20世纪80年代以前，我国煤炭生产以炮采和普采为主，开采效率低，对地质工作的要求很低，矿井地质工作作为煤田地质学的有机组成部分，主要研究煤炭的资源量、煤田范围内煤层的赋存状况、煤岩层对比和煤矿开采中的地质构造。20世纪80年代以后，随着改革开放和国民经济的快速发展，对能源特别是煤炭的需求越来越大，促进了我国煤炭工业技术的飞跃发展。20世纪80年代后期，我国著名地质学家、矿井地质奠基人柴登榜教授组织力量对我国煤炭矿井地质工作进行了全面调查和总结，系统提出了矿井地质工作方法，主编了第1本大学教材《矿井地质及矿井水文地质》[1]，出版了《矿井地质手册》[2]，并牵头成立了中国煤炭学会矿井地质专业委员会，对矿井地质工作提供了工作方法的基本框架和学术交流平台。1992年，在上海宝山召开的矿井地质专业委员会上，笔者等针对当时煤矿机械化开采过程中由于对开采工作面地质状况掌握少，严重影响综采工作面采煤效率(全国煤矿综采机开机率<40%)和安全事故频发的问题，提出建立我国煤矿安全高效开采地质保障系统[3]。
随着煤炭工业从炮采和普采向机械化开采的转变，根据高产高效矿井机械化和集中化程度高的特点，以地质分析预测为基础，以物探、钻探和巷探以及试验等技术为手段，依托先进的信息技术实现生产地质工作的动态管理，煤矿地质保障技术为矿井设计、采区布置、生产准备、采煤工作面布置到回采等各个阶段提供可靠的地质信息，通过系统和清楚地掌握影响煤炭开采的地质因素，实现煤矿的安全生产与高产高效。煤矿地质保障系统是指从矿井基本建设开始，直到矿井开采结束以及监测采后上覆岩体地质变化为止的整个矿井生命周期内的全部地质工作，以查清含煤岩系地质构造(包括断层、褶曲等)、煤层厚度及其变化、顶底板岩性及其稳定性、矿井水文地质、瓦斯赋存与分布规律、煤层中的地质异常体和煤矿开采对上覆地层的损伤等，是煤矿安全高效开采地质保障系统的主要内容[4]。40多年来，经历了从煤炭资源勘查地质向矿井开发工程地质的思想转变，勘查手段从传统的肉眼描述、钻探向物探化转变，勘查方法从以地面为主向地面、井中和矿井内部并举，地质服务目标从以往的资源评价为主，向资源评价、资源开发评价、矿井灾害隐患预测、采后生态环境预测与修复扩展，提高了煤炭生产安全的水平，有效改善了矿区生态环境。
40多年来，煤矿安全高效开采地质保障系统紧密结合煤矿机械化开采的重大需求开展研究并在煤炭企业大规模推广应用，地质科技人员经历了从煤田地质学向矿井工程地质学的思想转变，勘查技术从人工肉眼描述与钻探向物探化手段为主的转变，使地质为生产服务的目标更为明确、主动应战的能力大大加强，响应速度大大加快，成为我国现代煤炭工业技术体系中不可分割的重要组成部分。
1 我国煤田复杂地质构造和煤炭开采机械化需求催生了煤矿安全高效矿井地质保障系统的建立
煤炭工业的发展历程表明:不同的采煤工艺对地质工作的要求是不同的。在20世纪60年代以前，由于煤炭开采多是炮采和普采，对开采地质条件预测准确性的要求不高，主要侧重于煤层赋存状况的判别——即地质构造、煤层厚度和煤层对比，因此矿井地质与煤田地质的工作方法几无差异，Iain A.WILLIAMSON 1967年出版的《Coal Mining Geology》[5]一书，基本上也是煤田地质学的主要内容。20世纪60年代后期，美国在推动煤矿联合机械化开采技术过程中，发现除正确对比煤层外，煤层顶底板岩性变化对机械化开采有重要影响。美国联邦矿业局和联邦地质调查局及其所属有关研究中心资助相关大学开展了近20年的煤矿开采地质条件综合研究，查明了影响煤矿顶板岩层稳定性的主要地质因素，包括顶板冲刷、滑面、擦痕、夹薄顶煤层的砂泥岩互层等，并在对有关矿山开采工艺系统分析的基础上，建立了煤矿开采地质诊断系统(Geologic Diagnosis)[6]。
与世界主要产煤大国相比，我国煤炭资源赋存状况具有可采煤层层数多、煤层厚度大、煤层埋藏深(煤层采深多在300 m以下)等特点，使煤矿开采工程地质条件复杂多变，煤层顶底板管理困难，东部煤炭主产区普遍遇到“三软”工程地质难题。机械化开采过程中经常出现综采机组扎底、推移困难，甚至造成整个综采工作面被压情况。东部煤矿区还具有新生界盖层厚度大、煤层埋藏深、基底为奥陶系承压含水层的特点，由于早期资源勘查地质工作成果不能满足矿井生产工程的需求，致使常常出现矿井建设后因地质因素查明不清，矿井机械化生产工作面经常出现停产、安全事故频发等。
1.1 矿井工程地质勘查技术
