“過程數(shù)字勘查技術(shù)”研究

徐魯勤焦森王錦鵬王經(jīng)明朱敬賓胡中國

1 中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038

2 中化地質(zhì)礦山總局，北京 100013

3 中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101

當(dāng)前，勘查地質(zhì)和礦山地質(zhì)雖然都朝著數(shù)字化、信息化技術(shù)方向發(fā)展，但仍處于“定性靜態(tài)描述”階段[1]，滿足不了礦山開采對地質(zhì)保障的要求，致使礦井突水、沖擊地壓、瓦斯突出、冒頂、底鼓等地災(zāi)事故仍時有發(fā)生。本文以實現(xiàn)智能“精細(xì)動態(tài)描述”的目標(biāo)，拋磚引玉；以煤炭地質(zhì)勘查為例，突破勘查技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)地質(zhì)對礦山開采的保障。

1 國內(nèi)外現(xiàn)代煤炭地質(zhì)勘查技術(shù)現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)外主要煤炭勘查技術(shù)方法主要有地震勘探、煤炭電法勘探、磁法勘探、重力勘探、深部開采測試、鉆探、現(xiàn)代地質(zhì)填圖等，近年來，勘查過程中數(shù)字化和信息化技術(shù)被廣泛應(yīng)用[2]。

地震勘探技術(shù)發(fā)展迅速[3]?？刹槊髀洳?m 以上斷層、幅度大于5m 的褶曲和長軸直徑大于20m的陷落柱[2]，成為地質(zhì)構(gòu)造勘探必須的手段。但地震勘探也面臨不少問題：（1）瞬時態(tài)即靜態(tài)地質(zhì)下的勘探；（2）在復(fù)雜山地和黃土塬地區(qū)、礦井下，施工難度大；（3）復(fù)雜山地的淺層折射、面波、側(cè)面干擾及次生干擾發(fā)育，靜校正和噪音問題突出[4]。在巨厚黃土層激發(fā)、接收條件差，對波吸收強(qiáng)烈，極易產(chǎn)生干擾，表層靜校正困難，中、深層反射能量弱、信噪比低[5]；（4）在地震精細(xì)化的解釋中，復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造采用常規(guī)時間域運(yùn)動學(xué)信息為主進(jìn)行解釋的精度和可靠性不高，地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域常規(guī)縱波等VSP 層位標(biāo)定有較大的誤差，建立在反射波波場信息處理基礎(chǔ)上的三維三分量數(shù)據(jù)預(yù)測裂隙發(fā)育區(qū)有較大的局限性[2]；（5）地面三維地震對煤層內(nèi)次級斷層常常漏測或者定位誤差大；來自陷落柱的反射能量弱、反射信號少，地震成像難以有效地識別或誤判；井下槽波反射法是目前對煤層內(nèi)構(gòu)造探測的有效方法，但受空間所限，不能通過高覆蓋次數(shù)疊加方法提高信噪比[6]，等等。

煤炭電法、磁法、重力勘探技術(shù)，在地質(zhì)填圖、尋找水源、大斷裂等地質(zhì)構(gòu)造、普查找煤和礦區(qū)水文地質(zhì)等方面得到了快速推廣。問題是：（1）均為瞬時態(tài)勘探；（2）資料的多解性使解釋結(jié)果不夠理想；（3）野外數(shù)據(jù)人工去噪不當(dāng)和參數(shù)選取的人為因素，使計算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，精度降低；（4）直流電法中體積效應(yīng)、靜態(tài)效應(yīng)致使向深部分辨率和分層能力變差，野外工作量大、效率較低；交流電法受地表設(shè)施和不均勻體影響大，存在淺部勘探盲區(qū)或過渡區(qū)；（5）磁法和重力勘探地質(zhì)解釋精度為推斷、定性、估算；（6）井下電磁法受空間所限和采礦機(jī)械的影響，精度再提高較難或不經(jīng)濟(jì)。

