揭开透明地质的面纱

煤炭网

2024-06-07 10:26发布于北京中国煤炭报社官方账号

伴随着煤矿智能化步伐加快，地质透明化需求越来越迫切。为充分挖掘多源海量地质数据并有效地服务于煤矿智能开采，打破地质与各系统之间的壁垒，实现从“地质辅助生产”到“地质指导生产”的转变，2021年8月，国家能源集团乌海能源公司与中国煤科西安研究院合作，启动“乌海矿区透明地质保障系统研究与示范”项目。2023年12月，该项目通过国家能源集团专家组验收，作为全国首创，集煤矿地质测量、防治水、瓦斯地质、防灭火、三维储量管理等模块于一体的多属性、多专业协同透明地质保障系统，在乌海能源公司下属5座煤矿得到示范应用。

透明地质的内涵：

数据驱动、模型表达和场景应用

什么是透明地质？可以想象成，整个矿井如一块透明的水晶，无论是井下的地质构造、设备系统的运行情况，还是工人的工作场景都能尽收眼底；又或者像打开了手机中的导航，从电子地图上可以清晰地看到井下哪里有断层、哪里有瓦斯、哪里有水害，遇到突发情况还能接到预警信息，实现成功避险……

“透明地质包括数据驱动、模型表达和场景应用三个方面。”中国煤科西安研究院技术人员为记者解释了透明地质的内涵，“这里的数据包括地质、物探、钻探、采掘和测量等数字化信息，以及伴随着工作面采掘推进所产生的动态数据；模型表达则是我们利用这些数据搭建相关的三维地质模型，而且可以不断融入煤矿生产过程中的实时、动态、高精度地质信息；应用场景包括基于三维地质模型和地质大数据云平台的规划采煤、规划掘进、隐蔽致灾因素普查和治理、灾害预警预报、储量动态管理等。”

为什么选择在乌海矿区开展透明地质保障系统的研发与应用呢？

“一方面，透明地质系统是建成智能化煤矿的必备模块，想要通过国家智能化建设验收，必须具备完善的透明地质系统。另一方面，乌海能源公司下属的这5座矿井有典型性。5座矿井可谓‘五毒俱全’，老石旦煤矿、五虎山煤矿为高瓦斯矿井，黄白茨煤矿为高瓦斯薄煤层开采，公乌素煤矿为大倾角综放开采，利民煤矿地质条件复杂，且部分区域受奥陶系灰岩含水层水威胁，水害防治难度大，面临采掘接续难题。从开采年限来看，只有利民煤矿为新建矿井，老石旦煤矿开采年限超过70年，黄白茨煤矿和五虎山煤矿超过60年，最年轻的公乌素煤矿也近50岁。这些老矿的开采条件都比较复杂，周围老空区遍布，加上过去的地质勘探条件有限，导致数据资料缺失或不够准确，矿井安全生产面临严重威胁。”该项目负责人、地测防治水管理部经理谷保泽介绍。

“乌海矿区透明地质保障系统研究与示范”项目组由乌海能源公司地测防治水管理部、5座煤矿地测部门技术员和中国煤科西安研究院技术人员组成。

项目组开展井下踏勘及图像资料采集工作，采集图像数据4350条、图像资料6543张，收集、处理地质资料33586份，数字化和入库11183份，处理钻孔柱状图518个，完成了5座煤矿的历史地质资料的数字化编目工作；创建了5座煤矿的构造模型、巷道模型、采空区模型、工作面地质模型、煤层模型、缓坡斜井模型等；完成了乌海矿区透明地质保障系统产品体系、总体架构、数据流向、数据库等规划设计；完成地质数据管理、地质综合探查、地质编录、三维地质模型等地质保障业务梳理和设计。

截至2023年12月，项目组完成了5座煤矿的地质资料、模型、图纸、勘探成果的数字化、可视化。为5座煤矿分别构建了包含地质模型，涵盖煤矿地质条件、回采工作面、掘进工作面、防治水、瓦斯地质等11个一级功能模块和293个子功能模块的透明地质保障系统。项目成果助力黄白茨煤矿通过国家能源局组织的智能化示范矿井验收，老石旦煤矿、五虎山煤矿、公乌素煤矿、利民煤矿通过了内蒙古自治区智能化示范矿井验收，5座矿井均达到国家能源集团中级智能化矿井标准。

透明地质的目标：

打造安全、智能、高效矿井

“监测结果显示，16402工作面前方74米位置处有异常，预计存在断层，建议综采队提前编写预控措施。”

“生产班，重点关注揭露位置，做好相应工作面层位调整。”

“检修班，重点检修采煤机和液压支架，针对顶帮破碎区域实施超前支护。”

这是乌海能源老石旦煤矿职工正在使用透明地质保障系统实时监测井下地质信息，精准实现地质灾害预测预报，指导井下科学有序开展安全生产。

乌海能源公司老石旦煤矿生产指挥中心

在老石旦煤矿生产指挥中心的大屏上，实时显示着矿井储量、实际产量、掘进回采进度、水文监测、瓦斯监测、火区监测、预警信息、隐蔽致灾地质因素普查、风险管控及隐患信息等矿区重要信息。主页中间的三维地质模型，采用数据过滤分析、数据清洗、特征分析等技术对数据进行预处理，概略展示了矿区地层、煤层赋存和主要构造情况。

