近年来，中国工程院战略研究表明，我国将坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略，2050年以前以煤炭为主导的能源结构将难以改变[1]。我国煤炭资源总量相对丰富，但绿色煤炭资源量只占煤炭预测总量的1/10，若不提高煤炭资源采出率，绿色煤炭资源量仅可开采40～50 a，未来或将大面积进入非绿色煤炭资源赋存区开采[2]。另外，我国煤炭资源赋存条件差异大，从薄和极薄煤层到厚与特厚(巨厚)煤层、从近水平煤层到缓倾斜、急倾斜煤层均有分布，地质构造复杂，自然发火、高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层较多，开采难度大，同时深部煤炭开采基础研究薄弱，大部分煤矿煤炭开采存在信息化程度不高、用人多、效率低以及安全不可靠等问题，使得煤炭行业在满足国家能源需求、促进社会进步的同时也付出了巨大的代价[3]。

新科技革命和产业革命的时代浪潮奔腾而至，信息化、数字化、智能化技术日新月异，绿色煤炭资源开采需要精准智能为支撑，以透明地球物理和多物理场耦合为基础，以少人(无人)开采技术和安全开采技术为依托，实现煤炭开采自动化、智能化、信息化，煤炭工业由劳动密集型向具有高科技特点的技术密集型转变[4-5]。矿井地质工作是煤矿生产与管理的重要基础，它运用矿井地质科学理论、方法、技术手段对煤及煤系地层、相关地质体进行勘查研究，对煤炭资源、煤系矿产资源、赋存地质状况等进行探查，对相关地质问题进行专项研究，构筑透明矿山地质模型体系，可为煤炭及煤系资源的安全、高效、经济和绿色开采提供技术保障[6-7]。纵观近年来矿井事故，大多数都与对矿井地质缺乏认识有很大关系。因此，当前我国采矿业亟待解决的问题之一就是建立煤炭精准智能开采下的高效高质的矿井地质保障体系，这对于促进我国采矿新模式的顺利开展具有十分重要的意义。

随着科学技术的不断进步，勘探技术手段在不断更新，矿井地质工作需要标准化、精细化、透明化，矿井地质工作内容需要更加丰富、更有深度。笔者结合我国矿井地质保障技术体系的研究现状进行分析，基于煤炭精准智能开采科学构想，提出了其未来的发展方向，为广大矿井地质工作者提供参考，进一步做好矿山安全开采中的地质保障技术研究与管理工作。

1我国矿井地质保障技术体系现状

科学有效的矿井地质保障系统是根据高产高效矿井机械化、集中化程度高的特点，以地质量化预测为先导，以地质勘探、物探、钻探、化探等综合技术为手段，强化对煤层及其结构构造特征、瓦斯安全地质条件、水文地质工程地质、水害防治条件、能源资源综合开发利用等的研究，依托先进的计算机技术、网络技术等实现对生产地质工作的动态管理。它要求为矿井设计、采区布置、生产准备、采煤工作面布置到回采等各个层次或阶段提供可靠的地质保障。因此，要实现煤矿生产的高产高效，除选择优势资源区块为开采场地外，更重要的是系统地掌控影响煤炭开采的地质因素[8]。

我国研究人员一直致力于煤炭资源开发地质保障技术体系的构建，经过多年的持续攻关，“以地震主导，多手段配合，井上下联合”的立体式综合勘探技术在我国得到广泛应用，以高分辨率三维地震勘探为核心、井上下一体化、采前采中多手段配合的煤矿地质保障技术体系初步形成，同时利用多源信息、立体勘探预测和全过程保障的技术体系也逐步得到开展。

1.1煤炭开采基础地质工作

煤矿地质工作是煤炭工业发展的重要基础，而基础地质是煤矿地质工作的先导。基础地质工作主要运用地质学(包括构造地质、水文地质和工程地质等)基本原理和方法，分析研究影响煤矿正常生产和安全的地质因素，从而做出科学预测。

