孔深度記錄儀、鉆孔測(cè)斜儀、自然伽馬等測(cè)量探管同時(shí)入孔，以便于開(kāi)展視頻信息與探測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析。

2.1.4 應(yīng)用案例

受客觀因素限制，煤礦井下鉆探施工難以采取地質(zhì)巖心。為綜合判斷鉆孔中煤巖界面的位置，某礦開(kāi)展了鉆孔軌跡測(cè)量、鉆孔成像、鉆孔伽馬、鉆孔雷達(dá)等鉆孔物探工作。17.5 m和25.5 m處鉆孔成像的結(jié)果如圖2所示，可以看到孔內(nèi)煤渣及孔壁、孔徑的變化情況；該孔在35 m附近鉆孔伽馬發(fā)生突變,在34 m附近鉆孔雷達(dá)反射強(qiáng)度明顯變?nèi)?，如圖3所示，據(jù)此綜合判斷34～35 m出現(xiàn)煤巖分界面，后續(xù)井下工程證實(shí)了這一判斷。

圖3 鉆孔伽馬與鉆孔雷達(dá)探測(cè)成果解釋Fig.3 Interpretation of borehole gamma and borehole radar detection results

2.2 掘進(jìn)巷道地質(zhì)透明化

掘進(jìn)巷道地質(zhì)透明化是指通過(guò)掘進(jìn)前、掘進(jìn)中的地質(zhì)超前探測(cè)，超前查明掘進(jìn)巷道前方、側(cè)幫及頂/底板一定范圍的地質(zhì)條件，構(gòu)建掘進(jìn)巷道地質(zhì)模型，為巷道掘進(jìn)提供動(dòng)態(tài)地質(zhì)預(yù)報(bào)的過(guò)程。

2.2.1 背景分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)：2012—2019年全國(guó)煤礦事故統(tǒng)計(jì)分析中，發(fā)生在掘進(jìn)工作面的瓦斯、水害、頂板等較大及以上事故占比分別達(dá)到48.9%、58.6%和27.7%，掘進(jìn)工作面地質(zhì)條件不清是造成上述事故的主要原因；全國(guó)煤礦井下掘進(jìn)巷道工作量超過(guò)12 000 km/a，掘進(jìn)速度慢與掘進(jìn)前方地質(zhì)條件不透明息息相關(guān)。

煤礦井下掘進(jìn)巷道地質(zhì)透明化的任務(wù)為：①查明煤層的空間賦存形態(tài)，如煤層起伏、煤厚變化、地質(zhì)構(gòu)造等，形成一個(gè)高精度掘進(jìn)地質(zhì)剖面，以利于掘進(jìn)巷道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能避免由于地質(zhì)條件不清給巷道掘進(jìn)造成的不利影響；②查明掘進(jìn)巷道前方潛在的隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，包括斷層、陷落柱、老空區(qū)、火燒區(qū)、巖漿巖侵入?yún)^(qū)及富水異常區(qū)等，保障巷道安全掘進(jìn)；③盡可能加大超前探測(cè)的距離，減少與掘進(jìn)設(shè)備在時(shí)間、空間上的沖突等，最終形成一個(gè)以掘進(jìn)巷道中線(xiàn)為基線(xiàn)的“束狀”地質(zhì)透明化范圍。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)路徑

煤礦井下掘進(jìn)巷道地質(zhì)透明化的實(shí)現(xiàn)路徑，主要包括以下步驟：

1)預(yù)測(cè)地質(zhì)剖面。在采區(qū)劃分之后，采區(qū)采煤工作面的開(kāi)采方法、設(shè)備選型、走向長(zhǎng)度、傾斜寬度以及預(yù)留煤柱、運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道等設(shè)計(jì)參數(shù)已經(jīng)初步確定。這一階段已有的地質(zhì)資料包括地面鉆探、物探資料和井下鄰近采區(qū)、工作面和開(kāi)拓巷道的地質(zhì)資料。為優(yōu)化掘進(jìn)設(shè)計(jì)，利用前期的地質(zhì)、物探資料，特別是三維地震資料，結(jié)合相鄰工作面、上下層位已掘巷道揭露的地質(zhì)情況分析，繪制掘進(jìn)巷道預(yù)測(cè)地質(zhì)剖面圖，但其精度相對(duì)偏低。

