据国家能源局不完全统计，现阶段全国有近400座煤矿正在逐步落实与推进煤矿智能化建设，智能化采掘工作面已经达到800余个[1]。由此可见，智能化煤矿建设是煤矿未来发展的主流方向，其基于智慧生产系统，依托智慧职业与安全系统，辅助以智慧后勤保障系统，通过全数据可视、全场景协同，对煤矿生产、安全、技术、保障、健康与后勤等进行主动感知、自动分析、智能处理，实现对煤矿的无人、少人、安全、高效、清洁、健康管理建设的目标[2]。
随着我国智能化煤矿落地进程逐渐加快，固定作业岗位无人值守、巡检机器人辅助作业等智能化少人开采技术成果斐然，并已经初步实现了工作面“减人、增安、提效”目标[3]。但受制于智能化相关技术发展瓶颈，国内智能化煤矿全局建设总体上仍处于培育和示范过程中，未能得到完全突破，其中地质条件的透明化问题是一项重要内容，特别是地质基础理论与技术短板亟待解决。尤其针对煤层开采静态与动态地质条件、开采环境精准探测、全过程地质信息的高精度建模、地质条件的信息识别与精准预测、突发性地质灾害事件的智能监测与防治等相关基础理论研究仍是十分薄弱，缺乏井下非接触式全面感知与多源信息融合技术、井下应急性处理地质机器人等，智能化技术对复杂条件的生产矿井适应性不够理想。随钻、随掘、随采、随落(后称“四随”)探测一体化较以往单一探测技术而言，能够实现不停钻、不停掘、不停采条件下的连续探测，不影响正常的采掘作业，极大地提高了生产效率，具有数据采集实时性、低成本等特点。开展煤矿生产过程全生命周期的“四随”勘探透明地质信息收集与表征是智能化煤矿建设的关键。与此同时，钻掘采装备配备了“视觉”与“思考”，尝试对钻、掘、采、落过程的安全开展主动管控，成为实现煤炭智能安全精准开采的基础性、关键性技术。
“随钻”探测早期主要应用于油气开发领域，随着其测试效果的提高，逐步拓展到矿山领域，石智军、王家豪等[4-5]提出随钻定量定向钻进技术，从钻探技术和工艺上支撑了我国煤炭科学产能的释放和高效发展；王季、王保利、李圣林等[6-8]开展了“随掘”地震震源特征及探测性能的研究，尝试使用掘进震动信号替代常规炸药震源，取得一定效果；程建远、覃思等[9-10]围绕“随采”开展了先导性的试验研究，认为“随采”地震将成为后期透明工作面三维地质建模的重要参数源之一；“随落”目前尚无明确研究提出，但是作为采空区上覆地层形变，导致地质条件动态变化一直是大家所关注的热点和难点，围绕动态建模的“随落”实时探查技术发展的系统亟待发展。具体表现为，目前煤矿巷道钻机型号多样，钻探施工频繁，采用存储式“短节”方式进行全程随钻地震记录，形成一钻一记录，不影响钻探本身施工，海量的随钻记录中不仅包含了地层与构造信息，还全程记录钻探工艺过程，进而实施随钻大数据解析与钻探过程评价与管理[3]；掘进巷道空间大于钻孔空间，随掘物探是在掘进机与巷道围岩上布设不同类型传感器，全程记录掘进机破岩的动力波、地电场等响应特征，可实现掘进岩性判别、前方构造预测和掘进过程的自身安全管控[11]；随采地震技术以工作面采煤机截煤为震源，记录采煤机滚筒动力波、液压支架响应等全空间地震波波场，进行工作面煤壁煤岩识别、工作面构造CT探测与采煤过程的主动管控[12]；随落是利用布设在采空区的光纤、温度、电极等传感单元，对采空区垮落过程中的应力、温度、浓度、渗流等进行长期实时监测，通过孔隙率、应力的变化为采空区的围岩破坏、火灾、地面沉降提供预警。现阶段“四随”物探一体化研究用以实现多源综合应用尚且不多，对于多源数据融合技术的理论研究、工程应用、技术革新等都还处于探索阶段。
结合“四随”实时动态探查技术的研究与三维建模分析，阐述了目前随钻、随掘、随采、随落等煤矿生产过程中所采用的探测技术及其发展状况，以及在矿井三维地质透明化建模中的应用，笔者提出“四随”信息透明化综合利用与思考，可为煤矿地质条件透明化构建研究提供参考。
1 “四随”技术研究进展
