唐家会煤矿透明地质保障系统构建及示范

刘结高 ，程建远 ，疏义国 ，刘再斌 ，高银贵 ，高耀全 ，陆自清

（1.淮河能源西部煤电集团，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.鄂尔多斯华兴能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

2014 年，黄陵一矿首次在1001 工作面实现了智能化开采，对全国煤矿智能化开采起到了示范和引领作用[1]。2020 年，国家发改委等八部委联合下发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，提出了全国煤矿智能化“三步走”的整体部署，并发布了首批71 对智能化示范煤矿建设名单；2021 年，国家能源局、国家矿山安全监察局联合颁布了《煤矿智能化建设指南》《智能化煤矿验收管理办法（试行）》等，山西、内蒙古、陕西、贵州等产煤大省/自治区出台了煤矿智能化配套的政策要求[2-3]。据统计：全国煤矿智能化采掘工作面数量已经从2014 年1 个、2015 年3 个，迅速扩大到2019 年275 个、2020 年494 个[4]，根据《煤矿安全专项整治三年行动实施方案》的要求：2022 年要力争采掘智能化工作面达到1 000 个以上，煤矿智能化发展进入快车道。

目前，煤矿智能化建设尚处于起步阶段和初级水平，主要以“有人跟机，无人巡视”“记忆截割为主，人工干预为辅”为主要技术特征，适合在地质条件简单-中等条件下推广应用，复杂地质条件下智能化开采仍是一个亟待突破的难题，一是因为现有智能开采设备对复杂地质条件的适应性较差，二是因为目前地质条件的探测精度和透明化程度不够。如何提高煤矿地质条件探查的精度、实现地质透明化成为制约煤矿智能化建设的技术瓶颈问题[5-6]。围绕“透明地质”对智能开采保障支撑能力不足的问题，王国法院士从地质数据数字化、探测技术精度与范围、三维高精度建模技术、地质信息与工程信息融合以及探测技术装备的智能化等方面，分析了透明地质的“痛点”，并给出相应对策，指明今后“透明地质”技术的发展方向[7]。

针对唐家会煤矿复杂的地质条件、严重的水害威胁，及特厚煤层综采放顶煤开采工艺，笔者以水害防治为重点，以透明地质技术为基础，构建独具特色的煤矿地质透明化技术体系，以期实现减人、提效、保安的煤矿智能化建设目标。

1 透明地质的建设基础

唐家会煤矿地处内蒙古准格尔煤田的西北部，主采石炭系太原组6 煤层，核定生产能力900 万t/a。建设安全高效智能化煤矿主要面临地质构造较复杂、水害威胁严重两大难题以及地质条件不透明等困难。

1.1 地质构造较复杂

唐家会煤矿井田面积28.57 km2，主采的太原组6 煤埋藏深度约500 m，平均煤厚16 m。井田及周边共有钻孔98 个，其中，见6 煤钻孔98 个、见4 煤钻孔73 个、见奥灰钻孔44 个；一盘区常规三维地震勘探面积8.4 km2、二盘区高密度全数字三维地震满覆盖面积7.17 km2，两盘区三维地震共解释了断层102 条，包括错断6 煤层的断层90 条，解释了2 条近NE 走向的断层条带，将一盘区与二盘区切割为3 个大的块段（图1）。

图1 唐家会煤矿6 煤断层分布Fig.1 Faults distribution of No.6 Coal Seam of Tangjiahui Coal Mine

唐家会煤矿井巷采掘期间实际揭露断层80 余处，其中，断层落差最大达18.5 m。煤层次级褶曲发育，构造地质条件比较复杂[8]。

1.2 奥灰水害较严重

唐家会煤矿6 煤开采受顶板砂岩水、底板奥灰水威胁。上部4 煤、5 煤和6 煤顶板砂岩水为6 煤开采直接充水含水层，疏放水钻孔单孔最大水量为158 m3/h；6 煤与下部奥灰平均间距50 m，井下实测奥灰水压为0.8～1.05 MPa，突水系数为0.024 0～0.031 8 MPa/m。虽然煤层底板奥灰含水层的突水系数不大，但6 煤底板的断层、垂向裂隙切割发育到奥灰就会形成天然的导水通道，威胁6 煤层安全开采。如2014 年5 月28 日井筒掘进揭露断层时发生突水，初期突水量达500 m3/h，水质分析表明为断层破碎带导通的奥灰水[9-10]；2015 年副风联巷过断层时突水量约500 m3/h，从水量及突水点位置形态分析，导水通道应是导水断层，导水断层导致隔水层完全失去隔水能力。

