煤矿智能安全高效开采地质保障系统-彭苏萍

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1、煤矿智能安全高效开采地质保障系统彭苏萍（中国工程院院士）中国矿业大学（北京）煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室2一、研究背景及存在问题二、煤矿安全高效开采地质保障关键技术及装备四、结论与展望报告提纲三、构建我国煤矿安全高效开采地质保障平台第一部分研究背景及存在问题41 研究背景及存在问题p 20世纪80年代以前，我国煤炭生产以“炮采”和“普采”为主，开采效率低。p 20世纪80年代后，我国开始综合机械化生产技术，开采地质条件复杂，影响了机械化效益。p 20世纪80年代末、90年代初，学者们开始利用矿井工程地质勘查技术研究解决我国煤田地质构造复杂、煤层厚度变化大与机械化开采不相适应等问题，建立

2、起矿井工程地质学。p 20世纪90年代至今，煤矿高分辨三维地震勘探等物探技术的发展促进了煤矿安全高效矿井地质保障系统建设走向成熟。促使我国煤矿机械化生产的开机率从不到40%提高到90%以上，煤矿生产安全根本性好转，推动了我国煤炭工业的技术升级和发展。综采三维地震数据体巷道掘进工作面超前探测技术51 研究背景及存在问题 年产千万吨的现代化生产矿井成为主力军，特别是2014年陕煤集团黄陵矿业一号煤矿1001工作面首次实现智能化开采，少人化、无人化、智能化深入人心。能源技术革命创新行动计划（20162030年）提出，到2030年实现煤炭智能化开采，完成工作面透明化、智能化；2020年2月，国家发改委

3、等八部委联合发布了关于加快煤矿智能化发展的指导意见，指明煤矿智能化地质保障的研究方向。煤炭绿色开采、智能精准开采等对煤矿安全高效开采地质保障系统提出了新的更高的要求。必须清醒认识到：目前智能开采工作面多是在我国煤田地质条件相对简单的矿区，其内涵被强大的机械化能力所掩盖。p 煤炭智能化/少人化开采、矿井地质透明化是煤矿安全高效矿井地质保障系统发展的努力方向。61 研究背景及存在问题 目前主要科学和技术难题p 勘探精度问题和地质物探数据融合问题是阻碍建立真正意义上的透明工作面的主要问题之一 大部分生产矿井基于钻探资料,在有的矿区包含了三维地震勘探成果所建立起的煤矿三维地质模型，只是不同数据体的人工

4、叠加，没有做到真正意义上的数据融合；缺少地质物探联合的高精度三维地质模型以及岩性、物性模型；模型的动态更新一直是一个长期存在问题；不同精度、不同数据结构的数据体叠加在一起,在精度、分辨率上并没有真正提高，就如同“毛玻璃”一般,还不是真正意义上的三维；现在提交的三维地质数据体和矿井生产工程设计还不能融合在一起,存在“两张皮”的现象。71 研究背景及存在问题p 煤岩层位智能探测问题是制约智能化采煤装备的重大难题之一 三维地震勘探建立的煤矿三维地质体，精度低（3m），并不是真正意义上的透明工作面，难以满足远程无人化操控的“厘米级”精度需求。煤岩分界难题仍是制约煤矿智能化开采的瓶颈问题。从上世纪90年

5、代出 现的视频监测、光谱检测、X射线等方法因探测深度和精度不足而告停止。地质雷达是煤岩界面分辨最具潜力的仪器装备，但是受制于能量衰减问题，雷达天线要贴着煤壁，探测不能与采煤机联动，因此该技术也难于推广。目前主要科学和技术难题第二部分煤矿安全高效开采地质保障关键技术及装备9p 4大创新成果（1）矿井地质构造高分辨率地震成像与反演技术 三维地震地质构造探测精度从30m提高到3m 地震+VSP/测井探测精度从3m提高到0.5m（2）矿井本安型防爆地质雷达探测装备与技术 探测精度从0.5m提高到0.1m（3）定向钻孔地质雷达探测装备与技术 煤层厚度、走向以及超前地质异常体透明化探测（4）矿井地质安全保

