我國煤礦地質保障系統建設30 年：回顧與展望

賈建稱，賈 茜，桑向陽，吳 艷

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學研究總院有限公司，北京 100013；3.平頂山天安煤業股份有限公司，河南 平頂山 467099)

能源是人類生存和社會發展的基石，能源的安全發展對于國際安寧和社會穩定至關重要。中國是煤炭資源大國，也是世界上最早開發利用煤炭并以之為主要能源的國家。近年來，受碳達峰碳中和(“雙碳”)目標和礦區生態環境保護政策的約束，煤炭在一次能源消費結構中的比例有所下降，但不斷增長的能源消費總量和我國特有的能源稟賦狀況表明，乃至2050 年煤炭仍將以30%～40%的占比位居能源消費榜首[1-2]。因此，煤炭工業依然是提高國家能源自給能力、保障能源安全的兜底行業。

實現煤礦安全、高效、綠色開采既要有豐富的資源優勢和先進的采掘裝備與運通系統，更要以科學的煤礦設計和充分可靠的地質條件作保障。我國采煤工藝先后經歷了20 世紀70 年代及以前的人工破煤、炮采、普通機械化開采和80 年代以來的綜合機械化開采，隨著采煤機械化、自動化和集約化程度的提高，高產高效礦井生產對開采地質條件的依賴性更強。針對煤礦對查明礦井開采地質條件的重要性認識不足，綜采采區和工作面布置缺乏系統而可靠的地質依據，導致工作面開機率低、安全事故頻發、資源浪費嚴重等問題，彭蘇萍[3]于1992 年在上海寶山召開的中國煤炭學會礦井地質專業委員會上首次提出了建立和發展我國煤礦高產高效礦井地質保障系統的設想。30 年來，煤礦地質保障系統緊密圍繞煤炭工業發展目標，不斷攻克煤炭開采理念轉變(高產高效→安全高效→綠色智能)中的礦井綜合機械化和智能化生產面臨的重大工程地質問題為抓手，持續開展應用基礎研究、探測技術和裝備研發與成果應用，在地質保障系統整體構架、研究內容、保障目標、技術研發和配套裝備研制、保障效果檢驗等方面取得了豐碩成果，為促進我國煤炭工業可持續發展發揮了重要作用。但由于受研究導向、工作思路、技術原理和裝備水平，尤其是現代信息技術與煤礦機械化開采技術深度融合的影響，煤礦地質保障系統在理論研究、探測能力、地質保障水平等方面與綜采工作面智能開采的地質需求還有較大差距。厘清煤礦地質保障系統現狀、科學問題及技術難點，對于豐富地質保障理論、聚焦攻克關鍵技術難題、更好地服務煤礦智能開采，進而支撐煤炭工業高質量發展具有重要的現實意義。

1 “煤礦地質保障系統”建設概要

20 世紀90 年代初，煤炭工業向“一井一面”的生產布局發展，建設高產高效礦井已成為諸多煤礦的努力目標。基于礦井地質理論進步和井下數字直流電法、無線電波透視法、槽波地震勘探、地質雷達探測、音頻電透視法等，以及近景攝影測量和計算機等高新技術與裝備在礦井地質探測方面的較成功應用，彭蘇萍[3]給出了高產高效礦井地質保障系統的基本要義。經過多年的地質研究與工程實踐，開采地質條件量化評價技術、采區高分辨三維地震探測技術、煤層和構造綜合探測技術、工作面頂板破斷和瓦斯突出監測和預報系統，以及各種礦井物探技術取得重要進展。因此，“九五”末期進一步明確礦井地質保障系統的兩大主題?生產地質保障和安全地質保障。前者的目標是保障綜采工作面順利回采，根本任務是準確地查明采區乃至工作面的開采地質條件，尤其是煤層厚度及其變化、隱伏構造、頂底板條件；后者的目標是保障煤礦安全生產，重點任務是有效預測評價和防治井田原生或采掘擾動誘發的煤與瓦斯突出、礦井突水、沖擊地壓、內因火災、瓦斯煤塵爆炸等動力地質災害，明確了當時一段時間的主攻目標[4-5]。在“煤礦地質保障系統”提出10 周年之際，程學豐[5]、韓德馨[6]等詮釋了高產高效礦井地質保障系統的基本概念，指出地質保障系統的主要內容是查清影響煤炭開采的地質因素，科學評價它們對不同礦井煤炭開采的影響程度。21 世紀初，面對深部、高強度開采出現的復雜地質問題，隱蔽致災因素尚未查明以及由此誘發的煤礦各類地質災害事故頻發、安全形勢嚴峻的局面，安全高效礦井地質保障系統研究內容聚焦于煤礦地質構造高分辨三維地震勘探技術、煤礦瓦斯災害源高分辨探測技術與方法、煤層頂板穩定性地質預測技術與防治方法、礦井突水災害源高分辨探測技術與方法、礦井先進物探儀器和技術研發上[7]。為了深入貫徹落實《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》[8]，以煤及含煤巖系共伴生礦產精細地質探查、靜態和動態地質信息精細提取、多源異構地質信息融合與高效傳輸、地質信息可視化平臺構建、重大地質災害源智能感知與監測預警為關鍵技術的煤礦地質透明化理論、智能探測技術研發、高精度三維地質?采掘工程耦合模型構建技術和方法、探測和可視化裝備研制等，成為新時代煤炭綠色智能開采地質保障系統建設的核心內涵。

2 煤礦地質保障系統研究的主要進展

影響煤礦安全高效生產的地質因素多種多樣，如煤層厚度及其變化、地質構造、古河流沖刷帶、礦井水文地質條件和煤層頂底板工程地質狀態、瓦斯地質與地應力、陷落柱、煤層自燃傾向性和煤塵爆炸性、煤巖沖擊傾向性、地溫、采空區、煤巖采動影響區等。煤礦地質保障系統首次從系統論角度將煤礦靜態地質條件和動態地質條件及其變化與演化趨勢，及其對煤礦安全高效智能開采的影響程度融為一體，形成了煤礦全生命周期內所有礦井地質工作的知識體系。

2.1 基礎研究服務于煤礦安全高效精準開采的目標更加明確

2.1.1 綠色煤炭資源評價

查明煤炭資源儲量分布和煤層厚度及其賦存條件、是煤炭產業開發布局和礦井精準智能開采對煤炭地質工作的基本要求，通過詮釋綠色煤炭資源和綠色礦山含義，建立了評價指標體系[9-10]。袁亮等[11]勾繪出我國五大產煤區綠色煤炭資源量分布，為規劃煤炭資源安全綠色開發和清潔高效利用夯實了基礎。

2.1.2 煤體構造變形與物性響應

煤是地殼淺、表部構造層含氣、含水的多相有機巖石，低抗壓強度、低彈性模量和高泊松比的力學性質，使其在較低的溫度和較弱的構造應力作用下也會發生明顯的變形和變位，形成脆性斷層和韌性斷層，即使與煤伴生的長英質巖石仍處于脆性變形域。脆性斷層既破壞了煤巖體的連續性和完整性，又是儲水空間與導水通道，歷來是煤礦建設、生產等各個階段地質探測和研究的主要因素。韌性斷層表現為煤層中塑性流變帶和韌性剪切帶(層滑構造)，與之伴生的是脆韌性變形系列和韌性變形系列構造煤[12-14]。構造煤孔隙比表面積和總孔體積比相應的原生結構煤的大，吸附和存儲甲烷能力更強、孔隙率和滲透率更低等已成為共識[15-18]。

2.1.3 構造煤與瓦斯突出規律

大量地質調查表明，煤礦區同一煤層往往是由不同煤體結構煤分層疊加組成，研究煤層中不同煤體結構煤分層的厚度、疊加方式、受力狀態及物性響應特征等，是煤層氣(瓦斯)高效抽采和礦井瓦斯精準防治的重要內容。盡管煤與瓦斯突出機理尚有爭議，但幾乎所有的突出發生在瓦斯富集區和地應力集中區，因此瓦斯礦井，尤其是高瓦斯礦井和突出礦井中逆斷層下盤、正斷層上盤、向斜核部、背斜兩翼、層滑構造等部位構造煤的變形程度增強、瓦斯含量增大，透氣性變差，力學強度降低，是最容易發生煤與瓦斯突出的危險地帶[15,19-21]。煤層深埋區、構造擠壓區、帚狀構造收斂端、煤層厚度與產狀突變區等是地應力集中區，同樣是煤與瓦斯突出危險區。賈建稱等[22]基于同一煤層中堅硬煤分層與碎軟煤分層的賦存狀態、疊合方式、厚度占比、煤層頂板力學性質及穩定性等，構建了碎軟煤層區地面水平井分段壓裂井眼位置的“兩類五種”優化模式。

