“过程数字勘查技术”研究

徐鲁勤焦森王锦鹏王经明朱敬宾胡中国

1 中国煤炭地质总局，北京 100038

2 中化地质矿山总局，北京 100013

3 中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101

当前，勘查地质和矿山地质虽然都朝着数字化、信息化技术方向发展，但仍处于“定性静态描述”阶段[1]，满足不了矿山开采对地质保障的要求，致使矿井突水、冲击地压、瓦斯突出、冒顶、底鼓等地灾事故仍时有发生。本文以实现智能“精细动态描述”的目标，抛砖引玉；以煤炭地质勘查为例，突破勘查技术瓶颈，实现地质对矿山开采的保障。

1 国内外现代煤炭地质勘查技术现状分析

目前，国内外主要煤炭勘查技术方法主要有地震勘探、煤炭电法勘探、磁法勘探、重力勘探、深部开采测试、钻探、现代地质填图等，近年来，勘查过程中数字化和信息化技术被广泛应用[2]。

地震勘探技术发展迅速[3]。可查明落差5m 以上断层、幅度大于5m 的褶曲和长轴直径大于20m的陷落柱[2]，成为地质构造勘探必须的手段。但地震勘探也面临不少问题：（1）瞬时态即静态地质下的勘探；（2）在复杂山地和黄土塬地区、矿井下，施工难度大；（3）复杂山地的浅层折射、面波、侧面干扰及次生干扰发育，静校正和噪音问题突出[4]。在巨厚黄土层激发、接收条件差，对波吸收强烈，极易产生干扰，表层静校正困难，中、深层反射能量弱、信噪比低[5]；（4）在地震精细化的解释中，复杂地质构造采用常规时间域运动学信息为主进行解释的精度和可靠性不高，地质复杂区域常规纵波等VSP 层位标定有较大的误差，建立在反射波波场信息处理基础上的三维三分量数据预测裂隙发育区有较大的局限性[2]；（5）地面三维地震对煤层内次级断层常常漏测或者定位误差大；来自陷落柱的反射能量弱、反射信号少，地震成像难以有效地识别或误判；井下槽波反射法是目前对煤层内构造探测的有效方法，但受空间所限，不能通过高覆盖次数叠加方法提高信噪比[6]，等等。

煤炭电法、磁法、重力勘探技术，在地质填图、寻找水源、大断裂等地质构造、普查找煤和矿区水文地质等方面得到了快速推广。问题是：（1）均为瞬时态勘探；（2）资料的多解性使解释结果不够理想；（3）野外数据人工去噪不当和参数选取的人为因素，使计算结果出现较大误差，精度降低；（4）直流电法中体积效应、静态效应致使向深部分辨率和分层能力变差，野外工作量大、效率较低；交流电法受地表设施和不均匀体影响大，存在浅部勘探盲区或过渡区；（5）磁法和重力勘探地质解释精度为推断、定性、估算；（6）井下电磁法受空间所限和采矿机械的影响，精度再提高较难或不经济。

深部开采测试技术是刘志逊等提出的概念，是深部地层相关地质参数的定量化勘查方法，越来越受到矿山的重视，是精细化描述的发展方向。主要有水压致裂法、测井应力预测法、瓦斯解析法、抽或注水试验法、地下水动态监测法、钻孔近似稳态测温等。但该研究也存在着：（1）都是在开放的空间、开放性钻孔中进行的；（2）以点位性质为主；（3）大都是瞬时态，只有水温/压是按时间维度的，但一孔只能观测一个含水层位；（4）未能与现代先进的通信、计算机、智能等技术衔接。

钻探是煤炭最主要的勘查技术，是静态定量化的地质描述；测井已从定性发展到定量的精细化解释，成为煤炭勘查不可缺少的手段。钻探、测井都为点位、瞬时态勘查；尽管亲眼所见，但常由于地层相变、物性变化标志层不清晰，导致地层界面、相邻煤层人为鉴定错误甚至张冠李戴；抽水试验孔位不在地下水富水区导致水文地质参数失真等。

