賈建稱，賈 茜，桑向陽，吳 艷

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))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；3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467099)

能源是人類生存和社會(huì)發(fā)展的基石，能源的安全發(fā)展對(duì)于國際安寧和社會(huì)穩(wěn)定至關(guān)重要。中國是煤炭資源大國，也是世界上最早開發(fā)利用煤炭并以之為主要能源的國家。近年來，受碳達(dá)峰碳中和(“雙碳”)目標(biāo)和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的約束，煤炭在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例有所下降，但不斷增長的能源消費(fèi)總量和我國特有的能源稟賦狀況表明，乃至2050 年煤炭仍將以30%～40%的占比位居能源消費(fèi)榜首[1-2]。因此，煤炭工業(yè)依然是提高國家能源自給能力、保障能源安全的兜底行業(yè)。

實(shí)現(xiàn)煤礦安全、高效、綠色開采既要有豐富的資源優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的采掘裝備與運(yùn)通系統(tǒng)，更要以科學(xué)的煤礦設(shè)計(jì)和充分可靠的地質(zhì)條件作保障。我國采煤工藝先后經(jīng)歷了20 世紀(jì)70 年代及以前的人工破煤、炮采、普通機(jī)械化開采和80 年代以來的綜合機(jī)械化開采，隨著采煤機(jī)械化、自動(dòng)化和集約化程度的提高，高產(chǎn)高效礦井生產(chǎn)對(duì)開采地質(zhì)條件的依賴性更強(qiáng)。針對(duì)煤礦對(duì)查明礦井開采地質(zhì)條件的重要性認(rèn)識(shí)不足，綜采采區(qū)和工作面布置缺乏系統(tǒng)而可靠的地質(zhì)依據(jù)，導(dǎo)致工作面開機(jī)率低、安全事故頻發(fā)、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，彭蘇萍[3]于1992 年在上海寶山召開的中國煤炭學(xué)會(huì)礦井地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)上首次提出了建立和發(fā)展我國煤礦高產(chǎn)高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)的設(shè)想。30 年來，煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)緊密圍繞煤炭工業(yè)發(fā)展目標(biāo)，不斷攻克煤炭開采理念轉(zhuǎn)變(高產(chǎn)高效→安全高效→綠色智能)中的礦井綜合機(jī)械化和智能化生產(chǎn)面臨的重大工程地質(zhì)問題為抓手，持續(xù)開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究、探測技術(shù)和裝備研發(fā)與成果應(yīng)用，在地質(zhì)保障系統(tǒng)整體構(gòu)架、研究內(nèi)容、保障目標(biāo)、技術(shù)研發(fā)和配套裝備研制、保障效果檢驗(yàn)等方面取得了豐碩成果，為促進(jìn)我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。但由于受研究導(dǎo)向、工作思路、技術(shù)原理和裝備水平，尤其是現(xiàn)代信息技術(shù)與煤礦機(jī)械化開采技術(shù)深度融合的影響，煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)在理論研究、探測能力、地質(zhì)保障水平等方面與綜采工作面智能開采的地質(zhì)需求還有較大差距。厘清煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)現(xiàn)狀、科學(xué)問題及技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)于豐富地質(zhì)保障理論、聚焦攻克關(guān)鍵技術(shù)難題、更好地服務(wù)煤礦智能開采，進(jìn)而支撐煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 “煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)”建設(shè)概要

20 世紀(jì)90 年代初，煤炭工業(yè)向“一井一面”的生產(chǎn)布局發(fā)展，建設(shè)高產(chǎn)高效礦井已成為諸多煤礦的努力目標(biāo)?；诘V井地質(zhì)理論進(jìn)步和井下數(shù)字直流電法、無線電波透視法、槽波地震勘探、地質(zhì)雷達(dá)探測、音頻電透視法等，以及近景攝影測量和計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)與裝備在礦井地質(zhì)探測方面的較成功應(yīng)用，彭蘇萍[3]給出了高產(chǎn)高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)的基本要義。經(jīng)過多年的地質(zhì)研究與工程實(shí)踐，開采地質(zhì)條件量化評(píng)價(jià)技術(shù)、采區(qū)高分辨三維地震探測技術(shù)、煤層和構(gòu)造綜合探測技術(shù)、工作面頂板破斷和瓦斯突出監(jiān)測和預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以及各種礦井物探技術(shù)取得重要進(jìn)展。因此，“九五”末期進(jìn)一步明確礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)的兩大主題?生產(chǎn)地質(zhì)保障和安全地質(zhì)保障。前者的目標(biāo)是保障綜采工作面順利回采，根本任務(wù)是準(zhǔn)確地查明采區(qū)乃至工作面的開采地質(zhì)條件，尤其是煤層厚度及其變化、隱伏構(gòu)造、頂?shù)装鍡l件；后者的目標(biāo)是保障煤礦安全生產(chǎn)，重點(diǎn)任務(wù)是有效預(yù)測評(píng)價(jià)和防治井田原生或采掘擾動(dòng)誘發(fā)的煤與瓦斯突出、礦井突水、沖擊地壓、內(nèi)因火災(zāi)、瓦斯煤塵爆炸等動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害，明確了當(dāng)時(shí)一段時(shí)間的主攻目標(biāo)[4-5]。在“煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)”提出10 周年之際，程學(xué)豐[5]、韓德馨[6]等詮釋了高產(chǎn)高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)的基本概念，指出地質(zhì)保障系統(tǒng)的主要內(nèi)容是查清影響煤炭開采的地質(zhì)因素，科學(xué)評(píng)價(jià)它們對(duì)不同礦井煤炭開采的影響程度。21 世紀(jì)初，面對(duì)深部、高強(qiáng)度開采出現(xiàn)的復(fù)雜地質(zhì)問題，隱蔽致災(zāi)因素尚未查明以及由此誘發(fā)的煤礦各類地質(zhì)災(zāi)害事故頻發(fā)、安全形勢(shì)嚴(yán)峻的局面，安全高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)研究內(nèi)容聚焦于煤礦地質(zhì)構(gòu)造高分辨三維地震勘探技術(shù)、煤礦瓦斯災(zāi)害源高分辨探測技術(shù)與方法、煤層頂板穩(wěn)定性地質(zhì)預(yù)測技術(shù)與防治方法、礦井突水災(zāi)害源高分辨探測技術(shù)與方法、礦井先進(jìn)物探儀器和技術(shù)研發(fā)上[7]。為了深入貫徹落實(shí)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》[8]，以煤及含煤巖系共伴生礦產(chǎn)精細(xì)地質(zhì)探查、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地質(zhì)信息精細(xì)提取、多源異構(gòu)地質(zhì)信息融合與高效傳輸、地質(zhì)信息可視化平臺(tái)構(gòu)建、重大地質(zhì)災(zāi)害源智能感知與監(jiān)測預(yù)警為關(guān)鍵技術(shù)的煤礦地質(zhì)透明化理論、智能探測技術(shù)研發(fā)、高精度三維地質(zhì)?采掘工程耦合模型構(gòu)建技術(shù)和方法、探測和可視化裝備研制等，成為新時(shí)代煤炭綠色智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)的核心內(nèi)涵。

2 煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)研究的主要進(jìn)展

影響煤礦安全高效生產(chǎn)的地質(zhì)因素多種多樣，如煤層厚度及其變化、地質(zhì)構(gòu)造、古河流沖刷帶、礦井水文地質(zhì)條件和煤層頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)狀態(tài)、瓦斯地質(zhì)與地應(yīng)力、陷落柱、煤層自燃傾向性和煤塵爆炸性、煤巖沖擊傾向性、地溫、采空區(qū)、煤巖采動(dòng)影響區(qū)等。煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)首次從系統(tǒng)論角度將煤礦靜態(tài)地質(zhì)條件和動(dòng)態(tài)地質(zhì)條件及其變化與演化趨勢(shì)，及其對(duì)煤礦安全高效智能開采的影響程度融為一體，形成了煤礦全生命周期內(nèi)所有礦井地質(zhì)工作的知識(shí)體系。

2.1 基礎(chǔ)研究服務(wù)于煤礦安全高效精準(zhǔn)開采的目標(biāo)更加明確

2.1.1 綠色煤炭資源評(píng)價(jià)

查明煤炭資源儲(chǔ)量分布和煤層厚度及其賦存條件、是煤炭產(chǎn)業(yè)開發(fā)布局和礦井精準(zhǔn)智能開采對(duì)煤炭地質(zhì)工作的基本要求，通過詮釋綠色煤炭資源和綠色礦山含義，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[9-10]。袁亮等[11]勾繪出我國五大產(chǎn)煤區(qū)綠色煤炭資源量分布，為規(guī)劃煤炭資源安全綠色開發(fā)和清潔高效利用夯實(shí)了基礎(chǔ)。

2.1.2 煤體構(gòu)造變形與物性響應(yīng)

煤是地殼淺、表部構(gòu)造層含氣、含水的多相有機(jī)巖石，低抗壓強(qiáng)度、低彈性模量和高泊松比的力學(xué)性質(zhì)，使其在較低的溫度和較弱的構(gòu)造應(yīng)力作用下也會(huì)發(fā)生明顯的變形和變位，形成脆性斷層和韌性斷層，即使與煤伴生的長英質(zhì)巖石仍處于脆性變形域。脆性斷層既破壞了煤巖體的連續(xù)性和完整性，又是儲(chǔ)水空間與導(dǎo)水通道，歷來是煤礦建設(shè)、生產(chǎn)等各個(gè)階段地質(zhì)探測和研究的主要因素。韌性斷層表現(xiàn)為煤層中塑性流變帶和韌性剪切帶(層滑構(gòu)造)，與之伴生的是脆韌性變形系列和韌性變形系列構(gòu)造煤[12-14]。構(gòu)造煤孔隙比表面積和總孔體積比相應(yīng)的原生結(jié)構(gòu)煤的大，吸附和存儲(chǔ)甲烷能力更強(qiáng)、孔隙率和滲透率更低等已成為共識(shí)[15-18]。

2.1.3 構(gòu)造煤與瓦斯突出規(guī)律

大量地質(zhì)調(diào)查表明，煤礦區(qū)同一煤層往往是由不同煤體結(jié)構(gòu)煤分層疊加組成，研究煤層中不同煤體結(jié)構(gòu)煤分層的厚度、疊加方式、受力狀態(tài)及物性響應(yīng)特征等，是煤層氣(瓦斯)高效抽采和礦井瓦斯精準(zhǔn)防治的重要內(nèi)容。盡管煤與瓦斯突出機(jī)理尚有爭議，但幾乎所有的突出發(fā)生在瓦斯富集區(qū)和地應(yīng)力集中區(qū)，因此瓦斯礦井，尤其是高瓦斯礦井和突出礦井中逆斷層下盤、正斷層上盤、向斜核部、背斜兩翼、層滑構(gòu)造等部位構(gòu)造煤的變形程度增強(qiáng)、瓦斯含量增大，透氣性變差，力學(xué)強(qiáng)度降低，是最容易發(fā)生煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)地帶[15,19-21]。煤層深埋區(qū)、構(gòu)造擠壓區(qū)、帚狀構(gòu)造收斂端、煤層厚度與產(chǎn)狀突變區(qū)等是地應(yīng)力集中區(qū)，同樣是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)。賈建稱等[22]基于同一煤層中堅(jiān)硬煤分層與碎軟煤分層的賦存狀態(tài)、疊合方式、厚度占比、煤層頂板力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)定性等，構(gòu)建了碎軟煤層區(qū)地面水平井分段壓裂井眼位置的“兩類五種”優(yōu)化模式。

