透明矿山建设与推进的思考

郭昌放，杨 真，武 祥，张海红，吴钔钛，陈一鼎，周兴策

(1.中国矿业大学人工智能研究院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；3.昆明煤炭科学研究所，云南省昆明市，650051)

0 引言

煤炭是我国的主体能源和基础产业[1-2]，据《中国能源中长期(2030、2050)发展战略研究》报告推测，未来30年内煤炭资源在我国一次能源消费结构中的比例仍然保持在一半左右[3]。因此，我国的能源格局仍然是以煤炭为主，关键是接下来如何做好煤炭这篇大文章[4]。近些年来，我国正在加快构建清洁、高效、安全和可持续的现代能源体系，煤炭工业作为我国的传统行业，高效智能的生产管理技术体系建设已经成为煤炭行业未来发展的需求和必然方向[5-6]。2020年，8部委制定和发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，煤矿智能精准开采[7]不仅符合国家的战略规划，同时也已成为行业未来的发展趋势以及未来绿色采矿的必由之路。

近年来，袁亮院士以及澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)[8]等国内外众多学者与机构曾先后提出，矿山的透明化建设作为煤矿智能精准开采实现的基础和前提，对于推动煤炭资源的安全高效开采具有重要意义[9-10]。作为目前煤炭工业实现高质量发展转型升级迫切需要解决的核心问题，透明矿山建设已成为行业内的研究热点。

煤炭资源的开采处于一个持续发展和动态变化的环境过程中，矿山的透明化建设所涉及的人-设备-环境具有分布范围广、种类多、更新快、环境复杂等因素，实施过程中会面临诸多挑战。1990年，加拿大开始着手数字化矿山建设相关研究，设计并研发出了遥控采矿系统，而且该系统在镍矿开采过程中得到了成功应用[11]。此后，澳大利亚、瑞典和芬兰等国家相继投入到数字化矿山的建设过程中，并研发了矿井可视化软件。1999年，澳大利亚学者提出了“玻璃地球”的概念[12]，设想利用遥感、地质以及地球物理勘探等方法实现地下1 km内地质状况的透明化。2008年，IBM公司首席执行官彭明盛[13]首次提出“智慧地球”的概念，旨在将智能技术应用到生活的各个方面，使地球变得越来越智能化。

目前，“互联网+”正在与各产业进行快速的融合，煤炭开采行业也在由原来的劳动密集、粗放型生产管理模式向信息化、自动化、精准化、智能化以及无人化开采方式转变，因此透明矿山以及智慧矿山等概念相继被提出并进行设计研究[14-15]。2017年，袁亮院士[16]提出了基于透明空间地球物理和多物理场耦合为核心的煤炭精准开采理念，通过将地理空间服务技术、互联网技术、CT扫描技术、VR技术等推动矿山的可视化建设；2018年，毛善君教授等[17]研究人员提出了透明化矿山管控平台的设计与关键技术，旨在通过三维模型的构建与动态修正、多源时空数据的集成和可视化等关键技术为透明矿山的建设提供整体的架构思路；2019年，陆斌[18]提出了基于孔间地震细分动态探测方法对工作面内的地质构造进行精准探测，以推动透明矿山的建设；程建远等[19]研究人员提出了透明矿山建设的地质模型梯级构建及其关键技术；田建川[20]提出了基于煤矿地质异常透明化的自动化采煤系统和方法。

透明矿山的实现不仅仅要以精准化的地质勘探成果为基础，同时还需要实现对矿井动态复杂多场多参量信息的集成、融合和挖掘分析，以促进矿井更大范围、更广维度和更高精度的透明化，为煤矿的智能精准开采提供数据支持。

1 透明矿山建设存在问题及建设思路

1.1 透明矿山建设存在问题

透明矿山作为煤矿智能化、无人化的基础和前提，能够快速准确的为管理人员和技术人员提供决策支持和安全保障。然而，煤炭资源的开采处于一个持续发展和动态变化的环境过程中，透明矿山建设所涉及的人、设备和环境分布范围广、种类多、更新快、环境复杂，实施过程中面临诸多挑战。

1.1.1矿山生产外部环境-煤矿多源大数据不对称

煤矿工作面回采是一项复杂的系统工程[21]，它涉及采矿、掘进、机电、运输、通风、水文、地质、测量、监控监测等多个学科专业，需要由生产技术部、地质部、通风部、调度室、计划科、生产队组、掘进队组、准备队组、开拓队组等多个部门协同配合作业完成。而且从工作面的设计到回采完成的整个过程中，周围的人、设备和环境都在不断的发生变化，并时刻产生着数据量巨大、类别广泛以及形式各异的多源异构数据，具体特征如下。