针对我国煤田地质构造复杂、煤层厚度变化大与机械化开采不相适应的问题，20世纪80年代末期，煤炭科学研究总院西安分院、中国矿业大学的学者采用块段指数法、数理统计综合评价法、模糊数学法和数学力学法等，对断层和煤层断裂强度进行量化预测，并进一步推断煤矿区断层的分布状况[7]。国家“七五”计划期间，以徐州矿务局有关煤矿机械化工作面为靶区，开展了“采区开采地质条件”和“开采地质条件量化预测与数据处理技术”的专题研究，有关成果虽已用于矿井生产，但因成果基于传统的钻探资料，快速性和准确性与实际需求仍存在较大差距。20世纪90年代初期，中国矿业大学(北京)的学者应用沉积地质学、古水系和地球物理学的研究方法对矿区煤厚变化规律及其地质特征、煤层冲刷带和煤层分叉、尖灭、增厚、变薄等开采技术边界的确定方面取得可喜成果。葛道凯等通过对平顶山矿务局煤矿沉积环境的研究，探讨了沉积环境与煤层顶板稳定性之间的关系[8]。笔者等从沉积地质学、岩石工程力学、采矿工程学和模拟实验等多学科入手，探讨了沉积相变岩体工程力学特征，以及在煤炭开采过程中顶板破断与垮落特征，从而建立起地质预测方法用于煤炭开采过程中顶板岩层控制与管理的方法[9-11]。于双忠等对煤矿巷道开挖中的工程地质特性进行研究后，出版了《煤矿工程地质研究》[12]。曹代勇对勘探阶段的构造地质成果与煤矿开采过程中揭露的地质构造特征进行对比分析，提出了矿井地质构造定量分析方法[13]。李国余等结合大同煤矿集团的实际，分析了地质构造——特别是裂隙对综采工作面局部冒顶的影响机制[14]。童有德、叶贵均等对开滦矿区赵各庄矿井突水灾害进行分析后认为，我国华北岩溶充水煤矿区底板滞后突水事故多与地层在开挖后的应力释放和底板岩层的软化、岩石力学强度降低有密切关系[15]。李竞生提出修正的高斯-牛顿方法、灵敏度系数矩阵方法，有效提高了含水层参数识别和地下水流模拟精度，成功应用于多个矿区矿井涌水量计算、疏水降压井流计算中[16]。李白英通过对开采煤层底板岩层破坏进行综合观测，并结合模拟实验和电算分析等，认为煤炭开采过程中煤层底板岩层存在导水破坏带、保护层带(完整岩层带或阻水带)、承压水导升带的“下三带”现象[17]。笔者等在淮北杨庄矿区采用实验室模拟与现场观测相结合的方法，开展对拉工作面开采条件下底板破坏机理与突水预测防治方法的试验研究，发现突水是围岩在原始地应力、采动附加应力和底板空隙、裂隙水压共同作用下变形与破坏的结果。通过对底板岩层结构的精细观测与描述，获得了正常采动和对拉采动条件下底板岩层的变形破坏规律和破坏深度，从而科学选取合理的开采工艺，实现了承压水体上安全采煤[18-19]。董书宁等通过分析我国煤矿水害发生发展的基本规律及其产生原因，提出了深部煤炭资源开发过程中高承压水底板突出和废弃矿井老空水突出的防治办法[20]。武强等则针对采矿造成的地下水位下降和矿井污水问题，呼吁人们要关注采矿引起的水环境问题[21]。
为实现对煤矿瓦斯灾害的科学预测，国内外有关学者开展了大量的研究工作，如原苏联O.ИH.切尔诺夫和E.C.罗赞采夫等分别研究了瓦斯的区域分布特性[22]。周世宁院士首先提出了影响煤层原始瓦斯含量的8项地质因素，其成为瓦斯地质科学的基础[23]。20世纪80年代，原焦作矿业学院在原煤炭工业部的支持下，开展了瓦斯地质调查和瓦斯地质编图工作,查明了煤矿瓦斯灾害分布的主要控制因素，证实了不同尺度的构造通过对构造软煤的发育控制了瓦斯突出的分布规律，瓦斯突出都是发生在构造软煤发育的部位[24]。何学秋结合流变力学、物理化学和电磁动力学等多学科的理论研究，系统论述了煤岩等多孔介质在含不同孔隙流体条件下流变破坏过程与电磁辐射信息之间的关系[25]；林柏泉等研究了含瓦斯煤的变形特性和吸附特性，发现煤体吸附瓦斯后会发生膨胀变形[26];赵阳升等通过研究含瓦斯煤体渗透特性，探讨了含瓦斯煤体渗透特性与地应力之间的相互关系[27];姚宇平等研究了含瓦斯煤体的力学性质，得出了含瓦斯煤体的莫尔强度变化特征[28]。
此后，笔者结合所在研究团队的研究成果和对前人研究成果进行系统分析和总结，提出煤矿工程地质学主要研究煤炭开采地质条件和井巷及采场附近岩体应力状况的变化及其稳定性问题[29]。研究目的在于查明开采地质条件，查明矿井采区内的地质构造分布状况，保障机械化开采工作面不因遇到断层而停产，实现煤矿连续高效开采;查明采区内工作面顶板岩层结构及其应力分布状况，分析开采过程中顶板冒落特征，防止顶板冒落事故和顶板动力灾害事故发生;查明工作面前方和底板岩层结构和应力分布状况，防止煤与瓦斯突出事故和底板突水事故的发生;精细描述煤层分布状况和厚度，使煤炭开发过程中尽量减少煤柱尺寸、降低煤炭资源损失，从地质角度确保煤矿建设和生产经济合理和安全可靠。围绕上述目标，笔者等提出将含煤岩系作为煤矿地质结构体，分析它们原始构成单元和赋存特征、开采条件下地质条件的变化特征、力学机制和演变规律，建立起系统的煤矿安全高效开采地质保障系统，与资源勘查评价为目标的煤田地质学有了明显的不同，初步构建起矿井工程地质的理论框架[30]。
1.2 矿井地球物理勘查技术
