2024年11月9日，《中國煤炭報》第4版刊發(fā)中國工程院院士、中國礦業(yè)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(zhì)保障系統(tǒng)給礦井做“CT”，是煤礦準確預測預報地質(zhì)災害的迫切需求，必須開發(fā)和建立智能礦山建設決策與災害隱患預報系統(tǒng)。

“我國煤田復雜地質(zhì)構造和煤炭開采機械化需求催生了智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)的建立。高分辨三維地震勘探技術的發(fā)展，讓智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設走向成熟。”在國家礦山安全監(jiān)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(zhì)保障系統(tǒng)建設”作了專題報告。

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

智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設取得長足進步

“智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)是支撐煤礦安全高效生產(chǎn)的必要條件。在地質(zhì)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(zhì)結(jié)構和瓦斯突出、礦井突水等災害隱患，可為礦井設計、采區(qū)布置、生產(chǎn)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(zhì)信息，大大提高煤礦安全生產(chǎn)水平。”彭蘇萍說。

據(jù)介紹，智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)是指從礦井基本建設開始，直到礦井開采結(jié)束及監(jiān)測采后上覆巖體地質(zhì)變化為止的整個礦井生命周期內(nèi)的全部地質(zhì)工作，包括含煤巖系地質(zhì)構造、煤層厚度及變化、頂?shù)装鍘r性及穩(wěn)定性、水文地質(zhì)、瓦斯賦存與分布規(guī)律、煤層中的地質(zhì)異常體以及煤礦開采對上覆地層的損傷等內(nèi)容。

隨著我國煤炭工業(yè)從炮采和普采向機械化、智能化開采轉(zhuǎn)變，智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設先后經(jīng)歷了從煤田地質(zhì)學發(fā)展到采礦工程地質(zhì)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(chǎn)以炮采和普采為主，開采效率低，對開采地質(zhì)條件預測準確性的要求不高，主要側(cè)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(chǎn)。受制于復雜的地質(zhì)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(zhì)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(zhì)學的基礎上建立礦井工程地質(zhì)學，著力研究礦井工程地質(zhì)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(zhì)構造精細描述和探測問題，提高礦井地質(zhì)預測精度。

彭蘇萍指出，近年來，智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)已在礦井地質(zhì)構造的高分辨識別和精確定位、煤礦頂?shù)装鍘r性和穩(wěn)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(xiàn)在四個方面：一是實現(xiàn)礦井精細地質(zhì)構造識別;二是在精確描述煤礦復雜地質(zhì)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?shù)装鍘r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(zhì)預測從點拓展到采區(qū)和礦區(qū)范圍，促進了礦井地質(zhì)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(fā)展改革委等八部門聯(lián)合發(fā)布的《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》(以下簡稱《指導意見》)明確提出，到2025年，實現(xiàn)開拓設計、地質(zhì)保障、采掘(剝)、運輸、通風、洗選物流等系統(tǒng)的智能化決策和自動化協(xié)同運行。

“《指導意見》指明了智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)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(zhì)保障系統(tǒng)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(zhì)物探數(shù)據(jù)融合等問題。”彭蘇萍說。

彭蘇萍指出，勘探精度和地質(zhì)物探數(shù)據(jù)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(chǎn)礦井基于鉆探資料，在有的礦區(qū)建立起包含三維地震勘探成果的煤礦三維地質(zhì)模型，只是不同數(shù)據(jù)體的人工疊加，沒有做到真正意義上的數(shù)據(jù)融合。

“不同精度、不同數(shù)據(jù)結(jié)構的數(shù)據(jù)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(zhì)數(shù)據(jù)體和礦井生產(chǎn)工程設計還不能融合在一起，存在‘兩張皮’現(xiàn)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(zhì)物探聯(lián)合的高精度三維地質(zhì)模型和巖性、物性模型。模型的動態(tài)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(jīng)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(zhì)保障技術能夠為智能化采煤提供及時、精準的電子地圖，現(xiàn)階段智能化采煤在地質(zhì)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(zhì)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(xiàn)的視頻監(jiān)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(zhì)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(lián)動，也難以推廣。

“經(jīng)過20多年的努力，最近我們開發(fā)出空氣耦合雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(fā)智能采掘工作面地質(zhì)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(zhì)保障。彭蘇萍認為，應圍繞以下三個方向發(fā)力：研發(fā)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(zhì)透明化水平;研發(fā)地質(zhì)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(zhì)災害透明化地圖和自動更新平臺;以巖層結(jié)構為基礎，以巖石力學和流體因子為重點，開發(fā)和建立智能礦山建設決策與災害隱患預報系統(tǒng)。

彭蘇萍指出，在提高勘探精度與礦井地質(zhì)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(tǒng)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(shù)據(jù)體與測井數(shù)據(jù)體進行有效融合，發(fā)揮測井數(shù)據(jù)縱向分辨率高的優(yōu)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(zhì)數(shù)據(jù)體。”彭蘇萍說。

彭蘇萍指出，數(shù)據(jù)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(xiàn)多源數(shù)據(jù)統(tǒng)合。

“我們要實現(xiàn)對鉆探信息、物探信息、生產(chǎn)信息等數(shù)據(jù)的規(guī)范化采集、規(guī)范化表達和動態(tài)維護，尤其是要加強三維地震勘探數(shù)據(jù)和物探數(shù)據(jù)的管理。”彭蘇萍說。

他強調(diào)，集成安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等采集的數(shù)據(jù)，必須按照信息化標準要求，實現(xiàn)統(tǒng)一標準、統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理，實現(xiàn)最大程度的數(shù)據(jù)共享。

“當然，礦井地質(zhì)和礦井物探結(jié)果也要通過數(shù)據(jù)融合的方式形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構，以提高礦井地質(zhì)成果的精度與透明化水平，構建煤礦智能開采的地質(zhì)保障平臺，解決地質(zhì)系統(tǒng)與采礦工程系統(tǒng)‘兩張皮’問題，實現(xiàn)礦井地質(zhì)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(fā)揮各種地學數(shù)據(jù)的精度優(yōu)勢，構建并動態(tài)修正高精度透明化地質(zhì)模型，以反映礦體的最新幾何和屬性分布狀態(tài);精細描述斷層等地質(zhì)構造、陷落柱、采空區(qū)、老窯等，更好指導生產(chǎn)。

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

“煤礦高分辨三維地震勘探技術是構建智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)、提高地質(zhì)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(shù)據(jù)。通過約束反演，以獲取礦區(qū)內(nèi)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(jù)。”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(fā)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(xiàn)智能識別與預警。

我國廣袤的西部干旱半干旱地區(qū)，煤炭產(chǎn)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(tài)環(huán)境。

彭蘇萍表示，應在采前、采中、采后煤炭開發(fā)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(guī)律及其與水、生態(tài)的關系，為西部干旱半干旱地區(qū)礦區(qū)環(huán)境與生態(tài)修復服務。這是今后智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設的一項重要內(nèi)容。

來源/中國煤炭報文　　字/盧慧穎