徐鲁勤
中国煤炭地质总局 北京市 100038
摘要：智能地质保障是去年国家发改委等部门提出的要求，但无论是地质勘查还是矿井地质，仍处于“定性静态描述”阶段，远不能满足能源和矿山建设要求。钻孔是我们认识隐蔽地质体的眼睛，而以“让地层说话”为目的，让各向异性的矿山地质体结构构造自我现身透明化的智能钻孔，契合了新时代要求，当应运而生。
关键词：智能地质；地质保障；透明矿山
随着科技进步和社会发展，无论是能源还是矿山建设，对地质保障的要求越来越高。于是，做为智能地质保障重要的基础节点智能钻孔便进入了人们的视野。
1 智能钻孔
智能钻孔是《“过程数字勘查技术”研究》[1]中提出的概念，是对已完成地质任务的地质钻孔，在封孔前运用RVSP勘查技术进行以钻孔为中心在地面多方向剖面的勘查，然后植入监测和接收地下水温/压/质、地应力、弹性波、电磁等地层信息的各类传感器仪器，进行耦合封孔，通过物联网、4G/5G和卫星等通信，不断将动态的信息数据发射到处理中心，智能化处理、专家修正，实现以钻孔为中心的地质体透明化，并为孔间、孔面（采掘工作面）勘探打下基础。
2 安全高效地质保障催生智能钻孔建设
去年初，国家发改委等提出了煤矿山地质保障智能化的要求。但在当前，无论是地质勘查还是矿井地质，然仍处于“定性静态描述”阶段，因此经常出现煤矿生产中揭露的地质情况与勘探的结论差异很大[2]，更无法提供动态信息，现行勘查规范也没有或就没有解决这些问题[3]；虽然广大地质科技工作者探索和研究了地面高密度三维地震、坑道透视等很多勘查技术与理论，使矿井地质灾害的预测精度虽有提高，但仍不能满足要求，矿山突水、冲击地压、瓦斯突出等事故仍时有发生，无法实现地质保障要求。袁亮院士指出：地质条件的精细探查是煤炭精准开采的基础环节[4]。如何查明和重构透明化地质条件，成为一项迫切任务。矿山地质为隐蔽工程，钻孔是我们能够直观认识煤田地质的眼睛，但如何克服钻孔间的地质结构仅依靠点位钻孔等少量资料而非地层信息进行的推断？如何克服现有勘查技术以瞬时、点位、静态为主的缺点？一直是地质工作者的追求，煤矿地质保障的迫切需要而如孔间、孔地、孔面间地震波等信息，因其信号路径短，能量衰减小，主频通常是地面地震的数倍甚至更高，频带较宽、干扰少、振幅信息畸变小、分辨率高，不仅能接收到上行纵波和上行转换波，也能接收到下行纵波及下行转换波，以及橫波、槽波等，使得接收的地层信息十分丰富，同时可利用直达波和反射波、槽波等进行全波成像、层析成像、槽波成像等。于是，以地层发出的动态信息为依据的智能钻孔建设便应运而生，成为解决上述问题的一个突破口。
现在，我国每年施工的各类地质钻孔数万个，其中资源地质勘查、水文地质勘探钻孔占比大于80%。但巨额投资的地质勘查钻孔，绝大部分止步于对钻孔岩芯和测井的地质认识，在矿山开采出现新情况时，须再投入巨资进行补充勘探；即使有少数钻孔用于长观，但一必须为开放性的且在开采接近时封闭，二是每孔只能观测一个地质参数信息。智能钻孔则克服了上述问题，使现施工钻孔地质功能扩展且长期使用，一孔多地质参数多点位长期监测，非监测层段又得到封闭，不影响开采，既提高了投入产出率，又使地质资料能动态获取，实现高效生产。
3 现代科技助力智能钻孔的建设
智能钻孔建设存在三大科技难题，安装工艺、智能装备、信息解译。
如何在千米深的同一孔中，使用不同耦合方式，将各类地质参数探头有效耦合在各目的地层内，并将各探头接收的数据及时传输到孔口发射到数据处理中心？这是阻绕智能钻孔建设的第一大课题，是国内外地质学家一直期望而又未能解决的难题。具悉，北京慧坤科技有限公司一群有着地质情结的退休地质专家的“一种封闭地质深孔分层长观监测装置”等系列发明成果，有望使智能钻孔的安装工艺获得实质性突破。
