《中國(guó)煤炭報(bào)》專訪中國(guó)工程院院士彭蘇萍

2024年11月9日，《中國(guó)煤炭報(bào)》第4版刊發(fā)中國(guó)工程院院士、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)教授彭蘇萍專題報(bào)道《為礦井做“CT”讓工作面更透明》。文章闡明了依托智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)給礦井做“CT”，是煤礦準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害的迫切需求，必須開(kāi)發(fā)和建立智能礦山建設(shè)決策與災(zāi)害隱患預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

“我國(guó)煤田復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和煤炭開(kāi)采機(jī)械化需求催生了智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)的建立。高分辨三維地震勘探技術(shù)的發(fā)展，讓智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)走向成熟。”在國(guó)家礦山安全監(jiān)察局組織開(kāi)展的“礦山安全科技進(jìn)陜西”活動(dòng)中，中國(guó)工程院院士彭蘇萍聚焦“智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)”作了專題報(bào)告。

“當(dāng)前，我國(guó)煤礦機(jī)械化生產(chǎn)開(kāi)機(jī)率從不到40%提高到90%以上，煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)實(shí)現(xiàn)好轉(zhuǎn)。但智能開(kāi)采工作面主要集中在煤田地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的礦區(qū)，其內(nèi)涵被強(qiáng)大的機(jī)械化能力所掩蓋。礦井地質(zhì)透明化及自動(dòng)更新，仍是智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)發(fā)展的努力方向。”彭蘇萍說(shuō)。

智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)取得長(zhǎng)足進(jìn)步

“智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)是支撐煤礦安全高效生產(chǎn)的必要條件。在地質(zhì)分析預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)地球物理探測(cè)和鉆探、巷探等技術(shù)手段，超前探明精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和瓦斯突出、礦井突水等災(zāi)害隱患，可為礦井設(shè)計(jì)、采區(qū)布置、生產(chǎn)準(zhǔn)備、采煤工作面布置到回采等各個(gè)階段提供清楚可靠的地質(zhì)信息，大大提高煤礦安全生產(chǎn)水平。”彭蘇萍說(shuō)。

據(jù)介紹，智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)是指從礦井基本建設(shè)開(kāi)始，直到礦井開(kāi)采結(jié)束及監(jiān)測(cè)采后上覆巖體地質(zhì)變化為止的整個(gè)礦井生命周期內(nèi)的全部地質(zhì)工作，包括含煤巖系地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度及變化、頂?shù)装鍘r性及穩(wěn)定性、水文地質(zhì)、瓦斯賦存與分布規(guī)律、煤層中的地質(zhì)異常體以及煤礦開(kāi)采對(duì)上覆地層的損傷等內(nèi)容。

隨著我國(guó)煤炭工業(yè)從炮采和普采向機(jī)械化、智能化開(kāi)采轉(zhuǎn)變，智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)先后經(jīng)歷了從煤田地質(zhì)學(xué)發(fā)展到采礦工程地質(zhì)學(xué)和礦井工程物探的過(guò)程。

“20世紀(jì)80年代以前，我國(guó)煤炭生產(chǎn)以炮采和普采為主，開(kāi)采效率低，對(duì)開(kāi)采地質(zhì)條件預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的要求不高，主要側(cè)重于煤層賦存狀況的判別。20世紀(jì)80年代后，我國(guó)開(kāi)始推進(jìn)煤礦綜合機(jī)械化生產(chǎn)。受制于復(fù)雜的地質(zhì)條件，機(jī)械化效益受到較大影響。”彭蘇萍表示。

為了破解我國(guó)煤田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層厚度變化大無(wú)法適應(yīng)機(jī)械化開(kāi)采的難題，20世紀(jì)90年代以來(lái)，專家和科研人員在煤田地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)上建立礦井工程地質(zhì)學(xué)，著力研究礦井工程地質(zhì)勘查技術(shù)和礦井地球物理勘查技術(shù)，以期通過(guò)解決礦井地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)描述和探測(cè)問(wèn)題，提高礦井地質(zhì)預(yù)測(cè)精度。

彭蘇萍指出，近年來(lái)，智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)已在礦井地質(zhì)構(gòu)造的高分辨識(shí)別和精確定位、煤礦頂?shù)装鍘r性和穩(wěn)定性預(yù)測(cè)、煤礦瓦斯災(zāi)害隱患識(shí)別以及礦井突水構(gòu)造預(yù)測(cè)等方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步。

具體表現(xiàn)在四個(gè)方面：一是實(shí)現(xiàn)礦井精細(xì)地質(zhì)構(gòu)造識(shí)別;二是在精確描述煤礦復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、預(yù)測(cè)煤礦災(zāi)害隱患方面的準(zhǔn)確性大幅度提高;三是在識(shí)別煤礦頂?shù)装鍘r性和煤與瓦斯、礦井突水災(zāi)害隱患技術(shù)方面日臻完善;四是使礦井地質(zhì)預(yù)測(cè)從點(diǎn)拓展到采區(qū)和礦區(qū)范圍，促進(jìn)了礦井地質(zhì)工作理念的根本性改變。

