煤矿透明地质模型动态重构的关键技术与路径思考

导读

      煤矿“四随”探测技术不断创新，对金属矿勘查和开发技术方法发展也启示。

      煤炭一直是我国主要能源矿产，将来很长时间还是我国重要能源资源。随着科学技术不断进步，煤矿开采智能化是主流方向，现阶段全国有近400座煤矿正在逐步落实与推进煤矿智能化建设。构建与智能化煤矿建设相匹配的透明地质保障体系，不断提高地质条件透明化理论方法和技术水平，是煤炭资源安全高效智能化开发的前提。

      由于地质条件多样、特殊、复杂，现阶段地质透明化及动态过程研究程度仍然不够充分。为此，袁亮院士、张平松教授在分析我国随钻、随掘、随采、随落探测技术研究和三维建模技术的进展基础上，提出了煤矿透明地质模型动态重构的关键技术与路径思考，创新要点如下：

      据国家能源局不完全统计，现阶段全国有近400座煤矿正在逐步落实与推进煤矿智能化建设，智能化采掘工作面已经达到800余个。由此可见，智能化煤矿建设是煤矿未来发展的主流方向，其基于智慧生产系统，依托智慧职业与安全系统，辅助以智慧后勤保障系统，通过全数据可视、全场景协同，对煤矿生产、安全、技术、保障、健康与后勤等进行主动感知、自动分析、智能处理，实现对煤矿的无人、少人、安全、高效、清洁、健康管理建设的目标。

      随着我国智能化煤矿落地进程逐渐加快，固定作业岗位无人值守、巡检机器人辅助作业等智能化少人开采技术成果斐然，并已经初步实现了工作面“减人、增安、提效”目标。但受制于智能化相关技术发展瓶颈，国内智能化煤矿全局建设总体上仍处于培育和示范过程中，未能得到完全突破，其中地质条件的透明化问题是一项重要内容，特别是地质基础理论与技术短板亟待解决。尤其针对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，缺乏井下非接触式全面感知与多源信息融合技术、井下应急性处理地质机器人等，智能化技术对复杂条件的生产矿井适应性不够理想。

      “随钻”探测早期主要应用于油气开发领域，随着其测试效果的提高，逐步拓展到矿山领域，石智军、王家豪等提出随钻定量定向钻进技术，从钻探技术和工艺上支撑了我国煤炭科学产能的释放和高效发展；王季、王保利、李圣林等开展了“随掘”地震震源特征及探测性能的研究，尝试使用掘进震动信号替代常规炸药震源，取得一定效果；程建远、覃思等围绕“随采”开展了先导性的试验研究，认为“随采”地震将成为后期透明工作面三维地质建模的重要参数源之一；“随落”目前尚无明确研究提出，但是作为采空区上覆地层形变，导致地质条件动态变化一直是大家所关注的热点和难点，围绕动态建模的“随落”实时探查技术发展的系统亟待发展。具体表现为，目前煤矿巷道钻机型号多样，钻探施工频繁，采用存储式“短节”方式进行全程随钻地震记录，形成一钻一记录，不影响钻探本身施工，海量的随钻记录中不仅包含了地层与构造信息，还全程记录钻探工艺过程，进而实施随钻大数据解析与钻探过程评价与管理；掘进巷道空间大于钻孔空间，随掘物探是在掘进机与巷道围岩上布设不同类型传感器，全程记录掘进机破岩的动力波、地电场等响应特征，可实现掘进岩性判别、前方构造预测和掘进过程的自身安全管控；随采地震技术以工作面采煤机截煤为震源，记录采煤机滚筒动力波、液压支架响应等全空间地震波波场，进行工作面煤壁煤岩识别、工作面构造CT探测与采煤过程的主动管控；随落是利用布设在采空区的光纤、温度、电极等传感单元，对采空区垮落过程中的应力、温度、浓度、渗流等进行长期实时监测，通过孔隙率、应力的变化为采空区的围岩破坏、火灾、地面沉降提供预警。现阶段“四随”物探一体化研究用以实现多源综合应用尚且不多，对于多源数据融合技术的理论研究、工程应用、技术革新等都还处于探索阶段。

