煤炭智能开采地质保障技术及展望

董书宁，刘再斌，程建远，陈宝辉，代振华,3，李 丹

煤炭智能开采地质保障技术及展望

董书宁1,2，刘再斌1，程建远1，陈宝辉1，代振华1,3，李 丹1

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；3. 煤炭科学研究总院，北京 100013)

煤炭智能开采是我国煤炭工业在新一轮技术变革下的战略选择，是实现煤矿安全高效生产的必由之路，地质保障技术可为煤炭智能开采提供准确可靠的地质数据支撑，且能有效探查隐蔽致灾地质因素以减少煤矿生产灾害事故的发生。我国煤炭地质保障技术从服务于资源勘查、高产高效矿井建设到服务于煤矿安全高效生产，从基础地质勘查工作、GIS系统到隐蔽致灾因素探查，不同时期的煤炭地质保障技术具有鲜明的特点。分析了在煤炭智能开采背景下地质保障技术面临的3个难题：地质条件探测精度不足、动态地质信息监测困难与智能开采缺乏统一的地质基础。在前期研究的基础上，论述了面向煤炭智能开采的地质保障技术体系，主要包含高精度综合探测、一体化智能在线监测、工作面地质透明化三大关键技术，通过煤炭开采过程中地质信息综合精准感知、动态融合、同步映射和孪生反馈，实现地质保障的数字化、三维可视化和智能化。面对新一轮能源科技革命和产业变革，针对新形势下煤矿安全发展新要求，提出了煤炭智能开采地质保障云平台、技术标准体系构建的发展方向，平台化、标准化的技术体系可为煤炭安全高效智能绿色开采提供可靠的地质保障。

智能开采；地质保障；透明矿井；综合探测；智能监测

煤炭作为我国的主体能源和重要的化工原料，在国民经济中占有重要的战略地位[1]。党的十九大报告指出，绿水青山就是金山银山，必须壮大清洁能源产业，推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。面对新一轮能源科技革命和产业变革，针对新形势下煤矿安全发展新要求，智能开采是实现我国煤矿安全高效生产的必由之路[2]。

在煤炭开采过程中，瓦斯、水害、顶板等灾害事故均与地质条件密切相关[3-5]，在煤矿重(特)大事故中，与地质条件有关的占到事故总数的90%左右[6-7]。近年来，随着我国推出“科技强安”专项行动，坚持“机械化换人、自动化减人、智能化无人”思路，煤矿安全生产形势总体稳定、趋向好转[8]，全国百万吨死亡率明显下降。但随着煤炭开采向深部延伸，在高瓦斯、高地应力、高地温等条件下，瓦斯、水害、火灾、顶板以及冲击地压等多因素复合灾害愈发频繁；同时，高强度、集约化、智能化的煤炭开采技术快速发展，对煤炭安全防控技术提出了新的要求。作为煤矿智能化的技术支撑，煤炭地质保障技术受到了高度重视[9-10]，其贯穿于煤矿生产的全生命周期[11-12]，在灾害防治、隐蔽致灾因素探查、煤炭智能开采等方面发挥着关键作用，是实现煤炭资源安全高效智能绿色开采的基础和前提[13]，在我国煤炭工业健康快速发展中占有不可或缺的重要基础地位[14-15]。

自新中国成立以来，我国煤炭地质保障技术取得了长足的进步，在一定程度上为我国煤矿安全高效生产提供了地质基础。但目前我国煤炭地质保障基础理论研究薄弱，煤炭地质保障工作仍存在地质探测精度不足、动态信息监测困难、信息融合不够等难题，亟需通过理论、技术创新推动我国煤炭地质保障体系的进一步发展，从而服务于煤炭智能开采。基于此，笔者系统阐述了我国煤炭地质保障技术的发展历程，深入分析了在煤炭智能开采背景下地质保障技术存在的难题，在此基础上介绍了煤炭智能开采地质保障关键技术，并提出了煤炭地质保障技术未来的发展方向。

1 煤炭地质保障技术发展历程

我国煤矿生产从人工开采、炮采、普采，发展到非常成熟并广泛应用的综采，目前智能化开采也在如火如荼的探索实践之中[16]。在煤炭开采技术和煤炭工业核心需求不断发展转变的同时，煤炭地质保障系统的核心内涵也在不断丰富完善。自新中国成立以来，我国煤炭地质保障技术的发展从服务于资源勘查、高产高效矿井建设到服务于煤矿安全高效生产，从基础地质勘查工作、GIS系统到隐蔽致灾因素探查，不同时期的煤炭地质保障技术具有鲜明的特点。