这个时期，对矿井地质结构的精细描述和探测方法的研究亦是矿井地质研究的一个热点。20世纪70年代中期，美国DINES Kris A等[31]率先利用直射线理论，把医学CT引入地学领域，把透射层析应用于跨孔电磁波探测资料的处理，开展工作面巷道之间透视测量，推动了地下探测层析技术的理论、方法和应用的研究。L.G.STOLARCZYK[32]描述了沉积地质学和电磁波传播理论之间的联系，并认为电磁波传播系数主要取决于异常地质条件，以此为依据将长壁采煤工作面中异常地质区的层析成像图像与矿井地质图进行了效果对比分析。主要采用岩巷钻探和无线电造像(RIM)测量法以及计算机模拟法来保证矿井工作面开采的效率，利用微地震法预测煤矿开采过程中的煤岩层与瓦斯突出，利用地质雷达探测工作面前方地质构造和地质异常体等。原苏联地质学家则更重视利用各类地质参数来预报地质变化，如利用煤的物理、化学特征预测断层、利用统计地质数据进行构造变形规律分析等。联邦德国在鲁尔矿区采用构造裂隙解析法、沿煤层水平钻探、槽波地震构造综合勘探技术，并认为槽波探测地质小构造是最具前景的方法[33]。澳大利亚的一些公司已尝试应用沿煤层钻探、横波地震、地面地震、航磁、地面电磁法等多种手段进行采前地质状况研究，并预测煤炭开采过程中的矿山灾害事故[34-36]。
由于我国复杂多变的各种因素使得不同矿区、矿区内的不同矿井、矿井中的不同采煤工作面地质条件差异显著，采用传统的地质方法很难准确预测这种变化，造成地质工作与当时的机械化开采技术不相适应的普遍难题。我国矿井地质奠基人柴登榜先生在20世纪80年代针对煤矿机械化开采过程中的地质保障问题，多次提出矿井地质工作要物探化的观点。20世纪80年代我国从德国引进槽波地震设备和技术，开展了岩体原位应力测量法、高精度重磁探测法、各种地震波法、直流电场层析成像法、放射性测量法、红外测量法、孔中电视、防爆测井、磁偶源频率测深与地电法等方法研究，并在基础理论、技术方法和仪器装备方面都有很大进步。“七五”期间(1986—1990年)，淮南矿业学院王鹤龄针对机械化开采过程中煤厚探测问题，研制出MH-2煤层厚度探测仪及相关技术[37]，可探测煤层分层开采的下伏残余底煤厚度和放顶煤开采的残余顶煤厚度，并能进行矿井地质构造探测。夏宇靖等基于不同振动频率的瑞利波沿深度方向衰减的差异特征，开发出煤矿井下瞬态瑞利波仪器[38-39]，并实现了掘进工作面、巷道两侧30～50 m内的构造超前探测。石智军等开发了煤矿井下长距离近水平定向钻探技术与装备，可以实时测量钻孔轨迹，动态控制钻孔偏斜，利用梳状分支孔对煤层进行探顶、探底作业，实现了对煤层顶底板和煤厚变化的高精度控制[40-42]。后来，朱国维针对煤矿井下条件限制,可供观测的空间十分有限，矿井物探采集数据困难这一难题，开展了矿井地震观测系统研究[43]，在巷道掘进工作面设计了巷道地震层析成像(简称RST，即 Roadway Seismic Tomography)超前探测观测系统和矿井巷道侧帮的平行测线立体地震观测系统(图1(a))，采集并首次实现矿井巷道局限空间拟三维探测与成像(1(b))，可获得矿井工作面前方隐蔽致灾地质异常体的空间赋存状态及特性，图1(b)为利用该观测系统采集数据获取的地震成像结果，可定位工作面前方瓦斯异常区。王辉等根据岩体结构理论和地震波在软弱结构面中的传播特征，利用地震层析成像技术，实现了岩体稳定性的准确探测和软弱结构面的空间定位[44]。董方庭应用超声波法对软岩巷道松动圈的形状及厚度进行了探测，提出了以松动圈厚度为指标的围岩分类方案[45]。针对承压水上采煤中对底板岩层破坏深度判别的问题，程久龙等提出利用纵波速度的变化来评估底板岩体的受力状态、结构变化以及破坏程度，采用声波CT方法进行工作面底板采动破坏深度的动态探测，可有效确定底板破坏深度[46]。
图1 巷道掘进工作面超前探测
Fig.1 Advance detection of roadway working face
这个时期，煤矿开采中的突水灾害防治是煤矿的重要工作之一。1984年，开滦范各庄矿突水淹井后，我国开始重视矿井物探技术研发。1989年，煤炭科学研究总院西安分院与邯郸矿务局联合研制出DZ-Ⅰ型防爆直流电法仪;1992年，研制成功DZ-Ⅱ型井下自动数字直流电法仪、YT120(A)型防爆音频电穿透仪等，可以超前探测掘进巷道前方80～100 m的含(导)水异常体，并在皖北矿业集团任楼煤矿7218工作面掘进时采用矿井直流电法等综合物探技术预先发现陷落柱，成功避免了重大突水淹井事故。于景邨研究了全空间瞬变电磁场“水波效应”扩散规律[47]和典型含水体的三维瞬变电磁响应特征，并开发出应用于煤矿井下探测含水体的多匝数小回线瞬变电磁工作装置以及矿井瞬变电磁数据处理和解释系统，在井下巷道探测周围不同空间位置、不同形态突水构造方面取得良好效果[48]。程久龙等认为瞬变电磁法和直流电法尽管是两种主要的巷道超前探测方法，但都存在一定的局限性，提出了瞬变电磁法和直流电法超前探测同步粒子群联合反演方法，能够压制干扰，抑制等值现象和体积效应，从而获得巷道前方异常体位置、厚度[49]。蒋成站等则针对井下无线电波透视因金属支护干扰、透视距离短的难题，提出了框型天线、窄带接收、功率合成、CT成像技术的技术思路，于1993年研究出用于金属支架的WKT-F3型仪器[50]。1996年后在无线电波成像技术上取得进展，并研制出WKT-E数字化、大功率、大透视距离本安无线电波透视和CT成像系统，在煤矿陷落柱、煤层厚度和瓦斯探测方面取得较好效果[51]。
