透明礦山建設與推進的思考

郭昌放，楊 真，武 祥，張海紅，吳鍆鈦，陳一鼎，周興策

(1.中國礦業大學人工智能研究院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116；3.昆明煤炭科學研究所，云南省昆明市，650051)

0 引言

煤炭是我國的主體能源和基礎產業[1-2]，據《中國能源中長期(2030、2050)發展戰略研究》報告推測，未來30年內煤炭資源在我國一次能源消費結構中的比例仍然保持在一半左右[3]。因此，我國的能源格局仍然是以煤炭為主，關鍵是接下來如何做好煤炭這篇大文章[4]。近些年來，我國正在加快構建清潔、高效、安全和可持續的現代能源體系，煤炭工業作為我國的傳統行業，高效智能的生產管理技術體系建設已經成為煤炭行業未來發展的需求和必然方向[5-6]。2020年，8部委制定和發布了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，煤礦智能精準開采[7]不僅符合國家的戰略規劃，同時也已成為行業未來的發展趨勢以及未來綠色采礦的必由之路。

近年來，袁亮院士以及澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)[8]等國內外眾多學者與機構曾先后提出，礦山的透明化建設作為煤礦智能精準開采實現的基礎和前提，對于推動煤炭資源的安全高效開采具有重要意義[9-10]。作為目前煤炭工業實現高質量發展轉型升級迫切需要解決的核心問題，透明礦山建設已成為行業內的研究熱點。

煤炭資源的開采處于一個持續發展和動態變化的環境過程中，礦山的透明化建設所涉及的人-設備-環境具有分布范圍廣、種類多、更新快、環境復雜等因素，實施過程中會面臨諸多挑戰。1990年，加拿大開始著手數字化礦山建設相關研究，設計并研發出了遙控采礦系統，而且該系統在鎳礦開采過程中得到了成功應用[11]。此后，澳大利亞、瑞典和芬蘭等國家相繼投入到數字化礦山的建設過程中，并研發了礦井可視化軟件。1999年，澳大利亞學者提出了“玻璃地球”的概念[12]，設想利用遙感、地質以及地球物理勘探等方法實現地下1 km內地質狀況的透明化。2008年，IBM公司首席執行官彭明盛[13]首次提出“智慧地球”的概念，旨在將智能技術應用到生活的各個方面，使地球變得越來越智能化。

目前，“互聯網+”正在與各產業進行快速的融合，煤炭開采行業也在由原來的勞動密集、粗放型生產管理模式向信息化、自動化、精準化、智能化以及無人化開采方式轉變，因此透明礦山以及智慧礦山等概念相繼被提出并進行設計研究[14-15]。2017年，袁亮院士[16]提出了基于透明空間地球物理和多物理場耦合為核心的煤炭精準開采理念，通過將地理空間服務技術、互聯網技術、CT掃描技術、VR技術等推動礦山的可視化建設；2018年，毛善君教授等[17]研究人員提出了透明化礦山管控平臺的設計與關鍵技術，旨在通過三維模型的構建與動態修正、多源時空數據的集成和可視化等關鍵技術為透明礦山的建設提供整體的架構思路；2019年，陸斌[18]提出了基于孔間地震細分動態探測方法對工作面內的地質構造進行精準探測，以推動透明礦山的建設；程建遠等[19]研究人員提出了透明礦山建設的地質模型梯級構建及其關鍵技術；田建川[20]提出了基于煤礦地質異常透明化的自動化采煤系統和方法。

透明礦山的實現不僅僅要以精準化的地質勘探成果為基礎，同時還需要實現對礦井動態復雜多場多參量信息的集成、融合和挖掘分析，以促進礦井更大范圍、更廣維度和更高精度的透明化，為煤礦的智能精準開采提供數據支持。