6、障技术及智能开采管控平台2 煤矿安全高效开采地质保障关键技术及装备PSP地球物理软件平台三维地震数据体102.1 矿井地质构造高分辨率地震成像与反演技术 重点突破煤田复杂地表、复杂地下构造条件下精细高分辨率成像和反演技术，为煤矿高效智能开采提供地质保障 现状（1）由于煤矿开采地质条件，特别是小尺度不连续非均质地质体探测查明不清，造成设计和开采方法选择困难，煤炭资源回收率低。（2）地震数据高保真去噪、静校正、偏移归位成像等是高分辨率地震探测技术的关键。（3）勘探精度是建立真正意义上矿井地质安全保障技术及智能开采管控平台的主要问题之一。主攻目标。技术难点和关键点 如何提高高保真去噪、静校正、偏移归

7、位成像算法和技术。研发绕射波对小尺度不连续非均质地质体成像技术。研发煤层高精度地震叠前反演技术。112.1 矿井地质构造高分辨率地震成像与反演技术（1）煤矿采区高分辨率三维地震勘探技术q以聚焦分析技术为基础的地震野外数据采集技术 利用聚焦分析技术开发了三维地震探测数据采集与评价软件，在淮南顾桥矿实施了井地联合三维三分量数据采集，采集到800-1200m深煤系地层品质良好的三维地震数据。自主研发地震野外采集评价方法122.1 矿井地质构造高分辨率地震成像与反演技术（1）煤矿采区高分辨率三维地震勘探技术q开发出146个处理模块组成的煤田地震数据处理系统（EMS+PSP）应用三维叠前绕射波高分辨率成

8、像技术，探测小尺度隐蔽构造，揭示更为丰富的高分辨地质信息。三维常规叠前成像方法（阳煤）三维叠前绕射波高分辨率成像方法（阳煤）132.1 矿井地质构造高分辨率地震成像与反演技术（1）煤矿采区高分辨率三维地震勘探技术q煤矿采区地质构造高分辨处理成像技术实现小断层、陷落柱及瓦斯突出部位精确成像，识别煤岩和顶底板岩性。串珠型陷落柱(谢桥)复杂地质构造(山西临兴)142.1 矿井地质构造高分辨率地震成像与反演技术（1）煤矿采区高分辨率三维地震勘探技术q三维地震精细地质构造解释技术准确探测出深度500m的3m3m的煤矿巷道。3m3m巷道在时间剖面上显示巷道剖面显示在沿层振幅切上表现为强振幅煤田第一块岩溶喀

9、斯特地貌条件的三维地震勘探，构造验证率70%。云南滇东152.1 矿井地质构造高分辨率地震成像与反演技术（2）基于地震反演的煤岩层精准预测技术q高精度煤系地层岩性反演技术目标：以波阻抗稀疏脉冲反演成果和地震数据作为协变量进行随机协模拟反演，随机反演岩性及波阻抗数据体，从而预测煤层及砂岩层的空间分布。煤岩层数据体含隔水层数据体162.1 矿井地质构造高分辨率地震成像与反演技术（3）PSP地球物理软件平台 自主研发PSP（Platform of Strata Prospecting）地球物理软件平台，采用“1+2”研发模式，即1个基础平台，2个特色系统。基础平台具有地震数据处理、解释与反演、三维可

10、视化等基础功能模块，进行科研、教学和生产实践；两个特色系统：绕射波成像和裂缝反演，从地震成像和反演角度出发，结合自主创新理论方法，实现地下不连续体精确刻画。PSP平台架构及应用172.1 矿井地质构造高分辨率地震成像与反演技术（4）采区三维地震勘探应用情况三维地震勘探在全国12个省50余个煤矿开展了应用，为煤矿安全高效开采提供了地质保障。获得国家科技进步二等奖3项。实际探测煤矿分布182.2 矿井本安型防爆地质雷达探测装备与技术（1）仪器装备方面：高精度防爆地质雷达主机 现状（1）原先仪器主机大部分采用隔爆处理，体积大、重量重，在矿井中移动探测困难。（2）在数据采集中，主机最小步进太大，样点时

11、间定位波动较大，降低深部反射信号的信噪比，导致地质雷达采集精度降低。（3）无实时处理能力，无法检测现场探测数据质量。主攻目标 开发本安型具有实时处理的高精度地质雷达主机。技术难点和关键点 如何实现一体化主机的本安型防爆电路的设计。如何提高控制单元的时间最小步进，从而提高深部信号的信噪比。在矿井干扰环境，如何实现实时处理，提高有效信号的快速识别。192.2 矿井本安型防爆地质雷达探测装备与技术（1）仪器装备方面：高精度防爆地质雷达主机本安型地质雷达主机雷达主机工作图 创新技术与发明点 提出基于斜波式步进延迟的可编程定时器技术。大功率电源本安防爆电路设计。液晶高压背光电路板的本安改进。实时采集智能

