唐家會煤礦透明地質保障系統構建及示范

劉結高 ，程建遠 ，疏義國 ，劉再斌 ，高銀貴 ，高耀全 ，陸自清

（1.淮河能源西部煤電集團，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.鄂爾多斯華興能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

2014 年，黃陵一礦首次在1001 工作面實現了智能化開采，對全國煤礦智能化開采起到了示范和引領作用[1]。2020 年，國家發改委等八部委聯合下發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，提出了全國煤礦智能化“三步走”的整體部署，并發布了首批71 對智能化示范煤礦建設名單；2021 年，國家能源局、國家礦山安全監察局聯合頒布了《煤礦智能化建設指南》《智能化煤礦驗收管理辦法（試行）》等，山西、內蒙古、陜西、貴州等產煤大省/自治區出臺了煤礦智能化配套的政策要求[2-3]。據統計：全國煤礦智能化采掘工作面數量已經從2014 年1 個、2015 年3 個，迅速擴大到2019 年275 個、2020 年494 個[4]，根據《煤礦安全專項整治三年行動實施方案》的要求：2022 年要力爭采掘智能化工作面達到1 000 個以上，煤礦智能化發展進入快車道。

目前，煤礦智能化建設尚處于起步階段和初級水平，主要以“有人跟機，無人巡視”“記憶截割為主，人工干預為輔”為主要技術特征，適合在地質條件簡單-中等條件下推廣應用，復雜地質條件下智能化開采仍是一個亟待突破的難題，一是因為現有智能開采設備對復雜地質條件的適應性較差，二是因為目前地質條件的探測精度和透明化程度不夠。如何提高煤礦地質條件探查的精度、實現地質透明化成為制約煤礦智能化建設的技術瓶頸問題[5-6]。圍繞“透明地質”對智能開采保障支撐能力不足的問題，王國法院士從地質數據數字化、探測技術精度與范圍、三維高精度建模技術、地質信息與工程信息融合以及探測技術裝備的智能化等方面，分析了透明地質的“痛點”，并給出相應對策，指明今后“透明地質”技術的發展方向[7]。

針對唐家會煤礦復雜的地質條件、嚴重的水害威脅，及特厚煤層綜采放頂煤開采工藝，筆者以水害防治為重點，以透明地質技術為基礎，構建獨具特色的煤礦地質透明化技術體系，以期實現減人、提效、保安的煤礦智能化建設目標。

1 透明地質的建設基礎

唐家會煤礦地處內蒙古準格爾煤田的西北部，主采石炭系太原組6 煤層，核定生產能力900 萬t/a。建設安全高效智能化煤礦主要面臨地質構造較復雜、水害威脅嚴重兩大難題以及地質條件不透明等困難。

1.1 地質構造較復雜

唐家會煤礦井田面積28.57 km2，主采的太原組6 煤埋藏深度約500 m，平均煤厚16 m。井田及周邊共有鉆孔98 個，其中，見6 煤鉆孔98 個、見4 煤鉆孔73 個、見奧灰鉆孔44 個；一盤區常規三維地震勘探面積8.4 km2、二盤區高密度全數字三維地震滿覆蓋面積7.17 km2，兩盤區三維地震共解釋了斷層102 條，包括錯斷6 煤層的斷層90 條，解釋了2 條近NE 走向的斷層條帶，將一盤區與二盤區切割為3 個大的塊段（圖1）。

圖1 唐家會煤礦6 煤斷層分布Fig.1 Faults distribution of No.6 Coal Seam of Tangjiahui Coal Mine

唐家會煤礦井巷采掘期間實際揭露斷層80 余處，其中，斷層落差最大達18.5 m。煤層次級褶曲發育，構造地質條件比較復雜[8]。

1.2 奧灰水害較嚴重

唐家會煤礦6 煤開采受頂板砂巖水、底板奧灰水威脅。上部4 煤、5 煤和6 煤頂板砂巖水為6 煤開采直接充水含水層，疏放水鉆孔單孔最大水量為158 m3/h；6 煤與下部奧灰平均間距50 m，井下實測奧灰水壓為0.8～1.05 MPa，突水系數為0.024 0～0.031 8 MPa/m。雖然煤層底板奧灰含水層的突水系數不大，但6 煤底板的斷層、垂向裂隙切割發育到奧灰就會形成天然的導水通道，威脅6 煤層安全開采。如2014 年5 月28 日井筒掘進揭露斷層時發生突水，初期突水量達500 m3/h，水質分析表明為斷層破碎帶導通的奧灰水[9-10]；2015 年副風聯巷過斷層時突水量約500 m3/h，從水量及突水點位置形態分析，導水通道應是導水斷層，導水斷層導致隔水層完全失去隔水能力。

