程建遠，王保利 ，范 濤 ，王云宏 ，蔣必辭

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077；2.煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京 100013)

0 引 言

煤炭地質(zhì)工作是煤炭資源勘查、開發(fā)、利用全過程中所有地質(zhì)工作的統(tǒng)稱，它包含煤田地質(zhì)與煤礦地質(zhì)2個階段。煤田地質(zhì)是指煤礦建井階段之前開展的地質(zhì)工作，煤礦地質(zhì)是由建井階段的礦建地質(zhì)與生產(chǎn)階段的礦井地質(zhì)組成，其中礦井地質(zhì)是在煤礦建井和生產(chǎn)過程中進行的、直接為煤礦生產(chǎn)服務(wù)的地質(zhì)工作，它的主要任務(wù)是查明影響正常生產(chǎn)、開拓和回采的煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等，研究煤層和圍巖中瓦斯賦存規(guī)律，掌握煤礦儲量變化情況，為礦井安全高效生產(chǎn)提供地質(zhì)保障服務(wù)[1-2]。近年來，透明地質(zhì)、地質(zhì)透明化等不斷涌現(xiàn)的新概念[3-5]，是煤礦智能開采階段傳統(tǒng)礦井地質(zhì)工作的延伸和深化，也是由數(shù)字地球、透明地球、透明礦山等衍生的熱詞[6-7]。

1998年，美國前副總統(tǒng)戈爾首次提出了“數(shù)字地球”的概念[8]，隨后數(shù)字礦山、數(shù)字煤礦、數(shù)字城市等概念在不同行業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)[9-11]；1999年，澳大利亞地質(zhì)學(xué)家Carr等在“數(shù)字地球”的基礎(chǔ)上，提出了“玻璃地球”的概念，其含義是建立一個橫向分區(qū)或連片的、多尺度的、數(shù)字化的、透明的地殼淺層模型，其中凝聚了所能采集的全部地質(zhì)空間信息和屬性信息[12]；此后，透明地球[13]、透明礦山[14]、智能礦山[15]、智慧礦山[16]等新的名詞術(shù)語，可以視為“數(shù)字地球”“玻璃地球”概念在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。自從2014年黃陵一礦1001工作面無人化開采首次取得成功以來，我國煤礦開采進入了智能開采的新發(fā)展階段，“透明地質(zhì)”逐漸得到了采礦專家的高度重視[17]。2017年，袁亮院士率先提出基于透明空間地球物理和多物理場耦合、實現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)開采的科學(xué)構(gòu)想，這一構(gòu)想可以視為煤礦“透明地質(zhì)”的發(fā)端[18-19]；2020年，國家八部委聯(lián)合下發(fā)了“關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見”，明確提出構(gòu)建實時、透明的煤礦采、掘、機、運、通、洗選等數(shù)據(jù)鏈條，分級建設(shè)智能化平臺的總體要求[20]；2021年，王國法院士指出“透明地質(zhì)”技術(shù)對煤礦智能化的保障支撐能力不足，成為煤礦智能化的十大“痛點”之一[21]；同年，國家能源局、國家礦山安全監(jiān)察局聯(lián)合頒布的《煤礦智能化建設(shè)指南(2021年版)》中，將智能地質(zhì)保障系統(tǒng)作為重要建設(shè)內(nèi)容，并設(shè)置了“透明地質(zhì)”專欄，提出了“建立實時更新的地質(zhì)與工程數(shù)據(jù)高精度融合模型，實現(xiàn)礦井地質(zhì)信息的透明化”的目標(biāo)和要求[22]。目前，隨著煤礦智能化建設(shè)速度的不斷加快，“透明地質(zhì)”“地質(zhì)透明化”已經(jīng)成為一個煤礦智能開采領(lǐng)域高頻出現(xiàn)的熱詞。然而，對于“透明地質(zhì)” “地質(zhì)透明化”的內(nèi)涵與外延、應(yīng)用場景、實現(xiàn)路徑、關(guān)鍵技術(shù)等，目前尚缺少相關(guān)文獻的論述[23]。

詮釋了煤礦地質(zhì)透明化的含義，圍繞煤礦井下超前鉆孔、掘進巷道、采煤工作面3個應(yīng)用場景，重點闡述煤礦地質(zhì)透明化的技術(shù)背景、目標(biāo)需求、實現(xiàn)路徑、關(guān)鍵技術(shù)等，提出分時段、分區(qū)段、分層級實現(xiàn)煤礦地質(zhì)透明化的技術(shù)思路。

1 煤礦地質(zhì)透明化的含義詮釋

1.1 煤礦地質(zhì)透明化的定義

在漢語詞典中，“透明”是指物質(zhì)透過光線的性質(zhì)或情況，形容透亮和明白；“地質(zhì)”泛指地球的性質(zhì)和特征，主要是指地球的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、發(fā)育歷史以及礦產(chǎn)資源的賦存狀況和分布規(guī)律等。從狹義上講，地質(zhì)體是無法透過光線的，因此“透明地質(zhì)”只是一種理想境界；從廣義上講，地質(zhì)體是可以透過物理射線的，如伽馬射線、聲波、電磁波等，因此在特定條件下地質(zhì)體是可以透明的。與“透明地質(zhì)”相對應(yīng)，“地質(zhì)透明化”是實現(xiàn)“透明地質(zhì)”的一個持續(xù)、漸進的動態(tài)過程；“透明地質(zhì)”主要突出了地質(zhì)工作的結(jié)果，而“地質(zhì)透明化”則強調(diào)了“地質(zhì)透明”的過程。從這個意義上講，煤礦地質(zhì)工作的最終目標(biāo)是實現(xiàn)“透明地質(zhì)”，其實現(xiàn)路徑是通過多種手段達到“地質(zhì)透明化”的過程。