构造地质主要是对断裂构造，尤其是小构造与岩浆岩侵入及其对煤的影响研究。进入21世纪以来，我国煤田构造研究取得了显著的成果。其中，“盆-山耦合关系”等煤田构造的区域地质背景研究取得了重大进展;中国东部盆地动力学与构造控煤作用受到关注;煤田滑脱构造研究延伸为控煤构造样式的划分研究;煤变形-变质作用的构造控制研究愈加深入;矿井构造定量评价和预测已成为煤田构造研究的亮点，数理统计、模糊综合评判、灰色系统理论、神经网络、岩石力学及构造应力场分析等已得到较为广泛的应用，形成了构造要素统计分析、构造形态空间分析和构造复杂程度综合评价的研究思路[9-10]。

矿井水文地质主要包括对地下水的长期观测、查明矿井水文地质条件以及矿井防治水的研究。我国在基础理论、水文地质(补充)勘探与水害预测预报、井下水害超前探测(放)与监测预警、矿井水害预防与治理技术、突水水源判识等矿井水文地质领域取得了重大进展。其中，矿井防治水基本原则得到了完善，提出了新的“十六字”防治方针和与其配套的“探、防、堵、疏、排、截、监”7项水害综合防治措施;提出了我国矿井水文地质类型划分依据新方案以及完善了水体下和周边不同条件下安全开采的技术要求和规定的技术标准等[11-12]。

煤矿工程地质工作主要包括3个方面:一是建井初期的工程地质工作，主要包括地面工程地质勘探，为后期矿建提供地质基础;二是井筒及巷道工程地质勘察，主要包括立(斜)井井筒稳定性测试、采准巷道开挖超前预测预报、围岩稳定性分析等，期间需要查明围岩体工程地质类型、物理力学性质及工程地质特征，统计掌子面及周边煤岩层的节理、裂隙和断层的分布规律;三是生产阶段即煤层回采过程中岩层移动的工程地质勘探，主要分析与开采有关的岩土体的工程地质特征，获得岩(土)层物理力学性质，揭示其内部应力、应变、位移、变形破坏的规律以及开采造成的土体含水层渗流、固结机理，做出定性和定量综合评价[13]。

1.2地面及井下综合物探技术

(1)高分辨率三维地震勘探技术。

高分辨率三维地震勘探技术是矿井地面地质保障技术中最主要的方法，多年来，该方法的研究和应用取得了突破性的进展，为采区精细勘探开辟了新途径。1991年原国家能源投资公司主管煤矿部门提出在大型煤矿矿井设计前补做地震勘探的决定，真正把煤田地震勘探由资源勘探扩展到煤矿矿井的补充勘探和采区的采前探测上，1994年三维高分辨地质勘探技术在煤矿采区构造探测中取得突破[14-15]。近年来，三维地震勘探技术应用越来越广泛，从东部平原到中西部山区、黄土高原区、沙漠戈壁区，从国有大型煤矿到地方中小型煤矿，从矿井建设初期的资源勘探到煤矿生产勘探都有应用，取得了显著的勘探效果[16]，是目前矿井地质保障技术体系中的核心技术。

(2)井下综合物探技术。

以高分辨率三维地震和地面直流电法以及瞬变电磁法为代表的地面物探技术取得了较大发展，已经能够较好地为煤矿开采超前提供构造条件和水文地质条件的探测成果，但是却仍然无法满足煤矿安全高效开采对于地质条件查明程度的客观要求，这给煤矿井下物探技术与装备的超常规发展提供了契机，煤矿井下物探技术进入了蓬勃发展的新阶段[17]。