12、滤波处理技术。发明效果 最小时间步进从国际上普遍的5ps提高到2ps。重量减轻4倍，体积减少2倍。达到防尘、防撞、防水、防爆的标准。智能滤波技术的突破，提高采集信号的保真度。202.2 矿井本安型防爆地质雷达探测装备与技术（2）仪器装备方面：宽频防爆地质雷达天线系统（地面耦合）现状（1）目前国内外防爆天线集中在150MHz附近，探测距离不足30m，达不到煤矿开采速度的预报距离需求，其次，在探测精度方面，无法分辨裂隙带空间分布情况。（2）由于目前天线带宽是天线主频的1.5倍，天线系统带宽明显不足，导致天线系统驻波干扰增大，降低了探测信号分辨率。主攻目标 开发宽频防爆地质雷达天线系统（频率范围40

13、0MHz-12.5MHz），提高地质雷达探测的深度和分辨率。技术难点和关键点 如何增大天线发射功率，实现80m距离的地质超前预报。如何减小天线内部部件之间和天线与环境之间的驻波信号。矿井复杂环境下，如何解决低频雷达防爆天线大尺寸与矿井小空间的矛盾。212.2 矿井本安型防爆地质雷达探测装备与技术（2）仪器装备方面：宽频防爆地质雷达天线系统（地面耦合）创新技术与发明点 开发出下降和上升沿不对称的发射机。开发了定向天线发射控制技术。提出水平IIR预测滤波算法。发明效果 发射信号带宽提高了30%。接收机灵敏度从150v提高到50v。探测深度由原来30m提高到80m，400MHz天线最小分别率达到0.

14、05m，50MHz天线最小分别率达2m。获得国家技术发明奖2项，中国专利金奖1项。低频天线组合安装示意图宽频防爆系列雷达天线222.2 矿井本安型防爆地质雷达探测装备与技术（3）仪器装备方面：矿井煤岩界面探测地质雷达系统（空气耦合）现状（1）基于三维地震勘探建立的透明工作面精度低（3m），难以满足远程无人化操控的“厘米级”精度需求。（2）现有射线、光谱检测等探测方法因深度和精度不足而未实际应用。（3）地质雷达分辨率高，但受制于能量衰减，雷达天线要贴着巷道壁，且不能与采煤机联动，难于推广。主攻目标 开发非接触式煤岩界面探测地质雷达系统(频率范围1500MHz-900MHz)，实现煤岩界面的高精度

15、、连续、实时探测。技术难点和关键点 如何提高雷达波能量聚焦和辐射增强能力。如何减小天线悬空后与巷道壁的耦合干扰。如何建立煤岩界面探测的智能识别模型。232.2 矿井本安型防爆地质雷达探测装备与技术（3）仪器装备方面：矿井煤岩界面探测地质雷达系统（空气耦合）创新技术与发明点 防爆屏蔽喇叭天线技术；矿井煤岩智能支架及安全防护技术；煤岩层位的实时跟踪与自动识别技术；煤岩层位的信息提取技术研究。242.2 矿井本安型防爆地质雷达探测装备与技术煤岩层位探测现场视频煤岩层位探测与识别装备雷达图谱及追踪层位 发明效果v 开发的煤岩识别天线体积缩小了1/3，重量减少了1/2，非接触探测。v 天线带宽大于主频2

16、倍以上。v 探测精度由0.6m提高到0.2m。发明专利矿井应用252.3 定向钻孔地质雷达探测装备与技术n 定向钻孔雷达的井下应用需求针对贵州煤层地质情况，应用定向钻孔地质雷达进行探测，提前获取煤层厚度、走向以及地质异常体（断层与陷落柱）信息，实现地质透明化。主要包括：掘进面超前探测 煤层走向探测 巷道工作面透明化高精度探测煤层掘进面超前探测 巷道工作面透明化高精度探测煤层厚度及走向探测262.3 定向钻孔地质雷达探测装备与技术n 定向钻孔雷达装备定向钻孔雷达（有线）定向高精度钻孔雷达包括钻孔雷达数据采集及其附助装置。（1）有线采集。该型号雷达包括钻孔雷达天线、采集主机和绞盘，可应用于矿井地质

