2020 年2 月，国家发改委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》，明确指出煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，针对智能地质保障部分，提出基于“数据驱动”“数字采矿”的理念，深度融合地质数据与工程数据，采用地质数据推演、多元复用、智能更新等方法，研究建立实时更新的地质与工程数据高精度融合模型，实现矿井地质信息的透明化。推广智能采掘工作面的随采智能探测、随掘智能探测与监测的技术装备，研发应用智能钻探、智能物探、智能探测机器人等新技术与新装备，形成以静态为基础，融入自动更新的动态地质模型。

在上述国家智能化建设相关政策的鼓励和支持下，西安煤科透明地质科技有限公司（原中煤科工西安研究院（集团） 有限公司透明矿井技术研究所）率先启动了透明地质保障系列关键技术的研发和实践工作，将采掘工作面实时超前探测、高精度地质模型构建、大数据、人工智能、虚拟现实等先进技术与煤矿地质工作有机结合并深度融合，开发专业级透明地质保障系统，助力煤炭工业高质量发展，贯彻实施创新、协调、绿色、高效、安全的新发展理念，最终实现煤炭行业的智能化、无人化开采。

透明地质保障系统建设现状

透明地质作为一种新质生产力，缺乏可依据可借鉴的资料，由于对透明地质的建设方向、内容、理念等存在认识偏差，对基础地质工作、三维地质模型和软件系统的融合深度认识不足，造成企业对透明地质保障系统功能和建设目标的认知存在一定局限性。

透明地质建设以地质学理论为基础，企业普遍对地质规律和地质现象的数字化表达、对生产过程中产生的地质运动现象和动态规律表达等基础性研究工作投入不足，造成地质模型不能反映真实地质规律和地质现象。

目前，部分企业还未启动透明地质保障系统建设工作，已建或在建透明地质保障系统的企业中，不同矿井建设路径和效果存在差异，多数矿井采用了三维地质建模场景化应用系统开发的技术路线，主要成果为构建了三维地质几何模型，系统以二维图纸的数字化和编辑为主，未实现基于三维地质模型的空间分析和地质预测预报，透明地质保障系统普遍存在展示度高、应用度低的共性问题。

西安煤科透明地质科技有限公司联合国家能源集团乌海能源有限责任公司首次提出了“矿区-矿井-工作面”三级透明化地质保障建设理念，研发了全流程、全要素地质数据治理技术，基于沉积规律的多属性、高精度三维地质模型构建及动态更新技术，开发了多尺度（矿区-矿井-工作面）、多维度（数据-模型-系统） 透明地质保障系统，基本实现了矿井要素的透明化综合表达，解决了含煤地层沉积构造发育规律不清，水、火、瓦斯等隐蔽致灾地质因素无法随采掘推进实时预测的问题，促进了传统地质工作从二维到三维的转变，为煤矿安全、高效、智能生产提供了新技术、新方法。多尺度多维度透明地质保障系统被国务院国有资产监督管理委员会首页报道，也是首个被中国煤炭工业协会鉴定为国际领先水平的透明地质类项目。

透明地质保障系统应用存在的问题

目前，多数透明地质保障系统仅满足煤矿智能化验收要求，数据、模型、系统应用等方面存在多方面缺陷有待完善，主要体现为3个方面。

（1） 地质数据不全面、质量低

海量历史地质、工程、物探、钻探数据及成果数字化程度不足，地质信息挖掘深度不够；高精度实时超前探测手段单一、探测距离短，地质预测预报支撑能力弱；多种物探的探测手段相互验证不充分，融合解释精度不高；随采掘活动的地测数据采集困难，不能及时高效支撑地质模型的快速更新。

（2） 地质模型更新少、缺少地质属性

以往的三维地质模型以静态构建为主，不能及时通过采掘揭露数据、实时监测数据和探测数据及时更新。地质模型更新过程缺乏软件工具，三维地质模型日常运行、维护困难。三维地质模型及隐蔽致灾因素属性模型为主体的综合地质模型承载能力不足，水文、火区、瓦斯、矿压等地质属性未能完全承载。

（3） 透明地质保障系统业务支撑弱、实用难

透明地质保障系统功能以展示为主，缺乏对地测业务支撑，不能很好地指导煤矿采掘活动。隐蔽致灾因素属性不透明带来的地质风险评价能力差，不能很好地指导矿井防灾与减灾。透明地质保障系统与智能综采、智能掘进系统有壁垒，没有形成深度的业务融合模式。