井下物探技术手段的进步直接影响到矿井安全生产，从李志聃、刘天放等矿井物探前辈，到20世纪90年代王鹤龄发明煤厚探测仪、矿井地震仪开始，地球物理测试技术及仪器设备一直在不断发展。从利用直流电法、瞬变电磁技术进行井下探水，到第1台矿用瞬变电磁仪井下测试，矿井物探方法呈现出多样化发展趋势，利用地面及井下复合空间条件进行多场多参数数据采集与利用也得到发展。电磁场类、地震波场类等测试技术，接触与非接触式，主动源与被动源，反射、透射、散射等处理技术，在井下地质条件探查、评价与监测中发挥着重要作用，为矿井地质工作提供重要的技术手段。

目前，井下地球物理探测技术已经形成了一定的规范[18-22]，见表1。

而且，随着物探技术的不断发展，探测仪器也在不断完善。仪器质量、体积、防尘(爆、水、潮)及测试精度性能、智能化程度等各种技术指标都在不断提高。

(3)其他测试新方法。

除了上述地面及井下物探技术方法外，近年来尚有一些令人瞩目的新方法、新技术正在处于试验或推广阶段，如地面高密度全数字三维三分量地震勘探技术、基于被动地震震源的微震探测技术、煤矿井下立体网络并行电法顶底板动态监测技术、高精度地震散射波成像、煤矿突水灾害治理效果的监测技术、矿井多波多分量地震勘探超前探测技术以及煤层气富集区的地球物理综合探测技术等[17,23-25]。这些新方法、新技术与新设备的研发或试验成功，会给煤炭精准智能开采新模式的推广提供强有力的保障。

表1 煤矿井下地球物理探测技术手段分类
Table 1 Classification of geophysical exploration technologies in coal mines

技术方法探测区域地质任务应用阶段矿井瞬变电磁法设计巷道借助已有巷道,超前探测设计巷道水文地质条件掘进前掘进巷道巷道掘进前方各类含水异常空间分布情况掘进前工作面工作面内及其顶底板各类含水异常空间分布情况回采前矿井直流电法掘进巷道工作面巷道掘进前方各类含水异常空间分布情况掘进前工作面内及其顶底板各类含水异常空间分布情况回采前煤层开采覆岩及底板破坏深度回采后反射地震勘探掘进巷道工作面巷道掘进前方隐伏构造掘进前煤层顶、底板岩层稳定性评价回采前跟底开采的顶煤厚度回采后瑞雷波勘探掘进巷道巷道掘进前方隐伏构造掘进前地震CT技术工作面工作面内煤厚及其变化特征工作面内部隐伏构造回采前槽波地震勘探工作面工作面内部及外围隐伏构造回采前矿井地质雷达掘进巷道巷道掘进前方隐伏构造掘进前工作面跟顶开采的剩余煤厚回采后无线电波透视工作面工作面内部隐伏构造回采前音频电透视工作面工作面内及其顶底板各类含水异常空间分布情况回采前

1.3钻探综合勘查技术

钻探是地质保障技术体系的重要手段，地面钻探技术设备相对成熟先进，井下钻探在资源探查、瓦斯治理、水害防治等方面发挥着重要作用。煤矿井下钻探装备的钻进能力已发展到超过2 000 m，并且由单一的分体式结构发展到履带式和定向钻机等多种机型;钻进装备配套钻具规格和品种不断增加，产品性能稳步提高。且常规回转钻进钻机依然是大多数煤矿进行瓦斯抽采、探放水和消突防突等施工的主要钻进装备。

国内自20世纪80年代开始，相关科研院所从钻机、钻具、钻头及钻进工艺等方面对煤矿井下钻探技术及装备进行了大量卓有成效的研究工作，并积极进行成果转化、规模生产和推广应用。从煤炭首台 MK-150型全液压坑道钻机开始，全液压动力头式钻机就成为了煤矿井下最主要的钻探装备，形成了MK,ZDY,ZYW和CMS 等多个品牌系列共60多个型号的分体式、履带式全液压钻机，基本满足不同煤矿巷道条件、施工地层、施工孔深、钻孔类型的需求[26]。

