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創新點
（1）結合隧道、井巷等超前探測技術發展現狀，分析巷道快速智慧掘進超前探測技術發展面臨的複雜地質及技術關鍵問題，提出巷道快速智慧掘進條件下需要採用隨掘探測技術以及超長鑽孔孔中探測技術等。
（2）針對煤巖巷道掘進地質條件，闡述煤巷的掘進機震源隨掘地震技術與超長鑽孔孔中瞬變電磁聯合的技術體系，以及應用於巖巷的TBM震源隨掘地震技術與BEAM隨掘電法聯合的技術體系；並給出了技術發展思考和展望。
（3）提出構建地質保障技術體系海量基礎資料庫，利用實時動態監測系統、隨掘探測系統等線上資料，重構高精度靜、動態三維巷道地質地球物理模型，提高掘進地質透明化程度，為實現快速智慧掘進提供精準支撐。
作 者
張平松1,2，李聖林1,2，邱 實2，郭立全2，胡雄武2
單 位
1. 深部煤礦採動響應與災害防控國家重點實驗室；2. 安徽理工大學 地球與環境學院
研究背景
煤礦智慧化是適應現代工業技術革命發展趨勢、保障國家能源安全、實現煤炭工業高質量發展的核心技術支撐,作為煤礦生產的兩大核心環節,掘進與綜採系統智慧化的發展需求極為迫切。隨著我國科研能力的提升,煤炭開採裝備、技術等得到了長足發展,綜採工作面智慧化初見成效;但受制於掘進工作面空間狹小、作業環境惡劣、臨時支護困難等問題,相比綜採智慧化發展現狀,綜掘水平明顯滯後。煤炭開採,掘進先行,2020年,全國煤礦採煤、掘進機械化程度分別為78.5%與60.4%,掘進速度很大程度上無法滿足回採生產需要,採掘失衡問題嚴重,直接制約了煤礦安全、高效、綠色、智慧發展。因此,亟需深化理論研究、創新先進工藝、攻克關鍵技術,推動快速智慧化掘進健康發展。
地質保障技術是煤炭智慧化安全保障的基礎,是實現巷道掘進施工前、中、後地質預判、擾動感知與風險評估的基礎資料來源,是一切智慧掘進關鍵技術實施的前提保障。近年來,地球物理超前探測技術在巷道掘進安全保障中發揮著越來越重要的作用。因此,智慧化發展要求下的地球物理超前探測理論與體系應適應於掘進快速智慧化發展,建設與之相匹配的超前探測體系是掘進快速智慧化建設的重要有機組成部分,對提升巷道掘進智慧化水平具有重大意義。筆者結合國內外學者已有研究成果,在總結分析我國隧道、井巷領域超前探測技術發展現狀的基礎上,提出了巷道快速智慧掘進模式下超前探測技術的發展趨勢與方向。
摘 要
新時代礦井智慧化發展成為趨勢,智慧掘進條件下超前探測技術需要為掘進工作面安全生產提供保障。快速掘進、複雜地質條件下要求探測精度與預報實時程度高,隨掘多源多場資訊採集、大資料智慧分析與透明化表達是超前探測系統構建的新發展模式。
結合近年來隧道、井巷等領域超前探測技術發展現狀,討論其方法、技術、應用等方面的問題及動態;在分析巷道快速智慧掘進超前探測技術發展面臨的複雜地質問題與基礎技術選擇侷限等關鍵問題的基礎上,提出能夠滿足巷道快速智慧掘進超前探測需求的技術主要為隨掘探測技術以及超長鑽孔孔中探測技術等。
在關鍵技術創新方面,給出了適用於巷道快速掘進的2種超前探測技術體系,分別是應用於煤巷的掘進機震源隨掘地震技術與超長鑽孔孔中瞬變電磁聯合的技術體系,以及應用於巖巷的TBM震源隨掘地震技術與BEAM隨掘電法聯合的技術體系;並針對每種基礎超前探測技術給出了發展思考,其中,隨掘地震技術在原始訊號脈衝化即重構處理研究的基礎上,還需發展全空間三維立體探測、多波多分量方法、全波形反演、極化、散射等高精度探測與精細成像技術;超長鑽孔孔中瞬變電磁技術首先需要突破有/無異常情況下孔中瞬變電磁訊號資料特徵的基礎研究,在此基礎上重點開展波場轉換、全程全空間視電阻率反演等資料處理解釋技術以及適用裝備的研究;BEAM隨掘電法技術的探測距離過短是未來首先需要解決的問題,其高精度資料解釋與反演技術、含水異常體實時動態監測與定量化預測也是研究的重點與趨勢。再者,為有效解決物探方法多解性問題,提出重點發展地震體波-槽波聯合反演、地震-電法聯合反演、地震-瞬變電磁聯合反演等融合解釋技術。
在關鍵技術應用方面,提出構建地質保障技術體系海量基礎資料庫,融合5G通訊、大資料、雲平臺等智慧技術,建設綜掘工作面探測資訊大資料分析平臺,進行多源資料融合互動,實現對前方地質體的精準預報;充分利用含水異常體實時動態監測系統、隨掘探測系統等提供的線上資料,創新資料智慧解釋方法,開發探測結果實時處理、動態成像等技術,提高探測時效性;透過異常判識精度與速度雙重突破,促進掘進快速智慧發展;在此基礎上,構建高精度三維巷道地質地球物理模型,提高巷道超前地質透明化程度,動態展示隨掘巷道三維空間地質條件,為實現快速智慧掘進提供精準地質支撐。
部分圖片
常規物探超前探測方法研究進展
隨掘物探方法研究進展
快速掘進模式超前地質問題
快速智慧掘進地質保障體系
掘進機震源原始單道波形訊號
隨掘地震技術組成
孔中瞬變電磁超前探測示意
TBM破巖震源隨掘地震探測示意
BEAM綜合法超前探測系統
地震記錄單一反演(左)與聯合反演(右)
探測資訊大資料利用架構
巷道掘進地質地球物理模型
作者簡介
張平松，男，1971年12月生，安徽六安人，教授，博士，博士生導師。安徽省學術和技術帶頭人。兼任中國煤炭學會礦井地質專業委員會秘書長，安徽省地質學會副理事長，《煤炭科學技術》《煤田地質與勘探》雜誌編委等。承擔國家重點研發計劃專案、國家自然科學基金專案等科研課題20餘項。獲得省部級科技進步獎12項。發表學術論文60餘篇，其中SCI、Ei收錄等高質量論文30餘篇。出版專著和教材5部，參編國家能源行業標準2部。獲國家發明專利30餘項，獲軟體著作權6項。
研究方向
綜合地球物理勘探、礦山及工程多災源探測、透明地質條件構建
主要成果
致力於煤礦掘進及回採地質條件綜合超前探測技術研發與應用研究，完成KDZ系列礦井地質探測儀、YCS40(A)型礦井瞬變電磁儀等多款儀器裝置研發，以及震波自動解析系統、地球物理CT處理系統等軟體開發；開展礦井光纖探測技術研究，利用地震波、地電、應變等多場多引數融合方法對採場圍巖變形與破壞進行原位監測，解釋與判別岩層的變形和破壞特徵規律。提出多項地質地球物理測試、監控、診斷預警方法技術，獲得多項專利，為智慧礦井地質保障體系構建提供支撐。
來源：
張平松,李聖林,邱實,等. 巷道快速智慧掘進超前探測技術與發展[J]. 煤炭學報,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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