煤矿透明地质保障系统发展综述-新闻动态--榆林市地质矿业协会-Powered by www.laoy.net

    摘要：煤矿地质工作是煤炭智能开采的先锋兵，是煤炭安全、高效、绿色、智能开采的重要基础。本文在整理地质保障技术研究和建设现状的基础上，综述了我国煤矿透明地质保障系统的发展历程，从传统探测技术与装备、地质数据管理、三维地质建模和地质大数据与云平台4个方面总结了现阶段地质保障系统的建设现状，为厘清地质保障系统现状和建设发展方向提供支持。
    1 引言
    我国煤炭资源赋存条件差异大，从近水平煤层到缓倾斜与急倾斜煤层、从薄与极薄煤层到厚与特厚煤层均有分布，地质构造复杂，开采难度大，使得煤炭行业在满足国家能源需求的同时也付出了巨大的代价。随着去产能的深入推进，截止到2023年底，全国煤矿数量减少至4300处左右。在煤炭工业高质量发展背景下，主动淘汰落后产能，矿井关闭或废弃将成为常态，煤矿安全高效绿色智能开采成为未来发展方向。2020年2月，国家八部委颁布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，我国煤矿智能化建设进入新阶段。国家能源局官网统计，截至2024年4月底，全国累计建成智能化采煤工作面1922个，智能化掘进工作面2154个。随着智能化煤矿建设的推进和采掘装备机械化、自动化和集约化程度的提高，智能化生产对开采地质条件的依赖性加强，更要以科学的煤矿设计和精准可靠的地质条件作保障，这对煤矿地质保障技术提出了前所未有的挑战和机遇。传统的煤矿地质保障技术在整体构架、研究内容、保障目标、技术研发和配套装备研制、保障效果检验等方面取得了丰硕成果。但受制于地质基础理论与技术发展瓶颈，诸如煤层开采静态与动态地质条件、开采环境精准探测、全过程地质信息的高精度建模、地质条件的信息识别与精准预测、突发性地质灾害事件的智能监测与防治等相关基础理论研究仍是十分薄弱，地质保障技术的适应性亟待加强。
   本文从地质保障系统的4个发展阶段介绍我国煤矿地质保障体系的发展历程，并根据《煤矿智能化建设指南(2021年版)》对透明地质系统的要求，从传统物探技术与装备、地质数据库、三维地质建模、地质大数据与云平台4个方面阐述了地质保障系统的内涵，厘清煤矿地质保障系统的技术现状、科学问题及技术难点，进而总结了地质保障技术的发展瓶颈，本文对于聚焦攻克关键技术难题、更好地服务煤矿安全开采具有重要的现实意义。
    2 发展历程
    2.1 概念阶段(1992)
    在1992年在上海宝山召开的中国煤炭学会矿井地质专业委员会上，彭苏萍院士首次提出了建立和发展我国煤矿高产高效矿井地质保障系统的设想，并给出了高产高效矿井地质保障系统的基本要义。他认为:为以地质分析预测为基础，以物探、钻探和采掘以及试验等技术为手段，依托先进的信息技术实现生产地质工作的动态管理，为矿井设计、采区布置、生产准备、采煤工作面布置到回采等各个阶段提供可靠的地质信息，只有通过系统和清楚地掌握影响煤炭开采的地质因素，才能实现煤矿的安全生产与高产高效。
     2.2 起步阶段(1992-2000)
     1993～1994年间，由中国矿业大学、淮南矿务局共同合作在淮南谢桥煤矿首采区和潘集矿区进行高分辨三维地震勘探研究，获得显著成效。作为一种高精度地质保障地震类物探技术，1994年12月“淮南谢桥煤矿采区高分辨率三维地震勘探研究”鉴定会之后，全国先后有6个局8个矿13个采区应用该项技术。这是国内高产高效地质保障技术发展与应用的里程点。
    1998年，美国前副总统戈尔首次在加利福尼亚科学中心提出了“数字地球”的概念。1999年，澳大利亚地质学家卡尔等在“数字地球”的基础上，提出了“玻璃地球”的概念。这一阶段，我国一批适用于矿井作业的防爆仪器，包括数字防爆横波地震仪、数字防爆坑道无线电波透视仪、数字防爆直流电法仪、防爆瑞雷波仪、钻孔防爆测斜仪以及坑道全液压钻机系列等问世。
