2024年11月9日，《中國煤炭報》第4版刊發中國工程院院士、中國礦業大學(北京)教授彭蘇萍專題報道《為礦井做“CT”讓工作面更透明》。文章闡明了依托智能開采地質保障系統給礦井做“CT”，是煤礦準確預測預報地質災害的迫切需求，必須開發和建立智能礦山建設決策與災害隱患預報系統。

“我國煤田復雜地質構造和煤炭開采機械化需求催生了智能開采地質保障系統的建立。高分辨三維地震勘探技術的發展，讓智能開采地質保障系統建設走向成熟。”在國家礦山安全監察局組織開展的“礦山安全科技進陜西”活動中，中國工程院院士彭蘇萍聚焦“智能開采地質保障系統建設”作了專題報告。

“當前，我國煤礦機械化生產開機率從不到40%提高到90%以上，煤礦安全生產形勢實現好轉。但智能開采工作面主要集中在煤田地質條件相對簡單的礦區，其內涵被強大的機械化能力所掩蓋。礦井地質透明化及自動更新，仍是智能開采地質保障系統發展的努力方向。”彭蘇萍說。

智能開采地質保障系統建設取得長足進步

“智能開采地質保障系統是支撐煤礦安全高效生產的必要條件。在地質分析預測的基礎上，通過地球物理探測和鉆探、巷探等技術手段，超前探明精細地質結構和瓦斯突出、礦井突水等災害隱患，可為礦井設計、采區布置、生產準備、采煤工作面布置到回采等各個階段提供清楚可靠的地質信息，大大提高煤礦安全生產水平。”彭蘇萍說。

據介紹，智能開采地質保障系統是指從礦井基本建設開始，直到礦井開采結束及監測采后上覆巖體地質變化為止的整個礦井生命周期內的全部地質工作，包括含煤巖系地質構造、煤層厚度及變化、頂底板巖性及穩定性、水文地質、瓦斯賦存與分布規律、煤層中的地質異常體以及煤礦開采對上覆地層的損傷等內容。

隨著我國煤炭工業從炮采和普采向機械化、智能化開采轉變，智能開采地質保障系統建設先后經歷了從煤田地質學發展到采礦工程地質學和礦井工程物探的過程。

“20世紀80年代以前，我國煤炭生產以炮采和普采為主，開采效率低，對開采地質條件預測準確性的要求不高，主要側重于煤層賦存狀況的判別。20世紀80年代后，我國開始推進煤礦綜合機械化生產。受制于復雜的地質條件，機械化效益受到較大影響。”彭蘇萍表示。

為了破解我國煤田地質構造復雜、煤層厚度變化大無法適應機械化開采的難題，20世紀90年代以來，專家和科研人員在煤田地質學的基礎上建立礦井工程地質學，著力研究礦井工程地質勘查技術和礦井地球物理勘查技術，以期通過解決礦井地質構造精細描述和探測問題，提高礦井地質預測精度。

彭蘇萍指出，近年來，智能開采地質保障系統已在礦井地質構造的高分辨識別和精確定位、煤礦頂底板巖性和穩定性預測、煤礦瓦斯災害隱患識別以及礦井突水構造預測等方面取得長足進步。

具體表現在四個方面：一是實現礦井精細地質構造識別;二是在精確描述煤礦復雜地質構造、預測煤礦災害隱患方面的準確性大幅度提高;三是在識別煤礦頂底板巖性和煤與瓦斯、礦井突水災害隱患技術方面日臻完善;四是使礦井地質預測從點拓展到采區和礦區范圍，促進了礦井地質工作理念的根本性改變。

真正意義上的透明工作面尚未建立

2020年2月，國家發展改革委等八部門聯合發布的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》(以下簡稱《指導意見》)明確提出，到2025年，實現開拓設計、地質保障、采掘(剝)、運輸、通風、洗選物流等系統的智能化決策和自動化協同運行。

“《指導意見》指明了智能開采地質保障系統的建設方向，煤炭綠色開采、智能精準開采則對智能開采地質保障系統提出了新的更高的要求，這就要求我們進一步解決勘探精度、地質物探數據融合等問題。”彭蘇萍說。

彭蘇萍指出，勘探精度和地質物探數據融合問題是阻礙建立真正意義上的透明工作面的主要問題之一。

在他看來，大部分生產礦井基于鉆探資料，在有的礦區建立起包含三維地震勘探成果的煤礦三維地質模型，只是不同數據體的人工疊加，沒有做到真正意義上的數據融合。

“不同精度、不同數據結構的數據體疊加在一起，在精度、分辨率上并沒有真正提高，就如同毛玻璃一般，還不是真正意義上的三維。因此，三維地質數據體和礦井生產工程設計還不能融合在一起，存在‘兩張皮’現象。確切來說，我國目前還沒有真正意義上的透明工作面。”彭蘇萍直言。