(1)数据量大。煤矿工作面在回采过程中实时产生着大量的生产相关数据，其中包括图形化的工程数据、矿井水、火、瓦斯、顶底板等为主的环境监测数据，设备位置以及运行状态数据，人员位置数据以及人工测量数据等。而且，随着煤矿企业信息化水平的提高，数据量将会更大。

(2)数据种类繁多。煤矿工作面在回采过程中，产生的数据种类主要有工程图纸、图像、数字、文字、视频、音频等多种形式[22]。

(3)数据迭代更新迅速。煤矿工作面在回采过程中有关空间数据信息、开采进度以及监测监控数据、揭露数据，以及其他设备和人员位置状态等数据信息都在时刻发生着变化[23]，因此数据的更新变化速度较快。

(4)数据共享频繁。由于煤矿企业的生产需要多部门、多专业人员协同配合作业才能完成，因此在生产过程中分散在不同地点、不同部门、不同人员处的多源数据信息需要及时地共享，保证对生产信息的统一认知，便于生产安排和执行[24]，避免因信息不对称而造成的经济损失和人员伤亡。

由于煤矿企业工作范围较大且人员分布较分散，此外煤矿企业各部门之间在生产中有着高度分工和专业化的特点，因此各部门以及每个作业人员个体之间互相独立，掌握的数据和信息各不相同。由于缺少统一的协同工作信息共享机制和作业平台，从而导致煤矿企业在生产过程中产生的多源数据得不到及时的共享，技术人员和管理人员难以实现对多源数据的统一认识，使得煤矿企业生产安排以及资源优化配置难度大，各系统协同配合复杂度高。因此，目前煤矿企业存在着严重的“信息孤岛”和“数据不透明”问题。煤矿多源数据共享现状如图1所示。

图1 煤矿多源数据共享现状

因此，透明矿山建设首先需要建立统一的信息协同共享机制，实现煤矿多源大数据的实时共享和透明化管理。

1.1.2矿山生产内部环境-煤矿地质保障技术有待提高

煤矿地质环境的精准探测是实现安全高效开采的基础条件，不仅直接影响着矿井采掘方案的制定，同时也给井下作业人员的安全带来潜在风险。

目前，主要通过钻探、地质学、统计预测以及后来发展起来的地球物理勘探等方法[25-26]。地面以及井下钻探、巷探等方式虽然得到的结果最为直接和真实，但是往往需要花费较高的时间成本和经济成本，而且具体实施过程与制定的方案往往存在偏差，同时还存在一定的探测盲区，留下安全隐患[27]。相比之下，地球物理勘探方法往往具有更高的经济性和快捷性。常见的矿井物探方法主要有：地面地震勘探法[28-29]、矿井瞬变电磁法[30]、矿井地质雷达法[31]、矿井直流电法[32]、电磁波CT法以及地震槽波透射勘探等。其中，地面地震勘探方法探测范围较大，但其精准度相对井下物探方法较低[33]。井下地震槽波透射勘探应用效果显著[34-35]，但是，地震勘探往往以炸药作为震源，而且由于现场实施作业人员较多，施工程序较为复杂，设备也比较多而且繁重，从而导致整个勘探过程持续时间长、成本高，并具有一定的安全风险。矿井瞬变电磁法以及直流电法对于富水性较强的异常体比较敏感，虽然在矿山水害防治与预测方面取得了较好的应用成果[36-37]，但是对于断层、陷落柱等地质异常反应不够灵敏，从而导致应用场景具有一定的局限性。

1.2 透明矿山建设思路

透明矿山作为矿山智能精准开采地质保障体系建设的核心，面对矿山井下封闭的环境，持续发展和动态变化的条件，难以一蹴而就。因此，本文从目前矿山企业迫切需要解决的矿井生产外部感知环境及内部地质环境透明化入手展开深入探讨和研究，具体建设思路如图2所示。

图2 透明矿山建设思路

首先，一是，针对矿山生产外部环境的透明化感知，应基于统一的标准建立煤矿多源异构大数据协同共享平台，从而保证矿井生产相关人、设备和环境所感知矿井生产外部环境的对称和透明。二是，针对不同的物探技术和探测原理，通过对其反演算法的研究和优化，以及基于平台所获取的先验数据，随采动过程持续更新提高矿井生产内部环境地质勘探结果的精准性。

其次，为了进一步提高地质环境预测的精准性和可靠性，促进矿井内部地质环境的透明化，多种物探技术联合探测方法相继被使用。虽然反演预测结果的多解性得到有效控制，但是需要消耗的时间成本和经济成本较高，难以实现常态化推广应用。在具体实施过程中，针对不同的探测任务往往选择不同的探测方法，而探测结果的精准性除了取决于现场采集数据的质量外，反演算法的优化和揭露多源先验数的充分结合和利用往往也能够提高探测的精准性。