地质填图和遥感是以地面为目标的，其它空间技术精度为了解、推断，不能为矿山开采中提供精确地质参数；现代地质填图已进入智慧地质调查[7]和数字地质填图、数字地质调查系统的发展阶段，并与空间技术如遥感、磁法、重力勘探等技术紧密结合；智能地质不仅是智慧地质调查，更是智能勘查地质和智能矿山地质。

现代地质勘查技术基本满足了矿山设计与开采的要求，但绝大多数是静态定性的地质描述，无法提供地层变化的动态信息；钻探、测井、化验测试、三维地震的构造勘探、地质填图等为定量化的勘查，但前三者以点位勘查为主，地震勘探以剖面为主，地质填图以地表勘查为对象，点与剖面、地表替代不了空间的地质变化，推测必然使地质报告存在较大的不确定性；地质钻孔成本费用高，但大多很快被封填；三维地震以反射波场为主，近距离探测效果不错的无线电坑透受限于井下空间，精度难有较大的提升；地面电磁法的多解性，解释精度不够理想；钻孔深部测试只有地应力、地下水温/压测试等部分项目成熟，而且是在开放钻孔中实现的。总体说，目前勘查技术以定性静态描述为主，达不到矿山开采精细动态描述和智能地质的要求。

2 “过程数字勘查技术”的提出

在矿井开采过程时，由于人为改变了矿体围岩的地质环境，使本处于稳定环境中的工作面围岩的岩体、地应力、构造、地下水、瓦斯等开始发生运动或变化，当运动或变化从量变到质变时即发生矿井地质灾害。掌握这个由量变到质变“过程”的地质变化规律，是实现矿山地质保障的关键。在目前勘查技术难以做到的情况下，要以过程工程科学为指导，研究地层物质的化学与物理转化过程中物质的运动、传递和反应及其相互关系，才能真正实现对矿区地层的查明和开采中围岩物质运动过程的精细化动态的描述。为此，结合云计算、AI、工业互联网等现代科学技术和国家提出的煤矿山地质保障智能化2021 初步形成，2025 基本实现的要求，提出了“过程数字勘查技术”概念，并开展了深部地层信息采集方案的初步研究。

根据过程工程学原理，过程数字勘查技术是在勘查时地层的相对物质运动（岩层物质不动而震源等能量激发源在空间的不断移动）和矿山开采时围岩的物质运动的过程中，通过在已成钻孔中埋设的各类监测设备，在时间维度上数字化描述地层多参数、多层次、多单元的过程及其子系统行为，再通过大数据、计算机、人工智能/专家的系统方法，建模、仿真和优化，集成四维动态的系统，实现对矿区或采区地层物质各参数的变化规律掌握，进而针对性设计、改造和控制围岩，为安全高效开采提供高质量的地质保障。

3 过程数字勘查技术路线

按照上述过程数字勘查技术定义，其路线为：借助“智能钻孔”、“智能勘查”，实施“智能勘查地质”，组建“矿区地质神经网络”，开展“智能矿山地质”，实现智能矿山的地质保障。

3.1 智能钻孔

智能钻孔就是在已施工并完成现有使命的地质孔中，在封孔前植入勘查和矿山开采所需的关于煤层构造、地下水温/压/质、煤层瓦斯浓度、地层与构造、地层压力等参数的监测传感器、检波器、探头等设备，以及钻孔监测数据采集仪和低功耗无线传输等装置，使封闭的地勘钻孔不仅自动采集和存贮本孔位地下岩体时间维度上的地质参数（如钻孔的原位瓦斯浓度、地下水温/压/质/流速等），而且接受周边后施工钻孔、附近地下矿山采掘面（头）通过二者间地下岩体为媒介发送来的时间维度的地质各参数（如弹性波、电磁脉冲信号等），再通过物联网、4G/5G 通信、卫星通信等方式，发射到数据中心。此外，对智能钻孔岩芯进行数据影像化地质编录，其数据及时汇入计算机处理系统。