建国初期，为了满足国民经济建设对能源的需求，煤炭资源勘查处于煤炭地质工作的首位，其主要目标是寻找和查明煤炭资源分布和储量。自20世纪50年代开始，我国共组织实施了四轮全国范围的煤炭资源预测与评价[17]，据2013年《全国煤炭资源潜力评价》，我国已查明埋深2 000 m以浅的煤炭资源总量5.9万亿t。王钟堂等[18]总结了新中国成立以来我国煤田地质勘探和煤田地质研究方面的主要成果，叙述了中国煤炭资源的形成、分布规律及七个主要聚煤期的煤炭资源远景；毛节华等[19]以第三次全国煤田预测资料为基础，论述了中国煤炭资源的分布现状与前景，指出我国存在晋、陕、蒙、宁、豫和新疆塔里木河以北，以及南方川南、黔西、滇东等富煤区。根据我国煤炭资源分布特征，目前共有四种不同的煤炭综合区划方案：一是魏同等[20]提出的“三带七区”划分方案，二是第三次煤炭资源预测与评价时提出的“五大赋煤区和七大规划区”划分方案[21]，三是田山岗等[22]提出的“井”字形区划方案，四是中国煤炭地质总局在2011年“全国煤炭资源潜力评价”提出的“三带六区”划分方案[23]。但也应注意到，目前已有的煤炭资源评估体系还不完善[24]，其评估内容不应局限于资源本身，还应拓展资源运用范围，包括勘查区域生态环境、土地与资源等内容。

改革开放以来，我国社会经济飞速发展，对煤炭资源的需求愈加强劲，以高产高效为主要特征的“双高矿井”建设逐渐成为煤炭工业整体发展的战略选择。1992年，根据国内外煤炭工业形势和我国煤炭现代化建设的需要，原煤炭工业部做出了在全国煤炭行业建设高产高效矿井的决定[25]，这从根本上改变了煤炭行业长期存在的用人多、效率低、安全性低的状况。要实现高产高效矿井建设必须提高煤矿采煤机械化率，采用集约化生产模式，这就对煤炭地质保障技术提出了更高的要求。由于地质条件不清严重制约了煤矿生产效率，煤矿地质、水文地质条件的超前探查变得十分迫切，煤炭地质保障工作不再仅仅是寻找和查明煤炭资源，还需以查清井田开发地质条件为目的，为矿井建设、设计与开发提供依据，从而合理开发利用煤炭资源。因此，在“九五”建设时期，我国把地质保障系统作为煤矿高效安全开采的关键技术，列入高产高效矿井建设保障体系[26]。此外，柴登榜等通过对我国矿井地质工作的全面总结和调查，系统地提出了矿井地质工作方法并编写出版了《矿井地质及矿井水文地质》[27]《矿井地质手册》[28]；赵存明等[29]将双高矿井地质工作划分为井田范围主采煤层开采地质条件评价、采区采前地质条件探查、综采工作面地质条件超前探测3个层次；彭苏萍[30]先后针对开采工作面地质状况掌握较少，综采工作面采煤效率影响严重和安全事故频发等问题，形成了地面、采区、工作面及巷道配套技术，为高产高效工作面(矿井)提供可靠的地质保障。1998年，中国煤炭学会矿井地质专业委员会指出需要推广地质探测技术，建立安全地质保障系统，进一步推动了高产高效矿井建设[31]。

经过十多年的发展，我国高产高效矿井地质保障技术取得了突破性进展，基本构建形成了“双高”煤炭地质保障体系[32]。总体来说，“双高”煤炭地质保障体系是煤田地质勘探技术方法的延伸和深化，其应用范围从矿井规划建设到综采工作面回采结束，贯穿煤炭开采全过程的地质探测、研究、预测过程[26]。从技术上看，高产高效矿井地质保障工作[33]是根据高产高效矿井机械化、集中化程度高的特点，以地质量化预测为先导，以物探、钻探等综合技术为手段，并依托先进的计算机技术实现地质工作的动态管理，主要包括3个方面：①将地球物理技术、基础地质勘探手段与地理信息系统(GIS)技术有机结合，并应用于煤矿采区开采地质条件的预测与评价；②利用地面三维地震、矿井物探、地面钻探和井巷工程等多元数据，查明采区内断层分布、煤层埋藏深度与厚度、煤层的倾角与露头位置、岩溶裂隙发育带的分布和隔水层厚度；③利用GIS技术建立矿井多元信息集成系统，把三维地震、矿井物探、构造地质、水文地质等多元信息进行复合、综合分析后建立预测与评价模型，实现地质资料信息化和数字化。

