煤礦地質透明化典型應用場景及關鍵技術

程建遠，王保利 ，范 濤 ，王云宏 ，蔣必辭

(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)

0 引 言

煤炭地質工作是煤炭資源勘查、開發(fā)、利用全過程中所有地質工作的統(tǒng)稱，它包含煤田地質與煤礦地質2個階段。煤田地質是指煤礦建井階段之前開展的地質工作，煤礦地質是由建井階段的礦建地質與生產(chǎn)階段的礦井地質組成，其中礦井地質是在煤礦建井和生產(chǎn)過程中進行的、直接為煤礦生產(chǎn)服務的地質工作，它的主要任務是查明影響正常生產(chǎn)、開拓和回采的煤層賦存、地質構造、水文地質條件等，研究煤層和圍巖中瓦斯賦存規(guī)律，掌握煤礦儲量變化情況，為礦井安全高效生產(chǎn)提供地質保障服務[1-2]。近年來，透明地質、地質透明化等不斷涌現(xiàn)的新概念[3-5]，是煤礦智能開采階段傳統(tǒng)礦井地質工作的延伸和深化，也是由數(shù)字地球、透明地球、透明礦山等衍生的熱詞[6-7]。

1998年，美國前副總統(tǒng)戈爾首次提出了“數(shù)字地球”的概念[8]，隨后數(shù)字礦山、數(shù)字煤礦、數(shù)字城市等概念在不同行業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)[9-11]；1999年，澳大利亞地質學家Carr等在“數(shù)字地球”的基礎上，提出了“玻璃地球”的概念，其含義是建立一個橫向分區(qū)或連片的、多尺度的、數(shù)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[12]；此后，透明地球[13]、透明礦山[14]、智能礦山[15]、智慧礦山[16]等新的名詞術語，可以視為“數(shù)字地球”“玻璃地球”概念在礦業(yè)領域的應用。自從2014年黃陵一礦1001工作面無人化開采首次取得成功以來，我國煤礦開采進入了智能開采的新發(fā)展階段，“透明地質”逐漸得到了采礦專家的高度重視[17]。2017年，袁亮院士率先提出基于透明空間地球物理和多物理場耦合、實現(xiàn)煤炭精準開采的科學構想，這一構想可以視為煤礦“透明地質”的發(fā)端[18-19]；2020年，國家八部委聯(lián)合下發(fā)了“關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見”，明確提出構建實時、透明的煤礦采、掘、機、運、通、洗選等數(shù)據(jù)鏈條，分級建設智能化平臺的總體要求[20]；2021年，王國法院士指出“透明地質”技術對煤礦智能化的保障支撐能力不足，成為煤礦智能化的十大“痛點”之一[21]；同年，國家能源局、國家礦山安全監(jiān)察局聯(lián)合頒布的《煤礦智能化建設指南(2021年版)》中，將智能地質保障系統(tǒng)作為重要建設內容，并設置了“透明地質”專欄，提出了“建立實時更新的地質與工程數(shù)據(jù)高精度融合模型，實現(xiàn)礦井地質信息的透明化”的目標和要求[22]。目前，隨著煤礦智能化建設速度的不斷加快，“透明地質”“地質透明化”已經(jīng)成為一個煤礦智能開采領域高頻出現(xiàn)的熱詞。然而，對于“透明地質” “地質透明化”的內涵與外延、應用場景、實現(xiàn)路徑、關鍵技術等，目前尚缺少相關文獻的論述[23]。

詮釋了煤礦地質透明化的含義，圍繞煤礦井下超前鉆孔、掘進巷道、采煤工作面3個應用場景，重點闡述煤礦地質透明化的技術背景、目標需求、實現(xiàn)路徑、關鍵技術等，提出分時段、分區(qū)段、分層級實現(xiàn)煤礦地質透明化的技術思路。

1 煤礦地質透明化的含義詮釋

1.1 煤礦地質透明化的定義

在漢語詞典中，“透明”是指物質透過光線的性質或情況，形容透亮和明白；“地質”泛指地球的性質和特征，主要是指地球的物質組成、結構、構造、發(fā)育歷史以及礦產(chǎn)資源的賦存狀況和分布規(guī)律等。從狹義上講，地質體是無法透過光線的，因此“透明地質”只是一種理想境界；從廣義上講，地質體是可以透過物理射線的，如伽馬射線、聲波、電磁波等，因此在特定條件下地質體是可以透明的。與“透明地質”相對應，“地質透明化”是實現(xiàn)“透明地質”的一個持續(xù)、漸進的動態(tài)過程；“透明地質”主要突出了地質工作的結果，而“地質透明化”則強調了“地質透明”的過程。從這個意義上講，煤礦地質工作的最終目標是實現(xiàn)“透明地質”，其實現(xiàn)路徑是通過多種手段達到“地質透明化”的過程。

