中国矿业大学（北京）王宏伟和姜耀东教授团队指出，复杂地质构造数字化重构及可视化方法可为复杂地质构造条件下煤矿灾害的精准预测与防治提供技术支持。论文基于在数字孪生系统中建立虚拟模型的思想，提出了一种新的数字化重构方法来实现复杂断层构造的可视化。相关成果以“New approach for the digital reconstruction of complex mine faults and its application in mining”为题发表在International Journal of Coal Science & Technology (IJCST) 。
研究背景
在冲击地压的众多诱因中，断层构造是其中一个非常重要的影响因素。目前国内外学者针对断层构造形成机理、断层周围应力分布、断层活化判别准则等方面展开了大量研究，但传统的方法无法准确地获得复杂断层地质的三维多物理场演化过程。地质条件认识不清、多物理场演化不明是限制冲击地压准确预测的主要原因。数字孪生技术的出现为复杂断层构造多物理场的重构和可视化提供了新的途径。虽然目前已经公开报道了一些数字孪生在煤炭领域中的应用，但主要集中在采矿机械系统的概念设计，在复杂地质构造的数字化重构中仍罕见报道。论文基于在数字孪生系统中建立虚拟模型的思想，提出了煤矿复杂断层构造数字化重构方法，以期为实现复杂断层构造多物理场数据的采集和传输提供思路。
研究进展
论文提出了一种新的数字化重构方法来实现复杂断层构造的可视化，主要包括以下4个步骤：
（1）断层构造多物理场数据的采集与保真
断层构造的多物理场数据包括断层几何参数、覆岩结构组成、原位应力场分布和边界条件等。其中应力和边界条件的保真在断层构造的数字化重构中尤为重要。本研究考虑到现场数据采集成本高、地质规模大以及复杂地质条件的不确定性，初步构建了实验室条件下断层构造相似模型，图1给出了实验室条件下多物理场数据采集和保真的原理图。
图1 多物理场数据采集和保真度示意
（2）多物理场数据传输
多物理场数据的采集对海量数据的传输提出了挑战，确保海量数据的高效传输是实现数字化重构的关键。多物理场数据传输包含以下两个模块：用于实时交互的数据接口模块和用于数据共享、融合和集成的并行算法模块，图2给出了多物理场数据传输的示意图。
图2 多物理场数据传输示意
（3）多源数据的归一化编程
由于传感器种类、时间尺度和误差精度的差异，多源数据归一化是实现数据传输和集中展示的基础。多源数据归一化主要对指应力、应变、声发射等数据的归纳、整理、编码和存储，其流程如图3所示，最终建立开采过程中全时域、全要素和全流程的核心数据库。
图3 多物理场数据归一化示意
（4）断层构造模型的数字化重构
断层构造数字化重构不是传统仿真建模，而是基于动态数据驱动的多物理场数据的可视化。通过将多物理场监测数据与地质模型进行有效融合，实现开采过程中多物理场演化过程的透明展示，为风险评判及灾害预警等提供依据，数字化重构的主要流程如图4所示。
图4 断层构造数字化重构流程
未来展望
数字化是指将物理世界中复杂多变的数据引入计算机，利用信息系统、各种传感器、机器视觉和通信技术，形成可识别、可存储、可计算的数据。这些数据用于执行统一的处理、分析、可视化和应用。目前数字孪生技术在采矿工程中的应用还处于初级探索阶段，本文根据京西大安山煤矿地质条件，初步尝试建立了能够还原断层结合结构、应力及位移分布的三维可视化数字模型，为实现复杂地质构造的数字化、信息化建模提供了参考。
作者简介
王宏伟，山西朔州人，教授，博士生导师。现就职于中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，兼任《煤炭学报》、《力学与实践》、《煤炭科学技术》等期刊青年编委，International Journal of Coal Science & Technology科学编辑和中国煤炭学会青年工作委员会委员。荣获全国徐芝纶力学优秀教师奖、全国煤炭青年科学技术奖、霍英东教育基金会高等院校青年教师奖，入选北京市优秀人才青年骨干个人，中国煤炭工业协会杰出青年科技工作者，中国矿业大学（北京）“越崎青年学者”。
主要从事煤矿复杂地质赋存环境与冲击地压相关性及致灾机理等方面的研究。发表高水平学术论文100余篇，其中SCI检索的TOP期刊13篇，国家卓越计划期刊EI检索论文30篇；出版专著3部；第一完成人授权国家发明专利7项，实用新型专利8项，软件著作权3项。主持国家自然科学基金项目2项，北京市自然科学基金2项，北京市优秀人才资助1项，中国博士后科学基金2项；作为项目骨干承担了国家重点研发计划子课题2项，国家重点基础研究发展规划（973）项目子课题1项。负责了企业横向课题20余项，在义马、鸡西、开滦、大同、北京等多地都开展了煤矿冲击地压等动力灾害的机理和预测防治工作。
引用格式： Wang, H., Wang, Z., Jiang, Y. et al. New approach for the digital reconstruction of complex mine faults and its application in mining. Int J Coal Sci Technol 9, 43 (2022). https://doi.org/10.1007/s40789-022-00506-z
