创新点
（1）结合隧道、井巷等超前探测技术发展现状，分析巷道快速智能掘进超前探测技术发展面临的复杂地质及技术关键问题，提出巷道快速智能掘进条件下需要采用随掘探测技术以及超长钻孔孔中探测技术等。
（2）针对煤岩巷道掘进地质条件，阐述煤巷的掘进机震源随掘地震技术与超长钻孔孔中瞬变电磁联合的技术体系，以及应用于岩巷的TBM震源随掘地震技术与BEAM随掘电法联合的技术体系；并给出了技术发展思考和展望。
（3）提出构建地质保障技术体系海量基础数据库，利用实时动态监测系统、随掘探测系统等在线数据，重构高精度静、动态三维巷道地质地球物理模型，提高掘进地质透明化程度，为实现快速智能掘进提供精准支撑。
作 者
张平松1,2，李圣林1,2，邱 实2，郭立全2，胡雄武2
单 位
1. 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室；2. 安徽理工大学 地球与环境学院
研究背景
煤矿智能化是适应现代工业技术革命发展趋势、保障国家能源安全、实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,作为煤矿生产的两大核心环节,掘进与综采系统智能化的发展需求极为迫切。随着我国科研能力的提升,煤炭开采装备、技术等得到了长足发展,综采工作面智能化初见成效;但受制于掘进工作面空间狭小、作业环境恶劣、临时支护困难等问题,相比综采智能化发展现状,综掘水平明显滞后。煤炭开采,掘进先行,2020年,全国煤矿采煤、掘进机械化程度分别为78.5%与60.4%,掘进速度很大程度上无法满足回采生产需要,采掘失衡问题严重,直接制约了煤矿安全、高效、绿色、智能发展。因此,亟需深化理论研究、创新先进工艺、攻克关键技术,推动快速智能化掘进健康发展。
地质保障技术是煤炭智能化安全保障的基础,是实现巷道掘进施工前、中、后地质预判、扰动感知与风险评估的基础数据来源,是一切智能掘进关键技术实施的前提保障。近年来,地球物理超前探测技术在巷道掘进安全保障中发挥着越来越重要的作用。因此,智能化发展要求下的地球物理超前探测理论与体系应适应于掘进快速智能化发展,建设与之相匹配的超前探测体系是掘进快速智能化建设的重要有机组成部分,对提升巷道掘进智能化水平具有重大意义。笔者结合国内外学者已有研究成果,在总结分析我国隧道、井巷领域超前探测技术发展现状的基础上,提出了巷道快速智能掘进模式下超前探测技术的发展趋势与方向。
摘 要
新时代矿井智能化发展成为趋势,智能掘进条件下超前探测技术需要为掘进工作面安全生产提供保障。快速掘进、复杂地质条件下要求探测精度与预报实时程度高,随掘多源多场信息采集、大数据智能分析与透明化表达是超前探测系统构建的新发展模式。
结合近年来隧道、井巷等领域超前探测技术发展现状,讨论其方法、技术、应用等方面的问题及动态;在分析巷道快速智能掘进超前探测技术发展面临的复杂地质问题与基础技术选择局限等关键问题的基础上,提出能够满足巷道快速智能掘进超前探测需求的技术主要为随掘探测技术以及超长钻孔孔中探测技术等。
在关键技术创新方面,给出了适用于巷道快速掘进的2种超前探测技术体系,分别是应用于煤巷的掘进机震源随掘地震技术与超长钻孔孔中瞬变电磁联合的技术体系,以及应用于岩巷的TBM震源随掘地震技术与BEAM随掘电法联合的技术体系;并针对每种基础超前探测技术给出了发展思考,其中,随掘地震技术在原始信号脉冲化即重构处理研究的基础上,还需发展全空间三维立体探测、多波多分量方法、全波形反演、极化、散射等高精度探测与精细成像技术;超长钻孔孔中瞬变电磁技术首先需要突破有/无异常情况下孔中瞬变电磁信号数据特征的基础研究,在此基础上重点开展波场转换、全程全空间视电阻率反演等数据处理解释技术以及适用装备的研究;BEAM随掘电法技术的探测距离过短是未来首先需要解决的问题,其高精度数据解释与反演技术、含水异常体实时动态监测与定量化预测也是研究的重点与趋势。再者,为有效解决物探方法多解性问题,提出重点发展地震体波-槽波联合反演、地震-电法联合反演、地震-瞬变电磁联合反演等融合解释技术。
在关键技术应用方面,提出构建地质保障技术体系海量基础数据库,融合5G通讯、大数据、云平台等智能技术,建设综掘工作面探测信息大数据分析平台,进行多源数据融合交互,实现对前方地质体的精准预报;充分利用含水异常体实时动态监测系统、随掘探测系统等提供的在线数据,创新数据智能解释方法,开发探测结果实时处理、动态成像等技术,提高探测时效性;通过异常判识精度与速度双重突破,促进掘进快速智能发展;在此基础上,构建高精度三维巷道地质地球物理模型,提高巷道超前地质透明化程度,动态展示随掘巷道三维空间地质条件,为实现快速智能掘进提供精准地质支撑。
部分图片
常规物探超前探测方法研究进展
随掘物探方法研究进展
快速掘进模式超前地质问题
快速智能掘进地质保障体系
掘进机震源原始单道波形信号
随掘地震技术组成
孔中瞬变电磁超前探测示意
TBM破岩震源随掘地震探测示意
BEAM综合法超前探测系统
地震记录单一反演(左)与联合反演(右)
探测信息大数据利用架构
巷道掘进地质地球物理模型
作者简介
张平松，男，1971年12月生，安徽六安人，教授，博士，博士生导师。安徽省学术和技术带头人。兼任中国煤炭学会矿井地质专业委员会秘书长，安徽省地质学会副理事长，《煤炭科学技术》《煤田地质与勘探》杂志编委等。承担国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等科研课题20余项。获得省部级科技进步奖12项。发表学术论文60余篇，其中SCI、Ei收录等高质量论文30余篇。出版专著和教材5部，参编国家能源行业标准2部。获国家发明专利30余项，获软件著作权6项。
研究方向
综合地球物理勘探、矿山及工程多灾源探测、透明地质条件构建
主要成果
致力于煤矿掘进及回采地质条件综合超前探测技术研发与应用研究，完成KDZ系列矿井地质探测仪、YCS40(A)型矿井瞬变电磁仪等多款仪器设备研发，以及震波自动解析系统、地球物理CT处理系统等软件开发；开展矿井光纤探测技术研究，利用地震波、地电、应变等多场多参数融合方法对采场围岩变形与破坏进行原位监测，解释与判别岩层的变形和破坏特征规律。提出多项地质地球物理测试、监控、诊断预警方法技术，获得多项专利，为智能矿井地质保障体系构建提供支撑。
来源：
张平松,李圣林,邱实,等. 巷道快速智能掘进超前探测技术与发展[J]. 煤炭学报,2021,46(7):2158-2173.
ZHANG Pingsong,LI Shenglin,QIU Shi,et al. Advance detection technology and development of fast intelligent roadway drivage[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(7):2158-2173.
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