最后，在煤矿多源数据协同平台的基础上，针对不同生产环节所面临的具体问题，通过对相关多源数据的深入挖掘和分析，来提高更大范围和更高维度的矿山信息化建设。

2 透明矿山建设关键技术

2.1 煤矿多源大数据协同共享平台建设

煤矿工作面生产过程中产生的多源数据按照类别总体可划分为：图形化工程数据、监测监控数据以及文档类数据。在这3类数据中，同种类数据内部以及不同种类数据之间都是独立分散的，因此需要建立统一的协同共享机制实现多源数据的实时共享和透明化管理[38]。

本研究团队通过大量现场调研，研究了煤矿多源数据的分类、特点以及透明化现状，提出了煤矿多源数据协同共享机制和平台建设架构，采用CAD的二次开发方式，按照自定义的mxg标准数据格式，通过nodejs运行的服务端系统，将煤矿中不同的多源数据以图形化工程数据为导向，统一到同一张图纸上进行展示，以实现对感知多源数据的高效管理、实时准确更新和快速共享，为工作面内地质异常的层析反演和结果的预测提供数据支持。更为重要的是，该平台将有助于实现煤矿更大范围和更高维度的透明化。图形化工程数据协同作业平台应用界面如图3所示，煤矿多源监测监控数据协同管理应用界面如图4所示。

图3 图形化工程数据协同作业平台应用界面

图4 煤矿多源监测监控数据协同管理应用界面

2.2 煤矿工作面地质异常精准勘探技术

工作面作为煤矿生产的核心单元，内部地质异常的精准识别作为工作面透明化建设的核心，直接影响着工作面回采方案的制定、回采效率以及井下工作人员的生命安全。随着煤矿开采深度的增加，工作面所面临的开采条件将变得更加复杂，因此，透明矿山建设首先需要保证对工作面内部地质构造及煤层赋存状态的精准勘探。

2.2.1地质构造的精准探测

井下工作面电磁波CT技术作为一种非接触式探测方法，由于具有施工便捷、效率高、分辨能力强、成本较低等特点，而且还不存在破坏性，使其成为目前国内外煤矿工作面内部地质异常探测和反演的主要方法[39-40]。电磁波透射定点观测法示意图如图5所示。

图5 电磁波透射定点观测法示意图

然而，目前煤矿工作面常见的层析反演算法大都采用单一的初始模型，经过反复向改进的邻近解集移动，直到满足允许条件以求得最终解，但是其反演结果很大程度上取决于单一初始模型的选择，而且容易陷入局部最优解[41]。而随着人工智能技术的快速发展以及多领域学科的交叉融合，一些先进的智能计算方法凭借其特殊的全局优化随机搜索机制，对初始模型依赖程度较低的特性，已经在各行业中得到了广泛应用[42-43]。因此，将智能算法引入到工作面地质异常反演重构过程中代替传统反演算法的研究，对于实现工作面内地质异常环境的精准识别具有重要意义，并为工作面内地质异常的反演提供了一种新思路[44]。

此外，煤矿工作面的形成以及回采在时间和空间上是持续发展和动态变化的过程，时刻都在揭露新的生产数据[31]。然而，这些已揭露的多源先验数据都只是定性的参与到地质异常反演结果的分析和预测过程中，并未参与到层析反演的计算过程中。这不仅直接影响着反演结果的精准预测，同时还产生一定的数据资源浪费。因此，通过构建基于多源数据约束的地质异常重构模型，将外界多源先验数据引入到层析反演计算过程中，以实现对多源先验数据的充分利用，进一步提高煤矿工作面地质构造勘探的精准性[31]。工作面地质构造精准探测流程如图6所示。

图6 工作面地质构造精准探测流程

2.2.2工作面煤厚的精准预测

工作面煤厚的精准预测作为透明矿山建设的重要属性之一，同时也是智能无人工作面实现的关键。矿井地震探测技术主要以煤、岩本身作为研究对象，根据波的反射、折射、透射及频散等特性来探查未被开采煤层的不连续性。由于槽波地震勘探技术由于其探测距离大、精度高、抗电干扰能力强以及波形易于识别等[45]优点，而且槽波对煤厚变化比较敏感，在煤层内传播的槽波频散特征明显，易于识别，因此可通过采集煤层槽波地震信号对煤厚分布结果进行分析预测。

为了提高工作面煤厚探测精准性，本研究团队在准备对拾取的地震槽波走时进行层析反演计算时，提出了遗传算法(GA)与同步迭代重建技术(SIRT)相结合的GA-SIRT混合反演模型，充分利用了遗传算法强大的全局搜索能力和SIRT算法快速的局部收敛速度。此外，它分别抑制了GA算法和SIRT算法的局部搜索能力差和局部最优值效应，有效提高了煤厚探测的精准性。工作面煤厚的精准探测流程如图7所示。