20世纪90年代中叶，中国矿业大学(北京)研究团队开展矿井地质雷达装备和技术的研究，研制出防爆型矿井灾害源超深探测地质雷达装备及成套技术[52]，在国际上实现反射法对探测深度大于>80 m,CT透射法探测距离超过300 m工作面的精细探测，为煤矿安全开采提供了一种先进的地质保障技术手段。
综上所述，在全国大力推广机械化生产的大环境下，矿井地质工作者根据工程要求在思维方式、技术手段方面出现了一个积极探索和创新的时期，并且与煤炭生产的呼应性越来越密切，促进了我国煤矿机械化生产技术的发展与推广，逐步构建起我国煤矿地质和矿井工程物探的理论框架和技术体系。
2 煤矿高分辨三维地震勘探技术的发展促进了煤矿安全高效矿井地质保障系统建设的成熟
尽管人们通过大量的研究探索后在矿井地质和矿井工程物探取得了很大进步，但是由于传统地质工作方法很多获得的结果是描述性的，矿井工程物探工作也多是矿山建成之后开展的。矿山设计、建设和生产的依据多是基于早期地质勘探阶段的地质成果，与机械化开采的要求相比，其勘探精度低、误差大，经常出现生产阶段揭露出的地质构造现象与勘探阶段的地质成果存在差异很大的情况，不能满足现代化矿井建设和生产的要求。如淮南矿业集团的潘二矿，矿山设计时确定为年产煤炭300万t的机械化生产矿井，矿井建成投产后，发现地质构造分布与精查地质报告成果严重不符，煤炭机械化生产无法正常开展，造成建成后煤炭生产只能撤换机采工艺为炮采和普采工艺。由于开采工艺落后，并受到瓦斯突出、矿井突水及冒顶事件等灾害的制约，矿井安全高效开采受到一定影响[53]。
高分辨三维地震勘探技术与常规的地质钻探相比，空间采样间隔更小，勘探精度大幅度提高，并在石油勘探中得到成功应用。如何借鉴国内外的成功经验，利用三维地震勘探技术获取煤矿高分辨、高精度的地质信息来精细预测地质构造和煤矿灾害隐患，成为煤矿矿井地质研究的一个热点。
对国际主流地球物理出版物包括Geophysics,The Leading Edge,Geophysical Prospecting,First Break,Exploration Geophysics,SEG年会和EAGE年会等进行检索后发现，自1949年至今涉及利用地球物理方法进行煤田勘探的237篇论文中，大部分(70%左右)是利用高分辨率地震资料解决煤层的构造问题，而非地震方法所占比例约30%。早期涉及煤田地震勘探技术多是采用与石油天然气地震勘探相似的方法，并以解决煤田地质构造为目标。20世纪90年代，以美国科罗拉多矿业学院为首的北美研究团队开展了针对煤田瓦斯赋存状况的地震探测技术研究，发表了一系列科研成果，加拿大McGill大学地球与行星科学系Marroquin利用地震属性技术研究煤层瓦斯储层的研究成果[54]，表明煤层厚度可以利用最大绝对振幅、道积分和总能量来进行预测，而曲率属性可以揭示同沉积与沉积后的构造演化特征。以美国Cedar Hill地区为研究靶区，开展了多波(或转换波)探测煤矿瓦斯的探索，RAMOS和 DAVIS利用AVO技术进行煤矿瓦斯探测的有益尝试[55-56]。在Cedar Hill矿区进行的三维地震方法探测瓦斯的工业性试验[57]，采用了宽线束三维观测系统，共采集3束3D9C(覆盖面积3.4 km2)，1条2D9C和1口3CVSP测井数据。用Alford四分量旋转法确定裂缝方位[58]，用快慢波时差确定较厚层段的各向异性，而用振幅导出的速度估算煤层的各向异性，用纵波数据绘制地质构造图和识别超压带。上述研究工作为煤矿高分辨三维地震勘探技术的研究提供了良好的借鉴。
针对提高煤矿地质构造勘探精度的问题，1993—1994年，由安徽煤田地质局、淮南矿务局和中国矿业大学共同合作在淮南矿务局谢桥煤矿首采区和潘集矿区进行了高分辨三维地震勘探试验，采用采样间隔t=1 ms,10 m×10 m CDP网格，叠前部分偏移、DMO叠加，获得了高分辨率、高信噪比、高密度三维地震数据体，查明了一批埋深380～700 m、落差≥5 m的小断层，空间定位误差<10 m;查清了区内幅度>5 m的褶曲;在460 m深度上清楚分辨相距50 m、断面为3.2 m×3.8 m相互平行的石门巷道(图2)。从此以后，围绕矿井地质构造的高分辨识别和精确定位问题、煤矿顶板岩性和稳定性预测问题、煤矿瓦斯灾害隐患识别问题、矿井突水构造和老空水、底板水的预测问题开展了系统研究，获得了矿井地质和矿井灾害隐患预测的技术突破，使三维地震勘探技术成为我国煤矿安全高效矿井地质保障系统中最中坚技术。
图2 三维地震勘探对煤矿巷道的精确识别