      结合“四随”实时动态探查技术的研究与三维建模分析，阐述了目前随钻、随掘、随采、随落等煤矿生产过程中所采用的探测技术及其发展状况，以及在矿井三维地质透明化建模中的应用，笔者提出“四随”信息透明化综合利用与思考，可为煤矿地质条件透明化构建研究提供参考。

      “四随”地质信息的获取与整合是透明地质模型动态重构的关键技术手段，其重点是将各个阶段过程中的探测手段与地质地球物理场信息感知技术进行融合，获得不同阶段的全地学信息，提升采掘周期的信息化、智能化和透明化程度，为生产提供精准保障与预警作用。因不同过程的差异性，目前各个阶段都有相应的技术进步，但需要进一步系统化和综合化融合、利用。

1.1 随钻探测技术研究进展

      煤矿建设和生产过程中，通过浅、深长钻孔钻探获取前方或未知区域的资源、地质、水文等信息必不可少，其难点是精准地进行地层异常信息判识，同时形成一维到三维的钻孔空间，实施孔中探测、排水、抽气、注浆、监测传感器布设等次生工程，为全面掌握生产区工程地质条件奠定基础。

      随钻探测是在地质导向钻进的基础上结合地球物理探测技术形成的一种新兴技术。通过钻孔地质参数的测量，实时掌握钻进过程中的技术参数，达到钻孔轨迹明确、钻遇岩层可知、探查构造可控等目的，确保钻探工程的实际效果。图1为煤矿井下随钻方位伽马测井试验成果。

图1 黄玉川煤矿井下随钻方位伽马测井试验成果

      在随钻探测方面开展随钻地质地球物理信息解析与反演是大家关注的热点，中煤科工西安研究院(集团)有限公司在煤系地层识别判据建立、地层物性参数采集技术、小直径动态方位伽马测量短节设计、煤系地层识别技术等方面持续开展攻关研究，研发出国内首套基于方位伽马测量的矿用地质导向钻进系统，实现随钻动态方位伽马探测，地层识别精度达到0.3 m、测量范围(0～350 API)；李斌对矿井随钻地震方法做了实验研究，阐述了与钻具钻头钻进相关的岩石力学性质以及钻柱震动形式，研究了基于短时傅立叶变换与相关分析的随钻地震信号处理方法，并开发了随钻地震的采集仪器与应用软件，且在室内实验场和矿井巷道进行了实验；刘惠洲为探测和预报掘进工作面地质构造发育及含(导)水情况采用钻探物探一体化超前探测技术，研发了随钻地震信号检测设备，并开展随钻地震的物理模型试验，且通过现场工程验证方法的可行性与有效性。

      我国煤系地层地质条件的复杂性以及智能化煤矿建设对地层识别及地质探查精度要求不断提高，开发适合钻具耦合式的钻测一体化装备是未来随钻探测技术发展的重要方向。

1.2 随掘探测技术研究进展

      掘进前方地质灾害频发、防治难度大，目前解决的办法多集中在利用钻探进行超前探查，同时辅助以地球物理方法与钻孔配合的孔巷探测等，以单次探测或跟踪循环探测方式保障安全掘进。智能化煤矿建设中，快速掘锚支护装备跟进速度快，尤其TBM钻机的井下掘进施工，机、探设备一体化发展与实践要求高。因此对前方预测的方法由单次探测向“短距离、高频次、高精度、全覆盖”的随掘探测需求转变是下阶段发展的趋势。

