透明地质 | 红柳林煤矿总工程师苗彦平：地质保障软件系统建设与应用
2020年2月，国家发展改革委、能源局等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》；2021年6月，国家能源局、国家矿山安全监察局联合印发了《煤矿智能化建设指南（2021年版）》，文件指出煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，地质保障系统是煤矿智能化建设的重要内容之一，对保障煤矿安全生产具有重要意义；2021年，陕西发改委、陕西省应急管理厅、陕西煤矿安全监察局联合印发的《陕西省煤矿智能化建设指南（试行）》对地质保障系统提出：“应开展智能采煤工作面的地质构造、煤层起伏、煤层厚度等精细探测，实现采煤地质透明化；应具有构建矿井多属性高精度三维地质模型、三维可视化展示和漫游的功能；应具有将地质数据和工程数据融合的功能，建立基于统一地质基础的煤矿专业GIS平台”。
陕煤集团神木红柳林矿业有限公司（简称红柳林煤矿）井田面积138.4km2，矿井核定产能18Mt/a，服务年限87年，斜井多水平开拓，地质储量19.54亿t，可采储量14.03亿t。红柳林煤矿作为国家首批智能化示范建设煤矿，建立完善的地质保障系统是必不可少的。文章来源：《智能矿山》2023年第3期“透明地质”专栏
第一作者：苗彦平，博士，现任陕煤集团神木红柳林矿业有限公司总工程师，主要从事煤矿采掘技术管理工作
作者单位：陕煤集团神木红柳林矿业有限公司
基金项目：陕煤集团科研计划项目（2021SMHKJ-BK-J-01）
引用格式：苗彦平，侯恩科，杨磊，等.红柳林煤矿地质保障软件系统建设与应用[J].智能矿山，2023，4（3）：52-57.
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地质保障系统涉及硬件和软件系统。硬件主要是矿方钻探、物探等设备，要实现智能化上传、存储数据、减少人工劳动量等功能，软件系统要具备数字化存储数据库、高精度建模、灾害评价、预警等功能。红柳林煤矿地质保障软件系统由西安科技大学完成建设，开发导航、地质信息管理、二/三维一体化建模、开采地质条件评价预测、地质灾害预警、工作面精细建模、地质大数据分析等7个子系统（图1）。图1 红柳林煤矿地质保障软件系统功能模块
导航子系统基于卫星地图精准定位煤矿位置并制作导航一张图，将红柳林煤矿相关平面图、剖面图、三维模型等成果联动，支持一键转换；地质信息管理子系统以数据库形式管理煤矿日常地质、测量数据；二/三维一体化建模子系统提供多种建模方式，从不同维度进行建模，实现矿井、采区、工作面的多级别模型构建，并结合矿井生产实际进行属性建模，以可视化方式直观地保障矿井安全生产；开采地质条件评价预测子系统建设有构造复杂程度预测、顶板突水危险性预测、底板突水危险性预测、瓦斯灾害评价预测、冲击地压危险性预测、地质类型划分和开采地质条件综合评价，针对红柳林煤矿生产实际建设有顶板突水危险性预测、地质类型划分及开采地质条件综合评价，其他评价预测预留，之后煤矿生产若需要可直接利用；地质灾害预警子系统建设有水害预警、瓦斯预警、冲击地压预警、工作面预警4种预警手段，红柳林煤矿建设有水害预警、瓦斯预警，其中水害预警建设有水害致灾因素预警、水害在线监测预警，瓦斯预警建设瓦斯在线监测预警；工作面精细建模子系统中可根据煤层底板等高线、巷道写实、钻孔数据等融合建立工作面精细模型，精度可达到1m×1m，并根据工作面所作物探数据生成相应物探属性体；地质大数据分析子系统利用多种数学算法对煤矿地质大数据进行分类预测、机器学习、深度学习等。利用多种数学算法进行数据分析、挖掘数据隐藏价值。