17、透明化探测、城市深部地质结构、大坝隐蔽结构的高精度探测。单孔反射法探测距离大于10m、探测深度为0-100m，可识别最小分辨率为0.3m。（2）无线采集。该型号雷达包括钻孔雷达天线、采集主机，采集系统安置在钻杆内部，实现数据的自动采集和存储。主要应用于矿井隐伏地质结构、石油地质等百米及千米深度的高精度探测。单孔反射法探测距离大于10m，可识别最小分辨率为0.3m。定向钻孔雷达（有线）272.3 定向钻孔地质雷达探测装备与技术p 探测案例-煤层厚度探测2021年4月，应用钻孔雷达在贵州金彩黔煤矿开展了煤层迎头面实地探测。根据探测结果，在探测角度90深度为20m左右有富水区域；在探测角度180距离

18、钻孔1.5m处有清晰的煤岩界面。迎头面探测示意图实地探测煤层迎头面探测现场0度探测结果深 度/m01050203040测深/m0 1 2 3 00 011 122 233 390度探测结果 180度探测结果270度探测结果煤层迎头面探测结果282.3 定向钻孔地质雷达探测装备与技术2023年5月18日，应用900M定向钻孔雷达在贵州省织金县杨柳煤矿对煤层进行定向探测实验，实验共布设测线28条，总测线长度达到732m，共测得4处异常。其中在距离钻孔口38.2m处，在与正上方向夹角为200方向，探测一处明显断层面，结合现场及资料，推测该处存在煤岩界面的断层，此外钻孔还发现2处富水异常区。井下钻孔探

19、测现场钻孔雷达断层探测结果（1）90（2）180（3）225（4）270 富水异常体探测p 探测案例-地质异常体探测292.4 矿井地质安全保障技术及智能开采管控平台 现状（1）地质地震成果等信息使用效率低，尚不能有效的指导煤矿智能化开采。（2）目前数字化成果大都是由组态软件成果界面模拟的，缺乏地质信息建模及地面地下地理空间的时空关系，不能反映真实的三维开采环境。（3）信息化数字化软件操作复杂，专业知识要求高，作业人员不易掌握。主攻目标 围绕现代化矿山安全、高效、智能的建设目标，构建高密度井上下综合地质平台。技术难点和关键点 如何利用物联网、大数据、虚拟现实、图像处理、图形学、人工智能等技术，

20、搭建空间大数据多源异构信息融合架构。如何利用地质、地震、地质雷达及生产资料进行三维空间定位和建模。如何研究开发一个可靠性和适用能力强、智能易操作的综合地质平台。302.4 矿井地质安全保障技术及智能开采管控平台 多源地质物探数据智能采集、精细解释、动态融合，为煤炭智能化/少人化开采、矿井地质透明化提供精准地质保障。三维地震高精度成像与反演地质灾害预测预警312.4 矿井地质安全保障技术及智能开采管控平台 利用三个尺度的多源物探资料、地质数据以及动态数据构建高精度的构造、岩性和物性参数等统一、标准化、网格化的地质模型，实现煤矿全三维地质空间“一个模型”，服务煤矿地质灾害预警、智能开采等 全井田三

21、维地震勘探（3m）综采工作面矿井物探、测井等多源数据融合（0.5m）工作面地质雷达超前探测与煤岩识别（0.1m）l 时空统一的地质模型 l 不同勘探尺度保障地质模型精度核心思想：三个尺度，一个模型322.4 矿井地质安全保障技术及智能开采管控平台（1）多源数据的聚合管理（2）构建多尺度基础地质框架模型（3）地质模型动态更新（4）地上地下的一体化虚拟、真实再现（5）智能高效管理平台数据聚合管理透明化地质模型构建与动态更新 可视化管理平台第三部分构建我国煤矿安全高效开采地质保障平台343 构建我国煤矿安全高效开采地质保障平台p 研发多地球物理场综合探测装备与技术，进一步提高勘探精度，提高矿井地质的