根据61303 工作面底板破坏工程探查成果，6 煤底板最大破坏带深度为15 m、最大扰动影响深度达32 m。因此，在正常地层条件下，奥灰含水层水为间接充水水源；在有垂向导水构造发育块段，奥灰水可能通过垂向导水构造直接进入矿井，为直接充水水源[11-12]。

1.3 地质条件不透明

煤矿安全高效智能化开采离不开精准三维地质模型，而三维地质模型是以大量可靠的地质数据为支撑的。

自1954 年开始找煤以来，唐家会煤矿通过各种地质勘探、采掘工程等手段获取了大量宝贵的地质信息，但是以往这些信息仅仅是存在于地质人员的脑海中和资料室，最多以二维AutoCAD 图件的方式表现出来，没有形成三维可视化的地质模型；煤矿大量采掘工程揭露的实时地质信息，因缺乏有效的技术手段，难以动态地反映到采掘地质预报图中。因此，地质数据、信息与知识的存在方式是离散的、孤立的，展示方式是二维的、静态的，导致地质条件不透明，难以支撑智能化开采。

2 透明地质的顶层设计

透明地质是国外最早提出的“玻璃地球”的延伸，“玻璃地球”最初是由澳大利亚地质学家Carr 等提出的，其含义是利用地质信息技术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。2017 年，袁亮院士发表了“煤炭精准开采科学构想”一文，提出并诠释了透明地质的概念[13]；董书宁将工作面地质透明化列为煤炭智能开采地质保障技术体系的三大关键技术之一[14]；刘再斌提出以采前、采中产生的多源异构数据为基础，通过开采系统循环互馈的透明工作面动态建模技术[15]。专家学者对于透明地质的内涵、外延与透明地质模型的构建方法等进行了广泛的讨论[16-18]。

2.1 设计思路

本文所谓的透明地质主要包括两层含义，一是三维地质可视化，即利用先进的计算机、信息技术手段，将过去零散的、孤立的多元地质信息集成起来，构建起服务于特定目标的三维地质可视化模型；二是采用先进的探测、检测、监测、预测及预警等技术手段，提高采掘前方地质体的探测精度，通过融合工程采掘信息，形成一个高精度、动态优化的三维透明地质模型，支撑煤矿智能化采掘两条作业线的高效运转。

实际上，“透明地质”不是为了好看而是为了好用，应当以高精度综合探测技术为核心、以三维地质可视化平台为支撑，为煤矿智能化提供三维地质数据的可视化分析、可视化设计和可视化决策的地质服务。经过不断探索和实践，唐家会煤矿形成了透明地质建设“15132”的顶层设计思路（图2），其中“1”是以奥灰水害防治为重点，“5”是以孔中瞬变、孔间电阻率、随掘地震、随采地震、微震监测5 项先进技术为支撑，“1”是构建唐家会煤矿实时动态智能地质保障系统，“3”是实现透明防治水、透明掘进、透明回采3 个目标，“2”是支撑自主截割快速掘进和自主规划智能回采2 条智能采掘作业线。

图2 唐家会煤矿透明地质保障的顶层设计Fig.2 Top-level design of the transparent geological guarantee system in Tangjiahui Coal Mine

2.2 系统架构

唐家会煤矿透明地质保障系统软件平台的搭建中，围绕顶层设计的总体思路，按照煤矿应用场景对地质保障的实际需求，主要设计开发了透明地质模型、透明防治水、透明掘进、透明回采以及地质数据中心几大功能模块（图3）。

图3 透明地质保障系统软件平台界面Fig.3 Transparent geological guarantee system software platform interface of Tangjiahui Coal Mine