21世纪以来，煤炭工业快速发展，在采煤工艺和技术装备研发方面都取得了长足的进展，煤矿生产效率和质量持续走高，出现了煤炭“黄金十年”现象[34]。但由于煤炭开采过程中隐蔽致灾地质因素尚未探查清楚，煤矿各类地质灾害事故频发，煤炭地质保障技术亟需从服务于矿井建设升级到服务于煤矿生产，从地面到井下全方位服务于煤矿隐蔽致灾地质因素的探查与治理，实现煤矿的安全高效生产。韩德馨等[35]指出安全高效矿井地质保障系统采用量化预测、综合探测等技术，依托计算机等先进技术，查明影响煤炭开采的地质因素，为煤矿生产各个层次和阶段提供可靠的地质保障；赵宗沛等[36]提出了基于地质基础资料的管理、地质资料综合分析和采前地质探测，建立适于不同层次、不同地质条件的地质安全保障系统；笔者[14]论述了煤矿安全高效生产地质保障技术、装备及应用现状，指出煤矿生产是一个庞大的地下系统工程，准确的地质资料和超前预测是煤矿安全和高效生产最根本的保障条件。

煤炭安全高效开采地质保障主要是对煤矿隐蔽致灾地质因素的探查与治理[37]。国外相关机构在瞬物探领域取得了一系列成果。国内以中国煤炭科工集团为代表的研究院致力于煤炭开采地质保障技术研究，主要是以矿井地质规律分析技术方法为基础，采用先进的计算机信息处理技术，结合物探和钻探技术，对隐蔽致灾地质因素进行探查与预测，研发出了先进的物探、钻探技术与装备。以三维地震、地面电法、矿井电法、槽波地震等为特色的地球物理探测技术与装备趋于成熟[38-41]，煤层底板高承压奥灰岩溶水害隐患地面区域超前治理的新技术得到应用[42]，煤矿井下顺煤层超长定向钻孔创造了3 353 m的世界纪录[43]，这些技术与装备的发展为我国煤矿安全高效生产提供了坚实的地质保障。

2 煤炭智能开采地质保障技术难题

目前，煤炭工业正面临新一轮的技术革命和产业变革，2020年3月，八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》[44]，指出要重点突破精准地质探测、重大危险源智能感知与预警，到2025年实现开拓设计、地质保障等系统的智能化决策和协同运行，煤炭地质保障进入了服务于煤炭智能开采新阶段[45]。彭苏萍[46]指出从地质层面确保智能开采工作的顺利进行，提高矿井地质的透明化水平是地质保障的核心。王国法等[47]指出工作面智能开采必须建立在煤层地质情况全面详细了解的基础之上，需要在多源异构数据的统一表达及信息动态关联上进一步攻关。笔者[48]指出煤矿智能化开采是煤炭工业转型升级的必然发展趋势，这就要求煤炭地质保障系统不仅要在精准探测技术上实现颠覆性创新和跨越式发展[49]，还要实现数据、信息、知识三层架构下的全息透明[50]。但总体来说，我国煤炭智能开采地质保障技术还未成熟，仍然面临以下3个方面的技术难题。

2.1 地质条件探测精度

目前以“远程视频监控、采煤机记忆截割”为主要特征的智能化开采，主要通过高清摄像头和传感器获取工作面的实时工况，利用记忆截割技术指导采煤机自动截割，但该开采方法不具有普适性，只适用于煤层起伏变化小、地质构造简单的工作面，无法适应在煤层起伏变化大、地质构造复杂的工作面连续工作，制约了煤矿智能化开采的推广[51]。因此，要想真正实现煤炭智能开采，必须对矿井地质构造、煤层变化等进行精准探测和动态解释[52]。目前，采用高精度三维地震对地下煤岩层的控制精度达到十米级，井下槽波、无线电波透视等其他主要物探手段的控制精度在米级，但是智能开采工作面采煤机滚筒控制精度要求达到厘米级，如何进一步提升煤炭地质条件探测精度，并集成多种探测技术，动态融合更新标定地下煤岩层空间位置，建立多属性动态三维地质模型，以此指导三机协同工作是煤炭智能开采地质保障面临的一大技术难题。

