透明地质保障技术构建方法-以乌海矿区为例

谷保泽 ，代振华 ，李明星 ，陈宝辉

（1.国家能源集团乌海能源有限责任公司，内蒙古 乌海 016000；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.煤炭科学研究总院，北京 100013）

据《中国矿产资源报告（2020）》显示，截至2019 年底，我国煤炭探明资源储量约1.74 万亿t，是我国最丰富的能源，在国民经济中占有重要的战略地位[1]。习近平主席在第75 届联合国大会上承诺我国在2030 年实现碳达峰，并争取在2060 年实现碳中和的战略发展目标，面对“双碳”目标，煤炭行业必须走高质量发展之路[2]，以煤矿智能化为标志的煤炭技术革命和技术创新成为行业发展的核心驱动力。康红普等[3]界定了煤炭行业高质量发展的内涵，具有“三高、三低”特征，其中，“高安全度”要求实现从“低死亡”到“零死亡”再到“零伤亡”的阶梯迈进，全面提升煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化水平。

作为煤矿智能化的技术支撑，煤炭地质保障横跨煤田勘探、井田划分、矿井设计、开拓掘进、安全回采、综合利用、矿井关闭等不同阶段，贯穿于煤炭工业的全生命周期，是实现煤炭资源安全高效智能绿色开采的基础和前提，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。国家、行业和煤炭企业高度重视煤炭地质保障建设，国家能源局、国家矿山安全监察局研究制定的《煤矿智能化建设指南（2021 年版）》中，智能地质保障系统是地下煤矿智能化建设的重要内容；中国煤炭学会发布了T/CCS 001-2020《智能化煤矿（地下）分类、分级技术条件与评价》、T/CCS 002-2020《智能化采煤工作面分类、分级技术条件与评价指标体系》，对智能地质保障系统提出了明确的技术要求；国家能源集团发布的《国家能源集团煤矿智能化建设指南（2021 版）（征求意见稿）》，透明地质保障系统单独成章，为智能综采、智能掘进、灾害预警等提供地质基础。

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、煤矿安全高效生产到服务于煤炭智能开采，从基础地质勘查工作、GIS 系统到隐蔽致灾因素探查[4]，在煤矿智能化背景下，要求地质保障技术不仅要在精准探测上实现颠覆性创新和跨越式发展，还要实现数据、信息、知识3 层架构下的全息透明[5-6]。近年来，业内对透明地质保障技术展开展了一系列研究，程建远等[7-9]提出了工作面梯级建模思路，根据不同开采阶段将工作面地质透明化划分为黑箱、灰箱、白箱和透明箱4 个等级，通过逐级探测，提高三维地质模型的精度，为采煤机规划截割提供了地质保障；段建华[10]、程久龙[11]、王季[12]等研发了随采随掘地震技术与装备，并将其应用于采掘工作面隐蔽致灾地质因素的超前探查，实现采掘工作面地质透明化，保障煤矿的安全开采；马丽等[13]建成了地质信息综合管理系统及地质灾害预测预报系统，成功应用于小保当一号煤矿水害事故预警，准确率达98%以上。当前，透明地质保障技术取得了一定的应用效果，但其技术水平仍不能完全满足煤炭智能开采的要求，董书宁等[4]指出当前透明地质保障系统面临地质条件探测精度不足、动态地质信息监测困难和缺乏统一的地质基础3 个技术难题；王国法[14]指出，目前受地质探测理论、技术与装备发展水平的限制，透明地质保障技术支撑能力明显不足，主要表现在：地质数据尚未全部实现数字化，地质探测技术的探测精度和范围尚难以满足煤矿智能化建设要求，地质体三维高精度建模技术有待提升，现有技术难以建立高精度“透明地质”模型，地质信息与工程信息尚未实现融合，地质探测技术与装备的智能化程度较低。

透明地质保障技术可以实现工作面开采地质条件和隐蔽致灾因素的透明化，增强采掘设备全面自主地感知煤岩界面，提高智能分析与决策、自动精准控制与高效采煤能力，是煤炭安全高效智能开采的迫切需要。笔者以乌海矿区为例，研究智能探测、多源数据融合、三维地质几何模型和属性模型构建、综合地质预报等关键技术，构建透明地质保障系统，以实现工作面内部煤层厚度、地质构造以及水、火、瓦斯等隐蔽致灾因素可视化和透明化，为乌海矿区煤炭智能开采提供地质保障，为全国类似矿区智能化建设提供借鉴。