根據61303 工作面底板破壞工程探查成果，6 煤底板最大破壞帶深度為15 m、最大擾動影響深度達32 m。因此，在正常地層條件下，奧灰含水層水為間接充水水源；在有垂向導水構造發育塊段，奧灰水可能通過垂向導水構造直接進入礦井，為直接充水水源[11-12]。

1.3 地質條件不透明

煤礦安全高效智能化開采離不開精準三維地質模型，而三維地質模型是以大量可靠的地質數據為支撐的。

自1954 年開始找煤以來，唐家會煤礦通過各種地質勘探、采掘工程等手段獲取了大量寶貴的地質信息，但是以往這些信息僅僅是存在于地質人員的腦海中和資料室，最多以二維AutoCAD 圖件的方式表現出來，沒有形成三維可視化的地質模型；煤礦大量采掘工程揭露的實時地質信息，因缺乏有效的技術手段，難以動態地反映到采掘地質預報圖中。因此，地質數據、信息與知識的存在方式是離散的、孤立的，展示方式是二維的、靜態的，導致地質條件不透明，難以支撐智能化開采。

2 透明地質的頂層設計

透明地質是國外最早提出的“玻璃地球”的延伸，“玻璃地球”最初是由澳大利亞地質學家Carr 等提出的，其含義是利用地質信息技術建立一個橫向分區或連片的、多尺度的、數字化的、透明的地殼淺層模型，其中凝聚了所能采集的全部地質空間信息和屬性信息。2017 年，袁亮院士發表了“煤炭精準開采科學構想”一文，提出并詮釋了透明地質的概念[13]；董書寧將工作面地質透明化列為煤炭智能開采地質保障技術體系的三大關鍵技術之一[14]；劉再斌提出以采前、采中產生的多源異構數據為基礎，通過開采系統循環互饋的透明工作面動態建模技術[15]。專家學者對于透明地質的內涵、外延與透明地質模型的構建方法等進行了廣泛的討論[16-18]。

2.1 設計思路

本文所謂的透明地質主要包括兩層含義，一是三維地質可視化，即利用先進的計算機、信息技術手段，將過去零散的、孤立的多元地質信息集成起來，構建起服務于特定目標的三維地質可視化模型；二是采用先進的探測、檢測、監測、預測及預警等技術手段，提高采掘前方地質體的探測精度，通過融合工程采掘信息，形成一個高精度、動態優化的三維透明地質模型，支撐煤礦智能化采掘兩條作業線的高效運轉。

實際上，“透明地質”不是為了好看而是為了好用，應當以高精度綜合探測技術為核心、以三維地質可視化平臺為支撐，為煤礦智能化提供三維地質數據的可視化分析、可視化設計和可視化決策的地質服務。經過不斷探索和實踐，唐家會煤礦形成了透明地質建設“15132”的頂層設計思路（圖2），其中“1”是以奧灰水害防治為重點，“5”是以孔中瞬變、孔間電阻率、隨掘地震、隨采地震、微震監測5 項先進技術為支撐，“1”是構建唐家會煤礦實時動態智能地質保障系統，“3”是實現透明防治水、透明掘進、透明回采3 個目標，“2”是支撐自主截割快速掘進和自主規劃智能回采2 條智能采掘作業線。

圖2 唐家會煤礦透明地質保障的頂層設計Fig.2 Top-level design of the transparent geological guarantee system in Tangjiahui Coal Mine

2.2 系統架構

唐家會煤礦透明地質保障系統軟件平臺的搭建中，圍繞頂層設計的總體思路，按照煤礦應用場景對地質保障的實際需求，主要設計開發了透明地質模型、透明防治水、透明掘進、透明回采以及地質數據中心幾大功能模塊（圖3）。

圖3 透明地質保障系統軟件平臺界面Fig.3 Transparent geological guarantee system software platform interface of Tangjiahui Coal Mine

