煤矿地质透明化典型应用场景及关键技术

程建远，王保利 ，范 涛 ，王云宏 ，蒋必辞

(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710077；2.煤炭科学研究总院有限公司，北京 100013)

0 引 言

煤炭地质工作是煤炭资源勘查、开发、利用全过程中所有地质工作的统称，它包含煤田地质与煤矿地质2个阶段。煤田地质是指煤矿建井阶段之前开展的地质工作，煤矿地质是由建井阶段的矿建地质与生产阶段的矿井地质组成，其中矿井地质是在煤矿建井和生产过程中进行的、直接为煤矿生产服务的地质工作，它的主要任务是查明影响正常生产、开拓和回采的煤层赋存、地质构造、水文地质条件等，研究煤层和围岩中瓦斯赋存规律，掌握煤矿储量变化情况，为矿井安全高效生产提供地质保障服务[1-2]。近年来，透明地质、地质透明化等不断涌现的新概念[3-5]，是煤矿智能开采阶段传统矿井地质工作的延伸和深化，也是由数字地球、透明地球、透明矿山等衍生的热词[6-7]。

1998年，美国前副总统戈尔首次提出了“数字地球”的概念[8]，随后数字矿山、数字煤矿、数字城市等概念在不同行业陆续出现[9-11]；1999年，澳大利亚地质学家Carr等在“数字地球”的基础上，提出了“玻璃地球”的概念，其含义是建立一个横向分区或连片的、多尺度的、数字化的、透明的地壳浅层模型，其中凝聚了所能采集的全部地质空间信息和属性信息[12]；此后，透明地球[13]、透明矿山[14]、智能矿山[15]、智慧矿山[16]等新的名词术语，可以视为“数字地球”“玻璃地球”概念在矿业领域的应用。自从2014年黄陵一矿1001工作面无人化开采首次取得成功以来，我国煤矿开采进入了智能开采的新发展阶段，“透明地质”逐渐得到了采矿专家的高度重视[17]。2017年，袁亮院士率先提出基于透明空间地球物理和多物理场耦合、实现煤炭精准开采的科学构想，这一构想可以视为煤矿“透明地质”的发端[18-19]；2020年，国家八部委联合下发了“关于加快煤矿智能化发展的指导意见”，明确提出构建实时、透明的煤矿采、掘、机、运、通、洗选等数据链条，分级建设智能化平台的总体要求[20]；2021年，王国法院士指出“透明地质”技术对煤矿智能化的保障支撑能力不足，成为煤矿智能化的十大“痛点”之一[21]；同年，国家能源局、国家矿山安全监察局联合颁布的《煤矿智能化建设指南(2021年版)》中，将智能地质保障系统作为重要建设内容，并设置了“透明地质”专栏，提出了“建立实时更新的地质与工程数据高精度融合模型，实现矿井地质信息的透明化”的目标和要求[22]。目前，随着煤矿智能化建设速度的不断加快，“透明地质”“地质透明化”已经成为一个煤矿智能开采领域高频出现的热词。然而，对于“透明地质” “地质透明化”的内涵与外延、应用场景、实现路径、关键技术等，目前尚缺少相关文献的论述[23]。

诠释了煤矿地质透明化的含义，围绕煤矿井下超前钻孔、掘进巷道、采煤工作面3个应用场景，重点阐述煤矿地质透明化的技术背景、目标需求、实现路径、关键技术等，提出分时段、分区段、分层级实现煤矿地质透明化的技术思路。

1 煤矿地质透明化的含义诠释

1.1 煤矿地质透明化的定义

在汉语词典中，“透明”是指物质透过光线的性质或情况，形容透亮和明白；“地质”泛指地球的性质和特征，主要是指地球的物质组成、结构、构造、发育历史以及矿产资源的赋存状况和分布规律等。从狭义上讲，地质体是无法透过光线的，因此“透明地质”只是一种理想境界；从广义上讲，地质体是可以透过物理射线的，如伽马射线、声波、电磁波等，因此在特定条件下地质体是可以透明的。与“透明地质”相对应，“地质透明化”是实现“透明地质”的一个持续、渐进的动态过程；“透明地质”主要突出了地质工作的结果，而“地质透明化”则强调了“地质透明”的过程。从这个意义上讲，煤矿地质工作的最终目标是实现“透明地质”，其实现路径是通过多种手段达到“地质透明化”的过程。