深部開采測試技術(shù)是劉志遜等提出的概念，是深部地層相關(guān)地質(zhì)參數(shù)的定量化勘查方法，越來越受到礦山的重視，是精細(xì)化描述的發(fā)展方向。主要有水壓致裂法、測井應(yīng)力預(yù)測法、瓦斯解析法、抽或注水試驗法、地下水動態(tài)監(jiān)測法、鉆孔近似穩(wěn)態(tài)測溫等。但該研究也存在著：（1）都是在開放的空間、開放性鉆孔中進(jìn)行的；（2）以點位性質(zhì)為主；（3）大都是瞬時態(tài)，只有水溫/壓是按時間維度的，但一孔只能觀測一個含水層位；（4）未能與現(xiàn)代先進(jìn)的通信、計算機(jī)、智能等技術(shù)銜接。

鉆探是煤炭最主要的勘查技術(shù)，是靜態(tài)定量化的地質(zhì)描述；測井已從定性發(fā)展到定量的精細(xì)化解釋，成為煤炭勘查不可缺少的手段。鉆探、測井都為點位、瞬時態(tài)勘查；盡管親眼所見，但常由于地層相變、物性變化標(biāo)志層不清晰，導(dǎo)致地層界面、相鄰煤層人為鑒定錯誤甚至張冠李戴；抽水試驗孔位不在地下水富水區(qū)導(dǎo)致水文地質(zhì)參數(shù)失真等。

地質(zhì)填圖和遙感是以地面為目標(biāo)的，其它空間技術(shù)精度為了解、推斷，不能為礦山開采中提供精確地質(zhì)參數(shù)；現(xiàn)代地質(zhì)填圖已進(jìn)入智慧地質(zhì)調(diào)查[7]和數(shù)字地質(zhì)填圖、數(shù)字地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)的發(fā)展階段，并與空間技術(shù)如遙感、磁法、重力勘探等技術(shù)緊密結(jié)合；智能地質(zhì)不僅是智慧地質(zhì)調(diào)查，更是智能勘查地質(zhì)和智能礦山地質(zhì)。

現(xiàn)代地質(zhì)勘查技術(shù)基本滿足了礦山設(shè)計與開采的要求，但絕大多數(shù)是靜態(tài)定性的地質(zhì)描述，無法提供地層變化的動態(tài)信息；鉆探、測井、化驗測試、三維地震的構(gòu)造勘探、地質(zhì)填圖等為定量化的勘查，但前三者以點位勘查為主，地震勘探以剖面為主，地質(zhì)填圖以地表勘查為對象，點與剖面、地表替代不了空間的地質(zhì)變化，推測必然使地質(zhì)報告存在較大的不確定性；地質(zhì)鉆孔成本費用高，但大多很快被封填；三維地震以反射波場為主，近距離探測效果不錯的無線電坑透受限于井下空間，精度難有較大的提升；地面電磁法的多解性，解釋精度不夠理想；鉆孔深部測試只有地應(yīng)力、地下水溫/壓測試等部分項目成熟，而且是在開放鉆孔中實現(xiàn)的。總體說，目前勘查技術(shù)以定性靜態(tài)描述為主，達(dá)不到礦山開采精細(xì)動態(tài)描述和智能地質(zhì)的要求。