     2.3 创新阶段(2000-2020)
     21世纪初，面对深部、高强度开采出现的复杂地质问题，安全高效矿井地质保障系统研究内容聚焦于煤矿地质构造高分辨三维地震勘探技术、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法、煤层顶板稳定性地质预测技术与防治方法、矿井突水灾害源高分辨探测技术与方法、矿井先进物探仪器和技术研发上。
    2003年，袁亮从瓦斯综合治理、采煤工艺研究、新型煤巷锚杆支护、地质勘探新技术、调整采场布局优化资源配置和建设高产高效矿井等6个方面论述了煤矿安全高效技术体系的实践经验，地质保障技术体系从“高产高效”逐步过渡到“安全高效”。
     2017年，袁亮院士在总结煤炭开采历史及科技发展趋势的基础上，针对我国煤炭开采面临的挑战和机遇，提出了煤炭精准开采的科学构想，阐述了透明空间地球物理和多物理场耦合是实现时空准确高效煤炭少人、无人智能开采与灾害防控一体化的未来采矿新途径。
    2018年12月中国煤炭地质总局局长赵平首次提出了共“透明地球、美丽地球、数字地球”的畅想。其中“透明地球”建设是使地球表层一定深度“像玻璃一样透明”是地质学家们的梦想。2019年袁亮院士在《煤炭精准开采地质保障技术的发展现状及展望》中提出并诠释了“透明地质”的概念，“透明地质”逐渐出现在大众视野。
    2.4 建设阶段(2020-至今)
    2020年2月，国家八部委联合下发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，文件将煤矿智能化建设进程分成三个阶段，要求到2025年，实现开拓设计、地质保障、采掘(剥)、运输、通风、洗选物流等系统的智能化决策和自动化协同运行。至此，以政策为导向，以煤矿安全高效生产为实际的地质保障系统进入正式系统集成阶段。
     2021年6月和9月，国家能源局和国家矿山安全监察局印发《煤矿智能化建设指南(2021年版)》、《智能化示范煤矿验收管理办法(试行)》。地质保障系统正式成为煤矿智能化建设十大系统之一，并建设应用。
     截至2024年已建成国家级示范煤矿近60处、省级(央企级)示范煤矿200余处，逐步形成了不同区域、不同建设条件的智能化建设模式(国家能源局，2024)。
     3 透明地质保障技术与系统研究应用现状
     3.1 传统探测技术与装备
     3.1.1 钻探技术与装备煤矿井上下钻进技术是精细查明矿井开采地质条件、防治煤矿地质灾害事故的最直接而有效的手段。30年来，我国煤田钻探根据施工目的和煤矿井下作业环境要求，不断进行钻机、钻具、钻头和钻探工艺研发与技术创新。针对水平井组钻井直径大、造斜段和水平段定向钻进困难、造斜段-水平段-排采直井对接难度大等问题，国内企业相继研制出大功率全液压动力头式车载多功能定向钻机，创建了多分支远端精准对接钻进技术与完井工艺模式，空气洗井技术、增阻堵漏技术、套管隔离技术等广泛应用于不同地质结构的煤层气井钻进时的洗井和防漏。其中，单井最大精准对接距离1148.70m，最大钻探进尺1735.63m，为地面煤层气高效开发提供了可靠的技术与装备支撑。