1.4矿井地质保障信息技术平台

矿井地质工作中计算机的应用有了长足的进步。目前，我国形成了以GIS(地理信息系统)技术为核心的矿井地质信息动态管理软件系统，对矿井地质工作中获取的多元地质信息(如地质、物探、钻探、巷探、化探等资料)进行计算机处理和动态管理，实现地质资料的信息化、数字化和可视化[27-29]。基于矿井地质保障信息技术平台，将井上与井下、地面与钻孔、巷道与巷道、钻孔与钻孔、巷道与钻孔、上层与下层、采前与采中多种探测技术数据联合，形成立体式综合勘探分析平台。充分利用各种地球物理、地质参数，提高探测精度和综合解释能力，实现了对采区开采地质条件的综合评价和预测。

同时，借助“互联网+矿井地质”云服务平台，形成了相应的云数据地质保障信息新技术。新技术的开发应用有利于对煤矿致灾因素进行分类管控，有助于实现矿井精准管理与资源的绿色开发利用。

2新形势下矿井地质保障技术系统发展方向

目前，我国现有的煤矿地质保障技术体系，为煤炭开采提供了强有力的技术支撑，为满足国家能源需求、促进社会进步做出了应有的贡献。但随着煤炭开采深度不断增加，工程灾害日趋增多，深部资源的安全高效开采煤工作面临巨大威胁[30]，这也对地质保障技术体系提出了更高要求。

在未来的煤炭资源勘探开发中，矿井地质保障技术需要充分融合地质学、遥感测绘科学、地球物理学、计算机信息科学等基础学科，重点加强地质、地球物理探查及大数据计算表达等方面的理论、技术研究，开发相应的综合勘查装备，在矿井开采地质条件规律掌控基础上，提供具有透视条件的地质地球物理模型[31-35]。因此，新形势下矿井地质保障技术系统需要通过理论、方法及装备的深入研究，努力做好智能勘探，构建透明矿山，实现全方位立体监控[36-41]。

2.1构筑基于大数据云计算地质信息的智慧平台

融合矿山地质大数据、云计算平台，构筑煤矿、井田乃至煤盆地三维可视化空间地质体，实现对煤系、瓦斯、水、陷落柱、地温、地应力等地层信息高清显示，以及对地质构造、瓦斯层、矿井水等矿山致灾因素的高清透视，重构矿山井筒、巷道、工作面等各类生产系统于一体，实现对煤炭资源及煤矿隐蔽致灾因素的动态智能监控与生产指导(图1)。做好深部煤炭资源开发中煤系众多共、伴生资源，如煤炭、煤层气、高岭土、油页岩、铝土矿、石墨、锗、铀矿、膨润土、耐火黏土等，以及水、气、热等能源综合勘查与开发储备。同时研究精准协调开采的相互影响与制约机理以及矿物分离的机理与技术，推动煤盆地资源向开发、利用一体化发展，提供数据智慧共享平台。

图1 地质信息智慧监控平台构建
Fig.1 Block diagram of platform construction using for intelligent monitoring of geological information

2.2研发动态智能综合探查技术及配套装备

打造天空、地面、井孔、地下、采煤工作面、长钻孔等多方位、立体式综合勘探理论及技术手段(图2)，实现对1 000 m以深煤炭资源储量及开采条件的综合精细评价，进行地面钻探、物探、化探、遥感，以及井下各类勘探成果等空间大数据的集成和融合(图3)。

研发三维和四维物探精细探测新方法、新技术以及新型防爆大功率装备，推广地面高精度三维地震勘探及高精度电磁勘探和高分辨率数据采集，探索井下综合物探方法的有效组合，减少物探多解性，提高深部多灾源地质因素的探查精度;研究大深度、智能地质钻探技术，开发快速高效的地面定向导斜地质取芯钻探工艺与装备，以实现深部开采地质条件的单孔多分支面积控制勘探。