其中：地質數據中心模塊主要匯聚了唐家會煤礦地質勘探的所有歷史數據，并動態接入最新的地質探測、動態監測、采掘反饋等數據，為透明地質建模提供基礎數據庫；透明地質模型設計采用地面、地下地質場景建模分類、分級搭建的方式，在三維地質、水文地質初始模型基礎上，不斷融入新的數據信息進行模型優化，為上述“3”個目標的實現提供三維地質動態模型；透明防治水模塊是在三維水文地質模型上，開展地面、井下防治水鉆孔的WE3 設計以及工程實見信息的接入，形成“設計-施工-設計優化-施工調整”的閉環作業；透明掘進模塊具備以透明地質模型為基礎給掘進機提供地質預測剖面的功能，同時融入定向鉆探、智能鉆探、鉆孔物探等超前探測信息，實現掘進工作面前方煤層賦存形態及地質異常體動態可視化展現；透明回采模塊設計的主要功能是以動態地質透明模型為基礎，形成規劃截割曲線并下發至采煤機控制系統，同時對回采過程中底板破壞深度及奧灰水導升高度的微震監測、電法監測結果實時再現。

3 透明地質的應用場景

唐家會煤礦以透明地質為基礎、以水害防治為重點，圍繞水害防治、快速掘進和智能開采3 大應用場景，率先采用智能鉆探、孔中瞬變、孔間電阻率、微震監測、隨采探測、隨掘探測等先進裝備與技術，構建了三維實景化、動態化、透明化地質模型，為唐家會煤礦安全高效智能開采提供了地質保障。

3.1 水害防治地質透明化

唐家會煤礦主要有4 個充水含水層，分別是第四系松散層潛水含水層、白堊系下統志丹群孔裂隙承壓水含水層、石炭-二疊系碎屑巖類承壓水含水層和奧陶系石灰巖巖溶承壓水含水層，其中對礦井安全生產威脅最大的是奧灰含水層，6 煤帶壓最大為1.21 MPa；主要導水通道包括斷層、陷落柱和較為發育的垂向裂隙帶，奧灰水可通過導水陷落柱或斷層等直接進入礦井，成為直接充水來源，還可通過斷層等補給石炭系砂巖再進入礦井，成為間接充水水源，威脅安全生產。圍繞奧灰突水隱患的探查、治理、檢測和監測，唐家會煤礦開展了大量的鉆探、物探和采掘工程，先后在地面施工了多個奧灰觀測孔、注漿治理孔，建立了井上下水文監測系統；同時，在井下開展了6 煤底板超前區域注漿改造，獲得了豐富的水文地質基礎資料。

為了實現水害防治地質透明化，唐家會煤礦通過構建三維地質模型和水文地質模型，將含水層的水位實時動態信息，井下巷道與鉆孔的出水點、出水量等信息，準確映射到三維水文地質模型上（圖3）。隨著水文信息量逐漸增多，模型精度逐級提高，逐步逼近真實三維地質體，為奧灰水害立體監測、可視化防治和智能化決策提供了科學依據。

圖4 是61304 工作面防治水的實例：地面三維地震在工作面切眼附近發現奧灰頂界面存在一個凹陷狀異常區，發育到煤層底板附近，采用地面定向鉆探技術對該異常區進行靶向治理，通過定向探查和注漿治理改造，共注入漿液1.9 萬t，掩護了304 采煤工作面的安全掘進；在兩巷掘出后，礦井音頻電透視發現煤層底板仍有小范圍異常區發育，采用井下定向鉆孔的注漿改造技術，同時通過孔中瞬變電磁技術對鉆孔周圍低阻異常區范圍進行圈定；在底板定向鉆孔對異常區進行二次封堵后，通過預置在兩孔中的收發裝置，對孔間注漿效果進行檢測；最后，在工作面回采過程中，利用預埋在煤層底板的電法監測系統，結合微震監測系統，實現了對底板破壞深度和奧灰承壓水導升高度的動態連續監測。

圖4 水害隱患全時空防治Fig.4 Schematic diagram of ubiquitous control and prevention of water hazards

井巷工程施工前，綜合三維地震、瞬變電磁、水文補勘等成果，圈定水文異常區；在井下采掘工程施工中，利用定向鉆進技術、鉆孔物探、孔間物探、電法監測、微震監測等技術，對異常區開展地面靶向精準探查、注漿治理、效果檢測和回采監測，實現了水害預測、探查、治理、檢測、監測及預警等全時空的地質透明化。

與相鄰的61303 常規綜放工作面相比，61304 工作面通過綜合探測、檢測與監測等技術手段，實現了防治水地質透明化、回采地質透明化等，超前處治了水文地質異常區，減少了排水費用，保護了地下水資源，多采煤炭超過85 萬t，經濟效益超過4 億元，彰顯了依靠科技進步，實現煤礦安全高效綠色開采的目標。