其中：地质数据中心模块主要汇聚了唐家会煤矿地质勘探的所有历史数据，并动态接入最新的地质探测、动态监测、采掘反馈等数据，为透明地质建模提供基础数据库；透明地质模型设计采用地面、地下地质场景建模分类、分级搭建的方式，在三维地质、水文地质初始模型基础上，不断融入新的数据信息进行模型优化，为上述“3”个目标的实现提供三维地质动态模型；透明防治水模块是在三维水文地质模型上，开展地面、井下防治水钻孔的WE3 设计以及工程实见信息的接入，形成“设计-施工-设计优化-施工调整”的闭环作业；透明掘进模块具备以透明地质模型为基础给掘进机提供地质预测剖面的功能，同时融入定向钻探、智能钻探、钻孔物探等超前探测信息，实现掘进工作面前方煤层赋存形态及地质异常体动态可视化展现；透明回采模块设计的主要功能是以动态地质透明模型为基础，形成规划截割曲线并下发至采煤机控制系统，同时对回采过程中底板破坏深度及奥灰水导升高度的微震监测、电法监测结果实时再现。

3 透明地质的应用场景

唐家会煤矿以透明地质为基础、以水害防治为重点，围绕水害防治、快速掘进和智能开采3 大应用场景，率先采用智能钻探、孔中瞬变、孔间电阻率、微震监测、随采探测、随掘探测等先进装备与技术，构建了三维实景化、动态化、透明化地质模型，为唐家会煤矿安全高效智能开采提供了地质保障。

3.1 水害防治地质透明化

唐家会煤矿主要有4 个充水含水层，分别是第四系松散层潜水含水层、白垩系下统志丹群孔裂隙承压水含水层、石炭-二叠系碎屑岩类承压水含水层和奥陶系石灰岩岩溶承压水含水层，其中对矿井安全生产威胁最大的是奥灰含水层，6 煤带压最大为1.21 MPa；主要导水通道包括断层、陷落柱和较为发育的垂向裂隙带，奥灰水可通过导水陷落柱或断层等直接进入矿井，成为直接充水来源，还可通过断层等补给石炭系砂岩再进入矿井，成为间接充水水源，威胁安全生产。围绕奥灰突水隐患的探查、治理、检测和监测，唐家会煤矿开展了大量的钻探、物探和采掘工程，先后在地面施工了多个奥灰观测孔、注浆治理孔，建立了井上下水文监测系统；同时，在井下开展了6 煤底板超前区域注浆改造，获得了丰富的水文地质基础资料。

为了实现水害防治地质透明化，唐家会煤矿通过构建三维地质模型和水文地质模型，将含水层的水位实时动态信息，井下巷道与钻孔的出水点、出水量等信息，准确映射到三维水文地质模型上（图3）。随着水文信息量逐渐增多，模型精度逐级提高，逐步逼近真实三维地质体，为奥灰水害立体监测、可视化防治和智能化决策提供了科学依据。

图4 是61304 工作面防治水的实例：地面三维地震在工作面切眼附近发现奥灰顶界面存在一个凹陷状异常区，发育到煤层底板附近，采用地面定向钻探技术对该异常区进行靶向治理，通过定向探查和注浆治理改造，共注入浆液1.9 万t，掩护了304 采煤工作面的安全掘进；在两巷掘出后，矿井音频电透视发现煤层底板仍有小范围异常区发育，采用井下定向钻孔的注浆改造技术，同时通过孔中瞬变电磁技术对钻孔周围低阻异常区范围进行圈定；在底板定向钻孔对异常区进行二次封堵后，通过预置在两孔中的收发装置，对孔间注浆效果进行检测；最后，在工作面回采过程中，利用预埋在煤层底板的电法监测系统，结合微震监测系统，实现了对底板破坏深度和奥灰承压水导升高度的动态连续监测。

图4 水害隐患全时空防治Fig.4 Schematic diagram of ubiquitous control and prevention of water hazards

井巷工程施工前，综合三维地震、瞬变电磁、水文补勘等成果，圈定水文异常区；在井下采掘工程施工中，利用定向钻进技术、钻孔物探、孔间物探、电法监测、微震监测等技术，对异常区开展地面靶向精准探查、注浆治理、效果检测和回采监测，实现了水害预测、探查、治理、检测、监测及预警等全时空的地质透明化。

与相邻的61303 常规综放工作面相比，61304 工作面通过综合探测、检测与监测等技术手段，实现了防治水地质透明化、回采地质透明化等，超前处治了水文地质异常区，减少了排水费用，保护了地下水资源，多采煤炭超过85 万t，经济效益超过4 亿元，彰显了依靠科技进步，实现煤矿安全高效绿色开采的目标。