2 “過程數(shù)字勘查技術(shù)”的提出

在礦井開采過程時，由于人為改變了礦體圍巖的地質(zhì)環(huán)境，使本處于穩(wěn)定環(huán)境中的工作面圍巖的巖體、地應(yīng)力、構(gòu)造、地下水、瓦斯等開始發(fā)生運(yùn)動或變化，當(dāng)運(yùn)動或變化從量變到質(zhì)變時即發(fā)生礦井地質(zhì)災(zāi)害。掌握這個由量變到質(zhì)變“過程”的地質(zhì)變化規(guī)律，是實現(xiàn)礦山地質(zhì)保障的關(guān)鍵。在目前勘查技術(shù)難以做到的情況下，要以過程工程科學(xué)為指導(dǎo)，研究地層物質(zhì)的化學(xué)與物理轉(zhuǎn)化過程中物質(zhì)的運(yùn)動、傳遞和反應(yīng)及其相互關(guān)系，才能真正實現(xiàn)對礦區(qū)地層的查明和開采中圍巖物質(zhì)運(yùn)動過程的精細(xì)化動態(tài)的描述。為此，結(jié)合云計算、AI、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和國家提出的煤礦山地質(zhì)保障智能化2021 初步形成，2025 基本實現(xiàn)的要求，提出了“過程數(shù)字勘查技術(shù)”概念，并開展了深部地層信息采集方案的初步研究。

根據(jù)過程工程學(xué)原理，過程數(shù)字勘查技術(shù)是在勘查時地層的相對物質(zhì)運(yùn)動（巖層物質(zhì)不動而震源等能量激發(fā)源在空間的不斷移動）和礦山開采時圍巖的物質(zhì)運(yùn)動的過程中，通過在已成鉆孔中埋設(shè)的各類監(jiān)測設(shè)備，在時間維度上數(shù)字化描述地層多參數(shù)、多層次、多單元的過程及其子系統(tǒng)行為，再通過大數(shù)據(jù)、計算機(jī)、人工智能/專家的系統(tǒng)方法，建模、仿真和優(yōu)化，集成四維動態(tài)的系統(tǒng)，實現(xiàn)對礦區(qū)或采區(qū)地層物質(zhì)各參數(shù)的變化規(guī)律掌握，進(jìn)而針對性設(shè)計、改造和控制圍巖，為安全高效開采提供高質(zhì)量的地質(zhì)保障。

3 過程數(shù)字勘查技術(shù)路線

按照上述過程數(shù)字勘查技術(shù)定義，其路線為：借助“智能鉆孔”、“智能勘查”，實施“智能勘查地質(zhì)”，組建“礦區(qū)地質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，開展“智能礦山地質(zhì)”，實現(xiàn)智能礦山的地質(zhì)保障。

3.1 智能鉆孔

智能鉆孔就是在已施工并完成現(xiàn)有使命的地質(zhì)孔中，在封孔前植入勘查和礦山開采所需的關(guān)于煤層構(gòu)造、地下水溫/壓/質(zhì)、煤層瓦斯?jié)舛?、地層與構(gòu)造、地層壓力等參數(shù)的監(jiān)測傳感器、檢波器、探頭等設(shè)備，以及鉆孔監(jiān)測數(shù)據(jù)采集儀和低功耗無線傳輸?shù)妊b置，使封閉的地勘鉆孔不僅自動采集和存貯本孔位地下巖體時間維度上的地質(zhì)參數(shù)（如鉆孔的原位瓦斯?jié)舛?、地下水?壓/質(zhì)/流速等），而且接受周邊后施工鉆孔、附近地下礦山采掘面（頭）通過二者間地下巖體為媒介發(fā)送來的時間維度的地質(zhì)各參數(shù)（如彈性波、電磁脈沖信號等），再通過物聯(lián)網(wǎng)、4G/5G 通信、衛(wèi)星通信等方式，發(fā)射到數(shù)據(jù)中心。此外，對智能鉆孔巖芯進(jìn)行數(shù)據(jù)影像化地質(zhì)編錄，其數(shù)據(jù)及時匯入計算機(jī)處理系統(tǒng)。