2.1.4 礦井構造預測

20 世紀80 年代以前，礦井構造預測以定性評價為主；90 年代至21 世紀初，隨著數理方法和計算機技術的應用，構造預測實現了從定性描述到定量評價的跨越，但總體進展較為緩慢；自2012 年建立智能化開采模式以來，礦井構造預測和評價邁向以智能精細探測和計算機技術高度結合、多源構造信息屬性分類與深度融合、三維可視化表達為特點的新發展階段[23-24]。

2.1.5 煤礦水文地質與水害危險性預測評價

“一礦一策、一面一策”體現了我國煤礦水文地質條件的復雜多樣性，“源頭預防、區域治理、井上下聯合治理”是水害精準治理理念的重大轉變[25]。在查明煤礦水文地質條件基礎上，緊緊圍繞采掘擾動范圍內的充水水源、充水通道、充水強度和水害機理開展水害危險性評價與預測預報研究。根據致災機理，陳紅影[26]將全國礦井水害事故劃分為7 大類22 亞類48 細類，建立了不同水害類型的水文地質結構模式，分別提出了水害危險性評價的關鍵因素。楊飛[27]將山西省較大以上采空區突水事故劃分為4 亞類8 細類，建立了各類老空水害的水文地質結構模式，模擬研究了不同老空水害的機理和成災動力學模式。侯憲港等[28]進一步認為在重復采動下煤柱流變損傷及失穩、底板變形破壞、防水隔離設施與圍巖穩定性、層間主關鍵層穩定性等是評價老空水致災危險性的關鍵因素。針對華北石炭?二疊紀煤田西部和西北早?中侏羅世煤田中煤層直接頂板隔水層缺失或沉積較薄、而上覆充水含水層富水性較弱的情況，武強等[29]以“三圖?雙預測”理論和方法為指導，從影響頂板冒裂程度和含水層富水性的地質與工程因素入手，提出了煤層頂板含水層涌(突)水危險性精準預測與評價方法。李超峰[30-31]采用三次函數多項式擬合法準確獲得黃隴煤田綜放條件下煤層頂板非線性導水裂隙帶高度預測公式，把頂板水害歸納為3 類5 型，依據“透水系數”將頂板水害威脅程度分為4 級，建立了利用“透水系數”識別煤層頂板水害的標準和方法。離層水是一種新的頂板水害隱蔽致災源，曹海東[32]將煤層頂板離層分為一般離層、充水離層和致災離層，建立了二類二型致災離層水體的概念模型和三種透水模式，揭示了不同開采條件下煤層頂板離層形成和演化規律，提出致災離層的三級判別方法。張培森等[33]認為當同時具備密閉可持續的離層空間、穩定的補給水源、導水通道、突水通道后，離層上位巖層高強度破斷沖擊、離層大靜水壓、回采強擾動中任意一個動力源都可以發生離層突水。虎維岳等[34]根據礦井4 類充水水源和4 類充水通道的組合關系，將煤礦水害危害程度劃分為4 級，并借鑒Piper 三線圖與庫爾洛夫式地下水化學分析原理，繪制了礦井水害類型與威脅程度分析圖。

沉積控水理論持續深化。陳晨[35]認為沉積相和成巖作用演化是陸相聚煤盆地水文地質結構和含水層富水性的主控因素，在建立層序地層格架的基礎上，揭示鄂爾多斯盆地延安組3?1煤層至直羅組之間不同體系域的沉積控水機理和富水區分布規律，采用五度法預測了5 類富水性分區。王洋等[36]在剖析深埋侏羅紀煤層頂板時空結構與富水性的基礎上，提出了利用沉積環境影響指數、砂巖厚度、導水裂隙帶高度等指標體系評價突水危險性，建立了“上行開采低位截流” “工作面單側截流”“工作面雙側截流”與“工作面方向調整截流”的煤層頂板水源頭治理模式。馮潔等[37]總結了陜北直羅組、延安組、風化基巖含水層的沉積控水規律，建立了辮狀沉積強富水性型、曲流河沉積中等富水性型、三角洲平原分流河道沉積弱富水性型、三角洲平原分流間灣沉積極弱富水性型等4 類沉積控水模式。董書寧等[38]針對鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田頂板水害形成機理研究薄弱、致災判別標準難以量化，直接影響水害防控關鍵技術發展的難題，開展了跨區域、多學科的產學研用協同攻關，揭示了離層水害、薄基巖潰水潰沙、巨厚砂巖水害、燒變巖水害的形成機理與主控因素、空間定位方法，提出了與沉積、構造和開采條件相適應的四種典型頂板水體精準定位與水害防治方法。

我國華北石炭?二疊紀煤田開發普遍面臨嚴峻的底板水威脅。吳基文等[39]依托立體綜合探查，通過理論分析、地震多屬性反演、模擬計算，揭示了巖層孔隙度與波阻抗、視電阻率的耦合機理，建立了多充水水源采區水文地質概念模型，評價了斷層導含水性和煤系巖溶裂隙含水層水的可疏放性，預測了奧灰水的突水危險性，為兩淮礦區極復雜地質條件采區水害防治提供了依據。王靜雪等[40]以斷層強度指數、斷層端部密度、含水層水壓、含水層富水性、隔水層厚度、脆性巖比率、底板破壞深度為指標，建立煤層底板奧灰突水危險性評價FDAHP-TOPSIS 模型，給出了突水風險系數解析解，取得較好的應用效果。胡彥博[41]認為采動影響下深部煤層底板應力呈現壓?拉?壓狀態，底板破斷從脆性巖層或節理處開始先向上發展、再向下擴展，最大破壞深度位于采前高應力區應力峰值附近，并建立了6 種突水模式和突水危險性評價模型。脆弱性指數法由常權模型向分區變權模型發展中得以完善，已解決多煤層底板單一含水層礦區突水脆弱性評價難題[42]。

2.1.6 煤礦巷道變形與關鍵層控制

煤炭開采是打破原有的地質結構和應力平衡狀態，在圍巖差異化變形和運動中尋找新的地質平衡過程。巷道失穩與圍巖地質結構、工程力學性質、巷道走向與斷面形態、地應力狀態、采煤方法、工作面布置及生產接續方式密切相關。應用非線性統一強度理論、彈塑性力學理論、蠕變理論、多場耦合理論等和模擬實驗方法，對分層開采窄煤柱巷道、大斷面煤巷、千米深井軟巖巷道、壓茬開采巷道、沖擊傾向性巷道、深井厚煤層綜放工作面頂板、軟弱破碎頂板等圍巖變形機理與破壞規律進行了深入研究，建立了巷道圍巖不同變形區應力、位移及半徑的本構關系式[43]，深化了組固拱理論、松動圈理論、組合梁理論。以工作面兩巷煤層信息為條件，引入奇點模型精細反演煤層厚度，建立了薄煤層開采“上三帶和下兩帶”模型，精準導航了薄煤層智能開采和極限卸壓[44]。王國法等[45-46]根據液壓支架與巷道圍巖強度、剛度、穩定性耦合作用原理，建立了厚煤層超大采高綜采面頂板破斷失穩的 “懸臂梁+砌體梁”模型及煤壁片幫的“拉裂?滑移”模型，提出了液壓支架合理工作阻力“雙因素”控制理論和適應圍巖失穩的“三耦合”設計優化理論，保障了厚煤層工作面的安全高效開采。

為了以最小的采動損害獲得最大的煤系礦產資源采出率，實現最佳的經濟、環境和社會效益，綠色開采理念應運而生。認識到煤炭開采引起的圍巖破斷運動是采動損害與環境惡化的根源，以非均質煤系中關鍵層理論和全地層結構思想為指導，深刻揭示了關鍵層運動對采動裂隙場演化、采場壓力演變、流體運移場巖體和地表沉陷區的影響規律[47-51]，建立的覆巖卸荷碎脹累積效應模型生動地解釋了離層形成機理與離層空間發育規律[52-53]，采動覆巖“三帶”中瓦斯解吸?滲流特征差異性的劃分為煤與瓦斯共采技術奠定了理論基礎[51,54]；將“綠色因子”引入煤礦綠色開采評價指標體系中，建立了各級評價指標的綠色因子值數學模型，開發綠色開采評價平臺，提出了根據“綠色度”(綠色開采度)劃分煤礦綠色開采等級的方法[55-57]，豐富了綠色開采理論。