1 乌海矿区地质概况

乌海矿区主要包括黄河东西侧的桌子山矿区和乌达矿区，地层区划属陕甘宁地层区[15]，行政区属内蒙古乌海、阿拉善、鄂尔多斯。

1.1 桌子山矿区

桌子山矿区包含老石旦煤矿、公乌素煤矿、利民煤矿，主要地层由老至新为奥陶系、石炭系、二叠系山西组、侏罗系、新生界新近系以及第四系。大地构造位置处于鄂尔多斯台向斜西侧、贺兰山褶皱带北端[16]。

该矿区含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，含煤地层总厚度50.30～257.02 m。构造相对复杂，主要存在2 组断裂，一组以压扭性构造为主，为逆断层；另一组以张性构造为主，为正断层或平推断层[17]。煤层瓦斯含量相对较低，在采掘过程中存在局部瓦斯富集现象。主要含水层有第四系松散岩类孔隙潜水含水岩组、碎屑岩类裂隙承压水含水岩组和奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙承压含水组；煤系裂隙承压含水层水和老空水是该矿区主要的充水水源，部分区域为奥灰水带压开采；断层带具有一定的导水性，影响含水层之间的水力联系[18]。主要煤层含硫量较高，尤以16 号煤为甚，个别采空区发生过煤层自燃，煤炭自然发火期为55～63 d。

1.2 乌达矿区

乌达矿区属于贺兰山煤田，包含五虎山煤矿和黄白茨煤矿，位于阿拉善地块与鄂尔多斯地台之间，属地块边缘凹地煤田[19]。该区地层区划分与华北地层相似，出露地层有青白口系、震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新近系、第四系等。

沉积环境是以陆相为主的海陆交互相沉积，主要地层由老至新为石炭系上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组以及第四系；含煤地层主要为上石炭统太原组和下二叠统山西组，共含煤层23 层[20]，平均总厚33.55 m。该矿区以逆断层为主，且多呈叠瓦式；正断层多发育在本区南部，并横切南北向构造线；逆断层多为封闭性断层，导水性差；褶皱与断层多近于平行，且相伴出现；背斜地层受断层影响和长期侵蚀而残缺不全；煤矿内压性构造两翼次生节理裂隙发育，直接破坏煤层顶底板的完整性。随着煤变质程度与开采深度增加，瓦斯含量有增加的趋势；地质构造直接控制瓦斯赋存与释放[21]。由于受采掘破坏和采空区影响，孔隙水、裂隙水、岩溶水以及采空区积水是主要的充水水源，对煤层开采威胁程度大。由于矿区煤种的自身特点和小煤矿的开采，使煤自然发火燃烧加剧[22]，乌达矿区有16 个火区，总面积为3.496×106m2。

2 智能探测技术

透明地质保障是数据驱动的智能系统，利用静态地质数据构建基础地质信息模型，基于实时地质数据驱动模型动态更新，实现矿井地质信息的时空透明化。可见，实时地质数据是地质透明化的核心驱动力，其有效获取至关重要。目前最具应用前景的实时地质数据获取手段是以随掘地震、随采地震为代表的智能探测技术。

2.1 随掘地震探测

煤矿巷道掘进过程中，掘进机截割头截割煤岩体时会激发出震动波，波的特性与地震波类似，也称之为地震波。由于截割头截割动作不固定，震源在波形态上呈现为随机出现的脉冲信号。信号以截割部位为中心，不断向外传播，其中一部分地震波向着巷道掘进前方传播，若巷道前方存在断层等具有波阻抗反射界面的地质异常体，地震波到达异常体位置后，会产生反射波，反射波向着巷道掘进后方反向传播。此时若在巷道两帮安装检波器，便能接收到反射回来的地震波，利用数据处理系统实时处理接收到的地震波信号，就能得到巷道超前方向可能存在的地质异常分布情况，从而为掘进地质透明化提供实时的数据支撑。

随掘地震探测时，随着掘进机截割头连续切割煤岩层，此时的震源特征上呈现为连续多个脉冲信号，其中，单个脉冲信号可类比为单次炸药震源激发的弹性波。为有效处理随掘地震信号，首先要基于互相关干涉原理，将连续震源信号变换为脉冲信号。某一道信号关于频率ω的谐波分量为：

式中：x为距离；t为时间；F为频谱；k为波数；i为虚数单位；ω为波频。

针对地震信号r(x0,t0,F)的互相关函数γ(x,t,F)表示为：

式中：x0为参考道传播距离；t0为参考道传播时长；f与f*，F与F*互为共轭复数。

具体工程布置时，一般选择在工作面后方巷道两帮安装检波器，检波器间距可设置15～20 m，探测距离可以达到巷道超前方向100～200 m，整个系统可以随着巷道的不断掘进向前滚动监测。该系统与常规超前探测手段相比具有以下优势：①不干扰矿方掘进施工；② 不使用炸药震源，可安全应用于高瓦斯矿井；③随掘随探，不间断连续监测；④ 可以通过多次叠加提高探查精度；⑤ 可探查构造和应力异常区。