2.2 动态地质信息监测

随着煤矿井下“采、掘、机、运、通、排”六大系统智能化、无人化的进程不断推进，大量智能传感器广泛应用于矿井生产各个子系统，通过对矿井全要素、全周期进行智能在线监测与信息互馈，从而实现数字化管控[53]。一般来说，矿井地质动态信息监测主要采用微震、连续电法等常规手段对重点区域的状态信息进行监测。但是，由于采掘扰动，煤炭开采围岩平衡性有可能被破坏，若地质条件失稳，会引发各种地质灾害。因此，需要及时准确地获取采区地质条件的变化信息，减少事故的发生[54]。目前，矿井地质动态信息监测中应用的电法监测和微震监测，虽然监测范围相对较大，但数据处理存在一定的延时性；水文监测、瓦斯监测和应力监测虽然实时性相对较高，但监测范围相对较小；此外，地质测量工作远没有摆脱单一化的监测手段和人工辅助测量分析的局面，由于监测手段落后，很难及时获取煤矿开采过程中隐蔽致灾因素前期的先兆信息，成为制约煤炭智能开采的又一技术难题。

2.3 统一的地质基础

煤矿工业信息网络越来越成熟，生产系统以及地质资料等数据库的建立使得各专业数据获取量迅速增长，在单一的子专业系统领域，充分发挥了专业信息的创造性，提升了煤矿数据资料的利用率和准确率[55]。但是地质系统与开采系统存在系统壁垒，相对孤立封闭运行，缺少互联互通，海量多源地质数据通常未被充分的利用、挖掘和融合，不能服务于煤炭智能开采，形成了数据孤岛，造成资源的浪费[56]。

此外，煤矿智能化子系统都拥有各自的基础平台，且每个平台中专业软件与数据管理标准一一对应，专业化软件和数据库等采用单独计算、存储和网络通信资源的烟囱式部署[57]，由于缺乏统一的地质基础，未建立煤矿地质信息化标准体系，设备间的通信协议、数据格式等都依照之前的孤立专业子系统设置，数据端接口封闭，这就导致智能开采地质保障各子系统之间无法实现实时互联互通，业务体系与流程相互孤立，未能形成真正的数字化管控体系。因此，为实现煤炭智能开采，充分挖掘多源海量地质数据并有效地服务于煤炭开采，打通地质与各系统之间的壁垒，为煤矿生产提供统一的地质基础是亟需解决的技术难题。

3 煤炭智能开采地质保障关键技术

针对以上3个方面的技术难题，在以往煤炭地质保障技术研究的基础上，可以构建面向煤炭智能开采的地质保障技术体系，主要包含高精度综合探测、一体化智能在线监测、工作面地质透明化三个方面。

3.1 高精度综合探测

地质信息的获取是煤炭智能开采中地质透明化的基础，如何获取高精度的地质信息是煤炭地质保障的重要任务之一。为突破地质条件探测精度不足这一瓶颈，更好服务于煤炭智能开采，程建远等[58]提出利用高精度综合探测技术对矿井进行多层级、递进式探测。高精度综合探测技术[59]主要包括高密度全数字三维地震探测技术、井下槽波地震探测技术、定向钻探技术和孔中物探技术等。

高密度全数字三维地震勘探提高了地震数据的信噪比和分辨率[60]，增强了小地质目标体成像功能，可以更真实地反映煤层的真实构造形态。目前，高密度全数字三维地震勘探在查明煤层顶底板、小断层、陷落柱等方面已经取得了显著的效果，有望为今后的透明工作面三维建模提供准确的地质数据。

井下探测手段中，槽波地震勘探通过高震源激发频率，在探测范围内布置接收点和激发点，实现高接收信号频率、强能量、高信噪比、高分辨率成像等功能。目前，槽波地震勘探在透明工作面内部构造探测上，可以实现冲刷带、小断层等的精细探测，其探测准确率大于80%，成为煤矿地质精细化探测的一项关键技术[61]。

