重大進展特刊┃西安煤科透明地質(zhì)公司總經(jīng)理劉再斌：煤礦遠距離綜合物探及透明地質(zhì)保障系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

重大進展特刊

為宣傳推廣煤礦智能化建設(shè)先進經(jīng)驗和創(chuàng)新成果，發(fā)揮典型示范引領(lǐng)作用，《智能礦山》于2025年第2期策劃出版了《2024年煤礦智能化重大進展成果特刊》，刊登代表新時代煤礦人創(chuàng)造性實踐和智慧結(jié)晶的11項智能化建設(shè)成果，以饗讀者。

文章來源：《智能礦山》2025年第2期“2024年煤礦智能化重大進展成果特刊”

第一作者：劉再斌，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任西安煤科透明地質(zhì)科技有限公司總經(jīng)理，主要從事礦山透明地質(zhì)技術(shù)相關(guān)研究工作。E-mail：zaibinliu@163.com

通訊作者：范濤，研究員，博士，現(xiàn)任中國煤炭科工集團有限公司首席科學(xué)家、西安煤科透明地質(zhì)科技有限公司副總經(jīng)理，主要從事地球物理智能化探測方法、地質(zhì)透明化技術(shù)與裝備的相關(guān)研究工作。E-mail：fantao@cctegxian.com

作者單位：西安煤科透明地質(zhì)科技有限公司；中煤科工西安研究院（集團）有限公司

引用格式：劉再斌，范濤，李萍，等. 煤礦遠距離綜合物探及透明地質(zhì)保障系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(2)：7-12.

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隨著煤礦智能化快速發(fā)展，生產(chǎn)效率大幅提高，煤炭行業(yè)迎來了以精準(zhǔn)探測、智能監(jiān)測、地質(zhì)透明化為特色的智能開采地質(zhì)保障新階段。地質(zhì)透明化是煤礦智能化建設(shè)的基礎(chǔ)和前提，是保障煤礦安全、高效、智能開采的重要舉措?，F(xiàn)階段煤礦遠距離綜合物探及透明地質(zhì)保障智能化建設(shè)中存在4個主要問題。

（1）探掘沖突，常規(guī)探掘存在時空沖突，鉆探、物探分離，干擾源復(fù)雜，探測距離短等問題。

（2）數(shù)據(jù)解譯困難，現(xiàn)有探測數(shù)據(jù)處理解釋智能化水平低，多源地質(zhì)感知數(shù)據(jù)融合解譯困難。

（3）模型表達能力弱，傳統(tǒng)手段模型表達能力弱，復(fù)雜構(gòu)造三維模型構(gòu)建難度大且缺少災(zāi)害屬性。

（4）系統(tǒng)支撐能力不足，傳統(tǒng)地質(zhì)保障技術(shù)難以為智能采掘提供準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報、地質(zhì)輔助分析與設(shè)計支撐。

透明地質(zhì)保障系統(tǒng)架構(gòu)

通過地質(zhì)探測手段查明當(dāng)前及未來采掘活動范圍內(nèi)，開采地質(zhì)條件及隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素的空間分布與屬性特征，厘清采動條件下各類地質(zhì)災(zāi)害的孕育演化機理，以鉆探、物探、采掘揭露等地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建煤礦地質(zhì)體、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)屬性、采掘工程等三維模型，實現(xiàn)地質(zhì)模型與采掘工程的深度融合，超前識別采掘前方隱蔽災(zāi)害的類別、危害范圍、危險程度等信息，為煤礦生產(chǎn)場景提供地質(zhì)條件準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報，為地質(zhì)災(zāi)害的識別、評判、治理決策提供支撐。

為實現(xiàn)長距離精準(zhǔn)探測，有效解譯及利用來源廣泛、結(jié)構(gòu)多樣、精度各異的全要素地質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建反映復(fù)雜地質(zhì)規(guī)律與多重災(zāi)害特征的動態(tài)三維地質(zhì)模型，透明地質(zhì)保障系統(tǒng)支撐解決煤礦安全高效生產(chǎn)的技術(shù)難題，提出透明地質(zhì)保障系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)驅(qū)動、模型表達、場景應(yīng)用”3層技術(shù)架構(gòu)，通過構(gòu)建“礦區(qū)-礦井-工作面”3級透明地質(zhì)保障技術(shù)體系，實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、地測業(yè)務(wù)流程化、透明地質(zhì)保障平臺實用化的建設(shè)路徑，透明地質(zhì)保障系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 透明地質(zhì)保障系統(tǒng)架構(gòu)

