《煤矿智能地质保障系统》全面回顾煤矿地质保障技术的发展历程，提出煤矿智能地质保障系统的总体设计思路，阐述随掘随探、随采随探、智能化钻探、钻孔物探等智能探测技术以及水文监测、微震监测、电法监测等智能监测技术的方法原理和应用实例；介绍智能化钻探技术与装备的关键技术与工程应用；提出煤矿多源异构地质大数据融合方法、三维地质建模技术和透明地质软件平台的构建方法，展望数字孪生技术在未来煤矿智能地质保障系统建设中的应用前景。

目录
丛书序
前言
**篇 煤矿智能地质保障系统概述
第1章 煤矿地质保障技术发展历程 3
1.1 国外煤矿地质保障的技术演进 4
1.1.1 地球物理探测技术 5
1.1.2 钻探技术与装备 9
1.1.3 三维地质建模技术 12
1.2 国内煤矿地质保障的发展历程 13
1.2.1 煤炭资源勘探开发地质保障阶段 13
1.2.2 “双高矿井”建设地质保障阶段 14
1.2.3 煤矿安全高效生产地质保障阶段 18
第2章 煤矿智能地质保障系统架构 25
2.1 煤矿智能地质保障系统的提出背景 25
2.1.1 智能地质保障系统的提出 25
2.1.2 智能地质保障系统的内涵 26
2.1.3 智能地质保障系统的外延 28
2.2 煤矿智能地质保障系统的总体设计 35
2.2.1 智能地质保障系统的技术架构 35
2.2.2 智能地质保障系统的核心技术 36
第二篇 煤矿智能物探技术与装备
第3章 随掘智能探测技术 43
3.1 随掘地震探测方法 43
3.1.1 地震可控震源技术原理 44
3.1.2 掘进机震源及其信号特征 44
3.2 随掘地震探测技术 47
3.2.1 随掘地震数据采集 47
3.2.2 随掘地震数据处理 47
3.2.3 随掘地震偏移成像 52
3.3 随掘地震参数论证 54
3.3.1 道间距 54
3.3.2 测线长度 55
3.4 随掘地震探测实例 57
3.4.1 随掘地震探测断层 57
3.4.2 随掘地震探测陷落柱 60
第4章 随采智能探测技术 63
4.1 随采地震探测方法 63
4.2 随采地震探测技术 64
4.2.1 随采地震数据采集 64
4.2.2 随采地震数据处理 66
4.3 随采地震探测工艺 74
4.4 随采地震探测实例 77
4.4.1 随采地震构造探测 77
4.4.2 贵州岩脚煤矿随采地震应力监测 79
第5章 钻孔地质雷达技术与装备 84
5.1 钻孔雷达探测技术 84
5.1.1 钻孔雷达探测原理 84
5.1.2 钻孔雷达仪器装备 85
5.2 钻孔雷达响应特征 86
5.2.1 煤岩界面特征 86
5.2.2 断层响应特征 87
5.2.3 陷落柱响应特征 87
5.2.4 裂隙带响应特征 88
5.3 钻孔雷达数据处理 88
5.3.1 数据编辑 89
5.3.2 常规处理 90
5.3.3 增强处理 95
5.4 钻孔雷达数据解释 97
5.5 钻孔雷达应用实例 100
5.5.1 煤岩界面探测 100
5.5.2 出水点探测 103
第6章 钻孔瞬变电磁技术与装备 105
6.1 钻孔瞬变电磁探测原理 105
6.2 钻孔瞬变电磁探测方法 106
6.2.1 钻孔瞬变电磁探测装备 106
6.2.2 钻孔瞬变电磁施工工艺 107
6.3 钻孔瞬变电磁数据处理 107
6.3.1 数据预处理 107
6.3.2 视电阻率数据处理 116
6.3.3 异常体空间定位技术 117
6.4 钻孔瞬变电磁应用实例 120
第7章 其他钻孔物探技术与装备 124
7.1 煤矿钻孔综合物探思路 124
7.2 钻孔孔内物探技术及装备 124
7.2.1 钻孔无线电波透视技术及装备 124
7.2.2 钻孔音频电透视技术及装备 127
7.2.3 钻孔伽马岩性探测技术 129
7.3 钻孔物探数据处理方法 130
7.3.1 钻孔电磁波透视数据处理方法 130
7.3.2 钻孔音频电透视数据处理方法 131
7.3.3 钻孔伽马测量数据处理方法 133
7.4 钻孔综合物探应用实例 133
7.4.1 钻孔音频电法透视实例 133
7.4.2 钻孔伽马岩性测井实例 135