定向钻探技术具有探测距离远、探测精度高等特点，可以实现煤层稳定性、充水水源、采空区、陷落柱以及断层等[62]探查，但其施工成本相对较高、探测范围较小。因此，需充分利用钻孔、结合物探手段对钻孔径向一定范围内的地质构造、煤层顶底板起伏、煤岩界面、低阻异常区等综合探测。此外，利用孔中三分量瞬变电磁探测可以准确定位异常体的深度和方位；利用钻孔雷达可以测量出顺煤层钻孔煤层顶底板位置，为高精度三维地质建模提供依据。

基于上述高精度探测技术，利用智能化仪器设备，采用多层级、递进式探测方法，通过地面勘探、井下探测、采掘揭露等手段分别构建工作面黑箱、灰箱、白箱、透明箱地质模型，可以解决地质条件探测精度不足的问题，逐级实现地质透明化，进而为煤矿探、掘、采一体化生产服务。

3.2 一体化智能在线监测

煤与瓦斯突出、冲击地压、矿井突水、断层或陷落柱等煤矿动力灾害是制约煤炭智能开采的隐蔽致灾地质因素，需采用多种技术手段对各类致灾因素进行实时监测，并对工作面内的空间环境状态进行获取，从而实现灾害预警，减少煤炭开采过程中灾害事故的发生。

微震监测技术[63-64]具有实时、连续监测的优点，能实时监测岩石破裂现象。采用微震监测手段对工作面内部进行探测与解释，可实现工作面顶底板破坏的在线监测以及导水通道从孕育、发展到最终失稳全过程描述。

电法监测[65]可以实时在线监测采动过程中煤层顶底板视电阻率的变化结合微震监测结果，可以分析围岩破坏范围和含水体是否导通等。

除了矿井水害等监测之外，还需进一步丰富地质结构信息，利用掘进机切割煤体所产生的地震回波信号作为巷道随掘超前探测的震源激发信号，基于多源地震理论及相关干涉理论，利用巷道随掘超前探测三维成像技术进行时域、频域分析、相关干涉及随掘地震成像，实现掘进工作面前方100~ 300 m范围内地质构造的动态、智能探测[66]。煤矿智能化开采是一个系统工程，随采随掘随钻智能探测技术，将为智能开采、智能掘进提供高精度的“地质导航”。

煤矿智能化透明矿井建设、灾害精准预警需要更高精度的监测数据，提升地质信息精度不但需要多属性监测技术，还需要改进监测材料及工艺。光纤光栅传感器利用光纤光栅波长变化的高灵敏性，对温度、应力、应变、加速度等物理量进行高精度的直接测量。可用于监测井下水温水压、应力应变等物理参数[67]，为灾害预警提供基础的参数信息。

依托先进的动态监测技术及材料工艺，丰富和完善了煤矿开采工作面地质属性信息，为了进一步对煤矿井下进行空间定位和场景重构，采用井下抗干扰能力强、点云密度大的高精度三维激光雷达[68]，对地下环境进行3D成像及同步定位与地图构建。基于三维激光雷达扫描可以创建虚拟的采煤场景，将井下数字化采掘设备映射在虚拟场景中，实现采掘活动的真实重现。

通过上述多物理场、多参数的一体化实时在线监测，可为煤炭开采过程中灾害预警提供理论和数据支撑，促进煤矿安全高效智能开采。

3.3 工作面地质透明化

煤炭开采是一个随时空变化的动态过程，因此，在工作面开采过程中的地质认识也是一个不断深化和更新的过程。这就需要充分利用煤矿生产各个阶段的多源异构地质数据，通过这些数据提取出可利用于煤炭智能开采的地质信息，进而实现工作面地质透明化。工作面地质透明化技术流程如图1所示。

首先，煤炭智能开采地质探测、监测数据可以分为3类：以地面钻探、物探等数据为主的静态数据；以工作面巷道掘进和回采期间得到的更新数据为主的动态数据；以工作面回采过程中获得的随采地震、电磁法监测、微震监测等在线监测数据为主的实时数据。这些多源数据存在复杂性、异构性、海量性、孤立性，但又存在相关性，通过多源异构数据配准标定、交叉验证、联合反演，整合安全可靠、高性能的数据预处理算法，聚合动态、静态、实时监测数据，将多种异构数据源一键接入，降低地质数据的多解性，提高数据的精度，逐级完成数据级融合、特征级融合、决策级融合[69]。