2.1.4 礦井構(gòu)造預(yù)測

20 世紀(jì)80 年代以前，礦井構(gòu)造預(yù)測以定性評(píng)價(jià)為主；90 年代至21 世紀(jì)初，隨著數(shù)理方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)造預(yù)測實(shí)現(xiàn)了從定性描述到定量評(píng)價(jià)的跨越，但總體進(jìn)展較為緩慢；自2012 年建立智能化開采模式以來，礦井構(gòu)造預(yù)測和評(píng)價(jià)邁向以智能精細(xì)探測和計(jì)算機(jī)技術(shù)高度結(jié)合、多源構(gòu)造信息屬性分類與深度融合、三維可視化表達(dá)為特點(diǎn)的新發(fā)展階段[23-24]。

2.1.5 煤礦水文地質(zhì)與水害危險(xiǎn)性預(yù)測評(píng)價(jià)

“一礦一策、一面一策”體現(xiàn)了我國煤礦水文地質(zhì)條件的復(fù)雜多樣性，“源頭預(yù)防、區(qū)域治理、井上下聯(lián)合治理”是水害精準(zhǔn)治理理念的重大轉(zhuǎn)變[25]。在查明煤礦水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，緊緊圍繞采掘擾動(dòng)范圍內(nèi)的充水水源、充水通道、充水強(qiáng)度和水害機(jī)理開展水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與預(yù)測預(yù)報(bào)研究。根據(jù)致災(zāi)機(jī)理，陳紅影[26]將全國礦井水害事故劃分為7 大類22 亞類48 細(xì)類，建立了不同水害類型的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式，分別提出了水害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素。楊飛[27]將山西省較大以上采空區(qū)突水事故劃分為4 亞類8 細(xì)類，建立了各類老空水害的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式，模擬研究了不同老空水害的機(jī)理和成災(zāi)動(dòng)力學(xué)模式。侯憲港等[28]進(jìn)一步認(rèn)為在重復(fù)采動(dòng)下煤柱流變損傷及失穩(wěn)、底板變形破壞、防水隔離設(shè)施與圍巖穩(wěn)定性、層間主關(guān)鍵層穩(wěn)定性等是評(píng)價(jià)老空水致災(zāi)危險(xiǎn)性的關(guān)鍵因素。針對(duì)華北石炭?二疊紀(jì)煤田西部和西北早?中侏羅世煤田中煤層直接頂板隔水層缺失或沉積較薄、而上覆充水含水層富水性較弱的情況，武強(qiáng)等[29]以“三圖?雙預(yù)測”理論和方法為指導(dǎo)，從影響頂板冒裂程度和含水層富水性的地質(zhì)與工程因素入手，提出了煤層頂板含水層涌(突)水危險(xiǎn)性精準(zhǔn)預(yù)測與評(píng)價(jià)方法。李超峰[30-31]采用三次函數(shù)多項(xiàng)式擬合法準(zhǔn)確獲得黃隴煤田綜放條件下煤層頂板非線性導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測公式，把頂板水害歸納為3 類5 型，依據(jù)“透水系數(shù)”將頂板水害威脅程度分為4 級(jí)，建立了利用“透水系數(shù)”識(shí)別煤層頂板水害的標(biāo)準(zhǔn)和方法。離層水是一種新的頂板水害隱蔽致災(zāi)源，曹海東[32]將煤層頂板離層分為一般離層、充水離層和致災(zāi)離層，建立了二類二型致災(zāi)離層水體的概念模型和三種透水模式，揭示了不同開采條件下煤層頂板離層形成和演化規(guī)律，提出致災(zāi)離層的三級(jí)判別方法。張培森等[33]認(rèn)為當(dāng)同時(shí)具備密閉可持續(xù)的離層空間、穩(wěn)定的補(bǔ)給水源、導(dǎo)水通道、突水通道后，離層上位巖層高強(qiáng)度破斷沖擊、離層大靜水壓、回采強(qiáng)擾動(dòng)中任意一個(gè)動(dòng)力源都可以發(fā)生離層突水。虎維岳等[34]根據(jù)礦井4 類充水水源和4 類充水通道的組合關(guān)系，將煤礦水害危害程度劃分為4 級(jí)，并借鑒Piper 三線圖與庫爾洛夫式地下水化學(xué)分析原理，繪制了礦井水害類型與威脅程度分析圖。

沉積控水理論持續(xù)深化。陳晨[35]認(rèn)為沉積相和成巖作用演化是陸相聚煤盆地水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和含水層富水性的主控因素，在建立層序地層格架的基礎(chǔ)上，揭示鄂爾多斯盆地延安組3?1煤層至直羅組之間不同體系域的沉積控水機(jī)理和富水區(qū)分布規(guī)律，采用五度法預(yù)測了5 類富水性分區(qū)。王洋等[36]在剖析深埋侏羅紀(jì)煤層頂板時(shí)空結(jié)構(gòu)與富水性的基礎(chǔ)上，提出了利用沉積環(huán)境影響指數(shù)、砂巖厚度、導(dǎo)水裂隙帶高度等指標(biāo)體系評(píng)價(jià)突水危險(xiǎn)性，建立了“上行開采低位截流” “工作面單側(cè)截流”“工作面雙側(cè)截流”與“工作面方向調(diào)整截流”的煤層頂板水源頭治理模式。馮潔等[37]總結(jié)了陜北直羅組、延安組、風(fēng)化基巖含水層的沉積控水規(guī)律，建立了辮狀沉積強(qiáng)富水性型、曲流河沉積中等富水性型、三角洲平原分流河道沉積弱富水性型、三角洲平原分流間灣沉積極弱富水性型等4 類沉積控水模式。董書寧等[38]針對(duì)鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田頂板水害形成機(jī)理研究薄弱、致災(zāi)判別標(biāo)準(zhǔn)難以量化，直接影響水害防控關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的難題，開展了跨區(qū)域、多學(xué)科的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)，揭示了離層水害、薄基巖潰水潰沙、巨厚砂巖水害、燒變巖水害的形成機(jī)理與主控因素、空間定位方法，提出了與沉積、構(gòu)造和開采條件相適應(yīng)的四種典型頂板水體精準(zhǔn)定位與水害防治方法。

我國華北石炭?二疊紀(jì)煤田開發(fā)普遍面臨嚴(yán)峻的底板水威脅。吳基文等[39]依托立體綜合探查，通過理論分析、地震多屬性反演、模擬計(jì)算，揭示了巖層孔隙度與波阻抗、視電阻率的耦合機(jī)理，建立了多充水水源采區(qū)水文地質(zhì)概念模型，評(píng)價(jià)了斷層導(dǎo)含水性和煤系巖溶裂隙含水層水的可疏放性，預(yù)測了奧灰水的突水危險(xiǎn)性，為兩淮礦區(qū)極復(fù)雜地質(zhì)條件采區(qū)水害防治提供了依據(jù)。王靜雪等[40]以斷層強(qiáng)度指數(shù)、斷層端部密度、含水層水壓、含水層富水性、隔水層厚度、脆性巖比率、底板破壞深度為指標(biāo)，建立煤層底板奧灰突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)FDAHP-TOPSIS 模型，給出了突水風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)解析解，取得較好的應(yīng)用效果。胡彥博[41]認(rèn)為采動(dòng)影響下深部煤層底板應(yīng)力呈現(xiàn)壓?拉?壓狀態(tài)，底板破斷從脆性巖層或節(jié)理處開始先向上發(fā)展、再向下擴(kuò)展，最大破壞深度位于采前高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力峰值附近，并建立了6 種突水模式和突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。脆弱性指數(shù)法由常權(quán)模型向分區(qū)變權(quán)模型發(fā)展中得以完善，已解決多煤層底板單一含水層礦區(qū)突水脆弱性評(píng)價(jià)難題[42]。

2.1.6 煤礦巷道變形與關(guān)鍵層控制

煤炭開采是打破原有的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力平衡狀態(tài)，在圍巖差異化變形和運(yùn)動(dòng)中尋找新的地質(zhì)平衡過程。巷道失穩(wěn)與圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)、工程力學(xué)性質(zhì)、巷道走向與斷面形態(tài)、地應(yīng)力狀態(tài)、采煤方法、工作面布置及生產(chǎn)接續(xù)方式密切相關(guān)。應(yīng)用非線性統(tǒng)一強(qiáng)度理論、彈塑性力學(xué)理論、蠕變理論、多場耦合理論等和模擬實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)分層開采窄煤柱巷道、大斷面煤巷、千米深井軟巖巷道、壓茬開采巷道、沖擊傾向性巷道、深井厚煤層綜放工作面頂板、軟弱破碎頂板等圍巖變形機(jī)理與破壞規(guī)律進(jìn)行了深入研究，建立了巷道圍巖不同變形區(qū)應(yīng)力、位移及半徑的本構(gòu)關(guān)系式[43]，深化了組固拱理論、松動(dòng)圈理論、組合梁理論。以工作面兩巷煤層信息為條件，引入奇點(diǎn)模型精細(xì)反演煤層厚度，建立了薄煤層開采“上三帶和下兩帶”模型，精準(zhǔn)導(dǎo)航了薄煤層智能開采和極限卸壓[44]。王國法等[45-46]根據(jù)液壓支架與巷道圍巖強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性耦合作用原理，建立了厚煤層超大采高綜采面頂板破斷失穩(wěn)的 “懸臂梁+砌體梁”模型及煤壁片幫的“拉裂?滑移”模型，提出了液壓支架合理工作阻力“雙因素”控制理論和適應(yīng)圍巖失穩(wěn)的“三耦合”設(shè)計(jì)優(yōu)化理論，保障了厚煤層工作面的安全高效開采。

為了以最小的采動(dòng)損害獲得最大的煤系礦產(chǎn)資源采出率，實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益，綠色開采理念應(yīng)運(yùn)而生。認(rèn)識(shí)到煤炭開采引起的圍巖破斷運(yùn)動(dòng)是采動(dòng)損害與環(huán)境惡化的根源，以非均質(zhì)煤系中關(guān)鍵層理論和全地層結(jié)構(gòu)思想為指導(dǎo)，深刻揭示了關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)采動(dòng)裂隙場演化、采場壓力演變、流體運(yùn)移場巖體和地表沉陷區(qū)的影響規(guī)律[47-51]，建立的覆巖卸荷碎脹累積效應(yīng)模型生動(dòng)地解釋了離層形成機(jī)理與離層空間發(fā)育規(guī)律[52-53]，采動(dòng)覆巖“三帶”中瓦斯解吸?滲流特征差異性的劃分為煤與瓦斯共采技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)[51,54]；將“綠色因子”引入煤礦綠色開采評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，建立了各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綠色因子值數(shù)學(xué)模型，開發(fā)綠色開采評(píng)價(jià)平臺(tái)，提出了根據(jù)“綠色度”(綠色開采度)劃分煤礦綠色開采等級(jí)的方法[55-57]，豐富了綠色開采理論。

2.1.7 采空區(qū)煤自燃與瓦斯復(fù)合致災(zāi)危險(xiǎn)性預(yù)測預(yù)報(bào)