迄今為止，“地質(zhì)透明化”尚無明確的定義。在邏輯學(xué)中，定義是通過一個概念明確另一個概念內(nèi)涵的邏輯方法，定義是由被定義項、下定義項和定義聯(lián)項3部分組成的，其中“被定義項”是其內(nèi)涵被明確的概念，如“地質(zhì)透明化”；“下定義項”是用來確定被定義項內(nèi)涵的概念，如“地質(zhì)透明化”的內(nèi)涵與外延；“定義聯(lián)項”是下定義項和被定義項之間的邏輯聯(lián)系。定義要揭示“被定義項”的本質(zhì)特征，“下定義項”的內(nèi)涵和外延應(yīng)與“被定義項”相等[24]。下定義的方法有:①屬加種差定義法；②語詞定義法，即揭示標(biāo)志概念的語詞意義的定義。這里，以語詞定義法給出煤礦地質(zhì)透明化的定義如下：煤礦地質(zhì)透明化是利用多種手段開展地質(zhì)信息采集，并與采掘工程信息相互融合，構(gòu)建三維地質(zhì)模型，從而為煤礦生產(chǎn)提供超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報的動態(tài)過程。

1.2 煤礦地質(zhì)透明化的內(nèi)涵

概念的內(nèi)涵是指一個概念所反映的事物的本質(zhì)屬性的總和，煤礦地質(zhì)透明化的內(nèi)涵是指在不同時間、不同空間、不同精度條件下煤礦地質(zhì)工作的內(nèi)容以及目標(biāo)。

在煤炭資源勘查、煤礦設(shè)計、建井、開拓、掘進和采煤等不同階段，煤礦地質(zhì)透明化的內(nèi)涵各不相同。在煤炭資源勘查階段，煤田地質(zhì)工作的內(nèi)容是查明含煤盆地的地層結(jié)構(gòu)、巖性分布、煤層層數(shù)、煤層厚度、地質(zhì)儲量、大中型構(gòu)造發(fā)育等地質(zhì)條件；在煤礦設(shè)計階段，煤田地質(zhì)工作的內(nèi)容是查明影響采區(qū)劃分的地質(zhì)構(gòu)造、煤層變化、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、瓦斯含量以及影響開采的巖漿巖、火燒區(qū)、陷落柱等災(zāi)害地質(zhì)條件；在煤礦建井階段，建井地質(zhì)工作要求系統(tǒng)編錄所揭露的地質(zhì)信息，及時預(yù)報施工過程中的地質(zhì)問題，為移交生產(chǎn)做好準(zhǔn)備；在大巷開拓階段，礦井地質(zhì)工作要求超前查明潛在的隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，因為大巷的標(biāo)高、走向、坡度不能輕易調(diào)整；在煤巷掘進階段，礦井地質(zhì)的目標(biāo)是超前探明掘進巷道前方的煤層起伏、厚度變化等幾何信息以及斷層、陷落柱、瓦斯、采空區(qū)等隱蔽致災(zāi)因素信息；在工作面回采階段，礦井地質(zhì)的目標(biāo)是預(yù)先查明采煤工作面前方的煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造等，同時要監(jiān)測采掘擾動條件下動力地質(zhì)災(zāi)害的孕育演化等。

因此，煤礦地質(zhì)透明化在煤礦不同生產(chǎn)階段被賦予不同的地質(zhì)內(nèi)涵，它不是一個空泛的、靜止的、固化的概念，而是一個具體的、發(fā)展的、動態(tài)的工作過程，其評判標(biāo)準(zhǔn)是以能否滿足某一生產(chǎn)階段的地質(zhì)需求作為依據(jù)的。由于煤礦生產(chǎn)活動是動態(tài)的、遞進的，這就要求地質(zhì)透明化能夠?qū)崿F(xiàn)適時的動態(tài)透明、漸進的局部透明和適配的透明度，即在時間上應(yīng)該是適時的、動態(tài)的，無需過于超前；在空間上應(yīng)該是局部透明、漸進透明，無需一次性達到礦井透明；在透明程度上是有限的、漸進的，以滿足不同生產(chǎn)階段的地質(zhì)需求為目標(biāo)。

1.3 煤礦地質(zhì)透明化的外延

概念的內(nèi)涵代表了事物的屬性，概念的外延反映了具有特有屬性的事物的范圍；內(nèi)涵與外延總體呈現(xiàn)此消彼長的互補關(guān)系，概念內(nèi)涵越豐富則其外延越具體。因此，從煤礦生產(chǎn)的空間、時間和透明度3個維度出發(fā)，煤礦地質(zhì)透明化的外延可以按照煤礦生產(chǎn)在時空上的應(yīng)用場景來表達，即超前鉆孔地質(zhì)透明化、掘進巷道地質(zhì)透明化、采煤工作面地質(zhì)透明化、煤礦采區(qū)地質(zhì)透明化、井田范圍地質(zhì)透明化等，這就是煤礦地質(zhì)透明化的外延范圍。具體內(nèi)涵如下：

1)超前鉆孔地質(zhì)透明化：在巷道掘進前，利用鉆探與物探“兩探”融合的思路，縱向由鉆探控制、徑向由物探掃描，形成一個鉆孔“線狀”地質(zhì)透明化的脊線。

2)掘進巷道地質(zhì)透明化：在巷道掘進過程中，利用“長掘長探”“隨掘隨探”等技術(shù)開展動態(tài)跟蹤探測，對異常區(qū)實施鉆探驗證，形成掘進巷道“束狀”地質(zhì)透明化的條帶。

3)采煤工作面地質(zhì)透明化：在工作面回采前，采用槽波地震、音頻電透視等技術(shù)對工作面靜態(tài)地質(zhì)條件開展探測；在工作面回采過程中，開展隨采地震、隨采電法、微震監(jiān)測、水文監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測等對動力地質(zhì)災(zāi)害進行監(jiān)測預(yù)警，形成采煤工作面“帶狀”地質(zhì)透明化的區(qū)域。