3.2 智能勘查

智能勘查是指煤炭勘查時，在正施工的鉆孔中、或以已成為智能的鉆孔為中心的地面各設(shè)計方位線上，不斷進(jìn)行彈性波、電磁場等能量的激發(fā)，智能鉆孔或地面監(jiān)測儀接收信息，相當(dāng)于VPS、RVPS、井間接收點數(shù)據(jù)采集的地球物理勘查。從而形成以每個智能鉆孔為中心與鄰近智能鉆孔或其它任意設(shè)計射線方向的密集垂向物探剖面，以及水平方向的層析切面，并在時間維度上一次次地接收多參數(shù)、多層次的同一剖面和切面的信息，即相對動態(tài)的智能地質(zhì)勘查。

智能勘查有著較多的優(yōu)點。以地震勘探為例，智能勘查具有不僅接近探測目標(biāo)，避開低速帶，而且檢波器的深度定位，提高了速度分析精度；檢波器離目的層更近，保證了振幅信息畸變小；井中震源激發(fā)，能量較強(qiáng)、頻帶較寬，主頻通常是地面地震的數(shù)倍甚至更高，采集到的數(shù)據(jù)具有很高的頻率和信噪比；可以有效地減少接收因素變化的影響，獲取一致性較好的記錄；具有高精度和高分辨率，接近于測井的分辨率，能獲得高分辨率目的層構(gòu)造形態(tài)，可以精細(xì)研究目的層的構(gòu)造與沉積特征，刻畫小斷層，目的層的橫向變化、連通性等，對目的層進(jìn)行精細(xì)描述；能接收到豐富的波場信息，幾乎可以觀測到地震勘探中可能遇到的各種波場，如直達(dá)波、折射首波、反射波、繞射波、散射波、導(dǎo)波、管波等；實現(xiàn)與相鄰多口接收井井間的層析成像和反射成像。

智能勘探不僅是鉆孔、孔-孔或孔-地的“立體”勘探，還是時間維度上的“四維”勘探，有效降低勘探成本。這些成果是應(yīng)用常規(guī)地面地震甚至VSP 都是無法實現(xiàn)的；M.C.Williams 等認(rèn)為，要描述遠(yuǎn)離鉆井的目的層特征，井間地震數(shù)據(jù)是唯一空間連續(xù)且具高分辨率的方法[8]。智能勘查使地球物理勘探等技術(shù)在只要能鉆探的地方就能得到有效開展，獲得更好的應(yīng)用和發(fā)展。

3.3 智能勘查地質(zhì)

智能勘查地質(zhì)是在人工智能的幫助和專家的指導(dǎo)下，運(yùn)用地質(zhì)軟件對智能勘查接收到的大數(shù)據(jù)以及施工鉆孔的數(shù)據(jù)影像信息進(jìn)行計算機(jī)分類和處理，并形成地下水和煤層、瓦斯、地層、構(gòu)造、地應(yīng)力等子系統(tǒng)；通過巖層某空間點或某剖面、某切面在不同時間點獲得的各類信息，進(jìn)行多信息的反復(fù)對比分析，去偽存真；通過對地下水（地下水溫/壓/質(zhì)/流速）、地應(yīng)力、瓦斯等子系統(tǒng)的量化研究，掌握其分布、變化及其相互聯(lián)系的規(guī)律；通過勘查區(qū)內(nèi)鉆孔、各方向上密集的地層剖面及若干層析成像，建立并不斷校正勘查區(qū)地層仿真數(shù)學(xué)模型，從而掌握勘查區(qū)煤層、巖層、地質(zhì)構(gòu)造，有效捕獲隱伏構(gòu)造如小型“陷落柱”、礦層厚度變化，減少人為誤判，實現(xiàn)精細(xì)化的“相對動態(tài)”描述，提高勘查地質(zhì)報告的勘查精度與質(zhì)量。

3.4 礦區(qū)“地質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”