煤礦采空區(qū)既是積水和有毒有害氣體富集的場所，也是遺煤自燃和礦震等災(zāi)害易發(fā)區(qū)。鄭懷昌等[58]提出了采空區(qū)危險(xiǎn)性分析流程，能量意外轉(zhuǎn)移理論為不同類型采空區(qū)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了新思路。周亮[59]采用程序升溫實(shí)驗(yàn)、智能計(jì)算和理論分析方法，研究了采空區(qū)瓦斯對(duì)煤自燃的影響，建立了高瓦斯容易自燃煤層采空區(qū)遺煤的自燃危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型和多指標(biāo)綜合預(yù)警模型，并開發(fā)了實(shí)時(shí)預(yù)警平臺(tái)。

2.1.8 礦井地球物理探測原理

地震波反射和透射動(dòng)力學(xué)特征與運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律研究日益深入。亮點(diǎn)理論、波動(dòng)方程、波阻抗反演、地震模擬等理論研究進(jìn)步，推動(dòng)了采區(qū)地震勘探技術(shù)的快速發(fā)展。圍繞煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探測技術(shù)難題，系統(tǒng)開展了地震繞射波理論探索，揭示了繞射波在第一菲涅爾帶孔半徑內(nèi)外的雙指數(shù)衰減和相位反轉(zhuǎn)規(guī)律，提出了方位?傾角域繞射系數(shù)的計(jì)算公式，構(gòu)建了自動(dòng)計(jì)算菲涅爾孔徑的方法[60-61]。總結(jié)了振幅、頻帶寬度、瞬時(shí)頻率等地震波屬性與煤層厚度的非線性變化規(guī)律，為利用變模態(tài)分解(VMD) 和支持向量機(jī)(SVM)等方法預(yù)測煤層厚度提供了理論依據(jù)[62-63]。以薄煤層“三層結(jié)構(gòu)”模型為基礎(chǔ)，對(duì)比研究并建立了2 種形式下與彈性波位移位與位移函數(shù)相對(duì)應(yīng)的層狀介質(zhì)傳播矩陣及薄層公式，給出了薄層公式退化時(shí)單界面判據(jù)，推導(dǎo)出薄煤層PP 波、PS 波的AVA 響應(yīng)及相位響應(yīng)方程式[64]。揭示的煤體結(jié)構(gòu)與地震縱橫波速度、拉梅系數(shù)剪切模量等彈性參數(shù)之間關(guān)系以及煤層含氣量與AVO 異常相關(guān)性規(guī)律，進(jìn)一步拓寬了地震同步反演技術(shù)在煤體結(jié)構(gòu)劃分和煤層氣富集區(qū)預(yù)測領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了地震勘探由構(gòu)造勘探向巖性細(xì)觀探測的跨越[65-67]。將構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波、螞蟻?zhàn)粉櫡ㄔ響?yīng)用于地質(zhì)異常體的地震屬性相干與混沌分析中，通過地震屬性優(yōu)化和RGB 信息融合，提高了斷層和陷落柱等的識(shí)別精度和空間形態(tài)刻畫精度。根據(jù)地震剖面、屬性平面上斷層與煤層的幾何關(guān)系，建立了虛擬三維環(huán)境下斷層落差、傾角等要素的解析式[68]。

槽波地震勘探快速發(fā)展并在煤礦井下廣泛應(yīng)用得益于數(shù)字槽波探測理論創(chuàng)新。自F.F.Evison 1955 年發(fā)現(xiàn)并揭示Love 波的頻散特性以來，國外從未中斷地震波在煤層中傳播規(guī)律研究。1985 年中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司(簡稱西安研究院)引進(jìn)該技術(shù)以來，經(jīng)過幾代人尤其是近十年的探索，建立了Love波頻散特征與煤層厚度關(guān)系式，提出利用Love 波精準(zhǔn)判斷煤層厚度的方法[69-70]，構(gòu)建了基于三維彈性波全波形反演的斷層、夾矸、陷落柱等槽波模型[71]，給出了含夾矸煤層Love 波頻散曲線與PP 波與PS 波反射系數(shù)的定量關(guān)系[72]，推導(dǎo)出黏彈TI（Transversely Isotropy）介質(zhì)3 層水平層狀模型的煤層Love 波頻散方程解，揭示了各向異性品質(zhì)因子與Love 波頻散和衰減的規(guī)律[73]，建立了煤層及圍巖三維地質(zhì)模型，形成了通過正演獲得Love 波場多屬性異常的CT 成像，進(jìn)而識(shí)別斷層、陷落柱、褶皺、薄煤帶等隱蔽地質(zhì)體的方法[74-75]。

測井之所以能夠精細(xì)劃分煤體結(jié)構(gòu)，得益于它揭示了不同煤體結(jié)構(gòu)煤的地球物理測井綜合響應(yīng)規(guī)律。不同煤體結(jié)構(gòu)煤的應(yīng)力?應(yīng)變、導(dǎo)電性、聲發(fā)射和電阻率、聲波速度動(dòng)態(tài)變化模型[76]，以及多煤層區(qū)煤體結(jié)構(gòu)測井解釋模型構(gòu)建方法的建立[77]，為利用自然伽馬、深側(cè)向或微球聚焦電阻率、聲波時(shí)差和密度等測井信息定量判識(shí)煤體結(jié)構(gòu)、建立煤體結(jié)構(gòu)三維可視化模型夯實(shí)了理論基礎(chǔ)。

電法勘探理論向縱深發(fā)展。岳建華等[78-81]給出了巷道頂?shù)装咫姕y深曲線自動(dòng)正反演算法，創(chuàng)建了巷道影響下的全空間電流場理論，認(rèn)為采動(dòng)裂隙帶含水量與煤巖體電各向異性系數(shù)呈正相關(guān)，張量電阻率幅值僅與采動(dòng)裂隙帶的傾角有關(guān)，地層走向只影響視電阻率橢圓的旋轉(zhuǎn)角度，為煤礦井下實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量張量電阻率來預(yù)防動(dòng)力災(zāi)害提供了新途徑。蔣宗霖等[82]揭示了礦井全空間瞬變電磁偶極裝置觀測信號(hào)隨收發(fā)距離變化的傳播規(guī)律和低阻體的電磁場異常響應(yīng)規(guī)律，建立了井下瞬變電磁場三維有限元正演模型和算式。李飛等[83]認(rèn)為互感信號(hào)強(qiáng)度比大地中感應(yīng)二次場高是造成實(shí)測電阻率偏低的主要原因，推導(dǎo)出利用兩次不同收發(fā)距離的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行互感消除和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的視電阻率校正方法。吳信民等[84]提出以視電阻率為樞紐的觀測數(shù)據(jù)時(shí)?深轉(zhuǎn)換理論及方法，為定量解釋和精準(zhǔn)定位地質(zhì)異常體提供了理論依據(jù)。楊海燕[85]、李貅[86]等將地震偏移成像方法引入瞬變電磁數(shù)據(jù)的虛擬波場成像中，建立了瞬變電磁擴(kuò)散場與地震波波動(dòng)場聯(lián)動(dòng)的函數(shù)變換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了瞬變電磁探測數(shù)據(jù)的擬地震解釋，提高了低阻異常體賦存深度和界面的空間分辨率與三維偏移成像精度。

作為一種清晰高效的新興實(shí)景復(fù)制技術(shù)，三維激光掃描應(yīng)用于煤礦井下的難點(diǎn)是碎步測量三維動(dòng)態(tài)坐標(biāo)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)和礦山靜態(tài)控制點(diǎn)信息的精準(zhǔn)銜接。為此，王海軍等[87]建立了煤礦井下三維激光掃描系統(tǒng)動(dòng)態(tài)標(biāo)定與空間點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程，提出基于統(tǒng)計(jì)濾波原理的大尺度噪聲濾波方程和基于移動(dòng)最小二乘的小尺度噪聲濾波算法、巷道點(diǎn)云關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)的SIFT 數(shù)據(jù)特征測算和FPFH 表征算法，為長距離復(fù)雜巷道和工作面地質(zhì)信息快速提取和精細(xì)建模提供理論支撐。

2.1.9 三維地質(zhì)建模理論

精細(xì)刻畫礦井開采地質(zhì)條件及其變化的目的是為煤礦智能精準(zhǔn)開采提供地質(zhì)導(dǎo)航，可視化三維地質(zhì)模型是地質(zhì)探測信息集成、共享和實(shí)現(xiàn)地質(zhì)透明化的主要手段。三維地質(zhì)建模技術(shù)提出以來，在油氣和地礦行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，2018 年煤炭行業(yè)開始以開采地質(zhì)條件透明化為目的的三維地質(zhì)實(shí)體建模與可視化研究工作。程建遠(yuǎn)等[88]根據(jù)礦井地質(zhì)探測技術(shù)現(xiàn)狀和智能開采對(duì)地質(zhì)透明化的時(shí)空需求，提出按照不同勘查程度分梯級(jí)構(gòu)建4 個(gè)層級(jí)“透明工作面”三維地質(zhì)模型的思路。

與地質(zhì)建模相關(guān)的煤礦地質(zhì)信息有鉆探與物探數(shù)據(jù)、巷道地測數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及各種測試實(shí)驗(yàn)、解釋數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)融合就是使用某種約束條件將這些關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜、描述表達(dá)不統(tǒng)一的多源異構(gòu)信息進(jìn)行反演，使之滿足統(tǒng)一的地質(zhì)模型的過程。陳曉紅[89]給出了利用地震殘差項(xiàng)、重力殘差項(xiàng)、平滑項(xiàng)等物性參數(shù)建立交叉梯度目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行巖石物性關(guān)系明確條件下多源物探數(shù)據(jù)同步聯(lián)合反演方法，建立的地震地質(zhì)模型減少了反演結(jié)果的多解性。樸英哲[90]建立了多源物探數(shù)據(jù)交叉梯度聯(lián)合反演解析式，提高了巖石物性關(guān)系不確定情況下地震地質(zhì)模型中地質(zhì)異常體結(jié)構(gòu)的恢復(fù)精度。

井田地質(zhì)(異常)體本身是變化的，甚至是不連續(xù)的，而描述地質(zhì)體的探測數(shù)據(jù)來源廣、類型多、離散且不規(guī)則，采樣控制點(diǎn)多寡和網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間插值算法等與地質(zhì)建模精度緊密相關(guān)。相對(duì)于人工插值法，數(shù)學(xué)插值法，尤其是高次插值法更適合于精細(xì)刻畫地質(zhì)(異常)體的空間不連續(xù)性。安林等[91]根據(jù)函數(shù)插值、離散平滑插值和克里金插值的基本原理，通過交叉驗(yàn)證和誤差分析，認(rèn)為離散平滑插值算法的可靠性最佳，采樣數(shù)據(jù)量不低于10%即可滿足工作面動(dòng)態(tài)地質(zhì)建模的精度要求。

2.2 礦井地質(zhì)保障技術(shù)研發(fā)與裝備創(chuàng)新突飛猛進(jìn)

2.2.1 智能鉆探技術(shù)與裝備研發(fā)

煤礦區(qū)地面鉆探和井下鉆進(jìn)技術(shù)是精細(xì)查明礦井開采地質(zhì)條件、防治煤礦地質(zhì)災(zāi)害事故的最直接而有效的手段。30 年來，我國煤田鉆探根據(jù)施工目的和煤礦井下作業(yè)環(huán)境要求，不斷進(jìn)行鉆機(jī)、鉆具、鉆頭和鉆探工藝研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新。