2)預(yù)報(bào)地質(zhì)剖面。在巷道正式掘進(jìn)之前，一般采用“物探先行、鉆探驗(yàn)證、綜合探測(cè)”的方法開(kāi)展超前探測(cè)，查明掘進(jìn)巷道前方、巷道兩幫外圍15～20 m的煤層變化與隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素情況等，從而為巷道快速掘進(jìn)提供高精度的地質(zhì)預(yù)報(bào)。“長(zhǎng)掘長(zhǎng)探”“探鉆一體”“掘探協(xié)同”等新技術(shù)與新裝備，可以把定向鉆進(jìn)的“長(zhǎng)距離、分支孔”優(yōu)勢(shì)和鉆孔物探的“近距離、高精度”特點(diǎn)完美地融為一體，在此基礎(chǔ)上結(jié)合三維地震資料地質(zhì)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)，形成高精度的掘進(jìn)巷道地質(zhì)預(yù)報(bào)剖面，從而為安全高效快速掘進(jìn)提供地質(zhì)保障[37]。

3)實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面。掘進(jìn)巷道預(yù)測(cè)地質(zhì)剖面和實(shí)際揭露情況可能仍有偏差，需要開(kāi)展已掘巷道頂?shù)装鍘r性、煤厚變化、小構(gòu)造發(fā)育等地質(zhì)情況寫(xiě)實(shí)，為三維地震資料地質(zhì)動(dòng)態(tài)解釋、掘進(jìn)巷道地質(zhì)透明化建模提供“硬數(shù)據(jù)”；同時(shí)，采用隨掘隨探技術(shù)開(kāi)展掘進(jìn)巷道前方100～150 m高精度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)探測(cè)；采用反射槽波探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷道側(cè)幫方向的地質(zhì)探測(cè)；采用地質(zhì)雷達(dá)、激光掃描等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷道的高精度地質(zhì)建模等。

可見(jiàn)，在巷道掘進(jìn)階段，通過(guò)時(shí)間、空間上多種手段的靈活運(yùn)用，開(kāi)展掘進(jìn)巷道的煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、災(zāi)害地質(zhì)體等超前精細(xì)探測(cè)和動(dòng)態(tài)地質(zhì)建模，可以形成掘進(jìn)巷道“束狀”地質(zhì)透明化的條帶。

2.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

1)長(zhǎng)掘長(zhǎng)探技術(shù)。利用煤礦井下先進(jìn)的定向長(zhǎng)鉆孔施工技術(shù)，通過(guò)在掘進(jìn)巷道后方或側(cè)方預(yù)設(shè)鉆場(chǎng)，利用千米定向鉆機(jī)在掘進(jìn)前超前施工深度600～1 000 m的順煤層定向長(zhǎng)鉆孔；在定向長(zhǎng)鉆孔中，采用鉆孔瞬變電磁等技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)鉆孔徑向半徑不少于30 m范圍內(nèi)富水區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造的遠(yuǎn)距離超前探測(cè)[26]。在此基礎(chǔ)上，編制掘進(jìn)巷道前方的地質(zhì)預(yù)測(cè)剖面，以?xún)?yōu)化掘進(jìn)巷道設(shè)計(jì)。

2)隨掘隨探技術(shù)。在掘進(jìn)巷道后方提前安置地震傳感器，利用掘進(jìn)機(jī)截割煤壁時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)，實(shí)時(shí)接收地震波在遇到斷層、陷落柱、采空區(qū)等異常時(shí)產(chǎn)生的反射波；隨掘地震信號(hào)通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫣幚碇行暮?，利用?zhuān)用處理軟件開(kāi)展大規(guī)模的并行計(jì)算，動(dòng)態(tài)生成掘進(jìn)巷道前方地質(zhì)構(gòu)造的成像結(jié)果，可以滿(mǎn)足快速掘進(jìn)對(duì)超前探測(cè)精度、速度要求[38-40]。

對(duì)于受底板承壓水威脅的掘進(jìn)巷道而言，還需采用長(zhǎng)距離定向鉆孔的瞬變電磁探測(cè)技術(shù)，對(duì)掘進(jìn)巷道底板導(dǎo)水通道進(jìn)行超前探查，以確保巷道安全快速掘進(jìn)[41]。