“四随”地质信息的获取与整合是透明地质模型动态重构的关键技术手段，其重点是将各个阶段过程中的探测手段与地质地球物理场信息感知技术进行融合，获得不同阶段的全地学信息，提升采掘周期的信息化、智能化和透明化程度，为生产提供精准保障与预警作用。因不同过程的差异性，目前各个阶段都有相应的技术进步，但需要进一步系统化和综合化融合、利用。
1.1 随钻探测技术研究进展
煤矿建设和生产过程中，通过浅、深长钻孔钻探获取前方或未知区域的资源、地质、水文等信息必不可少，其难点是精准地进行地层异常信息判识，同时形成一维到三维的钻孔空间，实施孔中探测、排水、抽气、注浆、监测传感器布设等次生工程，为全面掌握生产区工程地质条件奠定基础。
随钻探测是在地质导向钻进的基础上结合地球物理探测技术形成的一种新兴技术。通过钻孔地质参数的测量，实时掌握钻进过程中的技术参数，达到钻孔轨迹明确、钻遇岩层可知、探查构造可控等目的，确保钻探工程的实际效果。图1为煤矿井下随钻方位伽马测井试验成果。
图1 黄玉川煤矿井下随钻方位伽马测井试验成果[13]
Fig.1 Results of the underground test of azimuth Gamma logging while drilling in Huangyuchuan Mine[13]
在随钻探测方面开展随钻地质地球物理信息解析与反演是大家关注的热点，中煤科工西安研究院(集团)有限公司在煤系地层识别判据建立、地层物性参数采集技术、小直径动态方位伽马测量短节设计、煤系地层识别技术等方面持续开展攻关研究，研发出国内首套基于方位伽马测量的矿用地质导向钻进系统，实现随钻动态方位伽马探测，地层识别精度达到0.3 m、测量范围(0～350 API)[14]；李斌[15]对矿井随钻地震方法做了实验研究，阐述了与钻具钻头钻进相关的岩石力学性质以及钻柱震动形式，研究了基于短时傅立叶变换与相关分析的随钻地震信号处理方法，并开发了随钻地震的采集仪器与应用软件，且在室内实验场和矿井巷道进行了实验；刘惠洲[16]为探测和预报掘进工作面地质构造发育及含(导)水情况采用钻探物探一体化超前探测技术，研发了随钻地震信号检测设备，并开展随钻地震的物理模型试验，且通过现场工程验证方法的可行性与有效性。
我国煤系地层地质条件的复杂性以及智能化煤矿建设对地层识别及地质探查精度要求不断提高，开发适合钻具耦合式的钻测一体化装备是未来随钻探测技术发展的重要方向。
1.2 随掘探测技术研究进展
掘进前方地质灾害频发、防治难度大，目前解决的办法多集中在利用钻探进行超前探查，同时辅助以地球物理方法与钻孔配合的孔巷探测等，以单次探测或跟踪循环探测方式保障安全掘进。智能化煤矿建设中，快速掘锚支护装备跟进速度快，尤其TBM钻机的井下掘进施工，机、探设备一体化发展与实践要求高。因此对前方预测的方法由单次探测向“短距离、高频次、高精度、全覆盖”的随掘探测需求转变是下阶段发展的趋势。
1.2.1 巷道随掘探测技术
(1)随掘地震技术。随掘地震探测技术是指综掘机或者盾构机切割煤壁或破岩产生的震动信号，通过互相关处理，得到与炸药震源相似的数据，经过处理与成像实现对巷道前方地质条件的实时探测。NEIL等[17]借助相关分析技术对掘进机信号进行脉冲化处理；LI等[18]提出在相关分析前采用最佳维纳滤波反褶积方法，去除掘进机震源多峰值脉冲干扰，提高脉冲化处理效果的思路；王季等[6]基于在线式矿井地震监测分站完成对随掘地震信号的实时采集，实现在掘进过程中利用随掘地震信号对巷道前方和侧方区域成像，并将其应用于山西榆树坡煤矿，试验结果表明，该系统满足对地质探测能力要求。图2为随掘地震技术与复合干涉算法处理效果示意。
图2 随掘地震技术与复合干涉算法处理效果示意[8]
Fig.2 Schematic diagram of the processing effect of random excavation seismic technique and compound interference algorithm[8]