1 透明礦山建設存在問題及建設思路

1.1 透明礦山建設存在問題

透明礦山作為煤礦智能化、無人化的基礎和前提，能夠快速準確的為管理人員和技術人員提供決策支持和安全保障。然而，煤炭資源的開采處于一個持續發展和動態變化的環境過程中，透明礦山建設所涉及的人、設備和環境分布范圍廣、種類多、更新快、環境復雜，實施過程中面臨諸多挑戰。

1.1.1礦山生產外部環境-煤礦多源大數據不對稱

煤礦工作面回采是一項復雜的系統工程[21]，它涉及采礦、掘進、機電、運輸、通風、水文、地質、測量、監控監測等多個學科專業，需要由生產技術部、地質部、通風部、調度室、計劃科、生產隊組、掘進隊組、準備隊組、開拓隊組等多個部門協同配合作業完成。而且從工作面的設計到回采完成的整個過程中，周圍的人、設備和環境都在不斷的發生變化，并時刻產生著數據量巨大、類別廣泛以及形式各異的多源異構數據，具體特征如下。

(1)數據量大。煤礦工作面在回采過程中實時產生著大量的生產相關數據，其中包括圖形化的工程數據、礦井水、火、瓦斯、頂底板等為主的環境監測數據，設備位置以及運行狀態數據，人員位置數據以及人工測量數據等。而且，隨著煤礦企業信息化水平的提高，數據量將會更大。

(2)數據種類繁多。煤礦工作面在回采過程中，產生的數據種類主要有工程圖紙、圖像、數字、文字、視頻、音頻等多種形式[22]。

(3)數據迭代更新迅速。煤礦工作面在回采過程中有關空間數據信息、開采進度以及監測監控數據、揭露數據，以及其他設備和人員位置狀態等數據信息都在時刻發生著變化[23]，因此數據的更新變化速度較快。

(4)數據共享頻繁。由于煤礦企業的生產需要多部門、多專業人員協同配合作業才能完成，因此在生產過程中分散在不同地點、不同部門、不同人員處的多源數據信息需要及時地共享，保證對生產信息的統一認知，便于生產安排和執行[24]，避免因信息不對稱而造成的經濟損失和人員傷亡。

由于煤礦企業工作范圍較大且人員分布較分散，此外煤礦企業各部門之間在生產中有著高度分工和專業化的特點，因此各部門以及每個作業人員個體之間互相獨立，掌握的數據和信息各不相同。由于缺少統一的協同工作信息共享機制和作業平臺，從而導致煤礦企業在生產過程中產生的多源數據得不到及時的共享，技術人員和管理人員難以實現對多源數據的統一認識，使得煤礦企業生產安排以及資源優化配置難度大，各系統協同配合復雜度高。因此，目前煤礦企業存在著嚴重的“信息孤島”和“數據不透明”問題。煤礦多源數據共享現狀如圖1所示。

圖1 煤礦多源數據共享現狀

因此，透明礦山建設首先需要建立統一的信息協同共享機制，實現煤礦多源大數據的實時共享和透明化管理。

1.1.2礦山生產內部環境-煤礦地質保障技術有待提高

煤礦地質環境的精準探測是實現安全高效開采的基礎條件，不僅直接影響著礦井采掘方案的制定，同時也給井下作業人員的安全帶來潛在風險。

目前，主要通過鉆探、地質學、統計預測以及后來發展起來的地球物理勘探等方法[25-26]。地面以及井下鉆探、巷探等方式雖然得到的結果最為直接和真實，但是往往需要花費較高的時間成本和經濟成本，而且具體實施過程與制定的方案往往存在偏差，同時還存在一定的探測盲區，留下安全隱患[27]。相比之下，地球物理勘探方法往往具有更高的經濟性和快捷性。常見的礦井物探方法主要有：地面地震勘探法[28-29]、礦井瞬變電磁法[30]、礦井地質雷達法[31]、礦井直流電法[32]、電磁波CT法以及地震槽波透射勘探等。其中，地面地震勘探方法探測范圍較大，但其精準度相對井下物探方法較低[33]。井下地震槽波透射勘探應用效果顯著[34-35]，但是，地震勘探往往以炸藥作為震源，而且由于現場實施作業人員較多，施工程序較為復雜，設備也比較多而且繁重，從而導致整個勘探過程持續時間長、成本高，并具有一定的安全風險。礦井瞬變電磁法以及直流電法對于富水性較強的異常體比較敏感，雖然在礦山水害防治與預測方面取得了較好的應用成果[36-37]，但是對于斷層、陷落柱等地質異常反應不夠靈敏，從而導致應用場景具有一定的局限性。