4)煤礦采區(qū)地質(zhì)透明化：隨著超前鉆孔、掘進巷道、采煤工作面等所獲地質(zhì)信息的不斷增加，接續(xù)工作面開采地質(zhì)條件愈加透明，形成煤礦采區(qū)“片狀”地質(zhì)透明化的塊段。

5)井田范圍地質(zhì)透明化：在煤礦采區(qū)地質(zhì)透明化的基礎(chǔ)上，將地形、地層、構(gòu)造、巷道、設(shè)備等多源異構(gòu)信息加以融合，在統(tǒng)一地理坐標(biāo)系下構(gòu)建三維地質(zhì)模型，形成井田范圍“面狀”地質(zhì)透明化的區(qū)域。

限于篇幅，圍繞超前鉆孔、掘進巷道與采煤工作面三大場景的地質(zhì)透明化，重點對不同場景地質(zhì)透明化的背景條件、實現(xiàn)路徑和關(guān)鍵探測技術(shù)展開敘述。

2 煤礦地質(zhì)透明化的應(yīng)用場景

2.1 超前鉆孔地質(zhì)透明化

鉆孔地質(zhì)透明化是指通過鉆探描述、鉆孔測量、鉆孔成像和鉆孔物探等手段，實現(xiàn)鉆孔縱向不同深度、徑向一定范圍內(nèi)煤巖層界面、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)災(zāi)害等地質(zhì)透明化的過程。

2.1.1 背景分析

鉆探作為一種最重要的地質(zhì)探測手段，在煤礦地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)異常體探測和儲量計算、災(zāi)害探查與治理等方面應(yīng)用廣泛，煤礦井下鉆孔的類型、數(shù)量較多。從工程用途上分，煤礦井下鉆孔包括地質(zhì)孔、探放水孔、瓦斯抽采孔、消突鉆孔、卸壓孔、防塵孔等；從施工層位上分，包括順煤層孔、頂板孔、底板孔、穿層孔等；從成孔工藝上分，包括定向鉆孔、非定向孔。以煤與瓦斯突出礦井為例：采掘前需要施工底板穿層孔以掩護煤巷掘進，煤巷掘進階段需要施工超前泄壓孔以確保安全掘進，而在工作面形成后、回采前需要在工作面內(nèi)部施工抽采卸壓孔，以達到瓦斯壓力小于0.74 MPa、含量小于8 m3/t的安全回采要求(圖1)；對于一個走向長度2 000 m、傾向?qū)挾?00 m的工作面，暫不考慮到底板巖巷的穿層孔、煤巷掘進的超前孔等，僅以工作面采前瓦斯抽采鉆探工作量估算：設(shè)兩條順槽按照鉆孔間距2 m、鉆孔深度110 m、兩巷對穿的作業(yè)方式，則需要施工鉆孔2 000個、鉆探進尺22萬m。

圖1 煤礦鉆孔分布示意Fig.1 Schematic of borehole distribution in coal mine

盡管煤礦井下鉆孔數(shù)量、鉆探進尺較大，但是以前的鉆探施工僅服務(wù)于單一的工程目的，例如超前探放水、瓦斯抽采、超前卸壓等，缺乏“一個鉆孔就是一項工程”的系統(tǒng)思維，也缺少從地質(zhì)透明化角度思考“一孔多用”等[25-26]。實際上，如果每個鉆孔能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)透明，并將鉆探與物探融為一體，鉆孔縱向依靠鉆探控制、徑向利用物探覆蓋，則能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔“線狀”地質(zhì)透明化。

2.1.2 實現(xiàn)路徑

煤礦井下超前鉆孔地質(zhì)透明化的實現(xiàn)路徑，主要包括4個步驟：

1)鉆孔測量：在鉆機開孔前，對鉆孔位置、高度、方位角、傾角、層位等參數(shù)進行測定，確保施工鉆孔參數(shù)達到設(shè)計要求；在鉆進過程中，利用MWD隨鉆測量系統(tǒng)或鉆孔軌跡測量儀，測定鉆孔的空間軌跡[27]。

2)鉆探描述：在鉆機施工中，記錄鉆孔的深度、變徑、返渣、泥漿漏失量、鉆機給進力、轉(zhuǎn)速、扭矩、起拔力、泥漿泵壓以及出水點、出水量、封孔長度等，采用巖屑錄井方法初步判層。

3)鉆孔成像：鉆孔完鉆后，采用高清攝像頭對孔內(nèi)情況進行顯示，錄制孔內(nèi)圖像，通過對孔壁視頻圖像分析，判斷巖性、構(gòu)造與穿層情況。

4)鉆孔物探：鉆孔封孔前，利用鉆孔伽馬[28]、鉆孔雷達[29]、鉆孔瞬變[30]、孔間透視[31]等鉆孔物探技術(shù)，對鉆孔徑向30 m范圍內(nèi)地層、構(gòu)造、含水性等開展遠探測，從而形成一條沿鉆孔軌跡延伸、徑向擴展的鉆孔“線狀”地質(zhì)透明化的脊線。

2.1.3 關(guān)鍵技術(shù)

在鉆孔地質(zhì)透明化過程中，鉆探描述、鉆孔測量、鉆孔成像等技術(shù)比較成熟，鉆孔物探包括鉆頭前方探測(簡稱“前探”)和鉆孔徑向遠探測(簡稱“遠探”)2項新技術(shù)，其中“前探”主要服務(wù)于地質(zhì)導(dǎo)向定向鉆進，鉆孔地質(zhì)雷達[32]、鉆孔瞬變電磁探測技術(shù)[33]是實現(xiàn)鉆孔徑向“遠探”的核心技術(shù)，可以實現(xiàn)鉆孔徑向的分層定厚、構(gòu)造探測以及富水區(qū)探測等[26]。