迄今為止，“地質透明化”尚無明確的定義。在邏輯學中，定義是通過一個概念明確另一個概念內涵的邏輯方法，定義是由被定義項、下定義項和定義聯(lián)項3部分組成的，其中“被定義項”是其內涵被明確的概念，如“地質透明化”；“下定義項”是用來確定被定義項內涵的概念，如“地質透明化”的內涵與外延；“定義聯(lián)項”是下定義項和被定義項之間的邏輯聯(lián)系。定義要揭示“被定義項”的本質特征，“下定義項”的內涵和外延應與“被定義項”相等[24]。下定義的方法有:①屬加種差定義法；②語詞定義法，即揭示標志概念的語詞意義的定義。這里，以語詞定義法給出煤礦地質透明化的定義如下：煤礦地質透明化是利用多種手段開展地質信息采集，并與采掘工程信息相互融合，構建三維地質模型，從而為煤礦生產(chǎn)提供超前地質預測預報的動態(tài)過程。

1.2 煤礦地質透明化的內涵

概念的內涵是指一個概念所反映的事物的本質屬性的總和，煤礦地質透明化的內涵是指在不同時間、不同空間、不同精度條件下煤礦地質工作的內容以及目標。

在煤炭資源勘查、煤礦設計、建井、開拓、掘進和采煤等不同階段，煤礦地質透明化的內涵各不相同。在煤炭資源勘查階段，煤田地質工作的內容是查明含煤盆地的地層結構、巖性分布、煤層層數(shù)、煤層厚度、地質儲量、大中型構造發(fā)育等地質條件；在煤礦設計階段，煤田地質工作的內容是查明影響采區(qū)劃分的地質構造、煤層變化、水文地質條件、工程地質條件、瓦斯含量以及影響開采的巖漿巖、火燒區(qū)、陷落柱等災害地質條件；在煤礦建井階段，建井地質工作要求系統(tǒng)編錄所揭露的地質信息，及時預報施工過程中的地質問題，為移交生產(chǎn)做好準備；在大巷開拓階段，礦井地質工作要求超前查明潛在的隱蔽致災地質因素，因為大巷的標高、走向、坡度不能輕易調整；在煤巷掘進階段，礦井地質的目標是超前探明掘進巷道前方的煤層起伏、厚度變化等幾何信息以及斷層、陷落柱、瓦斯、采空區(qū)等隱蔽致災因素信息；在工作面回采階段，礦井地質的目標是預先查明采煤工作面前方的煤層賦存、地質構造等，同時要監(jiān)測采掘擾動條件下動力地質災害的孕育演化等。

因此，煤礦地質透明化在煤礦不同生產(chǎn)階段被賦予不同的地質內涵，它不是一個空泛的、靜止的、固化的概念，而是一個具體的、發(fā)展的、動態(tài)的工作過程，其評判標準是以能否滿足某一生產(chǎn)階段的地質需求作為依據(jù)的。由于煤礦生產(chǎn)活動是動態(tài)的、遞進的，這就要求地質透明化能夠實現(xiàn)適時的動態(tài)透明、漸進的局部透明和適配的透明度，即在時間上應該是適時的、動態(tài)的，無需過于超前；在空間上應該是局部透明、漸進透明，無需一次性達到礦井透明；在透明程度上是有限的、漸進的，以滿足不同生產(chǎn)階段的地質需求為目標。

1.3 煤礦地質透明化的外延

概念的內涵代表了事物的屬性，概念的外延反映了具有特有屬性的事物的范圍；內涵與外延總體呈現(xiàn)此消彼長的互補關系，概念內涵越豐富則其外延越具體。因此，從煤礦生產(chǎn)的空間、時間和透明度3個維度出發(fā)，煤礦地質透明化的外延可以按照煤礦生產(chǎn)在時空上的應用場景來表達，即超前鉆孔地質透明化、掘進巷道地質透明化、采煤工作面地質透明化、煤礦采區(qū)地質透明化、井田范圍地質透明化等，這就是煤礦地質透明化的外延范圍。具體內涵如下：

1)超前鉆孔地質透明化：在巷道掘進前，利用鉆探與物探“兩探”融合的思路，縱向由鉆探控制、徑向由物探掃描，形成一個鉆孔“線狀”地質透明化的脊線。

2)掘進巷道地質透明化：在巷道掘進過程中，利用“長掘長探”“隨掘隨探”等技術開展動態(tài)跟蹤探測，對異常區(qū)實施鉆探驗證，形成掘進巷道“束狀”地質透明化的條帶。

3)采煤工作面地質透明化：在工作面回采前，采用槽波地震、音頻電透視等技術對工作面靜態(tài)地質條件開展探測；在工作面回采過程中，開展隨采地震、隨采電法、微震監(jiān)測、水文監(jiān)測、應力監(jiān)測等對動力地質災害進行監(jiān)測預警，形成采煤工作面“帶狀”地質透明化的區(qū)域。

4)煤礦采區(qū)地質透明化：隨著超前鉆孔、掘進巷道、采煤工作面等所獲地質信息的不斷增加，接續(xù)工作面開采地質條件愈加透明，形成煤礦采區(qū)“片狀”地質透明化的塊段。

5)井田范圍地質透明化：在煤礦采區(qū)地質透明化的基礎上，將地形、地層、構造、巷道、設備等多源異構信息加以融合，在統(tǒng)一地理坐標系下構建三維地質模型，形成井田范圍“面狀”地質透明化的區(qū)域。

