透明地質(zhì)保障技術(shù)構(gòu)建方法-以烏海礦區(qū)為例

谷保澤 ，代振華 ，李明星 ，陳寶輝

（1.國(guó)家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013）

據(jù)《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告（2020）》顯示，截至2019 年底，我國(guó)煤炭探明資源儲(chǔ)量約1.74 萬(wàn)億t，是我國(guó)最豐富的能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的戰(zhàn)略地位[1]。習(xí)近平主席在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上承諾我國(guó)在2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，并爭(zhēng)取在2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，面對(duì)“雙碳”目標(biāo)，煤炭行業(yè)必須走高質(zhì)量發(fā)展之路[2]，以煤礦智能化為標(biāo)志的煤炭技術(shù)革命和技術(shù)創(chuàng)新成為行業(yè)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力?？导t普等[3]界定了煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)涵，具有“三高、三低”特征，其中，“高安全度”要求實(shí)現(xiàn)從“低死亡”到“零死亡”再到“零傷亡”的階梯邁進(jìn)，全面提升煤礦開拓、采掘（剝）、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等過(guò)程的智能化水平。

作為煤礦智能化的技術(shù)支撐，煤炭地質(zhì)保障橫跨煤田勘探、井田劃分、礦井設(shè)計(jì)、開拓掘進(jìn)、安全回采、綜合利用、礦井關(guān)閉等不同階段，貫穿于煤炭工業(yè)的全生命周期，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全高效智能綠色開采的基礎(chǔ)和前提，在災(zāi)害防治、隱蔽致災(zāi)因素探查、煤炭智能開采等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。國(guó)家、行業(yè)和煤炭企業(yè)高度重視煤炭地質(zhì)保障建設(shè)，國(guó)家能源局、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局研究制定的《煤礦智能化建設(shè)指南（2021 年版）》中，智能地質(zhì)保障系統(tǒng)是地下煤礦智能化建設(shè)的重要內(nèi)容；中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)發(fā)布了T/CCS 001-2020《智能化煤礦（地下）分類、分級(jí)技術(shù)條件與評(píng)價(jià)》、T/CCS 002-2020《智能化采煤工作面分類、分級(jí)技術(shù)條件與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》，對(duì)智能地質(zhì)保障系統(tǒng)提出了明確的技術(shù)要求；國(guó)家能源集團(tuán)發(fā)布的《國(guó)家能源集團(tuán)煤礦智能化建設(shè)指南（2021 版）（征求意見稿）》，透明地質(zhì)保障系統(tǒng)單獨(dú)成章，為智能綜采、智能掘進(jìn)、災(zāi)害預(yù)警等提供地質(zhì)基礎(chǔ)。