透明地质保障系统“四化”建设思路

在借鉴前人研究经验的基础上，综合分析目前透明地质保障系统建设存在的问题，结合国家能源集团乌海能源有限责任公司与西安煤科透明地质科技有限公司联合开发的多尺度、多维度透明地质保障系统的研究实践，提出了透明地质保障系统“四化”建设思路，具体包括数据基础标准化、地质模型专业化、软件系统一体化、场景建设实用化4 个方面的内容。

数据基础标准化

煤矿地质数据获取手段多、格式杂、时空跨度大、局限性强、不确定因素多，因此数据具有多源、异构、时空、方位、相关、随机、模糊、非线性等典型特征，数据融合处理存在较大难度。钻探、孔探、槽波、电透、三维地震、地质写实等数据从本质上可以归结为点、线、面、体数据，建立相应数据的标准化存储机制和字段存储标准，形成标准化的数据库。

采用西安煤科透明地质科技有限公司自研的透明工作面多源数据融合软件，可对矿井钻探、测井、三维地震、槽波地震、电磁法探测、孔中雷达、地质写实数据进行收集，开展数据整合、分析、冲洗、补齐等治理处理过程，通过图、表以及文字方式，实现地质大数据的统一管理、新增、检索、查看、修改等，同时在二维和三维空间中可视化展示和编辑；可通过多参数进行交互标定、验证、反演等融合处理，具备地震动态解释、融合标定、交叉验证等功能，提高地层和构造解释精度，丰富数据属性信息并直接调用，用于成图和几何形态展示、属性展示，地质数据标准化融合处理流程如图1所示。

图1　地质数据标准化融合处理流程

地质模型专业化

透明地质保障系统建设的地质模型以地质学理论为基础，以表达地质规律和地质现象的算法为手段，构建全矿井高精度三维地质模型，服务矿井全生命周期。专业化地质模型涵盖4个层面的意义。

（1） 通过多源数据融合和三维几何建模技术，实现地层、构造、采掘现场等内容的三维可视化。

（2） 通过地质沉积规律和构造演化规律的数字化表达，提取相关约束条件，采用空间插值等各类算法，进行同步映射，构建多属性静态三维地质模型。

（3） 通过精细刻画多属性地质要素之间的成因关系及采动过程耦合联动变化关系，形成多属性动态三维地质模型。

（4） 在积累了大量数据情况下，通过数据处理融合，反演验证及推断已知和未知区域的地质情况，实现多属性智能化三维地质模型。分层次构建三维地质几何模型、基于地质沉积规律和构造演化规律多属性静态三维地质模型、多属性动态三维地质模型和多属性智能化三维地质模型，最终构建全信息三维地质模型。

专业地质模型构建流程包含3 个步骤。

（1） 根据钻孔柱状图及井田综合柱状图等资料，进行详细的地层划分，确定标准层，并对区内的钻孔资料依据标准层进行层位对比、层位合并与分类。地层按地质年代和岩性2 种方式进行划分。地层划分的标准是先按照地质年代对地层进行大划分，原则上精细到组，对于同一组内地层，按照不同岩性、煤层、标志层等特征进行进一步划分。

（2） 利用入库的钻孔分层数据（地质年代分层、岩性分层），以及所提供资料平剖面资料中的地层露头线信息和剖面地层线数据等，其中钻孔分层数据作为精确约束条件，平剖面资料中的地层露头线信息和剖面地层线信息作为模糊约束条件逼近，构建地层模型。

（3） 采用断层切割关系精细处理技术，通过不规则三角网TIN 不规则分布的断层离散数据点，生成连续三角面网，逐步逼近断层层面，同时通过加入特征点、线精确控制断层层面形态。断层切割关系精细处理如图2 所示，专业化地质模型如图3 所示。

图2　断层切割关系精细处理

图3　专业化地质模型

软件系统一体化

针对透明地质保障系统涉及的业务逻辑，提出“数据-模型-系统”3 大业务层级的专业级透明地质保障系统一体化技术架构，如图4所示。

图4　专业级透明地质保障系统一体化技术架构

经过业务分层，明确定义出层与层之间的接口，规范业务逻辑并提供更多接口描绘，层与层之间的耦合度降低，增强了模块的复用性、可扩展性和维护性。业务分层也有益于项目模块区分以及任务分派，准确清晰的接口，降低软件系统集成难度，提高效率。