随掘地震探测结果为巷道掘进工作面前方的实时构造成像，利用此结果可为掘进地质建模提供超前构造地质信息，也可为掘进地质预报提供地质数据依据，实现数据驱动的实时动态地质建模及构造预报。

2.2 随采地震探测

与前述随掘地震原理类似，采煤机在采煤过程中，截齿截割煤壁时也会激发出地震波信号。信号以采煤机截齿与煤壁接触位置为中心，向四周传播。在工作面超前方向两巷道煤壁上安装检波器，接收随采产生的地震波，若工作面内存在影响地震波传播的地质异常体，则检波器接收到的波形信号将发生改变。通过专用数据处理软件自动处理信号，可精确解释地质异常体的位置及范围信息，并可通过先进的处理和成像手段，对异常体采用层析成像法进行实时成像。针对矩形探测区域，利用矩形小网格进行离散，此时射线走时为：

式中：ljq为j射线落在第q个网格范围内的长度；sq为第q个网格的慢度；tj0为j射线的发震时刻；N为网格总数。

同理u射线走时为：

针对同一炮集的不同射线，tj0=tu0，j和u射线走时作差为：

当存在M条射线时，可表示为：

当同时反演多个震源时：

式中：K为相关得到的互相关炮集数；n为互相关震源数。

与槽波地震相比，可避免使用炸药震源，方便在高瓦斯矿井应用；实现对工作面采煤全周期的动态监测，能够对采动影响下工作面内隐蔽地质构造和应力异常进行动态监测成像。

3 地质透明化建模

利用先进的计算机、信息技术手段，将获得的零散、孤立的多种地质信息集成起来，结合随掘随采地震等智能探测结果，构建高精度三维地质模型，实现地质透明化，支撑煤矿智能化采掘两条作业线的高效运转。

三维地质建模的基础是海量的多源异构地质数据，为了有效存储管理地质数据，需要构建满足地质保障系统需求的数据底座。基于数据底座，将钻探、物探、写实、观测、图件等各类型矿井基础数据整理、分类并数字化存库，有效融合多源异构数据，构建多尺度、多属性三维地质模型，如图1 所示。

图1 三维地质模型构建Fig.1 Construction of the 3D geological model

3.1 多源异构数据融合

针对地质勘探、矿井测量、地质写实等获取的多维度、多结构、多属性地质数据，分类采用数据过滤分析、特征分析、数据清洗等技术手段对数据进行预处理，利用数据级、特征级、决策级相匹配的多级融合策略，基于数据空间配准技术实现多量纲、多尺度属性融合，继而辅之以交叉验证和联合反演，弥补单一属性地质数据精度的不足[23]，从而有效提取煤岩层及构造体的几何要素、属性特征和构造特征，获取煤岩层深度、厚度数据和构造产状数据，为构建矿井多尺度三维地质模型提供准确的基础数据。

3.2 三维地质几何模型构建

三维地质建模，第一步是构建高精度几何模型，利用钻探数据、测井曲线、物探成果、开拓揭露、导线测量、地质写实等各类型地质数据的融合分析结果，采用专门的煤岩层及构造体建模手段，实现矿井地层、煤层和构造几何形态信息的模型表达，主要包含数据分析、归类分层、模型构建等步骤。

1）数据分析

数据分析是建模工作的核心内容，主要是针对多源数据融合后的各类数据体进行地质分析，结合煤岩层起伏形态、冲刷带分布、断层发育、陷落柱位置和煤层分叉等各类地质构造信息，对要呈现的煤岩层赋存形态进行总体把控；根据地质分析结果，按照统一的数据规范整理所需的基础建模数据体。

2）归类分层

按照综合柱状图及地质报告中描述的矿井地层赋存规律，详细对比建模所需的各类数据体，联合所有钻孔柱状，分析建模区域的整体地层空间层序，对煤岩层进行合理归类分层，设计合理的层序编码，既能反映主要地层的空间展布，又能兼顾地质模型的准确度。