筆者針對鉆孔物探的開孔定向、鉆孔成像2項技術(shù)加以闡述。

1)開孔定向技術(shù)。鉆孔設(shè)計的開孔位置、高度、傾斜角、方位角和孔深等參數(shù)中，開孔位置與高度由地測人員現(xiàn)場確定并測量記錄，傾角參數(shù)在開鉆前易于測量和校準(zhǔn)，鉆孔深度在不要求實時連續(xù)記錄情況下能夠以加裝鉆桿的長度累加方式獲得；鉆孔開孔的方位角測量方法與誤差問題以往經(jīng)常被忽視，一些煤礦采用地質(zhì)羅盤地磁測量的方式現(xiàn)場測量鉆孔方位角，經(jīng)常造成10°～20°的測量誤差，因為在鉆場強鐵磁干擾環(huán)境下地質(zhì)羅盤的指北針容易被磁化[34]，而鉆孔開孔方位角如同“瞄準(zhǔn)鏡”的準(zhǔn)星，“失之毫厘，差之千里”。

由于煤礦井下鉆場周圍存在強鐵磁干擾，在這種復(fù)雜工況條件下，基于地球自轉(zhuǎn)加速度測量的慣性陀螺測量技術(shù)，以陀螺及加速度計等慣性傳感器為基礎(chǔ)進行姿態(tài)測量，實現(xiàn)鉆孔開孔方位角、傾角的高精度測量[35]。如光纖陀螺的動態(tài)航向精度達到了±0.2′、靜態(tài)穩(wěn)定時間小于1 min、動態(tài)穩(wěn)定時間不大于4 min、尋北精度0.056°，反應(yīng)時間不到5 min[36]。

2)鉆孔成像技術(shù)。鉆孔成像技術(shù)是將高清攝像頭和自適應(yīng)廣角鏡頭安裝到成像探管中，然后將成像探管送入孔內(nèi)，拍攝孔壁四周全景圖像，并通過電纜將視頻圖像傳送到孔口監(jiān)視器，地質(zhì)人員可以實時觀看孔壁四周的圖像；同時，攝像機錄下整個檢測過程的圖像，也可將某一深度圖像以照片傳輸?shù)街鳈C，用于分析鉆孔內(nèi)部的煤巖界面、井壁地層裂隙及巖溶發(fā)育情況等(圖2)。

鉆孔成像儀一般與鉆孔深度記錄儀、鉆孔測斜儀、自然伽馬等測量探管同時入孔，以便于開展視頻信息與探測數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析。

2.1.4 應(yīng)用案例

受客觀因素限制，煤礦井下鉆探施工難以采取地質(zhì)巖心。為綜合判斷鉆孔中煤巖界面的位置，某礦開展了鉆孔軌跡測量、鉆孔成像、鉆孔伽馬、鉆孔雷達等鉆孔物探工作。17.5 m和25.5 m處鉆孔成像的結(jié)果如圖2所示，可以看到孔內(nèi)煤渣及孔壁、孔徑的變化情況；該孔在35 m附近鉆孔伽馬發(fā)生突變,在34 m附近鉆孔雷達反射強度明顯變?nèi)?，如圖3所示，據(jù)此綜合判斷34～35 m出現(xiàn)煤巖分界面，后續(xù)井下工程證實了這一判斷。

圖3 鉆孔伽馬與鉆孔雷達探測成果解釋Fig.3 Interpretation of borehole gamma and borehole radar detection results

2.2 掘進巷道地質(zhì)透明化

掘進巷道地質(zhì)透明化是指通過掘進前、掘進中的地質(zhì)超前探測，超前查明掘進巷道前方、側(cè)幫及頂/底板一定范圍的地質(zhì)條件，構(gòu)建掘進巷道地質(zhì)模型，為巷道掘進提供動態(tài)地質(zhì)預(yù)報的過程。

2.2.1 背景分析

據(jù)統(tǒng)計：2012—2019年全國煤礦事故統(tǒng)計分析中，發(fā)生在掘進工作面的瓦斯、水害、頂板等較大及以上事故占比分別達到48.9%、58.6%和27.7%，掘進工作面地質(zhì)條件不清是造成上述事故的主要原因；全國煤礦井下掘進巷道工作量超過12 000 km/a，掘進速度慢與掘進前方地質(zhì)條件不透明息息相關(guān)。

煤礦井下掘進巷道地質(zhì)透明化的任務(wù)為：①查明煤層的空間賦存形態(tài)，如煤層起伏、煤厚變化、地質(zhì)構(gòu)造等，形成一個高精度掘進地質(zhì)剖面，以利于掘進巷道的優(yōu)化設(shè)計，盡可能避免由于地質(zhì)條件不清給巷道掘進造成的不利影響；②查明掘進巷道前方潛在的隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，包括斷層、陷落柱、老空區(qū)、火燒區(qū)、巖漿巖侵入?yún)^(qū)及富水異常區(qū)等，保障巷道安全掘進；③盡可能加大超前探測的距離，減少與掘進設(shè)備在時間、空間上的沖突等，最終形成一個以掘進巷道中線為基線的“束狀”地質(zhì)透明化范圍。

2.2.2 實現(xiàn)路徑

煤礦井下掘進巷道地質(zhì)透明化的實現(xiàn)路徑，主要包括以下步驟：

1)預(yù)測地質(zhì)剖面。在采區(qū)劃分之后，采區(qū)采煤工作面的開采方法、設(shè)備選型、走向長度、傾斜寬度以及預(yù)留煤柱、運輸巷道、回風(fēng)巷道等設(shè)計參數(shù)已經(jīng)初步確定。這一階段已有的地質(zhì)資料包括地面鉆探、物探資料和井下鄰近采區(qū)、工作面和開拓巷道的地質(zhì)資料。為優(yōu)化掘進設(shè)計，利用前期的地質(zhì)、物探資料，特別是三維地震資料，結(jié)合相鄰工作面、上下層位已掘巷道揭露的地質(zhì)情況分析，繪制掘進巷道預(yù)測地質(zhì)剖面圖，但其精度相對偏低。