1.2 透明礦山建設思路

透明礦山作為礦山智能精準開采地質保障體系建設的核心，面對礦山井下封閉的環境，持續發展和動態變化的條件，難以一蹴而就。因此，本文從目前礦山企業迫切需要解決的礦井生產外部感知環境及內部地質環境透明化入手展開深入探討和研究，具體建設思路如圖2所示。

圖2 透明礦山建設思路

首先，一是，針對礦山生產外部環境的透明化感知，應基于統一的標準建立煤礦多源異構大數據協同共享平臺，從而保證礦井生產相關人、設備和環境所感知礦井生產外部環境的對稱和透明。二是，針對不同的物探技術和探測原理，通過對其反演算法的研究和優化，以及基于平臺所獲取的先驗數據，隨采動過程持續更新提高礦井生產內部環境地質勘探結果的精準性。

其次，為了進一步提高地質環境預測的精準性和可靠性，促進礦井內部地質環境的透明化，多種物探技術聯合探測方法相繼被使用。雖然反演預測結果的多解性得到有效控制，但是需要消耗的時間成本和經濟成本較高，難以實現常態化推廣應用。在具體實施過程中，針對不同的探測任務往往選擇不同的探測方法，而探測結果的精準性除了取決于現場采集數據的質量外，反演算法的優化和揭露多源先驗數的充分結合和利用往往也能夠提高探測的精準性。

最后，在煤礦多源數據協同平臺的基礎上，針對不同生產環節所面臨的具體問題，通過對相關多源數據的深入挖掘和分析，來提高更大范圍和更高維度的礦山信息化建設。

2 透明礦山建設關鍵技術

2.1 煤礦多源大數據協同共享平臺建設

煤礦工作面生產過程中產生的多源數據按照類別總體可劃分為：圖形化工程數據、監測監控數據以及文檔類數據。在這3類數據中，同種類數據內部以及不同種類數據之間都是獨立分散的，因此需要建立統一的協同共享機制實現多源數據的實時共享和透明化管理[38]。

本研究團隊通過大量現場調研，研究了煤礦多源數據的分類、特點以及透明化現狀，提出了煤礦多源數據協同共享機制和平臺建設架構，采用CAD的二次開發方式，按照自定義的mxg標準數據格式，通過nodejs運行的服務端系統，將煤礦中不同的多源數據以圖形化工程數據為導向，統一到同一張圖紙上進行展示，以實現對感知多源數據的高效管理、實時準確更新和快速共享，為工作面內地質異常的層析反演和結果的預測提供數據支持。更為重要的是，該平臺將有助于實現煤礦更大范圍和更高維度的透明化。圖形化工程數據協同作業平臺應用界面如圖3所示，煤礦多源監測監控數據協同管理應用界面如圖4所示。

圖3 圖形化工程數據協同作業平臺應用界面

圖4 煤礦多源監測監控數據協同管理應用界面

2.2 煤礦工作面地質異常精準勘探技術

工作面作為煤礦生產的核心單元，內部地質異常的精準識別作為工作面透明化建設的核心，直接影響著工作面回采方案的制定、回采效率以及井下工作人員的生命安全。隨著煤礦開采深度的增加，工作面所面臨的開采條件將變得更加復雜，因此，透明礦山建設首先需要保證對工作面內部地質構造及煤層賦存狀態的精準勘探。