3）模型构建

基于空间地质数据，采用离散光滑插值算法依照网格结点的空间拓扑关系构建地层以及构造地质模型，将地质界面视为离散化的不连续界面，地质点及地质勘探等数据作为约束条件，通过在这些约束条件下求解目标函数-全局粗糙度函数的最优解得到符合约束条件的最优化地质界面。其中，定义三维地质离散模型Mb(Ω,B,φ,C)，其中，Ω是构成模型的所有节点；B是每个节点的领域点集；φ是每个节点的b阶矢量属性函数；C为每个节点的约束。全局粗糙度函数：

式中：R(φ)为全局粗糙度函数；ρ(φ)为全局约束违反度函数；γ为约束因子；为平衡因子。

该算法求解φ实际就是使函数R*(φ)为最小，即：

该方法不以空间坐标为参数，是一种不受维数限制的差值方法[24]。三维地质建模过程总体是在插值算法的基础上，地质信息分析结果表达与展示，基于地质数据分析和归类分层结果，合理确定模型边界，构建整套地层的几何模型；依据构造、采空区分布信息，创建相应地质体模型。根据地层面、井田边界、断层构造等地质要素，建立对应的线框模型；为了兼顾模型精度和计算量，需要合理划分建模网格，将已构建的层面线框进行网格化；合理修正模型面，得到具有较好三维可视化效果的三维地质模型。

3.3 三维地质属性模型构建

多属性模型构建是透明地质保障的关键技术，基于研究区主要地质灾害特征，如乌海矿区，通过研究水、火、瓦斯等灾害地质规律与分布特征，构建三维地质属性模型，对实现灾害地质透明化具有重要意义。

3.3.1 水文地质属性模型

煤矿开采过程中，地下水可能会通过顶底板导水通道涌入地下采矿空间，引发突水事故，造成严重的生命和财产损失。因此，笔者基于水文勘探和监测数据，详细分析矿区水文地质条件，包括充水水源、充水路径以及矿井涌水量等，结合孔隙率、渗透系数和单位涌水量，构建水文地质属性模型，通过含水层、隔水层、采空区以及其他水文地质要素的模型表达，实现水害透明化，如图2 所示。

图2 水文地质属性模型构建Fig.2 Construction of the hydrogeological attribute model

首先，须对水文地质数据进行统一管理，将煤矿水文地质基础信息数据统一入库，包括煤田勘探、矿井建设、矿井生产中获取的水文地质数据、测量数据以及勘探成果数据等；通过开发数据接口实现将煤矿水文监测数据、微震监测数据和电阻率监测数据接入透明地质保障系统，主要包括矿井名称、钻孔名称、钻孔类型、含水层、工作面名称、巷道名称、水位、水温、水压、微震监测数据、电阻率监测数据等。

而后，基于水文地质数据进行水文地质分析，主要包括3 部分内容：①充水水源分析，基于矿井水文地质条件、主要含水层水位变化情况、水质分析，利用矿井沉积、地层岩性、地化环境、水分析化验、含水层位等数据，结合突水位置及突水特征，分析矿井充水水源，实现对常见地表水、煤矿砂岩裂隙水、灰岩水、采空区积水、老空水、老巷积水、人工挖掘导致的其他含水体等水源的分析；② 充水路径分析，根据地表入渗、顶底板岩层富水性、采空区分布状况、矿井地质构造分布特征，结合井巷工程施工进展情况，分析采空区三带、断层、陷落柱、封闭不良钻孔等充水路径；③矿井涌水量分析，根据矿井水文地质条件类型、矿井水文地质条件复杂程度、矿井开发经济技术条件、矿山疏干排水设计、矿井生产能力、防治水措施综合确定矿井涌水量。

最后，基于水文地质数据管理和水文地质分析的成果，在三维地质几何模型的基础上，构建水文地质属性模型，主要包括含（隔）水层、积水区、水位、突水点、涌水量等信息，实现水文地质要素的可视化表达。在采掘过程中，如果煤矿采用微震、电阻率监测等物探手段，则利用其监测的裂隙发育和含水异常区分布，对工作面顶底板含导水裂隙带进行反演解释，实现水文地质模型的动态更新，为水害智能地质预报提供准确可靠信息。

3.3.2 瓦斯地质属性模型

根据乌海矿区瓦斯地质条件，笔者提出以下建模思路。

首先，建立包含瓦斯含量、压力、瓦斯抽采量、瓦斯突出点、动力现象、瓦斯异常等瓦斯地质数据库；将矿井煤层瓦斯地质台账、分煤层瓦斯地质图（含地质构造、煤层厚度埋深岩性分布等）、矿井与采掘面瓦斯监测数据、各采掘面瓦斯抽采数据、地面与井下钻孔瓦斯含量、瓦斯涌出量统计计算图表以及影响煤层瓦斯赋存的煤层厚度、地质构造、顶底板岩性、煤层埋深、煤变质程度、基岩厚度、岩浆岩等相关的海量数据数字化入库。