我國(guó)煤炭地質(zhì)保障技術(shù)從服務(wù)于資源勘查、高產(chǎn)高效礦井建設(shè)、煤礦安全高效生產(chǎn)到服務(wù)于煤炭智能開采，從基礎(chǔ)地質(zhì)勘查工作、GIS 系統(tǒng)到隱蔽致災(zāi)因素探查[4]，在煤礦智能化背景下，要求地質(zhì)保障技術(shù)不僅要在精準(zhǔn)探測(cè)上實(shí)現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新和跨越式發(fā)展，還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)3 層架構(gòu)下的全息透明[5-6]。近年來(lái)，業(yè)內(nèi)對(duì)透明地質(zhì)保障技術(shù)展開展了一系列研究，程建遠(yuǎn)等[7-9]提出了工作面梯級(jí)建模思路，根據(jù)不同開采階段將工作面地質(zhì)透明化劃分為黑箱、灰箱、白箱和透明箱4 個(gè)等級(jí)，通過(guò)逐級(jí)探測(cè)，提高三維地質(zhì)模型的精度，為采煤機(jī)規(guī)劃截割提供了地質(zhì)保障；段建華[10]、程久龍[11]、王季[12]等研發(fā)了隨采隨掘地震技術(shù)與裝備，并將其應(yīng)用于采掘工作面隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素的超前探查，實(shí)現(xiàn)采掘工作面地質(zhì)透明化，保障煤礦的安全開采；馬麗等[13]建成了地質(zhì)信息綜合管理系統(tǒng)及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，成功應(yīng)用于小保當(dāng)一號(hào)煤礦水害事故預(yù)警，準(zhǔn)確率達(dá)98%以上。當(dāng)前，透明地質(zhì)保障技術(shù)取得了一定的應(yīng)用效果，但其技術(shù)水平仍不能完全滿足煤炭智能開采的要求，董書寧等[4]指出當(dāng)前透明地質(zhì)保障系統(tǒng)面臨地質(zhì)條件探測(cè)精度不足、動(dòng)態(tài)地質(zhì)信息監(jiān)測(cè)困難和缺乏統(tǒng)一的地質(zhì)基礎(chǔ)3 個(gè)技術(shù)難題；王國(guó)法[14]指出，目前受地質(zhì)探測(cè)理論、技術(shù)與裝備發(fā)展水平的限制，透明地質(zhì)保障技術(shù)支撐能力明顯不足，主要表現(xiàn)在：地質(zhì)數(shù)據(jù)尚未全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，地質(zhì)探測(cè)技術(shù)的探測(cè)精度和范圍尚難以滿足煤礦智能化建設(shè)要求，地質(zhì)體三維高精度建模技術(shù)有待提升，現(xiàn)有技術(shù)難以建立高精度“透明地質(zhì)”模型，地質(zhì)信息與工程信息尚未實(shí)現(xiàn)融合，地質(zhì)探測(cè)技術(shù)與裝備的智能化程度較低。

透明地質(zhì)保障技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工作面開采地質(zhì)條件和隱蔽致災(zāi)因素的透明化，增強(qiáng)采掘設(shè)備全面自主地感知煤巖界面，提高智能分析與決策、自動(dòng)精準(zhǔn)控制與高效采煤能力，是煤炭安全高效智能開采的迫切需要。筆者以烏海礦區(qū)為例，研究智能探測(cè)、多源數(shù)據(jù)融合、三維地質(zhì)幾何模型和屬性模型構(gòu)建、綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建透明地質(zhì)保障系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)工作面內(nèi)部煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造以及水、火、瓦斯等隱蔽致災(zāi)因素可視化和透明化，為烏海礦區(qū)煤炭智能開采提供地質(zhì)保障，為全國(guó)類似礦區(qū)智能化建設(shè)提供借鑒。

1 烏海礦區(qū)地質(zhì)概況

烏海礦區(qū)主要包括黃河?xùn)|西側(cè)的桌子山礦區(qū)和烏達(dá)礦區(qū)，地層區(qū)劃屬陜甘寧地層區(qū)[15]，行政區(qū)屬內(nèi)蒙古烏海、阿拉善、鄂爾多斯。

1.1 桌子山礦區(qū)

桌子山礦區(qū)包含老石旦煤礦、公烏素煤礦、利民煤礦，主要地層由老至新為奧陶系、石炭系、二疊系山西組、侏羅系、新生界新近系以及第四系。大地構(gòu)造位置處于鄂爾多斯臺(tái)向斜西側(cè)、賀蘭山褶皺帶北端[16]。

該礦區(qū)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，含煤地層總厚度50.30～257.02 m。構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，主要存在2 組斷裂，一組以壓扭性構(gòu)造為主，為逆斷層；另一組以張性構(gòu)造為主，為正斷層或平推斷層[17]。煤層瓦斯含量相對(duì)較低，在采掘過(guò)程中存在局部瓦斯富集現(xiàn)象。主要含水層有第四系松散巖類孔隙潛水含水巖組、碎屑巖類裂隙承壓水含水巖組和奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙承壓含水組；煤系裂隙承壓含水層水和老空水是該礦區(qū)主要的充水水源，部分區(qū)域?yàn)閵W灰水帶壓開采；斷層帶具有一定的導(dǎo)水性，影響含水層之間的水力聯(lián)系[18]。主要煤層含硫量較高，尤以16 號(hào)煤為甚，個(gè)別采空區(qū)發(fā)生過(guò)煤層自燃，煤炭自然發(fā)火期為55～63 d。