限于篇幅，圍繞超前鉆孔、掘進巷道與采煤工作面三大場景的地質透明化，重點對不同場景地質透明化的背景條件、實現(xiàn)路徑和關鍵探測技術展開敘述。

2 煤礦地質透明化的應用場景

2.1 超前鉆孔地質透明化

鉆孔地質透明化是指通過鉆探描述、鉆孔測量、鉆孔成像和鉆孔物探等手段，實現(xiàn)鉆孔縱向不同深度、徑向一定范圍內煤巖層界面、地質構造、地質災害等地質透明化的過程。

2.1.1 背景分析

鉆探作為一種最重要的地質探測手段，在煤礦地質構造、地質異常體探測和儲量計算、災害探查與治理等方面應用廣泛，煤礦井下鉆孔的類型、數(shù)量較多。從工程用途上分，煤礦井下鉆孔包括地質孔、探放水孔、瓦斯抽采孔、消突鉆孔、卸壓孔、防塵孔等；從施工層位上分，包括順煤層孔、頂板孔、底板孔、穿層孔等；從成孔工藝上分，包括定向鉆孔、非定向孔。以煤與瓦斯突出礦井為例：采掘前需要施工底板穿層孔以掩護煤巷掘進，煤巷掘進階段需要施工超前泄壓孔以確保安全掘進，而在工作面形成后、回采前需要在工作面內部施工抽采卸壓孔，以達到瓦斯壓力小于0.74 MPa、含量小于8 m3/t的安全回采要求(圖1)；對于一個走向長度2 000 m、傾向寬度200 m的工作面，暫不考慮到底板巖巷的穿層孔、煤巷掘進的超前孔等，僅以工作面采前瓦斯抽采鉆探工作量估算：設兩條順槽按照鉆孔間距2 m、鉆孔深度110 m、兩巷對穿的作業(yè)方式，則需要施工鉆孔2 000個、鉆探進尺22萬m。

圖1 煤礦鉆孔分布示意Fig.1 Schematic of borehole distribution in coal mine

盡管煤礦井下鉆孔數(shù)量、鉆探進尺較大，但是以前的鉆探施工僅服務于單一的工程目的，例如超前探放水、瓦斯抽采、超前卸壓等，缺乏“一個鉆孔就是一項工程”的系統(tǒng)思維，也缺少從地質透明化角度思考“一孔多用”等[25-26]。實際上，如果每個鉆孔能夠實現(xiàn)地質透明，并將鉆探與物探融為一體，鉆孔縱向依靠鉆探控制、徑向利用物探覆蓋，則能夠實現(xiàn)鉆孔“線狀”地質透明化。

2.1.2 實現(xiàn)路徑

煤礦井下超前鉆孔地質透明化的實現(xiàn)路徑，主要包括4個步驟：

1)鉆孔測量：在鉆機開孔前，對鉆孔位置、高度、方位角、傾角、層位等參數(shù)進行測定，確保施工鉆孔參數(shù)達到設計要求；在鉆進過程中，利用MWD隨鉆測量系統(tǒng)或鉆孔軌跡測量儀，測定鉆孔的空間軌跡[27]。

2)鉆探描述：在鉆機施工中，記錄鉆孔的深度、變徑、返渣、泥漿漏失量、鉆機給進力、轉速、扭矩、起拔力、泥漿泵壓以及出水點、出水量、封孔長度等，采用巖屑錄井方法初步判層。

3)鉆孔成像：鉆孔完鉆后，采用高清攝像頭對孔內情況進行顯示，錄制孔內圖像，通過對孔壁視頻圖像分析，判斷巖性、構造與穿層情況。

4)鉆孔物探：鉆孔封孔前，利用鉆孔伽馬[28]、鉆孔雷達[29]、鉆孔瞬變[30]、孔間透視[31]等鉆孔物探技術，對鉆孔徑向30 m范圍內地層、構造、含水性等開展遠探測，從而形成一條沿鉆孔軌跡延伸、徑向擴展的鉆孔“線狀”地質透明化的脊線。

2.1.3 關鍵技術

在鉆孔地質透明化過程中，鉆探描述、鉆孔測量、鉆孔成像等技術比較成熟，鉆孔物探包括鉆頭前方探測(簡稱“前探”)和鉆孔徑向遠探測(簡稱“遠探”)2項新技術，其中“前探”主要服務于地質導向定向鉆進，鉆孔地質雷達[32]、鉆孔瞬變電磁探測技術[33]是實現(xiàn)鉆孔徑向“遠探”的核心技術，可以實現(xiàn)鉆孔徑向的分層定厚、構造探測以及富水區(qū)探測等[26]。

筆者針對鉆孔物探的開孔定向、鉆孔成像2項技術加以闡述。

1)開孔定向技術。鉆孔設計的開孔位置、高度、傾斜角、方位角和孔深等參數(shù)中，開孔位置與高度由地測人員現(xiàn)場確定并測量記錄，傾角參數(shù)在開鉆前易于測量和校準，鉆孔深度在不要求實時連續(xù)記錄情況下能夠以加裝鉆桿的長度累加方式獲得；鉆孔開孔的方位角測量方法與誤差問題以往經(jīng)常被忽視，一些煤礦采用地質羅盤地磁測量的方式現(xiàn)場測量鉆孔方位角，經(jīng)常造成10°～20°的測量誤差，因為在鉆場強鐵磁干擾環(huán)境下地質羅盤的指北針容易被磁化[34]，而鉆孔開孔方位角如同“瞄準鏡”的準星，“失之毫厘，差之千里”。