迄今为止，“地质透明化”尚无明确的定义。在逻辑学中，定义是通过一个概念明确另一个概念内涵的逻辑方法，定义是由被定义项、下定义项和定义联项3部分组成的，其中“被定义项”是其内涵被明确的概念，如“地质透明化”；“下定义项”是用来确定被定义项内涵的概念，如“地质透明化”的内涵与外延；“定义联项”是下定义项和被定义项之间的逻辑联系。定义要揭示“被定义项”的本质特征，“下定义项”的内涵和外延应与“被定义项”相等[24]。下定义的方法有:①属加种差定义法；②语词定义法，即揭示标志概念的语词意义的定义。这里，以语词定义法给出煤矿地质透明化的定义如下：煤矿地质透明化是利用多种手段开展地质信息采集，并与采掘工程信息相互融合，构建三维地质模型，从而为煤矿生产提供超前地质预测预报的动态过程。

1.2 煤矿地质透明化的内涵

概念的内涵是指一个概念所反映的事物的本质属性的总和，煤矿地质透明化的内涵是指在不同时间、不同空间、不同精度条件下煤矿地质工作的内容以及目标。

在煤炭资源勘查、煤矿设计、建井、开拓、掘进和采煤等不同阶段，煤矿地质透明化的内涵各不相同。在煤炭资源勘查阶段，煤田地质工作的内容是查明含煤盆地的地层结构、岩性分布、煤层层数、煤层厚度、地质储量、大中型构造发育等地质条件；在煤矿设计阶段，煤田地质工作的内容是查明影响采区划分的地质构造、煤层变化、水文地质条件、工程地质条件、瓦斯含量以及影响开采的岩浆岩、火烧区、陷落柱等灾害地质条件；在煤矿建井阶段，建井地质工作要求系统编录所揭露的地质信息，及时预报施工过程中的地质问题，为移交生产做好准备；在大巷开拓阶段，矿井地质工作要求超前查明潜在的隐蔽致灾地质因素，因为大巷的标高、走向、坡度不能轻易调整；在煤巷掘进阶段，矿井地质的目标是超前探明掘进巷道前方的煤层起伏、厚度变化等几何信息以及断层、陷落柱、瓦斯、采空区等隐蔽致灾因素信息；在工作面回采阶段，矿井地质的目标是预先查明采煤工作面前方的煤层赋存、地质构造等，同时要监测采掘扰动条件下动力地质灾害的孕育演化等。

因此，煤矿地质透明化在煤矿不同生产阶段被赋予不同的地质内涵，它不是一个空泛的、静止的、固化的概念，而是一个具体的、发展的、动态的工作过程，其评判标准是以能否满足某一生产阶段的地质需求作为依据的。由于煤矿生产活动是动态的、递进的，这就要求地质透明化能够实现适时的动态透明、渐进的局部透明和适配的透明度，即在时间上应该是适时的、动态的，无需过于超前；在空间上应该是局部透明、渐进透明，无需一次性达到矿井透明；在透明程度上是有限的、渐进的，以满足不同生产阶段的地质需求为目标。

1.3 煤矿地质透明化的外延

概念的内涵代表了事物的属性，概念的外延反映了具有特有属性的事物的范围；内涵与外延总体呈现此消彼长的互补关系，概念内涵越丰富则其外延越具体。因此，从煤矿生产的空间、时间和透明度3个维度出发，煤矿地质透明化的外延可以按照煤矿生产在时空上的应用场景来表达，即超前钻孔地质透明化、掘进巷道地质透明化、采煤工作面地质透明化、煤矿采区地质透明化、井田范围地质透明化等，这就是煤矿地质透明化的外延范围。具体内涵如下：

1)超前钻孔地质透明化：在巷道掘进前，利用钻探与物探“两探”融合的思路，纵向由钻探控制、径向由物探扫描，形成一个钻孔“线状”地质透明化的脊线。

2)掘进巷道地质透明化：在巷道掘进过程中，利用“长掘长探”“随掘随探”等技术开展动态跟踪探测，对异常区实施钻探验证，形成掘进巷道“束状”地质透明化的条带。

3)采煤工作面地质透明化：在工作面回采前，采用槽波地震、音频电透视等技术对工作面静态地质条件开展探测；在工作面回采过程中，开展随采地震、随采电法、微震监测、水文监测、应力监测等对动力地质灾害进行监测预警，形成采煤工作面“带状”地质透明化的区域。