Fig.2 Accurate recognition of coal mine roadway by 3D seismic exploration
2.1 煤矿采区地质构造高分辨三维地震探测技术
随着煤矿综合机械化采煤的发展，1993年采区三维地震勘探在淮南谢桥煤矿试验获得成功后，引起煤炭行业的高度重视，希望将这一先进技术用于查明小断层、小褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带和煤层变化等[59]。煤田采区三维地震勘探分辨率高、探测精度高，地质效果显著，因此从国有大型煤矿到地方煤矿，从东部矿区到西部矿区，从平原到山地、沙漠、黄土塬和湖泊等区域该技术都得到广泛应用，为矿井采区设计、综采工作面布置、安全煤柱预留以及巷道支护方式选择等，提供了坚实技术支撑。
在借鉴石油三维地震勘探技术先进经验的基础上，针对煤田勘探目的层深度多在400～1 000 m、煤田勘探目标煤层与围岩之间波阻抗差异明显等特点，对煤田三维地震勘探从采集、数据处理和解释方法都进行系统的试验、研究与技术开发。为获取高分辨、高信噪比、高保真的三维地震数据体，开展了小面元三维观测系统采集技术试验，确定了10 m×10 m或5 m×10 m的面元设计是煤矿地震最佳技术和经济可行方案[54]。早期以基坑插入模拟检波器串组合方式接收，覆盖次数在24次左右，时间采样率为0.5 ms或1 ms。随着数字地震仪采集能力增强以及微电子机械系统(即MEMS)数字检波器的出现，采用5 m×5 m网格，以提高空间采样，使地震资料纵向和横向分辨率提高，实现对小断层和小构造的精细探测。震源也从早期的人工炸药向可控震源，基本实现了频率可控、安全环保，降低施工成本、施工更为灵活、效率更高。
针对地表高差大、近地表结构复杂对三维地震资料影响大的问题，发明了虚共炮点射线追踪动态静校正方法[60]，有效消除了起伏地表和复杂表层结构对地震资料的影响，使煤层反射波连续性得到明显改善;开发出地表一致性振幅补偿及面波压制软件，可消除由地表激发和接收条件差异所造成的反射波振幅差异，使面波得到很好地压制。同时，利用叠后反褶积，进一步拓宽频谱，提高剖面的垂向分辨率。针对不同地表条件、不同采集参数和不同年度施工的多种复杂因素得到的多块三维地震数据，存在数据缺失或空间采样率不足、频率和相位不一致，严重影响地震资料连片处理质量的问题，开展五维插值与匹配滤波连片处理技术研究与应用，即利用横向(X)、纵向(Y)、时间(或深度)、偏移距和方位角等5个维度(简称五维，或5D)进行重建，形成一个均匀采样的规则数据体，通过匹配滤波连片处理，提高地震数据的整体品质。图3为安徽顾桂矿区采用五维插值与连片叠前时间偏移处理后的地震剖面，煤层反射波组清晰，断面波清晰可见(图3中黑箭头所指处)。
图3 连片叠前偏移处理前后地震剖面
Fig.3 Seismic prestack migration section by merging processing
在充分借鉴地震波叠后、叠前处理技术的同时，围绕煤矿小尺度断裂、陷落柱等隐蔽致灾地质体探测难题，系统开展了地震绕射波前沿技术探索[61-62]，提出了方位-倾角域绕射系数计算方法，揭示了绕射波在第一菲涅尔孔径内外双指数衰减和相位反转规律，构建了一种自动计算菲涅尔孔径的方法[63];建立了三维炮集绕射波完整性分离与精细建模技术[64]，解决了菲涅尔孔径之外的绕射波准确归位难题;构建了兼具高信噪比和高分辨率的绕射波特色成像系统[65]，形成了具有工业化处理能力的 GPU/CPU 叠前绕射波成像软件，有效缓解了核心技术国外长期垄断局面，提高了地下空间小尺度隐蔽致灾地质体照明度，在重大矿井灾害治理方面取得了良好应用效果。
对于煤层内的地质构造-裂缝不连续体，进行了多角度正演精度、反演算法的方法与应用技术研究[66-67]，发明了与常规反演技术在裂缝参数、裂缝属性等方面有着显著区别的方法[68]。研究发现:即使在煤层内没有波阻抗的情况下，地质裂缝也会对地震波产生反射，反射波的振幅会随裂缝参数不同而变化，且裂缝的反射系数是频率依赖的[69]。该技术能够定量反演裂缝参数、描述裂缝属性包括有无含流体情况、刻画地下地质断层裂缝发育及分布情况，对预测煤层气富集区和瓦斯突出的构造煤、突水通道等有巨大的贡献。