3)反射槽波探測(cè)。在煤層中激發(fā)的地震波當(dāng)入射角達(dá)到臨界角后，地震波發(fā)生全反射，隨后沿煤層傳播形成槽波。槽波在傳播過(guò)程中，如果煤層穩(wěn)定則槽波一直沿煤層傳播，形成透射槽波；反之，如果槽波傳播過(guò)程中遇到煤層發(fā)生變化(如斷層、陷落柱、煤厚突變等)，則槽波會(huì)發(fā)生反射、散射等。通過(guò)對(duì)反射槽波的處理成像和地質(zhì)解釋?zhuān)梢詫?duì)采煤工作面內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行超前探測(cè)。

2.2.4 應(yīng)用案例

山西某礦掘進(jìn)工作面?zhèn)葞头瓷洳鄄?gòu)造探測(cè)實(shí)例如圖4所示。該工作面煤層厚度為2.00～3.70 m，平均煤厚3.26 m，煤層傾角為6°～10°，平均為8°，工作面傾向?qū)?20 m，在工作面下巷每10 m布設(shè)檢波點(diǎn)與炮點(diǎn)，向上巷方向進(jìn)行反射槽波探測(cè)。圖4b巷道側(cè)幫反射槽波解釋的斷層，與下巷平均距離109 m，后經(jīng)探巷在112 m 處實(shí)際揭露斷層，與槽波解釋結(jié)果平面位置偏差僅3 m；斷層走向190°，與反射槽波解釋推斷結(jié)果基本一致[42]。

圖4 側(cè)幫反射槽波示意與側(cè)幫反射槽波實(shí)例Fig.4 Schematic of reflected in-seam waves on side wall and example of side wall detection

2.3 回采工作面地質(zhì)透明化

回采工作面地質(zhì)透明化是指通過(guò)采前靜態(tài)探測(cè)、采中動(dòng)態(tài)探測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，融合回采揭露的地質(zhì)信息，構(gòu)建三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)采煤工作面“條帶”地質(zhì)透明化的過(guò)程。

2.3.1 背景分析

回采工作面是煤礦地質(zhì)透明化的關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景。在回采前，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷與開(kāi)切眼3條巷道已經(jīng)完成掘進(jìn)，形成了局部“束狀”地質(zhì)透明化的區(qū)域，只是回采線(xiàn)前方仍未達(dá)到地質(zhì)透明的程度，特別是開(kāi)采擾動(dòng)圍巖破壞條件下的動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害。

采煤工作面地質(zhì)透明化的任務(wù)是：①超前查明影響安全回采的靜態(tài)地質(zhì)條件，如斷層、褶曲、陷落柱、煤厚、夾矸、頂?shù)装鍘r性等變化；②預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)開(kāi)采過(guò)程中動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的孕育、發(fā)展、發(fā)生等過(guò)程，如底板突水、頂板透水、斷層滑移、陷落柱活化、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等；③構(gòu)建高精度三維地質(zhì)透明模型，將地質(zhì)數(shù)據(jù)與工程數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)融合，實(shí)現(xiàn)基于透明地質(zhì)“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的智能化開(kāi)采。

2.3.2 實(shí)現(xiàn)路徑

在回采前、回采中，回采工作面地質(zhì)透明化的目標(biāo)，需要通過(guò)采前靜態(tài)探測(cè)、采中隨采探測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等綜合手段來(lái)實(shí)現(xiàn)[43-44]。

1)采前靜態(tài)探測(cè)。槽波地震探測(cè)以及音頻電透視等采前地質(zhì)探測(cè)手段，均是在回采工作面形成后、回采前開(kāi)展的。在回采工作面形成后，開(kāi)展透視槽波、反射槽波數(shù)據(jù)的采集、處理與聯(lián)合解釋?zhuān)瑢?shí)現(xiàn)回采工作面靜態(tài)地質(zhì)條件的采前精細(xì)探測(cè)；同時(shí)，為了超前探查煤層底板承壓含水層的突水隱患，采用音頻電透視技術(shù)開(kāi)展工作面底板電法CT掃描，發(fā)現(xiàn)隱患部位以提前進(jìn)行注漿治理，防止在回采過(guò)程中由于底板出水而導(dǎo)致工作面停采問(wèn)題的發(fā)生。但是，這些技術(shù)手段的數(shù)據(jù)采集是靜態(tài)的、一次性的，同時(shí)受探測(cè)范圍、距離的限制，無(wú)法完全滿(mǎn)足回采工作面地質(zhì)透明化的需求。