而后，基于瓦斯钻孔以及揭露瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出等实时动态监测参数，结合开采工艺、地质条件等因素，分析影响瓦斯赋存的地质要素和诱发突出的主控地质因素。

再次，结合瓦斯抽采量、瓦斯含量及压力变化等参数，研究采掘过程中的瓦斯参数变化规律及与地质条件的关联性，充分考虑到煤层瓦斯赋存区分布的连续分布型、分形分布型、构造依附型、随机分布型以及各种瓦斯运移形式等，通过不断监测、收集和记录取样点数据，根据瓦斯地质数据库中的瓦斯地质参数，建立瓦斯地质模型。

最后，对开采区域的瓦斯含量、瓦斯涌出量、瓦斯压力进行数据插值，生成并更新瓦斯地质相关等值线，适时更新矿井瓦斯地质图。

3.3.3 火区地质属性模型

由于煤炭自然发火期短、采空区遗煤多、漏风严重、工作面回撤速度缓慢等条件影响[25]，工作面回撤期间自燃火灾事故频发，造成严重的人员和财产损失，乌海矿区老石旦煤矿曾在2015 年发生井下火灾事故[26]，严重影响矿井安全生产及正常的生产接续。为避免火灾事故发生，笔者基于矿区已有监测系统采集的温度、气体浓度等参数，在三维地质几何模型的基础上，分析采空区遗煤、闭墙等信息，构建火区地质属性模型，实现烧变区和漏风通道的可视化表达，如图3 所示。

图3 火区地质属性模型构建Fig.3 Construction of the geological attribute model of the burning area

首先，须对火区相关数据进行管理，主要指各类传感器采集的气体浓度、温度等数据，包括：①束管监测系统采集的采空区CO、CH4等气体浓度；② 光纤测温系统采集的两巷道、沿空留巷煤壁温度；③安全监控系统采集的工作面上隅角气体浓度、温度；④ 机电硐室的温度监测；⑤ 皮带综保系统的温度监测等。

而后，根据采空区遗煤量、开采煤柱等，通过闭墙内外压差测量，判断采空区是否漏风、煤层是否具有氧化条件。

最后，基于气体浓度、温度等参数信息，结合煤炭自然发火规律，在三维地质几何模型的基础上，构建火区地质属性模型，实现烧变区范围、高程等要素的可视化表达，并为漏风计算或发火预测提供模型基础。

4 综合地质预报

透明地质保障技术的根本目标是在地质透明化的基础上，为煤炭智能开采提供辅助决策。通过综合管理分析，集成全矿井三维地质几何模型、水文地质属性模型、瓦斯地质属性模型、火区地质属性模型等，进行多系统融合显示[27]，基于煤矿5G 或工业环网专用接口将数据传输到监测系统主控站，打破地质与生产要素之间的数据滞后和数据孤岛，将采掘活动与地质要素相结合，提高矿井生产的地质保障能力。

在三维地质几何模型和属性模型基础上，融合隐蔽致灾因素空间位置、几何大小、属性信息及其他关联信息[28]，对地面三维地震、随采地震、随掘地震、孔中物探等属性空间信息赋予不同的权重，结合钻探以及巷道揭露信息进行约束，如下式所示：

式中：εm为某种单一属性数据的空间函数：am为该种属性的权重。

在此基础上，结合数据挖掘、风险预警指标体系和风险预警分析模型，综合分析采掘位置与致灾体空间三维距离关系，形成致灾体警戒线、探查线、边界线等三线立体预报机制，构建采掘空间三维立体预报体系，自动分析计算采掘位置与致灾体空间三维距离关系，形成预报信息，实现采掘地质预报的自动化、智能化，推进地质保障管理专业化、系统化、规范化，发挥煤矿地质灾害的超前性预防作用[29]，以提高煤矿综合地质保障能力，提升对异常地质体的预报精度，为相关业务人员提供决策辅助。

5 结 论

a.在常规勘探数据基础上，利用随掘地震、随采地震等智能探测获取实时地质数据，驱动模型动态更新，实现矿井地质信息的时空透明化。

b.矿井三维地质几何模型和多属性地质模型能够数字化表达构造、水、火、瓦斯等隐蔽地质规律与分布特征，对实现灾害地质透明化具有重要意义。

c.透明地质保障系统融合地质异常体空间位置、几何大小、属性信息等，可提供隐蔽致灾因素的地质预报，为煤矿安全高效开采提供智能决策。