礦區(qū)“地質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”是礦區(qū)中若干垂向和橫向的“神經(jīng)”結(jié)合組成的網(wǎng)絡(luò)。垂向“神經(jīng)”是在地勘和補(bǔ)勘時形成的地面和井下的一根根采集動態(tài)信息的“智能鉆孔”（節(jié)點），橫向“神經(jīng)”是礦井采掘進(jìn)面（頭）或正施工鉆孔等激發(fā)的穿透巖層到達(dá)智能鉆孔傳感器等接收設(shè)備的一條條橫向動態(tài)“地層信息”。這些垂向和橫向“神經(jīng)”與礦區(qū)巖層各物質(zhì)結(jié)合，成為礦區(qū)時間維度上多參數(shù)、多層次、多單元的若干地質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。因此，“地質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”實際就是礦區(qū)巖層各物質(zhì)系統(tǒng)集成的四維動態(tài)的綜合地質(zhì)系統(tǒng)。

地質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組建分為地質(zhì)勘查時期礦區(qū)宏觀網(wǎng)絡(luò)和礦山開采中的采區(qū)微觀網(wǎng)絡(luò)，后者是在前者的基礎(chǔ)上，在采掘區(qū)域和待開拓區(qū)域內(nèi)，從地面和井下加密智能鉆孔，包括采掘面（頭）的智能地質(zhì)編錄系統(tǒng)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“精細(xì)動態(tài)描述”達(dá)到為采掘提供地質(zhì)保障的要求。

3.5 智能礦山地質(zhì)

智能礦山地質(zhì)是在智能勘查地質(zhì)和礦區(qū)“地質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的基礎(chǔ)上，密切跟蹤采掘進(jìn)面（頭）的智能地質(zhì)編錄、補(bǔ)勘鉆孔數(shù)據(jù)影像化地質(zhì)編錄、礦-孔間的智能監(jiān)測信息，增加礦山開采中形成的地壓（支承應(yīng)力）子系統(tǒng)等，不斷修正并完善采掘區(qū)域和待開拓區(qū)域地層、煤層、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地應(yīng)力、瓦斯等子系統(tǒng)以及集成的綜合系統(tǒng)、礦區(qū)地質(zhì)仿真數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)超前量預(yù)測預(yù)報。智能礦山地質(zhì)是開拓設(shè)計的實現(xiàn)和采掘（剝）、運(yùn)輸、通風(fēng)等生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化決策的前提條件和可靠的地質(zhì)安全保障技術(shù)；通過VPS 或井間補(bǔ)充勘查，經(jīng)濟(jì)有效地實現(xiàn)礦區(qū)深部和外圍找礦。

比如地下水智能監(jiān)測子系統(tǒng)的建設(shè)，礦區(qū)是宏觀監(jiān)測各地下水系統(tǒng)的分布、補(bǔ)徑排及含水系統(tǒng)的水文地質(zhì)參數(shù)與動態(tài)，采區(qū)則是嚴(yán)密監(jiān)控各地下水系統(tǒng)的相互補(bǔ)給通道（隱蔽導(dǎo)水通道）和局部地下水（水溫/壓/質(zhì)/流速）流場的變化趨勢，結(jié)合地壓、構(gòu)造、地?zé)岬茸酉到y(tǒng)的動態(tài)變化，能準(zhǔn)確地預(yù)測預(yù)報地下水害并超前經(jīng)濟(jì)有效地治理控制，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。又如地壓神經(jīng)子系統(tǒng)，先通過水壓致裂等方法測量出礦區(qū)深部的絕對應(yīng)力狀態(tài)，再通過智能鉆孔動態(tài)監(jiān)控獲得各節(jié)點圍巖壓力變化參數(shù)，能及時準(zhǔn)確地預(yù)報圍巖地層壓力，解決目前無法準(zhǔn)確預(yù)測地層壓力導(dǎo)致沖擊地壓、構(gòu)造煤和瓦斯異常突出等事故。再如煤層神經(jīng)子系統(tǒng)對煤層內(nèi)斷裂等構(gòu)造、厚度變化的定量描述是開拓設(shè)計、安全高效生產(chǎn)的重要參數(shù)。