(2)随掘电法技术。随掘电法最早是由德国GD公司研发一款搭载于TBM盾构机上的隧道电法超前探测设备，利用刀盘作为测量电极[19]。此后，我国也开始了机载激发极化超前预报仪器的研发，田明禛[20]成功研发出了机载激发极化超前地质预报仪，并将其应用于工程上，此仪器能够完成对地质异常体的探测成像和识别；ZHAO等[21]在原有的BEAM系统基础上，引入电阻率层析成像，并提出利用虚拟电极代替原来保护电极，为掘进工作面前方地质状况的反演成像提供计算条件。
(3)随掘瞬变电磁技术。巷道掘进瞬变电磁探测技术与隧道相同，结合TBM施工隧道进行超前探测。胡佳豪等[22]尝试一种基于电性源激发、电场分量采集的施工隧道瞬变电磁探测装置形式，并利用三维时域有限差分法对单个电性源激励下隧道前方瞬变电磁场的分布规律与特征进行了正演模拟，该装置满足TBM施工隧道的超前预报能力。这些工作为后续矿井巷道探测提供基础。
综上，目前随掘探测技术受到施工环境及探测技术双重限制，仍然表现为以单一探测技术为主，未来研发适合不同掘进地质条件的多地球物理参数融合式随掘设备以满足高精度探测需求是关键所在。而且，对于巷道前方地质条件的探查，也将逐渐由富水区、破碎带探测转变到对异常界面等综合地质信息探测。此外，由TBM钻机地电场探测到震、电、磁、温等多参数融合探测也将成为重要的研究方向。
1.2.2 联合反演
联合反演是解决地球物理单一反演多解性提高探测精度的重要手段之一，开展多源数据联合反演可以有效地提高地质异常体的判识精度和解释精度。
不同随掘探测技术获取的数据不同，如何将各种数据进行联合反演，获取高精度的融合参数实现对地质异常信息的有效判识，是随掘探测数据处理的研究方向。程久龙等[23]等基于粒子群算法对瞬变电磁与直流电法超前探测数据进行联合反演，有效抑制干扰，提高了反演精度和分辨率；刘再斌等[24]等采用井震联合反演，实现相同物性数据间的联合反演，弥补单一属性地质数据精度的不足。此外，针对不同属性或者没有直接岩石物性关系的地球物理数据，采用基于交叉梯度约束进行相同或不同属性数据的联合反演是目前重要的有效手段之一[25]。
通过多元信息联合反演在数据解释上表现出更为显著的优势，特别是高精度探测需求下，开展基于交叉梯度约束的多源数据联合反演研究具有重要意义。
1.3 随采探测技术研究进展
工作面开采会揭露煤岩界面并使围岩赋存条件产生动态变化。随着回采生产工作的进行，实际控制的煤层数据增加，其重点是在保证工作面正常生产前提下，完成对工作面割煤断面前方多波多参数信息采集，实现近、远距断面精准地质条件判识，减少煤岩体差异变化对割煤机械的损伤，同时有利于确保液压支架安全运行。利用煤岩识别技术，通过在割煤机械上装配不同的传感单元，建立煤岩特征识别系统，自动判别煤层与岩层，实时获取高精度煤岩分界面数据，重建近距断面模型。利用随采地震CT技术，以割煤机、带式输送机为随机震源，基于工作面巷道布设非完全观测系统，构建随采震波CT信息感知系统，动态识别割煤机前端0～20 m段煤岩及构造异常信息，重建远距断面模型。
1.3.1 煤岩识别技术
煤矿井下工作环境恶劣，准确进行煤岩识别，获取煤岩界面信息，实时调整采煤机工作状态，是实现精准切割煤层的重要基础，也是开展工作面随采地震高精度探测的重要需求之一。
煤岩识别技术是基于煤岩不同特征建立识别系统，实现煤层与岩层的自动判别，为采煤机提供煤岩界面参数，防止误割岩石，提高采煤效率的目的。煤岩识别技术可根据采煤机是否切割岩石分为接触式和非接触式[26]。