3.2 快速掘進地質透明化

唐家會煤礦地質條件比較復雜，煤層埋藏深、厚度大、斷層多、褶曲發育，且存在垂向裂隙發育等地質問題，煤礦智能化建設具有一定的難度，因此，其智能化建設對國內煤炭行業更具有典型示范、標桿引領的作用。圍繞復雜條件下煤礦巷道快速掘進，唐家會煤礦開展了快速掘進地質透明化系統的研發與示范，取得了良好的應用效果。

61302 掘進工作面引進了橫軸式掘錨一體機快掘作業線，實現掘、支、錨、運、破一體化連續平行作業，這對以往的礦井地質超前探測工作形成了挑戰。為了適應橫軸式掘錨一體機掘進速度快、探測場地受限的問題，采用基于底板定向長鉆孔的“掘進、探測平行作業”技術，其中，定向鉆孔沿6 煤底板下35～45 m 進行探查及注漿加固，孔中瞬變電磁對鉆孔周圍30 m 半徑范圍內含水異常區進行掃描（圖5），定向孔一次施工600～1 000 m。該方法不但解決了掘進工作面超前探測時間、空間不足的難題，而且為快速掘進過程的防治水安全提供了地質保障。在此基礎上，首次采用隨掘隨探智能物探技術，通過在工作面后方的巷道側幫安置地震傳感器，以掘進機截割煤壁時產生的震動為震源，實時接收地震波在遇到工作面前方存在的斷層、陷落柱、采空區等邊界時產生的反射波（圖6），在地面開展動態化、智能化處理，從而實現采掘前方100 m范圍內地質構造的超前滾動、精細探測，滿足了快速掘進對超前探測的精度、速度要求（圖7）。

圖5 長掘長探Fig.5 Schematic diagram of long-distance excavation and detection

圖6 隨掘地震勘探Fig.6 Seismic while excavating

圖7 快速掘進導航Fig.7 Geosteering of rapid excavation

該系統建成后，現場作業勞動強度大幅降低，掘進進尺由原來的260 m/月提高到352 m/月，人工工效提升35.4%，實現了“無人跟機作業、有人安全值守”的安全高效掘進。

3.3 智能開采地質透明化

智能開采是一個復雜的系統工程?；凇皵祿寗印薄皵底植傻V”的理念，將地質數據與工程數據進行深度融合，構建高精度的三維地質透明模型，是實現復雜地質條件下智能化開采的基礎和前提。唐家會煤礦在61304 智能開采工作面系統搭建了以三維地震資料地質動態解釋、隨采隨探地震技術裝備、微震監測、電法監測以及水文監測等為核心的智能地質保障系統，并與智能開采工作面實現數據的共享與融合，實現了復雜地質條件下智能開采工作面由傳統的“記憶截割”向常態化“自主截割”的跨越。

圖8 是61304 工作面隨采地震對工作面內部煤層中斷層、陷落柱、煤層變薄區等靜態地質條件精細探測以及頂板破碎帶、應力集中區、突出危險區等動態災變條件的超前探測結果。2021 年8 月17 日隨采隨探智能探測技術在退尺906 m，發現前方344 m 處存在SYC1 地質異常體；隨后，在61304 工作面回風巷退尺1 250 m 處，采用井下鉆探、鉆孔物探驗證結合兩巷揭露情況分析后，推測存在一個小斷層密集帶。

圖8 61304 工作面隨采地震成像結果Fig.8 Imaging results of seismic while mining in 61304 working face

圖9、圖10 是2021 年10 月30 日-2021 年11 月7 日，61304 工作面推過SYC1 異常的地質寫實和井下實物照片。可以看出：在隨采地震圈定的SYC1 異常及其附近，發現多組斷層破碎帶，落差0.5～1.8 m，斷層破碎帶被寬大、松散的白色方解石充填，漏頂嚴重。隨采地震提前80 余天、超前344 m 對SYC1 異常持續探測、跟蹤預報，為61304 智能開采工作面的規劃開采提供了可靠的地質依據。

圖9 SYC1 異常區的地質寫實Fig.9 Geological realism of the SYC1 anomaly area

圖10 SYC1 異常區井下照片Fig.10 Photographs of the SYC1 anomaly area

4 透明地質發展方向

煤炭安全、高效、智能、綠色開采代表著煤礦智能化建設的四大發展趨勢，其中，安全生產是前提條件，智能開采是主要手段，高產高效是最終目標，綠色開發是約束條件。因此，從未來煤礦四大發展趨勢的需求出發，就可以定位煤礦透明地質保障技術的發展方向。實際上，煤礦地質保障技術發展至今，經歷了資源勘探、高產高效、安全高效3 個階段，正在歷經為煤礦智能開采和綠色開發提供透明地質保障的新階段。

