創(chuàng)新點(diǎn)

（1）提出“四隨”地質(zhì)信息重構(gòu)概念，通過隨鉆、隨掘、隨采、隨落系列物探一體化透明信息的收集與表征，基于不同的點(diǎn)、線、面、體信息的匯集與整合，逐步形成透明工作面、透明采區(qū)、透明煤礦動(dòng)態(tài)的地質(zhì)模型構(gòu)建體系。

（2）基于“四隨”動(dòng)態(tài)高精度探查技術(shù)，提出研發(fā)地層、構(gòu)造、采場(chǎng)、資源等多源地質(zhì)地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)，通過“四隨”探測(cè)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)獲取和綜合利用，提高地質(zhì)信息實(shí)時(shí)感知與交互能力，輔以虛擬可視、成像等技術(shù)，實(shí)時(shí)修正靜態(tài)地質(zhì)模型，完成動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型重構(gòu)，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦地質(zhì)條件的全透明化。

煤礦透明地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)與路徑思考

作者：袁  亮1，2，張平松1，2

單位：1.中國煤炭學(xué)會(huì) 礦井地質(zhì)專業(yè)委員會(huì); 2.安徽理工大學(xué)

研究背景

據(jù)國家能源局不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)階段全國有近400座煤礦正在逐步落實(shí)與推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)，智能化采掘工作面已經(jīng)達(dá)到800余個(gè)。由此可見，智能化煤礦建設(shè)是煤礦未來發(fā)展的主流方向，其基于智慧生產(chǎn)系統(tǒng)，依托智慧職業(yè)與安全系統(tǒng)，輔助以智慧后勤保障系統(tǒng)，通過全數(shù)據(jù)可視、全場(chǎng)景協(xié)同，對(duì)煤礦生產(chǎn)、安全、技術(shù)、保障、健康與后勤等進(jìn)行主動(dòng)感知、自動(dòng)分析、智能處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦的無人、少人、安全、高效、清潔、健康管理建設(shè)的目標(biāo)。

隨著我國智能化煤礦落地進(jìn)程逐漸加快，固定作業(yè)崗位無人值守、巡檢機(jī)器人輔助作業(yè)等智能化少人開采技術(shù)成果斐然，并已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了工作面“減人、增安、提效” 目標(biāo)。但受制于智能化相關(guān)技術(shù)發(fā)展瓶頸，國內(nèi)智能化煤礦全局建設(shè)總體上仍處于培育和示范過程中，未能得到完全突破，其中地質(zhì)條件的透明化問題是一項(xiàng)重要內(nèi)容，特別是地質(zhì)基礎(chǔ)理論與技術(shù)短板亟待解決。尤其針對(duì)煤層開采靜態(tài)與動(dòng) 態(tài)地質(zhì)條件、開采環(huán)境精準(zhǔn)探測(cè)、全過程地質(zhì)信息的高精度建模、地質(zhì)條件的信息識(shí)別與精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害事件的智能監(jiān)測(cè)與防治等相關(guān)基礎(chǔ)理論研究仍是十分薄弱，缺乏井下非接觸式全面感知與多源信息融合技術(shù)、井下應(yīng)急性處理地質(zhì)機(jī)器人等，智能化技術(shù)對(duì)復(fù)雜條件的生產(chǎn)礦井適應(yīng)性不夠理想。隨鉆、隨掘、隨采、隨落(后稱“四隨”)探測(cè)一體化較以往單一探測(cè)技術(shù)而言，能夠?qū)崿F(xiàn)不停鉆、不停掘、不停采條件下的連續(xù)探測(cè)，不影響正常的采掘作業(yè)，極大地提高了生產(chǎn)效率，具有數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性、低成本等特點(diǎn)。開展煤礦生產(chǎn)過程全生命周期的“ 四隨” 勘 探透明地質(zhì)信息收集與表征是智能化煤礦建設(shè)的關(guān)鍵。與此同時(shí)，鉆掘采裝備配備了“視覺” 與“ 思考” ，嘗試對(duì)鉆、掘、采、落過程的安全開展主動(dòng)管控，成為實(shí)現(xiàn)煤炭智能安全精準(zhǔn)開采的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性技術(shù)。

摘要

圍繞煤炭“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略及智能精準(zhǔn)開采需求，構(gòu)建與智能化煤礦建設(shè)相匹配的透明地質(zhì)保障體系，首要任務(wù)是提高地質(zhì)條件透明化理論方法和技術(shù)水平。 地質(zhì)條件的精準(zhǔn)判識(shí)對(duì)煤炭資源安全高效開發(fā)尤為關(guān)鍵，但由于地質(zhì)條件多樣、特殊、復(fù)雜，現(xiàn)階段地質(zhì)透明化及動(dòng)態(tài)過程研究程度仍然不夠充分。 鉆、掘、采、落是煤炭安全精準(zhǔn)開發(fā)及礦井建設(shè)中的4個(gè)基本步驟，其對(duì)應(yīng)的透明化條件場(chǎng)景涵蓋鉆孔、巷道、采煤面、采空區(qū)及廢棄礦井等諸多內(nèi)容。因此，隨鉆、隨掘、隨采、隨落(后稱“四隨”)系列物探一體化透明信息的收集與表征至關(guān)重要。