2.1.7 采空區煤自燃與瓦斯復合致災危險性預測預報

煤礦采空區既是積水和有毒有害氣體富集的場所，也是遺煤自燃和礦震等災害易發區。鄭懷昌等[58]提出了采空區危險性分析流程，能量意外轉移理論為不同類型采空區的危險性評價提供了新思路。周亮[59]采用程序升溫實驗、智能計算和理論分析方法，研究了采空區瓦斯對煤自燃的影響，建立了高瓦斯容易自燃煤層采空區遺煤的自燃危險性動態評價模型和多指標綜合預警模型，并開發了實時預警平臺。

2.1.8 礦井地球物理探測原理

地震波反射和透射動力學特征與運動學規律研究日益深入。亮點理論、波動方程、波阻抗反演、地震模擬等理論研究進步，推動了采區地震勘探技術的快速發展。圍繞煤礦隱蔽致災地質因素探測技術難題，系統開展了地震繞射波理論探索，揭示了繞射波在第一菲涅爾帶孔半徑內外的雙指數衰減和相位反轉規律，提出了方位?傾角域繞射系數的計算公式，構建了自動計算菲涅爾孔徑的方法[60-61]。總結了振幅、頻帶寬度、瞬時頻率等地震波屬性與煤層厚度的非線性變化規律，為利用變模態分解(VMD) 和支持向量機(SVM)等方法預測煤層厚度提供了理論依據[62-63]。以薄煤層“三層結構”模型為基礎，對比研究并建立了2 種形式下與彈性波位移位與位移函數相對應的層狀介質傳播矩陣及薄層公式，給出了薄層公式退化時單界面判據，推導出薄煤層PP 波、PS 波的AVA 響應及相位響應方程式[64]。揭示的煤體結構與地震縱橫波速度、拉梅系數剪切模量等彈性參數之間關系以及煤層含氣量與AVO 異常相關性規律，進一步拓寬了地震同步反演技術在煤體結構劃分和煤層氣富集區預測領域的應用，實現了地震勘探由構造勘探向巖性細觀探測的跨越[65-67]。將構造導向濾波、螞蟻追蹤法原理應用于地質異常體的地震屬性相干與混沌分析中，通過地震屬性優化和RGB 信息融合，提高了斷層和陷落柱等的識別精度和空間形態刻畫精度。根據地震剖面、屬性平面上斷層與煤層的幾何關系，建立了虛擬三維環境下斷層落差、傾角等要素的解析式[68]。

槽波地震勘探快速發展并在煤礦井下廣泛應用得益于數字槽波探測理論創新。自F.F.Evison 1955 年發現并揭示Love 波的頻散特性以來，國外從未中斷地震波在煤層中傳播規律研究。1985 年中煤科工西安研究院(集團)有限公司(簡稱西安研究院)引進該技術以來，經過幾代人尤其是近十年的探索，建立了Love波頻散特征與煤層厚度關系式，提出利用Love 波精準判斷煤層厚度的方法[69-70]，構建了基于三維彈性波全波形反演的斷層、夾矸、陷落柱等槽波模型[71]，給出了含夾矸煤層Love 波頻散曲線與PP 波與PS 波反射系數的定量關系[72]，推導出黏彈TI（Transversely Isotropy）介質3 層水平層狀模型的煤層Love 波頻散方程解，揭示了各向異性品質因子與Love 波頻散和衰減的規律[73]，建立了煤層及圍巖三維地質模型，形成了通過正演獲得Love 波場多屬性異常的CT 成像，進而識別斷層、陷落柱、褶皺、薄煤帶等隱蔽地質體的方法[74-75]。

測井之所以能夠精細劃分煤體結構，得益于它揭示了不同煤體結構煤的地球物理測井綜合響應規律。不同煤體結構煤的應力?應變、導電性、聲發射和電阻率、聲波速度動態變化模型[76]，以及多煤層區煤體結構測井解釋模型構建方法的建立[77]，為利用自然伽馬、深側向或微球聚焦電阻率、聲波時差和密度等測井信息定量判識煤體結構、建立煤體結構三維可視化模型夯實了理論基礎。

電法勘探理論向縱深發展。岳建華等[78-81]給出了巷道頂底板電測深曲線自動正反演算法，創建了巷道影響下的全空間電流場理論，認為采動裂隙帶含水量與煤巖體電各向異性系數呈正相關，張量電阻率幅值僅與采動裂隙帶的傾角有關，地層走向只影響視電阻率橢圓的旋轉角度，為煤礦井下實時動態測量張量電阻率來預防動力災害提供了新途徑。蔣宗霖等[82]揭示了礦井全空間瞬變電磁偶極裝置觀測信號隨收發距離變化的傳播規律和低阻體的電磁場異常響應規律，建立了井下瞬變電磁場三維有限元正演模型和算式。李飛等[83]認為互感信號強度比大地中感應二次場高是造成實測電阻率偏低的主要原因，推導出利用兩次不同收發距離的觀測數據進行互感消除和感應電動勢的視電阻率校正方法。吳信民等[84]提出以視電阻率為樞紐的觀測數據時?深轉換理論及方法，為定量解釋和精準定位地質異常體提供了理論依據。楊海燕[85]、李貅[86]等將地震偏移成像方法引入瞬變電磁數據的虛擬波場成像中，建立了瞬變電磁擴散場與地震波波動場聯動的函數變換關系，實現了瞬變電磁探測數據的擬地震解釋，提高了低阻異常體賦存深度和界面的空間分辨率與三維偏移成像精度。

作為一種清晰高效的新興實景復制技術，三維激光掃描應用于煤礦井下的難點是碎步測量三維動態坐標和點云數據和礦山靜態控制點信息的精準銜接。為此，王海軍等[87]建立了煤礦井下三維激光掃描系統動態標定與空間點坐標轉換方程，提出基于統計濾波原理的大尺度噪聲濾波方程和基于移動最小二乘的小尺度噪聲濾波算法、巷道點云關鍵數據點的SIFT 數據特征測算和FPFH 表征算法，為長距離復雜巷道和工作面地質信息快速提取和精細建模提供理論支撐。

2.1.9 三維地質建模理論

精細刻畫礦井開采地質條件及其變化的目的是為煤礦智能精準開采提供地質導航，可視化三維地質模型是地質探測信息集成、共享和實現地質透明化的主要手段。三維地質建模技術提出以來，在油氣和地礦行業得到了廣泛應用，2018 年煤炭行業開始以開采地質條件透明化為目的的三維地質實體建模與可視化研究工作。程建遠等[88]根據礦井地質探測技術現狀和智能開采對地質透明化的時空需求，提出按照不同勘查程度分梯級構建4 個層級“透明工作面”三維地質模型的思路。

與地質建模相關的煤礦地質信息有鉆探與物探數據、巷道地測數據、工程地質監測數據及各種測試實驗、解釋數據等，數據融合就是使用某種約束條件將這些關系錯綜復雜、描述表達不統一的多源異構信息進行反演，使之滿足統一的地質模型的過程。陳曉紅[89]給出了利用地震殘差項、重力殘差項、平滑項等物性參數建立交叉梯度目標函數，進行巖石物性關系明確條件下多源物探數據同步聯合反演方法，建立的地震地質模型減少了反演結果的多解性。樸英哲[90]建立了多源物探數據交叉梯度聯合反演解析式，提高了巖石物性關系不確定情況下地震地質模型中地質異常體結構的恢復精度。

井田地質(異常)體本身是變化的，甚至是不連續的，而描述地質體的探測數據來源廣、類型多、離散且不規則，采樣控制點多寡和網格節點間插值算法等與地質建模精度緊密相關。相對于人工插值法，數學插值法，尤其是高次插值法更適合于精細刻畫地質(異常)體的空間不連續性。安林等[91]根據函數插值、離散平滑插值和克里金插值的基本原理，通過交叉驗證和誤差分析，認為離散平滑插值算法的可靠性最佳，采樣數據量不低于10%即可滿足工作面動態地質建模的精度要求。

2.2 礦井地質保障技術研發與裝備創新突飛猛進

2.2.1 智能鉆探技術與裝備研發

煤礦區地面鉆探和井下鉆進技術是精細查明礦井開采地質條件、防治煤礦地質災害事故的最直接而有效的手段。30 年來，我國煤田鉆探根據施工目的和煤礦井下作業環境要求，不斷進行鉆機、鉆具、鉆頭和鉆探工藝研發與技術創新。