该矿透明地质保障系统包括矿井概览、透明工作面、煤矿地质、防治水、火区地质、储量管理、数据中心等9个一级选项。

记者点开透明工作面选项，屏幕左边一栏列出了工作面基本信息，包括工作面走向长、倾斜长、面积、工业储量；右边一栏可查询工作面物探资料，包括地面勘探、井下物探、孔中物探及监测资料；下方设置了作业进度、设备监控、视频监控、环境监控、地质预测预报、规划截割几大选项；中间则清晰展示了工作面的概况，黑色模块代表煤层、红色模块代表断层。

老石旦煤矿透明地质保障系统（截屏）

点开煤矿地质选项，能够快速查询到整个井田范围内的断层、褶曲，以及地表模型、井田地层模型、巷道模型、钻孔模型、工作面模型、采空区模型、水文模型和井田构造模型。右侧的矿井地质综合柱状图则直观反映了矿井的地质全貌。

防治水选项则包括水文监测、水文探查、水文预报、防治水工程、水文台账、治理方案6个子选项，同时也能通过水文模型清晰看到整个井田水文地质情况。

值得注意的是，记者在操作过程中，点开任意模型，都可以通过拖动鼠标完成剖切、旋转、测距、测面积等工作。

“这套系统结合三维地质模型、巷道模型、工作面模型，融合物探、钻探等探测成果与井巷工程揭露信息，采用空间分析技术并融合地质模型，结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，计算当前工作面掘进位置和回采位置到隐蔽致灾因素（包括断层、含水层、采空区、陷落柱、应力异常区等）的空间距离并进行预报，渐次构建回采工作面的三维地质可视化模型，实现综采工作面地质透明化。可实现三维地质模型矩形、多边形等多种剖切方式以及多模式图层的显隐操作，任意画线剖切支持剖面图生成、属性配置及CAD图件导出等功能。”中国煤科西安研究院技术人员介绍。

“透明地质保障系统可以根据井下采掘情况，进行地质信息全过程监管和预警，帮助采掘一线及时采取应对措施，规避安全生产风险。”老石旦煤矿生产技术科地测负责人姜天国说。

除了为煤矿的“智能”和“安全”保驾护航外，透明地质保障系统也为技术人员带来了实实在在的便利。

“透明地质移动数据采集终端成功应用后，导线测量平行作业效率提高50%以上，将地测人员从繁重的图、表、报告中解放出来。之前，如果想得到某个地质构造的剖面图，我们只能根据工作经验再结合存档的图纸重新制图，不仅工作量大，而且存在一定误差。现在，只需要通过系统轻轻划一道线，就能够轻松得到相应位置的三维透明地质剖面图。”五虎山煤矿地测科地质防治水专员崔猛说。

该系统包括矿井数据资源中心，具备煤矿各专题成果图、资料文档、基础数据、数字化成果、地质模型等各类型基础地质数据的统一归档、查询与管理功能，如同一部“矿井地质字典”。

“矿井的全部地质资料都已融合在这个系统里，想查哪一块轻点鼠标都能查到，方便日常工作。原来就是一些零散的图纸和数字，现在可以清晰、立体地呈现出来。即便不是专业地测人员也能看懂，班组长、井下职工都能看懂，实现了资源共享。”公乌素煤矿生产技术科科长乔亮说。

5座煤矿中3座为高瓦斯矿。为提升瓦斯预警预报效果，项目组研发了瓦斯地质信息融合分析技术，构建了5座煤矿主采煤层瓦斯地质属性模型、瓦斯地质涌出量预测模型、瓦斯压力预测模型、瓦斯含量预测模型，接入各矿井安全监控系统、通风系统数据等。

针对老矿区多因素水害预测这一难题，项目组对矿井老空水、奥灰水、地表水进行系统分析研究，基于以往水文地质调查、测绘、钻探、物探、生产揭露和矿井排水资料，分析总结了5座煤矿水文地质规律，接入各矿井水文监测系统实时数据，综合研究剖析含（隔）水层、导水通道、积水区、水位的时空变化特征，有效指导各矿开展防治水工作。

应用透明地质保障系统以来，5座煤矿安全高效的优势充分显现，既提高了安全生产水平，又提升了生产效率。通过高精度三维地质模型，可以对矿区主采煤层进行全面精准的模型构建，实现采掘工作面合理布置；结合生产工作面模型和采掘揭露情况研发随采随探、随掘随探等前沿技术，可实现智能开采和地质预测预报，降低开采成本；在采掘过程中可及时发现并处理不良地质体和隐蔽致灾因素等问题，降低安全投入。

传统的井下物探方法在开展探测时，需要暂停采煤、掘进作业以减少金属体或机械振动对探测数据带来的影响。在推进透明地质保障系统项目的过程中，技术人员深入研发随采随探、随掘随探技术，可以在不影响生产施工的条件下，实时动态呈现前方异常地质构造的探测结果。