22、透明化水平。p 开发地质灾害源定量精细表征和全息透明化地图构建技术，进一步完善地质灾害透明化地图和自动更新平台。p 以岩层结构为基础，以岩石力学和流体因子为重点，开发和建立智能矿山建设决策与灾害隐患预报系统。我国煤矿安全高效开采地质保障下一步发展应围绕以下三个方向：353.1 提高勘探精度与矿井地质透明化水平 在进行系统的岩石物理分析基础上，通过垂直地震剖面（VSP）将地震勘探目的层进行准确的标定，并将地震数据体与测井数据体进行有效融合，利用测井数据纵向分辨率高的优势，将地震勘探的分辨率从过去的米级提高到分米级左右，并最终反演成以岩性为基础的三维地质数据体。高分辨率、高精度岩性伽马数据体提高地

23、震勘探纵向分辨率363.1 提高勘探精度与矿井地质透明化水平 实现对钻探信息、物探信息、生产信息等数据的规范化采集，规范化表达和动态维护。尤其是针对三维地震和物探资料的原始和解释成果的管理。集成安全监测监控等采集的数据，根据信息化的标准要求，实现统一标准、统一存储、统一管理，实现最大程度的数据共享。矿山多源信息采集373.1 提高勘探精度与矿井地质透明化水平 矿井地质和矿井物探结果也要通过数据融合方法形成统一的数据结构，以提高矿井地质成果的精度与透明度水平，构建煤矿智能开采的地质保障平台，解决地质系统与采矿工程系统两张皮的问题，实现矿井地质与采矿工程的无缝对接。多源数据多分辨率网格融合，建立矢

24、量栅格一体化模型 矿山多源数据融合383.1 提高勘探精度与矿井地质透明化水平 利用钻探、测井以及三维地震等发挥各种地学数据的精度优势，构建并动态修正高精度透明化地质模型，以反映矿体的最新几何和属性分布状态；精细描述断层等地质构造、陷落柱、采空区、老窑等。剖切分析 联合建模 矿山地学数据模型构建393.2 研发与惯导技术一体的高分辨率煤岩辨识仪器装备 针对当前矿井地质灾害隐患高精度实时探测需求，突破矿井防爆屏蔽空气耦合天线、定向钻孔地质雷达、数据智能识别与实时解析等关键技术。矿井煤岩智能探测系统示意图 防爆屏蔽空气耦合天线 高分辨探测地质雷达仪器研制矿井地质灾害隐患探测示意图403.3 开发和

25、建立智能矿山建设决策与灾害隐患预报系统 煤矿高分辨三维地震勘探技术是构建智能开采矿井地质保障系统、提高地质透明化最重要的技术之一。由于三维地震勘探是弹性波勘探，可进一步分析和提取岩石物理和流体识别相关的属性。通过约束反演，以获取矿区内岩性及地应力场的状况，为智能开采支架选型和动力灾害预防提供科学依据。基于高分辨率三维地震技术的矿区岩性及地应力场分布研究413.3 开发和建立智能矿山建设决策与灾害隐患预报系统 确定隐蔽动力灾害源发生的条件和过程与物理场响应的耦合关系，建立水、火、瓦斯灾害精准预测评价模型，实现智能识别与预警，是以智能开采为目标的矿井地质保障系统亟待解决的重要问题。相对低阻区地震探

26、测瞬变电磁探测 探地雷达探测 隐蔽动力灾害源智能识别与预警423.3 开发和建立智能矿山建设决策与灾害隐患预报系统 建立可视化管理平台：实现地上地下的一体化虚拟、真实再现；超大量场景数据渲染优化显示。采用3D-GIS技术和虚拟仿真技术，实现了矿山三维全息化构建、地表场景再现、地测数据管理、巷道、三维地质模型、设备和生产信息管理等。地上地下虚拟漫游与实时查询全息化透明煤矿 两地部署：实现现场生产和远程技术服务的一体协同工作。Internet现场生产服务结点矿大技术服务结点 建立矿山智能高效管理平台第四部分结论与展望444 结论与展望 我国煤田复杂地质构造和煤炭开采机械化需求催生了煤矿安全高效矿井地质保障系统的建立。煤矿高分辨三维地震勘探技术的发展促进了煤矿安全高效矿井地质保障系统建设的成熟。矿井地质透明化及自动更新是当前煤矿安全高效矿井地质保障系统发展的努力方向。煤矿安全高效地质保障系统涉及多领域、多学科的知识，需要进一步培养和引进高水平复合型地质、地球物理人才。研究人员要虚心学习、积极引入相关学科的先进技术与方法，加强国内国际交流合作，勤于思考，努力创新，促使其不断进步和发展！汇报完毕 敬请批评指正！煤矿安全高效开采地质保障关键技术及装备