      (1)随掘地震技术。随掘地震探测技术是指综掘机或者盾构机切割煤壁或破岩产生的震动信号，通过互相关处理，得到与炸药震源相似的数据，经过处理与成像实现对巷道前方地质条件的实时探测。NEIL等借助相关分析技术对掘进机信号进行脉冲化处理；LI等提出在相关分析前采用最佳维纳滤波反褶积方法，去除掘进机震源多峰值脉冲干扰，提高脉冲化处理效果的思路；王季等基于在线式矿井地震监测分站完成对随掘地震信号的实时采集，实现在掘进过程中利用随掘地震信号对巷道前方和侧方区域成像，并将其应用于山西榆树坡煤矿，试验结果表明，该系统满足对地质探测能力要求。图2为随掘地震技术与复合干涉算法处理效果示意。

图2 随掘地震技术与复合干涉算法处理效果示意

      (2)随掘电法技术。随掘电法最早是由德国GD公司研发一款搭载于TBM盾构机上的隧道电法超前探测设备，利用刀盘作为测量电极。此后，我国也开始了机载激发极化超前预报仪器的研发，田明禛成功研发出了机载激发极化超前地质预报仪，并将其应用于工程上，此仪器能够完成对地质异常体的探测成像和识别；ZHAO等在原有的BEAM系统基础上，引入电阻率层析成像，并提出利用虚拟电极代替原来保护电极，为掘进工作面前方地质状况的反演成像提供计算条件。

      (3)随掘瞬变电磁技术。巷道掘进瞬变电磁探测技术与隧道相同，结合TBM施工隧道进行超前探测。胡佳豪等尝试一种基于电性源激发、电场分量采集的施工隧道瞬变电磁探测装置形式，并利用三维时域有限差分法对单个电性源激励下隧道前方瞬变电磁场的分布规律与特征进行了正演模拟，该装置满足TBM施工隧道的超前预报能力。这些工作为后续矿井巷道探测提供基础。

综上，目前随掘探测技术受到施工环境及探测技术双重限制，仍然表现为以单一探测技术为主，未来研发适合不同掘进地质条件的多地球物理参数融合式随掘设备以满足高精度探测需求是关键所在。而且，对于巷道前方地质条件的探查，也将逐渐由富水区、破碎带探测转变到对异常界面等综合地质信息探测。此外，由TBM钻机地电场探测到震、电、磁、温等多参数融合探测也将成为重要的研究方向。

      联合反演是解决地球物理单一反演多解性提高探测精度的重要手段之一，开展多源数据联合反演可以有效地提高地质异常体的判识精度和解释精度。

      不同随掘探测技术获取的数据不同，如何将各种数据进行联合反演，获取高精度的融合参数实现对地质异常信息的有效判识，是随掘探测数据处理的研究方向。程久龙等等基于粒子群算法对瞬变电磁与直流电法超前探测数据进行联合反演，有效抑制干扰，提高了反演精度和分辨率；刘再斌等等采用井震联合反演，实现相同物性数据间的联合反演，弥补单一属性地质数据精度的不足。此外，针对不同属性或者没有直接岩石物性关系的地球物理数据，采用基于交叉梯度约束进行相同或不同属性数据的联合反演是目前重要的有效手段之一。

      通过多元信息联合反演在数据解释上表现出更为显著的优势，特别是高精度探测需求下，开展基于交叉梯度约束的多源数据联合反演研究具有重要意义。

1.3 随采探测技术研究进展

      工作面开采会揭露煤岩界面并使围岩赋存条件产生动态变化。随着回采生产工作的进行，实际控制的煤层数据增加，其重点是在保证工作面正常生产前提下，完成对工作面割煤断面前方多波多参数信息采集，实现近、远距断面精准地质条件判识，减少煤岩体差异变化对割煤机械的损伤，同时有利于确保液压支架安全运行。利用煤岩识别技术，通过在割煤机械上装配不同的传感单元，建立煤岩特征识别系统，自动判别煤层与岩层，实时获取高精度煤岩分界面数据，重建近距断面模型。利用随采地震CT技术，以割煤机、带式输送机为随机震源，基于工作面巷道布设非完全观测系统，构建随采震波CT信息感知系统，动态识别割煤机前端0～20 m段煤岩及构造异常信息，重建远距断面模型。