2)隨采動(dòng)態(tài)探測(cè)。采煤機(jī)在截割、切削煤壁時(shí)對(duì)煤體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，進(jìn)而誘發(fā)地震波在煤層中傳播，地震波在煤層中傳播時(shí)出現(xiàn)透射、反射、折射和衍射等，利用隨采地震技術(shù)實(shí)時(shí)接收地震波場(chǎng)信息，通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)將隨采地震監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫣幚碇行模?jīng)過(guò)地震波場(chǎng)分析、信號(hào)提取、層析反演、動(dòng)態(tài)疊加、偏移成像等處理流程，可以動(dòng)態(tài)生成采煤工作面前方100 m范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造和地震波速度的成像結(jié)果，為采煤機(jī)規(guī)劃截割提供高精度地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)信息[45]。

3)采中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采煤工作面開(kāi)采前，其內(nèi)部是處于靜態(tài)的、穩(wěn)態(tài)的煤巖地質(zhì)體；開(kāi)采擾動(dòng)后，采場(chǎng)應(yīng)力分布發(fā)生變化，出現(xiàn)頂板垮落、底板變形、裂隙帶發(fā)育等應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化、裂隙結(jié)構(gòu)演化破壞，一些不良地質(zhì)體如斷層、陷落柱等發(fā)生位移、活化、局部應(yīng)力異常集中等，威脅采煤工作面的安全回采。為此，工作面回采過(guò)程中必須開(kāi)展動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警。

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面頂板、底板圍巖變形破壞過(guò)程中誘發(fā)的微地震前兆信息，通過(guò)對(duì)巖石破裂點(diǎn)的動(dòng)態(tài)定位和微震監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)的分析，反演裂隙帶的發(fā)育高度或深度及其與承壓含水層間距的動(dòng)態(tài)變化，為開(kāi)采安全提供監(jiān)測(cè)預(yù)警信息。但是，微震監(jiān)測(cè)只是提供了巖石破裂的空間信息，不能預(yù)測(cè)裂隙帶在發(fā)育過(guò)程中是否演化為導(dǎo)水通道，煤礦井下電法監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)含水層承壓水是否沿裂隙通道遞進(jìn)導(dǎo)升的演化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。水文監(jiān)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)、電法監(jiān)測(cè)等動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合處理和集成分析，是實(shí)現(xiàn)采煤工作面開(kāi)采過(guò)程中動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的技術(shù)途徑[46-48]。

2.3.3 關(guān)鍵技術(shù)

1)隨采地震探測(cè)。隨采地震探測(cè)原理與槽波地震類(lèi)似，區(qū)別在于隨采地震是以采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)作為震源，通過(guò)在采煤工作面兩巷道布設(shè)地震傳感器實(shí)時(shí)接收信號(hào)，利用隨采地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)處理和疊加成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)斷層、陷落柱、變薄區(qū)等靜態(tài)地質(zhì)條件的精細(xì)探測(cè)，以及破碎帶、應(yīng)力集中區(qū)、突出危險(xiǎn)區(qū)等動(dòng)態(tài)災(zāi)變條件的監(jiān)測(cè)預(yù)警。

以走向長(zhǎng)度2 100 m×傾斜長(zhǎng)度200 m的采煤工作面為例：設(shè)采煤機(jī)截割深度0.7 m、平均運(yùn)行速度4 m/min、每天6刀，則采煤工作面每割一刀需要50 min、共需截割3 000刀、500 d回采完畢。隨采地震探測(cè)按照每條巷道檢波點(diǎn)間距10 m、36道接收、每0.5 min為一個(gè)震源子波的提取周期，則采煤機(jī)每割一刀相當(dāng)于獲得了100個(gè)共炮點(diǎn)記錄、7 200條地震射線(xiàn)，工作面內(nèi)部的射線(xiàn)最高覆蓋次數(shù)可達(dá)30萬(wàn)次，隨采地震大數(shù)據(jù)對(duì)于人工槽波地震幾乎是不可思議的，它是采煤工作面地質(zhì)透明化的核心技術(shù)。