地面預(yù)抽煤層瓦斯是預(yù)防和減少煤礦瓦斯事故的重要方式。針對(duì)水平井組鉆井直徑大、造斜段和水平段定向鉆進(jìn)困難、造斜段?水平段?排采直井對(duì)接難度大等問題，相關(guān)科研院所、企業(yè)相繼研制出ZMK-5530TZJ60、ZMK5530TZJ100、SMJ5510TZJ15/800Y、SMJ5510TZJ25/1000YTMC90、TMC135、CMD100、CMD100T、CMD150T 等國產(chǎn)大功率全液壓動(dòng)力頭式車載多功能定向鉆機(jī)，創(chuàng)建了多分支遠(yuǎn)端精準(zhǔn)對(duì)接鉆進(jìn)技術(shù)與完井工藝模式，空氣洗井技術(shù)、增阻堵漏技術(shù)、無機(jī)膠凝注漿固化技術(shù)、套管隔離技術(shù)等廣泛應(yīng)用于不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的煤層氣井鉆進(jìn)時(shí)的洗井和防漏中，多矢量傳感器組合同步控制系統(tǒng)、孔底單彎螺桿鉆具為鉆孔自動(dòng)跟蹤與軌跡精細(xì)校正提供了保障。西安研究院將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于全國38 個(gè)順煤層或煤層頂板水平井組的施工中，單井最大精準(zhǔn)對(duì)接距離1 148.70 m，最大鉆探進(jìn)尺1 735.63 m，為地面煤層氣高效開發(fā)提供了可靠的技術(shù)與裝備支撐。針對(duì)我國碎軟低滲強(qiáng)吸附煤層區(qū)瓦斯抽采困難、突出危險(xiǎn)性大的問題，根據(jù)煤層采動(dòng)卸壓增透原理和地面井變形破壞機(jī)理，提出了采動(dòng)區(qū)地面井“避”“讓”“防”“梳”的井位選擇與井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、地面井抽采工藝設(shè)計(jì)與工程防護(hù)技術(shù)，建立了單一煤層和煤層群條件下采動(dòng)區(qū)地面井煤層氣高效抽采模式，實(shí)際應(yīng)用中有效降低了工作面上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛?，保障了煤礦安全回采[92-93]。

在煤礦井下隱蔽致災(zāi)因素探查和地質(zhì)事故隱患治理中，我國以往使用的普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)裝備功率小、孔徑小、進(jìn)尺淺、自動(dòng)化程度低，更重要的是缺乏定向鉆進(jìn)技術(shù)，以致作業(yè)工程量大、鉆孔軌跡不可控，絕大多數(shù)情況下起不到精確中靶和有效治理的結(jié)果。為了解決這些難題，西安研究院自“十一五”開始開展了煤礦井下隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備研發(fā)，研制出離線式隨鉆同步抗磁測斜系統(tǒng)、孔底螺桿馬達(dá)定子旋轉(zhuǎn)穩(wěn)斜導(dǎo)向系統(tǒng)、小型化防爆型泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)、電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)和隨鉆測量地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，以及高韌性高強(qiáng)度外平鉆桿、單彎螺桿馬達(dá)、PDC 定向鉆進(jìn)鉆頭與擴(kuò)孔鉆頭等，ZDY12000LD、ZDY15000LD、ZDY20000LD 等型號(hào)緊湊型大功率定向鉆機(jī)的成孔和處理孔內(nèi)事故能力強(qiáng)，滿足了遠(yuǎn)距離復(fù)合定向鉆進(jìn)動(dòng)力傳遞及泥漿脈沖信號(hào)穩(wěn)定傳輸與鉆機(jī)快速排渣的需求[94-95]。煤礦井下精準(zhǔn)復(fù)合定向鉆進(jìn)成套技術(shù)與裝備在神東煤炭集團(tuán)有限公司保德煤礦中硬(f>1.5)低透氣性煤層鉆進(jìn)中創(chuàng)造了瓦斯抽采主孔深度3 353 m、總進(jìn)尺4 428 m 的世界新紀(jì)錄。ZDY2800LG、ZDY3000LG 和ZDY6000LG 等大功率高轉(zhuǎn)速復(fù)合履帶式全液壓定向鉆機(jī)，配套螺旋保直定向沖擊鉆進(jìn)技術(shù)、低/中風(fēng)壓空氣/氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)技術(shù)、空氣霧化鉆進(jìn)技術(shù)、套管鉆進(jìn)技術(shù)，以及提鉆/不提鉆下篩管護(hù)孔工藝、主孔探頂與側(cè)鉆開分支孔工藝、二次成孔工藝，和高強(qiáng)度鉆桿與螺桿、三棱等異形定向鉆具，實(shí)現(xiàn)了碎軟低滲煤層區(qū)順煤層定向鉆進(jìn)成孔深度和瓦斯抽采效果的重大突破。泥漿護(hù)壁、清水鉆進(jìn)、螺旋鉆桿+泥漿脈沖無線隨鉆測量長距離復(fù)合定向鉆進(jìn)等技術(shù)和“沿頂/底板主孔鉆進(jìn)、分支孔導(dǎo)通煤層”工藝，應(yīng)用于陽泉、韓城、黔西、高平、淮南等高突礦區(qū)碎軟煤層頂板/底板小曲率梳狀鉆孔瓦斯抽采工程中，鉆進(jìn)速度、成孔率、瓦斯抽采效率、經(jīng)濟(jì)效益比順煤層鉆進(jìn)有大幅度提高[96-97]。以鉆機(jī)與孔底馬達(dá)雙動(dòng)力復(fù)合驅(qū)動(dòng)技術(shù)、異形鉆桿與水力復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)技術(shù)、回轉(zhuǎn)切削與沖擊破巖復(fù)合擴(kuò)孔技術(shù)為核心的大功率復(fù)合定向多級(jí)擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝和裝備，已廣泛應(yīng)用于我國大部分煤礦煤層頂板高位定向孔瓦斯抽采工程中，效果顯著，起到“以孔代巷”作用[98]。另外，定向鉆進(jìn)技術(shù)在超前弱化煤層和復(fù)雜堅(jiān)硬頂板巖層沖擊潛能、煤層頂/底板注漿加固改造、隱蔽導(dǎo)水通道精準(zhǔn)封堵等方面取得了良好效果。在此期間，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司(簡稱重慶研究院)、沈陽北方交通重工集團(tuán)有限公司、江蘇中煤礦山設(shè)備有限公司研制的ZYWL-4500D/6500D/8000D、ZYWL-6000D/6000DS、ZYWL-13000-DS、ZDY3500L/4000LK、ZDY12000LF 等型履帶式全液壓隨鉆測量定向鉆機(jī)及配套裝置，提升了井下鉆探對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)能力，促進(jìn)了煤礦井下定向鉆進(jìn)從 “無控制鉆進(jìn)”向“精準(zhǔn)定向鉆進(jìn)”的跨越。

針對(duì)煤礦井下鉆機(jī)缺少自動(dòng)加卸鉆桿、整機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)監(jiān)測困難、智能化水平不高的問題，“十三五”期間西安研究院和重慶研究院在ZDY4300LK 和ZYWL-4000Y 等型自動(dòng)化鉆機(jī)基礎(chǔ)上，將桿倉列定位技術(shù)、自動(dòng)接卸扣技術(shù)、防爆電液控制技術(shù)，以及嵌入式鉆機(jī)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測軟件、遠(yuǎn)程視頻成像無線監(jiān)控系統(tǒng)等加載到國內(nèi)主流全液壓鉆機(jī)上，研制的ZDY4500LFK、ZDY23000LDK、ZDY25000LDK、ZYWL-4000SY 等多種型號(hào)大功率全自動(dòng)鉆機(jī)，具備長距離定向鉆進(jìn)施工過程中自動(dòng)控制裝卸鉆桿、智能化定向鉆進(jìn)、鉆機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、典型故障智能診斷與預(yù)警等功能，全面提升了井下定向鉆進(jìn)裝備的智能化水平[99-102]。新研發(fā)的串并聯(lián)組合油缸式給進(jìn)系列裝置，提高了長行程下鉆機(jī)的有效給進(jìn)力、起拔力與給進(jìn)/起拔速度[103]。

2.2.2 煤田地面全地形多震源地震勘探技術(shù)

1941 年地震勘探技術(shù)從日本引入中國，應(yīng)用初至波折射法在開灤煤礦外圍普查找煤試驗(yàn)。至20 世紀(jì)80 年代末以來，地震勘探儀器經(jīng)歷了由進(jìn)口光點(diǎn)記錄儀、模擬磁帶記錄儀到國產(chǎn)數(shù)字地震儀，勘探方法實(shí)現(xiàn)了由折射波法到反射波法、由單次覆蓋到多次覆蓋的轉(zhuǎn)變；高分辨率二維地震勘探在淮南煤田和集賢煤田煤礦取得較好的構(gòu)造探測效果后，步入巖性和構(gòu)造相結(jié)合的新的綜合地震勘探階段。20 世紀(jì)90 年代至今，地面二維地震勘探方法日趨成熟，表現(xiàn)為地震信號(hào)分辨率與信噪比大幅度提高、資料處理和解釋技術(shù)進(jìn)步明顯，在煤田勘查與一些不具備三維地震勘探條件的采區(qū)，二維地震勘探能夠查明落差10 m 以上斷層、5～10 m 斷點(diǎn)、直徑大于50 m 陷落柱、煤層沖刷帶，成為煤炭資源勘查和基建礦井地質(zhì)構(gòu)造探測的主要手段。

1974 年W.S.French 三維模型的問世，開啟了國外油氣開發(fā)行業(yè)和地震勘探界對(duì)三維地震勘探技術(shù)理論與實(shí)踐探索的歷程。經(jīng)過十余年的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，三維地震勘探技術(shù)解決地下復(fù)雜油氣地質(zhì)結(jié)構(gòu)問題的能力和經(jīng)濟(jì)效益是二維地震技術(shù)無法比擬的，同時(shí)高產(chǎn)高效礦井生產(chǎn)對(duì)煤礦開采地質(zhì)條件的探查程度提出了更高要求。因此，1991 年原國家能源投資公司決定在大型礦井設(shè)計(jì)前需開展三維地震勘探，加快了地震勘探由資源勘查向礦井開采地質(zhì)條件探測的步伐。1993?1994 年，安徽省煤田地質(zhì)局和淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司與中國礦業(yè)大學(xué)合作，在謝橋煤礦首采區(qū)和潘集礦區(qū)進(jìn)行高分辨率三維地震勘探試驗(yàn)，應(yīng)用高密度快速采樣、疊前部分偏移、傾角時(shí)差校正等方法，獲得了高分辨率、高信噪比、高保真度的三維數(shù)據(jù)體，查明了一批埋深380～700 m、落差≥5 m 的小斷層，空間定位誤差<10 m。查清了區(qū)內(nèi)褶幅>5 m 的褶皺；在460 m 深度清楚分辨出相距50 m、斷面尺寸3.2 m×3.8 m 的兩條相互平行石門，首次取得了煤礦采區(qū)構(gòu)造和采礦工程結(jié)構(gòu)超前精細(xì)探測的重大突破。