由于煤礦井下鉆場周圍存在強鐵磁干擾，在這種復雜工況條件下，基于地球自轉加速度測量的慣性陀螺測量技術，以陀螺及加速度計等慣性傳感器為基礎進行姿態(tài)測量，實現(xiàn)鉆孔開孔方位角、傾角的高精度測量[35]。如光纖陀螺的動態(tài)航向精度達到了±0.2′、靜態(tài)穩(wěn)定時間小于1 min、動態(tài)穩(wěn)定時間不大于4 min、尋北精度0.056°，反應時間不到5 min[36]。

2)鉆孔成像技術。鉆孔成像技術是將高清攝像頭和自適應廣角鏡頭安裝到成像探管中，然后將成像探管送入孔內，拍攝孔壁四周全景圖像，并通過電纜將視頻圖像傳送到孔口監(jiān)視器，地質人員可以實時觀看孔壁四周的圖像；同時，攝像機錄下整個檢測過程的圖像，也可將某一深度圖像以照片傳輸?shù)街鳈C，用于分析鉆孔內部的煤巖界面、井壁地層裂隙及巖溶發(fā)育情況等(圖2)。

鉆孔成像儀一般與鉆孔深度記錄儀、鉆孔測斜儀、自然伽馬等測量探管同時入孔，以便于開展視頻信息與探測數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析。

2.1.4 應用案例

受客觀因素限制，煤礦井下鉆探施工難以采取地質巖心。為綜合判斷鉆孔中煤巖界面的位置，某礦開展了鉆孔軌跡測量、鉆孔成像、鉆孔伽馬、鉆孔雷達等鉆孔物探工作。17.5 m和25.5 m處鉆孔成像的結果如圖2所示，可以看到孔內煤渣及孔壁、孔徑的變化情況；該孔在35 m附近鉆孔伽馬發(fā)生突變,在34 m附近鉆孔雷達反射強度明顯變弱，如圖3所示，據(jù)此綜合判斷34～35 m出現(xiàn)煤巖分界面，后續(xù)井下工程證實了這一判斷。

圖3 鉆孔伽馬與鉆孔雷達探測成果解釋Fig.3 Interpretation of borehole gamma and borehole radar detection results

2.2 掘進巷道地質透明化

掘進巷道地質透明化是指通過掘進前、掘進中的地質超前探測，超前查明掘進巷道前方、側幫及頂/底板一定范圍的地質條件，構建掘進巷道地質模型，為巷道掘進提供動態(tài)地質預報的過程。

2.2.1 背景分析

據(jù)統(tǒng)計：2012—2019年全國煤礦事故統(tǒng)計分析中，發(fā)生在掘進工作面的瓦斯、水害、頂板等較大及以上事故占比分別達到48.9%、58.6%和27.7%，掘進工作面地質條件不清是造成上述事故的主要原因；全國煤礦井下掘進巷道工作量超過12 000 km/a，掘進速度慢與掘進前方地質條件不透明息息相關。

煤礦井下掘進巷道地質透明化的任務為：①查明煤層的空間賦存形態(tài)，如煤層起伏、煤厚變化、地質構造等，形成一個高精度掘進地質剖面，以利于掘進巷道的優(yōu)化設計，盡可能避免由于地質條件不清給巷道掘進造成的不利影響；②查明掘進巷道前方潛在的隱蔽致災地質因素，包括斷層、陷落柱、老空區(qū)、火燒區(qū)、巖漿巖侵入?yún)^(qū)及富水異常區(qū)等，保障巷道安全掘進；③盡可能加大超前探測的距離，減少與掘進設備在時間、空間上的沖突等，最終形成一個以掘進巷道中線為基線的“束狀”地質透明化范圍。

2.2.2 實現(xiàn)路徑

煤礦井下掘進巷道地質透明化的實現(xiàn)路徑，主要包括以下步驟：

1)預測地質剖面。在采區(qū)劃分之后，采區(qū)采煤工作面的開采方法、設備選型、走向長度、傾斜寬度以及預留煤柱、運輸巷道、回風巷道等設計參數(shù)已經(jīng)初步確定。這一階段已有的地質資料包括地面鉆探、物探資料和井下鄰近采區(qū)、工作面和開拓巷道的地質資料。為優(yōu)化掘進設計，利用前期的地質、物探資料，特別是三維地震資料，結合相鄰工作面、上下層位已掘巷道揭露的地質情況分析，繪制掘進巷道預測地質剖面圖，但其精度相對偏低。