在地震资料解释方面，采用光照模型、物体表面法向量技术，发展以地震波振幅为基础的煤田地震全三维可视化解释方法，可精细雕琢煤层地质构造和地质属性特征[70-71]。在层位断层交互解释的基础上，利用地震属性技术[64]，如曲率属性[72]、相干体技术[73]、频谱分解技术和蚂蚁体属性等，结合人工智能对小断层进行精细识别[74-76]。同时，采用运动学和动力学相结合的方法，对煤矿小构造的地震响应特征进行了系统研究，首次建立了煤矿精细地质构造识别的数学模型和分析评估方法，在东部煤矿区可识别出埋深1 000 m、断距3～5 m的小断层，在中西部的山西、陕西一带也可识别断距5 m左右的断层。煤矿开挖结果证明，查明的断层、陷落柱等吻合率在淮南和永城矿区≥89%，在其他地区≥ 78%。淮南矿业集团潘三矿通过三维地震动态解释技术(图4)，揭示了断层<3 m，且在工作面内不连续，完全可以通过，将原来分别为700 m和900 m的综采工作面合为1个1 600 m的综采工作面，为高产高效工作面创造了条件。淮南矿区通过三维地震勘探查清了地质构造，优化了工作面设计，提高了集中化和机械化程度，该区采煤工作面在5 a时间从66个减少到34个，产量从870万t提高到3 300万t。
采用沉积地质学、岩石力学、采矿工程学和地球物理探测的方法，对煤层顶板岩体进行了综合研究，分析了顶板岩体结构、不连续砂岩顶板在采矿过程中的力学响应特征，建立了非连续介质顶板地质力学模型，发现砂岩顶板的空间分布控制了煤层顶板的稳定性，砂岩顶板变薄尖灭区是顶板灾害易发区。以钻孔测井曲线和三维地震勘探为基础，建立了煤层顶板岩性综合反演解释技术[70]，准确预测出老顶砂岩的变薄尖灭带、冲刷带和复合顶板分布区，实现了对煤矿顶板垮落区的精确预测(图5)。
图4 淮南矿业集团潘三矿三维地震动态解释
Fig.4 3D seismic dynamic interpretation of Pansan Mine,Huainan Mining Industry
图5 煤层顶板变薄尖灭预测
Fig.5 Pinch out prediction of coal seam roof
至此，煤矿高分辨三维地震勘探已成为一种成熟的先进技术，为解决煤矿机械化开采中预测≥3 m断层和煤层底板稳定性的难题做出了贡献，在煤炭工业中得到全面推广应用。
2.2 煤与瓦斯突出隐患地震预测技术
自20世纪90年代末以来，中国矿业大学(北京)研究团队开展了基于三维地震精细探测的煤矿煤与瓦斯灾害隐患的预测研究，认为可进一步利用地震探测信息量大、探测数据横向连续性好、采样间距小的特点，与矿区内大量在纵向上分辨率很高的钻孔测井数据融合，以进一步提高地质预测的分辨率与可靠性，实现精细描述顶板岩性、煤层厚度、煤体滑脱面、构造煤发育区和瓦斯富集部位的目的。
研究结果表明:易于发生煤与瓦斯突出的破构造煤在测井曲线上表现为“三高二低”的特点:即高视电阻率、高伽玛、高自然电位和低声波速度、低自然伽玛值，并且在密度、弹性模量、泊松比等物性参数上有明显差异[77]。在煤与瓦斯突出处，一般顶板脆弱、瓦斯含量多[78]。在地震-测井联合属性分析中发现突出煤体作为夹层赋存于整个煤层内，并在横向上不连续(图6)，改变了原先关于突出构造煤是整个煤层并且在区域上稳定分布的观念，发展了以人工伽玛为约束的煤层厚度及其精细构造反演方法，建立了煤层识别模型，反演出的煤层厚度预测精度达95%以上。在烟煤地区，煤与瓦斯突出与煤的密度有密切关系，煤体越破碎，煤与瓦斯突出危险性就越高。
采用地震叠前反演预测易于突出煤体时，发现构造煤的叠前弹性参数[79]表现为低λρ、低μρ和高vp/vs(λ为拉梅第一参数;μ为拉梅第二参数(剪切模量)，ρ为密度)，并在交会图上特征明显，易于区分。通过对瓦斯突出煤层与非突出煤层的AVO响应[80-82](图7)进行分析，发现瓦斯突出煤层地震振幅随偏移距的增大呈下降趋势，而非突出煤层的地震振幅随着偏移距的增大呈上升趋势。
图6 煤层及构造煤预测剖面
Fig.6 Coal seam and structural coal prediction
图7 瓦斯突出煤层与非突出煤层的AVO响应
Fig.7 AVO response of gas outburst coal seam and non-outburst coal seam
至此，煤与瓦斯突出部位高精度三维地震识别技术较为完善地建立起来。
2.3 矿井突水灾害隐患地震预测技术
近年来，煤矿突水灾害频发，严重地影响煤矿安全高效开采。煤矿突水灾害主要涉及老空水、底板承压水。由于地层结构的多样性，矿井水体分布的非均质性、流动性特征，矿井突水灾害源预测难度大，矿井突水灾害防治的关键是对突水通道和富水区域的准确预测。因此，利用三维地震勘探的数据采集密度大、信息量大的特点，通过研究来实现对突水构造分布的精确预测;同时，根据电法探测中遇矿井水电阻率下降的电性特征，采用地震与电法联合探测的技术，使矿井突水灾害源的预测精度得到提高，即利用三维地震探测信息来预测突水通道，利用电性特征来判别通道是否含水。首先通过高精度三维地震勘探，查明矿井地质构造和岩溶分布状况，预测可能的突水通道和富水空间(图8(a))，采用直流电法或瞬变电磁预测可能的电阻率低阻区(图8(b))。当地质构造异常区与低阻区在空间上重合时，就要特别注意是否是矿井突水的隐患。