3.2 智能勘查

智能勘查是指煤炭勘查时，在正施工的钻孔中、或以已成为智能的钻孔为中心的地面各设计方位线上，不断进行弹性波、电磁场等能量的激发，智能钻孔或地面监测仪接收信息，相当于VPS、RVPS、井间接收点数据采集的地球物理勘查。从而形成以每个智能钻孔为中心与邻近智能钻孔或其它任意设计射线方向的密集垂向物探剖面，以及水平方向的层析切面，并在时间维度上一次次地接收多参数、多层次的同一剖面和切面的信息，即相对动态的智能地质勘查。

智能勘查有着较多的优点。以地震勘探为例，智能勘查具有不仅接近探测目标，避开低速带，而且检波器的深度定位，提高了速度分析精度；检波器离目的层更近，保证了振幅信息畸变小；井中震源激发，能量较强、频带较宽，主频通常是地面地震的数倍甚至更高，采集到的数据具有很高的频率和信噪比；可以有效地减少接收因素变化的影响，获取一致性较好的记录；具有高精度和高分辨率，接近于测井的分辨率，能获得高分辨率目的层构造形态，可以精细研究目的层的构造与沉积特征，刻画小断层，目的层的横向变化、连通性等，对目的层进行精细描述；能接收到丰富的波场信息，几乎可以观测到地震勘探中可能遇到的各种波场，如直达波、折射首波、反射波、绕射波、散射波、导波、管波等；实现与相邻多口接收井井间的层析成像和反射成像。

智能勘探不仅是钻孔、孔-孔或孔-地的“立体”勘探，还是时间维度上的“四维”勘探，有效降低勘探成本。这些成果是应用常规地面地震甚至VSP 都是无法实现的；M.C.Williams 等认为，要描述远离钻井的目的层特征，井间地震数据是唯一空间连续且具高分辨率的方法[8]。智能勘查使地球物理勘探等技术在只要能钻探的地方就能得到有效开展，获得更好的应用和发展。

3.3 智能勘查地质

智能勘查地质是在人工智能的帮助和专家的指导下，运用地质软件对智能勘查接收到的大数据以及施工钻孔的数据影像信息进行计算机分类和处理，并形成地下水和煤层、瓦斯、地层、构造、地应力等子系统；通过岩层某空间点或某剖面、某切面在不同时间点获得的各类信息，进行多信息的反复对比分析，去伪存真；通过对地下水（地下水温/压/质/流速）、地应力、瓦斯等子系统的量化研究，掌握其分布、变化及其相互联系的规律；通过勘查区内钻孔、各方向上密集的地层剖面及若干层析成像，建立并不断校正勘查区地层仿真数学模型，从而掌握勘查区煤层、岩层、地质构造，有效捕获隐伏构造如小型“陷落柱”、矿层厚度变化，减少人为误判，实现精细化的“相对动态”描述，提高勘查地质报告的勘查精度与质量。

3.4 矿区“地质神经网络”

矿区“地质神经网络”是矿区中若干垂向和横向的“神经”结合组成的网络。垂向“神经”是在地勘和补勘时形成的地面和井下的一根根采集动态信息的“智能钻孔”（节点），横向“神经”是矿井采掘进面（头）或正施工钻孔等激发的穿透岩层到达智能钻孔传感器等接收设备的一条条横向动态“地层信息”。这些垂向和横向“神经”与矿区岩层各物质结合，成为矿区时间维度上多参数、多层次、多单元的若干地质神经网络子系统。因此，“地质神经网络”实际就是矿区岩层各物质系统集成的四维动态的综合地质系统。

地质神经网络的组建分为地质勘查时期矿区宏观网络和矿山开采中的采区微观网络，后者是在前者的基础上，在采掘区域和待开拓区域内，从地面和井下加密智能钻孔，包括采掘面（头）的智能地质编录系统，使神经网络的“精细动态描述”达到为采掘提供地质保障的要求。