2.2.1地質構造的精準探測

井下工作面電磁波CT技術作為一種非接觸式探測方法，由于具有施工便捷、效率高、分辨能力強、成本較低等特點，而且還不存在破壞性，使其成為目前國內外煤礦工作面內部地質異常探測和反演的主要方法[39-40]。電磁波透射定點觀測法示意圖如圖5所示。

圖5 電磁波透射定點觀測法示意圖

然而，目前煤礦工作面常見的層析反演算法大都采用單一的初始模型，經過反復向改進的鄰近解集移動，直到滿足允許條件以求得最終解，但是其反演結果很大程度上取決于單一初始模型的選擇，而且容易陷入局部最優解[41]。而隨著人工智能技術的快速發展以及多領域學科的交叉融合，一些先進的智能計算方法憑借其特殊的全局優化隨機搜索機制，對初始模型依賴程度較低的特性，已經在各行業中得到了廣泛應用[42-43]。因此，將智能算法引入到工作面地質異常反演重構過程中代替傳統反演算法的研究，對于實現工作面內地質異常環境的精準識別具有重要意義，并為工作面內地質異常的反演提供了一種新思路[44]。

此外，煤礦工作面的形成以及回采在時間和空間上是持續發展和動態變化的過程，時刻都在揭露新的生產數據[31]。然而，這些已揭露的多源先驗數據都只是定性的參與到地質異常反演結果的分析和預測過程中，并未參與到層析反演的計算過程中。這不僅直接影響著反演結果的精準預測，同時還產生一定的數據資源浪費。因此，通過構建基于多源數據約束的地質異常重構模型，將外界多源先驗數據引入到層析反演計算過程中，以實現對多源先驗數據的充分利用，進一步提高煤礦工作面地質構造勘探的精準性[31]。工作面地質構造精準探測流程如圖6所示。

圖6 工作面地質構造精準探測流程

2.2.2工作面煤厚的精準預測

工作面煤厚的精準預測作為透明礦山建設的重要屬性之一，同時也是智能無人工作面實現的關鍵。礦井地震探測技術主要以煤、巖本身作為研究對象，根據波的反射、折射、透射及頻散等特性來探查未被開采煤層的不連續性。由于槽波地震勘探技術由于其探測距離大、精度高、抗電干擾能力強以及波形易于識別等[45]優點，而且槽波對煤厚變化比較敏感，在煤層內傳播的槽波頻散特征明顯，易于識別，因此可通過采集煤層槽波地震信號對煤厚分布結果進行分析預測。

為了提高工作面煤厚探測精準性，本研究團隊在準備對拾取的地震槽波走時進行層析反演計算時，提出了遺傳算法(GA)與同步迭代重建技術(SIRT)相結合的GA-SIRT混合反演模型，充分利用了遺傳算法強大的全局搜索能力和SIRT算法快速的局部收斂速度。此外，它分別抑制了GA算法和SIRT算法的局部搜索能力差和局部最優值效應，有效提高了煤厚探測的精準性。工作面煤厚的精準探測流程如圖7所示。

圖7 工作面煤厚的精準探測流程

2.3 煤礦掘進工作面前方地質異常的精準勘探技術

煤礦掘進工作面前方透明化精準勘探不僅有利于提高巷道的掘進效率，同時對于井下作業人員的安全保障也具有重要意義。目前煤礦主要的超前探測手段是采用鉆探進行探測，但鉆探施工效率低且存在一孔之見的局限，如果施工不當還可能導致瓦斯爆炸及突水等事故。在這種背景下，地球物理方法最近幾年得到突飛猛進的發展；目前在煤巷進行超前預報的地球物理方法主要包括地震類、電磁法類及其他類技術，其中用于煤巷前方構造探測主要采用地震類方法，如MSP技術、RTSP技術等；但MSP和RTSP技術通常需要在左右幫布置大量炮孔或錘擊點及三分量檢波點，施工時間長，后續處理步驟多，不利于及時指導掘進工作，并影響掘進工作進度。另外目前雖有通過反射槽波進行異常構造超前探測的方法，但是其探測過程是通過接收的反射槽波，然后檢測出反射槽波的最大振幅及其所對應的時間，進而得出探測前方的異常構造；但是由于煤巷內環境比較復雜，導致接收的反射槽波的波形會受影響相互疊加，這樣對后續檢測出最大振幅比較困難，無法有效地檢測出異常構造的位置。