在对华北煤田石炭二叠纪含煤岩系煤炭开采底板突水地质条件进行评价时，笔者团队发现可以根据灰岩富水区的地震纵波频谱出现衰减特征进行判别，即可以通过“主频低值，低频高值，高频低值”来判别矿井底板突水的可能性，在河南车集矿进行了测试，钻孔627附近为灰岩富水区，钻孔625附近为无水区域，如图9所示。
图8 地震与电法联合探测，成功预测含水陷落柱
Fig.8 Joint detection of seismic exploration and electric prospecting
图9 矿井底板岩层突水隐患地震预测
Fig.9 Seismic prediction of water inrush hidden danger in mine floor
此外，中国矿业大学、中国矿业大学(北京)和中煤科工集团西安研究院的科研人员针对早期三维地震资料解释平台多是基于服务器，现场技术人员难于使用的问题，分别推出了微机版地震资料解释软件，使三维地震资料解释技术在生产矿井为普通科技人员所掌握，促进了三维地震勘探技术在全国煤炭企业的推广应用。2019年，中国矿业大学(北京)地震研究团队基于近30年的研究成果，在国际地球物理年会(SEG)上推出了“PSP地震资料处理平台”[83]，逐步形成了具有煤矿高分辨三维地震勘探自主特色的技术体系。
煤矿高分辨三维地震勘探技术的发展使人们在煤矿安全高效开采地质保障系统建设中得到“硬核”支撑，在识别矿井精细地质构造表现出独特的优势，煤矿高分辨率三维地震勘探技术1998年列入科技部重点科技成果推广计划，并通过近年的研究与发展，在识别煤矿顶底板岩性和煤与瓦斯、矿井突水灾害隐患技术方面日臻完善，在精确描述煤矿复杂地质构造、预测煤矿灾害隐患方面的准确性大幅度提高。与矿井地质和矿井物探相比，更能在矿区范围内进行超前区域性预测，科学决策的主动性更强，与矿井地质和矿井物探技术配合后效果更为显著，促使我国煤矿机械化生产的开机率从不到40%提高到90%以上，煤矿生产安全根本性好转，推动了我国煤炭工业的技术升级和发展。
3 矿井地质透明化是当前煤矿安全高效矿井地质保障系统发展的努力方向
近年来，随着信息技术的深度融合和煤矿机械化水平的大幅度提高，煤炭工业整体技术水平上了一个新的台阶。一批年产千万吨的现代化生产矿井成为我国煤炭生产的主力军，特别是2014年陕煤集团黄陵矿业一号煤矿1001工作面首次实现智能化开采[84]以来，少人化、无人化、智能化开采以及智慧矿井等先进生产理念深入人心，煤炭绿色开采、智能精准开采等对煤矿安全高效开采地质保障系统提出了新的更高的要求。但是必须清醒认识到:目前所说的智能开采工作面多是在我国煤田地质条件相对简单的矿区，其内涵被强大的机械化能力所掩盖。
首先，由于勘探精度问题，大部分生产矿井基于钻探资料，在有的矿区包含了三维地震勘探成果所建立起的煤矿三维地质模型，只是不同数据体的人工叠加，没有做到真正意义上的数据融合。不同精度、不同数据结构的数据体叠加在一起，在精度、分辨率上并没有真正提高，就如同“毛玻璃”一般，还不是真正意义上的三维，因此现在提交的三维地质数据体和矿井生产工程设计还不能融合在一起，存在两张皮的现象。因此确切来说，我国目前还没有真正意义上的透明工作面。
煤矿智能化开采中，远程无人化操控“三机”的定位精度已经达到“厘米级”、下达指令的传输时间达到“毫秒级”，这就要求地质保障技术能够为智能化开采提供及时、精准的电子地图，目前所宣传的智能化工作面技术在地质保障方面是存在缺陷的。
未来的智慧矿山是煤矿智能化开采技术发展的最高形式，它将融合物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等，形成自主感知、万物互联、自学习、自决策、自控制的高度智能系统。这一系统的建立要基于可靠的地质保障，开发煤矿智能采掘工作面地质透明化技术与装备是当务之急！因此，煤矿安全高效开采地质保障系统的建设，以精准地质为目标进一步确定自己今后的努力和发展方向。目前，要在以下几个方面进行技术攻关，并取得突破:
(1)在统一的数据融合基础上，进一步提高勘探精度，提高矿井地质的透明化水平，构建煤矿智能开采的地质保障平台。
建立高精度三维地质模型，准确地反映煤层赋存地质状态、地质构造和煤岩特征，提高矿井地质的透明化水平，为实现综采装备直线度控制与水平控制、采煤机高度智能调节提供精准地质支持，是智能开采的矿井地质保障系统的主要攻关内容。然而，不同的地质勘查和勘探技术获取的资料分辨率不同。钻孔岩芯在理论上是100%反映地层岩石的真实状况，但由于钻探装备或人工施工过程存在不可控因素，钻孔取芯率一般都只在80%左右;钻孔地球物理测井的可靠性很高，由于在钻孔内近距离探测，对不同岩性分辨的敏感性高，分辨精度在10 cm以上。但钻孔之外的地质赋存状况在很多情况下是依赖钻孔成果向外推测。