4)煤矿采区地质透明化：随着超前钻孔、掘进巷道、采煤工作面等所获地质信息的不断增加，接续工作面开采地质条件愈加透明，形成煤矿采区“片状”地质透明化的块段。

5)井田范围地质透明化：在煤矿采区地质透明化的基础上，将地形、地层、构造、巷道、设备等多源异构信息加以融合，在统一地理坐标系下构建三维地质模型，形成井田范围“面状”地质透明化的区域。

限于篇幅，围绕超前钻孔、掘进巷道与采煤工作面三大场景的地质透明化，重点对不同场景地质透明化的背景条件、实现路径和关键探测技术展开叙述。

2 煤矿地质透明化的应用场景

2.1 超前钻孔地质透明化

钻孔地质透明化是指通过钻探描述、钻孔测量、钻孔成像和钻孔物探等手段，实现钻孔纵向不同深度、径向一定范围内煤岩层界面、地质构造、地质灾害等地质透明化的过程。

2.1.1 背景分析

钻探作为一种最重要的地质探测手段，在煤矿地质构造、地质异常体探测和储量计算、灾害探查与治理等方面应用广泛，煤矿井下钻孔的类型、数量较多。从工程用途上分，煤矿井下钻孔包括地质孔、探放水孔、瓦斯抽采孔、消突钻孔、卸压孔、防尘孔等；从施工层位上分，包括顺煤层孔、顶板孔、底板孔、穿层孔等；从成孔工艺上分，包括定向钻孔、非定向孔。以煤与瓦斯突出矿井为例：采掘前需要施工底板穿层孔以掩护煤巷掘进，煤巷掘进阶段需要施工超前泄压孔以确保安全掘进，而在工作面形成后、回采前需要在工作面内部施工抽采卸压孔，以达到瓦斯压力小于0.74 MPa、含量小于8 m3/t的安全回采要求(图1)；对于一个走向长度2 000 m、倾向宽度200 m的工作面，暂不考虑到底板岩巷的穿层孔、煤巷掘进的超前孔等，仅以工作面采前瓦斯抽采钻探工作量估算：设两条顺槽按照钻孔间距2 m、钻孔深度110 m、两巷对穿的作业方式，则需要施工钻孔2 000个、钻探进尺22万m。

图1 煤矿钻孔分布示意Fig.1 Schematic of borehole distribution in coal mine

尽管煤矿井下钻孔数量、钻探进尺较大，但是以前的钻探施工仅服务于单一的工程目的，例如超前探放水、瓦斯抽采、超前卸压等，缺乏“一个钻孔就是一项工程”的系统思维，也缺少从地质透明化角度思考“一孔多用”等[25-26]。实际上，如果每个钻孔能够实现地质透明，并将钻探与物探融为一体，钻孔纵向依靠钻探控制、径向利用物探覆盖，则能够实现钻孔“线状”地质透明化。

2.1.2 实现路径

煤矿井下超前钻孔地质透明化的实现路径，主要包括4个步骤：

1)钻孔测量：在钻机开孔前，对钻孔位置、高度、方位角、倾角、层位等参数进行测定，确保施工钻孔参数达到设计要求；在钻进过程中，利用MWD随钻测量系统或钻孔轨迹测量仪，测定钻孔的空间轨迹[27]。

2)钻探描述：在钻机施工中，记录钻孔的深度、变径、返渣、泥浆漏失量、钻机给进力、转速、扭矩、起拔力、泥浆泵压以及出水点、出水量、封孔长度等，采用岩屑录井方法初步判层。

3)钻孔成像：钻孔完钻后，采用高清摄像头对孔内情况进行显示，录制孔内图像，通过对孔壁视频图像分析，判断岩性、构造与穿层情况。

4)钻孔物探：钻孔封孔前，利用钻孔伽马[28]、钻孔雷达[29]、钻孔瞬变[30]、孔间透视[31]等钻孔物探技术，对钻孔径向30 m范围内地层、构造、含水性等开展远探测，从而形成一条沿钻孔轨迹延伸、径向扩展的钻孔“线状”地质透明化的脊线。

2.1.3 关键技术

在钻孔地质透明化过程中，钻探描述、钻孔测量、钻孔成像等技术比较成熟，钻孔物探包括钻头前方探测(简称“前探”)和钻孔径向远探测(简称“远探”)2项新技术，其中“前探”主要服务于地质导向定向钻进，钻孔地质雷达[32]、钻孔瞬变电磁探测技术[33]是实现钻孔径向“远探”的核心技术，可以实现钻孔径向的分层定厚、构造探测以及富水区探测等[26]。