近30 年，隨著現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)、通信與網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的日新月異，數(shù)字地震儀主機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，中央記錄單元帶道能力大幅度提升，超萬道地震儀、小組合多檢波器滿足了小道距、單點(diǎn)震源、單點(diǎn)接收、寬方位角的地震數(shù)據(jù)采集和高速實(shí)時(shí)傳輸，以及超大道數(shù)、多波多分量地震勘探的要求。人工智能螞蟻?zhàn)粉櫡?、疊前時(shí)間偏移等技術(shù)，以及海量機(jī)群并行計(jì)算機(jī)和高分辨率處理軟件的應(yīng)用，極大地提高了地震數(shù)據(jù)體的質(zhì)量與存儲(chǔ)能力，促進(jìn)了全三維—五維插值、疊前深度偏移、疊后處理、精細(xì)靜校正和動(dòng)校正、噪聲衰弱、頻譜整形濾波連片、速度建模、目標(biāo)處理等技術(shù)的進(jìn)步。全三維解釋技術(shù)、三維可視化解釋技術(shù)、多角度地震正反演模擬技術(shù)，以及Geo Frame、Landmark、ProMax、GRIstation 等解釋軟件的問世，極大地提高了地震勘探結(jié)果的可靠性。煤礦采區(qū)高分辨率三維地震勘探先后攻克了平原、沼澤、丘陵、山區(qū)、黃土塬、戈壁、沙漠和海上技術(shù)難關(guān)，實(shí)現(xiàn)了煤田全地形內(nèi)采區(qū)埋深1 000 m 以淺的落差5 m 及以上斷層、波幅10 m 以上褶皺、直徑30 m 以上陷落柱，以及采空區(qū)、富水區(qū)、沖刷帶和煤層變化等的高精度探測。探采對(duì)比表明，高分辨率三維地震勘探在淮南和永城礦區(qū)對(duì)斷層和陷落柱的驗(yàn)證準(zhǔn)確率≥89%，其他地區(qū)≥78%[104]，成為采區(qū)透明地質(zhì)模型構(gòu)建、煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、瓦斯災(zāi)害隱患識(shí)別、突水構(gòu)造和采空區(qū)預(yù)測的硬核技術(shù)。

高密度全數(shù)字三維地震勘探由于采樣密度高、覆蓋次數(shù)高、數(shù)字檢波器全方位角接收數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，以及寬頻帶、壓噪技術(shù)、疊前時(shí)間偏移等處理技術(shù)，全面提高了原始地震數(shù)據(jù)體的信噪比、分辨率和保真度。SPS 引導(dǎo)放炮方法、自動(dòng)化班報(bào)模板等有效提高了該技術(shù)的數(shù)據(jù)采集效率[105]。高精度靜校正技術(shù)、多屬性和屬性融合解釋、巖性反演解釋、疊前深度偏移等技術(shù)，大幅度提高了數(shù)據(jù)解釋精度與成像功能。在淮南丁集煤礦試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高密度三維地震勘探對(duì)落差2 m 以上斷層的解釋準(zhǔn)確率>80%，能清晰地分辨出地下埋深800 m、寬度4 m、相距150 m 的回采工作面巷道[106]。隨后，該技術(shù)相繼在淮南其他煤礦、呂梁、晉城、潞安、淮北、永夏、焦作等礦區(qū)推廣應(yīng)用。建立的 “一全、二寬、三高、四精”的勘探模式[107]和“3+X”技術(shù)路線[108]，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理與解釋過程的一體化與標(biāo)準(zhǔn)化。目前，高密度三維地震勘探已成為煤礦采區(qū)斷層、陷落柱、下組煤、高陡構(gòu)造勘探等地質(zhì)因素精細(xì)探查的關(guān)鍵核心技術(shù)。

與人工炸藥震源相比，井下采煤機(jī)振動(dòng)激發(fā)的被動(dòng)源波中的反射波疊加可達(dá)16 次，單炮信噪比提高了4 倍，橫波的超前探測距離達(dá)到300 m 以上，槽波可達(dá)到170 m 以上[109-110]。采煤機(jī)移動(dòng)激發(fā)的連續(xù)信號(hào)分段波形互相關(guān)成像方法實(shí)現(xiàn)了工作面內(nèi)地質(zhì)異常體(區(qū))的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測[111]，為透明工作面三維地質(zhì)動(dòng)態(tài)建模、采動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警開辟了新途徑。

2.2.3 地面電磁法勘探技術(shù)

地面電磁法勘探曾在找煤、探測水源地和導(dǎo)水通道方面發(fā)揮了重要作用。自1997 年以來，隨著國外先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的引進(jìn)，以及超前查明頂板水、老空水、底板奧灰水、火燒區(qū)水等礦井水文地質(zhì)條件的迫切需要，瞬變電磁勘探技術(shù)得以快速發(fā)展。開發(fā)了中心回線、疊置回線、大定源回線、回線核心域等多種觀測系統(tǒng)形式，形成了相應(yīng)的視電阻率計(jì)算公式，回線核心域觀測系統(tǒng)與資料解釋方法使導(dǎo)水構(gòu)造、陷落柱的探測精度提高了15%～25%[112]。中心回線的瞬變電磁自適應(yīng)正則化反演、任意形狀回線的瞬變電磁反演等方法已成功應(yīng)用于采空區(qū)探測解釋中[113-114]。針對(duì)回線源激發(fā)的信號(hào)在地層中衰減較快而導(dǎo)致探測深度較淺，長偏移距瞬變電磁法對(duì)發(fā)射機(jī)功率和性能要求高、連續(xù)波形電流造成數(shù)據(jù)處理難度大的問題，研發(fā)出電性源短偏移距瞬變電磁法，形成了集施工方法、正演模擬、視電阻率計(jì)算、反演解釋等于一體的電磁法勘探技術(shù)體系，并已成功應(yīng)用于復(fù)雜地表?xiàng)l件下的煤礦深部含水體、采空區(qū)的探查中[115-121]。

2.2.4 礦井物探技術(shù)

礦井物探作為地質(zhì)透明化的重要探測與監(jiān)測預(yù)警手段，30 年來在觀測系統(tǒng)組合方式、多場多參量數(shù)據(jù)提取與解釋技術(shù)、遠(yuǎn)程測控及預(yù)警技術(shù)、探測裝備研制與可視化地質(zhì)模型構(gòu)建等方面取得了重大突破，為解決煤礦復(fù)雜地質(zhì)問題發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。

為了精細(xì)探測下組煤、陡傾斜煤層、深部煤炭資源的開發(fā)地質(zhì)條件，20 世紀(jì)70 年代開始將淺層高分辨率地震勘探技術(shù)移植井下。面對(duì)井下特殊的三維采礦環(huán)境，世紀(jì)之交開展了錘擊震源巷道全方位接收勘探、錘擊震源巷幫接收多次覆蓋勘探、炸藥震源長排列多次覆蓋勘探的對(duì)比研究，以及反射共偏移等觀測系統(tǒng)試驗(yàn)，不乏成功范例[122-123]。金丹等[124]將地表一致性振幅校正和反褶積技術(shù)引入井下地震信號(hào)處理中，較好地解決了單炮初至?xí)r間的延遲問題，改善后的地震疊加剖面使得地質(zhì)構(gòu)造和巖性解釋更加可信。

節(jié)點(diǎn)式數(shù)字槽波地震儀的成功研發(fā)，使沉寂30 余年的槽波地震勘探煥發(fā)新的活力。共發(fā)射點(diǎn)(CDP)集合、水平疊加、振幅平衡AGC、頻譜分析、反褶積濾波、窄帶濾波、速度分析、靜校正切除、多道次CDP疊加技術(shù)，以及改進(jìn)的代數(shù)重建算法(ART)、瞬時(shí)迭代法(SIRT)等層析反演算法等，為獲得高信噪比、高分辨率、高保真度的槽波數(shù)據(jù)體提供了可靠保障。目前，反射槽波超前探測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)煤巷前方煤層厚度100 倍范圍、煤巷側(cè)幫200～300 m 范圍內(nèi)的小斷層、陷落柱、廢棄巷道等精細(xì)探測，探測精度達(dá)90%以上。正演模擬技術(shù)的突破使厚?巨厚煤層內(nèi)小斷層的超前探測成為可能[125]。因此，反射槽波勘探已成功替代瑞雷波、TSP 和二維地震勘探而成為采空區(qū)、煤層沖刷帶、斷層等隱蔽致災(zāi)因素超前精準(zhǔn)探測的核心技術(shù)。透射或透射與反射槽波聯(lián)合探測能夠查明300 倍煤層厚度范圍內(nèi)工作面中隱蔽小斷層、夾矸、陷落柱、廢棄巷道等地質(zhì)異常體的位置[25]。

聲發(fā)射與圖像診斷技術(shù)曾在沖擊地壓災(zāi)害預(yù)報(bào)、地應(yīng)力測量、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測、工作面頂板破斷時(shí)間和位置監(jiān)測中發(fā)揮過較大作用。微震監(jiān)測技術(shù)是研究煤巖體破裂機(jī)制和礦震活動(dòng)規(guī)律，監(jiān)測煤巖體水力壓裂縫裂縫擴(kuò)張和堅(jiān)硬頂板(煤)卸壓的效果與 “三帶”發(fā)育高度、預(yù)警煤礦沖擊地壓和煤與瓦斯突出及突水等煤巖動(dòng)力災(zāi)害的快捷而有效手段。圍繞較多背景噪聲下的震源定位與微震信號(hào)初至拾取問題，針對(duì)影響震源定位精度的因素，Ge Maochen[126]和李楠[127]等建立了震源定位可靠性綜合評(píng)價(jià)體系，提出增加臺(tái)網(wǎng)中傳感器數(shù)量和降低初至?xí)r誤差的非直線、非平面、非雙曲面優(yōu)化布置方法。微震被動(dòng)層析成像技術(shù)搭建了采掘空間中高波速或高波速變化梯度區(qū)與沖擊地壓危險(xiǎn)性響應(yīng)的橋梁[128]。李紹紅等[129]將粗大誤差判別準(zhǔn)則和聚類分析方法用于走時(shí)方程的變換和求解中，推導(dǎo)出考慮速度各向異性的微震源快速、準(zhǔn)確定位方法。近年來，部分學(xué)者將傅里葉變換、小波分析、分形維數(shù)法、模式識(shí)別、到時(shí)差值分析、人工智能等應(yīng)用到煤礦微震波信號(hào)的自動(dòng)分析與識(shí)別中，大幅度提升了微震監(jiān)測技術(shù)水平。

為了防治煤礦底板突水事故，電法勘探于20 世紀(jì)80 年代末走向煤礦井下。90 年代初建立了以礦井直流電法勘探為主的煤層底板水探測技術(shù)體系，形成了巷道頂?shù)装咫姕y深法、巷道電剖面法、高密度電阻率法、直流電透視法等。在此基礎(chǔ)上，西安研究院開發(fā)了探測工作面底板含導(dǎo)水構(gòu)造的音頻電透視技術(shù)，完善了超前探測掘進(jìn)巷道隱蔽構(gòu)造的孔中二極剖面法、點(diǎn)源梯度法。與此同時(shí)，新儀器、設(shè)備以及正反演算法、室內(nèi)模擬與電磁波層析成像技術(shù)不斷進(jìn)步，顯著提高了回采工作面內(nèi)隱伏陷落柱、斷層及煤層變薄帶的探測精度。21 世紀(jì)以來，高密度電阻率法的布線形式日益豐富，小型智能化直流電法儀的抗干擾能力增強(qiáng)，軟件處理能力更加強(qiáng)大，尤其是網(wǎng)絡(luò)分布式并行電法技術(shù)體系有效融合了主動(dòng)源電法勘探與被動(dòng)源地電場監(jiān)測功能，地電場多參數(shù)并行解析與聯(lián)合反演技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)底板富水區(qū)[130]、含水構(gòu)造和采動(dòng)裂隙帶[131]、注漿效果[132]的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測及精細(xì)評(píng)價(jià)。