針對上述現有技術存在的問題，本研究團隊提出一種基于連續跟蹤槽波信號的煤巷超前探測異常構造方法，只需一個錘擊點就可進行測試，而且探測精準度高，施工時間短，后續處理簡單，便于及時指導現場安全掘進。反射槽波連續觀測系統布置如圖8所示。

圖8 反射槽波連續觀測系統布置

本方法基于反射槽波信號并采用能量包絡進行預測，當在煤層中激發地震波時，由于頂、底板圍巖速度明顯高于煤層中地震波的傳播速度，當地震波入射角大于臨界角時會發生全反射，經過多次全反射混合疊加，在煤層中形成槽波，槽波作為一團能量束縛在煤層中傳播。如果遇到異常構造，槽波就會在分界面發生反射，通過反射槽波能量包絡對應的時間來反演波阻抗界面(即異常構造)距探測位置的距離，并通過對巷道連續跟蹤探測接收到的反射槽波能量包絡在時間和空間上的關系來預測異常構造的具體位置。利用反射槽波定位異常地質體的流程如圖9所示。

2.4 煤礦安全隱患的透明化管理

現階段，煤礦安全形勢不容樂觀，有的煤礦隱患排查治理工作浮于表面，難以形成良好的反饋和透明化管理機制[46]。因此，構建煤礦事故隱患排查系統，有利于有效管控并及時治理煤礦生產作業過程中出現的可能導致各類安全事故的隱患，防范隱患未及時發現和治理而演變成為事故。

圖9 利用反射槽波定位異常地質體的流程

圖10 煤礦安全隱患透明化管理技術框架

本研究團隊構建開發的基于文本挖掘的煤礦事故隱患排查信息系統[47]，能夠有效提高煤礦安全隱患的持續追蹤和透明化管理。在煤礦安全生產標準化要求的指導下，該系統結合煤礦企業長期隱患排查治理工作經驗，梳理優化事故隱患排查治理流程，構建了煤礦事故隱患排查治理體系。并且將文本挖掘技術應用于煤礦事故隱患排查信息知識發現，能夠從不斷增長的海量隱患文本數據有效提取事故隱患背后的規律、規則和特點，反饋提升煤礦自身的隱患排查水平，為煤礦事故隱患排查和治理決策提供支持，實現隱患排查從粗放式管理向精細化管理、從被動應對向主動預防、從依賴傳統經驗向基于數據挖掘的智慧決策的轉變，從而增強煤礦從業人員的工作安全因素，減小煤礦安全問題對企業發展的限制，對煤礦企業的長遠發展和煤礦從業者的人身安全意義重大。煤礦安全隱患透明化管理技術框架如圖10所示。

3 結語

針對礦井生產外部和內部環境透明化建設過程中存在的感知基礎多源大數據的不對稱、煤層地質信息探測的不精準等問題，提出了透明礦山建設的思路和框架。系統全面地介紹了礦山多源數據協同共享平臺的架構，剖析了反演建模、充分利用多源先驗數據提供模型約束、優化智能算法提高反演精確性等的可行性，實現了對煤炭的地質構造、煤層厚度、掘進工作面的地質異常等的精準探測，并對安全隱患透明化管理技術框架提出了若干思路。透明礦山不僅僅局限于完成礦山數據的共享與協同、地質構造的精準探測以及安全隱患的透明化管理，而是應該充分利用多源先驗數據，將其融入礦井生產的各個環節，實現從單個作業地點到整個礦井更大范圍、從單一的地質屬性到水、火、瓦斯、沖擊地壓等更高維度的透明化。