笔者针对钻孔物探的开孔定向、钻孔成像2项技术加以阐述。

1)开孔定向技术。钻孔设计的开孔位置、高度、倾斜角、方位角和孔深等参数中，开孔位置与高度由地测人员现场确定并测量记录，倾角参数在开钻前易于测量和校准，钻孔深度在不要求实时连续记录情况下能够以加装钻杆的长度累加方式获得；钻孔开孔的方位角测量方法与误差问题以往经常被忽视，一些煤矿采用地质罗盘地磁测量的方式现场测量钻孔方位角，经常造成10°～20°的测量误差，因为在钻场强铁磁干扰环境下地质罗盘的指北针容易被磁化[34]，而钻孔开孔方位角如同“瞄准镜”的准星，“失之毫厘，差之千里”。

由于煤矿井下钻场周围存在强铁磁干扰，在这种复杂工况条件下，基于地球自转加速度测量的惯性陀螺测量技术，以陀螺及加速度计等惯性传感器为基础进行姿态测量，实现钻孔开孔方位角、倾角的高精度测量[35]。如光纤陀螺的动态航向精度达到了±0.2′、静态稳定时间小于1 min、动态稳定时间不大于4 min、寻北精度0.056°，反应时间不到5 min[36]。

2)钻孔成像技术。钻孔成像技术是将高清摄像头和自适应广角镜头安装到成像探管中，然后将成像探管送入孔内，拍摄孔壁四周全景图像，并通过电缆将视频图像传送到孔口监视器，地质人员可以实时观看孔壁四周的图像；同时，摄像机录下整个检测过程的图像，也可将某一深度图像以照片传输到主机，用于分析钻孔内部的煤岩界面、井壁地层裂隙及岩溶发育情况等(图2)。

钻孔成像仪一般与钻孔深度记录仪、钻孔测斜仪、自然伽马等测量探管同时入孔，以便于开展视频信息与探测数据的联合分析。

2.1.4 应用案例

受客观因素限制，煤矿井下钻探施工难以采取地质岩心。为综合判断钻孔中煤岩界面的位置，某矿开展了钻孔轨迹测量、钻孔成像、钻孔伽马、钻孔雷达等钻孔物探工作。17.5 m和25.5 m处钻孔成像的结果如图2所示，可以看到孔内煤渣及孔壁、孔径的变化情况；该孔在35 m附近钻孔伽马发生突变,在34 m附近钻孔雷达反射强度明显变弱，如图3所示，据此综合判断34～35 m出现煤岩分界面，后续井下工程证实了这一判断。

图3 钻孔伽马与钻孔雷达探测成果解释Fig.3 Interpretation of borehole gamma and borehole radar detection results

2.2 掘进巷道地质透明化

掘进巷道地质透明化是指通过掘进前、掘进中的地质超前探测，超前查明掘进巷道前方、侧帮及顶/底板一定范围的地质条件，构建掘进巷道地质模型，为巷道掘进提供动态地质预报的过程。

2.2.1 背景分析

据统计：2012—2019年全国煤矿事故统计分析中，发生在掘进工作面的瓦斯、水害、顶板等较大及以上事故占比分别达到48.9%、58.6%和27.7%，掘进工作面地质条件不清是造成上述事故的主要原因；全国煤矿井下掘进巷道工作量超过12 000 km/a，掘进速度慢与掘进前方地质条件不透明息息相关。

煤矿井下掘进巷道地质透明化的任务为：①查明煤层的空间赋存形态，如煤层起伏、煤厚变化、地质构造等，形成一个高精度掘进地质剖面，以利于掘进巷道的优化设计，尽可能避免由于地质条件不清给巷道掘进造成的不利影响；②查明掘进巷道前方潜在的隐蔽致灾地质因素，包括断层、陷落柱、老空区、火烧区、岩浆岩侵入区及富水异常区等，保障巷道安全掘进；③尽可能加大超前探测的距离，减少与掘进设备在时间、空间上的冲突等，最终形成一个以掘进巷道中线为基线的“束状”地质透明化范围。

2.2.2 实现路径

煤矿井下掘进巷道地质透明化的实现路径，主要包括以下步骤：

1)预测地质剖面。在采区划分之后，采区采煤工作面的开采方法、设备选型、走向长度、倾斜宽度以及预留煤柱、运输巷道、回风巷道等设计参数已经初步确定。这一阶段已有的地质资料包括地面钻探、物探资料和井下邻近采区、工作面和开拓巷道的地质资料。为优化掘进设计，利用前期的地质、物探资料，特别是三维地震资料，结合相邻工作面、上下层位已掘巷道揭露的地质情况分析，绘制掘进巷道预测地质剖面图，但其精度相对偏低。