20 世紀(jì)90 年代末，中國礦業(yè)大學(xué)等單位率先將瞬變電磁勘探方法引入煤礦井下水害隱患超前探測中。隨著全空間瞬變電磁場分布規(guī)律、數(shù)值模擬、時(shí)深轉(zhuǎn)換等研究的深入，和關(guān)斷時(shí)間、發(fā)射功率、發(fā)射線圈匝數(shù)、干擾因素等試驗(yàn)的突破，以及小型化大功率探測儀器與智能化解釋技術(shù)的成功研發(fā)，形成了孔中、孔?孔、孔?巷、地?孔、地?巷等多種靈活的探測方式，開發(fā)出短時(shí)關(guān)斷、三分量同時(shí)觀測、高分辨率、壓制工頻干擾、“聰明疊加”與高發(fā)射重復(fù)率技術(shù)，提高了瞬變電磁原始信號(hào)的信噪比和保真度。將人工智能應(yīng)用于探測數(shù)據(jù)處理中，極大地提升了弱信號(hào)的提取能力和對(duì)巷道前方、頂板低阻異常體位置與范圍的辨識(shí)能力。

井下坑透技術(shù)因穿透距離較大、準(zhǔn)確率較高、成果直觀而廣泛應(yīng)用于工作面隱蔽地質(zhì)異常體與煤層變薄帶的探測中，形成了井?巷、巷?巷、井中、井間等多種觀測系統(tǒng)和一發(fā)一收、一發(fā)雙收、雙發(fā)雙收及其組合收發(fā)方式[133]。針對(duì)常規(guī)單頻多點(diǎn)收發(fā)和多頻率組合探測效率低的問題，劉百祥[134]研發(fā)的大透距多頻同步無線電波透視技術(shù)與裝備通過一次探測可獲取多個(gè)頻率的穩(wěn)定、有效的場強(qiáng)值，發(fā)揮低頻和高頻的透射優(yōu)勢(shì)，提高了坑透技術(shù)的探測能力和準(zhǔn)確性。

2.2.5 礦井地質(zhì)綜合探測技術(shù)體系

以智能定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備為載體的隨鉆測井逐漸代替無纜和電纜測井，在水平井、多分支井、傾斜鉆孔中獲得高精度的孔斜、電磁波、聲波、伽馬、鉆孔全景成像等數(shù)據(jù)體，通過同步機(jī)分析處理和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，為精準(zhǔn)識(shí)別煤巖界面、煤體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造等提供了平臺(tái)。側(cè)向電阻率視頻成像測井技術(shù)與設(shè)備在穿層瓦斯抽采孔，尤其是在上行孔中實(shí)現(xiàn)了鉆孔軌跡與多測井參數(shù)一體化測試和智能化解釋，解決了碎軟難抽采易突出煤層區(qū)瓦斯抽采孔軌跡、煤巖界面、地質(zhì)構(gòu)造的精準(zhǔn)探測難題[135-136]。采區(qū)地面鉆探?高密度三維地震?瞬變電磁勘探、井地聯(lián)合勘探，及井下直流電法?水化學(xué)?鉆探、直流電法?紅外測溫?鉆探、音頻電透視?坑透、槽波透射與反射聯(lián)合勘探、槽波地震?無線電波透視、鉆探?測井?瞬變電磁勘探、定向鉆進(jìn)?分段水力壓裂等技術(shù)系列，較好地滿足了煤礦地質(zhì)保障的技術(shù)需求。

2.2.6 工作面地質(zhì)透明化

煤礦智能開采既要求精細(xì)查明開采地質(zhì)條件和隱蔽致災(zāi)因素，更迫切需要對(duì)這些條件和因素進(jìn)行精準(zhǔn)可視化表征，以增強(qiáng)智能采掘設(shè)備全面自主的感知、分析能力和精準(zhǔn)管控能力。如果說2018 年之前建立的是井田空間三維勘探實(shí)體地質(zhì)模型，則近5 年來人們聚焦于利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)手段和數(shù)學(xué)方法，將零散而孤立的多源地質(zhì)信息和隨掘隨采地震信息等集成和融合起來，構(gòu)建三維可視化地質(zhì)模型。研發(fā)出模塊化層次結(jié)構(gòu)型地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)技術(shù)、數(shù)據(jù)空間配準(zhǔn)技術(shù)，克里金法、反距離加權(quán)法、離散平滑法、趨勢(shì)面法、四域樣條函數(shù)、隱式迭代等插值法，以及偽點(diǎn)剔除法、Delaunay 三角剖分法、不規(guī)則三角網(wǎng)、似直棱柱等技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤層靜態(tài)模型構(gòu)建與動(dòng)態(tài)修復(fù)中，開發(fā)出GIS、MicroStation、QvCoalMine、GSIS、Hydrogeo3D 等三維可視化系統(tǒng)平臺(tái)，提高了模型精度。提出基于精細(xì)地質(zhì)勘探信息的高精度三維地質(zhì)靜態(tài)模型構(gòu)建流程[137]，和基于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)等多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)全程統(tǒng)一融合的工作面及煤層多屬性一體化綜合建模方法，地質(zhì)與開采系統(tǒng)信息互饋技術(shù)打通地質(zhì)與采礦之間的數(shù)據(jù)壁壘[138-140]。將礦井隱蔽致災(zāi)因素的位置、范圍、規(guī)模等屬性信息融合到地質(zhì)模型上，基本實(shí)現(xiàn)了工作面內(nèi)部煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造，以及水、火、瓦斯等地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報(bào)的透明化和可視化[141]。

2.2.7 綠色開采地質(zhì)保障技術(shù)

以綠色開采理論為指導(dǎo)，提出了基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙高度定量預(yù)測方法[57]，彌補(bǔ)了均化分類和單一厚層砂巖情況下覆巖裂隙高度預(yù)計(jì)不精準(zhǔn)的缺陷；根據(jù)煤層頂板薩拉烏蘇組3 種等值線圖構(gòu)建的榆神礦區(qū)地下水資源承載力地質(zhì)分區(qū)[142-143]，推動(dòng)了充填、限高(分層)、窄條帶、短壁、快速推進(jìn)等“因地制宜”保護(hù)含水層采煤技術(shù)的進(jìn)步；煤層底板隔水關(guān)鍵層剩余隔水能力診斷模型、導(dǎo)水破壞帶深度預(yù)測方法和鉆孔雙端封堵測漏裝置的成功研發(fā)[144-146]，為優(yōu)化采前疏水降壓設(shè)計(jì)和防水煤巖柱留設(shè)、鉆孔注漿加固底板含水層措施，實(shí)現(xiàn)煤水協(xié)調(diào)開采提供了技術(shù)保障。采動(dòng)裂隙自彌合作用機(jī)理催生了超前爆破松動(dòng)邊界煤柱(體)、向富碳酸鹽巖體注入酸性軟化劑等含水層生態(tài)恢復(fù)方法的試用[147]。

在與煤共伴生的各種資源中，煤層氣(煤層瓦斯)既是一種災(zāi)害性氣體，又是一種潔凈高效能源。強(qiáng)吸附、高地應(yīng)力、低滲透率、低儲(chǔ)層壓力、低含氣飽和度等自然存儲(chǔ)條件暗示著須要實(shí)施儲(chǔ)層卸壓和增透措施方可實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采，流體壓裂法、爆破預(yù)裂法、水力割縫法、水力沖孔法等接觸式人工致裂技術(shù)和聲發(fā)射、電脈沖、核磁共振等非接觸式物理場致裂技術(shù)，為高突礦區(qū)不易解吸帶煤層瓦斯采前高效預(yù)抽提供了新的技術(shù)手段?；诓蓜?dòng)裂隙“O”形圈理論和卸壓覆巖瓦斯運(yùn)移“三帶”理論，許家林[148]提出了無保護(hù)層條件下走向高抽巷和低抽巷+網(wǎng)格式穿層鉆孔、后高抽立眼和局部高抽巷抽采鄰近層卸壓解吸帶瓦斯技術(shù)，以及順層長鉆孔、大采高長工作面煤壁短鉆孔、綜放工作面超前支承壓力影響段間隔鉆孔等一系列本煤層超前卸壓瓦斯抽采技術(shù)。方俊等[149]發(fā)明的井下定向鉆孔阻截抽采近距離煤層群條件下鄰近層卸壓瓦斯的方法與工藝流程，有效解決了近距離煤層群開采過程中鄰近層卸壓瓦斯互相涌入而導(dǎo)致工作面和采空區(qū)瓦斯超限問題。Qin Wei 等[150]建立的地面鉆井抽采封閉采空區(qū)瓦斯?jié)B流數(shù)學(xué)模型，對(duì)地面井抽采采空區(qū)瓦斯具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

充填開采是從源頭上控制頂板沉降與地表沉陷的主要方法。提出了不同礦區(qū)“以充定產(chǎn)” “以水定產(chǎn)” “以抽定產(chǎn)”“矸石零排放”等煤炭綠色開發(fā)技術(shù)模式[148]，建立了固體充填開采中不同巖性煤矸石的蠕變壓縮響應(yīng)模型[151-152]、“煤體?支柱體?膠結(jié)體”聯(lián)合作用的超靜定梁模型[153]、充填開采地表變形預(yù)測模型[154]，實(shí)現(xiàn)了煤基固廢充填開采對(duì)頂板和地表變形的精準(zhǔn)預(yù)測和控制。

3 煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)面臨的主要問題

3.1 煤炭綠色智能開采對(duì)地質(zhì)保障程度的要求

以“遠(yuǎn)程智能監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)整截割”和“無人跟機(jī)作業(yè)、有人安全巡視”為特征目標(biāo)的智能開采，主要是通過高清攝像儀和智能傳感器系統(tǒng)將工作面地質(zhì)信息和實(shí)時(shí)工況集中傳輸?shù)降孛鏇Q策控制中心，經(jīng)云計(jì)算和遠(yuǎn)程可視人工干預(yù)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)采掘機(jī)自適應(yīng)位姿調(diào)整和自動(dòng)規(guī)劃截割。它不僅要求工作面地質(zhì)和實(shí)時(shí)工況的全息數(shù)字化，同時(shí)要求采區(qū)和綜采工作面的地質(zhì)工作程度能夠滿足建立高精度可視化三維地質(zhì)模型：(1) 采區(qū)內(nèi)落差5.0 m 以上的斷層、小型褶皺、陷落柱、采空區(qū)、侵入體、封閉不良鉆孔、瓦斯富集區(qū)、礦井富水區(qū)、沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)、天窗的位置、范圍和影響程度是明確的。(2) 工作面內(nèi)煤層穩(wěn)定?較穩(wěn)定，煤層產(chǎn)狀、煤體結(jié)構(gòu)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)、煤質(zhì)、煤層頂?shù)装鍘r性、煤巖界面及其變化是查明的，無落差超過1.0 m 的縱向和斜向斷層、密集陷落柱與侵入體、中常?等斜褶皺，橫向斷層不甚發(fā)育。(3) 采掘工程擾動(dòng)響應(yīng)范圍內(nèi)地質(zhì)條件時(shí)空變化特征和影響規(guī)律是清楚的。(4) 建立的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)三維可視化地質(zhì)模型是可靠的。(5) 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)與動(dòng)態(tài)預(yù)警結(jié)果是可信的。

3.2 智能開采地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)中的難題

毋庸置疑，過去30 年來我國煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)在理論研究、技術(shù)研發(fā)、裝備研制方面取得了顯著進(jìn)展，有力支撐了“雙高”礦井和安全高效礦井的建設(shè)與生產(chǎn)，但與煤礦綠色智能開采的地質(zhì)需求還有較大差距。