图7 工作面煤厚的精准探测流程

2.3 煤矿掘进工作面前方地质异常的精准勘探技术

煤矿掘进工作面前方透明化精准勘探不仅有利于提高巷道的掘进效率，同时对于井下作业人员的安全保障也具有重要意义。目前煤矿主要的超前探测手段是采用钻探进行探测，但钻探施工效率低且存在一孔之见的局限，如果施工不当还可能导致瓦斯爆炸及突水等事故。在这种背景下，地球物理方法最近几年得到突飞猛进的发展；目前在煤巷进行超前预报的地球物理方法主要包括地震类、电磁法类及其他类技术，其中用于煤巷前方构造探测主要采用地震类方法，如MSP技术、RTSP技术等；但MSP和RTSP技术通常需要在左右帮布置大量炮孔或锤击点及三分量检波点，施工时间长，后续处理步骤多，不利于及时指导掘进工作，并影响掘进工作进度。另外目前虽有通过反射槽波进行异常构造超前探测的方法，但是其探测过程是通过接收的反射槽波，然后检测出反射槽波的最大振幅及其所对应的时间，进而得出探测前方的异常构造；但是由于煤巷内环境比较复杂，导致接收的反射槽波的波形会受影响相互叠加，这样对后续检测出最大振幅比较困难，无法有效地检测出异常构造的位置。

针对上述现有技术存在的问题，本研究团队提出一种基于连续跟踪槽波信号的煤巷超前探测异常构造方法，只需一个锤击点就可进行测试，而且探测精准度高，施工时间短，后续处理简单，便于及时指导现场安全掘进。反射槽波连续观测系统布置如图8所示。

图8 反射槽波连续观测系统布置

本方法基于反射槽波信号并采用能量包络进行预测，当在煤层中激发地震波时，由于顶、底板围岩速度明显高于煤层中地震波的传播速度，当地震波入射角大于临界角时会发生全反射，经过多次全反射混合叠加，在煤层中形成槽波，槽波作为一团能量束缚在煤层中传播。如果遇到异常构造，槽波就会在分界面发生反射，通过反射槽波能量包络对应的时间来反演波阻抗界面(即异常构造)距探测位置的距离，并通过对巷道连续跟踪探测接收到的反射槽波能量包络在时间和空间上的关系来预测异常构造的具体位置。利用反射槽波定位异常地质体的流程如图9所示。

2.4 煤矿安全隐患的透明化管理

现阶段，煤矿安全形势不容乐观，有的煤矿隐患排查治理工作浮于表面，难以形成良好的反馈和透明化管理机制[46]。因此，构建煤矿事故隐患排查系统，有利于有效管控并及时治理煤矿生产作业过程中出现的可能导致各类安全事故的隐患，防范隐患未及时发现和治理而演变成为事故。

图9 利用反射槽波定位异常地质体的流程

图10 煤矿安全隐患透明化管理技术框架

本研究团队构建开发的基于文本挖掘的煤矿事故隐患排查信息系统[47]，能够有效提高煤矿安全隐患的持续追踪和透明化管理。在煤矿安全生产标准化要求的指导下，该系统结合煤矿企业长期隐患排查治理工作经验，梳理优化事故隐患排查治理流程，构建了煤矿事故隐患排查治理体系。并且将文本挖掘技术应用于煤矿事故隐患排查信息知识发现，能够从不断增长的海量隐患文本数据有效提取事故隐患背后的规律、规则和特点，反馈提升煤矿自身的隐患排查水平，为煤矿事故隐患排查和治理决策提供支持，实现隐患排查从粗放式管理向精细化管理、从被动应对向主动预防、从依赖传统经验向基于数据挖掘的智慧决策的转变，从而增强煤矿从业人员的工作安全因素，减小煤矿安全问题对企业发展的限制，对煤矿企业的长远发展和煤矿从业者的人身安全意义重大。煤矿安全隐患透明化管理技术框架如图10所示。

3 结语

针对矿井生产外部和内部环境透明化建设过程中存在的感知基础多源大数据的不对称、煤层地质信息探测的不精准等问题，提出了透明矿山建设的思路和框架。系统全面地介绍了矿山多源数据协同共享平台的架构，剖析了反演建模、充分利用多源先验数据提供模型约束、优化智能算法提高反演精确性等的可行性，实现了对煤炭的地质构造、煤层厚度、掘进工作面的地质异常等的精准探测，并对安全隐患透明化管理技术框架提出了若干思路。透明矿山不仅仅局限于完成矿山数据的共享与协同、地质构造的精准探测以及安全隐患的透明化管理，而是应该充分利用多源先验数据，将其融入矿井生产的各个环节，实现从单个作业地点到整个矿井更大范围、从单一的地质属性到水、火、瓦斯、冲击地压等更高维度的透明化。