2)預(yù)報地質(zhì)剖面。在巷道正式掘進之前，一般采用“物探先行、鉆探驗證、綜合探測”的方法開展超前探測，查明掘進巷道前方、巷道兩幫外圍15～20 m的煤層變化與隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素情況等，從而為巷道快速掘進提供高精度的地質(zhì)預(yù)報。“長掘長探”“探鉆一體”“掘探協(xié)同”等新技術(shù)與新裝備，可以把定向鉆進的“長距離、分支孔”優(yōu)勢和鉆孔物探的“近距離、高精度”特點完美地融為一體，在此基礎(chǔ)上結(jié)合三維地震資料地質(zhì)動態(tài)解釋技術(shù)，形成高精度的掘進巷道地質(zhì)預(yù)報剖面，從而為安全高效快速掘進提供地質(zhì)保障[37]。

3)實測地質(zhì)剖面。掘進巷道預(yù)測地質(zhì)剖面和實際揭露情況可能仍有偏差，需要開展已掘巷道頂?shù)装鍘r性、煤厚變化、小構(gòu)造發(fā)育等地質(zhì)情況寫實，為三維地震資料地質(zhì)動態(tài)解釋、掘進巷道地質(zhì)透明化建模提供“硬數(shù)據(jù)”；同時，采用隨掘隨探技術(shù)開展掘進巷道前方100～150 m高精度動態(tài)實時探測；采用反射槽波探測技術(shù)，實現(xiàn)掘進巷道側(cè)幫方向的地質(zhì)探測；采用地質(zhì)雷達、激光掃描等技術(shù)，實現(xiàn)掘進巷道的高精度地質(zhì)建模等。

可見，在巷道掘進階段，通過時間、空間上多種手段的靈活運用，開展掘進巷道的煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、災(zāi)害地質(zhì)體等超前精細探測和動態(tài)地質(zhì)建模，可以形成掘進巷道“束狀”地質(zhì)透明化的條帶。

2.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

1)長掘長探技術(shù)。利用煤礦井下先進的定向長鉆孔施工技術(shù)，通過在掘進巷道后方或側(cè)方預(yù)設(shè)鉆場，利用千米定向鉆機在掘進前超前施工深度600～1 000 m的順煤層定向長鉆孔；在定向長鉆孔中，采用鉆孔瞬變電磁等技術(shù)與裝備，實現(xiàn)鉆孔徑向半徑不少于30 m范圍內(nèi)富水區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造的遠距離超前探測[26]。在此基礎(chǔ)上，編制掘進巷道前方的地質(zhì)預(yù)測剖面，以優(yōu)化掘進巷道設(shè)計。

2)隨掘隨探技術(shù)。在掘進巷道后方提前安置地震傳感器，利用掘進機截割煤壁時產(chǎn)生的震動信號，實時接收地震波在遇到斷層、陷落柱、采空區(qū)等異常時產(chǎn)生的反射波；隨掘地震信號通過光纖環(huán)網(wǎng)實時傳輸?shù)降孛嫣幚碇行暮?，利用專用處理軟件開展大規(guī)模的并行計算，動態(tài)生成掘進巷道前方地質(zhì)構(gòu)造的成像結(jié)果，可以滿足快速掘進對超前探測精度、速度要求[38-40]。

對于受底板承壓水威脅的掘進巷道而言，還需采用長距離定向鉆孔的瞬變電磁探測技術(shù)，對掘進巷道底板導(dǎo)水通道進行超前探查，以確保巷道安全快速掘進[41]。

3)反射槽波探測。在煤層中激發(fā)的地震波當(dāng)入射角達到臨界角后，地震波發(fā)生全反射，隨后沿煤層傳播形成槽波。槽波在傳播過程中，如果煤層穩(wěn)定則槽波一直沿煤層傳播，形成透射槽波；反之，如果槽波傳播過程中遇到煤層發(fā)生變化(如斷層、陷落柱、煤厚突變等)，則槽波會發(fā)生反射、散射等。通過對反射槽波的處理成像和地質(zhì)解釋，可以對采煤工作面內(nèi)部構(gòu)造進行超前探測。

2.2.4 應(yīng)用案例

山西某礦掘進工作面?zhèn)葞头瓷洳鄄?gòu)造探測實例如圖4所示。該工作面煤層厚度為2.00～3.70 m，平均煤厚3.26 m，煤層傾角為6°～10°，平均為8°，工作面傾向?qū)?20 m，在工作面下巷每10 m布設(shè)檢波點與炮點，向上巷方向進行反射槽波探測。圖4b巷道側(cè)幫反射槽波解釋的斷層，與下巷平均距離109 m，后經(jīng)探巷在112 m 處實際揭露斷層，與槽波解釋結(jié)果平面位置偏差僅3 m；斷層走向190°，與反射槽波解釋推斷結(jié)果基本一致[42]。

圖4 側(cè)幫反射槽波示意與側(cè)幫反射槽波實例Fig.4 Schematic of reflected in-seam waves on side wall and example of side wall detection

2.3 回采工作面地質(zhì)透明化

回采工作面地質(zhì)透明化是指通過采前靜態(tài)探測、采中動態(tài)探測與實時監(jiān)測，融合回采揭露的地質(zhì)信息，構(gòu)建三維動態(tài)地質(zhì)模型，實現(xiàn)采煤工作面“條帶”地質(zhì)透明化的過程。

2.3.1 背景分析

回采工作面是煤礦地質(zhì)透明化的關(guān)鍵應(yīng)用場景。在回采前，運輸巷、回風(fēng)巷與開切眼3條巷道已經(jīng)完成掘進，形成了局部“束狀”地質(zhì)透明化的區(qū)域，只是回采線前方仍未達到地質(zhì)透明的程度，特別是開采擾動圍巖破壞條件下的動力地質(zhì)災(zāi)害。