3.2.1 地質(zhì)信息采集與解釋的智能化水平不高

目前，煤礦傳統(tǒng)地質(zhì)工作仍沿用肉眼觀測、錘擊人測、手寫紙記方式，基本工具是地質(zhì)錘、機(jī)械羅盤、放大鏡、鋼尺、計(jì)算機(jī)，數(shù)字羅盤、防爆數(shù)碼攝像機(jī)、電子掃描儀等甚少。地球物理勘探布線、儀器掌控、井下鉆探施工等仍以人工操作為主。地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取的自動(dòng)化水平不高，數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)解釋的人為干預(yù)強(qiáng)，儀器設(shè)備的智能化程度較低。

3.2.2 靜態(tài)地質(zhì)條件超前預(yù)測可靠性亟待提高

礦井地質(zhì)工作者沿襲“走進(jìn)現(xiàn)場、眼見為實(shí)”的傳統(tǒng)靜態(tài)思維和“人工肉眼觀測+鉆探”的工作方法，缺乏從開采地質(zhì)條件形成背景、成因機(jī)理和各因素的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)與演化規(guī)律中去分析和解決問題，超前地質(zhì)預(yù)測的依據(jù)尚不充分，結(jié)果尚不具體，結(jié)論還不滿足煤礦綠色智能開采的現(xiàn)實(shí)需求。

受物探儀器、觀測系統(tǒng)、控制精度、探測環(huán)境條件、正反演方法、解釋設(shè)備性能的限制，物探解釋異常存在局限性和多解性。同時(shí)，利用物探結(jié)果判斷“是否是地質(zhì)異常體”上尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，識(shí)別“是什么地質(zhì)異常體”方面還缺少可借鑒的、可復(fù)制的模板。另外，作者統(tǒng)計(jì)51 對(duì)礦井97 個(gè)工作面的探采對(duì)比結(jié)果表明，三維地震勘探+電磁法勘探對(duì)先期開采地段和初期采區(qū)的地質(zhì)條件控制精度普遍較低、誤差較大，尚不能滿足智能化綜采對(duì)地質(zhì)條件的查明程度要求。例如，綜合物探對(duì)煤層底板高程的控制誤差為4.6～19.2 m；構(gòu)造簡單?中等地區(qū)煤層中落差超過5 m 斷層的實(shí)見率為61.2%，平面擺動(dòng)5.0～31.2 m；落差不超過5 m 斷層的實(shí)見率僅為37.28%，平面位置擺動(dòng)量達(dá)11.23～28.7 m；直徑30 m 以上陷落柱的驗(yàn)證準(zhǔn)確率小于43.2%，直徑不超過30 m 的陷落柱的驗(yàn)證準(zhǔn)確率僅為17.63%；構(gòu)造復(fù)雜區(qū)和急傾斜煤層區(qū)的驗(yàn)證準(zhǔn)確率更低。即使被認(rèn)為比無線電波透視法探測斷層和沖刷帶更準(zhǔn)確、更可靠的槽波地震勘探，解釋的直徑10 m以上陷落柱的范圍比實(shí)際大19.3%～27.6%[155]，利用槽波波速分析來圈定陷落柱將更加困難。層滑構(gòu)造、韌性變形帶和瓦斯富集區(qū)的三維地震多屬性識(shí)別技術(shù)仍在探索中[156]。

大量用于瓦斯抽采和超前探放水的多數(shù)穿層和順層鉆孔等孔口不定位、鉆進(jìn)不取心、孔內(nèi)不測井、軌跡不測斜，以致井眼軌跡不清，對(duì)煤層厚度和煤層結(jié)構(gòu)、煤巖層界限和頂?shù)装甯叱痰呐袛喽嗍歉鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致鉆孔控制的誤差達(dá)數(shù)米至十余米級(jí)[135]。

不同種類的地質(zhì)保障工作多呈“單兵作戰(zhàn)”狀態(tài)，缺少從開采地質(zhì)條件的成生聯(lián)系中甄別礦井物探與化探解釋的靜態(tài)地質(zhì)異常體(區(qū))的可靠性的水平，缺少從采動(dòng)應(yīng)力疊加后圍巖變形響應(yīng)規(guī)律中分析動(dòng)態(tài)地質(zhì)條件的變化特征。也正是由于綜合研究程度不高，超前地質(zhì)預(yù)測結(jié)果的精準(zhǔn)度和可信度尚有很大的提升空間。

3.2.3 動(dòng)態(tài)地質(zhì)信息實(shí)時(shí)在線監(jiān)測方法單一，致災(zāi)響應(yīng)判斷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺項(xiàng)

圍繞不同場源類型采用的礦井地質(zhì)信息動(dòng)態(tài)捕獲與監(jiān)測方法較多，總體而言，電(磁)法、微震、聲發(fā)射、光?電聯(lián)合、震?電聯(lián)合等非接觸式方法監(jiān)測的范圍較大，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜使得信息獲得具有一定的延時(shí)性[157]。應(yīng)力應(yīng)變計(jì)、礦壓監(jiān)測儀、氣體遙測傳感器、光纖測試、紅外溫度傳感器、激光甲烷傳感器可對(duì)地應(yīng)力、礦山壓力、瓦斯、水文地質(zhì)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，但只反映重點(diǎn)區(qū)局部的參數(shù)狀態(tài)。同時(shí)，采掘動(dòng)態(tài)信息獲取尚沒有擺脫單一的監(jiān)測手段和人工輔助測量分析的局面，多源參數(shù)融合及煤巖介質(zhì)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及隱蔽致災(zāi)前兆響應(yīng)的判斷還沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)同步在線網(wǎng)傳系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)地質(zhì)信息透明化與信息互饋技術(shù)仍然無法滿足安全智能開采數(shù)字化管控的需求。

3.2.4 地質(zhì)信息管理與多源異構(gòu)信息融合技術(shù)水平需進(jìn)一步提高

現(xiàn)代信息技術(shù)是煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)的核心支撐，隨著煤炭工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的日益成熟，煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)和煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)分別建立了各自的專業(yè)數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)，雖然在一定程度上提高了單一子專業(yè)的信息共享與地質(zhì)預(yù)測水平，但系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)呈相對(duì)獨(dú)立和封閉狀態(tài)，存在大量的數(shù)據(jù)孤島。同時(shí)，各專業(yè)軟件類型多，地質(zhì)數(shù)據(jù)建庫的地測信息格式、分類、編碼、運(yùn)算流程、數(shù)據(jù)端接口與數(shù)字化管控體系沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范約束，多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)的云計(jì)算、信息挖掘和融合技術(shù)各顯神通，不僅使系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)難以交換與共享，而且2 個(gè)系統(tǒng)之間也不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的地質(zhì)信息互聯(lián)互通與實(shí)時(shí)無縫對(duì)接。

3.2.5 三維地質(zhì)模型精度不能完全滿足智能開采對(duì)地質(zhì)透明的要求

作為礦井地質(zhì)預(yù)測平臺(tái)建設(shè)的重要內(nèi)容，地質(zhì)透明是以精細(xì)構(gòu)建地質(zhì)模型為主要展示手段。目前，多數(shù)地質(zhì)建模人員來自計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)，工作重心集中在地質(zhì)探測數(shù)據(jù)的分類與管理、建模插值和剖分方法及誤差分析、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)耦合與模型渲染、模型更新與實(shí)時(shí)修正、可視化方法上。由于缺少煤田地質(zhì)基礎(chǔ)知識(shí)，缺乏對(duì)地質(zhì)探測數(shù)據(jù)的再發(fā)掘和解釋結(jié)果的可靠性分析、多源異構(gòu)信息分類建庫、模型精度評(píng)價(jià)、誤差檢查與修正方法的系統(tǒng)研究能力，建立的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型不僅精度低，更難以精細(xì)刻畫井田或工作面內(nèi)客觀存在的斷裂網(wǎng)、倒轉(zhuǎn)褶皺、逆斷層、沖刷帶、陷落柱以及它們疊合而成的復(fù)雜圖案，與智能開采對(duì)地質(zhì)條件的精準(zhǔn)展現(xiàn)要求有很大差距。

4 展 望

煤礦開采地質(zhì)條件是在一定區(qū)域的地質(zhì)背景中緩慢形成和發(fā)展演化的，開采煤炭則是人為采掘工程活動(dòng)打破地殼淺部地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力平衡狀態(tài)，驅(qū)使地質(zhì)體在不平衡和不協(xié)調(diào)中尋找新的平衡的動(dòng)態(tài)突變過程，由此引發(fā)的煤巖體復(fù)雜變形與破壞失穩(wěn)現(xiàn)象具有隱蔽性、時(shí)變性和致災(zāi)性，災(zāi)害類型和威脅程度既與煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件有關(guān)，又與采煤工藝和開采強(qiáng)度緊密相關(guān)。在人類以不同的生產(chǎn)方式向地下未知領(lǐng)域要資源的過程中，必然會(huì)面臨這樣或那樣的地質(zhì)條件約束問題，甚至許多是新問題。而不斷涌現(xiàn)的新的地質(zhì)問題則意味著煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)的理論研究、技術(shù)研發(fā)和設(shè)備研制比以往任何時(shí)候都更需要原始創(chuàng)新，更需要從煤礦安全高效開采的重大工程實(shí)踐中總結(jié)地質(zhì)保障工作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而抽象出具有煤礦開發(fā)工程特色的開采地質(zhì)條件及其變化規(guī)律和預(yù)測評(píng)價(jià)方法，來指導(dǎo)和解決煤礦綠色智能開采。從這個(gè)意義上來說，煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)任重而道遠(yuǎn)。

4.1 加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，夯實(shí)地質(zhì)探測與精細(xì)解釋之根基

沒有科學(xué)理論支撐的技術(shù)不會(huì)成為硬核技術(shù)，甚至是偽技術(shù)。目前，礦井物探是超前探測井下地質(zhì)異常體的首選技術(shù)，但因場源的等效原理、數(shù)據(jù)誤差、反演的不適用性等，使得物探解釋不可回避地存在不確定性和多解性，甚至造成探測結(jié)果的不可靠。為此，應(yīng)加強(qiáng)地下原始地應(yīng)力場?滲流場?溫度場等并存環(huán)境中煤層瓦斯含量、巖層富水性、斷層、侵入體、陷落柱等地質(zhì)異常體的地球物理場響應(yīng)特征的地域?qū)傩匝芯?，三維全空間多物理場的物理模擬和數(shù)值模擬及聯(lián)合反演原理研究，固?水?氣三相耦合與各向異性條件下采動(dòng)裂隙場、堅(jiān)硬頂板與碎軟煤層區(qū)人工致裂場的地球物理場響應(yīng)原理與監(jiān)測機(jī)理研究，物探數(shù)據(jù)采集方式、采樣率、去噪方法、偏移成像時(shí)間、層速度與信號(hào)分辨率之間的影響規(guī)律研究，多物性參數(shù)聯(lián)合反演來精準(zhǔn)辨識(shí)地質(zhì)異常的方法研究，以期形成屬地化的數(shù)據(jù)提取和異常分析與解釋方法，建立具有礦井地質(zhì)特色的全空間地球物理場響應(yīng)模板，為精細(xì)地質(zhì)探測和精準(zhǔn)地質(zhì)解釋提供理論依據(jù)。