相对于钻探技术，煤矿三维地震勘探野外数据采集的面元一般是10 m×10 m，在有些情况下甚至达到5 m×5 m，相对于传统精查地质报告钻探勘探密度为500 m×500 m的标准，三维地震勘探成果在横向上的分辨率比钻探要大得多。但煤矿地震勘探的纵向分辨率多在数米，甚至10余米，比钻探和测井的分辨率要低得多。因此，在进行系统的岩石物理分析基础上，通过垂直地震剖面(VSP)将地震勘探目的层进行准确的标定，并将地震数据体与测井数据体进行有效融合，利用测井数据纵向分辨率高的优势，将地震勘探的分辨率从过去的数米提高到50 cm左右，并最终反演成以岩性为基础的三维地质数据体。其他矿井地质和矿井物探结果也要通过数据融合方法形成统一的数据结构，以提高矿井地质成果的精度与透明度水平，构建煤矿智能开采的地质保障平台，解决地质系统与采矿工程系统两张皮的问题，实现矿井地质与采矿工程的无缝对接。
(2)研发与惯导技术一体的高分辨煤岩辨识仪器装备，实现对工作面前方5 m范围煤岩结构的精准识别。
在智能化开采工作面布置时，尽管有高分辨三维地震勘探——甚至有与测井数据融合后的高精度地质成果，但是必须充分认识矿井地质的复杂性和地质成果的多解性，必须有先进的探测装备实时探测和检验地质保障平台成果的可靠性，以便及时调整采煤机的工作状况。近10年来，矿井测量中惯导技术得到突破，空间位置定位误差在10 cm以下，解决了采煤机生产过程中的精确导向问题。对采煤机前端煤岩分界难题，开展了视频监测技术的研究，因采煤机割煤时瞬间产生的粉尘质量浓度太高而使视频失效;后又进行了光谱检测的探索，因该方法目前仅能对煤岩表面进行化学组分分析而且很难实现实时，试验亦未成功;采用X射线对煤岩界面识别的试验延续时间最长，最后因为煤岩组分的复杂性，且X射线探测的深度仅仅为厘米级而告停止。中国矿业大学(北京)自1995年就开始煤岩界面分辨的研究，研制出的矿井地质雷达可实现厘米级范围内的煤岩识别，探测距离可达20余米，但因探测中要克服地质雷达天线在空气中的能量衰减问题，探测时雷达天线要贴着煤壁，探测不能与采煤机联动，因此该技术也难于推广。
因此，针对当前煤岩分界技术探测精度低、探测距离小的问题需要开展技术攻关。从研究现状看，地质雷达可能是煤岩界面分辨最有潜力的仪器装备。结合采煤工作面的实际状况，开展机理和技术的系统研究，开发出仪器装备在探测中可悬于空中无需贴近煤壁、与采煤机联动、可实时动态获取5 m以上范围内的煤岩界面信息或判别出采煤机的截割状态(割煤/割岩)、探测精度达到2 cm。
上述高分辨地质雷达探测成果要实时反馈到地质保障平台，并通过AI技术等对煤矿早期的地质成果进行自动修正更新，使整个系统数据分辨率进一步提高，准确性进一步加大，将解算出煤岩智能探测系统的位置信息、煤岩分界信息等实时传输给主机，用于智能工作面生产。
(3)以岩层结构为基础，以岩石力学和流体因子为重点，开发和建立智能矿山建设决策与灾害隐患预报系统。
煤矿高分辨三维地震勘探技术是构建智能开采矿井地质保障系统、提高地质透明化最重要的技术之一。由于三维地震勘探是弹性波勘探，可进一步挖掘和分析提取岩石物理和流体识别相关的属性。通过约束反演，以获取矿区内地应力场的状况，为智能开采支架选型和动力灾害的预防提供科学依据。
煤矿井下重大安全隐患的智能预测预警是实现智能开采的前提和保证。在对灾害隐患准确探测与识别的基础上，进一步分析煤岩层结构、地应力与流体因子(水、火、瓦斯)的耦合关系，在充分利用矿井感知设备与感知信息的基础上，确定隐蔽动力灾害源发生的条件和过程与物理场响应的耦合关系，建立水、火、瓦斯灾害精准预测评价模型，实现智能识别与预警，是以智能开采为目标的矿井地质保障系统亟待解决的重要问题。
当前，煤炭开发的主体已从东部转移到中西部。西部矿区气候干旱、水资源匮乏、生态脆弱，煤炭开采对水、生态的损伤很大，成为影响该地区煤炭工业发展的重要因素。如何根据该地区煤岩层赋存特征，从采前、采中、采后煤炭开发全生命周期中观测和研究厚煤层开采条件下上覆岩层的破断规律及其与水、生态的关系，为该地区的矿区环境与生态修复服务，亦是今后矿井地质保障系统的重要内容。
4 结 语
以上是结合个人和研究团队研究经历，对我国煤矿安全高效开采地质保障系统40年发展的一个简略回顾。这40年，是我国煤炭工业高速发展的40年，一大批地质工作者为之奋斗，无怨无悔，促进了我国煤炭工业的科技进步。煤矿安全高效地质保障系统已不是一个单一的专业问题，它涉及多领域、多学科的交叉，因此引入先进理论技术与方法，使其不断进步、不断发展！
致谢 论文撰写过程中，就有关问题向中煤科工集团程建远研究员、中国地质大学(北京)王广才教授、重庆大学吴燕清教授、中国矿业大学于景邨教授请教;研究团队杜文凤教授、程久龙教授、朱国维教授、孟召平教授、崔晓芹教授、毕银丽教授、王占刚副教授、许献磊副教授、赵惊涛副教授、卢勇旭副教授帮助提供了资料和有益意见。在此一并感谢！
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