陕煤曹家滩矿业：煤矿透明地质保障系统

知自然

作者

前言

矿业是国民经济发展的重要支柱性产业，智能化建设是推动矿山安全发展、保障国家能源资源安全的重要举措。我国高度重视矿山的数字化、智能化发展工作，持续完善相关政策体系，各地矿企与数字服务商等携手合作，结合各地、各矿具体情况，因地制宜推进矿山智能化建设，涌现出一批优秀的应用案例。

这些案例在数字矿山基础研究、关键技术、核心装备等创新方面实现了积极进展，在加快危险繁重岗位作业机器人替代、强化矿山开采作业智能化、提升灾害智能防控水平、提高应急救援保障能力等应用方面取得了显著成效。

为更好地发挥优秀案例的示范引领作用，进一步推动矿山行业安全、绿色、高质量发展，在 2023 年数字矿山融合发展提升本质安全水平典型案例征集和评选的基础上，中国矿山安全学会、新华社中国经济信息社联合组织开展 2024 年数字矿山融合发展提升本质安全水平典型案例征集工作。

经专家评审，遴选出 20 个技术先进、成效显著、能复制推广的典型应用入围 2024 年数字矿山融合发展提升本质安全水平优秀案例，现编辑成册，供各地、各有关企业和研究机构在工作实践中学习借鉴。

中国矿山安全学会

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新华社中国经济信息社

案例 13

煤矿透明地质保障系统

申报单位：陕西陕煤曹家滩矿业有限公司、北京龙软科技股份有限公司

一、案例基本情况介绍

曹家滩煤矿于 2021 年开展煤矿智能化建设，先后建成 116 个智能化子系统，实现了综采成套装备、掘锚成套装备、智能巡检机器人等井下移动设备 5G 组网及工业场景应用。基于 5G+人工智能技术实现了智能地质保障、智能主煤流运输、智能开采、智能辅助运输、智能掘进、智能供电与供排水等领域的应用，有效改善了井下工作环境。曹家滩煤矿已形成了以智能综放为核心，以智能快掘为特色，以透明地质、智能安全监测监控、智能煤流和智能辅助运输为保障，以智能洗选、智慧园区和无人值守为抓手，以智能产运销为结果的智慧矿山体系。

曹家滩煤矿透明地质保障系统包括勘探技术与装备、地质建模及应用两部分。勘探装备方面主要包括智能钻机物探设备。其中智能钻机具有远程操控、钻杆自动装卸、自动钻进等功能，搭载泥浆脉冲随钻测量装置，可用于煤矿井下探放水、地质构造探测等各类钻孔的施工。物探装备主要实现井下掘进巷道前方、巷道顶、底板含（导）水构造多方位、超前探测。地质建模及应用系统基于多源地质测量数据库，结合云平台，实现高精度动态地质模型建模和自动更新，构建基于 C/S+B/S 的自主分布式协同 4DGIS，为开采过程提供智能地质数据存储、转换、管理、查询、分析和可视化服务，最终为安全生产、地测防治水、智能采掘、智能管控等提供空间数据和业务数据的集成与应用服务。

二、做法与亮点

（一）多源数据融合与地质测量综合信息数据库

以地质、测量、采掘及物探、钻探、水文监测等数字化信息为支撑，构建统一的地质测量综合信息数据库，实现基于 C/S、B/S 架构的空间信息可视化。这一数据库具备空间数据、属性数据以及时态数据的存储、转换、管理、查询、分析和可视化等功能，实现煤矿生产过程地质信息的高效管理和数据共享。

例如，数据库可实现智能物探成果数据的集成和管理。结合沉积相、沉积旋回分析成果数据，生成三维地震解释成果、槽波探测综合解释成果、地质雷达/钻孔雷达、顶板电法解释成果的数据集成，还可实现定向钻等数据、地质编录仪数据、矿震分析数据、水文地质数据的采集和管理。

图：地质测量综合信息数据库

（二）搭建GIS云平台，实现数据共享

GIS 平台完全支持云平台方式部署和使用，提供桌面、Web、移动等终端的随时访问使用。数据在云平台统一存储，支持 300 以上客户端同时在线，多个平台间数据自动同步更新。