某礦61304工作面隨采地震動(dòng)態(tài)探測(cè)成果如圖5所示，其中圖5a為1 d截割6刀的隨采地震成像結(jié)果，圖5b為30 d采煤的隨采地震疊加圖像，其疊加次數(shù)高達(dá)8萬(wàn)次，動(dòng)態(tài)探測(cè)的大數(shù)據(jù)疊加成像結(jié)果給出了采煤工作面前方300 m左右存在一個(gè)明顯的地質(zhì)異常體，且其規(guī)模和尺寸較大、邊緣輪廓清楚，而隨采地震1天成像結(jié)果僅僅顯示存在一個(gè)很小的異常。實(shí)際驗(yàn)證情況表明：該異常區(qū)為多組小斷層的密集帶，斷層落差0.5～1.8 m，斷層破碎帶被寬大、松散的白色方解石充填，漏頂嚴(yán)重。30 d隨采地震結(jié)果圈定的異常，與回采揭露情況高度吻合。

圖5 隨采地震1 d與30 d動(dòng)態(tài)探測(cè)數(shù)據(jù)成像結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of imaging results of 1 d and 30 d dynamic detection data of seismic prospecting while mining

2)隨采電法監(jiān)測(cè)。采煤工作面在回采過(guò)程中，圍巖的應(yīng)力平衡被打破，開(kāi)采線(xiàn)后方的煤層頂板出現(xiàn)垮落帶、裂隙帶和彎曲變形帶，煤層底板的破壞帶、裂隙帶發(fā)育；而開(kāi)采線(xiàn)前方的煤體產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，并沿著停采線(xiàn)方向應(yīng)力逐漸恢復(fù)正常；隨著時(shí)間的推移，后方采空區(qū)逐漸壓實(shí)，圍巖應(yīng)力達(dá)到再平衡。在煤層覆巖運(yùn)動(dòng)與應(yīng)力遷移這一動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，煤層頂?shù)装宓臉?gòu)造薄弱帶(如斷層、陷落柱、裂隙)有可能發(fā)生活化，進(jìn)而誘發(fā)底板突水、沖擊地壓等動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。對(duì)于這種時(shí)變的地質(zhì)災(zāi)害，靜態(tài)探測(cè)技術(shù)無(wú)能為力，只能采用隨采監(jiān)測(cè)技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。

隨采電法監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)在采煤工作面回風(fēng)巷/運(yùn)輸巷或煤層底板定向長(zhǎng)鉆孔中，超前布設(shè)發(fā)射電極和接收電極，采用回風(fēng)巷某一點(diǎn)供電時(shí)、運(yùn)輸巷所有接收電極全部接收，然后自動(dòng)切換到下一發(fā)射點(diǎn)供電；待回風(fēng)巷所有點(diǎn)完成發(fā)射后，運(yùn)輸巷的接收點(diǎn)自動(dòng)變?yōu)榘l(fā)射點(diǎn)，由運(yùn)輸巷的發(fā)射點(diǎn)逐一供電，而回風(fēng)巷的所有電極全部變?yōu)榻邮拯c(diǎn)。完成一個(gè)周期循環(huán)后，利用專(zhuān)業(yè)處理軟件進(jìn)行視電阻率成像，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)預(yù)報(bào)；如此循環(huán)往復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)垂向?qū)严稁Оl(fā)育情況和含水層水體運(yùn)移狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷工作面回采過(guò)程中底板是否存在突水風(fēng)險(xiǎn)，直到工作面完成回采。

2.3.4 應(yīng)用案例

某礦61304采煤工作面處于帶壓開(kāi)采區(qū)域。在工作面回采前，地面三維地震、井下槽波探測(cè)和底板音頻電透視成果均發(fā)現(xiàn)工作面開(kāi)切眼附近存在一個(gè)地質(zhì)異常區(qū)，并進(jìn)行了煤層底板地面區(qū)域注漿加固。為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)底板異常區(qū)治理效果，確保工作面的安全回采，在后續(xù)井下底板注漿鉆孔中布設(shè)電極，對(duì)異常區(qū)域在開(kāi)采擾動(dòng)條件下的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。圖6給出了煤層底板孔間電法連續(xù)3 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果?？梢钥闯觯旱?天在回采線(xiàn)中部煤層底板出現(xiàn)了一處低阻異常(1號(hào)異常)，結(jié)合微震定位結(jié)果分析，該異常深度在0～25 m范圍，是煤層底板裂隙帶局部充水所致，并未導(dǎo)通奧灰含水層。目前，61304工作面已實(shí)現(xiàn)安全回采(圖6)。