真正意義上的透明工作面尚未建立

2020年2月，國(guó)家發(fā)展改革委等八部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》(以下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見(jiàn)》)明確提出，到2025年，實(shí)現(xiàn)開(kāi)拓設(shè)計(jì)、地質(zhì)保障、采掘(剝)、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選物流等系統(tǒng)的智能化決策和自動(dòng)化協(xié)同運(yùn)行。

“《指導(dǎo)意見(jiàn)》指明了智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)的建設(shè)方向，煤炭綠色開(kāi)采、智能精準(zhǔn)開(kāi)采則對(duì)智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)提出了新的更高的要求，這就要求我們進(jìn)一步解決勘探精度、地質(zhì)物探數(shù)據(jù)融合等問(wèn)題。”彭蘇萍說(shuō)。

彭蘇萍指出，勘探精度和地質(zhì)物探數(shù)據(jù)融合問(wèn)題是阻礙建立真正意義上的透明工作面的主要問(wèn)題之一。

在他看來(lái)，大部分生產(chǎn)礦井基于鉆探資料，在有的礦區(qū)建立起包含三維地震勘探成果的煤礦三維地質(zhì)模型，只是不同數(shù)據(jù)體的人工疊加，沒(méi)有做到真正意義上的數(shù)據(jù)融合。

“不同精度、不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)體疊加在一起，在精度、分辨率上并沒(méi)有真正提高，就如同毛玻璃一般，還不是真正意義上的三維。因此，三維地質(zhì)數(shù)據(jù)體和礦井生產(chǎn)工程設(shè)計(jì)還不能融合在一起，存在‘兩張皮’現(xiàn)象。確切來(lái)說(shuō)，我國(guó)目前還沒(méi)有真正意義上的透明工作面。”彭蘇萍直言。

同時(shí)，我國(guó)尚缺少地質(zhì)物探聯(lián)合的高精度三維地質(zhì)模型和巖性、物性模型。模型的動(dòng)態(tài)更新是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。

彭蘇萍認(rèn)為，煤巖層位智能探測(cè)問(wèn)題是制約智能化采煤的重大難題之一。

隨著煤礦智能化建設(shè)的不斷推進(jìn)，遠(yuǎn)程無(wú)人化操控“三機(jī)”的定位精度已經(jīng)達(dá)到厘米級(jí)，下達(dá)指令的傳輸時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)。

“這就要求地質(zhì)保障技術(shù)能夠?yàn)橹悄芑擅禾峁┘皶r(shí)、精準(zhǔn)的電子地圖，現(xiàn)階段智能化采煤在地質(zhì)保障技術(shù)方面是存在缺陷的。”彭蘇萍表示，“比如，依托三維地震勘探技術(shù)建立的煤礦三維地質(zhì)體精度低，難以滿足遠(yuǎn)程無(wú)人化操控的厘米級(jí)精度要求。”

煤巖分界難題仍是制約煤礦智能化開(kāi)采的瓶頸問(wèn)題。“20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的視頻監(jiān)測(cè)、光譜檢測(cè)、X射線等方法均因探測(cè)深度和精度不足而被迫停止。”彭蘇萍說(shuō)。

他同時(shí)指出，地質(zhì)雷達(dá)是煤巖界面分辨最具潛力的儀器裝備，但是受制于能量衰減問(wèn)題，雷達(dá)天線要貼著煤壁，探測(cè)不能與采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)，也難以推廣。

“經(jīng)過(guò)20多年的努力，最近我們開(kāi)發(fā)出空氣耦合雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以不貼著煤壁進(jìn)行懸空探測(cè)，煤巖分界精度可達(dá)厘米級(jí)，探測(cè)深度8米至10米，探測(cè)速度可與采煤機(jī)同步。這才使煤巖分界的難題初步得到解決。”彭蘇萍說(shuō)。

開(kāi)發(fā)智能采掘工作面地質(zhì)透明化技術(shù)與裝備

煤礦智能化建設(shè)的深入推進(jìn)，離不開(kāi)可靠的地質(zhì)保障。彭蘇萍認(rèn)為，應(yīng)圍繞以下三個(gè)方向發(fā)力：研發(fā)多地球物理場(chǎng)綜合探測(cè)裝備與技術(shù)，進(jìn)一步提高勘探精度，提高礦井地質(zhì)透明化水平;研發(fā)地質(zhì)災(zāi)害源定量精細(xì)表征和全息透明化地圖構(gòu)建技術(shù)，進(jìn)一步完善地質(zhì)災(zāi)害透明化地圖和自動(dòng)更新平臺(tái);以巖層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以巖石力學(xué)和流體因子為重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)和建立智能礦山建設(shè)決策與災(zāi)害隱患預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