2)預報地質剖面。在巷道正式掘進之前，一般采用“物探先行、鉆探驗證、綜合探測”的方法開展超前探測，查明掘進巷道前方、巷道兩幫外圍15～20 m的煤層變化與隱蔽致災地質因素情況等，從而為巷道快速掘進提供高精度的地質預報?！伴L掘長探”“探鉆一體”“掘探協(xié)同”等新技術與新裝備，可以把定向鉆進的“長距離、分支孔”優(yōu)勢和鉆孔物探的“近距離、高精度”特點完美地融為一體，在此基礎上結合三維地震資料地質動態(tài)解釋技術，形成高精度的掘進巷道地質預報剖面，從而為安全高效快速掘進提供地質保障[37]。

3)實測地質剖面。掘進巷道預測地質剖面和實際揭露情況可能仍有偏差，需要開展已掘巷道頂?shù)装鍘r性、煤厚變化、小構造發(fā)育等地質情況寫實，為三維地震資料地質動態(tài)解釋、掘進巷道地質透明化建模提供“硬數(shù)據(jù)”；同時，采用隨掘隨探技術開展掘進巷道前方100～150 m高精度動態(tài)實時探測；采用反射槽波探測技術，實現(xiàn)掘進巷道側幫方向的地質探測；采用地質雷達、激光掃描等技術，實現(xiàn)掘進巷道的高精度地質建模等。

可見，在巷道掘進階段，通過時間、空間上多種手段的靈活運用，開展掘進巷道的煤層賦存、地質構造、災害地質體等超前精細探測和動態(tài)地質建模，可以形成掘進巷道“束狀”地質透明化的條帶。

2.2.3 關鍵技術

1)長掘長探技術。利用煤礦井下先進的定向長鉆孔施工技術，通過在掘進巷道后方或側方預設鉆場，利用千米定向鉆機在掘進前超前施工深度600～1 000 m的順煤層定向長鉆孔；在定向長鉆孔中，采用鉆孔瞬變電磁等技術與裝備，實現(xiàn)鉆孔徑向半徑不少于30 m范圍內富水區(qū)、地質構造的遠距離超前探測[26]。在此基礎上，編制掘進巷道前方的地質預測剖面，以優(yōu)化掘進巷道設計。

2)隨掘隨探技術。在掘進巷道后方提前安置地震傳感器，利用掘進機截割煤壁時產(chǎn)生的震動信號，實時接收地震波在遇到斷層、陷落柱、采空區(qū)等異常時產(chǎn)生的反射波；隨掘地震信號通過光纖環(huán)網(wǎng)實時傳輸?shù)降孛嫣幚碇行暮?，利用專用處理軟件開展大規(guī)模的并行計算，動態(tài)生成掘進巷道前方地質構造的成像結果，可以滿足快速掘進對超前探測精度、速度要求[38-40]。

對于受底板承壓水威脅的掘進巷道而言，還需采用長距離定向鉆孔的瞬變電磁探測技術，對掘進巷道底板導水通道進行超前探查，以確保巷道安全快速掘進[41]。

3)反射槽波探測。在煤層中激發(fā)的地震波當入射角達到臨界角后，地震波發(fā)生全反射，隨后沿煤層傳播形成槽波。槽波在傳播過程中，如果煤層穩(wěn)定則槽波一直沿煤層傳播，形成透射槽波；反之，如果槽波傳播過程中遇到煤層發(fā)生變化(如斷層、陷落柱、煤厚突變等)，則槽波會發(fā)生反射、散射等。通過對反射槽波的處理成像和地質解釋，可以對采煤工作面內部構造進行超前探測。

2.2.4 應用案例

山西某礦掘進工作面?zhèn)葞头瓷洳鄄嬙焯綔y實例如圖4所示。該工作面煤層厚度為2.00～3.70 m，平均煤厚3.26 m，煤層傾角為6°～10°，平均為8°，工作面傾向寬220 m，在工作面下巷每10 m布設檢波點與炮點，向上巷方向進行反射槽波探測。圖4b巷道側幫反射槽波解釋的斷層，與下巷平均距離109 m，后經(jīng)探巷在112 m 處實際揭露斷層，與槽波解釋結果平面位置偏差僅3 m；斷層走向190°，與反射槽波解釋推斷結果基本一致[42]。

圖4 側幫反射槽波示意與側幫反射槽波實例Fig.4 Schematic of reflected in-seam waves on side wall and example of side wall detection

2.3 回采工作面地質透明化

回采工作面地質透明化是指通過采前靜態(tài)探測、采中動態(tài)探測與實時監(jiān)測，融合回采揭露的地質信息，構建三維動態(tài)地質模型，實現(xiàn)采煤工作面“條帶”地質透明化的過程。

2.3.1 背景分析

回采工作面是煤礦地質透明化的關鍵應用場景。在回采前，運輸巷、回風巷與開切眼3條巷道已經(jīng)完成掘進，形成了局部“束狀”地質透明化的區(qū)域，只是回采線前方仍未達到地質透明的程度，特別是開采擾動圍巖破壞條件下的動力地質災害。

