为矿井做“CT”，让工作面更透明——中国工程院院士彭苏萍谈建设智能开采地质保障系统

转自：国家矿山安全监察局

“我国煤田复杂地质构造和煤炭开采机械化需求催生了智能开采地质保障系统的建立。高分辨三维地震勘探技术的发展，让智能开采地质保障系统建设走向成熟。”在国家矿山安全监察局组织开展的“矿山安全科技进陕西”活动中，中国工程院院士彭苏萍聚焦“智能开采地质保障系统建设”作了专题报告。

“当前，我国煤矿机械化生产开机率从不到40%提高到90%以上，煤矿安全生产形势实现好转。但智能开采工作面主要集中在煤田地质条件相对简单的矿区，其内涵被强大的机械化能力所掩盖。矿井地质透明化及自动更新，仍是智能开采地质保障系统发展的努力方向。”彭苏萍说。

智能开采地质保障系统建设取得长足进步

“智能开采地质保障系统是支撑煤矿安全高效生产的必要条件。在地质分析预测的基础上，通过地球物理探测和钻探、巷探等技术手段，超前探明精细地质结构和瓦斯突出、矿井突水等灾害隐患，可为矿井设计、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清楚可靠的地质信息，大大提高煤矿安全生产水平。”彭苏萍说。

据介绍，智能开采地质保障系统是指从矿井基本建设开始，直到矿井开采结束及监测采后上覆岩体地质变化为止的整个矿井生命周期内的全部地质工作，包括含煤岩系地质构造、煤层厚度及变化、顶底板岩性及稳定性、水文地质、瓦斯赋存与分布规律、煤层中的地质异常体以及煤矿开采对上覆地层的损伤等内容。

随着我国煤炭工业从炮采和普采向机械化、智能化开采转变，智能开采地质保障系统建设先后经历了从煤田地质学发展到采矿工程地质学和矿井工程物探的过程。

“20世纪80年代以前，我国煤炭生产以炮采和普采为主，开采效率低，对开采地质条件预测准确性的要求不高，主要侧重于煤层赋存状况的判别。20世纪80年代后，我国开始推进煤矿综合机械化生产。受制于复杂的地质条件，机械化效益受到较大影响。”彭苏萍表示。

为了破解我国煤田地质构造复杂、煤层厚度变化大无法适应机械化开采的难题，20世纪90年代以来，专家和科研人员在煤田地质学的基础上建立矿井工程地质学，着力研究矿井工程地质勘查技术和矿井地球物理勘查技术，以期通过解决矿井地质构造精细描述和探测问题，提高矿井地质预测精度。

彭苏萍指出，近年来，智能开采地质保障系统已在矿井地质构造的高分辨识别和精确定位、煤矿顶底板岩性和稳定性预测、煤矿瓦斯灾害隐患识别以及矿井突水构造预测等方面取得长足进步。

具体表现在四个方面：一是实现矿井精细地质构造识别；二是在精确描述煤矿复杂地质构造、预测煤矿灾害隐患方面的准确性大幅度提高；三是在识别煤矿顶底板岩性和煤与瓦斯、矿井突水灾害隐患技术方面日臻完善；四是使矿井地质预测从点拓展到采区和矿区范围，促进了矿井地质工作理念的根本性改变。

真正意义上的透明工作面尚未建立

2020年2月，国家发展改革委等八部门联合发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》（以下简称《指导意见》）明确提出，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。

“《指导意见》指明了智能开采地质保障系统的建设方向，煤炭绿色开采、智能精准开采则对智能开采地质保障系统提出了新的更高的要求，这就要求我们进一步解决勘探精度、地质物探数据融合等问题。”彭苏萍说。

彭苏萍指出，勘探精度和地质物探数据融合问题是阻碍建立真正意义上的透明工作面的主要问题之一。

在他看来，大部分生产矿井基于钻探资料，在有的矿区建立起包含三维地震勘探成果的煤矿三维地质模型，只是不同数据体的人工叠加，没有做到真正意义上的数据融合。

“不同精度、不同数据结构的数据体叠加在一起，在精度、分辨率上并没有真正提高，就如同毛玻璃一般，还不是真正意义上的三维。因此，三维地质数据体和矿井生产工程设计还不能融合在一起，存在‘两张皮’现象。确切来说，我国目前还没有真正意义上的透明工作面。”彭苏萍直言。