3.5 智能矿山地质

智能矿山地质是在智能勘查地质和矿区“地质神经网络”的基础上，密切跟踪采掘进面（头）的智能地质编录、补勘钻孔数据影像化地质编录、矿-孔间的智能监测信息，增加矿山开采中形成的地压（支承应力）子系统等，不断修正并完善采掘区域和待开拓区域地层、煤层、地质构造、地下水、地应力、瓦斯等子系统以及集成的综合系统、矿区地质仿真数学模型，实现超前量预测预报。智能矿山地质是开拓设计的实现和采掘（剥）、运输、通风等生产系统的智能化决策的前提条件和可靠的地质安全保障技术；通过VPS 或井间补充勘查，经济有效地实现矿区深部和外围找矿。

比如地下水智能监测子系统的建设，矿区是宏观监测各地下水系统的分布、补径排及含水系统的水文地质参数与动态，采区则是严密监控各地下水系统的相互补给通道（隐蔽导水通道）和局部地下水（水温/压/质/流速）流场的变化趋势，结合地压、构造、地热等子系统的动态变化，能准确地预测预报地下水害并超前经济有效地治理控制，实现安全生产。又如地压神经子系统，先通过水压致裂等方法测量出矿区深部的绝对应力状态，再通过智能钻孔动态监控获得各节点围岩压力变化参数，能及时准确地预报围岩地层压力，解决目前无法准确预测地层压力导致冲击地压、构造煤和瓦斯异常突出等事故。再如煤层神经子系统对煤层内断裂等构造、厚度变化的定量描述是开拓设计、安全高效生产的重要参数。

4 “过程数字勘查技术”实现的理论与实践基础

过程数字勘查技术及其智能钻孔、智能勘查、智能勘查地质、矿区“地质神经网络”、智能矿山地质等系列概念与架构，尽管是本文初次系统提出，但也是在近百年煤田地质勘查经验教训的基础上，在现代科学技术发展的前提下总结和提出的。

过程数字勘查技术涵盖了地质前辈们在水文地质学、地质力学、构造地质学、岩石学、层序地层学、地球物理勘探学、矿山安全，以及系统工程、过程工程、计算数学、信息技术等理论指导下的思考与研究成果。特别是近年来地质学者们对各种新技术新方法的孜孜以求的探索与实践成果，为过程勘查技术的研究奠定了坚实的理论、技术与实践基础。

如井间地震获得高分辨率储层构造形态[8]，槽波地震勘探技术能够有效探测煤层中存在的局部小构造、异常体及煤层厚度变化[9]，瑞利波勘探[10]，矿-孔间槽波成像探查[11]，矿井中岩层微震检测[12]，高分辨率的井间地震层析成像[13]，无线电波透视法即钻孔或坑道电磁波法、直流电法透视比较有效的探测工作面内部隐伏的导水构造、底板含水层的集中富水带[14]，王经明教授成功在500m 以深封闭钻孔中埋设水温和水压传感器的试验。再如：北京慧坤科技有限公司发明的封闭直孔多含水层分层智能观测、中化地质矿山总局开展的钻孔功能扩展科技研究等丰富的实践，以及水温、水压、水质、地层压力、孔中地震与微震检波器等各类地质参数传感器的研发，还有电缆与光纤信号传输，现代通信技术，等等。过程数字勘查技术的成熟是完全可期的。

5 结论

“过程数字勘查技术”是精细动态的地质描述，区别于以定性静态地质描述为主的现行所有地质勘查技术。

“过程数字勘查技术”的各种方法能达到传统方法可能无法实现的动态和智能等目的。“智能钻孔”和“智能勘查”扩展了地勘钻孔功能，实现了地勘工程投资的“增值”；“矿区地质神经网络”为矿山地质保障提供了地层“透视眼”；“智能勘查地质”和“智能矿山地质”改变了过去“一孔之见”、经验推测和以定性描述为主的地质工作模式，大量的“时空”数据和密集剖（切）面，有效提升了资源勘查和矿山开采的地质认识，为地质勘查朝向高度信息化、数字化、综合化和技术集约化发展创造了条件，填补智能地质空白。

当然，过程数字勘查技术的成熟，还有很多的设备要研发、很多的理论要突破、很多的勘查和矿山规定规范要修订。但它切合了国家的大政方针和矿山的迫切需要，随着中国《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的印发，过程数字勘查技术与智能地质的发展也必将迎来春天。