透明地質(zhì)保障系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

煤礦遠距離綜合物探及透明地質(zhì)保障系統(tǒng)取得了4項創(chuàng)新性成果，研發(fā)出快速掘進工作面定向長鉆孔孔中電磁法徑向遠距離探測方法及裝備、基于AI算法的地質(zhì)感知數(shù)據(jù)融合解譯技術(shù)、強表達-高分辨-多承載的三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法與技術(shù)、評價-分析-預(yù)測一體化的透明地質(zhì)保障系統(tǒng)。

2.1 徑向遠距離探測方法及裝備

針對常規(guī)超前探測效率無法匹配快速掘進速度，擠占掘進時間，且快速掘進設(shè)備與礦井超前物探裝備存在空間沖突等問題，提出了快速掘進工作面定向長鉆孔孔中電磁法徑向遠距離探測方法及裝備，解決了快掘工作面定向長鉆孔孔周含水異常體、地質(zhì)構(gòu)造遠距離探測的難題，攻克了鉆孔綜合物探數(shù)據(jù)自動化采集技術(shù)，實現(xiàn)了煤礦井下快掘工作面千米定向鉆孔孔中多方法綜合物探，“長掘長探”孔中物探探測模式如圖2所示。

圖2 “長掘長探”孔中物探探測模式

研發(fā)了鉆孔瞬變電磁動源動接收技術(shù)，確保了瞬變電磁收發(fā)信號強度穩(wěn)定，不受鉆孔長度限制。提出采用極小線圈實現(xiàn)孔內(nèi)發(fā)射，突破了鉆孔孔徑限制，擬中心回線裝置使異常場相對背景場更為顯著，且響應(yīng)形態(tài)對稱，資料解釋難度低，異常定位精度高。采用雙路高低參數(shù)收發(fā)天線進行交替組合探測，兼顧信號的早晚期，有效提高了徑向探測半徑?？蓪崿F(xiàn)千米超前鉆孔徑向30m的地質(zhì)電性高精度探測，孔中瞬變電磁探測技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 孔中瞬變電磁探測技術(shù)原理

開發(fā)了基于GPU并行計算的鉆孔地質(zhì)雷達數(shù)值模擬分析云平臺，通過海量模型計算，分析總結(jié)地質(zhì)構(gòu)造響應(yīng)特征和地質(zhì)構(gòu)造邊界分辨能力，驗證鉆孔雷達超前探測地質(zhì)構(gòu)造能力，確定鉆孔雷達發(fā)射主頻和有效探測半徑，實現(xiàn)了千米超前鉆孔徑向20m的地質(zhì)構(gòu)造精準(zhǔn)探測。

基于鑲嵌工藝設(shè)計了無纜高強度非金屬儀器組合外管結(jié)構(gòu)，研制出最大承受轉(zhuǎn)矩3352N·m、最大承受水壓3MPa的水平定向鉆孔多參數(shù)無纜一體化組合探管，為目前唯一能夠在孔中收發(fā)的多參數(shù)、多分量煤礦井下電磁探測裝備，實現(xiàn)了瞬變電磁+地質(zhì)雷達+自然伽馬+軌跡測量多參數(shù)“一趟鉆”聯(lián)合探測，鉆孔瞬變電磁探測儀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鉆孔瞬變電磁探測儀結(jié)構(gòu)

針對無纜鉆孔綜合物探裝備海量多源探測數(shù)據(jù)的按需識別提取問題，基于鉆桿推送狀態(tài)與探管測量姿態(tài)信息統(tǒng)計分析，研發(fā)了探管靜止?fàn)顟B(tài)下瞬變電磁數(shù)據(jù)和探管連續(xù)運動狀態(tài)下，地質(zhì)雷達和伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)的自適應(yīng)識別技術(shù)，實現(xiàn)了高精度鉆孔綜合物探數(shù)據(jù)自動采集和有效提取。

2.2 AI地質(zhì)感知數(shù)據(jù)融合解譯技術(shù)

針對鉆孔物探適用數(shù)據(jù)處理解釋技術(shù)缺乏，地質(zhì)資料數(shù)字化程度較低，現(xiàn)有數(shù)據(jù)融合方法地質(zhì)解釋精度低等難題，研發(fā)了基于AI算法的地質(zhì)感知數(shù)據(jù)融合解譯技術(shù)，實現(xiàn)了煤礦鉆孔物探的高精度解釋，研發(fā)出隱蔽致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)識別方法，實現(xiàn)了多源地測感知數(shù)據(jù)融合解譯。