3.2 快速掘进地质透明化

唐家会煤矿地质条件比较复杂，煤层埋藏深、厚度大、断层多、褶曲发育，且存在垂向裂隙发育等地质问题，煤矿智能化建设具有一定的难度，因此，其智能化建设对国内煤炭行业更具有典型示范、标杆引领的作用。围绕复杂条件下煤矿巷道快速掘进，唐家会煤矿开展了快速掘进地质透明化系统的研发与示范，取得了良好的应用效果。

61302 掘进工作面引进了横轴式掘锚一体机快掘作业线，实现掘、支、锚、运、破一体化连续平行作业，这对以往的矿井地质超前探测工作形成了挑战。为了适应横轴式掘锚一体机掘进速度快、探测场地受限的问题，采用基于底板定向长钻孔的“掘进、探测平行作业”技术，其中，定向钻孔沿6 煤底板下35～45 m 进行探查及注浆加固，孔中瞬变电磁对钻孔周围30 m 半径范围内含水异常区进行扫描（图5），定向孔一次施工600～1 000 m。该方法不但解决了掘进工作面超前探测时间、空间不足的难题，而且为快速掘进过程的防治水安全提供了地质保障。在此基础上，首次采用随掘随探智能物探技术，通过在工作面后方的巷道侧帮安置地震传感器，以掘进机截割煤壁时产生的震动为震源，实时接收地震波在遇到工作面前方存在的断层、陷落柱、采空区等边界时产生的反射波（图6），在地面开展动态化、智能化处理，从而实现采掘前方100 m范围内地质构造的超前滚动、精细探测，满足了快速掘进对超前探测的精度、速度要求（图7）。

图5 长掘长探Fig.5 Schematic diagram of long-distance excavation and detection

图6 随掘地震勘探Fig.6 Seismic while excavating

图7 快速掘进导航Fig.7 Geosteering of rapid excavation

该系统建成后，现场作业劳动强度大幅降低，掘进进尺由原来的260 m/月提高到352 m/月，人工工效提升35.4%，实现了“无人跟机作业、有人安全值守”的安全高效掘进。

3.3 智能开采地质透明化

智能开采是一个复杂的系统工程。基于“数据驱动”“数字采矿”的理念，将地质数据与工程数据进行深度融合，构建高精度的三维地质透明模型，是实现复杂地质条件下智能化开采的基础和前提。唐家会煤矿在61304 智能开采工作面系统搭建了以三维地震资料地质动态解释、随采随探地震技术装备、微震监测、电法监测以及水文监测等为核心的智能地质保障系统，并与智能开采工作面实现数据的共享与融合，实现了复杂地质条件下智能开采工作面由传统的“记忆截割”向常态化“自主截割”的跨越。

图8 是61304 工作面随采地震对工作面内部煤层中断层、陷落柱、煤层变薄区等静态地质条件精细探测以及顶板破碎带、应力集中区、突出危险区等动态灾变条件的超前探测结果。2021 年8 月17 日随采随探智能探测技术在退尺906 m，发现前方344 m 处存在SYC1 地质异常体；随后，在61304 工作面回风巷退尺1 250 m 处，采用井下钻探、钻孔物探验证结合两巷揭露情况分析后，推测存在一个小断层密集带。

图8 61304 工作面随采地震成像结果Fig.8 Imaging results of seismic while mining in 61304 working face

图9、图10 是2021 年10 月30 日-2021 年11 月7 日，61304 工作面推过SYC1 异常的地质写实和井下实物照片。可以看出：在随采地震圈定的SYC1 异常及其附近，发现多组断层破碎带，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。随采地震提前80 余天、超前344 m 对SYC1 异常持续探测、跟踪预报，为61304 智能开采工作面的规划开采提供了可靠的地质依据。

图9 SYC1 异常区的地质写实Fig.9 Geological realism of the SYC1 anomaly area

图10 SYC1 异常区井下照片Fig.10 Photographs of the SYC1 anomaly area

4 透明地质发展方向

煤炭安全、高效、智能、绿色开采代表着煤矿智能化建设的四大发展趋势，其中，安全生产是前提条件，智能开采是主要手段，高产高效是最终目标，绿色开发是约束条件。因此，从未来煤矿四大发展趋势的需求出发，就可以定位煤矿透明地质保障技术的发展方向。实际上，煤矿地质保障技术发展至今，经历了资源勘探、高产高效、安全高效3 个阶段，正在历经为煤矿智能开采和绿色开发提供透明地质保障的新阶段。