1.2 烏達(dá)礦區(qū)

烏達(dá)礦區(qū)屬于賀蘭山煤田，包含五虎山煤礦和黃白茨煤礦，位于阿拉善地塊與鄂爾多斯地臺(tái)之間，屬地塊邊緣凹地煤田[19]。該區(qū)地層區(qū)劃分與華北地層相似，出露地層有青白口系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新近系、第四系等。

沉積環(huán)境是以陸相為主的海陸交互相沉積，主要地層由老至新為石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組以及第四系；含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，共含煤層23 層[20]，平均總厚33.55 m。該礦區(qū)以逆斷層為主，且多呈疊瓦式；正斷層多發(fā)育在本區(qū)南部，并橫切南北向構(gòu)造線；逆斷層多為封閉性斷層，導(dǎo)水性差；褶皺與斷層多近于平行，且相伴出現(xiàn)；背斜地層受斷層影響和長(zhǎng)期侵蝕而殘缺不全；煤礦內(nèi)壓性構(gòu)造兩翼次生節(jié)理裂隙發(fā)育，直接破壞煤層頂?shù)装宓耐暾?。隨著煤變質(zhì)程度與開采深度增加，瓦斯含量有增加的趨勢(shì)；地質(zhì)構(gòu)造直接控制瓦斯賦存與釋放[21]。由于受采掘破壞和采空區(qū)影響，孔隙水、裂隙水、巖溶水以及采空區(qū)積水是主要的充水水源，對(duì)煤層開采威脅程度大。由于礦區(qū)煤種的自身特點(diǎn)和小煤礦的開采，使煤自然發(fā)火燃燒加劇[22]，烏達(dá)礦區(qū)有16 個(gè)火區(qū)，總面積為3.496×106m2。

2 智能探測(cè)技術(shù)

透明地質(zhì)保障是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能系統(tǒng)，利用靜態(tài)地質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建基礎(chǔ)地質(zhì)信息模型，基于實(shí)時(shí)地質(zhì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)礦井地質(zhì)信息的時(shí)空透明化。可見，實(shí)時(shí)地質(zhì)數(shù)據(jù)是地質(zhì)透明化的核心驅(qū)動(dòng)力，其有效獲取至關(guān)重要。目前最具應(yīng)用前景的實(shí)時(shí)地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取手段是以隨掘地震、隨采地震為代表的智能探測(cè)技術(shù)。

2.1 隨掘地震探測(cè)

煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)截割頭截割煤巖體時(shí)會(huì)激發(fā)出震動(dòng)波，波的特性與地震波類似，也稱之為地震波。由于截割頭截割動(dòng)作不固定，震源在波形態(tài)上呈現(xiàn)為隨機(jī)出現(xiàn)的脈沖信號(hào)。信號(hào)以截割部位為中心，不斷向外傳播，其中一部分地震波向著巷道掘進(jìn)前方傳播，若巷道前方存在斷層等具有波阻抗反射界面的地質(zhì)異常體，地震波到達(dá)異常體位置后，會(huì)產(chǎn)生反射波，反射波向著巷道掘進(jìn)后方反向傳播。此時(shí)若在巷道兩幫安裝檢波器，便能接收到反射回來(lái)的地震波，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理接收到的地震波信號(hào)，就能得到巷道超前方向可能存在的地質(zhì)異常分布情況，從而為掘進(jìn)地質(zhì)透明化提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

隨掘地震探測(cè)時(shí)，隨著掘進(jìn)機(jī)截割頭連續(xù)切割煤巖層，此時(shí)的震源特征上呈現(xiàn)為連續(xù)多個(gè)脈沖信號(hào)，其中，單個(gè)脈沖信號(hào)可類比為單次炸藥震源激發(fā)的彈性波。為有效處理隨掘地震信號(hào)，首先要基于互相關(guān)干涉原理，將連續(xù)震源信號(hào)變換為脈沖信號(hào)。某一道信號(hào)關(guān)于頻率ω的諧波分量為：