采煤工作面地質(zhì)透明化的任務(wù)是：①超前查明影響安全回采的靜態(tài)地質(zhì)條件，如斷層、褶曲、陷落柱、煤厚、夾矸、頂?shù)装鍘r性等變化；②預(yù)測預(yù)報開采過程中動力地質(zhì)災(zāi)害的孕育、發(fā)展、發(fā)生等過程，如底板突水、頂板透水、斷層滑移、陷落柱活化、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等；③構(gòu)建高精度三維地質(zhì)透明模型，將地質(zhì)數(shù)據(jù)與工程數(shù)據(jù)的動態(tài)融合，實現(xiàn)基于透明地質(zhì)“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的智能化開采。

2.3.2 實現(xiàn)路徑

在回采前、回采中，回采工作面地質(zhì)透明化的目標(biāo)，需要通過采前靜態(tài)探測、采中隨采探測和實時監(jiān)測等綜合手段來實現(xiàn)[43-44]。

1)采前靜態(tài)探測。槽波地震探測以及音頻電透視等采前地質(zhì)探測手段，均是在回采工作面形成后、回采前開展的。在回采工作面形成后，開展透視槽波、反射槽波數(shù)據(jù)的采集、處理與聯(lián)合解釋，實現(xiàn)回采工作面靜態(tài)地質(zhì)條件的采前精細探測；同時，為了超前探查煤層底板承壓含水層的突水隱患，采用音頻電透視技術(shù)開展工作面底板電法CT掃描，發(fā)現(xiàn)隱患部位以提前進行注漿治理，防止在回采過程中由于底板出水而導(dǎo)致工作面停采問題的發(fā)生。但是，這些技術(shù)手段的數(shù)據(jù)采集是靜態(tài)的、一次性的，同時受探測范圍、距離的限制，無法完全滿足回采工作面地質(zhì)透明化的需求。

2)隨采動態(tài)探測。采煤機在截割、切削煤壁時對煤體產(chǎn)生強烈的擾動，進而誘發(fā)地震波在煤層中傳播，地震波在煤層中傳播時出現(xiàn)透射、反射、折射和衍射等，利用隨采地震技術(shù)實時接收地震波場信息，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)將隨采地震監(jiān)測信息實時傳輸?shù)降孛嫣幚碇行模?jīng)過地震波場分析、信號提取、層析反演、動態(tài)疊加、偏移成像等處理流程，可以動態(tài)生成采煤工作面前方100 m范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造和地震波速度的成像結(jié)果，為采煤機規(guī)劃截割提供高精度地質(zhì)構(gòu)造探測信息[45]。

3)采中實時監(jiān)測。采煤工作面開采前，其內(nèi)部是處于靜態(tài)的、穩(wěn)態(tài)的煤巖地質(zhì)體；開采擾動后，采場應(yīng)力分布發(fā)生變化，出現(xiàn)頂板垮落、底板變形、裂隙帶發(fā)育等應(yīng)力動態(tài)變化、裂隙結(jié)構(gòu)演化破壞，一些不良地質(zhì)體如斷層、陷落柱等發(fā)生位移、活化、局部應(yīng)力異常集中等，威脅采煤工作面的安全回采。為此，工作面回采過程中必須開展動力地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警。

微震監(jiān)測技術(shù)可以動態(tài)監(jiān)測工作面頂板、底板圍巖變形破壞過程中誘發(fā)的微地震前兆信息，通過對巖石破裂點的動態(tài)定位和微震監(jiān)測大數(shù)據(jù)的分析，反演裂隙帶的發(fā)育高度或深度及其與承壓含水層間距的動態(tài)變化，為開采安全提供監(jiān)測預(yù)警信息。但是，微震監(jiān)測只是提供了巖石破裂的空間信息，不能預(yù)測裂隙帶在發(fā)育過程中是否演化為導(dǎo)水通道，煤礦井下電法監(jiān)測技術(shù)可以對含水層承壓水是否沿裂隙通道遞進導(dǎo)升的演化過程進行動態(tài)監(jiān)測。水文監(jiān)測、微震監(jiān)測、電法監(jiān)測等動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合處理和集成分析，是實現(xiàn)采煤工作面開采過程中動力地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的技術(shù)途徑[46-48]。

2.3.3 關(guān)鍵技術(shù)

1)隨采地震探測。隨采地震探測原理與槽波地震類似，區(qū)別在于隨采地震是以采煤機割煤時產(chǎn)生的震動作為震源，通過在采煤工作面兩巷道布設(shè)地震傳感器實時接收信號，利用隨采地震數(shù)據(jù)動態(tài)處理和疊加成像技術(shù)，實現(xiàn)斷層、陷落柱、變薄區(qū)等靜態(tài)地質(zhì)條件的精細探測，以及破碎帶、應(yīng)力集中區(qū)、突出危險區(qū)等動態(tài)災(zāi)變條件的監(jiān)測預(yù)警。

以走向長度2 100 m×傾斜長度200 m的采煤工作面為例：設(shè)采煤機截割深度0.7 m、平均運行速度4 m/min、每天6刀，則采煤工作面每割一刀需要50 min、共需截割3 000刀、500 d回采完畢。隨采地震探測按照每條巷道檢波點間距10 m、36道接收、每0.5 min為一個震源子波的提取周期，則采煤機每割一刀相當(dāng)于獲得了100個共炮點記錄、7 200條地震射線，工作面內(nèi)部的射線最高覆蓋次數(shù)可達30萬次，隨采地震大數(shù)據(jù)對于人工槽波地震幾乎是不可思議的，它是采煤工作面地質(zhì)透明化的核心技術(shù)。