2)预报地质剖面。在巷道正式掘进之前，一般采用“物探先行、钻探验证、综合探测”的方法开展超前探测，查明掘进巷道前方、巷道两帮外围15～20 m的煤层变化与隐蔽致灾地质因素情况等，从而为巷道快速掘进提供高精度的地质预报。“长掘长探”“探钻一体”“掘探协同”等新技术与新装备，可以把定向钻进的“长距离、分支孔”优势和钻孔物探的“近距离、高精度”特点完美地融为一体，在此基础上结合三维地震资料地质动态解释技术，形成高精度的掘进巷道地质预报剖面，从而为安全高效快速掘进提供地质保障[37]。

3)实测地质剖面。掘进巷道预测地质剖面和实际揭露情况可能仍有偏差，需要开展已掘巷道顶底板岩性、煤厚变化、小构造发育等地质情况写实，为三维地震资料地质动态解释、掘进巷道地质透明化建模提供“硬数据”；同时，采用随掘随探技术开展掘进巷道前方100～150 m高精度动态实时探测；采用反射槽波探测技术，实现掘进巷道侧帮方向的地质探测；采用地质雷达、激光扫描等技术，实现掘进巷道的高精度地质建模等。

可见，在巷道掘进阶段，通过时间、空间上多种手段的灵活运用，开展掘进巷道的煤层赋存、地质构造、灾害地质体等超前精细探测和动态地质建模，可以形成掘进巷道“束状”地质透明化的条带。

2.2.3 关键技术

1)长掘长探技术。利用煤矿井下先进的定向长钻孔施工技术，通过在掘进巷道后方或侧方预设钻场，利用千米定向钻机在掘进前超前施工深度600～1 000 m的顺煤层定向长钻孔；在定向长钻孔中，采用钻孔瞬变电磁等技术与装备，实现钻孔径向半径不少于30 m范围内富水区、地质构造的远距离超前探测[26]。在此基础上，编制掘进巷道前方的地质预测剖面，以优化掘进巷道设计。

2)随掘随探技术。在掘进巷道后方提前安置地震传感器，利用掘进机截割煤壁时产生的震动信号，实时接收地震波在遇到断层、陷落柱、采空区等异常时产生的反射波；随掘地震信号通过光纤环网实时传输到地面处理中心后，利用专用处理软件开展大规模的并行计算，动态生成掘进巷道前方地质构造的成像结果，可以满足快速掘进对超前探测精度、速度要求[38-40]。

对于受底板承压水威胁的掘进巷道而言，还需采用长距离定向钻孔的瞬变电磁探测技术，对掘进巷道底板导水通道进行超前探查，以确保巷道安全快速掘进[41]。

3)反射槽波探测。在煤层中激发的地震波当入射角达到临界角后，地震波发生全反射，随后沿煤层传播形成槽波。槽波在传播过程中，如果煤层稳定则槽波一直沿煤层传播，形成透射槽波；反之，如果槽波传播过程中遇到煤层发生变化(如断层、陷落柱、煤厚突变等)，则槽波会发生反射、散射等。通过对反射槽波的处理成像和地质解释，可以对采煤工作面内部构造进行超前探测。

2.2.4 应用案例

山西某矿掘进工作面侧帮反射槽波构造探测实例如图4所示。该工作面煤层厚度为2.00～3.70 m，平均煤厚3.26 m，煤层倾角为6°～10°，平均为8°，工作面倾向宽220 m，在工作面下巷每10 m布设检波点与炮点，向上巷方向进行反射槽波探测。图4b巷道侧帮反射槽波解释的断层，与下巷平均距离109 m，后经探巷在112 m 处实际揭露断层，与槽波解释结果平面位置偏差仅3 m；断层走向190°，与反射槽波解释推断结果基本一致[42]。

图4 侧帮反射槽波示意与侧帮反射槽波实例Fig.4 Schematic of reflected in-seam waves on side wall and example of side wall detection