式中：x為距離；t為時(shí)間；F為頻譜；k為波數(shù)；i為虛數(shù)單位；ω為波頻。

針對(duì)地震信號(hào)r(x0,t0,F)的互相關(guān)函數(shù)γ(x,t,F)表示為：

式中：x0為參考道傳播距離；t0為參考道傳播時(shí)長(zhǎng)；f與f*，F(xiàn)與F*互為共軛復(fù)數(shù)。

具體工程布置時(shí)，一般選擇在工作面后方巷道兩幫安裝檢波器，檢波器間距可設(shè)置15～20 m，探測(cè)距離可以達(dá)到巷道超前方向100～200 m，整個(gè)系統(tǒng)可以隨著巷道的不斷掘進(jìn)向前滾動(dòng)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)與常規(guī)超前探測(cè)手段相比具有以下優(yōu)勢(shì)：①不干擾礦方掘進(jìn)施工；② 不使用炸藥震源，可安全應(yīng)用于高瓦斯礦井；③隨掘隨探，不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)；④ 可以通過(guò)多次疊加提高探查精度；⑤ 可探查構(gòu)造和應(yīng)力異常區(qū)。

隨掘地震探測(cè)結(jié)果為巷道掘進(jìn)工作面前方的實(shí)時(shí)構(gòu)造成像，利用此結(jié)果可為掘進(jìn)地質(zhì)建模提供超前構(gòu)造地質(zhì)信息，也可為掘進(jìn)地質(zhì)預(yù)報(bào)提供地質(zhì)數(shù)據(jù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地質(zhì)建模及構(gòu)造預(yù)報(bào)。

2.2 隨采地震探測(cè)

與前述隨掘地震原理類似，采煤機(jī)在采煤過(guò)程中，截齒截割煤壁時(shí)也會(huì)激發(fā)出地震波信號(hào)。信號(hào)以采煤機(jī)截齒與煤壁接觸位置為中心，向四周傳播。在工作面超前方向兩巷道煤壁上安裝檢波器，接收隨采產(chǎn)生的地震波，若工作面內(nèi)存在影響地震波傳播的地質(zhì)異常體，則檢波器接收到的波形信號(hào)將發(fā)生改變。通過(guò)專用數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)處理信號(hào)，可精確解釋地質(zhì)異常體的位置及范圍信息，并可通過(guò)先進(jìn)的處理和成像手段，對(duì)異常體采用層析成像法進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。針對(duì)矩形探測(cè)區(qū)域，利用矩形小網(wǎng)格進(jìn)行離散，此時(shí)射線走時(shí)為：

式中：ljq為j射線落在第q個(gè)網(wǎng)格范圍內(nèi)的長(zhǎng)度；sq為第q個(gè)網(wǎng)格的慢度；tj0為j射線的發(fā)震時(shí)刻；N為網(wǎng)格總數(shù)。

同理u射線走時(shí)為：

針對(duì)同一炮集的不同射線，tj0=tu0，j和u射線走時(shí)作差為：

當(dāng)存在M條射線時(shí)，可表示為：

當(dāng)同時(shí)反演多個(gè)震源時(shí)：

式中：K為相關(guān)得到的互相關(guān)炮集數(shù)；n為互相關(guān)震源數(shù)。

與槽波地震相比，可避免使用炸藥震源，方便在高瓦斯礦井應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面采煤全周期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)Σ蓜?dòng)影響下工作面內(nèi)隱蔽地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力異常進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成像。

3 地質(zhì)透明化建模

利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)手段，將獲得的零散、孤立的多種地質(zhì)信息集成起來(lái)，結(jié)合隨掘隨采地震等智能探測(cè)結(jié)果，構(gòu)建高精度三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)透明化，支撐煤礦智能化采掘兩條作業(yè)線的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)是海量的多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)，為了有效存儲(chǔ)管理地質(zhì)數(shù)據(jù)，需要構(gòu)建滿足地質(zhì)保障系統(tǒng)需求的數(shù)據(jù)底座?；跀?shù)據(jù)底座，將鉆探、物探、寫實(shí)、觀測(cè)、圖件等各類型礦井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理、分類并數(shù)字化存庫(kù)，有效融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，構(gòu)建多尺度、多屬性三維地質(zhì)模型，如圖1 所示。