采煤工作面地質透明化的任務是：①超前查明影響安全回采的靜態(tài)地質條件，如斷層、褶曲、陷落柱、煤厚、夾矸、頂?shù)装鍘r性等變化；②預測預報開采過程中動力地質災害的孕育、發(fā)展、發(fā)生等過程，如底板突水、頂板透水、斷層滑移、陷落柱活化、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等；③構建高精度三維地質透明模型，將地質數(shù)據(jù)與工程數(shù)據(jù)的動態(tài)融合，實現(xiàn)基于透明地質“數(shù)據(jù)驅動”的智能化開采。

2.3.2 實現(xiàn)路徑

在回采前、回采中，回采工作面地質透明化的目標，需要通過采前靜態(tài)探測、采中隨采探測和實時監(jiān)測等綜合手段來實現(xiàn)[43-44]。

1)采前靜態(tài)探測。槽波地震探測以及音頻電透視等采前地質探測手段，均是在回采工作面形成后、回采前開展的。在回采工作面形成后，開展透視槽波、反射槽波數(shù)據(jù)的采集、處理與聯(lián)合解釋，實現(xiàn)回采工作面靜態(tài)地質條件的采前精細探測；同時，為了超前探查煤層底板承壓含水層的突水隱患，采用音頻電透視技術開展工作面底板電法CT掃描，發(fā)現(xiàn)隱患部位以提前進行注漿治理，防止在回采過程中由于底板出水而導致工作面停采問題的發(fā)生。但是，這些技術手段的數(shù)據(jù)采集是靜態(tài)的、一次性的，同時受探測范圍、距離的限制，無法完全滿足回采工作面地質透明化的需求。

2)隨采動態(tài)探測。采煤機在截割、切削煤壁時對煤體產(chǎn)生強烈的擾動，進而誘發(fā)地震波在煤層中傳播，地震波在煤層中傳播時出現(xiàn)透射、反射、折射和衍射等，利用隨采地震技術實時接收地震波場信息，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)將隨采地震監(jiān)測信息實時傳輸?shù)降孛嫣幚碇行?，?jīng)過地震波場分析、信號提取、層析反演、動態(tài)疊加、偏移成像等處理流程，可以動態(tài)生成采煤工作面前方100 m范圍內地質構造和地震波速度的成像結果，為采煤機規(guī)劃截割提供高精度地質構造探測信息[45]。

3)采中實時監(jiān)測。采煤工作面開采前，其內部是處于靜態(tài)的、穩(wěn)態(tài)的煤巖地質體；開采擾動后，采場應力分布發(fā)生變化，出現(xiàn)頂板垮落、底板變形、裂隙帶發(fā)育等應力動態(tài)變化、裂隙結構演化破壞，一些不良地質體如斷層、陷落柱等發(fā)生位移、活化、局部應力異常集中等，威脅采煤工作面的安全回采。為此，工作面回采過程中必須開展動力地質災害的監(jiān)測預警。

微震監(jiān)測技術可以動態(tài)監(jiān)測工作面頂板、底板圍巖變形破壞過程中誘發(fā)的微地震前兆信息，通過對巖石破裂點的動態(tài)定位和微震監(jiān)測大數(shù)據(jù)的分析，反演裂隙帶的發(fā)育高度或深度及其與承壓含水層間距的動態(tài)變化，為開采安全提供監(jiān)測預警信息。但是，微震監(jiān)測只是提供了巖石破裂的空間信息，不能預測裂隙帶在發(fā)育過程中是否演化為導水通道，煤礦井下電法監(jiān)測技術可以對含水層承壓水是否沿裂隙通道遞進導升的演化過程進行動態(tài)監(jiān)測。水文監(jiān)測、微震監(jiān)測、電法監(jiān)測等動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合處理和集成分析，是實現(xiàn)采煤工作面開采過程中動力地質災害監(jiān)測預警的技術途徑[46-48]。

2.3.3 關鍵技術

1)隨采地震探測。隨采地震探測原理與槽波地震類似，區(qū)別在于隨采地震是以采煤機割煤時產(chǎn)生的震動作為震源，通過在采煤工作面兩巷道布設地震傳感器實時接收信號，利用隨采地震數(shù)據(jù)動態(tài)處理和疊加成像技術，實現(xiàn)斷層、陷落柱、變薄區(qū)等靜態(tài)地質條件的精細探測，以及破碎帶、應力集中區(qū)、突出危險區(qū)等動態(tài)災變條件的監(jiān)測預警。

以走向長度2 100 m×傾斜長度200 m的采煤工作面為例：設采煤機截割深度0.7 m、平均運行速度4 m/min、每天6刀，則采煤工作面每割一刀需要50 min、共需截割3 000刀、500 d回采完畢。隨采地震探測按照每條巷道檢波點間距10 m、36道接收、每0.5 min為一個震源子波的提取周期，則采煤機每割一刀相當于獲得了100個共炮點記錄、7 200條地震射線，工作面內部的射線最高覆蓋次數(shù)可達30萬次，隨采地震大數(shù)據(jù)對于人工槽波地震幾乎是不可思議的，它是采煤工作面地質透明化的核心技術。