(1)非接触式煤岩识别技术。非接触式煤岩识别技术可适用于工作面开采任何阶段，不仅可以在工作面采前进行煤厚探测，采中进行调节和控制，采后进行煤岩矸分选，而且采煤机无需切割岩石，刀具不易损坏，不足之处是易受探测环境的影响[27]。现阶段工作面开采已推广应用的主要煤岩识别技术包括机器视觉技术、电磁探测技术、光谱识别技术。基于煤岩的纹理特征实现煤岩自动判别是目前煤岩识别技术重要的研究方向，高峰等[28]为了提高煤岩图像识别技术的精度和效率，提出一种基于塔式池化架构和卷积神经网络技术的煤岩图像分割识别网络模型，弱化特征图内部不同区域之间关联信息的损失，显著增强对全局信息的有效表征，测试结果表明该模型在稳定条件下和抖动条件下均可取得良好的煤岩识别效果，验证了该技术在复杂环境中的可行性、鲁棒性 (图3) 。
图3 不同网络模型动态煤岩识别效果对比[28]
Fig.3 Comparison of coal-rock recognition effects of different network models[28]
(2)接触式煤岩识别技术。接触式煤岩识别技术主要包括振动探测技术、温度探测技术及扭矩探测技术等。该技术可有效降低探测环境对识别精度的影响，但在煤岩普氏系数较为接近时存在识别精度较低，需要切割岩石，易造成切割刀具损坏。张强等[29]结合振动探测技术和温度探测技术，通过提取割煤过程中截齿的振动信号及温度信号作为特征信号构建神经网络，实现对截割试件的煤岩比例准确识别，为基于采煤机截割煤岩振动特征和温度特征的煤岩识别提供重要的理论和数值依据。该技术综合应用能够很好解决单一煤岩识别传感器识别精度低和稳定性差的问题。
1.3.2 随采地震CT技术
随采地震CT技术是指利用割煤机切割煤壁时所产生的连续震动作为被动震源，实现回采工作面内构造、煤厚变化等静态地质条件精细化探测以及顶底板破损带、应力集中区等动态灾害条件监测预警的地震新技术，除震源较为特殊，该技术的方法原理与常规地震勘探基本相同。随采地震作为一种被动源地震探测技术，摆脱了矿井地震对炸药震源的依赖，同时也避免矿井地震需要停止采掘作业的困扰，实现对工作面的实时动态探测[9]；陆斌等[30]利用互相关干涉方法提取采煤机的有效信息，并对一个已知煤层尖灭进行随采地震探测；王保利等[31]通过随采地震技术在某矿12701工作面的应用，发现随采地震探测数据具有高信噪比、宽频带等特点，且可以实现对工作面内静态地质构造和动态应力变化的探测。
随采地震探测技术是实现工作面智能化开采、地质透明化的重要技术基础，是安全回采的重要理论并提供数据支撑，是透明工作面三维动态地质建模、多源地质灾害监测预警的重要技术手段，是未来矿井智能化探测、无人(少人)化监测重要的技术发展方向。
1.4 随落探测技术研究进展
生产中对采空区的关注多集中在后方透水、自燃发火、漏风及覆岩破坏发育高度等安全问题。通过在采空空间布设浓度、渗流、温度、应力应变等传感器，形成多参数监测网，可对各类环境及灾害条件进行数据监测与预警，提高对异常体和剩余资源的判识能力，为智能化煤矿建设及后续废弃矿井利用评价提供基础。目前，采空区的监测技术以光纤、微震、采空区全息空间扫描等技术为主。
(1)光纤技术。光纤技术因其传输距离远、损耗小，抗干扰能力强、易于实现多点多参数在线监测，被广泛应用于采空区监测。其监测以温度监测、应变监测为主，可以获得煤层采后空间的动态数据。谭玖[32]设计了采空区温度场监测系统，基于此系统采用FBG温度传感器实现对采空区进行监测，在神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿采空区温度场监测，取得良好的探测效果；张平松团队[33-34]开展钻孔光纤测试技术应用，获得覆岩、底板变形场发育特征，通过其变形破坏分带性，精确获得其岩层变形破坏深度。图4为采空区光纤探测应力分布。
图4 采空区光缆应变分布[33]
Fig.4 Strain distribution map of goaf fiber optic cable[33]
(2)微震技术。微震技术具有动态、三维监测的特点，可以对三维空间内的煤岩体性状进行全时段不间断监测。王旭[35]研究了浅层采空区顶板垮落过程的微震信息分形维数时间演化规律，从时间、空间、能量3个角度分别计算了各自的分形维值，给出采空区围岩变形破坏不同阶段微震参数的分形特性；刘超[36]等提出基于微破裂识别采空区覆岩采动裂隙，并从中获取采动裂隙场分布参数(图5)。