采用長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法，提升鉆孔瞬變電磁反演效果的大規(guī)模訓(xùn)練置于非探測時間，形成專用高精度反演模型，在探測時直接應(yīng)用模型實現(xiàn)實時反演耗時<1s，引入聚類算法精準(zhǔn)刻畫電性異常體邊界。提取水平分量異常場數(shù)據(jù)特征，采用無監(jiān)督機器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)形態(tài)組合和幅值數(shù)學(xué)關(guān)系建立反演電阻率、深度與采樣時間的正確映射，實現(xiàn)鉆孔徑向電性信息智能立體成像，將隱伏水害解釋水平從平面提升至立體。

提出了利用孔口巷道反射波，標(biāo)定煤礦井下煤層原位介電常數(shù)的算法，實現(xiàn)了雷達波精準(zhǔn)速度分析和精細(xì)偏移成像。針對掘進工作面前方小斷層快速識別難題，在混沌屬性處理和邊緣檢測增強基礎(chǔ)上，采用蟻群算法實現(xiàn)了斷層反射波的高效追蹤，高精度反演信息立體成像方法如圖5所示。

圖5 高精度反演信息立體成像方法

提出了地質(zhì)數(shù)據(jù)融合的一致性原則、高精度數(shù)據(jù)和專用數(shù)據(jù)優(yōu)先原則，研發(fā)了數(shù)據(jù)分類、空間配準(zhǔn)、交叉驗證、數(shù)據(jù)處理和地震數(shù)據(jù)動態(tài)標(biāo)定等煤礦多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)。利用高精度鉆孔、孔中物探、測量、寫實數(shù)據(jù)，對煤層底板反射層位進行相關(guān)性分析和標(biāo)定，提高點與點、點與線、線與線之間面的數(shù)據(jù)精度，多源地質(zhì)數(shù)據(jù)交叉驗證方法如圖6所示，多源數(shù)據(jù)融合效果如圖7所示。

圖6 多源地質(zhì)數(shù)據(jù)交叉驗證方法

圖7 多源數(shù)據(jù)融合效果

2.3 構(gòu)建精細(xì)化三維地質(zhì)模型

針對三維模型地質(zhì)規(guī)律表達不強、模型精度不高、地質(zhì)屬性承載不足等難題，研發(fā)強表達-高分辨-多承載的三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法與技術(shù)，解決復(fù)雜構(gòu)造三維地質(zhì)模型和水火瓦斯屬性模型構(gòu)建及更新難題。

研發(fā)沉積構(gòu)造演化規(guī)律分析方法，通過沉積環(huán)境恢復(fù)與沉積微相劃分，精細(xì)劃分地層、煤巖層建模單元及展布特征，有效提高古河道等沉積規(guī)律在模型中的表達。通過礦區(qū)構(gòu)造特征解析及多期斷層組合表達研究，精細(xì)刻畫斷層屬性及展布特征，有效提高了礦區(qū)復(fù)雜斷層形態(tài)在模型中的表達，疊瓦狀逆掩斷層組合建模界面如圖8所示。

圖8 逆斷層組合建模界面

研發(fā)了動態(tài)高精度三維模型精細(xì)構(gòu)建技術(shù)與軟件，開發(fā)了基于DSI算法的專用三維地質(zhì)建模系統(tǒng)TIM-3D，解決了逆掩斷層邊界約束問題，實現(xiàn)了礦區(qū)全要素地質(zhì)模型構(gòu)建與動態(tài)更新。提出了隱蔽致災(zāi)屬性網(wǎng)格體元模型構(gòu)建方法，構(gòu)建礦區(qū)水、瓦斯多屬性地質(zhì)模型；接入礦區(qū)監(jiān)測子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了隱蔽致災(zāi)屬性與模型的同步映射，隱蔽致災(zāi)監(jiān)測數(shù)據(jù)同步映射更新界面如圖9所示。

圖9 隱蔽致災(zāi)監(jiān)測數(shù)據(jù)同步映射更新界面

2.4 一體化透明地質(zhì)保障系統(tǒng)

針對地質(zhì)風(fēng)險預(yù)測評價難、地測業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)分析難、地質(zhì)預(yù)測預(yù)報不準(zhǔn)確難題，研究評價-分析-預(yù)測一體化綜合透明地質(zhì)保障關(guān)鍵技術(shù)，解決了多災(zāi)害預(yù)測預(yù)報、地質(zhì)分析評價、隨采掘推進實時預(yù)測預(yù)報等難題。形成“礦區(qū)-礦井-工作面”3級技術(shù)體系，打造涵蓋Web端、桌面端、移動端APP軟件的地質(zhì)保障算法庫、工具包和應(yīng)用集。

建立與地質(zhì)模型耦合的瓦斯含量、壓力與涌出量預(yù)測模型，提出基于PCA-Aprori算法的隱蔽災(zāi)害關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘及風(fēng)險評價技術(shù)，精準(zhǔn)實現(xiàn)了礦井工作面相對瓦斯涌出量。