某礦61304工作面隨采地震動態(tài)探測成果如圖5所示，其中圖5a為1 d截割6刀的隨采地震成像結果，圖5b為30 d采煤的隨采地震疊加圖像，其疊加次數(shù)高達8萬次，動態(tài)探測的大數(shù)據(jù)疊加成像結果給出了采煤工作面前方300 m左右存在一個明顯的地質異常體，且其規(guī)模和尺寸較大、邊緣輪廓清楚，而隨采地震1天成像結果僅僅顯示存在一個很小的異常。實際驗證情況表明：該異常區(qū)為多組小斷層的密集帶，斷層落差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。30 d隨采地震結果圈定的異常，與回采揭露情況高度吻合。

圖5 隨采地震1 d與30 d動態(tài)探測數(shù)據(jù)成像結果對比Fig.5 Comparison of imaging results of 1 d and 30 d dynamic detection data of seismic prospecting while mining

2)隨采電法監(jiān)測。采煤工作面在回采過程中，圍巖的應力平衡被打破，開采線后方的煤層頂板出現(xiàn)垮落帶、裂隙帶和彎曲變形帶，煤層底板的破壞帶、裂隙帶發(fā)育；而開采線前方的煤體產(chǎn)生局部應力集中，并沿著停采線方向應力逐漸恢復正常；隨著時間的推移，后方采空區(qū)逐漸壓實，圍巖應力達到再平衡。在煤層覆巖運動與應力遷移這一動態(tài)變化過程中，煤層頂?shù)装宓臉嬙毂∪鯉?如斷層、陷落柱、裂隙)有可能發(fā)生活化，進而誘發(fā)底板突水、沖擊地壓等動力地質災害的發(fā)生。對于這種時變的地質災害，靜態(tài)探測技術無能為力，只能采用隨采監(jiān)測技術加以實現(xiàn)。

隨采電法監(jiān)測技術通過在采煤工作面回風巷/運輸巷或煤層底板定向長鉆孔中，超前布設發(fā)射電極和接收電極，采用回風巷某一點供電時、運輸巷所有接收電極全部接收，然后自動切換到下一發(fā)射點供電；待回風巷所有點完成發(fā)射后，運輸巷的接收點自動變?yōu)榘l(fā)射點，由運輸巷的發(fā)射點逐一供電，而回風巷的所有電極全部變?yōu)榻邮拯c。完成一個周期循環(huán)后，利用專業(yè)處理軟件進行視電阻率成像，發(fā)現(xiàn)異常及時預報；如此循環(huán)往復，可以實現(xiàn)垂向導水裂隙帶發(fā)育情況和含水層水體運移狀態(tài)的實時監(jiān)測，判斷工作面回采過程中底板是否存在突水風險，直到工作面完成回采。

2.3.4 應用案例

某礦61304采煤工作面處于帶壓開采區(qū)域。在工作面回采前，地面三維地震、井下槽波探測和底板音頻電透視成果均發(fā)現(xiàn)工作面開切眼附近存在一個地質異常區(qū)，并進行了煤層底板地面區(qū)域注漿加固。為動態(tài)監(jiān)測底板異常區(qū)治理效果，確保工作面的安全回采，在后續(xù)井下底板注漿鉆孔中布設電極，對異常區(qū)域在開采擾動條件下的動態(tài)變化進行監(jiān)測預警。圖6給出了煤層底板孔間電法連續(xù)3 d的監(jiān)測結果。可以看出：第3天在回采線中部煤層底板出現(xiàn)了一處低阻異常(1號異常)，結合微震定位結果分析，該異常深度在0～25 m范圍，是煤層底板裂隙帶局部充水所致，并未導通奧灰含水層。目前，61304工作面已實現(xiàn)安全回采(圖6)。

圖6 煤層底板隨采電法時移電阻率監(jiān)測結果Fig.6 Time-lapse resistivity results of electrical monitoring while mining in coal seam floor

綜上所述，煤礦井下超前鉆孔地質透明化(“線狀”)、掘進巷道地質透明化(“束狀”)和回采工作面地質透明化(“帶狀”)，三者在時間上是順序接續(xù)的、在空間上是逐級遞進的、在透明度上是漸次透明的。在此基礎上，隨著采掘范圍的不斷增加，煤礦采區(qū)地質條件將持續(xù)透明，最終整個礦井不斷趨于地質透明。因此，煤礦地質透明化是分時段、分區(qū)段、分層級、差異化的，是不斷滿足煤礦生產(chǎn)需求的動態(tài)地質工作過程。

3 煤礦地質透明化的概念辨析

3.1 地質透明化與可視化

煤礦地質可視化的概念由來已久，地質透明化的概念提出以后，一些人將“可視化”等同于“透明化”，認為“可視”就是“看得見”，既然“看得見”當然就是“透明體”。實際上，這種認識是片面的。地質可視化只是地質透明化的重要組成部分，因為地質透明化不僅包含精準探測、動態(tài)監(jiān)測、三維建模、可視化顯示、預測預報、協(xié)同控制等內容，而且是地質資料數(shù)字化、信息化、知識化、可視化的綜合展示。以往所謂的“地質可視化”，只是對已經(jīng)采掘揭露空間的“可視化”顯示，而對尚未采掘的區(qū)域是“模型化”的，無非是將抽象的、不可見的地質體，借助于計算機信息技術加以顯示而已。簡單來說，以往所謂的“地質可視化”就是借助計算機的空間信息顯示技術，達到“看見你能看見的”目標；而真正意義上的“地質透明化”，則除了具備地質可視化的上述功能之外，還需具備借助于地球物理技術“透視”尚未采掘的區(qū)域，以實現(xiàn)“看見你所看不見的”的目標。