4 “過程數(shù)字勘查技術(shù)”實現(xiàn)的理論與實踐基礎(chǔ)

過程數(shù)字勘查技術(shù)及其智能鉆孔、智能勘查、智能勘查地質(zhì)、礦區(qū)“地質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”、智能礦山地質(zhì)等系列概念與架構(gòu)，盡管是本文初次系統(tǒng)提出，但也是在近百年煤田地質(zhì)勘查經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前提下總結(jié)和提出的。

過程數(shù)字勘查技術(shù)涵蓋了地質(zhì)前輩們在水文地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)、層序地層學(xué)、地球物理勘探學(xué)、礦山安全，以及系統(tǒng)工程、過程工程、計算數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等理論指導(dǎo)下的思考與研究成果。特別是近年來地質(zhì)學(xué)者們對各種新技術(shù)新方法的孜孜以求的探索與實踐成果，為過程勘查技術(shù)的研究奠定了堅實的理論、技術(shù)與實踐基礎(chǔ)。

如井間地震獲得高分辨率儲層構(gòu)造形態(tài)[8]，槽波地震勘探技術(shù)能夠有效探測煤層中存在的局部小構(gòu)造、異常體及煤層厚度變化[9]，瑞利波勘探[10]，礦-孔間槽波成像探查[11]，礦井中巖層微震檢測[12]，高分辨率的井間地震層析成像[13]，無線電波透視法即鉆孔或坑道電磁波法、直流電法透視比較有效的探測工作面內(nèi)部隱伏的導(dǎo)水構(gòu)造、底板含水層的集中富水帶[14]，王經(jīng)明教授成功在500m 以深封閉鉆孔中埋設(shè)水溫和水壓傳感器的試驗。再如：北京慧坤科技有限公司發(fā)明的封閉直孔多含水層分層智能觀測、中化地質(zhì)礦山總局開展的鉆孔功能擴(kuò)展科技研究等豐富的實踐，以及水溫、水壓、水質(zhì)、地層壓力、孔中地震與微震檢波器等各類地質(zhì)參數(shù)傳感器的研發(fā)，還有電纜與光纖信號傳輸，現(xiàn)代通信技術(shù)，等等。過程數(shù)字勘查技術(shù)的成熟是完全可期的。

5 結(jié)論

“過程數(shù)字勘查技術(shù)”是精細(xì)動態(tài)的地質(zhì)描述，區(qū)別于以定性靜態(tài)地質(zhì)描述為主的現(xiàn)行所有地質(zhì)勘查技術(shù)。

“過程數(shù)字勘查技術(shù)”的各種方法能達(dá)到傳統(tǒng)方法可能無法實現(xiàn)的動態(tài)和智能等目的?！爸悄茔@孔”和“智能勘查”擴(kuò)展了地勘鉆孔功能，實現(xiàn)了地勘工程投資的“增值”；“礦區(qū)地質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”為礦山地質(zhì)保障提供了地層“透視眼”；“智能勘查地質(zhì)”和“智能礦山地質(zhì)”改變了過去“一孔之見”、經(jīng)驗推測和以定性描述為主的地質(zhì)工作模式，大量的“時空”數(shù)據(jù)和密集剖（切）面，有效提升了資源勘查和礦山開采的地質(zhì)認(rèn)識，為地質(zhì)勘查朝向高度信息化、數(shù)字化、綜合化和技術(shù)集約化發(fā)展創(chuàng)造了條件，填補(bǔ)智能地質(zhì)空白。

當(dāng)然，過程數(shù)字勘查技術(shù)的成熟，還有很多的設(shè)備要研發(fā)、很多的理論要突破、很多的勘查和礦山規(guī)定規(guī)范要修訂。但它切合了國家的大政方針和礦山的迫切需要，隨著中國《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》的印發(fā)，過程數(shù)字勘查技術(shù)與智能地質(zhì)的發(fā)展也必將迎來春天。