观察 | 袁亮院士：煤炭精准开采透明地质条件的重构与思考

国家能源战略对煤炭工业智能化建设与发展进行了准确定位,煤炭绿色智能开采、清洁高效利用成为未来矿山发展的主线,积极推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系是煤炭人肩负的使命。煤炭生产需要围绕清洁、低碳、安全、高效4个核心要素,减少开采、转化、燃烧发电到终端消费全产业链的污染物产生,有效控制和利用二氧化碳,开发集约化、规模化和高效率的煤炭开采、联产转化和发电技术。基于国际能源发展战略前沿需求,全面推动煤炭绿色智能开采、煤炭清洁高效燃烧、现代煤化工及高效利用、废弃矿井资源综合利用及CCUS开发利用的基础研究、前沿科学研究及应用研究,助力国家碧水蓝天战略。

在煤炭资源开发全过程中,地质条件的精细探查是基础环节,查明和重构煤炭开采透明化地质条件,是精准开采和清洁利用的基础保障。针对煤炭资源的智能化发展,王国法等以矿区所在区域及地质条件为基本指标,结合矿井开采及安全相关参考要素,提出了智能化煤矿分类与程度分级的评价指标体系。在推进智能化煤矿建设中,首先需要解决的问题是地质条件的透明化,以确保采掘条件的可视、可预和可控。国内外地下空间透明化的研究较多,浅部地质条件的透明构建为浅层地下空间利用提供了基础,形成了一系列围绕地铁、隧道、水利等工程的三维虚拟现实透明化软件。

矿井透明地质条件是煤炭精准开采智慧化的重要基础。结合矿井静态地质要素大数据信息库、多灾害源全程信息感知与监测、动态地质要素虚拟现实展示、特殊地质因素动态评判与风险判识、预警等智慧模块的交互应用,从静态与动态地质模型角度提出实现煤炭精准生产全过程地质条件透明化的思路。

其一,静态地质模型通过采集“空-天-地-井-孔”全方位立体化探测模式数据,融合井巷建设基础地质信息,重构地下空间地质特征数字模型,为资源、构造、井巷等静态因素评价、浏览、计算等提供基础。

其二,通过动态地质模型获取掘采工程扰动效应影响下,原生静态地下空间地质条件发生变形与破坏,由此而引起的应力应变场、地质地球物理场、渗流场、温度场、浓度场等状态发生改变的参量特征;以及工程动力学作用下,生产环境周边岩层的离层、裂隙、垮落、围岩失稳、底臌、冲击地压显现、应力集中与释放、煤与瓦斯涌突、突水溃沙等多种灾害源现象的动态地质信息变化量值。

特别针对动态地质模型发生与发展过程中状态及参数的显现不同,通过进一步加强多介质、多相、多态、多维、多源数据的有机融合,进行多参数联合反演,搭建井上下复合源信息监控平台,构建耦合信息、致灾因素、灾害前兆等多元信息数据库和时空四维地质信息系统,进行实时连续动态监控;并通过对静态地质模型参数注入和改造,反演地质及灾害源条件的变化状态,实现对煤层精细赋存条件、多灾害源受采掘影响致灾过程的透明化。同时,结合采掘要素对特殊地质条件进行探测与评价,从而实现整个矿井地质条件的透明重构。

实施中,还需要利用物联网、云平台、大数据、人工智能、VR等技术,进行资源整合、集成和升级改造,将矿区分散的、零星的地质信息聚集起来,实现“主动感知、自动分析、智能决策”,最终为煤系资源的精准开发利用和智慧矿区的建设管理提供支撑。

智慧矿井的要素体系结构

透明地质条件实现示意

矿井地质条件四维多场监测感知系统示意

智能感知技术与装备发展体系

地学大数据融合利用

地质空间条件的三维重构

多源灾害事故评价体系

多灾害源监测与感知体系

安全事故多部门协同监管

袁亮，男，1960年6月生，安徽金寨人，中共党员，著名煤炭开采及瓦斯治理专家，煤与瓦斯共采理论主要奠基人，中国工程院院士，博士生导师。1982年毕业于淮南矿业学院（现安徽理工大学）采矿工程系地下采煤专业。曾任淮南矿业集团（原淮南矿务局）总工程师长达15年，现任安徽理工大学党委副书记、校长、煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心主任、工业粉尘防控与职业安全健康教育部重点实验室主任、中国工程科技发展战略安徽研究院院长；兼任煤层气产业技术创新战略联盟理事长、公共安全科学技术学会副理事长、中国职业安全健康协会副理事长、中国煤炭学会矿井地质专业委员会主任委员。

研究方向

煤与瓦斯共采，煤及共伴生资源精准开发，废弃矿井资源开发利用，煤矿典型地质及动力灾害防控，工业粉尘防控与职业安全健康

主要成果

袁亮院士是煤与瓦斯共采理论的主要奠基人。他开创性提出了卸压开采抽采瓦斯、无煤柱煤与瓦斯共采技术原理，开发出具有自主知识产权的全套工艺技术，成功地解决了低透气性高瓦斯煤层安全开采技术难题，实现瓦斯事故历史“重灾区”连续23年避免瓦斯爆炸事故，创建了我国首个煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，并将研究成果在全国14个产煤省（区）的200余家重点煤矿推广应用，产生了显著的社会经济效益，对我国和世界低透气性煤层的煤与瓦斯共采理论和技术发展，以及煤矿安全生产做出了重要贡献。主持完成“973”、“863”、国家科技支撑计划、重大专项、国家重点研发计划等多项国家级科技攻关项目研究，先后获国家科技进步二等奖6项（其中排名第一3项），中国专利金奖1项、省部级科技进步特等及一等奖9项（均排名第一）；是中国科学技术发展基金会孙越崎科学教育基金首届“优秀青年科技奖”、“能源大奖”、 首届“全国创新争先奖状”、“安徽省重大科技成就奖”、“全国优秀科技工作者”、“世界采矿大会突出贡献奖”、国家有突出贡献的中青年专家、全国煤炭系统专业技术拔尖人才、“八十年代全国优秀大学毕业生”等多项荣誉的获得者。先后获国家授权发明专利70余项，出版专著8部、“十二五”规划教材1部，制定行业标准10项，发表学术论文100余篇。

（来源：煤炭学报）