第三篇 煤矿智能化钻探技术与装备
第8章 煤矿智能化钻探技术 139
8.1 钻机定位与导航技术 139
8.1.1 井下钻机导航自主化程度 139
8.1.2 井下钻机自主导航方式 140
8.1.3 井下钻机自主导航关键技术 140
8.1.4 井下钻机导航试验 142
8.2 位姿智能调节技术 142
8.2.1 智能钻机运动学建模 142
8.2.2 智能钻机姿态感知技术 146
8.2.3 姿态调节控制算法 148
8.3 智能感知与自适应控制技术 149
8.3.1 智能感知技术 150
8.3.2 自适应控制技术 156
8.4 远程数据交互技术 157
8.4.1 钻机远程交互系统的总体设计 157
8.4.2 远程交互系统硬件平台的搭建 158
8.4.3 远程交互系统控制软件的开发 160
第9章 煤矿智能化钻探装备 163
9.1 智能化钻探装备的定义与内涵 163
9.2 智能钻机的系统构成 163
9.2.1 模块化机械系统 163
9.2.2 负载敏感电液系统 166
9.2.3 分布式控制系统 168
第10章 智能化钻探装备应用 171
10.1 探放水钻孔施工 171
10.1.1 矿井概况 171
10.1.2 地质条件 171
10.1.3 施工方案 172
10.1.4 施工情况 175
10.2 瓦斯抽采钻孔施工 176
10.2.1 顺煤层钻孔施工 176
10.2.2 穿层钻孔施工 179
10.2.3 顶板高位大直径定向钻孔施工 182
第四篇 煤矿灾害智能监测系统
第11章 煤矿水文监测系统 187
11.1 系统组成与功能 187
11.1.1 监测中心主站 188
11.1.2 监测网络 189
11.1.3 监测分站 190
11.1.4 系统功能 191
11.2 监测技术与装备 195
11.2.1 含水层水文监测 195
11.2.2 涌水量动态监测 196
11.2.3 采空区积水监测 198
11.2.4 地表水系及其他 198
11.3 监测系统及应用 198
11.3.1 试放水阶段 199
11.3.2 叠加放水**阶段 200
11.3.3 联合放水阶段初期 202
11.3.4 放水试验期间 203
11.4 水文智能监测系统 204
11.4.1 水文智能监测系统融合与联动 205
11.4.2 基于互联网+水文监测系统 206
第12章 煤矿微震监测系统 208
12.1 微震监测技术原理 208
12.2 微震监测数据采集 209
12.2.1 微震监测观测系统 209
12.2.2 观测系统设计原则 210
12.3 微震监测仪器装备 211
12.3.1 微震监测系统构成 211
12.3.2 节点式微震监测系统 211
12.3.3 有缆式微震监测系统 213
12.4 微震监测数据处理 215
12.5 微震监测数据解释 218
12.5.1 微震事件震级 218
12.5.2 震源参数计算 219
12.6 微震监测应用实例 219
12.6.1 煤矿井下微震监测 219
12.6.2 井-地联合微震监测 228
第13章 煤矿电法监测系统 237
13.1 电法监测技术原理 237
13.1.1 技术背景 237
13.1.2 直流电阻率法 238
13.1.3 音频电透视法 241
13.2 电法监测数据采集 242
13.2.1 电法观测装置 242
13.2.2 多测线观测系统 247
13.2.3 组合探测方法 248
13.2.4 数据采集密度的选择 248
13.3 电法监测系统组成 249
13.3.1 系统结构 249
13.3.2 监测装备 252
13.3.3 控制软件 255
13.4 电法监测工艺方法 259
13.4.1 巷道电法监测工艺 259
13.4.2 孔中电法监测工艺 261
13.5 电法监测数据处理 262
13.5.1 电法监测数据预处理 262
13.5.2 电法监测数据反演成像 266
13.5.3 监测数据自动处理解释 270
13.6 电法监测应用实例 274
13.6.1 顶板裂隙带的高度监测 274