彭蘇萍指出，在提高勘探精度與礦井地質(zhì)透明化水平方面，提高地震勘探縱向分辨率是首要任務(wù)。

“我們?cè)谶M(jìn)行系統(tǒng)的巖石物理分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)垂直地震剖面(VSP)將地震勘探目的層進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，并將地震數(shù)據(jù)體與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)體進(jìn)行有效融合，發(fā)揮測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)縱向分辨率高的優(yōu)勢(shì)，將地震勘探分辨率從過(guò)去的米級(jí)提高到分米級(jí)左右，并最終反演成以巖性為基礎(chǔ)的三維地質(zhì)數(shù)據(jù)體。”彭蘇萍說(shuō)。

彭蘇萍指出，數(shù)據(jù)是煤礦智能化建設(shè)的重要支撐，需要在礦山多源信息采集的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)統(tǒng)合。

“我們要實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆探信息、物探信息、生產(chǎn)信息等數(shù)據(jù)的規(guī)范化采集、規(guī)范化表達(dá)和動(dòng)態(tài)維護(hù)，尤其是要加強(qiáng)三維地震勘探數(shù)據(jù)和物探數(shù)據(jù)的管理。”彭蘇萍說(shuō)。

他強(qiáng)調(diào)，集成安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)等采集的數(shù)據(jù)，必須按照信息化標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)最大程度的數(shù)據(jù)共享。

“當(dāng)然，礦井地質(zhì)和礦井物探結(jié)果也要通過(guò)數(shù)據(jù)融合的方式形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以提高礦井地質(zhì)成果的精度與透明化水平，構(gòu)建煤礦智能開(kāi)采的地質(zhì)保障平臺(tái)，解決地質(zhì)系統(tǒng)與采礦工程系統(tǒng)‘兩張皮’問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)礦井地質(zhì)與采礦工程的無(wú)縫對(duì)接。”彭蘇萍表示。

他認(rèn)為，應(yīng)利用鉆探、測(cè)井以及三維地震勘探技術(shù)等發(fā)揮各種地學(xué)數(shù)據(jù)的精度優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建并動(dòng)態(tài)修正高精度透明化地質(zhì)模型，以反映礦體的最新幾何和屬性分布狀態(tài);精細(xì)描述斷層等地質(zhì)構(gòu)造、陷落柱、采空區(qū)、老窯等，更好指導(dǎo)生產(chǎn)。

在彭蘇萍看來(lái)，我國(guó)不同煤礦地質(zhì)條件差異顯著，礦井地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，依托智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)給礦井做“CT”，是煤礦準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害的迫切需求，必須開(kāi)發(fā)和建立智能礦山建設(shè)決策與災(zāi)害隱患預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

“煤礦高分辨三維地震勘探技術(shù)是構(gòu)建智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)、提高地質(zhì)透明化水平的最重要技術(shù)之一。由于三維地震勘探是彈性波勘探，可進(jìn)一步分析和提取巖石物理和流體識(shí)別相關(guān)的數(shù)據(jù)。通過(guò)約束反演，以獲取礦區(qū)內(nèi)巖性及地應(yīng)力場(chǎng)情況，為智能開(kāi)采支架選型和動(dòng)力災(zāi)害預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。”彭蘇萍說(shuō)。

在隱蔽動(dòng)力災(zāi)害源智能識(shí)別與預(yù)警方面，彭蘇萍認(rèn)為，應(yīng)確定隱蔽動(dòng)力災(zāi)害源發(fā)生的條件和過(guò)程與物理場(chǎng)響應(yīng)的耦合關(guān)系，建立水、火、瓦斯災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別與預(yù)警。

我國(guó)廣袤的西部干旱半干旱地區(qū)，煤炭產(chǎn)量占全國(guó)的50%以上，但水資源匱乏，不足全國(guó)的4%。在本就缺水的基礎(chǔ)上，煤炭開(kāi)采造成地下水位下降，進(jìn)一步影響了生態(tài)環(huán)境。

彭蘇萍表示，應(yīng)在采前、采中、采后煤炭開(kāi)發(fā)全生命周期中，通過(guò)觀測(cè)和研究厚煤層開(kāi)采條件下上覆巖層的破斷規(guī)律及其與水、生態(tài)的關(guān)系，為西部干旱半干旱地區(qū)礦區(qū)環(huán)境與生態(tài)修復(fù)服務(wù)。這是今后智能開(kāi)采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

來(lái)源/中國(guó)煤炭報(bào)文　　字/盧慧穎