4.2 充分運(yùn)用現(xiàn)代地質(zhì)技術(shù)，提高地質(zhì)探測數(shù)據(jù)采集的智能化水平

相對(duì)數(shù)據(jù)處理與解釋環(huán)節(jié)，物探數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化、智能化工作起步較晚、進(jìn)展緩慢。在加速推進(jìn)構(gòu)建基于礦井地質(zhì)特色的全空間地球物理場響應(yīng)模板的同時(shí)，依托示范工程開展低空無人機(jī)與智能機(jī)器人在地質(zhì)探測和地質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集中的先導(dǎo)性應(yīng)用研究，包括無人機(jī)航測遙感技術(shù)在地面地質(zhì)探查中觀測系統(tǒng)布設(shè)、鉆孔(炮點(diǎn))自動(dòng)定位與施工參數(shù)優(yōu)化研究、基于機(jī)器人的地震檢波器自動(dòng)埋置與震源智能激發(fā)技術(shù)研究，以及智能工作面隨掘物探與隨采物探數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和高效傳輸技術(shù)研究、無人機(jī)三維激光掃描與巷道立體建模技術(shù)研究、井下無人機(jī)/機(jī)器人集群姿態(tài)與位置遠(yuǎn)程無線導(dǎo)航控制技術(shù)研究、地質(zhì)監(jiān)測與控制數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)傳輸技術(shù)研究等。如此，將大量簡單性重復(fù)工作交給無人機(jī)和機(jī)器人承擔(dān)，既可以大幅度提高地質(zhì)探測工作效率和探測與監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集能力和精度，也能使科研人員的精力更多地投入到精細(xì)地質(zhì)解釋與透明地質(zhì)模型構(gòu)建中。

4.3 加強(qiáng)地質(zhì)綜合研究，提高地質(zhì)精準(zhǔn)預(yù)測評(píng)價(jià)的能力

礦井地質(zhì)工作的魅力在于預(yù)測，而預(yù)測能力來源于精細(xì)地質(zhì)探測和多學(xué)科綜合研究。“Garbage in-Garbage out”是計(jì)算機(jī)模擬研究中一條著名的原理，直言之即如果輸入的信息是垃圾，則輸出的信息也必然是垃圾，無論模擬系統(tǒng)多么好。因此，獲得可靠地質(zhì)預(yù)測結(jié)果的前提是輸入的地質(zhì)信息是充分的、可信的。欲消除井田物探異常的多解性，減少或避免地質(zhì)誤報(bào)和漏報(bào)，應(yīng)采用地質(zhì)規(guī)律、數(shù)理計(jì)算、現(xiàn)代信息技術(shù)和物探相結(jié)合的綜合研究方法，將“物探異常”納入其形成的地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)機(jī)理中，結(jié)合探采對(duì)比來定性判斷其是否符合地質(zhì)規(guī)律，或者采掘影響區(qū)覆巖變形規(guī)律，從而利用“真異常”來定量描述和分區(qū)綜合預(yù)測評(píng)價(jià)智能開采地質(zhì)條件的復(fù)雜程度。這就要求礦井地質(zhì)工作者既要有深厚的煤田地質(zhì)基礎(chǔ)，又具備豐富的地球物理探測數(shù)據(jù)的地質(zhì)解釋與識(shí)別真假異常的能力，同時(shí)具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地質(zhì)要素空間構(gòu)型與精細(xì)立體表達(dá)能力。為此，應(yīng)將煤炭地質(zhì)學(xué)、采礦工程地質(zhì)學(xué)、巖石物理學(xué)、流體力學(xué)等多學(xué)科，井下鉆探、礦井物探、現(xiàn)代信息等多技術(shù)和多方法有機(jī)融合起來，從礦井靜態(tài)地質(zhì)條件和動(dòng)態(tài)地質(zhì)條件的成生聯(lián)系與有機(jī)演替中把握地質(zhì)規(guī)律，研究基于礦井地質(zhì)與工程特色的開采地質(zhì)條件定量預(yù)測評(píng)價(jià)理論與方法，是煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向。

4.4 突破多源異構(gòu)地質(zhì)信息融合與可視化技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)礦井地質(zhì)透明

三維地質(zhì)建模是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)預(yù)測和智能預(yù)警的主要方法之一，也搭建了地質(zhì)保障系統(tǒng)為煤礦安全綠色智能開采服務(wù)的橋梁。礦井地質(zhì)透明化的目的是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)透明，即將地下采掘擾動(dòng)范圍內(nèi)的地質(zhì)體(煤層、斷層、褶皺、陷落柱、侵入體、沖刷帶等)的賦存狀態(tài)與開采環(huán)境條件(活化流體、擾動(dòng)帶、滲流場、應(yīng)力場、溫度場等)毫無遺漏地、分門別類地、立體地、精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出來。因此，這種工作應(yīng)當(dāng)是在礦井地質(zhì)人員主導(dǎo)或主要參與下，以全方位立體化精細(xì)地質(zhì)探測和地質(zhì)監(jiān)測技術(shù)為手段，依托三維地質(zhì)建模平臺(tái)，建立地質(zhì)與工程三維數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)融合的高精度可視化地質(zhì)模型。為此，應(yīng)研究制定符合煤礦安全開采特點(diǎn)的多源多維異構(gòu)數(shù)據(jù)體時(shí)空交換格式與建庫標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)復(fù)雜地質(zhì)體數(shù)據(jù)的拆分與處理技術(shù)、四維地質(zhì)與工程數(shù)據(jù)的無縫聚合?整合?挖掘?融合?共享技術(shù)、基于地質(zhì)大數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)幾何?屬性一體化集成建模技術(shù)、知識(shí)驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)同的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)?屬性模型自動(dòng)更新技術(shù)和三維交互可視化平臺(tái)、工作面地質(zhì)透明程度量化評(píng)價(jià)方法等[158]，為煤礦安全高效生產(chǎn)與科學(xué)智能決策提供精準(zhǔn)地質(zhì)預(yù)測。

4.5 打破傳統(tǒng)的專業(yè)人才培育模式，形成多層次多梯隊(duì)復(fù)合型人才

新中國成立以來，我國地礦類高校人才培養(yǎng)經(jīng)歷了專業(yè)教育模式、通識(shí)教育+專業(yè)教育模式，目前向分類分層次多元化人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變，在煤礦地質(zhì)保障領(lǐng)域呈現(xiàn)精尖人才知識(shí)面窄、大眾化人才專業(yè)知識(shí)單薄、高素質(zhì)復(fù)合型人才嚴(yán)重不足的局面，影響了采煤工程地質(zhì)問題的創(chuàng)造性解決。建設(shè)煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)涉及基礎(chǔ)地質(zhì)、數(shù)學(xué)、鉆探、地球物理、采礦工程、巖(流)體力學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息技術(shù)等專業(yè)，具有行業(yè)交匯多、專業(yè)交融多、學(xué)科交叉多的特點(diǎn)，專業(yè)人才培養(yǎng)應(yīng)以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，創(chuàng)新能力為目標(biāo)，堅(jiān)持通專融合、學(xué)科滲透、科教映襯、產(chǎn)學(xué)研用深度融合，進(jìn)行大類招生、分類選拔、分段培養(yǎng)。職業(yè)教育和本科教育應(yīng)重視學(xué)生煤田地質(zhì)基本知識(shí)學(xué)習(xí)和其他交叉專業(yè)基本技能的培養(yǎng)；碩士教育應(yīng)實(shí)施差異化培養(yǎng)，圍繞地質(zhì)問題設(shè)置研究方向和目標(biāo)，學(xué)習(xí)和掌握特定專業(yè)知識(shí)和現(xiàn)代信息專業(yè)高層次技能；博士教育的本質(zhì)是科研訓(xùn)練，應(yīng)以智能地質(zhì)探測、地質(zhì)透明為目標(biāo)，以培養(yǎng)原始創(chuàng)新熱情為抓手，以跨學(xué)科重大研究項(xiàng)目為載體，依托專業(yè)測試平臺(tái)、煤礦虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、智能地質(zhì)預(yù)測實(shí)踐平臺(tái)、示范礦井試驗(yàn)平臺(tái)等，在前沿高端科技交流和可持續(xù)的自我知識(shí)更新中培養(yǎng)具備組織和解決地質(zhì)保障領(lǐng)域重大基礎(chǔ)理論和技術(shù)創(chuàng)新需求的拔尖技能人才。

5 結(jié)論

a.30 年來，煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)隨著采煤技術(shù)的進(jìn)步而不斷完善。建立了地質(zhì)保障技術(shù)引領(lǐng)下的開采地質(zhì)條件綜合探測理論、煤礦隱蔽致災(zāi)因素分類評(píng)價(jià)與精細(xì)預(yù)測理論、礦井三維地質(zhì)建模及可視化理論等，研制出具有中國礦井地質(zhì)工程特色的地質(zhì)保障裝備，相繼為高產(chǎn)高效礦井、安全高效礦井、綠色智能礦井的建設(shè)提供了較可靠的地質(zhì)保障。

b.煤炭綠色智能開采是新時(shí)代煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)與煤礦開采技術(shù)的深度融合，煤礦生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化水平更高，對(duì)地質(zhì)條件的依賴性更強(qiáng)，相應(yīng)地對(duì)地質(zhì)保障工作要求更高。針對(duì)目前地質(zhì)信息采集的智能化水平不高、開采地質(zhì)條件超前探測解釋模板缺項(xiàng)、地質(zhì)監(jiān)測手段單一、地質(zhì)預(yù)測可靠性不高、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與信息平臺(tái)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、三維地質(zhì)模型與礦井實(shí)際地質(zhì)情況不吻合等問題，重點(diǎn)應(yīng)在以下方面開展研究：

加強(qiáng)低空無人機(jī)與智能機(jī)器人等科技產(chǎn)品在地質(zhì)探測和地質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)傳輸、數(shù)據(jù)處理與可視化地質(zhì)模型構(gòu)建中應(yīng)用研究。

開展地下多場并存環(huán)境中地質(zhì)異常體的地球物理場響應(yīng)特征與地域?qū)傩匝芯?，采?dòng)裂隙場、人工致裂場的地球物理場響應(yīng)原理與監(jiān)測機(jī)理研究，提高物探數(shù)信號(hào)分辨率和多物性參數(shù)聯(lián)合反演地質(zhì)異常的方法研究。

地質(zhì)探測是地質(zhì)預(yù)測的方法之一。應(yīng)加強(qiáng)礦井地質(zhì)體賦存與分布規(guī)律、采動(dòng)覆巖變形規(guī)律的研究，提高識(shí)別真假“物探異?！钡哪芰Γ粩嘣鰪?qiáng)地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)的可靠性。

研究多源數(shù)據(jù)體統(tǒng)一建庫標(biāo)準(zhǔn)與時(shí)空交換格式，創(chuàng)新多源、四維地質(zhì)與工程數(shù)據(jù)的無縫聚合?整合?挖掘?融合技術(shù)、三維可視化地質(zhì)建模技術(shù)，地質(zhì)數(shù)據(jù)自動(dòng)更新與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，提高地質(zhì)透明化水平和地質(zhì)信息共享水平。

c.煤礦地質(zhì)保障科技創(chuàng)新的關(guān)鍵是人才驅(qū)動(dòng)。煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)建設(shè)需要多行業(yè)、多專業(yè)、多領(lǐng)域、多學(xué)科的交叉與融合，因此應(yīng)分層分類培養(yǎng)一批既具有厚實(shí)的礦井地質(zhì)基礎(chǔ)，又具備礦業(yè)工程和現(xiàn)代信息工程等知識(shí)的復(fù)合型專業(yè)技術(shù)人才。