图1 工作面地质透明化技术流程

其次，利用高密度三维地震数据体为基础地质构造框架，以钻探、采掘数据、钻孔雷达等进行模型动态标定，实现煤矿井下地质构造几何建模，并通过槽波地震勘探和电磁法探测的地质信息进行构造和含水体等属性填充，以多种智能在线监测手段同步实时映射更新工作面地质模型，实现动态逐级透明化建模。

再次，为了将融合建模后的统一数据体转化为服务于智能开采的信息和知识，需将新一代信息通信技术与传统地质勘探、煤炭开采深度融合，搭建“数据透明-信息透明-知识透明”三层全息透明架构，构建包含智能传输控制、智能数据服务、智能应用三大部分的流程化分工协作模式，首先将动态数据聚合集成，将信息结构化后系统升级为知识，完成数据、信息、知识对事物认识的3个连贯阶段，使架构体系更好地运行，采用流程化、模块化的思想，将5G、云计算、数字孪生、服务中台等新兴技术与传统地质行业相结合，实现开采智能控制、数据智能服务和模块智能应用，打通地质信息与开采系统之间的壁垒，实现从地质到开采各个要素之间统一的规范化集成、系统化重构。

最后，基于多源数据融合技术和三维可视化建模技术，将井下各类物探、钻探数据进行集成、融合和分析，实现模型的动态更新和实时可视化表达。在此基础上，构建数字孪生模型[70]，将真实开采工况映射至虚拟空间，对物理实体的几何、构造特征进行仿真描述，基于一个多维多属性矢量空间框架与平台，真实展现出物理模型的几何形态和属性状态，指导智能开采，实现三维动态地质模型与煤矿生产决策系统实时互馈和动态优化。

4 煤炭智能开采地质保障技术展望

随着以工业物联网、数字孪生、人工智能、大数据、云计算等为代表的新一代信息通信技术在煤矿智能化建设中落地应用，煤炭智能开采对地质保障技术提出了更高的要求。针对地质信息的有限性、隐蔽性、灰色性和多解性，以及多源海量信息间成非线性的特点，煤炭地质保障技术不仅需要采用人工智能等辅助决策技术来确定隐蔽致灾地质因素，实现智能预警，还需将各种形式的数据按照统一标准集成到统一平台上，采用多源信息的聚合、整合、融合处理技术和数据挖掘技术进行处理且通过统一网络集成，实现信息共享和功能共享。因此，笔者提出煤炭智能开采地质保障技术平台化、标准化的发展方向，为安全高效智能绿色的煤炭开采提供可靠准确的地质保障。

4.1 智能开采地质保障云平台

煤炭智能开采是一个多专业、多领域融合的巨系统[71]，地质保障是其重要基础，须将各项地质工作充分融入煤炭智能开采各个系统中，在横向上整合多专业系统，纵向上集成多业务层级，使得煤炭智能开采地质保障体系流程更加完善。

煤炭智能开采涉及地质、掘进、开采、通风、机电、运输、排水、安全等多个专业与部门，利用大数据、云计算等技术，采用数据协同及多专业协作机制，建设地质保障云平台(图2)：通过建设时空一体化数据库，统一数据标准与口径，利用应力、温度、湿度、浓度等多参数传感器监测技术装备，从而对煤矿地质空间信息动态修正，实现了煤矿生产各部门的信息集成与共享，加大统一管控的能力；通过大数据以及人工智能进行分析和预测，提升决策支持水平，拓展业务集成融合的广度和宽度，信息全面集成，数据标准准确统一。

地质保障云平台实现了地质探测数据的数字化分类存储，增强了数据信息的实时性、共享性、标准性及可靠性，为煤矿水害监测预警、瓦斯抽采监测决策、冲击地压监测分析、智能通风监测管控等地质保障工作提供统一平台；提供了地质信息和工程信息共享和协同处理机制以及三维交互可视化展示，为智能开采提供高精度电子地图导航，为数据采集、整合及分析应用提供支撑，优化和重构地质保障工作流程，为智能开采数字化管控提供了地质基础；通过基础设施、数据传输、数据中台、服务中台、服务应用、应用前台和用户入口实现数据、信息、知识的全息透明，在此基础上构建智能地质保障系统，为煤矿生产与决策提供智能地质综合保障，进而实现煤矿的绿色智能开采。