圖1 三維地質(zhì)模型構(gòu)建Fig.1 Construction of the 3D geological model

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

針對(duì)地質(zhì)勘探、礦井測(cè)量、地質(zhì)寫實(shí)等獲取的多維度、多結(jié)構(gòu)、多屬性地質(zhì)數(shù)據(jù)，分類采用數(shù)據(jù)過(guò)濾分析、特征分析、數(shù)據(jù)清洗等技術(shù)手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用數(shù)據(jù)級(jí)、特征級(jí)、決策級(jí)相匹配的多級(jí)融合策略，基于數(shù)據(jù)空間配準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多量綱、多尺度屬性融合，繼而輔之以交叉驗(yàn)證和聯(lián)合反演，彌補(bǔ)單一屬性地質(zhì)數(shù)據(jù)精度的不足[23]，從而有效提取煤巖層及構(gòu)造體的幾何要素、屬性特征和構(gòu)造特征，獲取煤巖層深度、厚度數(shù)據(jù)和構(gòu)造產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，為構(gòu)建礦井多尺度三維地質(zhì)模型提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 三維地質(zhì)幾何模型構(gòu)建

三維地質(zhì)建模，第一步是構(gòu)建高精度幾何模型，利用鉆探數(shù)據(jù)、測(cè)井曲線、物探成果、開拓揭露、導(dǎo)線測(cè)量、地質(zhì)寫實(shí)等各類型地質(zhì)數(shù)據(jù)的融合分析結(jié)果，采用專門的煤巖層及構(gòu)造體建模手段，實(shí)現(xiàn)礦井地層、煤層和構(gòu)造幾何形態(tài)信息的模型表達(dá)，主要包含數(shù)據(jù)分析、歸類分層、模型構(gòu)建等步驟。

1）數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是建模工作的核心內(nèi)容，主要是針對(duì)多源數(shù)據(jù)融合后的各類數(shù)據(jù)體進(jìn)行地質(zhì)分析，結(jié)合煤巖層起伏形態(tài)、沖刷帶分布、斷層發(fā)育、陷落柱位置和煤層分叉等各類地質(zhì)構(gòu)造信息，對(duì)要呈現(xiàn)的煤巖層賦存形態(tài)進(jìn)行總體把控；根據(jù)地質(zhì)分析結(jié)果，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范整理所需的基礎(chǔ)建模數(shù)據(jù)體。

2）歸類分層

按照綜合柱狀圖及地質(zhì)報(bào)告中描述的礦井地層賦存規(guī)律，詳細(xì)對(duì)比建模所需的各類數(shù)據(jù)體，聯(lián)合所有鉆孔柱狀，分析建模區(qū)域的整體地層空間層序，對(duì)煤巖層進(jìn)行合理歸類分層，設(shè)計(jì)合理的層序編碼，既能反映主要地層的空間展布，又能兼顧地質(zhì)模型的準(zhǔn)確度。

3）模型構(gòu)建

基于空間地質(zhì)數(shù)據(jù)，采用離散光滑插值算法依照網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的空間拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建地層以及構(gòu)造地質(zhì)模型，將地質(zhì)界面視為離散化的不連續(xù)界面，地質(zhì)點(diǎn)及地質(zhì)勘探等數(shù)據(jù)作為約束條件，通過(guò)在這些約束條件下求解目標(biāo)函數(shù)-全局粗糙度函數(shù)的最優(yōu)解得到符合約束條件的最優(yōu)化地質(zhì)界面。其中，定義三維地質(zhì)離散模型Mb(Ω,B,φ,C)，其中，Ω是構(gòu)成模型的所有節(jié)點(diǎn)；B是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的領(lǐng)域點(diǎn)集；φ是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的b階矢量屬性函數(shù)；C為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的約束。全局粗糙度函數(shù)：