研究基于WEB并行融合編碼的模型交互分析與工程輔助設(shè)計技術(shù)，開發(fā)模型在線分析平臺，實現(xiàn)了虛擬鉆孔柱狀圖、任意剖面圖實時在線生成，大幅縮短了制圖工時。開發(fā)的緩坡斜井輔助設(shè)計工具，在穿烏達逆斷層掘進中，突破了復(fù)雜工程二維設(shè)計瓶頸，單次緩坡斜井設(shè)計節(jié)約工時3h，地質(zhì)分析效率提升40%。研發(fā)基于隨采隨掘的工作面地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)，實現(xiàn)了采掘前方150m范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力集中區(qū)的超前預(yù)報，保障工作面安全生產(chǎn)，落差1m以上斷層預(yù)報準(zhǔn)確率大于80%，地質(zhì)保障系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 地質(zhì)保障系統(tǒng)界面

應(yīng)用效果

煤礦遠距離綜合物探及透明地質(zhì)保障系統(tǒng)已在內(nèi)蒙古烏海、東勝、準(zhǔn)格爾，陜西彬長、黃陵、蒲白，新疆準(zhǔn)東、哈密等地區(qū)的36座礦井進行應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

（1）遠距離綜合物探技術(shù)裝備的探測精度從70%提升至92.3%，累計施工進尺大于150000m；透明地質(zhì)保障系統(tǒng)改變了以往井下手工記錄數(shù)據(jù)、素描圖繪制，升井后計算機輔助制圖、導(dǎo)線測量的工作模式，實現(xiàn)井下地質(zhì)寫實數(shù)據(jù)錄入、在線同步、自動計算、繪制和生成地質(zhì)成果，降低了工作強度。

（2）單次地質(zhì)寫實、導(dǎo)向測量工作均可節(jié)約工時約3h，工作效率提升50%。

利用三維地質(zhì)模型的剖面圖生成功能，預(yù)測存在約8m寬的斷層破碎帶，厘清了煤與斷層空間對接關(guān)系，為過斷層掘進提供了地質(zhì)依據(jù)；采用透明地質(zhì)+隨采地震進行實時預(yù)測預(yù)報，預(yù)報5處異常信息均得到驗證，無漏報現(xiàn)象，保障內(nèi)蒙古公烏素煤礦021601回采工作面安全回采950m。

（3）透明地質(zhì)保障體系建設(shè)了“礦區(qū)-礦井-工作面”3級地質(zhì)保障體系和系統(tǒng)，以全信息地質(zhì)模型構(gòu)建為核心，實現(xiàn)隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報，有效提升了煤礦智能化水平和地質(zhì)保障能力，實現(xiàn)了“地測業(yè)務(wù)輔助”到“地質(zhì)綜合保障”的轉(zhuǎn)變。“快掘工作面定向長鉆孔孔中綜合物探超前探測技術(shù)及裝備”“烏海礦區(qū)透明地質(zhì)保障系統(tǒng)研究與示范”2項成果經(jīng)鑒定為國際領(lǐng)先水平，均獲2024年度中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

總結(jié)

（1）煤礦遠距離綜合物探及透明地質(zhì)保障系統(tǒng)實現(xiàn)了地質(zhì)條件因素超前精準(zhǔn)探測、多重地質(zhì)數(shù)據(jù)有效解譯融合應(yīng)用、復(fù)雜地質(zhì)規(guī)律與災(zāi)害特征動態(tài)構(gòu)建，有力支撐了煤礦安全高效生產(chǎn)。

（2）透明地質(zhì)保障體系創(chuàng)新了地測業(yè)務(wù)工作模式，為礦區(qū)隱蔽致災(zāi)因素普查治理提供全面的數(shù)據(jù)與模型支撐，準(zhǔn)確描述礦區(qū)煤炭賦存特征及開采地質(zhì)條件，打通地質(zhì)模型與智能采掘的數(shù)據(jù)壁壘，為智能采掘提供地質(zhì)綜合保障。

（3）未來，進一步研究透明地質(zhì)保障技術(shù)，實現(xiàn)更多場景化應(yīng)用，并致力“AI+地學(xué)”創(chuàng)新研究，實現(xiàn)人工智能和地質(zhì)保障的有機結(jié)合，推動透明地質(zhì)技術(shù)科學(xué)化、實用化、智能化發(fā)展。

“煤礦智能化重大進展發(fā)布會”自 2021年開始，至今已舉辦4次，發(fā)布會吸引了眾多煤礦智能化建設(shè)領(lǐng)域的專家及科研、工程技術(shù)人員，成為展示煤礦智能化建設(shè)成果，交流煤礦智能化科技成果的盛會。

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END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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