4.1 基于透明地质的监测预警

围绕煤矿安全高效开采的透明地质需求，微震监测、电法监测与随采监测以及矿压监测、应力监测等多源地质大数据融合将成为今后的重点研究方向。工作面回采过程中，由于底板应力释放、顶板垮落等，煤层底板出现大范围的压缩区、膨胀区，有可能诱发底板垂向裂隙、小断层的活化，导致承压水突破底板隔水层发生突水。为了应对煤层开采过程中的应力变化和动力地质灾害等，采用随采地震应力监测、微震监测技术和电法监测技术，实时、动态监测底板应力变化、底板破坏深度和底板奥灰承压水可能的运移状态，结合工作面槽波探测、音频探测、随采地震的应力监测以及工作面液压支架的应力监测等多源异构信息，全方位、全时段实现了潜在突水隐患的超前探测、动态监测、实时预测预警等，是保障智能工作面安全高效回采的技术途径。

4.2 基于透明地质的自主截割

智能开采中，“智”代表“分析决策”，“能”代表“执行到位”。智能开采对透明地质技术的核心需求，在于通过构建工作面三维地质动态模型，据此生成未采区域的预想截割剖面，形成规划截割曲线，规划截割曲线通过工业环网或5G 下发至集控中心的采煤机控制系统，提供采煤机智能调高调速所需的倾角、坡度、伏仰角、采高、卧底量等参数，由采煤机控制系统根据自身制式与生产工艺进行自动截割，自动实现采煤机滚筒的调高、行走系统的调速等，并将实时截割信息动态反馈到地面，以便于实现三维透明地质模型的动态优化，循环往复，从而形成了基于三维地质透明模型的智能自主截割。

2021 年，唐家会煤矿在61304 智能化综放工作面记忆截割功能基础上，建设了基于三维动态地质模型的自主规划截割及数字孪生的智能化综放工作面，解决了大埋深放顶煤工作面周期来压时支架自动跟机移架和放煤工艺协同控制难题。以三维动态地质模型为基础，将集控主机设定的采煤机位置、滚筒上下沿高度数据及工作面运输机坐标打包存入本地数据库，当采煤机请求自主规划开采曲线时，集控主机把本地数据库中的数据包推送到网络数据库内，规划开采程序检测到有新的数据存入，便会解析数据包，通过历史截割模型和算法，自动生成规划开采曲线，实现自主规划开采。通过实时在线采集的底板倾角、平均煤厚、两巷推进量、工作面设备姿态等数据，结合物理模型，把真实的生产环境映射在虚拟空间内，以数据驱动三维模型，实时展示工作面设备姿态。随着61304 智能开采工作面自主规划截割和数字栾生系统的成功研发，将工作面预留的底煤厚度由原来0.5～0.8 m 降至0.3 m以下，资源采出率明显提升。

今后，三维透明地质模型与智能开采技术的深度交叉融合、协同工作，形成井下以自主规划截割为主、地面以数字孪生为辅的全景式智能综放工作面，将成为唐家会煤矿智能化开采技术的发展方向。

5 结 论

a.利用勘探期间的地质资料，融合采掘工程揭露信息，动态分析各类监测数据，构建了可动态更新的矿井透明地质模型。

b.根据矿井采掘地质条件和主要灾害问题，提出了“以水害防治为重点，引进5 项先进技术，构建透明地质保障系统，围绕奥灰水防治、快速掘进和智能开采3 大场景，形成自主截割快速掘进和自主规划智能回采2 条智能采掘作业线”的“15132”透明地质建设思路，示范应用效果良好。

c.在复杂地质条件下，唐家会煤矿采用透明地质、大数据、物联网、移动互联网等信息技术，推进透明地质与水害防治、快速掘进、智能回采等生产系统的深度融合，形成了透明地质保障系统，取得了减人、提效、保安等良好的应用效果，具有典型示范、标杆引领的作用。

d.今后，唐家会煤矿智能地质保障系统将按照“基础系统高容量-采掘系统高可靠-感知系统全覆盖-保障系统高适应”的思路，深度融合人工智能、工业互联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等技术，建设全面感知、实时互联、分析决策、动态预测、协同控制的智能化矿井，推动复杂地质条件下煤矿智能化建设从系统智能化向智能系统化迈进。