2.3 回采工作面地质透明化

回采工作面地质透明化是指通过采前静态探测、采中动态探测与实时监测，融合回采揭露的地质信息，构建三维动态地质模型，实现采煤工作面“条带”地质透明化的过程。

2.3.1 背景分析

回采工作面是煤矿地质透明化的关键应用场景。在回采前，运输巷、回风巷与开切眼3条巷道已经完成掘进，形成了局部“束状”地质透明化的区域，只是回采线前方仍未达到地质透明的程度，特别是开采扰动围岩破坏条件下的动力地质灾害。

采煤工作面地质透明化的任务是：①超前查明影响安全回采的静态地质条件，如断层、褶曲、陷落柱、煤厚、夹矸、顶底板岩性等变化；②预测预报开采过程中动力地质灾害的孕育、发展、发生等过程，如底板突水、顶板透水、断层滑移、陷落柱活化、煤与瓦斯突出、冲击地压等；③构建高精度三维地质透明模型，将地质数据与工程数据的动态融合，实现基于透明地质“数据驱动”的智能化开采。

2.3.2 实现路径

在回采前、回采中，回采工作面地质透明化的目标，需要通过采前静态探测、采中随采探测和实时监测等综合手段来实现[43-44]。

1)采前静态探测。槽波地震探测以及音频电透视等采前地质探测手段，均是在回采工作面形成后、回采前开展的。在回采工作面形成后，开展透视槽波、反射槽波数据的采集、处理与联合解释，实现回采工作面静态地质条件的采前精细探测；同时，为了超前探查煤层底板承压含水层的突水隐患，采用音频电透视技术开展工作面底板电法CT扫描，发现隐患部位以提前进行注浆治理，防止在回采过程中由于底板出水而导致工作面停采问题的发生。但是，这些技术手段的数据采集是静态的、一次性的，同时受探测范围、距离的限制，无法完全满足回采工作面地质透明化的需求。

2)随采动态探测。采煤机在截割、切削煤壁时对煤体产生强烈的扰动，进而诱发地震波在煤层中传播，地震波在煤层中传播时出现透射、反射、折射和衍射等，利用随采地震技术实时接收地震波场信息，通过工业环网将随采地震监测信息实时传输到地面处理中心，经过地震波场分析、信号提取、层析反演、动态叠加、偏移成像等处理流程，可以动态生成采煤工作面前方100 m范围内地质构造和地震波速度的成像结果，为采煤机规划截割提供高精度地质构造探测信息[45]。

3)采中实时监测。采煤工作面开采前，其内部是处于静态的、稳态的煤岩地质体；开采扰动后，采场应力分布发生变化，出现顶板垮落、底板变形、裂隙带发育等应力动态变化、裂隙结构演化破坏，一些不良地质体如断层、陷落柱等发生位移、活化、局部应力异常集中等，威胁采煤工作面的安全回采。为此，工作面回采过程中必须开展动力地质灾害的监测预警。

微震监测技术可以动态监测工作面顶板、底板围岩变形破坏过程中诱发的微地震前兆信息，通过对岩石破裂点的动态定位和微震监测大数据的分析，反演裂隙带的发育高度或深度及其与承压含水层间距的动态变化，为开采安全提供监测预警信息。但是，微震监测只是提供了岩石破裂的空间信息，不能预测裂隙带在发育过程中是否演化为导水通道，煤矿井下电法监测技术可以对含水层承压水是否沿裂隙通道递进导升的演化过程进行动态监测。水文监测、微震监测、电法监测等动态监测数据的融合处理和集成分析，是实现采煤工作面开采过程中动力地质灾害监测预警的技术途径[46-48]。

2.3.3 关键技术

1)随采地震探测。随采地震探测原理与槽波地震类似，区别在于随采地震是以采煤机割煤时产生的震动作为震源，通过在采煤工作面两巷道布设地震传感器实时接收信号，利用随采地震数据动态处理和叠加成像技术，实现断层、陷落柱、变薄区等静态地质条件的精细探测，以及破碎带、应力集中区、突出危险区等动态灾变条件的监测预警。

以走向长度2 100 m×倾斜长度200 m的采煤工作面为例：设采煤机截割深度0.7 m、平均运行速度4 m/min、每天6刀，则采煤工作面每割一刀需要50 min、共需截割3 000刀、500 d回采完毕。随采地震探测按照每条巷道检波点间距10 m、36道接收、每0.5 min为一个震源子波的提取周期，则采煤机每割一刀相当于获得了100个共炮点记录、7 200条地震射线，工作面内部的射线最高覆盖次数可达30万次，随采地震大数据对于人工槽波地震几乎是不可思议的，它是采煤工作面地质透明化的核心技术。