图5 采动裂隙场形成过程中微震事件及其等值密云图的演化规律[36]
Fig.5 Evolution of microseismic events and isoline dense cloud maps during mining-induced fracture field formation[36]
(3)采空区全息空间扫描。三维激光扫描测量技术具有快速性、不接触性、实时性、动态性、主动性、全数字性、高精度、高密度、高效率等特点。广泛用于矿山采空区探测。考虑到煤矿采空区随落特点，其在实际煤矿采空区探测应用中效果欠佳，但仍有部分学者开展其在矿山采空区探测的应用研究。夏洪春等[37]等采用三维洞穴激光扫描仪监测采空区随采场推进的时空变化，获取采空区的全息空间信息，通过专业软件处理得到采空区形态；孙树芳[38]通过对采空区三维激光扫描数据的分析与处理，获取采空区的空间数据，为地质条件的透明化提供了技术保障。通过多场监测网获取采空区多场信息与三维空间感知信息，从不同维度对采空区地质条件进行透视，为透明地质条件的构建提供数据基础，后期随着全空间立体成像技术的进一步发展，也将在煤矿智能化领域发挥重要作用。
2 三维建模技术进展
三维建模技术是透明地质模型动态重构的路径，其重点是利用各种建模算法将各阶段过程中收集的地质资料、地球物理场信息一起生成三维定量随机模型。因各过程所获取的信息不同，其对应的建模技术取得了一定的进步，但仍需要对数据进一步综合化融合与利用。
2.1 随钻三维建模
基于随钻地质信息的三维动态模型构建是实现煤矿井下地质透明化的基础，随钻测量/随钻测井系统是获取钻孔几何参数、地质参数和工程参数的关键，实现对钻进过程的动态预测与评价，结合高精度地质地球物理参数分析，为透明地质条件构建及钻孔高效精准施工提供重要数据支撑[39]。
利用随钻测量系统探查沿钻孔轨迹延伸方向的地层特性、构造分布、富水情况以及瓦斯赋存等地质信息，结合地面煤层勘探信息、井下采掘设计和已有的钻孔信息，建立可视化三维动态模型，并根据随钻测量信息反馈和钻孔揭露的信息对地质模型进行不断修正，可以更好的预测施工前方地质异常，更好的指导钻孔设计、施工、预测和评价。但目前只实现简单的三维显示，缺乏与采掘模型、地质模型、随钻测量数据之间的深度融合，多源多类型信息之间割裂比较严重，还需要更进一步的研究和突破。
2.2 巷道三维建模
巷道三维建模是以钻孔地质资料、巷道形状等为基础，通过巷道三维空间拓扑关系，实现三维建模。贾庆仁[40]针对煤层异构数据的插值，提出一种CD-TIN约束的克里金方法，以断煤交线为线性约束与离散地质点结合构建CD-TIN来约束克里金搜索过程，通过插值完成巷道三维建模；贾庆仁等[41]针对导线测量数据重建复杂巷道网络中存在的不足，提出一种巷道组件式三维建模方法即通过巷道中心线建模、巷道双边线建模、巷道组件三维建模，自动构建复杂巷道网络三维模型，可为智慧矿山建设中的空间、几何分析提供支持。
目前的巷道三维建模以静态地质模型构建为主，未对随掘多源融合数据进行充分利用，同时对复杂巷道中特殊交岔点处理及巷道无缝拼接仍需要继续深入研究。
2.3 工作面三维建模
工作面三维建模离不开地质、钻探、物探等基础数据，在此基础上进行多源数据融合解释，采用静态三维建模与采煤参数动态更新，实现采煤工作面三维模型构建(图6)。程建远等[42]提出工作面三维建模梯级构建的思路，为采煤工作面三维建模提供研究方向；张小艳等[43]将优化的PSO算法引入Kriging插值中求解变差参数，拟合变差函数模型，实现工作面煤层结构中各层的高程值预测，并用Three.Js实现综采工作面煤层赋存形态三维模型可视化。
图6 采煤工作面三维建模