圖6 煤層底板隨采電法時(shí)移電阻率監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 Time-lapse resistivity results of electrical monitoring while mining in coal seam floor

綜上所述，煤礦井下超前鉆孔地質(zhì)透明化(“線(xiàn)狀”)、掘進(jìn)巷道地質(zhì)透明化(“束狀”)和回采工作面地質(zhì)透明化(“帶狀”)，三者在時(shí)間上是順序接續(xù)的、在空間上是逐級(jí)遞進(jìn)的、在透明度上是漸次透明的。在此基礎(chǔ)上，隨著采掘范圍的不斷增加，煤礦采區(qū)地質(zhì)條件將持續(xù)透明，最終整個(gè)礦井不斷趨于地質(zhì)透明。因此，煤礦地質(zhì)透明化是分時(shí)段、分區(qū)段、分層級(jí)、差異化的，是不斷滿(mǎn)足煤礦生產(chǎn)需求的動(dòng)態(tài)地質(zhì)工作過(guò)程。

3 煤礦地質(zhì)透明化的概念辨析

3.1 地質(zhì)透明化與可視化

煤礦地質(zhì)可視化的概念由來(lái)已久，地質(zhì)透明化的概念提出以后，一些人將“可視化”等同于“透明化”，認(rèn)為“可視”就是“看得見(jiàn)”，既然“看得見(jiàn)”當(dāng)然就是“透明體”。實(shí)際上，這種認(rèn)識(shí)是片面的。地質(zhì)可視化只是地質(zhì)透明化的重要組成部分，因?yàn)榈刭|(zhì)透明化不僅包含精準(zhǔn)探測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、三維建模、可視化顯示、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、協(xié)同控制等內(nèi)容，而且是地質(zhì)資料數(shù)字化、信息化、知識(shí)化、可視化的綜合展示。以往所謂的“地質(zhì)可視化”，只是對(duì)已經(jīng)采掘揭露空間的“可視化”顯示，而對(duì)尚未采掘的區(qū)域是“模型化”的，無(wú)非是將抽象的、不可見(jiàn)的地質(zhì)體，借助于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)加以顯示而已。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，以往所謂的“地質(zhì)可視化”就是借助計(jì)算機(jī)的空間信息顯示技術(shù)，達(dá)到“看見(jiàn)你能看見(jiàn)的”目標(biāo)；而真正意義上的“地質(zhì)透明化”，則除了具備地質(zhì)可視化的上述功能之外，還需具備借助于地球物理技術(shù)“透視”尚未采掘的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)“看見(jiàn)你所看不見(jiàn)的”的目標(biāo)。

因此，煤礦地質(zhì)透明化的內(nèi)涵應(yīng)該包括地質(zhì)信息采集、地質(zhì)信息融合、地質(zhì)模型構(gòu)建、三維顯示以及三維模型應(yīng)用等基本特征，它與地質(zhì)可視化是截然不同的2個(gè)概念。

3.2 透明地質(zhì)與透明礦井

目前，我國(guó)煤礦智能化建設(shè)的速度明顯加快，一些煤礦提出要建設(shè)“透明礦井”。實(shí)際上，透明礦井不但包括地面的構(gòu)建物、地形地貌、地下的井巷空間與設(shè)備等可見(jiàn)的實(shí)體，還應(yīng)該包括地下地層、構(gòu)造等隱蔽的地質(zhì)體；前者依靠現(xiàn)有技術(shù)裝備手段能夠一次性實(shí)現(xiàn)“透明”，而后者則只能依靠探測(cè)手段實(shí)現(xiàn)局部透明、適時(shí)透明、漸進(jìn)透明。如果煤礦在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)地質(zhì)透明，那將是不可思議的，也不具備技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的合理性。

通過(guò)實(shí)現(xiàn)超前鉆孔地質(zhì)透明化、掘進(jìn)巷道地質(zhì)透明化、回采工作面的地質(zhì)透明化，進(jìn)而達(dá)到采區(qū)地質(zhì)透明化、井田地質(zhì)透明化以至于礦區(qū)地質(zhì)透明化的逐級(jí)演進(jìn)，隨著鉆孔“線(xiàn)狀”、巷道“束狀”、采面“帶狀”、采區(qū)“片狀”、井田“面狀”的逐漸地質(zhì)透明，最后礦區(qū)規(guī)模才能趨于地質(zhì)透明。從這個(gè)意義上講，“透明地質(zhì)”是“因”，“透明礦井”是“果”，透明礦井是透明地質(zhì)的最終結(jié)果，所謂基于“透明礦井”的智能開(kāi)采是不切實(shí)際的。