    在井下隐蔽致灾因素探查和地质事故隐患治理中，以往使用的普通回转钻进装备功率小、孔径小、进尺浅、自动化程度低，缺乏定向钻进技术，以致作业工程量大、钻孔轨迹不可控，绝大多数情况下起不到精确中靶和有效治理的结果。为了解决这些难题，国内企业自“十一五”开始开展了煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备研发，研制出离线式随钻同步抗磁测斜系统、孔底螺杆马达定子旋转稳斜导向系统，以及高韧性高强度外平钻杆、单弯螺杆马达、PDC定向钻进钻头与扩孔钻头等，满足了远距离复合定向钻进动力传递及泥浆脉冲信号稳定传输与钻机快速排渣的需求。另外，针对煤矿井下钻机缺少自动加卸钻杆、整机动力学参数监测困难、智能化水平不高的问题，多型号大功率全自动钻机具备长距离定向钻进施工过程中自动控制装卸钻杆、定向钻进、钻机参数实时监测、典型故障智能诊断与预警等功能，全面提升了井下定向钻进装备的智能化水平。
    3.1.2 物探技术及装备
     经过近几十年的发展，矿井物探技术及装备发展水平大幅提升，多场多参量等综合勘探技术系统取得较大突破，实时远程测控及智能预警等可视化展控平台初步构建。当前矿井物探领域支撑性技术装备主要由地震类、直流电法类、电磁法类等方法构成。
    (1)矿井地震类
    地面三维三分量(3D3C)精细地震勘探技术是80年代中期开始发展的。在初期主要是用于解决灰岩裂缝导水状况，随后开始应用于石油生产中的油水界面运动和导油裂隙通道等的探测问题，90年代以后开始用于解决煤田精细构造问题。1993～1994年间，淮南谢桥煤矿首采区和潘集矿区进行高分辨三维地震地面勘探研究，随后在国内井田大面积推广应用。
    井下地震类设备方面，煤炭科学研究重庆研究院等多个单位联合首先研制出了TYKC-9型槽波地震仪，随后，安徽理工大学、福州华虹等机构多个高校及科研单位对MSP超前探测技术、高频地震反射波、巷道震波CT技术等从理论方法、装备研发、工业应用方面开展大量工作，先后研发出MH-2煤层厚度探测仪、KDZ1114-3地震仪等多款工程应用装备。2000年以来，国内自主研发的YTC9.6槽波地震仪、KDZ3113矿井地震勘探仪、YTZ3存储式无缆遥测地震仪等相继出现。
    矿井微震监测技术装备起步较晚，前期主要通过引入国外相关技术装备优化改进并进行现场应用，随后，中国矿业大学(北京)、山东科技大学、辽宁工程技术大学等高校组建了专业团队进行现代化矿井微震监测技术装备研发，其中，程久龙等为解决微震传感器布置而导致的定位精度不高等问题，提出了将微震监测测点优化布置的震源高精度定位算法并进行优化处理；窦林名等选用SOS微震监测预警系统对采空区突水动力灾害演化特征进行了研究。
     矿井地震波CT技术装备更多应用于对工作面内部构造、煤矿压力、岩体变形破坏等探测研究。彭苏萍等将矿井地震波CT技术用于对综放工作面内构造及结构面的空间展布进行探测，准确掌握了煤层增厚区及裂隙发育区；张平松等设计出孔-巷间地震波CT观测系统，开展了煤层顶板变形破坏高分辨率动态监测；窦林名、蔡武等利用震波CT探测技术对冲击危险性进行了动态预测与评价。
    (2)矿井直流电法类
    直流电法在我国地面探查应用中较早，但直到20世纪80年代，因国内多个矿井接连发生严重的底板突水淹井事故，才得到重视并开展井下灾害异常矿井直流电法探测等研究。其中，中国矿业大学等机构先后成功研制出DZ-Ⅰ型防爆直流电法仪、YT120(A)型防爆音频电透仪等装备。与此同时，矿井直流电法技术的正反演算法、室内模拟及现场应用等研究工作也在同步推进。20世纪末，引入井下的高密度电法探测技术装备大幅提高了当时现场测试效率、降低了工作强度。但矿井直流电法测试方式仍较为单一，现场主要是在巷道等施工环境内布设二维测线用于探测巷道顶底板及超前探等，仪器装备测量参数及数据处理解释仍然以视电阻率/电阻率等单一地电参数为主。21世纪初的煤炭黄金10年，高密度电阻率法在井下的应用形式逐渐丰富、仪器测试精度及软件处理能力也有较为明显的提升。期间，首款矿用并行电法仪并投入生产使用。近些年，矿井直流电法技术装备的小型轻便化及智能化，测量精度和抗干扰性亦明显提高，现已初步具备远程实时动态监测预警能力，测试系统也由以往巷道内二维布设丰富为巷-巷、孔-巷、孔-孔及井-地等的二维、三维多种测试组合形式。目前，矿井直流电法已广泛应用于采动影响下煤层顶底板岩体破坏、地下水渗流和水害分布、岩体内浆液扩散或爆破效果等的动态监测。