4.1 基于透明地質的監測預警

圍繞煤礦安全高效開采的透明地質需求，微震監測、電法監測與隨采監測以及礦壓監測、應力監測等多源地質大數據融合將成為今后的重點研究方向。工作面回采過程中，由于底板應力釋放、頂板垮落等，煤層底板出現大范圍的壓縮區、膨脹區，有可能誘發底板垂向裂隙、小斷層的活化，導致承壓水突破底板隔水層發生突水。為了應對煤層開采過程中的應力變化和動力地質災害等，采用隨采地震應力監測、微震監測技術和電法監測技術，實時、動態監測底板應力變化、底板破壞深度和底板奧灰承壓水可能的運移狀態，結合工作面槽波探測、音頻探測、隨采地震的應力監測以及工作面液壓支架的應力監測等多源異構信息，全方位、全時段實現了潛在突水隱患的超前探測、動態監測、實時預測預警等，是保障智能工作面安全高效回采的技術途徑。

4.2 基于透明地質的自主截割

智能開采中，“智”代表“分析決策”，“能”代表“執行到位”。智能開采對透明地質技術的核心需求，在于通過構建工作面三維地質動態模型，據此生成未采區域的預想截割剖面，形成規劃截割曲線，規劃截割曲線通過工業環網或5G 下發至集控中心的采煤機控制系統，提供采煤機智能調高調速所需的傾角、坡度、伏仰角、采高、臥底量等參數，由采煤機控制系統根據自身制式與生產工藝進行自動截割，自動實現采煤機滾筒的調高、行走系統的調速等，并將實時截割信息動態反饋到地面，以便于實現三維透明地質模型的動態優化，循環往復，從而形成了基于三維地質透明模型的智能自主截割。

2021 年，唐家會煤礦在61304 智能化綜放工作面記憶截割功能基礎上，建設了基于三維動態地質模型的自主規劃截割及數字孿生的智能化綜放工作面，解決了大埋深放頂煤工作面周期來壓時支架自動跟機移架和放煤工藝協同控制難題。以三維動態地質模型為基礎，將集控主機設定的采煤機位置、滾筒上下沿高度數據及工作面運輸機坐標打包存入本地數據庫，當采煤機請求自主規劃開采曲線時，集控主機把本地數據庫中的數據包推送到網絡數據庫內，規劃開采程序檢測到有新的數據存入，便會解析數據包，通過歷史截割模型和算法，自動生成規劃開采曲線，實現自主規劃開采。通過實時在線采集的底板傾角、平均煤厚、兩巷推進量、工作面設備姿態等數據，結合物理模型，把真實的生產環境映射在虛擬空間內，以數據驅動三維模型，實時展示工作面設備姿態。隨著61304 智能開采工作面自主規劃截割和數字欒生系統的成功研發，將工作面預留的底煤厚度由原來0.5～0.8 m 降至0.3 m以下，資源采出率明顯提升。

今后，三維透明地質模型與智能開采技術的深度交叉融合、協同工作，形成井下以自主規劃截割為主、地面以數字孿生為輔的全景式智能綜放工作面，將成為唐家會煤礦智能化開采技術的發展方向。

5 結 論

a.利用勘探期間的地質資料，融合采掘工程揭露信息，動態分析各類監測數據，構建了可動態更新的礦井透明地質模型。

b.根據礦井采掘地質條件和主要災害問題，提出了“以水害防治為重點，引進5 項先進技術，構建透明地質保障系統，圍繞奧灰水防治、快速掘進和智能開采3 大場景，形成自主截割快速掘進和自主規劃智能回采2 條智能采掘作業線”的“15132”透明地質建設思路，示范應用效果良好。

c.在復雜地質條件下，唐家會煤礦采用透明地質、大數據、物聯網、移動互聯網等信息技術，推進透明地質與水害防治、快速掘進、智能回采等生產系統的深度融合，形成了透明地質保障系統，取得了減人、提效、保安等良好的應用效果，具有典型示范、標桿引領的作用。

d.今后，唐家會煤礦智能地質保障系統將按照“基礎系統高容量-采掘系統高可靠-感知系統全覆蓋-保障系統高適應”的思路，深度融合人工智能、工業互聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等技術，建設全面感知、實時互聯、分析決策、動態預測、協同控制的智能化礦井，推動復雜地質條件下煤礦智能化建設從系統智能化向智能系統化邁進。