地面預抽煤層瓦斯是預防和減少煤礦瓦斯事故的重要方式。針對水平井組鉆井直徑大、造斜段和水平段定向鉆進困難、造斜段?水平段?排采直井對接難度大等問題，相關科研院所、企業相繼研制出ZMK-5530TZJ60、ZMK5530TZJ100、SMJ5510TZJ15/800Y、SMJ5510TZJ25/1000YTMC90、TMC135、CMD100、CMD100T、CMD150T 等國產大功率全液壓動力頭式車載多功能定向鉆機，創建了多分支遠端精準對接鉆進技術與完井工藝模式，空氣洗井技術、增阻堵漏技術、無機膠凝注漿固化技術、套管隔離技術等廣泛應用于不同地質結構的煤層氣井鉆進時的洗井和防漏中，多矢量傳感器組合同步控制系統、孔底單彎螺桿鉆具為鉆孔自動跟蹤與軌跡精細校正提供了保障。西安研究院將該項技術應用于全國38 個順煤層或煤層頂板水平井組的施工中，單井最大精準對接距離1 148.70 m，最大鉆探進尺1 735.63 m，為地面煤層氣高效開發提供了可靠的技術與裝備支撐。針對我國碎軟低滲強吸附煤層區瓦斯抽采困難、突出危險性大的問題，根據煤層采動卸壓增透原理和地面井變形破壞機理，提出了采動區地面井“避”“讓”“防”“梳”的井位選擇與井身結構優化技術、地面井抽采工藝設計與工程防護技術，建立了單一煤層和煤層群條件下采動區地面井煤層氣高效抽采模式，實際應用中有效降低了工作面上隅角和回風巷的瓦斯濃度，保障了煤礦安全回采[92-93]。

在煤礦井下隱蔽致災因素探查和地質事故隱患治理中，我國以往使用的普通回轉鉆進裝備功率小、孔徑小、進尺淺、自動化程度低，更重要的是缺乏定向鉆進技術，以致作業工程量大、鉆孔軌跡不可控，絕大多數情況下起不到精確中靶和有效治理的結果。為了解決這些難題，西安研究院自“十一五”開始開展了煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術與裝備研發，研制出離線式隨鉆同步抗磁測斜系統、孔底螺桿馬達定子旋轉穩斜導向系統、小型化防爆型泥漿脈沖無線隨鉆測量系統、電磁波無線隨鉆測量系統和隨鉆測量地質導向系統，以及高韌性高強度外平鉆桿、單彎螺桿馬達、PDC 定向鉆進鉆頭與擴孔鉆頭等，ZDY12000LD、ZDY15000LD、ZDY20000LD 等型號緊湊型大功率定向鉆機的成孔和處理孔內事故能力強，滿足了遠距離復合定向鉆進動力傳遞及泥漿脈沖信號穩定傳輸與鉆機快速排渣的需求[94-95]。煤礦井下精準復合定向鉆進成套技術與裝備在神東煤炭集團有限公司保德煤礦中硬(f>1.5)低透氣性煤層鉆進中創造了瓦斯抽采主孔深度3 353 m、總進尺4 428 m 的世界新紀錄。ZDY2800LG、ZDY3000LG 和ZDY6000LG 等大功率高轉速復合履帶式全液壓定向鉆機，配套螺旋保直定向沖擊鉆進技術、低/中風壓空氣/氮氣復合鉆進技術、空氣霧化鉆進技術、套管鉆進技術，以及提鉆/不提鉆下篩管護孔工藝、主孔探頂與側鉆開分支孔工藝、二次成孔工藝，和高強度鉆桿與螺桿、三棱等異形定向鉆具，實現了碎軟低滲煤層區順煤層定向鉆進成孔深度和瓦斯抽采效果的重大突破。泥漿護壁、清水鉆進、螺旋鉆桿+泥漿脈沖無線隨鉆測量長距離復合定向鉆進等技術和“沿頂/底板主孔鉆進、分支孔導通煤層”工藝，應用于陽泉、韓城、黔西、高平、淮南等高突礦區碎軟煤層頂板/底板小曲率梳狀鉆孔瓦斯抽采工程中，鉆進速度、成孔率、瓦斯抽采效率、經濟效益比順煤層鉆進有大幅度提高[96-97]。以鉆機與孔底馬達雙動力復合驅動技術、異形鉆桿與水力復合強排渣定向鉆進技術、回轉切削與沖擊破巖復合擴孔技術為核心的大功率復合定向多級擴孔鉆進工藝和裝備，已廣泛應用于我國大部分煤礦煤層頂板高位定向孔瓦斯抽采工程中，效果顯著，起到“以孔代巷”作用[98]。另外，定向鉆進技術在超前弱化煤層和復雜堅硬頂板巖層沖擊潛能、煤層頂/底板注漿加固改造、隱蔽導水通道精準封堵等方面取得了良好效果。在此期間，中煤科工集團重慶研究院有限公司(簡稱重慶研究院)、沈陽北方交通重工集團有限公司、江蘇中煤礦山設備有限公司研制的ZYWL-4500D/6500D/8000D、ZYWL-6000D/6000DS、ZYWL-13000-DS、ZDY3500L/4000LK、ZDY12000LF 等型履帶式全液壓隨鉆測量定向鉆機及配套裝置，提升了井下鉆探對地質條件的適應能力，促進了煤礦井下定向鉆進從 “無控制鉆進”向“精準定向鉆進”的跨越。

針對煤礦井下鉆機缺少自動加卸鉆桿、整機動力學參數監測困難、智能化水平不高的問題，“十三五”期間西安研究院和重慶研究院在ZDY4300LK 和ZYWL-4000Y 等型自動化鉆機基礎上，將桿倉列定位技術、自動接卸扣技術、防爆電液控制技術，以及嵌入式鉆機狀態參數監測軟件、遠程視頻成像無線監控系統等加載到國內主流全液壓鉆機上，研制的ZDY4500LFK、ZDY23000LDK、ZDY25000LDK、ZYWL-4000SY 等多種型號大功率全自動鉆機，具備長距離定向鉆進施工過程中自動控制裝卸鉆桿、智能化定向鉆進、鉆機參數實時監測、典型故障智能診斷與預警等功能，全面提升了井下定向鉆進裝備的智能化水平[99-102]。新研發的串并聯組合油缸式給進系列裝置，提高了長行程下鉆機的有效給進力、起拔力與給進/起拔速度[103]。

2.2.2 煤田地面全地形多震源地震勘探技術

1941 年地震勘探技術從日本引入中國，應用初至波折射法在開灤煤礦外圍普查找煤試驗。至20 世紀80 年代末以來，地震勘探儀器經歷了由進口光點記錄儀、模擬磁帶記錄儀到國產數字地震儀，勘探方法實現了由折射波法到反射波法、由單次覆蓋到多次覆蓋的轉變；高分辨率二維地震勘探在淮南煤田和集賢煤田煤礦取得較好的構造探測效果后，步入巖性和構造相結合的新的綜合地震勘探階段。20 世紀90 年代至今，地面二維地震勘探方法日趨成熟，表現為地震信號分辨率與信噪比大幅度提高、資料處理和解釋技術進步明顯，在煤田勘查與一些不具備三維地震勘探條件的采區，二維地震勘探能夠查明落差10 m 以上斷層、5～10 m 斷點、直徑大于50 m 陷落柱、煤層沖刷帶，成為煤炭資源勘查和基建礦井地質構造探測的主要手段。

1974 年W.S.French 三維模型的問世，開啟了國外油氣開發行業和地震勘探界對三維地震勘探技術理論與實踐探索的歷程。經過十余年的應用研究發現，三維地震勘探技術解決地下復雜油氣地質結構問題的能力和經濟效益是二維地震技術無法比擬的，同時高產高效礦井生產對煤礦開采地質條件的探查程度提出了更高要求。因此，1991 年原國家能源投資公司決定在大型礦井設計前需開展三維地震勘探，加快了地震勘探由資源勘查向礦井開采地質條件探測的步伐。1993?1994 年，安徽省煤田地質局和淮南礦業(集團)有限責任公司與中國礦業大學合作，在謝橋煤礦首采區和潘集礦區進行高分辨率三維地震勘探試驗，應用高密度快速采樣、疊前部分偏移、傾角時差校正等方法，獲得了高分辨率、高信噪比、高保真度的三維數據體，查明了一批埋深380～700 m、落差≥5 m 的小斷層，空間定位誤差<10 m。查清了區內褶幅>5 m 的褶皺；在460 m 深度清楚分辨出相距50 m、斷面尺寸3.2 m×3.8 m 的兩條相互平行石門，首次取得了煤礦采區構造和采礦工程結構超前精細探測的重大突破。