式中：R(φ)為全局粗糙度函數(shù)；ρ(φ)為全局約束違反度函數(shù)；γ為約束因子；為平衡因子。

該算法求解φ實(shí)際就是使函數(shù)R*(φ)為最小，即：

該方法不以空間坐標(biāo)為參數(shù)，是一種不受維數(shù)限制的差值方法[24]。三維地質(zhì)建模過(guò)程總體是在插值算法的基礎(chǔ)上，地質(zhì)信息分析結(jié)果表達(dá)與展示，基于地質(zhì)數(shù)據(jù)分析和歸類分層結(jié)果，合理確定模型邊界，構(gòu)建整套地層的幾何模型；依據(jù)構(gòu)造、采空區(qū)分布信息，創(chuàng)建相應(yīng)地質(zhì)體模型。根據(jù)地層面、井田邊界、斷層構(gòu)造等地質(zhì)要素，建立對(duì)應(yīng)的線框模型；為了兼顧模型精度和計(jì)算量，需要合理劃分建模網(wǎng)格，將已構(gòu)建的層面線框進(jìn)行網(wǎng)格化；合理修正模型面，得到具有較好三維可視化效果的三維地質(zhì)模型。

3.3 三維地質(zhì)屬性模型構(gòu)建

多屬性模型構(gòu)建是透明地質(zhì)保障的關(guān)鍵技術(shù)，基于研究區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害特征，如烏海礦區(qū)，通過(guò)研究水、火、瓦斯等災(zāi)害地質(zhì)規(guī)律與分布特征，構(gòu)建三維地質(zhì)屬性模型，對(duì)實(shí)現(xiàn)災(zāi)害地質(zhì)透明化具有重要意義。

3.3.1 水文地質(zhì)屬性模型

煤礦開采過(guò)程中，地下水可能會(huì)通過(guò)頂?shù)装鍖?dǎo)水通道涌入地下采礦空間，引發(fā)突水事故，造成嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)損失。因此，筆者基于水文勘探和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件，包括充水水源、充水路徑以及礦井涌水量等，結(jié)合孔隙率、滲透系數(shù)和單位涌水量，構(gòu)建水文地質(zhì)屬性模型，通過(guò)含水層、隔水層、采空區(qū)以及其他水文地質(zhì)要素的模型表達(dá)，實(shí)現(xiàn)水害透明化，如圖2 所示。

圖2 水文地質(zhì)屬性模型構(gòu)建Fig.2 Construction of the hydrogeological attribute model

首先，須對(duì)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，將煤礦水文地質(zhì)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一入庫(kù)，包括煤田勘探、礦井建設(shè)、礦井生產(chǎn)中獲取的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)以及勘探成果數(shù)據(jù)等；通過(guò)開發(fā)數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)將煤礦水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和電阻率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入透明地質(zhì)保障系統(tǒng)，主要包括礦井名稱、鉆孔名稱、鉆孔類型、含水層、工作面名稱、巷道名稱、水位、水溫、水壓、微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、電阻率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

而后，基于水文地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行水文地質(zhì)分析，主要包括3 部分內(nèi)容：①充水水源分析，基于礦井水文地質(zhì)條件、主要含水層水位變化情況、水質(zhì)分析，利用礦井沉積、地層巖性、地化環(huán)境、水分析化驗(yàn)、含水層位等數(shù)據(jù)，結(jié)合突水位置及突水特征，分析礦井充水水源，實(shí)現(xiàn)對(duì)常見地表水、煤礦砂巖裂隙水、灰?guī)r水、采空區(qū)積水、老空水、老巷積水、人工挖掘?qū)е碌钠渌w等水源的分析；② 充水路徑分析，根據(jù)地表入滲、頂?shù)装鍘r層富水性、采空區(qū)分布狀況、礦井地質(zhì)構(gòu)造分布特征，結(jié)合井巷工程施工進(jìn)展情況，分析采空區(qū)三帶、斷層、陷落柱、封閉不良鉆孔等充水路徑；③礦井涌水量分析，根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件類型、礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度、礦井開發(fā)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件、礦山疏干排水設(shè)計(jì)、礦井生產(chǎn)能力、防治水措施綜合確定礦井涌水量。