Fig.6 Three-dimension modeling of coal mining face
现阶段工作面三维模型构建以静态数据为主，结合工作面采动过程中动态耦合掘进信息，随采工作面的三维动态建模还需进一步深入研究。
2.4 采空区三维建模
煤矿采空区是威胁我国煤矿安全的主要灾害之一，为了对煤矿采空区实施安全控制和管理，实现采空区保护煤柱及残存资源安全回收利用，需要准确了解并掌握采空区的三维形态、实际边界和大小信息。采空区三维建模需要获取采空区三维空间信息。以往的采空区探测技术只给出了二维结果图，无法全方位获取采空区三维空间形态，而自动激光扫描仪(C-ALS)(三维激光扫描仪(CMS))可以准确对采空区进行三维探测，获取采空区三维点云空间数据、采空区三维形态、实际边界等信息，并借助Geovia、3DMine等建模软件实现采空区三维建模。罗周全等[44]根据自主研发的采空区激光探测三维建模可视化集成系统的功能，研究 CAD通用dxf格式文件的数据储存特征，开发系统数据的CAD接口，实现由系统输出的采空区三维点云模型、空区剖面、三角网格实体模型和扫描线三维实体模型dxf文件的自动生成；黄俊杰等[45]针对复杂采空区散乱点云数据，提出运用一组等间距的垂直于包围盒走向方向的平行切割面，划分散乱点云区域，构建采空区实体模型的方法。
目前，基于激光扫描获取点云数据的三维建模虽已取得一些进步，但仍存在点云数据噪声干扰剔除，海量复杂点云数据处理等难题。同时，对于井下采空区的三维地质建模需结合微震及光纤感测等数据体进一步探索和开发研究，达到多数据源融合的高精度模型构建效果。
3 “四随”信息综合利用与思考
在智能化煤矿建设中，需要综合多种可利用的地质信息元素，使其集约整合成为透明地质系统构建的单元，着眼煤矿建设全空间全过程全链条框架，逐步实现透明煤矿信息化、数字化、智能化。地质信息的聚集需要赓续和接力，进而形成体系与系统。其整体的框架需求如图7所示。
图7 透明化地质系统框架
Fig.7 Transparent geological system framework
通过震波频率、速度、电阻率、应力、温度、浓度等多参数传感器监测设备，采集随钻、随掘、随采、随落等智能化煤矿建设各个阶段环节数据，采用数据级、特征级、决策级等多级数据融合策略及联合反演对“四随”数据进行融合处理，构建地质透明化数据信息库，动态修正煤矿地质空间信息，并通过云平台进行云端综合诊断与预警。
对标煤矿智能化的目标，透明地质模型重构环节建设需要受到重视，从现有的文献及相关资料分析看，其整体上推进速度和建设质量有待进一步提升，且在以下几个方面值得探讨。
3.1 “四随”探测技术
为适应煤矿智慧化建设对高精度探测数据的要求，“四随”单一探测技术需得到进一步发展。
(1)随钻探测数据实时传输及地层反演需要进一步深入研究。由于随钻探测技术对复杂地质特征的响应速度慢，所获取的数据质量难以保证，且受到施工场地和传输距离的影响，导致获取数据单一，数据量有限。针对此问题，开发适用于煤矿井下的近钻头随钻测量技术，缩短钻头到测量点的距离，提高数据的精度；同时为提高信号抗干扰能力，研发矿用的智能钻杆，以减少数据传输过程中的损耗。与此同时，将深度学习等工智能反演算法引入地层反演，实现对地层岩性识别与反演，进而优化钻井参数，保障随钻工程的高效率和高精度。
(2)复杂地质条件下，随掘数据的采集与处理算法需进一步发展。首先，采用线性观测系统采集掘进机掘进时的震动信号，其地震信号含有较强的背景噪音，有效信号能量较弱。为获取高精度数据，研发适合矿用随掘地震采集的观测系统，提高数据采集过程中的抗干扰能力，同时加大对随掘地震信号复合干涉脉冲化处理方法的研究，提高信号分辨率；其次，开展以综掘机、TBM钻机等为震源的主被动源随掘地震数据的波场分离精细成像技术研究，研发满足巷道三维条件下的快速波场分离算法；同时，对随掘巷道进行高精度逆时偏移成像，实现随掘巷道实时探测、高精度成像。