近30 年，隨著現代電子、計算機、通信與網絡等技術的日新月異，數字地震儀主機結構進一步優化，中央記錄單元帶道能力大幅度提升，超萬道地震儀、小組合多檢波器滿足了小道距、單點震源、單點接收、寬方位角的地震數據采集和高速實時傳輸，以及超大道數、多波多分量地震勘探的要求。人工智能螞蟻追蹤法、疊前時間偏移等技術，以及海量機群并行計算機和高分辨率處理軟件的應用，極大地提高了地震數據體的質量與存儲能力，促進了全三維—五維插值、疊前深度偏移、疊后處理、精細靜校正和動校正、噪聲衰弱、頻譜整形濾波連片、速度建模、目標處理等技術的進步。全三維解釋技術、三維可視化解釋技術、多角度地震正反演模擬技術，以及Geo Frame、Landmark、ProMax、GRIstation 等解釋軟件的問世，極大地提高了地震勘探結果的可靠性。煤礦采區高分辨率三維地震勘探先后攻克了平原、沼澤、丘陵、山區、黃土塬、戈壁、沙漠和海上技術難關，實現了煤田全地形內采區埋深1 000 m 以淺的落差5 m 及以上斷層、波幅10 m 以上褶皺、直徑30 m 以上陷落柱，以及采空區、富水區、沖刷帶和煤層變化等的高精度探測。探采對比表明，高分辨率三維地震勘探在淮南和永城礦區對斷層和陷落柱的驗證準確率≥89%，其他地區≥78%[104]，成為采區透明地質模型構建、煤層頂板穩定性評價、瓦斯災害隱患識別、突水構造和采空區預測的硬核技術。

高密度全數字三維地震勘探由于采樣密度高、覆蓋次數高、數字檢波器全方位角接收數據的優勢，以及寬頻帶、壓噪技術、疊前時間偏移等處理技術，全面提高了原始地震數據體的信噪比、分辨率和保真度。SPS 引導放炮方法、自動化班報模板等有效提高了該技術的數據采集效率[105]。高精度靜校正技術、多屬性和屬性融合解釋、巖性反演解釋、疊前深度偏移等技術，大幅度提高了數據解釋精度與成像功能。在淮南丁集煤礦試驗發現，高密度三維地震勘探對落差2 m 以上斷層的解釋準確率>80%，能清晰地分辨出地下埋深800 m、寬度4 m、相距150 m 的回采工作面巷道[106]。隨后，該技術相繼在淮南其他煤礦、呂梁、晉城、潞安、淮北、永夏、焦作等礦區推廣應用。建立的 “一全、二寬、三高、四精”的勘探模式[107]和“3+X”技術路線[108]，實現了數據采集、處理與解釋過程的一體化與標準化。目前，高密度三維地震勘探已成為煤礦采區斷層、陷落柱、下組煤、高陡構造勘探等地質因素精細探查的關鍵核心技術。

與人工炸藥震源相比，井下采煤機振動激發的被動源波中的反射波疊加可達16 次，單炮信噪比提高了4 倍，橫波的超前探測距離達到300 m 以上，槽波可達到170 m 以上[109-110]。采煤機移動激發的連續信號分段波形互相關成像方法實現了工作面內地質異常體(區)的實時動態監測[111]，為透明工作面三維地質動態建模、采動地質災害監測預警開辟了新途徑。

2.2.3 地面電磁法勘探技術

地面電磁法勘探曾在找煤、探測水源地和導水通道方面發揮了重要作用。自1997 年以來，隨著國外先進技術與設備的引進，以及超前查明頂板水、老空水、底板奧灰水、火燒區水等礦井水文地質條件的迫切需要，瞬變電磁勘探技術得以快速發展。開發了中心回線、疊置回線、大定源回線、回線核心域等多種觀測系統形式，形成了相應的視電阻率計算公式，回線核心域觀測系統與資料解釋方法使導水構造、陷落柱的探測精度提高了15%～25%[112]。中心回線的瞬變電磁自適應正則化反演、任意形狀回線的瞬變電磁反演等方法已成功應用于采空區探測解釋中[113-114]。針對回線源激發的信號在地層中衰減較快而導致探測深度較淺，長偏移距瞬變電磁法對發射機功率和性能要求高、連續波形電流造成數據處理難度大的問題，研發出電性源短偏移距瞬變電磁法，形成了集施工方法、正演模擬、視電阻率計算、反演解釋等于一體的電磁法勘探技術體系，并已成功應用于復雜地表條件下的煤礦深部含水體、采空區的探查中[115-121]。

2.2.4 礦井物探技術

礦井物探作為地質透明化的重要探測與監測預警手段，30 年來在觀測系統組合方式、多場多參量數據提取與解釋技術、遠程測控及預警技術、探測裝備研制與可視化地質模型構建等方面取得了重大突破，為解決煤礦復雜地質問題發揮了關鍵性作用。

為了精細探測下組煤、陡傾斜煤層、深部煤炭資源的開發地質條件，20 世紀70 年代開始將淺層高分辨率地震勘探技術移植井下。面對井下特殊的三維采礦環境，世紀之交開展了錘擊震源巷道全方位接收勘探、錘擊震源巷幫接收多次覆蓋勘探、炸藥震源長排列多次覆蓋勘探的對比研究，以及反射共偏移等觀測系統試驗，不乏成功范例[122-123]。金丹等[124]將地表一致性振幅校正和反褶積技術引入井下地震信號處理中，較好地解決了單炮初至時間的延遲問題，改善后的地震疊加剖面使得地質構造和巖性解釋更加可信。

節點式數字槽波地震儀的成功研發，使沉寂30 余年的槽波地震勘探煥發新的活力。共發射點(CDP)集合、水平疊加、振幅平衡AGC、頻譜分析、反褶積濾波、窄帶濾波、速度分析、靜校正切除、多道次CDP疊加技術，以及改進的代數重建算法(ART)、瞬時迭代法(SIRT)等層析反演算法等，為獲得高信噪比、高分辨率、高保真度的槽波數據體提供了可靠保障。目前，反射槽波超前探測技術可以實現煤巷前方煤層厚度100 倍范圍、煤巷側幫200～300 m 范圍內的小斷層、陷落柱、廢棄巷道等精細探測，探測精度達90%以上。正演模擬技術的突破使厚?巨厚煤層內小斷層的超前探測成為可能[125]。因此，反射槽波勘探已成功替代瑞雷波、TSP 和二維地震勘探而成為采空區、煤層沖刷帶、斷層等隱蔽致災因素超前精準探測的核心技術。透射或透射與反射槽波聯合探測能夠查明300 倍煤層厚度范圍內工作面中隱蔽小斷層、夾矸、陷落柱、廢棄巷道等地質異常體的位置[25]。

聲發射與圖像診斷技術曾在沖擊地壓災害預報、地應力測量、煤與瓦斯突出危險區預測、工作面頂板破斷時間和位置監測中發揮過較大作用。微震監測技術是研究煤巖體破裂機制和礦震活動規律，監測煤巖體水力壓裂縫裂縫擴張和堅硬頂板(煤)卸壓的效果與 “三帶”發育高度、預警煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出及突水等煤巖動力災害的快捷而有效手段。圍繞較多背景噪聲下的震源定位與微震信號初至拾取問題，針對影響震源定位精度的因素，Ge Maochen[126]和李楠[127]等建立了震源定位可靠性綜合評價體系，提出增加臺網中傳感器數量和降低初至時誤差的非直線、非平面、非雙曲面優化布置方法。微震被動層析成像技術搭建了采掘空間中高波速或高波速變化梯度區與沖擊地壓危險性響應的橋梁[128]。李紹紅等[129]將粗大誤差判別準則和聚類分析方法用于走時方程的變換和求解中，推導出考慮速度各向異性的微震源快速、準確定位方法。近年來，部分學者將傅里葉變換、小波分析、分形維數法、模式識別、到時差值分析、人工智能等應用到煤礦微震波信號的自動分析與識別中，大幅度提升了微震監測技術水平。