      煤矿井下工作环境恶劣，准确进行煤岩识别，获取煤岩界面信息，实时调整采煤机工作状态，是实现精准切割煤层的重要基础，也是开展工作面随采地震高精度探测的重要需求之一。

       煤岩识别技术是基于煤岩不同特征建立识别系统，实现煤层与岩层的自动判别，为采煤机提供煤岩界面参数，防止误割岩石，提高采煤效率的目的。煤岩识别技术可根据采煤机是否切割岩石分为接触式和非接触式。

      (1)非接触式煤岩识别技术。非接触式煤岩识别技术可适用于工作面开采任何阶段，不仅可以在工作面采前进行煤厚探测，采中进行调节和控制，采后进行煤岩矸分选，而且采煤机无需切割岩石，刀具不易损坏，不足之处是易受探测环境的影响。现阶段工作面开采已推广应用的主要煤岩识别技术包括机器视觉技术、电磁探测技术、光谱识别技术。基于煤岩的纹理特征实现煤岩自动判别是目前煤岩识别技术重要的研究方向，高峰等为了提高煤岩图像识别技术的精度和效率，提出一种基于塔式池化架构和卷积神经网络技术的煤岩图像分割识别网络模型，弱化特征图内部不同区域之间关联信息的损失，显著增强对全局信息的有效表征，测试结果表明该模型在稳定条件下和抖动条件下均可取得良好的煤岩识别效果，验证了该技术在复杂环境中的可行性、鲁棒性(图3)。

图3 不同网络模型动态煤岩识别效果对比

      (2)接触式煤岩识别技术。接触式煤岩识别技术主要包括振动探测技术、温度探测技术及扭矩探测技术等。该技术可有效降低探测环境对识别精度的影响，但在煤岩普氏系数较为接近时存在识别精度较低，需要切割岩石，易造成切割刀具损坏。张强等结合振动探测技术和温度探测技术，通过提取割煤过程中截齿的振动信号及温度信号作为特征信号构建神经网络，实现对截割试件的煤岩比例准确识别，为基于采煤机截割煤岩振动特征和温度特征的煤岩识别提供重要的理论和数值依据。该技术综合应用能够很好解决单一煤岩识别传感器识别精度低和稳定性差的问题。

      随采地震CT技术是指利用割煤机切割煤壁时所产生的连续震动作为被动震源，实现回采工作面内构造、煤厚变化等静态地质条件精细化探测以及顶底板破损带、应力集中区等动态灾害条件监测预警的地震新技术，除震源较为特殊，该技术的方法原理与常规地震勘探基本相同。随采地震作为一种被动源地震探测技术，摆脱了矿井地震对炸药震源的依赖，同时也避免矿井地震需要停止采掘作业的困扰，实现对工作面的实时动态探测；陆斌等利用互相关干涉方法提取采煤机的有效信息，并对一个已知煤层尖灭进行随采地震探测；王保利等通过随采地震技术在某矿12701工作面的应用，发现随采地震探测数据具有高信噪比、宽频带等特点，且可以实现对工作面内静态地质构造和动态应力变化的探测。

      随采地震探测技术是实现工作面智能化开采、地质透明化的重要技术基础，是安全回采的重要理论并提供数据支撑，是透明工作面三维动态地质建模、多源地质灾害监测预警的重要技术手段，是未来矿井智能化探测、无人(少人)化监测重要的技术发展方向。

1.4 随落探测技术研究进展

      生产中对采空区的关注多集中在后方透水、自燃发火、漏风及覆岩破坏发育高度等安全问题。通过在采空空间布设浓度、渗流、温度、应力应变等传感器，形成多参数监测网，可对各类环境及灾害条件进行数据监测与预警，提高对异常体和剩余资源的判识能力，为智能化煤矿建设及后续废弃矿井利用评价提供基础。目前，采空区的监测技术以光纤、微震、采空区全息空间扫描等技术为主。

图4 采空区光缆应变分布

图5 采动裂隙场形成过程中微震事件及其等值密云图的演化规律