某礦61304工作面隨采地震動態(tài)探測成果如圖5所示，其中圖5a為1 d截割6刀的隨采地震成像結(jié)果，圖5b為30 d采煤的隨采地震疊加圖像，其疊加次數(shù)高達8萬次，動態(tài)探測的大數(shù)據(jù)疊加成像結(jié)果給出了采煤工作面前方300 m左右存在一個明顯的地質(zhì)異常體，且其規(guī)模和尺寸較大、邊緣輪廓清楚，而隨采地震1天成像結(jié)果僅僅顯示存在一個很小的異常。實際驗證情況表明：該異常區(qū)為多組小斷層的密集帶，斷層落差0.5～1.8 m，斷層破碎帶被寬大、松散的白色方解石充填，漏頂嚴(yán)重。30 d隨采地震結(jié)果圈定的異常，與回采揭露情況高度吻合。

圖5 隨采地震1 d與30 d動態(tài)探測數(shù)據(jù)成像結(jié)果對比Fig.5 Comparison of imaging results of 1 d and 30 d dynamic detection data of seismic prospecting while mining

2)隨采電法監(jiān)測。采煤工作面在回采過程中，圍巖的應(yīng)力平衡被打破，開采線后方的煤層頂板出現(xiàn)垮落帶、裂隙帶和彎曲變形帶，煤層底板的破壞帶、裂隙帶發(fā)育；而開采線前方的煤體產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，并沿著停采線方向應(yīng)力逐漸恢復(fù)正常；隨著時間的推移，后方采空區(qū)逐漸壓實，圍巖應(yīng)力達到再平衡。在煤層覆巖運動與應(yīng)力遷移這一動態(tài)變化過程中，煤層頂?shù)装宓臉?gòu)造薄弱帶(如斷層、陷落柱、裂隙)有可能發(fā)生活化，進而誘發(fā)底板突水、沖擊地壓等動力地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。對于這種時變的地質(zhì)災(zāi)害，靜態(tài)探測技術(shù)無能為力，只能采用隨采監(jiān)測技術(shù)加以實現(xiàn)。

隨采電法監(jiān)測技術(shù)通過在采煤工作面回風(fēng)巷/運輸巷或煤層底板定向長鉆孔中，超前布設(shè)發(fā)射電極和接收電極，采用回風(fēng)巷某一點供電時、運輸巷所有接收電極全部接收，然后自動切換到下一發(fā)射點供電；待回風(fēng)巷所有點完成發(fā)射后，運輸巷的接收點自動變?yōu)榘l(fā)射點，由運輸巷的發(fā)射點逐一供電，而回風(fēng)巷的所有電極全部變?yōu)榻邮拯c。完成一個周期循環(huán)后，利用專業(yè)處理軟件進行視電阻率成像，發(fā)現(xiàn)異常及時預(yù)報；如此循環(huán)往復(fù)，可以實現(xiàn)垂向?qū)严稁Оl(fā)育情況和含水層水體運移狀態(tài)的實時監(jiān)測，判斷工作面回采過程中底板是否存在突水風(fēng)險，直到工作面完成回采。

2.3.4 應(yīng)用案例

某礦61304采煤工作面處于帶壓開采區(qū)域。在工作面回采前，地面三維地震、井下槽波探測和底板音頻電透視成果均發(fā)現(xiàn)工作面開切眼附近存在一個地質(zhì)異常區(qū)，并進行了煤層底板地面區(qū)域注漿加固。為動態(tài)監(jiān)測底板異常區(qū)治理效果，確保工作面的安全回采，在后續(xù)井下底板注漿鉆孔中布設(shè)電極，對異常區(qū)域在開采擾動條件下的動態(tài)變化進行監(jiān)測預(yù)警。圖6給出了煤層底板孔間電法連續(xù)3 d的監(jiān)測結(jié)果?？梢钥闯觯旱?天在回采線中部煤層底板出現(xiàn)了一處低阻異常(1號異常)，結(jié)合微震定位結(jié)果分析，該異常深度在0～25 m范圍，是煤層底板裂隙帶局部充水所致，并未導(dǎo)通奧灰含水層。目前，61304工作面已實現(xiàn)安全回采(圖6)。

圖6 煤層底板隨采電法時移電阻率監(jiān)測結(jié)果Fig.6 Time-lapse resistivity results of electrical monitoring while mining in coal seam floor

綜上所述，煤礦井下超前鉆孔地質(zhì)透明化(“線狀”)、掘進巷道地質(zhì)透明化(“束狀”)和回采工作面地質(zhì)透明化(“帶狀”)，三者在時間上是順序接續(xù)的、在空間上是逐級遞進的、在透明度上是漸次透明的。在此基礎(chǔ)上，隨著采掘范圍的不斷增加，煤礦采區(qū)地質(zhì)條件將持續(xù)透明，最終整個礦井不斷趨于地質(zhì)透明。因此，煤礦地質(zhì)透明化是分時段、分區(qū)段、分層級、差異化的，是不斷滿足煤礦生產(chǎn)需求的動態(tài)地質(zhì)工作過程。

3 煤礦地質(zhì)透明化的概念辨析

3.1 地質(zhì)透明化與可視化

煤礦地質(zhì)可視化的概念由來已久，地質(zhì)透明化的概念提出以后，一些人將“可視化”等同于“透明化”，認(rèn)為“可視”就是“看得見”，既然“看得見”當(dāng)然就是“透明體”。實際上，這種認(rèn)識是片面的。地質(zhì)可視化只是地質(zhì)透明化的重要組成部分，因為地質(zhì)透明化不僅包含精準(zhǔn)探測、動態(tài)監(jiān)測、三維建模、可視化顯示、預(yù)測預(yù)報、協(xié)同控制等內(nèi)容，而且是地質(zhì)資料數(shù)字化、信息化、知識化、可視化的綜合展示。以往所謂的“地質(zhì)可視化”，只是對已經(jīng)采掘揭露空間的“可視化”顯示，而對尚未采掘的區(qū)域是“模型化”的，無非是將抽象的、不可見的地質(zhì)體，借助于計算機信息技術(shù)加以顯示而已。簡單來說，以往所謂的“地質(zhì)可視化”就是借助計算機的空間信息顯示技術(shù)，達到“看見你能看見的”目標(biāo)；而真正意義上的“地質(zhì)透明化”，則除了具備地質(zhì)可視化的上述功能之外，還需具備借助于地球物理技術(shù)“透視”尚未采掘的區(qū)域，以實現(xiàn)“看見你所看不見的”的目標(biāo)。