同时，我国尚缺少地质物探联合的高精度三维地质模型和岩性、物性模型。模型的动态更新是一个长期存在的问题。

彭苏萍认为，煤岩层位智能探测问题是制约智能化采煤的重大难题之一。

随着煤矿智能化建设的不断推进，远程无人化操控“三机”的定位精度已经达到厘米级，下达指令的传输时间达到毫秒级。

“这就要求地质保障技术能够为智能化采煤提供及时、精准的电子地图，现阶段智能化采煤在地质保障技术方面是存在缺陷的。”彭苏萍表示，“比如，依托三维地震勘探技术建立的煤矿三维地质体精度低，难以满足远程无人化操控的厘米级精度要求。”

煤岩分界难题仍是制约煤矿智能化开采的瓶颈问题。“20世纪90年代出现的视频监测、光谱检测、X射线等方法均因探测深度和精度不足而被迫停止。”彭苏萍说。

他同时指出，地质雷达是煤岩界面分辨最具潜力的仪器装备，但是受制于能量衰减问题，雷达天线要贴着煤壁，探测不能与采煤机联动，也难以推广。

“经过20多年的努力，最近我们开发出空气耦合雷达系统。该系统可以不贴着煤壁进行悬空探测，煤岩分界精度可达厘米级，探测深度8米至10米，探测速度可与采煤机同步。这才使煤岩分界的难题初步得到解决。”彭苏萍说。

开发智能采掘工作面地质透明化技术与装备

煤矿智能化建设的深入推进，离不开可靠的地质保障。彭苏萍认为，应围绕以下三个方向发力：研发多地球物理场综合探测装备与技术，进一步提高勘探精度，提高矿井地质透明化水平；研发地质灾害源定量精细表征和全息透明化地图构建技术，进一步完善地质灾害透明化地图和自动更新平台；以岩层结构为基础，以岩石力学和流体因子为重点，开发和建立智能矿山建设决策与灾害隐患预报系统。

彭苏萍指出，在提高勘探精度与矿井地质透明化水平方面，提高地震勘探纵向分辨率是首要任务。

“我们在进行系统的岩石物理分析的基础上，通过垂直地震剖面（VSP）将地震勘探目的层进行准确标定，并将地震数据体与测井数据体进行有效融合，发挥测井数据纵向分辨率高的优势，将地震勘探分辨率从过去的米级提高到分米级左右，并最终反演成以岩性为基础的三维地质数据体。”彭苏萍说。

彭苏萍指出，数据是煤矿智能化建设的重要支撑，需要在矿山多源信息采集的基础上实现多源数据统合。

“我们要实现对钻探信息、物探信息、生产信息等数据的规范化采集、规范化表达和动态维护，尤其是要加强三维地震勘探数据和物探数据的管理。”彭苏萍说。

他强调，集成安全监测监控系统等采集的数据，必须按照信息化标准要求，实现统一标准、统一存储、统一管理，实现最大程度的数据共享。

“当然，矿井地质和矿井物探结果也要通过数据融合的方式形成统一的数据结构，以提高矿井地质成果的精度与透明化水平，构建煤矿智能开采的地质保障平台，解决地质系统与采矿工程系统‘两张皮’问题，实现矿井地质与采矿工程的无缝对接。”彭苏萍表示。

他认为，应利用钻探、测井以及三维地震勘探技术等发挥各种地学数据的精度优势，构建并动态修正高精度透明化地质模型，以反映矿体的最新几何和属性分布状态；精细描述断层等地质构造、陷落柱、采空区、老窑等，更好指导生产。

在彭苏萍看来，我国不同煤矿地质条件差异显著，矿井地质灾害时有发生，依托智能开采地质保障系统给矿井做“CT”，是煤矿准确预测预报地质灾害的迫切需求，必须开发和建立智能矿山建设决策与灾害隐患预报系统。

“煤矿高分辨三维地震勘探技术是构建智能开采地质保障系统、提高地质透明化水平的最重要技术之一。由于三维地震勘探是弹性波勘探，可进一步分析和提取岩石物理和流体识别相关的数据。通过约束反演，以获取矿区内岩性及地应力场情况，为智能开采支架选型和动力灾害预防提供科学依据。”彭苏萍说。

在隐蔽动力灾害源智能识别与预警方面，彭苏萍认为，应确定隐蔽动力灾害源发生的条件和过程与物理场响应的耦合关系，建立水、火、瓦斯灾害精准预测评价模型，实现智能识别与预警。

我国广袤的西部干旱半干旱地区，煤炭产量占全国的50%以上，但水资源匮乏，不足全国的4%。在本就缺水的基础上，煤炭开采造成地下水位下降，进一步影响了生态环境。

彭苏萍表示，应在采前、采中、采后煤炭开发全生命周期中，通过观测和研究厚煤层开采条件下上覆岩层的破断规律及其与水、生态的关系，为西部干旱半干旱地区矿区环境与生态修复服务。这是今后智能开采地质保障系统建设的一项重要内容。（卢慧颖）

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