為了防治煤礦底板突水事故，電法勘探于20 世紀80 年代末走向煤礦井下。90 年代初建立了以礦井直流電法勘探為主的煤層底板水探測技術體系，形成了巷道頂底板電測深法、巷道電剖面法、高密度電阻率法、直流電透視法等。在此基礎上，西安研究院開發了探測工作面底板含導水構造的音頻電透視技術，完善了超前探測掘進巷道隱蔽構造的孔中二極剖面法、點源梯度法。與此同時，新儀器、設備以及正反演算法、室內模擬與電磁波層析成像技術不斷進步，顯著提高了回采工作面內隱伏陷落柱、斷層及煤層變薄帶的探測精度。21 世紀以來，高密度電阻率法的布線形式日益豐富，小型智能化直流電法儀的抗干擾能力增強，軟件處理能力更加強大，尤其是網絡分布式并行電法技術體系有效融合了主動源電法勘探與被動源地電場監測功能，地電場多參數并行解析與聯合反演技術實現了對底板富水區[130]、含水構造和采動裂隙帶[131]、注漿效果[132]的遠程、實時、動態監測及精細評價。

20 世紀90 年代末，中國礦業大學等單位率先將瞬變電磁勘探方法引入煤礦井下水害隱患超前探測中。隨著全空間瞬變電磁場分布規律、數值模擬、時深轉換等研究的深入，和關斷時間、發射功率、發射線圈匝數、干擾因素等試驗的突破，以及小型化大功率探測儀器與智能化解釋技術的成功研發，形成了孔中、孔?孔、孔?巷、地?孔、地?巷等多種靈活的探測方式，開發出短時關斷、三分量同時觀測、高分辨率、壓制工頻干擾、“聰明疊加”與高發射重復率技術，提高了瞬變電磁原始信號的信噪比和保真度。將人工智能應用于探測數據處理中，極大地提升了弱信號的提取能力和對巷道前方、頂板低阻異常體位置與范圍的辨識能力。

井下坑透技術因穿透距離較大、準確率較高、成果直觀而廣泛應用于工作面隱蔽地質異常體與煤層變薄帶的探測中，形成了井?巷、巷?巷、井中、井間等多種觀測系統和一發一收、一發雙收、雙發雙收及其組合收發方式[133]。針對常規單頻多點收發和多頻率組合探測效率低的問題，劉百祥[134]研發的大透距多頻同步無線電波透視技術與裝備通過一次探測可獲取多個頻率的穩定、有效的場強值，發揮低頻和高頻的透射優勢，提高了坑透技術的探測能力和準確性。

2.2.5 礦井地質綜合探測技術體系

以智能定向鉆進技術與裝備為載體的隨鉆測井逐漸代替無纜和電纜測井，在水平井、多分支井、傾斜鉆孔中獲得高精度的孔斜、電磁波、聲波、伽馬、鉆孔全景成像等數據體，通過同步機分析處理和實時動態顯示，為精準識別煤巖界面、煤體結構和地質構造等提供了平臺。側向電阻率視頻成像測井技術與設備在穿層瓦斯抽采孔，尤其是在上行孔中實現了鉆孔軌跡與多測井參數一體化測試和智能化解釋，解決了碎軟難抽采易突出煤層區瓦斯抽采孔軌跡、煤巖界面、地質構造的精準探測難題[135-136]。采區地面鉆探?高密度三維地震?瞬變電磁勘探、井地聯合勘探，及井下直流電法?水化學?鉆探、直流電法?紅外測溫?鉆探、音頻電透視?坑透、槽波透射與反射聯合勘探、槽波地震?無線電波透視、鉆探?測井?瞬變電磁勘探、定向鉆進?分段水力壓裂等技術系列，較好地滿足了煤礦地質保障的技術需求。

2.2.6 工作面地質透明化

煤礦智能開采既要求精細查明開采地質條件和隱蔽致災因素，更迫切需要對這些條件和因素進行精準可視化表征，以增強智能采掘設備全面自主的感知、分析能力和精準管控能力。如果說2018 年之前建立的是井田空間三維勘探實體地質模型，則近5 年來人們聚焦于利用先進的計算機技術、現代信息技術手段和數學方法，將零散而孤立的多源地質信息和隨掘隨采地震信息等集成和融合起來，構建三維可視化地質模型。研發出模塊化層次結構型地質數據庫建設技術、數據空間配準技術，克里金法、反距離加權法、離散平滑法、趨勢面法、四域樣條函數、隱式迭代等插值法，以及偽點剔除法、Delaunay 三角剖分法、不規則三角網、似直棱柱等技術廣泛應用于煤層靜態模型構建與動態修復中，開發出GIS、MicroStation、QvCoalMine、GSIS、Hydrogeo3D 等三維可視化系統平臺，提高了模型精度。提出基于精細地質勘探信息的高精度三維地質靜態模型構建流程[137]，和基于靜態、動態和實時等多源異構大數據全程統一融合的工作面及煤層多屬性一體化綜合建模方法，地質與開采系統信息互饋技術打通地質與采礦之間的數據壁壘[138-140]。將礦井隱蔽致災因素的位置、范圍、規模等屬性信息融合到地質模型上，基本實現了工作面內部煤層厚度、地質構造，以及水、火、瓦斯等地質災害綜合預報的透明化和可視化[141]。

2.2.7 綠色開采地質保障技術

以綠色開采理論為指導，提出了基于關鍵層位置的導水裂隙高度定量預測方法[57]，彌補了均化分類和單一厚層砂巖情況下覆巖裂隙高度預計不精準的缺陷；根據煤層頂板薩拉烏蘇組3 種等值線圖構建的榆神礦區地下水資源承載力地質分區[142-143]，推動了充填、限高(分層)、窄條帶、短壁、快速推進等“因地制宜”保護含水層采煤技術的進步；煤層底板隔水關鍵層剩余隔水能力診斷模型、導水破壞帶深度預測方法和鉆孔雙端封堵測漏裝置的成功研發[144-146]，為優化采前疏水降壓設計和防水煤巖柱留設、鉆孔注漿加固底板含水層措施，實現煤水協調開采提供了技術保障。采動裂隙自彌合作用機理催生了超前爆破松動邊界煤柱(體)、向富碳酸鹽巖體注入酸性軟化劑等含水層生態恢復方法的試用[147]。

在與煤共伴生的各種資源中，煤層氣(煤層瓦斯)既是一種災害性氣體，又是一種潔凈高效能源。強吸附、高地應力、低滲透率、低儲層壓力、低含氣飽和度等自然存儲條件暗示著須要實施儲層卸壓和增透措施方可實現瓦斯高效抽采，流體壓裂法、爆破預裂法、水力割縫法、水力沖孔法等接觸式人工致裂技術和聲發射、電脈沖、核磁共振等非接觸式物理場致裂技術，為高突礦區不易解吸帶煤層瓦斯采前高效預抽提供了新的技術手段。基于采動裂隙“O”形圈理論和卸壓覆巖瓦斯運移“三帶”理論，許家林[148]提出了無保護層條件下走向高抽巷和低抽巷+網格式穿層鉆孔、后高抽立眼和局部高抽巷抽采鄰近層卸壓解吸帶瓦斯技術，以及順層長鉆孔、大采高長工作面煤壁短鉆孔、綜放工作面超前支承壓力影響段間隔鉆孔等一系列本煤層超前卸壓瓦斯抽采技術。方俊等[149]發明的井下定向鉆孔阻截抽采近距離煤層群條件下鄰近層卸壓瓦斯的方法與工藝流程，有效解決了近距離煤層群開采過程中鄰近層卸壓瓦斯互相涌入而導致工作面和采空區瓦斯超限問題。Qin Wei 等[150]建立的地面鉆井抽采封閉采空區瓦斯滲流數學模型，對地面井抽采采空區瓦斯具有重要的指導價值。

充填開采是從源頭上控制頂板沉降與地表沉陷的主要方法。提出了不同礦區“以充定產” “以水定產” “以抽定產”“矸石零排放”等煤炭綠色開發技術模式[148]，建立了固體充填開采中不同巖性煤矸石的蠕變壓縮響應模型[151-152]、“煤體?支柱體?膠結體”聯合作用的超靜定梁模型[153]、充填開采地表變形預測模型[154]，實現了煤基固廢充填開采對頂板和地表變形的精準預測和控制。