同時，我國尚缺少地質物探聯合的高精度三維地質模型和巖性、物性模型。模型的動態更新是一個長期存在的問題。

彭蘇萍認為，煤巖層位智能探測問題是制約智能化采煤的重大難題之一。

隨著煤礦智能化建設的不斷推進，遠程無人化操控“三機”的定位精度已經達到厘米級，下達指令的傳輸時間達到毫秒級。

“這就要求地質保障技術能夠為智能化采煤提供及時、精準的電子地圖，現階段智能化采煤在地質保障技術方面是存在缺陷的。”彭蘇萍表示，“比如，依托三維地震勘探技術建立的煤礦三維地質體精度低，難以滿足遠程無人化操控的厘米級精度要求。”

煤巖分界難題仍是制約煤礦智能化開采的瓶頸問題。“20世紀90年代出現的視頻監測、光譜檢測、X射線等方法均因探測深度和精度不足而被迫停止。”彭蘇萍說。

他同時指出，地質雷達是煤巖界面分辨最具潛力的儀器裝備，但是受制于能量衰減問題，雷達天線要貼著煤壁，探測不能與采煤機聯動，也難以推廣。

“經過20多年的努力，最近我們開發出空氣耦合雷達系統。該系統可以不貼著煤壁進行懸空探測，煤巖分界精度可達厘米級，探測深度8米至10米，探測速度可與采煤機同步。這才使煤巖分界的難題初步得到解決。”彭蘇萍說。

開發智能采掘工作面地質透明化技術與裝備

煤礦智能化建設的深入推進，離不開可靠的地質保障。彭蘇萍認為，應圍繞以下三個方向發力：研發多地球物理場綜合探測裝備與技術，進一步提高勘探精度，提高礦井地質透明化水平;研發地質災害源定量精細表征和全息透明化地圖構建技術，進一步完善地質災害透明化地圖和自動更新平臺;以巖層結構為基礎，以巖石力學和流體因子為重點，開發和建立智能礦山建設決策與災害隱患預報系統。

彭蘇萍指出，在提高勘探精度與礦井地質透明化水平方面，提高地震勘探縱向分辨率是首要任務。

“我們在進行系統的巖石物理分析的基礎上，通過垂直地震剖面(VSP)將地震勘探目的層進行準確標定，并將地震數據體與測井數據體進行有效融合，發揮測井數據縱向分辨率高的優勢，將地震勘探分辨率從過去的米級提高到分米級左右，并最終反演成以巖性為基礎的三維地質數據體。”彭蘇萍說。

彭蘇萍指出，數據是煤礦智能化建設的重要支撐，需要在礦山多源信息采集的基礎上實現多源數據統合。

“我們要實現對鉆探信息、物探信息、生產信息等數據的規范化采集、規范化表達和動態維護，尤其是要加強三維地震勘探數據和物探數據的管理。”彭蘇萍說。

他強調，集成安全監測監控系統等采集的數據，必須按照信息化標準要求，實現統一標準、統一存儲、統一管理，實現最大程度的數據共享。

“當然，礦井地質和礦井物探結果也要通過數據融合的方式形成統一的數據結構，以提高礦井地質成果的精度與透明化水平，構建煤礦智能開采的地質保障平臺，解決地質系統與采礦工程系統‘兩張皮’問題，實現礦井地質與采礦工程的無縫對接。”彭蘇萍表示。

他認為，應利用鉆探、測井以及三維地震勘探技術等發揮各種地學數據的精度優勢，構建并動態修正高精度透明化地質模型，以反映礦體的最新幾何和屬性分布狀態;精細描述斷層等地質構造、陷落柱、采空區、老窯等，更好指導生產。

在彭蘇萍看來，我國不同煤礦地質條件差異顯著，礦井地質災害時有發生，依托智能開采地質保障系統給礦井做“CT”，是煤礦準確預測預報地質災害的迫切需求，必須開發和建立智能礦山建設決策與災害隱患預報系統。

“煤礦高分辨三維地震勘探技術是構建智能開采地質保障系統、提高地質透明化水平的最重要技術之一。由于三維地震勘探是彈性波勘探，可進一步分析和提取巖石物理和流體識別相關的數據。通過約束反演，以獲取礦區內巖性及地應力場情況，為智能開采支架選型和動力災害預防提供科學依據。”彭蘇萍說。

在隱蔽動力災害源智能識別與預警方面，彭蘇萍認為，應確定隱蔽動力災害源發生的條件和過程與物理場響應的耦合關系，建立水、火、瓦斯災害精準預測評價模型，實現智能識別與預警。

我國廣袤的西部干旱半干旱地區，煤炭產量占全國的50%以上，但水資源匱乏，不足全國的4%。在本就缺水的基礎上，煤炭開采造成地下水位下降，進一步影響了生態環境。

彭蘇萍表示，應在采前、采中、采后煤炭開發全生命周期中，通過觀測和研究厚煤層開采條件下上覆巖層的破斷規律及其與水、生態的關系，為西部干旱半干旱地區礦區環境與生態修復服務。這是今后智能開采地質保障系統建設的一項重要內容。

來源/中國煤炭報文　　字/盧慧穎