    (3)矿井电磁法类
    经过30多年的快速发展，形成了以矿井瞬变电磁、矿井地质雷达、无线电波透视等为主的矿井电磁法类勘探方法，并广泛应用于对巷道掘进工作面、围岩、顶底板结构及富水区、岩溶陷落柱、导(含)水断层、煤岩分界面、采空区等异常进行探测。
    早在20世纪70年代，国内就已开始对矿井无线电波透视技术进行了试验研究，先后研发出WKT-J型、WKT-F型等系列轻便防爆坑透仪；近些年，在此基础上开发出WKT-6型、WKT-E型和YDT88型等多款性能更佳的矿用本安无线电波透视装备并广泛用于国内各大矿井地质勘探中。在理论研究方面，吴荣新等为圈定薄煤区的分布范围开展了多频透视探测研究，证实了该方法满足对工作面地质异常的精细探测。
     由于矿井地质雷达装备需满足严格的矿井防爆条件，对20世纪90年代之前国内的研发水平来说非常困难，当时，主要还是使用加拿大PulseEKKO系列及瑞典RAMAC系统等国外进口装备；国内科研机构在引进国外先进技术装备的同时，先后研发出KDL-3、KDL-4、KDL-8型及KJH-D型等系列国产矿井防爆地质雷达。彭苏萍团队专门针对当前矿井地质雷达井下隐伏灾害源的探测需求，成功研制出ZTR12矿用本安型防爆地质雷达系统。
    国内针对矿井瞬变电磁法的研究相对较晚，但因其具有施工轻便高效、对水敏感等优势，近二十年发展迅速，现已广泛用于巷道围岩及掘进工作面富水区、导(含)水断层、采空区充水等低阻异常空间分布探测。1998年，于景邨首次对矿井瞬变电磁技术理论及数学模型等进行了系统性研究，并将该方法用于井下对含水构造等低阻异常进行勘探，于2001年完成了《矿井瞬变电磁法理论及应用技术研究》博士论文；该时期，中国矿业大学、中科院及安徽理工大学等对矿井瞬变电磁技术及装备均开展了广泛深入的研究，先后成功研制出YCS40(A)、CUGTEM-8、YCS2000A等多款型号的矿用瞬变电磁仪，出孔并设计-巷、孔-孔、井-地等多种空间组合探测形式。
    3.2 地质数据管理
    我国矿山地测信息管理系统的建设与应用发展起始于80年代，但进步迅速，投入了大量的人力、物力研究开发地测信息管理系统。如1985年中国矿业大学地质系承担的原煤炭部生产司项目“煤炭储量计算及管理系统”；1986年北京矿务局地质勘探队与山东矿业学院地质系协作开发的“煤田地质资料存储、管理与数学地质计算系统”；1987年中国矿业大学地质系完成的原煤炭部计算中心项目“煤矿地质测量信息系统的总体设计”；1992年由煤炭科学院西安分院与平顶山矿务局地测处合作研制的“平顶山矿务局局矿两级地质测量信息系统”；煤炭科学研究总院唐山分院研制的“煤矿测量多图种自动绘图系统”；西安集灵公司开发的“煤矿地测信息系统”，以及北京龙软科技发展有限公司开发的“地测空间管理信息系统”，这些成果都在当时以至目前的煤矿地测信息管理工作中起到重要作用。
     信息系统的开发过程一般包括系统开发准备、系统调查、系统分析、系统设计、系统实现、系统转换、系统运行与维护、系统评价等步骤。其中系统分析与系统设计是其中的重要环节。系统分析是管理信息系统开发的关键环节，要求在系统调查的基础上，对新系统的功能进行细致的分析，并建立一个新系统的逻辑模型。系统设计根据系统分析报告中的系统逻辑模型综合考虑各种约束，利用一切可用的技术手段和方法进行具体设计确定新系统的实施方案，‚解决“系统怎么做”的问题。近些年，国内针对自身条件形成了以地理信息系统为核心的矿井地质信息动态管理平台软件，对矿井地质工作中获取地质、物探、钻探、巷探、化探等的多元地质信息和资料进行计算机处理和动态管理，实现地质资料的信息化、数字化和可视化。由于矿井地质信息管理系统面临受众少、数据量大、标准不统一、投入高短期回报少等现状，针对煤矿地质保障系统的数据管理软件还不成熟。