最后，基于水文地質(zhì)數(shù)據(jù)管理和水文地質(zhì)分析的成果，在三維地質(zhì)幾何模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建水文地質(zhì)屬性模型，主要包括含（隔）水層、積水區(qū)、水位、突水點(diǎn)、涌水量等信息，實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)要素的可視化表達(dá)。在采掘過(guò)程中，如果煤礦采用微震、電阻率監(jiān)測(cè)等物探手段，則利用其監(jiān)測(cè)的裂隙發(fā)育和含水異常區(qū)分布，對(duì)工作面頂?shù)装搴瑢?dǎo)水裂隙帶進(jìn)行反演解釋，實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)模型的動(dòng)態(tài)更新，為水害智能地質(zhì)預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確可靠信息。

3.3.2 瓦斯地質(zhì)屬性模型

根據(jù)烏海礦區(qū)瓦斯地質(zhì)條件，筆者提出以下建模思路。

首先，建立包含瓦斯含量、壓力、瓦斯抽采量、瓦斯突出點(diǎn)、動(dòng)力現(xiàn)象、瓦斯異常等瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)；將礦井煤層瓦斯地質(zhì)臺(tái)賬、分煤層瓦斯地質(zhì)圖（含地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度埋深巖性分布等）、礦井與采掘面瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、各采掘面瓦斯抽采數(shù)據(jù)、地面與井下鉆孔瓦斯含量、瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)計(jì)算圖表以及影響煤層瓦斯賦存的煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍘r性、煤層埋深、煤變質(zhì)程度、基巖厚度、巖漿巖等相關(guān)的海量數(shù)據(jù)數(shù)字化入庫(kù)。

而后，基于瓦斯鉆孔以及揭露瓦斯含量、瓦斯壓力、瓦斯涌出量和煤與瓦斯突出等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)，結(jié)合開采工藝、地質(zhì)條件等因素，分析影響瓦斯賦存的地質(zhì)要素和誘發(fā)突出的主控地質(zhì)因素。

再次，結(jié)合瓦斯抽采量、瓦斯含量及壓力變化等參數(shù)，研究采掘過(guò)程中的瓦斯參數(shù)變化規(guī)律及與地質(zhì)條件的關(guān)聯(lián)性，充分考慮到煤層瓦斯賦存區(qū)分布的連續(xù)分布型、分形分布型、構(gòu)造依附型、隨機(jī)分布型以及各種瓦斯運(yùn)移形式等，通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)、收集和記錄取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的瓦斯地質(zhì)參數(shù)，建立瓦斯地質(zhì)模型。

最后，對(duì)開采區(qū)域的瓦斯含量、瓦斯涌出量、瓦斯壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)插值，生成并更新瓦斯地質(zhì)相關(guān)等值線，適時(shí)更新礦井瓦斯地質(zhì)圖。

3.3.3 火區(qū)地質(zhì)屬性模型

由于煤炭自然發(fā)火期短、采空區(qū)遺煤多、漏風(fēng)嚴(yán)重、工作面回撤速度緩慢等條件影響[25]，工作面回撤期間自燃火災(zāi)事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)損失，烏海礦區(qū)老石旦煤礦曾在2015 年發(fā)生井下火災(zāi)事故[26]，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)及正常的生產(chǎn)接續(xù)。為避免火災(zāi)事故發(fā)生，筆者基于礦區(qū)已有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的溫度、氣體濃度等參數(shù)，在三維地質(zhì)幾何模型的基礎(chǔ)上，分析采空區(qū)遺煤、閉墻等信息，構(gòu)建火區(qū)地質(zhì)屬性模型，實(shí)現(xiàn)燒變區(qū)和漏風(fēng)通道的可視化表達(dá)，如圖3 所示。

圖3 火區(qū)地質(zhì)屬性模型構(gòu)建Fig.3 Construction of the geological attribute model of the burning area

首先，須對(duì)火區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，主要指各類傳感器采集的氣體濃度、溫度等數(shù)據(jù)，包括：①束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的采空區(qū)CO、CH4等氣體濃度；② 光纖測(cè)溫系統(tǒng)采集的兩巷道、沿空留巷煤壁溫度；③安全監(jiān)控系統(tǒng)采集的工作面上隅角氣體濃度、溫度；④ 機(jī)電硐室的溫度監(jiān)測(cè)；⑤ 皮帶綜保系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)等。