(3)随采地震CT技术和煤岩识别技术相对孤立，缺少互联互通，海量数据未能得到充分的利用、挖掘和融合。为实现煤炭智能开采，提高煤岩识别及构造探测的分辨率，应进一步优化插值算法，充分挖掘随采地震数据和煤岩识别数据之间的相关性，着力近距离煤岩、远距离构造条件分辨，实现不同数据之间的实时联动。此外，开展随采地震数据快速处理算法与高精度成像技术研究是未来发展趋势。
(4)采空区探测传感器及数据采集观测系统亟需研发。受垮落岩石堆积压实等作用影响，采空区中的水、气、煤、温度等条件特殊，因此，利用采空区域特征进行综合监测技术研究还有待加强，特别是研发多信息源的感知单元，及其工程布设、施工、数据传输、传感单元保护等系列过程任务的落实。通过实时、动态的“四随”探测数据整合与交叉处理，获取高精度“四随”原位探测数据以及地学信息资源，为多源数据的深度融合奠定基础。
3.2 多源数据信息融合
多源数据信息融合包括“四随”数据库构建与透明地质综合利用，是智能化煤矿建设的先导与基础。构建“四随”数据库存储“四随”数据，进而进行数据融合处理，从而为构建透明化地质条件提供本底参考。通过对“四随”过程中获取的实时、海量数据融合处理，实现对煤矿地质条件的动态修正与完善。
针对“四随”各过程中获取的多属性、多维度地质数据与物探数据，采用对象存储的云存储服务，使得各探测过程中产生的海量数据汇集在一起，为钻、掘、采、落4个环节数据融合利用提供先决条件。在此基础上，利用数据、特征分析等技术进行预处理，采用数据级、特征级、决策级等多级融合策略，进行多尺度、不同属性数据之间的融合[46]，并使用联合反演或交叉验证提高数据精度，提升对异常体判识能力。实现钻孔、巷道、采煤面、采空区及废弃矿井等各环节地质条件透明化，逐步形成透明工作面、透明采区、透明煤矿。
其中，针对不同属性数据间的联合反演，选择合适的约束条件是多源数据联合反演的首要问题。针对缺乏岩石物理关系的不同物性数据之间的联合反演，采用交叉梯度约束可以很好地解决约束条件选取难题，基于交叉梯度约束条件只要求参与反演的模型具有结构相似性即可，更容易编程实现。
以巷道随掘地震与瞬变电磁超前探测数据为例，构建联合反演目标函数：
+
(1)
其中，m1、m2为2种不同的物性参数(如速度、电阻率)；d1、d2分别为参数m1和m2的实测数据；f(m1)为参数m1的正演响应；α1、α2分别为参数m1和m2的数据拟合差项的权重因子；s1、s2分别为m1和m2的模型约束项；β1、β2分别为m1和m2的模型约束项的权重因子；t为交叉梯度约束项；λ为交叉梯度项的权重因子。图8为地震与瞬变电磁联合反演应用示例，联合反演结果要比单一反演更优。
图8 地震全波形单独反演速度剖面和联合反演速度剖面
Fig.8 Single inversion of seismic full waveform velocity profile and joint inversion velocity profile
通过对“四随”过程中获取的多源数据融合处理，有效提取煤岩层厚度、深度和构造等地质信息，也为构建一体化透明地质平台提供基础数据。
3.3 物探一体化装备研发
加强对“四随”装备软硬件的投入和研发力度。一是提高设备硬件一体化水平，研发适合不同探测任务、不同探测环境下与物探技术联合的“四随”一体化装备，与此同时，提升装备的环境自适性能，满足防尘、防爆、便携性、轻量化等可操作性能指标。例如随掘探测中研发适合TBM钻机的地震、电法一体化探测技术，与TBM装备有机搭载，实现掘进前方地质异常信息数据的短距离、高频次、高精度采集。二是提高设备软件的智能化、信息化水平，实现近距地质条件高精度分辨，远距离地质条件高效预报，动态交互更替。例如随钻探测主要由钻机、数据采集、导向系统组成，研发具有智能感知、岩性识别、异常判识的智能化钻机，配合5G数据传输，人工智能数据反演，实现钻孔轨迹智能修正，以及地质条件的分距离、分精度信息预报。