    3.3 三维地质建模
“以三维地质静态模型为基础，不断融入煤矿生产过程中的实时、动态、高精度地质信息，实现三维地质模型的自动更新、规划切割、交互漫游、属性查询等”是煤矿智能化建设对透明地质保障中矿井地质建模的要求。三维地质建模技术广泛应用于区域地质调查、矿产资源勘探、矿井设计、矿井生产、水文地质、工程地质、环境地质等煤矿专业。三维模型在煤矿的应用场景主要有①三维地质建模可真实构建三维立体场景，以此展现各种地质元素之间相离、相邻、组成、包含等三维空间关系；②精准地计算矿体储量；③三维地质建模软件可使勘探工程解析成果与三维几何模型融合；④可以进行各种三维空间分析，如三维缓冲区分析、三维连通性分析、三维叠加分析、三维布尔操作，以及成矿过程模拟、采矿方案对比等；⑤便于以形象、直观的方式向非地质专业的用户介绍矿产的空间形态与开采技术条件。
    (1)国外三维建模技术与软件
     EricCarlson于1987年将地质体元作为模型建立的基础提出了三维概念模型，首次以数学方法表达片状物结构。1992年，法国Mallet教授提出了一种新的离散光滑插值技术，它可以模拟地质体的特殊性和复杂性，这种技术利用一系列具有物体几何和物理特性的节点，并考虑到已知信忌的约束，从而实现对地质体的离散化，突破了以往插值算法只能从Z方向逼近的限制，促进了地质建模技术走向成熟，这一技术是GOCAD软件的核心建模算法。1993年，加拿大Houlding首次提出了三维地学建模的概念，这一新兴的模型不仅能够有效地解释地质现象，还能够有效地收集、整理、分析、预测地质数据，并且能够通过图像展示，使地质学研究变得更加完整、精细。2016年，Mueller等通过开发平台Cesium，建立了一个以云为基础的、能够将全球地球物理和其他一些地质大数据以3DWeb形式呈现出来的可视化系统。MichaelHillier等于2021提出了一种基于图形神经网络的几何深度学习方法，作为经典隐式插值方法的一种替代。
    (2)国内自主研发三维建模技术与软件
    基础理论方面，20世纪90年代以来，吴冲龙教授领导的研究小组一直致力于构建一个全面的、能够反映地下复杂地质体的三维可视化信息平台，并不断深入研究和开发相关的理论和技术。中国科学院张菊明、陈昌彦等利用拟合函数法，开发出一套三维可视化系统，用于模拟和再现长江三峡永久船闸边坡工程的地质结构，从而为该工程提供了重要的参考依据。侯恩科、吴立新等提出了一种新的松散连接模型，将microLYNX与RFPA、FLAC结合起来，使得3DGM系统和数值模拟系统得到有效的融合，大大减少了数值模拟的预处理步骤，从而使得DGM技术得到更广泛的应用。2020至2021年，葛世荣、陈龙等采用数字孪生和虚拟技术，建立虚拟矿山，通过工业自动化、大数据分析、人工智能等技术，实现矿井信息实时联动和自动化运行。
    软件方面，北京龙软公司、中煤科工西安院、长沙迪迈公司、北京三地曼公司、山东蓝光公司、西安集灵公司的产品在数字矿山中得到了成功的应用。
    3.4 地质大数据与云平台
   《煤矿智能化建设指南(2021年版)》要求煤矿地质大数据与云平台，“应具备数据分类、分析、挖掘、融合处理等功能，实现各系统之间数据的互联互通、融合共享和时空分析。”地质钻探、物探、地质数据管理、三维地质建模的最终目的是服务安全高效生产，这是地质保障系统诞生的初衷，而上述数据因数据结构的差异，在应用上易产生数据孤岛，地质大数据与云平台针对这一现状，力求打破系统与系统之间、专业与专业之间、部门与部门之间的数据壁垒，实现各类地质数据和应用的高效共享。