平台可提供常用地质专题图的协同处理及自动生成功能，满足矿井地质数据的日常处理、分析以及多种精度地质模型的构建和应用要求，地质模型构建精度支持厘米及以上级别；提供GIS二三维一体化的数据处理及更新机制，可通过GIS 平台方便地维护、更新各类地质数据，满足矿井对最新地质数据的要求，可在三维中直接编辑处理巷道、煤层、井下设施设备等GIS 数据；提供GIS 通用规范的地图发布、地图查询等共享服务接口，满足矿井各类业务系统对GIS 数据共享的要求，为矿井基础地质工作、智能化工作面等提供支撑；提供地质数据三维可视化及Web 发布，具备三维空间信息分析及历史数据查阅、分析功能。支持在三维GIS 场景中结合各类监测数据，实现矿井安全、生产过程的分析演练。

图：龙软云 GIS 平台

（三）建立高精度地质模型

高精度地质建模利用点数据（如钻孔、探煤点、导线点、实际煤层底板修改数据等）和边界数据（如断层、矿区边界、尖灭区、露头等），快速生成煤层、标志层、含水层三维模型，并连接形成体模型，实现井巷工程自动建模。将井筒、巷道、主要硐室等自动生成三维模型，自动处理巷道之间的空间分析，并实现巷道空间形态可视化、巷道断面可视化和巷道内部重点部位的设施可视化等。

图：地质建模

多参数属性建模是基于三维地质体的属性参数建模功能。在知识处理工具库辅助下，可实现对煤厚、煤质、水文环境、瓦斯赋存等属性参数的数据分析与模型构建。支持实时监测数据的接入、属性参数的动态插值与模型更新等功能。

（四）透明化工作面

1.透明化回采工作面

建立智能工作面综采设备三维模型。通过生产过程中揭露信息，对智能工作面三维地质模型局部动态修正，提高工作面地质模型的精度，为智能开采工作面的建设提供基础的地理信息透明平台支撑。建立工作面高精度地质模型与煤机装备自动化控制系统数据动态实时交换接口，为采煤工作面智能化开采数字化割煤提供精准的空间数据和精确的截割曲线。

图：基于高精度地质模型的采煤工作面展示

图：基于高精度地质模型的顶底板截割规划展示

2.透明化掘进工作面

透明化掘进工作面具备地质信息三维建模功能，能够基于巷道掘进过程揭露信息进行模型自动更新。研究基于钻探、物探、生产、煤岩层探测等的综掘工作面几何（网格）体元模型构建技术；研究煤层、钻孔、顶底板、地质构造（断层等）、积水区等关键位置模型多分辨率模型构建技术，实现巷道掘进过程中巷道模型与地质模型的动态更新。建立智能工作面掘进设备三维模型，包括掘进机、胶带输送机、顶板锚杆机等设备，实现设备在虚拟空间的物理仿真，接入掘进机实时数据，形成掘进工作面数字孪生系统。

图：透明化掘进工作面展示

（五）隐蔽致灾因素预测预报

基于地质信息综合数据库，建立矿井地质隐蔽致灾关联数据库。开发地质隐蔽致灾空间分析功能，实现各类致灾因素分类列表查询、导航定位查询、搜索查询、区域巡查、线路巡查，分层展现，查看属性及附属信息。基于 GIS 的致灾因素识别、评判和预警的流程，开发隐蔽致灾地质因素空间分析模型与功能，及时修正和更新数据。基于采掘进度和采掘位置的动态管理、地质灾害预警模型及地质灾害预警流程等功能实现基于 GIS 的地质灾害预警。

图：灾害预警展示

（六）地质大数据分析与地质数据推演

通过坐标转换将矿图与遥感影像进行叠加，进行井上下对照分析，及时掌握井田上覆地表范围内地形、地物的现实情况，便于开采设计和优化，保证安全、提高资源开采率。智能地质保障系统能够实现查询某一关联地质体的周边或井上下对象信息的功能。通过高精度地质模型和巷道模型，利用轮廓缓冲区、球形缓冲区或矩形缓冲区空间距离预警技术，可以动态计算井下任意点到相关危险源的垂直距离，为超前防范提供基础数据。

图：影响范围查询

在地质数据与工程数据融合、共享与高精度地质模型的基础上，可实现地质数据推演功能。基于井下采掘空间拓扑关系，开发水灾模拟、火灾模拟等灾害事故的推演仿真功能，实现灾害蔓延扩散的时间、范围、关联信息等场景展示。系统支持虚拟打钻孔功能，点击场景中的煤层模型，弹出虚拟打孔的设置框，包括方位角、倾斜角及深度。生成的虚拟钻孔依据打孔的位置及场景中煤岩层的信息进行差值，生成新的钻孔的岩性。提供数值模拟地质模型。基于煤矿对煤层顶底板水害、矿压应力、火区管理和瓦斯赋存规律的研究成果，支持可用于数字模拟等算法模型导出。