3 煤礦地質保障系統建設面臨的主要問題

3.1 煤炭綠色智能開采對地質保障程度的要求

以“遠程智能監控、自動調整截割”和“無人跟機作業、有人安全巡視”為特征目標的智能開采，主要是通過高清攝像儀和智能傳感器系統將工作面地質信息和實時工況集中傳輸到地面決策控制中心，經云計算和遠程可視人工干預系統，來實現采掘機自適應位姿調整和自動規劃截割。它不僅要求工作面地質和實時工況的全息數字化，同時要求采區和綜采工作面的地質工作程度能夠滿足建立高精度可視化三維地質模型：(1) 采區內落差5.0 m 以上的斷層、小型褶皺、陷落柱、采空區、侵入體、封閉不良鉆孔、瓦斯富集區、礦井富水區、沖擊地壓危險區、天窗的位置、范圍和影響程度是明確的。(2) 工作面內煤層穩定?較穩定，煤層產狀、煤體結構、煤的堅固性系數、煤質、煤層頂底板巖性、煤巖界面及其變化是查明的，無落差超過1.0 m 的縱向和斜向斷層、密集陷落柱與侵入體、中常?等斜褶皺，橫向斷層不甚發育。(3) 采掘工程擾動響應范圍內地質條件時空變化特征和影響規律是清楚的。(4) 建立的靜態和動態三維可視化地質模型是可靠的。(5) 地質災害預測預報與動態預警結果是可信的。

3.2 智能開采地質保障系統建設中的難題

毋庸置疑，過去30 年來我國煤礦地質保障系統在理論研究、技術研發、裝備研制方面取得了顯著進展，有力支撐了“雙高”礦井和安全高效礦井的建設與生產，但與煤礦綠色智能開采的地質需求還有較大差距。

3.2.1 地質信息采集與解釋的智能化水平不高

目前，煤礦傳統地質工作仍沿用肉眼觀測、錘擊人測、手寫紙記方式，基本工具是地質錘、機械羅盤、放大鏡、鋼尺、計算機，數字羅盤、防爆數碼攝像機、電子掃描儀等甚少。地球物理勘探布線、儀器掌控、井下鉆探施工等仍以人工操作為主。地質數據獲取的自動化水平不高，數據處理、地質解釋的人為干預強，儀器設備的智能化程度較低。

3.2.2 靜態地質條件超前預測可靠性亟待提高

礦井地質工作者沿襲“走進現場、眼見為實”的傳統靜態思維和“人工肉眼觀測+鉆探”的工作方法，缺乏從開采地質條件形成背景、成因機理和各因素的動態關聯與演化規律中去分析和解決問題，超前地質預測的依據尚不充分，結果尚不具體，結論還不滿足煤礦綠色智能開采的現實需求。

受物探儀器、觀測系統、控制精度、探測環境條件、正反演方法、解釋設備性能的限制，物探解釋異常存在局限性和多解性。同時，利用物探結果判斷“是否是地質異常體”上尚沒有統一的標準，識別“是什么地質異常體”方面還缺少可借鑒的、可復制的模板。另外，作者統計51 對礦井97 個工作面的探采對比結果表明，三維地震勘探+電磁法勘探對先期開采地段和初期采區的地質條件控制精度普遍較低、誤差較大，尚不能滿足智能化綜采對地質條件的查明程度要求。例如，綜合物探對煤層底板高程的控制誤差為4.6～19.2 m；構造簡單?中等地區煤層中落差超過5 m 斷層的實見率為61.2%，平面擺動5.0～31.2 m；落差不超過5 m 斷層的實見率僅為37.28%，平面位置擺動量達11.23～28.7 m；直徑30 m 以上陷落柱的驗證準確率小于43.2%，直徑不超過30 m 的陷落柱的驗證準確率僅為17.63%；構造復雜區和急傾斜煤層區的驗證準確率更低。即使被認為比無線電波透視法探測斷層和沖刷帶更準確、更可靠的槽波地震勘探，解釋的直徑10 m以上陷落柱的范圍比實際大19.3%～27.6%[155]，利用槽波波速分析來圈定陷落柱將更加困難。層滑構造、韌性變形帶和瓦斯富集區的三維地震多屬性識別技術仍在探索中[156]。

大量用于瓦斯抽采和超前探放水的多數穿層和順層鉆孔等孔口不定位、鉆進不取心、孔內不測井、軌跡不測斜，以致井眼軌跡不清，對煤層厚度和煤層結構、煤巖層界限和頂底板高程的判斷多是根據經驗，導致鉆孔控制的誤差達數米至十余米級[135]。

不同種類的地質保障工作多呈“單兵作戰”狀態，缺少從開采地質條件的成生聯系中甄別礦井物探與化探解釋的靜態地質異常體(區)的可靠性的水平，缺少從采動應力疊加后圍巖變形響應規律中分析動態地質條件的變化特征。也正是由于綜合研究程度不高，超前地質預測結果的精準度和可信度尚有很大的提升空間。

3.2.3 動態地質信息實時在線監測方法單一，致災響應判斷技術標準缺項

圍繞不同場源類型采用的礦井地質信息動態捕獲與監測方法較多，總體而言，電(磁)法、微震、聲發射、光?電聯合、震?電聯合等非接觸式方法監測的范圍較大，但數據處理復雜使得信息獲得具有一定的延時性[157]。應力應變計、礦壓監測儀、氣體遙測傳感器、光纖測試、紅外溫度傳感器、激光甲烷傳感器可對地應力、礦山壓力、瓦斯、水文地質等信息進行實時連續動態監測，但只反映重點區局部的參數狀態。同時，采掘動態信息獲取尚沒有擺脫單一的監測手段和人工輔助測量分析的局面，多源參數融合及煤巖介質動態變化規律及隱蔽致災前兆響應的判斷還沒有形成統一的技術標準，實時監測數據同步在線網傳系統和動態地質信息透明化與信息互饋技術仍然無法滿足安全智能開采數字化管控的需求。

3.2.4 地質信息管理與多源異構信息融合技術水平需進一步提高

現代信息技術是煤礦地質保障系統的核心支撐，隨著煤炭工業信息網絡系統的日益成熟，煤礦地質保障系統和煤礦生產系統分別建立了各自的專業數據庫和基礎應用平臺，雖然在一定程度上提高了單一子專業的信息共享與地質預測水平，但系統內各子系統呈相對獨立和封閉狀態，存在大量的數據孤島。同時，各專業軟件類型多，地質數據建庫的地測信息格式、分類、編碼、運算流程、數據端接口與數字化管控體系沒有統一的標準和規范約束，多源異構地質數據的云計算、信息挖掘和融合技術各顯神通，不僅使系統內數據難以交換與共享，而且2 個系統之間也不能實現真正意義上的地質信息互聯互通與實時無縫對接。

3.2.5 三維地質模型精度不能完全滿足智能開采對地質透明的要求

作為礦井地質預測平臺建設的重要內容，地質透明是以精細構建地質模型為主要展示手段。目前，多數地質建模人員來自計算機軟件專業，工作重心集中在地質探測數據的分類與管理、建模插值和剖分方法及誤差分析、多源異構數據耦合與模型渲染、模型更新與實時修正、可視化方法上。由于缺少煤田地質基礎知識，缺乏對地質探測數據的再發掘和解釋結果的可靠性分析、多源異構信息分類建庫、模型精度評價、誤差檢查與修正方法的系統研究能力，建立的地質結構模型不僅精度低，更難以精細刻畫井田或工作面內客觀存在的斷裂網、倒轉褶皺、逆斷層、沖刷帶、陷落柱以及它們疊合而成的復雜圖案，與智能開采對地質條件的精準展現要求有很大差距。

4 展 望

煤礦開采地質條件是在一定區域的地質背景中緩慢形成和發展演化的，開采煤炭則是人為采掘工程活動打破地殼淺部地質結構和地應力平衡狀態，驅使地質體在不平衡和不協調中尋找新的平衡的動態突變過程，由此引發的煤巖體復雜變形與破壞失穩現象具有隱蔽性、時變性和致災性，災害類型和威脅程度既與煤礦生產地質條件有關，又與采煤工藝和開采強度緊密相關。在人類以不同的生產方式向地下未知領域要資源的過程中，必然會面臨這樣或那樣的地質條件約束問題，甚至許多是新問題。而不斷涌現的新的地質問題則意味著煤礦地質保障系統的理論研究、技術研發和設備研制比以往任何時候都更需要原始創新，更需要從煤礦安全高效開采的重大工程實踐中總結地質保障工作經驗，進而抽象出具有煤礦開發工程特色的開采地質條件及其變化規律和預測評價方法，來指導和解決煤礦綠色智能開采。從這個意義上來說，煤礦地質保障系統建設任重而道遠。