    袁亮院士团队提出通过静态地质信息和现场监测感知数据的获得，实现对煤系共伴生资源赋存、原生及扰动地质灾害、开采工况的全息实时展现，实现地学大数据的融合利用。基于动态数据评价，实现潜在致灾因素的智能深度判识、精准圈定及高效解危，有效解决资源开发面临的勘探监测、协同开发、灾害防控等重大难题。王国法院士团队提出基础煤矿时空多源信息感知的安全控制闭环体系，通过各类传感器等对井下人、机、环等信息进行全面感知，对数据进行分类存储与清洗。通过对各类地质致灾因素分析、理论计算及阈值计算获取灾害发生的理论计算结果，对灾害发生的可能性进行数学建模分析，确定煤矿灾害发生的最终预测结果，并通过水灾预警平台、火灾预警平台、瓦斯灾害预警平台、顶板灾害预警平台等对灾害发生区域的人员进行信息推送及声光报警。基于预测结果各业务系统发出控制指令，实现防灾、治灾、救灾。
    地质大数据与云平台的建设目标是利用大数据分析能力，对海量数据进行分析和变现，将透明地质相关数据进行抽取加工，数据共享和交换，数据分析与预测，构建主体数据模型库，形成数据集市，为各种地质分析与专业应用提供数据支持和业务支撑。
    4 结论
    (1)地质条件精细探测可靠性有待提高
    现阶段地球物理探测的探采对比结果表明，各类物探技术对先期开采地段和初期采区的地质条件控制精度普遍较低、误差较大，尚不能满足智能化综采对地质条件的查明程度要求。井下地震、电法、电磁法因基础理论方面的不足，以及煤安标准、探测空间受限、锚杆网铁器干扰的限制，造成探测探测成果的局限性、多解性还无法完全满足安全生产对采掘前方地质条件精细探测的要求。
    (2)多源异构数据耦合分析有待提升不同类型的地质保障工作多呈“单兵作战”状态，缺少从开采地质条件成生联系中甄别多种物探成果解译地质异常体的能力，缺少从多源数据叠加后信号响应规律中分析动态地质条件的变化特征的能力。应用多种物探方法开展交互解释，通过地质体的岩石物性和几何参数之间的相互关系共同反演得到同一地质-地球物理模型，是在数据级别上进行的处理，该思路是目前解决物探方法多解性的惟一有效途径。
    (3)三维地质模型动态更新技术亟待解决现阶段因建模数据源和建模方法的限制，导致一次成型三维地质模型精度不能完全满足智能开采对地质透明的要求，这就需要不断融入开采过程中实际揭露和各种钻探、物探解译数据，对三维静态模型不断更新和修正，从而精细刻画井田或工作面内客观存在的断裂网、倒转褶皱、逆断层、冲刷带、陷落柱以及它们叠合而成的复杂面状和层状结构，最大程度满足智能开采对地质条件的精准展现要求。
    (4)多系统建设协议有待增强，地质数据库建设标准有待统一数据赋能实现多源数据集成分析与数据价值挖掘的基础。目前各大煤矿企业及研究机构均认识到煤矿数据资产的重要性，建设了相应的数据运维中心等，在地质信息探测、三维建模、生产自动化、安全监控等方面取得成果。但智能化标准体系建设存在国家规范不健全，企业标准、行业标准、国家标准缺乏有效协调，导致数字化标准体系覆盖范围、分级分类、重点内容、规范细则等存在不统一、不明确、不适用等问题，对生产业务信息系统，难以实现数据互联。因此建立智能化煤矿数据标准体系是根本上解决数据汇聚交换不畅、开放共享不足等问题的关键步骤。   ( 研究院   任永乐 2025.10.23. 福建 )

煤矿透明地质保障系统发展综述

时间：2025/11/11 23:05:20

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