某矿61304工作面随采地震动态探测成果如图5所示，其中图5a为1 d截割6刀的随采地震成像结果，图5b为30 d采煤的随采地震叠加图像，其叠加次数高达8万次，动态探测的大数据叠加成像结果给出了采煤工作面前方300 m左右存在一个明显的地质异常体，且其规模和尺寸较大、边缘轮廓清楚，而随采地震1天成像结果仅仅显示存在一个很小的异常。实际验证情况表明：该异常区为多组小断层的密集带，断层落差0.5～1.8 m，断层破碎带被宽大、松散的白色方解石充填，漏顶严重。30 d随采地震结果圈定的异常，与回采揭露情况高度吻合。

图5 随采地震1 d与30 d动态探测数据成像结果对比Fig.5 Comparison of imaging results of 1 d and 30 d dynamic detection data of seismic prospecting while mining

2)随采电法监测。采煤工作面在回采过程中，围岩的应力平衡被打破，开采线后方的煤层顶板出现垮落带、裂隙带和弯曲变形带，煤层底板的破坏带、裂隙带发育；而开采线前方的煤体产生局部应力集中，并沿着停采线方向应力逐渐恢复正常；随着时间的推移，后方采空区逐渐压实，围岩应力达到再平衡。在煤层覆岩运动与应力迁移这一动态变化过程中，煤层顶底板的构造薄弱带(如断层、陷落柱、裂隙)有可能发生活化，进而诱发底板突水、冲击地压等动力地质灾害的发生。对于这种时变的地质灾害，静态探测技术无能为力，只能采用随采监测技术加以实现。

随采电法监测技术通过在采煤工作面回风巷/运输巷或煤层底板定向长钻孔中，超前布设发射电极和接收电极，采用回风巷某一点供电时、运输巷所有接收电极全部接收，然后自动切换到下一发射点供电；待回风巷所有点完成发射后，运输巷的接收点自动变为发射点，由运输巷的发射点逐一供电，而回风巷的所有电极全部变为接收点。完成一个周期循环后，利用专业处理软件进行视电阻率成像，发现异常及时预报；如此循环往复，可以实现垂向导水裂隙带发育情况和含水层水体运移状态的实时监测，判断工作面回采过程中底板是否存在突水风险，直到工作面完成回采。

2.3.4 应用案例

某矿61304采煤工作面处于带压开采区域。在工作面回采前，地面三维地震、井下槽波探测和底板音频电透视成果均发现工作面开切眼附近存在一个地质异常区，并进行了煤层底板地面区域注浆加固。为动态监测底板异常区治理效果，确保工作面的安全回采，在后续井下底板注浆钻孔中布设电极，对异常区域在开采扰动条件下的动态变化进行监测预警。图6给出了煤层底板孔间电法连续3 d的监测结果。可以看出：第3天在回采线中部煤层底板出现了一处低阻异常(1号异常)，结合微震定位结果分析，该异常深度在0～25 m范围，是煤层底板裂隙带局部充水所致，并未导通奥灰含水层。目前，61304工作面已实现安全回采(图6)。

图6 煤层底板随采电法时移电阻率监测结果Fig.6 Time-lapse resistivity results of electrical monitoring while mining in coal seam floor

综上所述，煤矿井下超前钻孔地质透明化(“线状”)、掘进巷道地质透明化(“束状”)和回采工作面地质透明化(“带状”)，三者在时间上是顺序接续的、在空间上是逐级递进的、在透明度上是渐次透明的。在此基础上，随着采掘范围的不断增加，煤矿采区地质条件将持续透明，最终整个矿井不断趋于地质透明。因此，煤矿地质透明化是分时段、分区段、分层级、差异化的，是不断满足煤矿生产需求的动态地质工作过程。

3 煤矿地质透明化的概念辨析

3.1 地质透明化与可视化

煤矿地质可视化的概念由来已久，地质透明化的概念提出以后，一些人将“可视化”等同于“透明化”，认为“可视”就是“看得见”，既然“看得见”当然就是“透明体”。实际上，这种认识是片面的。地质可视化只是地质透明化的重要组成部分，因为地质透明化不仅包含精准探测、动态监测、三维建模、可视化显示、预测预报、协同控制等内容，而且是地质资料数字化、信息化、知识化、可视化的综合展示。以往所谓的“地质可视化”，只是对已经采掘揭露空间的“可视化”显示，而对尚未采掘的区域是“模型化”的，无非是将抽象的、不可见的地质体，借助于计算机信息技术加以显示而已。简单来说，以往所谓的“地质可视化”就是借助计算机的空间信息显示技术，达到“看见你能看见的”目标；而真正意义上的“地质透明化”，则除了具备地质可视化的上述功能之外，还需具备借助于地球物理技术“透视”尚未采掘的区域，以实现“看见你所看不见的”的目标。