而后，根據(jù)采空區(qū)遺煤量、開采煤柱等，通過(guò)閉墻內(nèi)外壓差測(cè)量，判斷采空區(qū)是否漏風(fēng)、煤層是否具有氧化條件。

最后，基于氣體濃度、溫度等參數(shù)信息，結(jié)合煤炭自然發(fā)火規(guī)律，在三維地質(zhì)幾何模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建火區(qū)地質(zhì)屬性模型，實(shí)現(xiàn)燒變區(qū)范圍、高程等要素的可視化表達(dá)，并為漏風(fēng)計(jì)算或發(fā)火預(yù)測(cè)提供模型基礎(chǔ)。

4 綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)

透明地質(zhì)保障技術(shù)的根本目標(biāo)是在地質(zhì)透明化的基礎(chǔ)上，為煤炭智能開采提供輔助決策。通過(guò)綜合管理分析，集成全礦井三維地質(zhì)幾何模型、水文地質(zhì)屬性模型、瓦斯地質(zhì)屬性模型、火區(qū)地質(zhì)屬性模型等，進(jìn)行多系統(tǒng)融合顯示[27]，基于煤礦5G 或工業(yè)環(huán)網(wǎng)專用接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控站，打破地質(zhì)與生產(chǎn)要素之間的數(shù)據(jù)滯后和數(shù)據(jù)孤島，將采掘活動(dòng)與地質(zhì)要素相結(jié)合，提高礦井生產(chǎn)的地質(zhì)保障能力。

在三維地質(zhì)幾何模型和屬性模型基礎(chǔ)上，融合隱蔽致災(zāi)因素空間位置、幾何大小、屬性信息及其他關(guān)聯(lián)信息[28]，對(duì)地面三維地震、隨采地震、隨掘地震、孔中物探等屬性空間信息賦予不同的權(quán)重，結(jié)合鉆探以及巷道揭露信息進(jìn)行約束，如下式所示：

式中：εm為某種單一屬性數(shù)據(jù)的空間函數(shù)：am為該種屬性的權(quán)重。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析模型，綜合分析采掘位置與致災(zāi)體空間三維距離關(guān)系，形成致災(zāi)體警戒線、探查線、邊界線等三線立體預(yù)報(bào)機(jī)制，構(gòu)建采掘空間三維立體預(yù)報(bào)體系，自動(dòng)分析計(jì)算采掘位置與致災(zāi)體空間三維距離關(guān)系，形成預(yù)報(bào)信息，實(shí)現(xiàn)采掘地質(zhì)預(yù)報(bào)的自動(dòng)化、智能化，推進(jìn)地質(zhì)保障管理專業(yè)化、系統(tǒng)化、規(guī)范化，發(fā)揮煤礦地質(zhì)災(zāi)害的超前性預(yù)防作用[29]，以提高煤礦綜合地質(zhì)保障能力，提升對(duì)異常地質(zhì)體的預(yù)報(bào)精度，為相關(guān)業(yè)務(wù)人員提供決策輔助。

5 結(jié) 論

a.在常規(guī)勘探數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用隨掘地震、隨采地震等智能探測(cè)獲取實(shí)時(shí)地質(zhì)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)礦井地質(zhì)信息的時(shí)空透明化。

b.礦井三維地質(zhì)幾何模型和多屬性地質(zhì)模型能夠數(shù)字化表達(dá)構(gòu)造、水、火、瓦斯等隱蔽地質(zhì)規(guī)律與分布特征，對(duì)實(shí)現(xiàn)災(zāi)害地質(zhì)透明化具有重要意義。

c.透明地質(zhì)保障系統(tǒng)融合地質(zhì)異常體空間位置、幾何大小、屬性信息等，可提供隱蔽致災(zāi)因素的地質(zhì)預(yù)報(bào)，為煤礦安全高效開采提供智能決策。