图2 地质保障云平台技术架构

4.2 智能开采地质保障技术标准体系构建

煤矿智能化给地质保障技术的发展带来了前所未有的挑战和机遇，目前我国仍处于煤矿智能化的探索阶段，相应的煤炭智能开采地质保障技术也处于初级发展阶段，需要不断的完善改进。但由于我国煤层赋存条件复杂多样，不同煤炭企业对煤矿智能化的开采要求、技术路径和发展目标等存在较大差异，相应的地质保障技术需求也不尽相同。此外，如何对煤炭智能开采地质保障技术进行评价也是行业内面临的一个难题，例如如何定义量化指标和评作工作面透明程度等。因此，需要全面分析煤炭智能开采对地质保障技术的要求，深入研究地质保障技术的评价方法，编制相应技术标准，不仅可以规范地质保障技术和装备的应用，还能通过量化指标对地质保障系统进行准确可靠的评价。

煤炭智能开采地质保障技术标准体系应包含基础地质工作、矿井水害防治、煤矿瓦斯治理、冲击地压防治和煤矿地质透明化的相关技术与评价方法。基础地质工作指建井、掘进、回采前、回采中的地质勘探工程和具备的地质资料分析、制图等；矿井水害、瓦斯、冲击地压等灾害防治应对其超限预警指标、防治措施等做出相应规定；煤矿地质透明化主要包括数据采集要求、数据处理存储方式、三维建模、透明度评价方法等做出具体规定。

煤炭地质保障技术标准体系的构建具有可操作性和高可靠性，有利于提高煤炭地质保障工作的科学性、全面性、系统性和预见性，为煤炭智能开采提供准确可靠的地质基础，从而加速煤矿智能化建设，促进我国煤炭工业的转型升级。

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Technologies and prospect of geological guarantee for intelligent coal mining

DONG Shuning1,2, LIU Zaibin1, CHENG Jianyuan1, CHEN Baohui1, DAI Zhenhua1,3, LI Dan1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technologyand Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China; 3. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

Intelligent coal mining is the strategic selection of the coal industry under the new round of technological change. It is the way that must get through to achieve efficient production of coal mine safety. Geological guarantee technologies can provide accurate and reliable geological data for intelligent coal mining. Moreover, it could reduce the occurrence of coal mine production disasters and accidents by effectively detecting hidden geological factors. The development process of coal geological guarantee technologies in China is systematically expatiated, from serving for resource exploration, high-yield and efficient mine construction to serving for safe and efficient production of coal mines, from basic geological exploration work, GIS mapping to hidden disaster factors detecting and exploration. Coal geological guarantee technologies in different periods has distinct characteristics. In sufficient accuracy of geological condition detection, difficulty of monitoring dynamic geological information and lacks of unified geological foundation were analyzed. An upgraded geological guarantee technology system for intelligent coal mining which mainly contains high precision integrated detection, integrated intelligent on-line monitoring and geology transparency of mining workface was put forward on the basis of the previous geological guarantee technologies research. It could realize digitization, 3D visualization and intellectualization of geological guarantee through the comprehensive accurate perception of geological information, dynamic integration, synchronous mapping and digital twin feedback during mining. Facing a new round of energy science and technology revolution and industrial change, considering the new requirements for coal mine safety under the new situation development, the development direction of geological support cloud platform and technical standard system construction were put forward. Platform-based and standardized technology system can provide reliable geological guarantee for safe, efficient and intelligent green coal mining.

intelligent mining; geological guarantee; transparent mine; integrated detection; intelligent monitoring

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TD163

A

1001-1986(2021)01-0021-11

2020-12-26；

2021-01-21

国家重点研发计划项目(2017YFC0804100)；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项重点项目(2019-TD-ZD003)；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目(2018-TD-MSD072)

董书宁，1961年生，男，陕西蓝田人，博士，研究员，博士生导师，从事矿井水害防治与地质保障技术研究工作. E-mail：dongshuning@cctegxian.com

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(责任编辑 晋香兰)