此外，为满足实时、动态数据采集需求，“四随”设备还需不断向操作便捷、无人值守、轻便化、耐粉尘更迭。
3.4 透明地质软件平台建设
“四随”技术需要实现对多透明地质条件信息构建的综合利用。目前“四随”获取的地质信息，其透明化利用统一性不足，钻探、掘进、回采、采空区管理等涉及到多部门，技术涉及到多学科，其在统一利用和归一化管理上未能实现，难以形成统一，对构建透明地质信息平台作用未能有效发挥。
透明化地质信息平台的构建主要是整合、协同利用煤矿生产周期全过程中收集的钻探、GIS、三维地震、沉积、构造、测绘、矿建、水文地质与井下揭露以及生产过程中的随钻、随掘、随采、随落等巨量信息源，建立研究区到煤矿的三维地质模型，并进行集中管理与分析。重点利用随钻地震、钻孔瞬变电磁、随掘地震、随采地震以及采掘过程中实际揭露情况形成煤矿环境云网络体，进而对煤矿内部的煤层及顶底板、断层、陷落柱等地质体进行精细探测，通过大数据、5G数据传输、虚拟现实等技术实现煤矿地质信息透明化。图9为一体化透明地质软件平台示意。
图9 一体化透明地质软件平台
Fig.9 Integrated transparent geological software platform
综合利用“四随”过程中的钻探、物探、巷探和采掘揭露等数据，结合三维动态建模及云平台构建一体化透明地质软件平台，可以实时、有效掌握各个阶段的情况，实现地面操作人员对采掘活动的远程操作，达到智能无人开采。目前，地质信息透明化构建主要仍以单个服务对象为主，集中在巷道和工作面三维建模。针对常规三维建模存在建模数据量少且延时的问题，基于“四随”技术建模，则具有海量、动态建模数据的特点，满足智能化煤矿地质透明化三维建模对数据实时、动态更新需求，且通过RBF三维空间插值算法或模拟技术，将巷道或工作面插值出对象空间几何结构，并根据约束条件自动提取三维几何模型，每次只需输入巷道或工作面的空间数据和物探数据，就能够完成模型的实时更新。通过巷道、工作面和三维模型一体化分割技术形成巷道工作面与三维地质模型的一体化三维模型，使得矿山透明地质模型可视化、图形化能够实时切换多环境信息的动态展示。
3.5 三维地质模型动态重构路径
三维地质模型动态重构的核心是利用现有的煤矿生产地质资料，结合勘探钻孔资料、地面三维地震探测等资料构建整体三维静态地质模型，然后通过收集煤矿生产全周期内产生的随钻探测、随掘探测、巷道掘进揭露、随采探测、工作面回采揭露、随落探测等实时动态数据信息，构建透明化地质信息数据库，经过多维数据融合处理，动态修正三维地质模型局部特征，实现对三维地质模型中巷道、工作面、采区等整体及局部信息精准化、透明化重构(图10)。
图10 三维地质模型动态重构路径流程
Fig.10 Dynamic reconstruction path flow chart of three dimensional geological model
4 结 语
笔者提出“四随”地质信息重构概念，基于不同的点、线、面、体信息汇集与整合，逐步形成透明工作面、透明采区、透明煤矿动态的地质模型技术体系。目前，智能化煤矿建设需求多、变化快，亟待研究的关键技术问题复杂、多样。加强煤矿勘探和生产各个环节实时地质信息的收集与信息化建设是透明地质模型构建的关键环节。
与此同时，煤炭行业降碳、绿色低碳化发展迫在眉睫，煤炭生产过程全链条共同发力势在必行，煤矿地质条件透明化与模型动态重构对提升煤矿智慧化程度以及“双碳”目标实现具有重要的理论和实践意义。因此，通过地质多源数据的收集、感知、建库、融合，实现煤矿地质信息静态模型重构和动态模型修正，不断丰富矿山地质条件透明化的整体构建。
关注“四随”勘探物探一体化技术发展，加强技术研发和装备创新，不断探索和健全智能化煤矿建设内容，共同推进和提升煤炭行业高质量内涵式建设能力和水平。
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