4.1 加強應用基礎研究，夯實地質探測與精細解釋之根基

沒有科學理論支撐的技術不會成為硬核技術，甚至是偽技術。目前，礦井物探是超前探測井下地質異常體的首選技術，但因場源的等效原理、數據誤差、反演的不適用性等，使得物探解釋不可回避地存在不確定性和多解性，甚至造成探測結果的不可靠。為此，應加強地下原始地應力場?滲流場?溫度場等并存環境中煤層瓦斯含量、巖層富水性、斷層、侵入體、陷落柱等地質異常體的地球物理場響應特征的地域專屬性研究，三維全空間多物理場的物理模擬和數值模擬及聯合反演原理研究，固?水?氣三相耦合與各向異性條件下采動裂隙場、堅硬頂板與碎軟煤層區人工致裂場的地球物理場響應原理與監測機理研究，物探數據采集方式、采樣率、去噪方法、偏移成像時間、層速度與信號分辨率之間的影響規律研究，多物性參數聯合反演來精準辨識地質異常的方法研究，以期形成屬地化的數據提取和異常分析與解釋方法，建立具有礦井地質特色的全空間地球物理場響應模板，為精細地質探測和精準地質解釋提供理論依據。

4.2 充分運用現代地質技術，提高地質探測數據采集的智能化水平

相對數據處理與解釋環節，物探數據采集的自動化、智能化工作起步較晚、進展緩慢。在加速推進構建基于礦井地質特色的全空間地球物理場響應模板的同時，依托示范工程開展低空無人機與智能機器人在地質探測和地質監測數據采集中的先導性應用研究，包括無人機航測遙感技術在地面地質探查中觀測系統布設、鉆孔(炮點)自動定位與施工參數優化研究、基于機器人的地震檢波器自動埋置與震源智能激發技術研究，以及智能工作面隨掘物探與隨采物探數據的自動采集和高效傳輸技術研究、無人機三維激光掃描與巷道立體建模技術研究、井下無人機/機器人集群姿態與位置遠程無線導航控制技術研究、地質監測與控制數據鏈組網傳輸技術研究等。如此，將大量簡單性重復工作交給無人機和機器人承擔，既可以大幅度提高地質探測工作效率和探測與監測數據的采集能力和精度，也能使科研人員的精力更多地投入到精細地質解釋與透明地質模型構建中。

4.3 加強地質綜合研究，提高地質精準預測評價的能力

礦井地質工作的魅力在于預測，而預測能力來源于精細地質探測和多學科綜合研究。“Garbage in-Garbage out”是計算機模擬研究中一條著名的原理，直言之即如果輸入的信息是垃圾，則輸出的信息也必然是垃圾，無論模擬系統多么好。因此，獲得可靠地質預測結果的前提是輸入的地質信息是充分的、可信的。欲消除井田物探異常的多解性，減少或避免地質誤報和漏報，應采用地質規律、數理計算、現代信息技術和物探相結合的綜合研究方法，將“物探異常”納入其形成的地質環境和地質機理中，結合探采對比來定性判斷其是否符合地質規律，或者采掘影響區覆巖變形規律，從而利用“真異常”來定量描述和分區綜合預測評價智能開采地質條件的復雜程度。這就要求礦井地質工作者既要有深厚的煤田地質基礎，又具備豐富的地球物理探測數據的地質解釋與識別真假異常的能力，同時具有靜態和動態地質要素空間構型與精細立體表達能力。為此，應將煤炭地質學、采礦工程地質學、巖石物理學、流體力學等多學科，井下鉆探、礦井物探、現代信息等多技術和多方法有機融合起來，從礦井靜態地質條件和動態地質條件的成生聯系與有機演替中把握地質規律，研究基于礦井地質與工程特色的開采地質條件定量預測評價理論與方法，是煤礦地質保障系統未來發展的重要方向。

4.4 突破多源異構地質信息融合與可視化技術壁壘，實現礦井地質透明

三維地質建模是實現地質預測和智能預警的主要方法之一，也搭建了地質保障系統為煤礦安全綠色智能開采服務的橋梁。礦井地質透明化的目的是實現地質透明，即將地下采掘擾動范圍內的地質體(煤層、斷層、褶皺、陷落柱、侵入體、沖刷帶等)的賦存狀態與開采環境條件(活化流體、擾動帶、滲流場、應力場、溫度場等)毫無遺漏地、分門別類地、立體地、精準地呈現出來。因此，這種工作應當是在礦井地質人員主導或主要參與下，以全方位立體化精細地質探測和地質監測技術為手段，依托三維地質建模平臺，建立地質與工程三維數據動態融合的高精度可視化地質模型。為此，應研究制定符合煤礦安全開采特點的多源多維異構數據體時空交換格式與建庫標準，研發復雜地質體數據的拆分與處理技術、四維地質與工程數據的無縫聚合?整合?挖掘?融合?共享技術、基于地質大數據的三維地質幾何?屬性一體化集成建模技術、知識驅動與數據驅動協同的三維地質結構?屬性模型自動更新技術和三維交互可視化平臺、工作面地質透明程度量化評價方法等[158]，為煤礦安全高效生產與科學智能決策提供精準地質預測。

4.5 打破傳統的專業人才培育模式，形成多層次多梯隊復合型人才

新中國成立以來，我國地礦類高校人才培養經歷了專業教育模式、通識教育+專業教育模式，目前向分類分層次多元化人才培養模式轉變，在煤礦地質保障領域呈現精尖人才知識面窄、大眾化人才專業知識單薄、高素質復合型人才嚴重不足的局面，影響了采煤工程地質問題的創造性解決。建設煤礦地質保障系統涉及基礎地質、數學、鉆探、地球物理、采礦工程、巖(流)體力學、物聯網和現代信息技術等專業，具有行業交匯多、專業交融多、學科交叉多的特點，專業人才培養應以產業需求為導向，創新能力為目標，堅持通專融合、學科滲透、科教映襯、產學研用深度融合，進行大類招生、分類選拔、分段培養。職業教育和本科教育應重視學生煤田地質基本知識學習和其他交叉專業基本技能的培養；碩士教育應實施差異化培養，圍繞地質問題設置研究方向和目標，學習和掌握特定專業知識和現代信息專業高層次技能；博士教育的本質是科研訓練，應以智能地質探測、地質透明為目標，以培養原始創新熱情為抓手，以跨學科重大研究項目為載體，依托專業測試平臺、煤礦虛擬仿真實驗平臺、智能地質預測實踐平臺、示范礦井試驗平臺等，在前沿高端科技交流和可持續的自我知識更新中培養具備組織和解決地質保障領域重大基礎理論和技術創新需求的拔尖技能人才。

5 結論

a.30 年來，煤礦地質保障系統隨著采煤技術的進步而不斷完善。建立了地質保障技術引領下的開采地質條件綜合探測理論、煤礦隱蔽致災因素分類評價與精細預測理論、礦井三維地質建模及可視化理論等，研制出具有中國礦井地質工程特色的地質保障裝備，相繼為高產高效礦井、安全高效礦井、綠色智能礦井的建設提供了較可靠的地質保障。

b.煤炭綠色智能開采是新時代煤炭工業高質量發展的必由之路。隨著現代信息技術與煤礦開采技術的深度融合，煤礦生產的機械化、自動化和智能化水平更高，對地質條件的依賴性更強，相應地對地質保障工作要求更高。針對目前地質信息采集的智能化水平不高、開采地質條件超前探測解釋模板缺項、地質監測手段單一、地質預測可靠性不高、多源異構數據融合與信息平臺建設的標準不統一、三維地質模型與礦井實際地質情況不吻合等問題，重點應在以下方面開展研究：

加強低空無人機與智能機器人等科技產品在地質探測和地質監測數據采集、數據鏈組網傳輸、數據處理與可視化地質模型構建中應用研究。

開展地下多場并存環境中地質異常體的地球物理場響應特征與地域專屬性研究，采動裂隙場、人工致裂場的地球物理場響應原理與監測機理研究，提高物探數信號分辨率和多物性參數聯合反演地質異常的方法研究。

地質探測是地質預測的方法之一。應加強礦井地質體賦存與分布規律、采動覆巖變形規律的研究，提高識別真假“物探異常”的能力，不斷增強地質預測預報的可靠性。

研究多源數據體統一建庫標準與時空交換格式，創新多源、四維地質與工程數據的無縫聚合?整合?挖掘?融合技術、三維可視化地質建模技術，地質數據自動更新與網絡傳輸技術，提高地質透明化水平和地質信息共享水平。

c.煤礦地質保障科技創新的關鍵是人才驅動。煤礦地質保障系統建設需要多行業、多專業、多領域、多學科的交叉與融合，因此應分層分類培養一批既具有厚實的礦井地質基礎，又具備礦業工程和現代信息工程等知識的復合型專業技術人才。