3.3 靜態(tài)探測(cè)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

改革開(kāi)放40多年來(lái)，煤礦地質(zhì)保障技術(shù)最突出的進(jìn)步是煤礦采區(qū)三維地震與地面瞬變電磁、煤礦井下槽波地震與礦井瞬變電磁等物探技術(shù)的發(fā)展成熟，以及煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的推廣應(yīng)用。地面與井下、物探與鉆探技術(shù)裝備的進(jìn)步，為超前查明煤炭資源的賦存情況、煤礦開(kāi)采隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素等發(fā)揮了重要的作用，支撐了煤炭資源安全高效開(kāi)采。應(yīng)該看到：傳統(tǒng)的煤礦地質(zhì)保障技術(shù)主要是在煤炭資源開(kāi)采前進(jìn)行的，是在煤層未發(fā)生擾動(dòng)條件下的靜態(tài)探測(cè)手段，其對(duì)于伴隨煤炭資源開(kāi)采出現(xiàn)的動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害難以應(yīng)對(duì)，如底板突水、斷層滑移失穩(wěn)、陷落柱活化、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等；另一方面，煤礦智能化對(duì)地質(zhì)透明化探測(cè)精度提出了新的更高的要求，傳統(tǒng)技術(shù)手段難以達(dá)到其精度要求。

對(duì)于煤礦開(kāi)采擾動(dòng)條件下圍巖變形與覆巖破壞以及由此誘發(fā)的各種動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害而言，只有通過(guò)分布式布設(shè)各類(lèi)傳感器、開(kāi)展連續(xù)性數(shù)據(jù)采集、實(shí)施動(dòng)態(tài)化處理解釋?zhuān)瑢?duì)動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害加以監(jiān)測(cè)預(yù)警，才能實(shí)現(xiàn)煤礦智能開(kāi)采地質(zhì)條件的全面感知。毫無(wú)疑問(wèn)，利用微震監(jiān)測(cè)、電法監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、礦壓監(jiān)測(cè)、瓦斯監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)手段，可以方便地獲得采掘空間的大數(shù)據(jù)信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)的處理、分析、解釋與采掘工程反饋，不斷優(yōu)化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型，將是今后提升煤礦安全生產(chǎn)水平和智能化生產(chǎn)程度的必由之路。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)煤礦地質(zhì)透明化是煤炭資源安全高效智能開(kāi)采的基礎(chǔ)和前提，應(yīng)該按照煤礦不同生產(chǎn)階段的地質(zhì)需求可以分時(shí)段、分區(qū)段、分層級(jí)加以動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)。

2)依托靜態(tài)探測(cè)、動(dòng)態(tài)探測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等核心技術(shù)，在煤礦井下超前鉆孔、掘進(jìn)巷道和回采工作面等不同應(yīng)用場(chǎng)景地質(zhì)條件的局部透明、動(dòng)態(tài)透明和適時(shí)透明的基礎(chǔ)上，遞進(jìn)實(shí)現(xiàn)“煤礦采區(qū)-井田范圍-礦區(qū)規(guī)模”的地質(zhì)透明化，才能逐步逼近“透明礦井”的最終目標(biāo)。

3)煤礦地質(zhì)透明化應(yīng)該充分發(fā)揮長(zhǎng)掘長(zhǎng)探、隨掘隨探、隨采隨探、微震監(jiān)測(cè)、電法監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)等新技術(shù)與新裝備的獨(dú)特作用，依托大數(shù)據(jù)分析優(yōu)勢(shì)，以提高煤礦采掘擾動(dòng)條件下災(zāi)變信息地質(zhì)透明化的精度。

總之，煤礦地質(zhì)透明化是一個(gè)長(zhǎng)期的、動(dòng)態(tài)的地質(zhì)工作過(guò)程，應(yīng)該按照“一礦一策”“一面一策”的思路，不能搞“一刀切”，也不可能一蹴而就，應(yīng)該結(jié)合煤礦生產(chǎn)需求和地質(zhì)條件，制定有針對(duì)性的實(shí)施方案，從而為煤炭資源安全高效智能綠色開(kāi)采提供可靠的透明地質(zhì)保障。