红柳林煤矿地质保障软件系统结构（图2）由数据层、应用支撑层、业务应用层组成。数据底层主要由矿山信息模型（MIM）构成，包括煤矿区域地质数据、地质勘探数据、各类地质报告、各类地质测量数据、各类煤矿平面图；中层由应用支撑层构成，以应用服务器、中间件技术为核心支撑，实现资源高效利用及系统互联共享，是实现各个系统之间信息交换、共享的核心；顶层是业务应用层，业务应用层包含上述7个子系统，为煤矿安全高效智能开采提供成果图件、模型及地质支撑。图2 红柳林煤矿地质保障软件系统整体结构
地质保障软件系统的核心是二/三维可视化技术，红柳林煤矿已建设煤矿日常使用的地测图件、模型。地质保障软件系统二维平面图数据源来自地质信息管理子系统数据，一键提取筛选数据库相关字段数据，并依据煤矿地质测量图例进行模板制图。系统可绘制钻孔柱状图、地层等高线图、含隔水层等高线图、地层厚度等值线图、含隔水层厚度等值线、煤层等高线图、煤层厚度等值线图、岩层厚度等值线图、标志层厚度等值线图等图件。红柳林煤矿共建设平面图64张，其中煤层顶底板等高线图12张（图3）、地层厚度等值线图8张（图4）、煤层厚度等值线图6张、含隔水层顶底面等高线图12张、含隔水层厚度等值线图6张、钻孔分布图1张、地形等高线图1张。另外，建立了3-1、4-2、5-2三层煤层巷道平面图（图5），地质保障软件系统可自定义连孔一键生成剖面图（图6）。所有二维图件支持dxf、emf、pdf、jpeg、png等多种导出格式，方便其他系统共享。图3 4-2煤底面等高线
图4 风化基岩含水层厚度等值线
图5 红柳林煤矿巷道平面
（2）三维模型
红柳林煤矿地质保障软件系统具备功能齐全的三维建模功能，系统内部三维窗口提供断层建模、地形建模、地层建模、煤层建模、矿区地层建模、井田地层建模、采区地层建模、工作面地层建模、巷道建模、钻孔建模、工作面建模等按钮，将煤矿地质、测量相关数据均可进行三维可视化展示。地质保障软件系统开发过程中搭建二维平面图的二维格网模型一键转换三维块体模型，利用普通克里金、简单克里金、反距离、多面函数、移动内合插值、Shepard、最小曲率、序贯高斯等8种插值方法进行空间插值分析建模。三维模型生成后可自定义剖切、生成栅状图等，如图7—图10所示。图7 红柳林煤矿地层三维模型
图8 红柳林煤矿地层剖面模型
图9 红柳林煤矿地层栅状模型
工作面精细建模
工作面精细建模子系统可融合钻孔数据、巷道与回采工作面写实数据、回采工作面各种物探数据、掘进工作面超前钻探和物探数据，进行回采工作面三维精细煤层模型构建、煤层顶板富水性等三维属性模型构建、掘进巷道前方精细地质模型和富水异常等三维属性模型构建。可根据回采工作面三维精细煤层模型进行规划截割、生成切割曲线，并根据回采获得的煤层顶底板信息进行三维煤层模型的动态更新，为智能综采提供煤层顶底板位置数据支撑。三维精细煤层模型、三维富水性属性模型、规划截割数据可为采煤机、掘进系统、灾害防治系统等所共享。在井田或采区三维地质建模的基础上，根据工作面巷道写实数据、钻探和物探数据及煤层开采获得的煤层顶底板高程数据，对待采工作面进行精细建模（图11）。针对红柳林煤矿开采现状，对15217工作面三维地质模型的采前、采中和采后动态建模，利用切片技术对15217工作面煤层数字化模型进行剖切（图12），并依据此剖切面及智能化开采要求规划采煤机截割路径及参数。同时系统提供物探属性建模，对红柳林煤矿15217工作面采前物探进行建模、剖切，可圈定工作面顶板异常富水区。图11 红柳林煤矿15217工作面精细煤层模型及瞬变电磁属性体
图12 红柳林煤矿15217工作面规划截割二维曲线