（1） 数据层

数据层包括基础支撑、数据源和地质数据库。基础支撑包括GIS 服务器、数据存储设备、用于数据处理的图像工作站、井下环网或4G/5G网络；数据源包括地表模型数据、井田模型、掘进地质透明化、回采地质透明化、水火瓦斯矿压等各类监测数据以及数据中心存储的各类结构化和非结构化数据；地质数据库包括地表模型数据库、地下模型数据库、元数据数据库和地质保障系统数据库。

（2） 模型层

模型层指广义的地质模型专业应用，包括基于地质模型的数据融合、掘进地质透明化、回采地质透明化、水文、火区、瓦斯、储量、地测、统计分析、数据中心（模型分析方向） 等涉及的扩展应用。

（3） 系统层

系统层指依托数据层提供的全信息地质数据和模型层提供的扩展应用，充分融合地质、测量、防治水、瓦斯地质、防灭火、储量管理、智能采煤、智能掘进等专业方向的实际需求，研发出的各类专业性的算法和功能模块。

场景建设实用化

专业级透明地质保障系统的应用，由传统地质二维图纸工作模式逐渐过渡到三维地质模型分析模式，通过梳理透明地质保障与地测防治水、一通三防、采掘设计与接续的业务协同流程，提升多专业协同分析能力，开拓各类场景应用，透明回采实际界面如图5所

示。

图5　透明回采实际界面

（1） 透明化采掘工作面

综采/掘工作面透明化技术，利用实时采掘数据驱动地质模型实现“人-机-环-管” 三维可视化交互展示，同步实现采掘前探测成果、采掘中监测成果与综采/掘生产系统的同步映射和实时融合，自动识别煤层变化规律，实现基于地质模型指导的规划截割和断面规划，完成透明地质从地质辅助生产到地质指导生产的转变，解决煤矿综采/掘面临的实际地质问题，满足煤矿智能采掘的迫切需求。

（2） 防治水透明化

实现基于三维地质模型实现含水层、隔水层、排水系统、充水水源、充水通道等属性因素的三维可视化，构建水文地质综合模型，结合水文监测、水文探查、水文预报、防治水工程、水文台账、治理方案等业务逻辑，防治水业务透明化界面如图6所示。

图6　防治水透明化界面

（3） 瓦斯地质透明化

基于三维地质模型实现主采煤层气含量预测模型、瓦斯压力预测模型、条件设置、发布预报、预报详情、瓦斯涌出量预测模型、瓦斯预测关键参数、瓦斯压力反演模块、瓦斯预测分区结果等模型和数据资源信息的可视化，瓦斯地质业务透明化界面如图7 所示。

图7　瓦斯地质透明化界面

（4） 防灭火管理透明化

分析火区监测数据，研究火区温度、气体等监测信息的地质规律，采掘揭露及开采煤炭损失因素研究分析等。结合采掘信息和火区监测数据，在三维地质几何模型基础上，研究火区地质模型构建方法、火区地质预报方法，防灭火管理业务透明化界面如图8 所示。

图8　防灭火管理透明化界面

总 结

透明地质属于新兴技术，其发展需要逐步完善、地层信息逐步“透明”的过程，需要企业技术人员和科研人员共同探索和努力，未来发展方向归纳为以下3 点。

（1） 地质数据方面

制定全国性的透明地质数据规范，解决历史地质资料数字化和标准化问题，打通采掘活动产生的动态数据与透明地质保障系统之间的数据通道，打造全要素地质数据底座。

（2） 地质模型方面

分级构建三维地质几何模型、基于地质沉积规律、构造演化规律多属性静态三维地质模型，多属性动态三维地质模型和多属性智能化三维地质模型，最终构建全信息三维地质模型。

（3） 地质保障系统方面

研发地质专业算法库，提升多专业协同分析能力，打造专业化地质分析和预测预报模块。定制地质业务工具包，打造实用化地质工作模块，实现采掘数据驱动的实时地质预测预报。通过打通地质数据与工程、安全和辅助业务之间的数据壁垒，形成对智能掘进、智能采煤、智能通风、灾害预警、智能运输等智能化系统的强有力支撑，开拓各类场景应用。

策划：李金松 编辑：王晓珍