光纤传感器的出现和成熟发展，如分布式光纤水温/压双检传感器，具有高灵敏度、高频率响应、时间维度测量或监控的特点，为地下水多分层监测提供了先进的装备；袁亮团队研制的矿井光纤微震传感系统，实现了矿井微震监测的升级换代[5]……这些高科技成果，为智能钻孔地质各参数探头的开发奠定了科技基础；快速发展的低功耗超远距离快速无线传输技术，为智能钻孔建设虎上添翼。
近年来，以彭苏萍院士为代表开展的煤矿采区高分率三维地震勘探技术不断完善，使煤矿千米以内地质构造解译的精度达到3～5m落差的小断层、直径大于20m的陷落柱；井地联合三维三分量数据采集法，采集到800～1200m良好的三维地震数据体[2]；RVSP地震勘探技术结合了VSP和地面三维地震的技术优势，在我国油田得到了深入研究和开发[6]；程建远团队研究的随采地震探测技术[7]，为实现孔面动态勘探打下基础。等等。这些方法、理论的发展，使智能钻孔建设有了坚实的科技理论平台。
4 智能钻孔建设的内容和目标
智能钻孔建设的内容是以钻孔为中心，在勘查和采矿中，对孔地、孔间、孔面进行多剖面多地质参数信息动态监测，实现精细化精准地质描述；对多含水层分层地下水动态、多层位地应力和微震信号、多煤层瓦斯浓度智能监测；对多煤层结构、地质构造智能勘查；通过计算机对单一参数数据或多参数数据体的反演计算，形成时间维度的空间动态变化的四维数据信息，等等，从而实现钻孔所在地质体的透明化，以及深部矿床智能勘查、采矿后矿床顶板三带发育监测等目标。
5 智能钻孔需要解决的关键科学技术
智能钻孔需要解决的关键科学技术，包括：同一地质孔多目标层多参数传感器不同耦合方式的安装工艺；地勘钻孔分布式光纤水温/水压双检传感器和水质传感器及解译软件；深地勘钻孔弹性波矢量传感器及及解译软件；深地勘钻孔应力监测传感器及解译软件；深地勘钻孔气体浓度监测传感器及解译软件；深地勘钻孔微震监测及定位方法；孔间、孔面槽波探测和实时三维成像技术；RVSP与孔间、孔面间的直达波和反射波等全波成像、层析成像技术；煤层顶底板水害危险源水压和水温效应检测及危险源定位技术；数据库、计算机加专家系统一体化的智能地质建设；不破坏钻孔的孔中强冲击震动器，等等。
6 智能钻孔建设展望
智能钻孔解决的根本问题是让地层说话，让各向异性的矿山地质体的结构构造自我现身透明化，替代当前以分散点位地质信息进行的等效计算机模拟、推断等被透明化，回归地质体本质。因此，智能钻孔必将为我国的智能地质、透明矿山建设做出重要的基础贡献。事实上，如上文介绍广大地质科技工作者的已为智能钻孔建设做了大量工作，并取得了可喜的成绩，做了深厚的铺垫。因此，有充分理由相信智能钻孔一定前景可期！当然，它更需要国家相关管理机构和广大地质科研人员的实质支持和参与！
参考文献
[1] 徐鲁勤，焦森，王锦鹏，等. “过程数字勘查技术”研究[J]. 化工矿产地质，2021，42(2):177-181.
[2] 彭苏萍. 我国煤矿安全高效开采地质保障系统研究现状及展望[ J]. 煤炭学报，2020，45(7):2331-2345.
[3] 刘志逊，魏迎春，曹代勇，等.煤炭地质勘查技术跟踪与勘查模式研究[M]．北京：地质出版社，2015.
[4] 袁亮，张平松. 煤炭精准开采透明地质条件的重构与思考[ J]. 煤炭学报，2020，45 (7):2346 -2356.
[5] 袁亮. 煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究进展[ J]. 煤炭学报，2020，45(5):1557-1566.
[6] S.T.Chen. 用逆直地震剖面和井间层析方法实现地下界面成像 [J]. 地球科学译丛，1991，8 (3)：88～93.
[7] 程建远，覃思，陆斌，等. 煤矿井下随采地震探测技术发展综述[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(3)：1–9.
作者介绍：徐鲁勤（1962－），男，高级工程师，长期从事煤炭地质工作与研究。