13.6.2 底板承压水害动态监测 277
13.6.3 注浆治理前后效果监测 280
第五篇 煤矿透明地质技术平台
第14章 煤矿地质建模数据融合分析 287
14.1 煤矿地质建模数据的特征 287
14.1.1 地质数据的多源性 287
14.1.2 地质数据的异构性 288
14.1.3 地质数据的时空性 289
14.1.4 地质数据的模糊性 289
14.2 煤矿地质建模数据的管理 289
14.2.1 地质建模数据分类 291
14.2.2 地质建模数据库设计 291
14.2.3 地质建模数据采集 294
14.2.4 地质建模数据应用 296
14.3 煤矿地质建模数据的融合 298
14.3.1 地质数据融合原则 298
14.3.2 地质数据融合方法 302
14.4 多源地质数据融合实例 307
14.4.1 工作面的基本情况 307
14.4.2 三维地震动态解释 308
14.4.3 构造探采对比解释 310
14.4.4 数据融合精度分析 310
第15章 煤矿三维地质建模技术 313
15.1 空间数据模型与三维地质建模方法 313
15.1.1 空间数据模型 313
15.1.2 三维地质建模方法 315
15.1.3 三维地质建模软件 318
15.2 体元切割的三维地质实体建模方法 319
15.2.1 体元切割的模型构建过程 319
15.2.2 基于离散光滑插值的煤层底板面模型构建 320
15.2.3 基于克里金插值煤层厚度的顶板面模型构建 325
15.2.4 初始四面体填充的三维实体模型构建 326
15.2.5 三角网切割四面体构建各地层实体模型 329
15.2.6 断层、陷落柱及井巷工程实体模型构建 332
15.3 三维地质建模的工程实例 333
15.3.1 矿井地质条件 333
15.3.2 三维地质模型构建 334
15.3.3 三维地质模型的精度 344
第16章 煤矿透明地质软件平台 346
16.1 煤矿透明地质软件的架构 346
16.1.1 微服务架构技术 346
16.1.2 Docker技术 348
16.2 透明地质保障软件的设计 348
16.2.1 应用层 348
16.2.2 平台层 349
16.2.3 基础设施层 351
16.3 透明地质软件的微服务架构 352
16.3.1 数据获取的微服务构建 352
16.3.2

**篇 煤矿智能地质保障系统概述
　　第1章 煤矿地质保障技术发展历程
　　据英国石油公司2014年资料，石油、煤炭、天然气和新能源在全球一次能源消费结构中的比例分别为32.6%、30.0%、23.7%和13.7%，且新能源的占比逐年上升，世界能源消费结构正在迈入“四分天下”的时代(图1-1)(邹才能等，2016)。我国煤炭资源量居世界第三位，仅次于美国、俄罗斯；我国煤炭产量1989年*次突破10亿t，此后一直位居世界**；2024年，我国原煤产量47.6亿t，占全球煤炭产量的52.49%；中华人民共和国成立以来，煤炭在全国一次性能源消费中的占比长时间保持在60%以上(图1-2)。
　　“富煤、贫油、少气”的资源禀赋决定了今后煤炭仍将是我国的主体能源，且在未来较长时期内，煤炭仍将在国家能源安全中发挥不可替代的“稳定器”和“压舱石”作用。
　　煤炭地质工作是煤炭工业的基础性工作，贯穿于煤炭工业的全过程，在煤炭资源勘查、井田划分、矿井设计、建设、生产、关闭以及生态环境修复等不同发展阶段，都为煤炭工业的健康发展提供了基础条件保障。煤炭地质工作是煤炭资源勘查、设计、开发、利用以至于闭坑全链条、全生命周期中所有地质工作的统称，包含煤田地质与煤矿地质两个阶段。煤田地质是指煤矿建井阶段之前开展的地质工作，煤矿地质由建井阶段的矿井地质与生产阶段的矿井地质组成，其中矿井地质是在煤矿建井和生产过程中进行的、直接为煤矿生产服务的地质工作(柴登榜，1984)。煤矿地质工作的主要任务是查清含煤岩系的地质构造(包括断层、褶*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(彭苏萍，2020)。煤矿地质保障是一个系统工程，其中煤炭综合地质勘查技术是煤矿地质保障的核心技术支撑，是煤炭地质、水文地质、物化探、遥感、钻探与坑探、测试化验等多学科交叉的综合性技术。本章将以井工煤矿生产阶段的矿井地质条件精细探查技术为主，重点介绍煤矿地质保障系统中综合探测技术的发展历程。