提出“四隨”地質(zhì)信息重構(gòu)概念，基于不同的點(diǎn)、線、面、體信息的匯集與整合，逐步形成透明工作面、透明采區(qū)、透明煤礦動(dòng)態(tài)的地質(zhì)模型體系。具體而言，結(jié)合井下施工的鉆孔所探查和揭露信息，形成孔周邊特別是“隨鉆”過程中的慣性導(dǎo)航、煤巖識(shí)別、虛擬地質(zhì)模型重構(gòu)等技術(shù)突破;利用掘進(jìn)機(jī)械在巷道工作面施工進(jìn)程中超前探測(cè)與巖性分析，“隨掘”獲得對(duì)前方及周邊一定范圍內(nèi)地質(zhì)條件的物性成像和異常判斷; 根據(jù)割煤機(jī)及巷道空間布設(shè)探測(cè)與識(shí)別探頭，對(duì)煤層、頂?shù)装蹇臻g巖層進(jìn)行“隨采”過程的精準(zhǔn)識(shí)別與異常判定，提高對(duì)割煤區(qū)煤厚及地質(zhì)災(zāi)害體的預(yù)報(bào)精度;依托布設(shè)在采空區(qū)的濃度、滲流、濕 度、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等傳感器，“隨落” 過程對(duì)采后各類環(huán)境及災(zāi)害條件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與跟蹤，提高對(duì)異常體和剩余資源的判識(shí)能力。

基于“四隨”動(dòng)態(tài)高精度探查技術(shù)，進(jìn)一步研發(fā)地層、構(gòu)造、采場(chǎng)、資源等多源地質(zhì)地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)，通過“四隨” 探測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取與融合處理，提高地質(zhì)信息實(shí)時(shí)感知與交互能力，輔以虛擬可視、成像等技術(shù)，實(shí)時(shí)修正靜態(tài)地質(zhì)模型，完成動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型重構(gòu)，逐步實(shí)現(xiàn)煤礦地質(zhì)條件的全透明化。通過構(gòu)建煤礦生產(chǎn)全生命周期智能化信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)云端信息綜合診斷和預(yù)警互助，為智能化煤礦建設(shè)及資源化評(píng)價(jià)利用提供可靠的技術(shù)支撐。

部分圖片

圖 1 黃玉川煤礦井下隨鉆方位伽馬測(cè)井試驗(yàn)成果

圖 2  隨掘地震技術(shù)與復(fù)合干涉算法處理效果示意

圖 3 不同網(wǎng)絡(luò)模型動(dòng)態(tài)煤巖識(shí)別效果對(duì)比

圖 4  采空區(qū)光纜應(yīng)變分布

圖 5 采動(dòng)裂隙場(chǎng)形成過程中微震事件及其等值密云圖的演化規(guī)律

圖片

圖6 采煤工作面三維建模

圖 7  透明化地質(zhì)系統(tǒng)框架

圖 8 地震全波形單獨(dú)反演速度剖面和聯(lián)合反演速度剖面

圖 9  一體化透明地質(zhì)軟件平臺(tái)

圖 10  三維地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)重構(gòu)路徑流程

作者簡介

圖片

袁亮，男，1960年6月生，安徽金寨人，中共黨員，十三屆全國人大代表，中國工程院院士，教授，博士生導(dǎo)師，著名煤炭開采及瓦斯治理專家，煤與瓦斯共采理論主要奠基人，安徽理工大學(xué)校長、中國工程科技發(fā)展戰(zhàn)略安徽研究院院長、合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院副院長、中國煤炭學(xué)會(huì)礦井地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)主任委員。曾任淮南礦業(yè)集團(tuán)公司總工程師、中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院院長、中國煤炭學(xué)會(huì)和中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)副理事長等職務(wù)。獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)6項(xiàng)，中國專利金獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技進(jìn)步特等及一等獎(jiǎng)12項(xiàng)（均排名第一）、首屆全國創(chuàng)新爭先獎(jiǎng)狀、安徽省重大科技成就獎(jiǎng)、安徽省突出貢獻(xiàn)人才獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)，享受國務(wù)院政府特殊津貼。獲全國優(yōu)秀科技工作者、國家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家、世界采礦大會(huì)“突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”等榮譽(yù)稱號(hào)。連續(xù)2年入選“中國高被引學(xué)者”榜單。2009年當(dāng)選為中國工程院院士。

研究方向

煤與瓦斯共采，煤與共伴生資源精準(zhǔn)開發(fā)，煤礦典型地質(zhì)及動(dòng)力災(zāi)害防控，工業(yè)粉塵防控與職業(yè)安全健康

主要成果

“九五”計(jì)劃以來，主持完成國家重大專項(xiàng)、國家重大科技攻關(guān)、國家科技支撐計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家重大科研儀器研制等國家和省部級(jí)重大科研項(xiàng)目50余項(xiàng)，2010年以來主持參與中國工程院重大、重點(diǎn)咨詢研究項(xiàng)目10余項(xiàng)，獲批行業(yè)首個(gè)國家自然科學(xué)基金委國家重大科研儀器研制項(xiàng)目（部門推薦）。開創(chuàng)性提出了卸壓開采抽采瓦斯、無煤柱煤與瓦斯共采理論，開展了基于應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)、瓦斯場(chǎng)多場(chǎng)耦合基礎(chǔ)研究，提出了煤與瓦斯共采“高位環(huán)形體”理論，取得了煤礦瓦斯治理理論重大突破。開發(fā)出煤礦瓦斯治理全套工藝技術(shù)，破解了低透氣性高瓦斯煤層群安全開采重大難題，淮南礦區(qū)應(yīng)用研究成果杜絕了瓦斯爆炸事故。主持編制中國首個(gè)《煤礦瓦斯治理總體方案》，在全國實(shí)施。研究成果在全國14個(gè)產(chǎn)煤?。▍^(qū)）、澳大利亞、俄羅斯、印度等國推廣應(yīng)用。

來源：

袁亮，張平松.煤礦透明地質(zhì)模型動(dòng)態(tài)重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)與路徑思考[J].煤炭學(xué)報(bào)，2023，48(1):1-14.