因此，煤礦地質(zhì)透明化的內(nèi)涵應(yīng)該包括地質(zhì)信息采集、地質(zhì)信息融合、地質(zhì)模型構(gòu)建、三維顯示以及三維模型應(yīng)用等基本特征，它與地質(zhì)可視化是截然不同的2個概念。

3.2 透明地質(zhì)與透明礦井

目前，我國煤礦智能化建設(shè)的速度明顯加快，一些煤礦提出要建設(shè)“透明礦井”。實際上，透明礦井不但包括地面的構(gòu)建物、地形地貌、地下的井巷空間與設(shè)備等可見的實體，還應(yīng)該包括地下地層、構(gòu)造等隱蔽的地質(zhì)體；前者依靠現(xiàn)有技術(shù)裝備手段能夠一次性實現(xiàn)“透明”，而后者則只能依靠探測手段實現(xiàn)局部透明、適時透明、漸進透明。如果煤礦在設(shè)計階段實現(xiàn)地質(zhì)透明，那將是不可思議的，也不具備技術(shù)和經(jīng)濟的合理性。

通過實現(xiàn)超前鉆孔地質(zhì)透明化、掘進巷道地質(zhì)透明化、回采工作面的地質(zhì)透明化，進而達到采區(qū)地質(zhì)透明化、井田地質(zhì)透明化以至于礦區(qū)地質(zhì)透明化的逐級演進，隨著鉆孔“線狀”、巷道“束狀”、采面“帶狀”、采區(qū)“片狀”、井田“面狀”的逐漸地質(zhì)透明，最后礦區(qū)規(guī)模才能趨于地質(zhì)透明。從這個意義上講，“透明地質(zhì)”是“因”，“透明礦井”是“果”，透明礦井是透明地質(zhì)的最終結(jié)果，所謂基于“透明礦井”的智能開采是不切實際的。

3.3 靜態(tài)探測與動態(tài)監(jiān)測

改革開放40多年來，煤礦地質(zhì)保障技術(shù)最突出的進步是煤礦采區(qū)三維地震與地面瞬變電磁、煤礦井下槽波地震與礦井瞬變電磁等物探技術(shù)的發(fā)展成熟，以及煤礦井下定向鉆進技術(shù)與裝備的推廣應(yīng)用。地面與井下、物探與鉆探技術(shù)裝備的進步，為超前查明煤炭資源的賦存情況、煤礦開采隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素等發(fā)揮了重要的作用，支撐了煤炭資源安全高效開采。應(yīng)該看到：傳統(tǒng)的煤礦地質(zhì)保障技術(shù)主要是在煤炭資源開采前進行的，是在煤層未發(fā)生擾動條件下的靜態(tài)探測手段，其對于伴隨煤炭資源開采出現(xiàn)的動力地質(zhì)災(zāi)害難以應(yīng)對，如底板突水、斷層滑移失穩(wěn)、陷落柱活化、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等；另一方面，煤礦智能化對地質(zhì)透明化探測精度提出了新的更高的要求，傳統(tǒng)技術(shù)手段難以達到其精度要求。

對于煤礦開采擾動條件下圍巖變形與覆巖破壞以及由此誘發(fā)的各種動力地質(zhì)災(zāi)害而言，只有通過分布式布設(shè)各類傳感器、開展連續(xù)性數(shù)據(jù)采集、實施動態(tài)化處理解釋，對動力地質(zhì)災(zāi)害加以監(jiān)測預(yù)警，才能實現(xiàn)煤礦智能開采地質(zhì)條件的全面感知。毫無疑問，利用微震監(jiān)測、電法監(jiān)測、水文監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、礦壓監(jiān)測、瓦斯監(jiān)測等多種監(jiān)測手段，可以方便地獲得采掘空間的大數(shù)據(jù)信息，通過大數(shù)據(jù)的處理、分析、解釋與采掘工程反饋，不斷優(yōu)化預(yù)測預(yù)報模型，將是今后提升煤礦安全生產(chǎn)水平和智能化生產(chǎn)程度的必由之路。

4 結(jié) 語

1)煤礦地質(zhì)透明化是煤炭資源安全高效智能開采的基礎(chǔ)和前提，應(yīng)該按照煤礦不同生產(chǎn)階段的地質(zhì)需求可以分時段、分區(qū)段、分層級加以動態(tài)實現(xiàn)。

2)依托靜態(tài)探測、動態(tài)探測和實時監(jiān)測等核心技術(shù)，在煤礦井下超前鉆孔、掘進巷道和回采工作面等不同應(yīng)用場景地質(zhì)條件的局部透明、動態(tài)透明和適時透明的基礎(chǔ)上，遞進實現(xiàn)“煤礦采區(qū)-井田范圍-礦區(qū)規(guī)?！钡牡刭|(zhì)透明化，才能逐步逼近“透明礦井”的最終目標(biāo)。

3)煤礦地質(zhì)透明化應(yīng)該充分發(fā)揮長掘長探、隨掘隨探、隨采隨探、微震監(jiān)測、電法監(jiān)測、水文監(jiān)測等新技術(shù)與新裝備的獨特作用，依托大數(shù)據(jù)分析優(yōu)勢，以提高煤礦采掘擾動條件下災(zāi)變信息地質(zhì)透明化的精度。

總之，煤礦地質(zhì)透明化是一個長期的、動態(tài)的地質(zhì)工作過程，應(yīng)該按照“一礦一策”“一面一策”的思路，不能搞“一刀切”，也不可能一蹴而就，應(yīng)該結(jié)合煤礦生產(chǎn)需求和地質(zhì)條件，制定有針對性的實施方案，從而為煤炭資源安全高效智能綠色開采提供可靠的透明地質(zhì)保障。