　　1.1 国外煤矿地质保障的技术演进
　　20世纪50～60年代，国外煤矿开始大力发展和推广机械化开采技术，采煤机械化程度迅速提高。1955年美国采煤机械化程度已达到84%，1965年英国、联邦德国井工煤矿采煤机械化程度分别达到75%和79%；20世纪70年代，联邦德国、英国、美国等主要采煤国家的采煤机械化程度达到90%以上(郑行周，2003)。煤矿机械化开采方式极大地减轻了工人的劳动强度，降低了百万吨死亡率，具有很高的劳动生产效率；同时，煤矿机械化开采对地质条件的查明程度提出了更高的要求。只有在采前预先查明采煤工作面内部的煤层厚度、褶*、断层等开采地质条件，以及可能影响安全开采的陷落柱、采空区、火烧区、冲刷带、富水区、底鼓带等隐蔽致灾因素的前提下，煤矿机械化开采的综合效能才能得到充分发挥；反之，采煤工作面地质构造不清，轻则造成机械化开采工作面的缩面减产，重则导致工作面搬家倒面，严重影响煤矿生产的正常进行。根据文献资料：由于地质构造不清等原因，英国曾有1/3的综采工作面被迫搬家倒面；1966～1970年，苏联煤矿因地质条件的意外变化，每年约有36%的综采工作面被迫减产或停产。为了保障煤矿机械化开采的顺利进行，必须合理选择适于机械化开采的采区和工作面，而要做到这一点，就必须超前查明采煤工作面的开采地质条件，由此推动了煤矿物探、钻探技术手段的快速发展。
　　围绕如何查明煤矿机械化开采工作面地质条件的技术难题，世界主要采煤国家先后开展了大量的探索工作。20世纪中叶，欧美国家多将地质勘探工作纳入矿山或矿业主管部门管理，因而地质勘探与矿山开采结合得比较紧密，地质勘探直接为开采服务的理念始终贯穿于地质勘探计划执行的全过程(范念寒，1984)。20世纪70年代起，美国、英国、苏联、联邦德国与法国等开展了大量的地质探测方法研究、技术攻关、科研试验、技术示范和推广应用工作。在地面物探方面，法国SN系列和美国DFS系列地震仪、法国SYSCAL R2数字电法仪及处理工作站等先进物探装备的成功研发极大地推动了高分辨率地震勘探和地面直流电法勘探技术的发展成熟和推广应用；进入21世纪，以法国SERCEL公司的428地震仪、加拿大凤凰公司的V8多功能电法仪、美国Zonge公司的GDP32电法工作站以及澳大利亚TerraTEM、加拿大的地-空瞬变电磁探测系统等先进技术装备为标志，国外已经形成了地面物探方法技术、仪器装备、处理解释软件等系列化产品。在矿井物探方面，苏联*早开展了煤矿井下电法勘探的试验研究，联邦德国先后开发出SEAMEX、SUMMIT型煤矿井下防爆槽波地震仪系列产品，美国RIM公司开发了无线电波计算机断层扫描(CT)透视成像技术装备，澳大利亚率先推出了煤矿井下千米定向钻探技术与装备等，引领了煤矿地质保障技术与装备的科技进步。2010年至今，世界能源结构与需求变化、“温室效应”与“碳减排”环境政策出笼等原因使西方主要产煤国家普遍出现煤炭产量下降、煤矿关闭等情况，由此导致近10多年来国外煤矿地质保障技术整体上处于裹足不前的局面。
　　下面从地球物理探测、钻探技术与装备、三维地质建模几个方面，对国外煤矿地质保障技术的发展历程加以回顾。
　　1.1.1 地球物理探测技术
　　1.弹性波探测技术
　　1)高分辨率地震勘探
　　20世纪70年代中期，为降低煤矿生产成本、提高劳动生产率，美国煤矿开始采用长壁工作面机械化开采工艺。据美国矿业局估计：如果走向长壁采煤工作面的地质条件出现较大变化导致机械化开采受阻，将会造成每天24万～36万美元的经济损失；如果能够超前查明采煤工作面的煤层赋存条件，则可以极大地减少或避免不必要的经济损失。为此，英国、美国、澳大利亚、加拿大等国家开始将石油行业先进的地震勘探技术引入煤炭地质勘探领域，直接推动了煤田地震勘探技术的蓬勃发展。