因此，煤礦地質透明化的內涵應該包括地質信息采集、地質信息融合、地質模型構建、三維顯示以及三維模型應用等基本特征，它與地質可視化是截然不同的2個概念。

3.2 透明地質與透明礦井

目前，我國煤礦智能化建設的速度明顯加快，一些煤礦提出要建設“透明礦井”。實際上，透明礦井不但包括地面的構建物、地形地貌、地下的井巷空間與設備等可見的實體，還應該包括地下地層、構造等隱蔽的地質體；前者依靠現(xiàn)有技術裝備手段能夠一次性實現(xiàn)“透明”，而后者則只能依靠探測手段實現(xiàn)局部透明、適時透明、漸進透明。如果煤礦在設計階段實現(xiàn)地質透明，那將是不可思議的，也不具備技術和經(jīng)濟的合理性。

通過實現(xiàn)超前鉆孔地質透明化、掘進巷道地質透明化、回采工作面的地質透明化，進而達到采區(qū)地質透明化、井田地質透明化以至于礦區(qū)地質透明化的逐級演進，隨著鉆孔“線狀”、巷道“束狀”、采面“帶狀”、采區(qū)“片狀”、井田“面狀”的逐漸地質透明，最后礦區(qū)規(guī)模才能趨于地質透明。從這個意義上講，“透明地質”是“因”，“透明礦井”是“果”，透明礦井是透明地質的最終結果，所謂基于“透明礦井”的智能開采是不切實際的。

3.3 靜態(tài)探測與動態(tài)監(jiān)測

改革開放40多年來，煤礦地質保障技術最突出的進步是煤礦采區(qū)三維地震與地面瞬變電磁、煤礦井下槽波地震與礦井瞬變電磁等物探技術的發(fā)展成熟，以及煤礦井下定向鉆進技術與裝備的推廣應用。地面與井下、物探與鉆探技術裝備的進步，為超前查明煤炭資源的賦存情況、煤礦開采隱蔽致災地質因素等發(fā)揮了重要的作用，支撐了煤炭資源安全高效開采。應該看到：傳統(tǒng)的煤礦地質保障技術主要是在煤炭資源開采前進行的，是在煤層未發(fā)生擾動條件下的靜態(tài)探測手段，其對于伴隨煤炭資源開采出現(xiàn)的動力地質災害難以應對，如底板突水、斷層滑移失穩(wěn)、陷落柱活化、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等；另一方面，煤礦智能化對地質透明化探測精度提出了新的更高的要求，傳統(tǒng)技術手段難以達到其精度要求。

對于煤礦開采擾動條件下圍巖變形與覆巖破壞以及由此誘發(fā)的各種動力地質災害而言，只有通過分布式布設各類傳感器、開展連續(xù)性數(shù)據(jù)采集、實施動態(tài)化處理解釋，對動力地質災害加以監(jiān)測預警，才能實現(xiàn)煤礦智能開采地質條件的全面感知。毫無疑問，利用微震監(jiān)測、電法監(jiān)測、水文監(jiān)測、應力監(jiān)測、礦壓監(jiān)測、瓦斯監(jiān)測等多種監(jiān)測手段，可以方便地獲得采掘空間的大數(shù)據(jù)信息，通過大數(shù)據(jù)的處理、分析、解釋與采掘工程反饋，不斷優(yōu)化預測預報模型，將是今后提升煤礦安全生產(chǎn)水平和智能化生產(chǎn)程度的必由之路。

4 結 語

1)煤礦地質透明化是煤炭資源安全高效智能開采的基礎和前提，應該按照煤礦不同生產(chǎn)階段的地質需求可以分時段、分區(qū)段、分層級加以動態(tài)實現(xiàn)。

2)依托靜態(tài)探測、動態(tài)探測和實時監(jiān)測等核心技術，在煤礦井下超前鉆孔、掘進巷道和回采工作面等不同應用場景地質條件的局部透明、動態(tài)透明和適時透明的基礎上，遞進實現(xiàn)“煤礦采區(qū)-井田范圍-礦區(qū)規(guī)?！钡牡刭|透明化，才能逐步逼近“透明礦井”的最終目標。

3)煤礦地質透明化應該充分發(fā)揮長掘長探、隨掘隨探、隨采隨探、微震監(jiān)測、電法監(jiān)測、水文監(jiān)測等新技術與新裝備的獨特作用，依托大數(shù)據(jù)分析優(yōu)勢，以提高煤礦采掘擾動條件下災變信息地質透明化的精度。

總之，煤礦地質透明化是一個長期的、動態(tài)的地質工作過程，應該按照“一礦一策”“一面一策”的思路，不能搞“一刀切”，也不可能一蹴而就，應該結合煤礦生產(chǎn)需求和地質條件，制定有針對性的實施方案，從而為煤炭資源安全高效智能綠色開采提供可靠的透明地質保障。