（七）数据集成与应用

集成综合管控平台数据，基于三维可视化平台实现生产、技术、安全等信息的可视化展示与应用。

集成矿井安全监测子系统、精确人员定位子系统、车辆定位系统、视频监控子系统、水文监测子系统、矿压监测子系统、束管监测子系统等所有安全保障监测类系统的生产设备、环境、人员数据、文字信息，实现数据共享、综合利用，实现三维地理空间下矿井场景的浏览查询以及功能展示。

图：巡检机器人系统集成

集成矿井采掘、运输、供电、排水、通风、压风等自动化子系统数据，自动化系统包括综采系统、综掘系统、供电系统、排水系统、主运输系统、辅助运输系统、通风系统、压风系统等。基于三维可视化平台，实现对矿井采掘及生产辅助系统运行情况及预警信息的可视化展示。

依托矿井地质云平台实现矿井生产调度、生产技术（采掘工作面、产量、进尺）、地测防治水、机电管理、一通三防、安全管理（风险、隐患）数据的集成。包括各专业基础数据、业务动态数据及安全生产评估分析数据，基于三维可视化平台实现可视化展示与应用。

三、取得成效

曹家滩煤矿透明地质保障系统融合了三维地震、瞬变电磁等数据，构建了全矿井 7 个大组地层、11 个煤层、4 条断层、136 个钻孔、4 个工作面及多个采空区、采空积水区、油气井场、瞬变电磁低阻异常区等的三维地质模型，结合矿井生产揭露情况实时动态更新地质体模型，云同步及响应时间小于 0.5 秒，在修正后地质模型的基础上为采掘设备提供截割规划参数，精度小于 0.2m。系统利用大数据分析功能，实现了采掘工作面周边任意距离范围内各类隐蔽致灾因素的预测预警功能。

系统应用前，煤矿图纸管理主要通过 CAD 进行绘制，科室之间图形更新不同步，基本为线下管理；物探、钻探等成果数据主要通过纸质报告、二维图形的方式进行管理和应用；井下写实数据基本采用纸质记录；地质数据没有与智能化系统实现交互，存在信息孤岛。

系统应用后，通过龙软云 GIS 平台提供的强大专业功能，可以实现煤矿图形的多人在线处理和协同管理；基于三维模式实现各类地质体的直观展示，通过融合物探、钻探类数据，进一步实现数据的交叉验证和融合分析；通过地质编录仪，实现手持终端在井下的数字化写实，通过与云 GIS 数据库关联，实现数据的实时更新和展示；系统为智能采掘、智能通风、安全监控等系统提供地质模型服务，能够根据实际揭露的数据实现模型的实时更新。

过去获取地质构造剖面图依赖工作经验和图纸资料，耗费时力，精度和直观性也受限。现在只需通过系统划线，输入指令和地质数据，就能迅速生成三维透明地质剖面图，清楚地看到地质构造的层次、结构和形态。

同时，系统为管控平台、智能通风、巡检机器人、辅助运输等 8 个智能化子系统提供地质模型，模型精度完全满足需要，系统融合了智能采煤、智能掘进、通风、排水、供电、辅助运输等 6 个综合自动化系统，集成安全监测、人员定位、视频监控、水文监测、矿压监测、束管监测等 6 个监测监控系统数据，为矿井安全管理、减员提效、智能决策提供依据，确保矿井安全生产。

四、经验启示及推广前景

透明地质保障系统建设及应用的经验主要包括以下几个方面：

一是透明地质保障系统应加强勘探技术与装备建设，提高勘查数据的精度与广度，为地质多源数据库建设提供基础。

二是在系统应用过程中，地测部门应保障基础数据及原有一张图的数据更新频率，保障系统数据的实时性。

三是系统应加强与智能采煤、智能掘进结合，根据实际生产揭露情况动态更新地质模型，保障地质模型的准确性和有效性。

四是从数据库建设、数据更新、预警提醒、地质大数据分析等方面加强人员培训，使其能够熟练操作系统，切实为实际安全生产工作解决问题，提高工作效率。

综合来看，曹家滩煤矿“透明地质保障系统”项目研究成果已经基本解决了煤矿在地质保障、安全生产等方面的关键技术和难点问题，积累了技术基础和建设应用经验，为决策提供科学依据，在煤炭行业具有很强的推广应用价值。

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来源

“inteIMiner智能矿山 ”

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发布于 2025-03-09 16:24:23