　　20世纪70年代，英国国家煤炭局(The UK National Coal Board)开创性地将地震勘探技术引入煤矿小断层和其他地质异常体(如冲刷、岩浆岩)的探测中。1986年，英国塞尔比煤田采用高分辨率地震勘探方法探测落差10～15m的断层，其探测准确率达到50%～85%；在地震地质条件简单地区，二维地震勘探甚至可以查出落差5～8m的小断层；同期，美国、澳大利亚等也开展了煤田二维高分辨率地震勘探工作，特别是1997年在澳大利亚煤炭协会研究项目(Australian Coal Association Research Program，ACARP)的支持下，澳大利亚在悉尼盆地和鲍恩盆地开展了煤田三维地震勘探的方法试验；1998年，必和必拓(BHP)在古涅拉(Goonyella)煤矿开展了两次三维地震的示范性应用，勘探面积达到4.5km2，为煤矿三维地震的发展成熟奠定了基础。20世纪70年代，美国得克萨斯仪器公司研制的DFS-V集中式多道数字地震仪，已经具备240道/4ms的采集能力，为煤田高分辨率二维地震勘探提供了仪器装备支持；与此同时，随着数字计算机的发展，煤田地震勘探资料数字处理的能力得到大幅提高，加快了地震勘探的速度，实现了地震勘探技术的两大转变：一是地震勘探从间接找煤、寻找大型构造和隐伏露头，转向借助钻孔测井资料、制作人工合成记录，可以实现煤层赋存范围圈定、小断层探测以及地质异常体解释等，如英国利用高分辨率反射地震资料在大部分地区能分辨埋深500～600m煤层中落差大于10m的断层，深度解释误差不大于2%；二是地面物探与孔间物探、矿井物探等综合探测技术得到成功应用。尽管在地面高分辨率反射地震条件良好的地区，二维地震能够分辨落差10～15m的断层，但对二维地震测线之间断层无法控制，而采用孔间物探或矿井物探技术手段，可以弥补二维地震勘探技术的不足。整体而言，国外煤矿的煤层赋存地质整体比较简单，且露天开采占比较高，三维地震在国外煤矿采前地质条件补充勘探中的应用相对较少。
　　进入21世纪，国外多家地球物理服务公司相继推出了高密度空间采样的地震勘探新技术。例如，西方地球物理公司(Western Geoco)的Q-系列技术和Discover技术，法国地质勘探公司(CGG)的Eye-D技术，石油地理服务公司(PGS)的HD-3D和GeoStreamer技术以及英国石油公司(British Petroleum，BP)开发的FOMA采集技术等。基于“充分、均匀、对称、连续”的高保真、高精度数据采集理念，全数字、全波场、宽频段、宽方位、高密度地震勘探技术深入人心，地震采集、处理、解释一体化和地震地质综合解释等先进技术成为石油天然气、煤炭资源高精度勘探开发的主流技术；同时，“以模型为中心，以数据为驱动”的新一代人工智能解释软件已初见端倪。基于“从地震到模拟”(seismic-to-simulation，S2S)的思路，斯伦贝谢公司(Schlumberger)推出了全新的Petrel软件，融合了地震、地质、测井、油藏工程等多个学科数据；奥斯汀地质建模公司(Austin GeoModeling，AGM)推出的新一代地质解释软件Recon集成了地震沉积学的解释方法，实现了三维环境中多井对比和地质建模的一体化。近年来，人工智能技术在地震勘探的处理解释中出现了井喷式的增长。
　　需要说明的是：进入21世纪，国外地面高密度、高精度、全数字三维地震勘探技术主要应用于海上油气资源的三维地震勘探，煤矿采区三维地震的文献资料相对较少。
　　2)煤矿井下槽波地震
　　在煤矿综采工作面设计之前，国外煤炭企业十分重视采煤工作面开采地质条件的评价工作。美国与澳大利亚要求采煤工作面必须编制各种地质险情图，苏联要求编绘开采地质条件定量预测图，联邦德国在鲁尔矿区采用构造指数、水平钻探、立体摄影、钻孔电视、井下测井、巷探、槽波地震等方法，结合详细的地质编录，开展采煤工作面断层构造的地质预测，对设计盘区的煤层条件是否适宜于进行机械化综采，预先做出定量评价；在此基础上，对设计采煤工作面的开采地质条件，在开采之前采用煤矿井下槽波地震探测技术开展进一步的详细探测(左德坤，1981；缪奋，1991)。
　　1955年，Evison在新西兰煤矿井下*次发现槽波，并预测槽波有望成为一种新的探