“应用随掘随探技术后，按照掘进工作面每天推进10米到20米来计算，我们可以提前一周判断前方异常区域、破碎带，方便技术人员及时采取措施，改变支护形式，为保证采掘正常接续赢得宝贵时间。”利民煤矿地测科科长牛俊庭说。

截至2023年12月，利民煤矿开展基于随掘随探技术的智能地质预报，累计预报10处异常区域，9处经揭露或其他资料验证为小断层或顶部破碎带，预报准确率达90%，已服务于2868米巷道的安全掘进；公乌素煤矿开展基于随采随探技术的智能地质预报，累计预报5处异常区域，3处经回采揭露验证为小断层或顶部破碎带，预报准确率达60%，已服务于932米巷道的安全回采。

透明地质的前进方向：

数据模型更精准、场景更智能

为采掘装备提供精准的地质导航、精确定位并预警致灾因素，解决煤矿生产面临的实际地质问题，是透明地质的最终目标。但就目前的发展情况而言，还有很长的路要走。

“目前，我们只是完成了该项目的一期工程，即数据图像资料的采集，并在透明地质保障系统中通过三维建模的方式予以立体化呈现，而透明地质的核心内容场景应用还有待提升。回到数据驱动、模型表达、场景应用这三个透明地质的内涵中来，首先数据不能做到实时、自动、精确采集，模型不能自动、实时构建，这两项基础工作无法完成，就不能很好地指导相关场景的有效应用。”中国煤科西安研究院技术人员说。

在老石旦煤矿透明地质保障系统中，记者看到，系统自动接入了矿井已有的瓦斯监测系统、水文监测系统和火区监测系统，可实时显示这三个系统监测到的数据，但无法实时自动分析数据，需要人工维护。

更重要的是，该系统目前还无法与井下智能采掘设备系统相连接，不能实时录入采掘工作面相关数据，需要技术人员在后台定期更新数据，导致平台上的许多数据严重滞后。

“从另一个角度来说，目前该系统还没有实现数据资源共享，只有工业环网覆盖的地方才能看，办公室、会议室都不能看，只有指挥中心的电脑上能看，而且只能打开自己煤矿的系统，看不到其他4个矿的数据信息。我们期望，一是能够让系统与井下设备相连，加强系统与智能采掘、灾害防治等矿井生产场景的深度融合应用，实时传输数据、分析数据、构建模型、提出采掘建议，在减少地测人员工作量的同时，完成由记忆割煤到规划割煤的转变；二是让所有职工都能实时查看到系统内容，比如生产班开班前会的时候可以打开系统，点击模型，查看当天工作区域的地质情况，需要注意些什么等。”姜天国说。

“矿井透明地质条件是煤炭精准开采智能化的基础。现在智慧矿山建设的瓶颈就是透明地质问题。一些自动截割、少人无人等技术的应用，都需要透明地质的指导，采掘装备才能更加准确地规划截割。”崔猛说。

对于基层地测人员提出的问题，中国煤科西安研究院技术人员认为，透明地质最理想的状态是可以自动采集工作面相关地质数据，然后通过光纤自动传输到地面，地面系统平台对数据进行智能处理、自动建模、自动解释。目前的技术难以实现地质信息与工程信息的深度融合，导致透明地质模型精度不足。根据钻孔获得的地质信息进行建模，由于钻孔数量有限，且是一次性的，据此建立的模型与实际情况差距较大。通过开采获得的工程信息是准确的、海量的，但这些数据仍无法与地质模型无缝衔接，对模型进行快速修正，导致无法实现动态的三维透明地质建模。要实现采煤机的运动速度、位置、地质灾害等情况都能实时看到并发出预警，地面指挥人员通过提前规划，让采掘设备合理避障，实现常态化智能运行，还需要进一步加强动态探测数据的智能解译、数据接口衔接、动态建模等方面的研究攻关。

此外，他还表示，之所以面临这么多的问题，除了受到地质探测理论、技术与设备发展水平的限制，也存在人为壁垒。“一方面，智能采掘系统、智能通风系统不是一个厂家，甚至是竞争对手，目前我们的5个矿用着3家公司的设备系统，想要实现数据兼容还需要一番努力。另一方面，这项工作需要投入大量的人力、物力和资金。我们的项目一期工程已经投入了4600万元，二期工程需要投入的资金更多。前期工作需要处理的数据量非常大，而一座煤矿的地测科只有两三个人，已有资料加上后期补充勘探，人员紧张、任务繁重。”中国煤科西安研究院技术人员说。

“透明地质本就是一个新兴事物，其发展是一个逐步完善、逐步‘透明’的过程，需要企业技术人员和科研人员共同为之探索和努力。”当提及透明地质的未来发展时，谷保泽说。

来源：中国煤炭报6月6日七版原标题《揭开透明地质的面纱——国家能源集团乌海能源公司透明地质保障系统应用调查》责任编辑：刘冰