根据巷道掘进工作面超前探测信息，建立掘进工作面前方一定范围内三维精细地质模型（图13），为巷道掘进提供地质信息支撑，根据掘进信息对模型进行修改。（a）掘进工作面超前探建模数据准备（b）掘进工作面瞬变电磁物探属性体
图13 红柳林煤矿回风大巷超前物探属性模型
地质保障系统实际应用现状
红柳林煤矿地质保障系统下设导航、地质信息管理、二/三维一体化建模、开采地质条件评价预测、工作面精细建模、地质灾害预警、地质大数据分析7个子系统。实际日常使用中应及时维护数据库，更新二维图件、三维模型，在工作面采掘过程中关注富水区等异常区与掘进回采位置进行地质预报，按时观测灾害在线告警信息，及时提供模型、预报结果图件等相关数据共享至智能综采（图14）、智能通风、灾害防治等智能化系统（图15）。以地质保障系统为基础保障煤矿安全高效智能开采。
图14 地质保障系统巷道写实数据共享智能综采系统
图15 地质保障系统三维地质模型共享灾害防治系统
地质信息管理子系统日常有专人维护地质、测量等基础信息。将矿井新增的数据数字化存储，按月进行更新维护，并严格执行自检、互检制度，保证基础数据录入的时效性、准确性。二/三维一体化建模子系统在基础数据的不断更新入库后，及时更新相应二维图件、三维模型。随采掘进度及时更新采工图以及相应的三维模型，保证系统模型的实时更新。二/三维图件、模型在地质保障系统内更新后，可将数据文件共享至智能综采、灾害防治、智能通风等系统实现地质数据的融合共享，例如在智能综采系统中利用地质保障系统的巷道写实数据形成智能综采的煤层模型，智能综采的回采数据导入地质保障系统内进行三维精细工作面模型的更新，保证数据精度、模型准确性。地质模型共享应用至灾害防治系统，实现系统间的共享，保障安全高效生产。红柳林煤矿目前主采4-2、5-2煤层，所受灾害威胁主要是顶板水害。开采地质条件评价预测子系统在实际应用过程中重点关注顶板水害，划定相对富水区，进行两探验证来保障煤矿生产安全。矿井施工水文孔或进行抽水试验将数据入库可更新顶板突水危险性分区图并进行距离预警，同时定期观测在线监测系统是否有告警信息来检查煤矿水害隐患（图16）。图16 红柳林煤矿水害在线预警界面
红柳林煤矿地质保障系统在实际应用中通过底层数据库的不断录入，三维地质模型、巷道模型随采掘信息的不断更新，同时提供最新的地质预报预警结果共享至其他智能化系统协同保障煤矿安全智能高效开采。
（1）红柳林煤矿地质保障软件系统具备地质信息管理、高精度建模、灾害预测预警、大数据分析等功能，满足国家智能化验收标准。（2）地质保障软件系统核心是高精度建模，红柳林煤矿所开发的系统具备地质体、井巷工程建模，具备并行计算能力，对回采工作面建模在亚米级别，并能实时动态更新回采工作面模型，将回采、掘进工作面采前物探模型进行构建，圈定工作面顶板异常富水区。（3）在实际应用中，地质保障系统数据的定期更新维护十分重要，地质模型的精确度是指导生产的关键，数据的准确录入是地质模型是否精确、正确的前提。地质预报预警结果的及时下发共享其他智能化系统也是地质保障系统保障煤矿安全生产的方式之一，所以在实际应用中应做到数据及时更新检查，二/三维图件模型及时更新，地质预报预警结果及时下发共享。（4）针对煤矿地质保障软件系统建设，在未来的迭代更新过程中，亟需解决以下痛点问题：①如何实现亚米级别的地层三维模型，并依据获取的地质信息实现实时更新、修正；②数据源的准确获取与错误数据的清洗是保证地质模型精准、正确的前提，如何快速获取并有效清洗数据有待解决。煤矿地质保障软件系统起步较晚，地质透明化难度较大，随着智能化矿井的不断推进，煤矿地质保障软件系统还需不断更新升级，更好地适应智能化采煤要求。
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