因此，煤矿地质透明化的内涵应该包括地质信息采集、地质信息融合、地质模型构建、三维显示以及三维模型应用等基本特征，它与地质可视化是截然不同的2个概念。

3.2 透明地质与透明矿井

目前，我国煤矿智能化建设的速度明显加快，一些煤矿提出要建设“透明矿井”。实际上，透明矿井不但包括地面的构建物、地形地貌、地下的井巷空间与设备等可见的实体，还应该包括地下地层、构造等隐蔽的地质体；前者依靠现有技术装备手段能够一次性实现“透明”，而后者则只能依靠探测手段实现局部透明、适时透明、渐进透明。如果煤矿在设计阶段实现地质透明，那将是不可思议的，也不具备技术和经济的合理性。

通过实现超前钻孔地质透明化、掘进巷道地质透明化、回采工作面的地质透明化，进而达到采区地质透明化、井田地质透明化以至于矿区地质透明化的逐级演进，随着钻孔“线状”、巷道“束状”、采面“带状”、采区“片状”、井田“面状”的逐渐地质透明，最后矿区规模才能趋于地质透明。从这个意义上讲，“透明地质”是“因”，“透明矿井”是“果”，透明矿井是透明地质的最终结果，所谓基于“透明矿井”的智能开采是不切实际的。

3.3 静态探测与动态监测

改革开放40多年来，煤矿地质保障技术最突出的进步是煤矿采区三维地震与地面瞬变电磁、煤矿井下槽波地震与矿井瞬变电磁等物探技术的发展成熟，以及煤矿井下定向钻进技术与装备的推广应用。地面与井下、物探与钻探技术装备的进步，为超前查明煤炭资源的赋存情况、煤矿开采隐蔽致灾地质因素等发挥了重要的作用，支撑了煤炭资源安全高效开采。应该看到：传统的煤矿地质保障技术主要是在煤炭资源开采前进行的，是在煤层未发生扰动条件下的静态探测手段，其对于伴随煤炭资源开采出现的动力地质灾害难以应对，如底板突水、断层滑移失稳、陷落柱活化、冲击地压、煤与瓦斯突出等；另一方面，煤矿智能化对地质透明化探测精度提出了新的更高的要求，传统技术手段难以达到其精度要求。

对于煤矿开采扰动条件下围岩变形与覆岩破坏以及由此诱发的各种动力地质灾害而言，只有通过分布式布设各类传感器、开展连续性数据采集、实施动态化处理解释，对动力地质灾害加以监测预警，才能实现煤矿智能开采地质条件的全面感知。毫无疑问，利用微震监测、电法监测、水文监测、应力监测、矿压监测、瓦斯监测等多种监测手段，可以方便地获得采掘空间的大数据信息，通过大数据的处理、分析、解释与采掘工程反馈，不断优化预测预报模型，将是今后提升煤矿安全生产水平和智能化生产程度的必由之路。

4 结 语

1)煤矿地质透明化是煤炭资源安全高效智能开采的基础和前提，应该按照煤矿不同生产阶段的地质需求可以分时段、分区段、分层级加以动态实现。

2)依托静态探测、动态探测和实时监测等核心技术，在煤矿井下超前钻孔、掘进巷道和回采工作面等不同应用场景地质条件的局部透明、动态透明和适时透明的基础上，递进实现“煤矿采区-井田范围-矿区规模”的地质透明化，才能逐步逼近“透明矿井”的最终目标。

3)煤矿地质透明化应该充分发挥长掘长探、随掘随探、随采随探、微震监测、电法监测、水文监测等新技术与新装备的独特作用，依托大数据分析优势，以提高煤矿采掘扰动条件下灾变信息地质透明化的精度。

总之，煤矿地质透明化是一个长期的、动态的地质工作过程，应该按照“一矿一策”“一面一策”的思路，不能搞“一刀切”，也不可能一蹴而就，应该结合煤矿生产需求和地质条件，制定有针对性的实施方案，从而为煤炭资源安全高效智能绿色开采提供可靠的透明地质保障。