图2 天、地、井孔、采区一体化综合勘探
Fig.2 Integrated exploration of Heaven,Earth,Well and Mining Area

图3 空间大数据利用框图
Fig.3 Block diagram of big data utilization of space

2.3推进井下多灾源因素的智能监控和预报

加强地面先进成熟方法技术的转化与利用，研制井下震、电、磁、核、声、光等物理参数主、被动源综合探测与成像仪器，适宜于便携式勘探，发展由探测到监测，以及与掘进机械、采煤机械等一体化的监控预报识别体系。依托巷道、工作面顶底板各类岩石条件，通过工程地质地球物理技术，强化先进成熟方法技术的转化与利用，构建探测数据三维可视化及重构数据融合处理方法，实现对掘进和回采生产中水、矿压、气体、封闭环境等重点安全隐患的智能监控和预测预警，切实做好威胁煤层开采因素的预报工作，提供日常生产的安全预报信息。

2.4构建大尺度相似物理模拟试验平台

开创深部地下空间地质地球物理测试模拟研究平台与系统，重点构建实验室地质构造模型、矿山开采条件地下模型、封闭矿山全系统模型等，布设地球物理多场、应力场、渗流场、温度场等大地感知传感系统，为井下地质地球物理及相关学科的实践教学、科学研究、探查试验、仪器校验、技术开发及工程示范，以及科普观察等提供平台。可以借助废弃矿井建设井下开放式试验场地，围绕典型的地质现象，布设多参数测试与监测技术系统，进行先进的地质地球物理类探查技术试验研究。未来深部矿井水害防治与综合利用是矿井地质研究工作的重中之重，需要加强相关技术研究的投入和储备。

2.5完善煤炭绿色资源综合开发保障技术体系

推进矿山开采井下及地面环境地质问题的全空间、全产程研究。从井下岩性地质防尘到开采环境地质，从煤炭的粗放利用到洁净煤技术开发，需要强化对煤炭及其伴生空间的全过程系统研究。要关注东部深井煤层开采的灾害环境地质，中西部煤矿开采特殊的地质及地貌条件，工人井下空间健康环境等问题，切实做好保气、保水、保土壤等工作，进一步完善煤炭绿色资源综合开发保障技术体系，加强对废弃矿山资源、井下空间、地表生态等评价分析，实现资源能源的健康开发利用。随着5G时代的到来，结合智能终端APP，逐步实现煤炭资源开发过程的井下图、景、物、人、设备等人机共享、实时管控，高度的智能化和智慧化。

3结 语

煤炭精准智能开采将运用现代化信息技术改进传统采矿模式，对于推动煤炭产业变革，实现煤炭开采颠覆性技术创新意义重大，是未来采矿的必由之路。

在今后的煤炭资源勘探开发中，矿井地质保障技术需要将地理空间服务技术、互联网技术、云计算技术、CT扫描技术、VR技术等积极推向矿山可视化建设，打造“互联网+矿山地质”，对煤及其共伴生资源赋存进行真实反演，实现对煤系资源以及断层、陷落柱、矿井水、瓦斯、冲击地压等致灾因素的精细探查和准确定位。并通过理论、技术及装备的系统深入研究，逐步打造透明智能型矿山地质系统。

同时，矿井地质又是一项系统的工作，除了创新研发新技术，还需注重高素质复合型专业人才的培养和技术推广应用。高等院校要鼓励青年教师积极从事矿井地质基础研究，结合新工科建设特点，深入培养青年学子的矿井地质工作兴趣和能力;科研院所要结合矿井地质技术问题，积极创新，勇于实践，切实解决生产中的地质难题;生产单位更要重视矿井地质人才的培养，调动现场技术人员积极性，广泛开展矿井地质及安全等方面的技术攻关和交流;政府等主管部门需要融合各方力量，推进国家攻关课题，充分发挥矿井技术专家作用，协同创新，助推中国能源实现科技强国梦。

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