摘要

目前數(shù)字巖心技術(shù)存在已有數(shù)據(jù)價值未充分利用、深度賦能與資產(chǎn)化程度低、數(shù)據(jù)與礦山建設(shè)需求不匹配等問題。煤炭行業(yè)應(yīng)構(gòu)建煤礦數(shù)字巖心庫，推動工程化應(yīng)用，在應(yīng)用方面助力分析煤巖微觀結(jié)構(gòu)、模擬流體流動等；在透明地質(zhì)領(lǐng)域建立三維透明地質(zhì)模型；在采礦工程里可探究動力災(zāi)害孕育機(jī)制，指導(dǎo)災(zāi)害防治，實現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集、結(jié)構(gòu)化存儲和知識關(guān)聯(lián)挖掘。

文章來源：《智能礦山》2025年第3期“數(shù)字巖石力學(xué)”專題

作者簡介：楊冠宇，博士，現(xiàn)任煤炭科學(xué)研究總院深地科學(xué)院實驗與物性所所長，主要從事數(shù)字巖心、煤巖心關(guān)鍵參量無損推斷的相關(guān)研究工作。E-mail：yangguanyumining@126.com

作者單位：煤炭科學(xué)研究總院有限公司深部開采與沖擊地壓防治研究院

引用格式：楊冠宇，靳子越，李海濤，等. 數(shù)字巖心技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(3)：38-43.

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巖心是描述地下巖石特征最直觀的資料之一，為礦井三維模型構(gòu)建、地下結(jié)構(gòu)探測等透明礦山提供了關(guān)鍵性的參考數(shù)據(jù)。數(shù)字巖心是近年興起的巖心物性分析與深度利用的基礎(chǔ)技術(shù)，基于二維掃描電鏡圖像或三維CT掃描圖像，運(yùn)用計算機(jī)圖像處理技術(shù)完成數(shù)字巖心重構(gòu)，將物理巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)以高分辨率的數(shù)字形式再現(xiàn)。數(shù)字巖心技術(shù)可準(zhǔn)確反映巖石幾何形態(tài)，并可獲取內(nèi)部物理和力學(xué)特性，為地質(zhì)分析和工程設(shè)計提供更加精確的數(shù)據(jù)支持。

數(shù)字巖心技術(shù)體系

數(shù)字巖心技術(shù)體系涵蓋巖心采集、三維重建、參數(shù)提取和模擬仿真的各個環(huán)節(jié)，主要包括以下5個步驟，數(shù)字巖心技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 數(shù)字巖心技術(shù)體系

（1）鉆孔取心

鉆孔取心是數(shù)字巖心技術(shù)的起點(diǎn)。通過鉆井設(shè)備從地下獲取巖心樣品，全程數(shù)字化記錄取樣過程，為后續(xù)巖心全要素數(shù)據(jù)數(shù)字化處理與標(biāo)準(zhǔn)化管理奠定基礎(chǔ)。

（2）巖心信息數(shù)字化采集

充分采集巖心樣品內(nèi)部信息，獲取巖心全部物性信息。數(shù)字巖心技術(shù)采用掃描電鏡（SEM）、計算機(jī)斷層掃描（CT）和核磁共振成像（NMR）核心技術(shù)，最常用的為CT掃描獲得微米級分辨率的巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過圖像處理軟件，將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為詳細(xì)的三維模型，反映巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物分布。數(shù)字巖心的關(guān)鍵技術(shù)裝備如圖2所示。

圖2 數(shù)字巖心的關(guān)鍵技術(shù)裝備

（3）數(shù)字巖心數(shù)據(jù)分析

深度分析數(shù)字巖心提取關(guān)鍵的物性力學(xué)參數(shù)，包括孔隙度、滲透率、彈性模量等。AI分析數(shù)字巖心數(shù)據(jù)可減少人為因素對參數(shù)提取結(jié)果的影響，提高參數(shù)提取效率和精度，基于深度學(xué)習(xí)的裂縫提取算法，實現(xiàn)了95%以上的煤巖CT掃描圖像細(xì)觀裂縫識別，煤巖物理力學(xué)參量智能識別如圖3所示。

圖3 煤巖物理力學(xué)參量智能識別

（4）模擬與仿真

數(shù)字巖心模型直接轉(zhuǎn)換為數(shù)值計算模型，在不同環(huán)境和受力條件下模擬與仿真數(shù)字巖心模型，分析巖石在不同應(yīng)力條件下的力學(xué)特性；模擬瓦斯、水等流體在煤巖中吸附、解析與滲流機(jī)理等，為礦井設(shè)計和安全評估提供參考數(shù)據(jù)。有限元網(wǎng)格化劃分?jǐn)?shù)字巖心CT掃描圖像像素點(diǎn)/體素點(diǎn)，構(gòu)建二維/三維有限元煤巖模型，還原真實細(xì)觀結(jié)構(gòu)空間分布特征，提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度，數(shù)字巖心有限元模型構(gòu)建方法如圖4所示。

圖4 數(shù)字巖心有限元模型構(gòu)建方法

（5）巖心樣品真實重現(xiàn)

采用透明3D打印技術(shù)或虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，物理還原數(shù)字巖心模型，直觀展示數(shù)字巖心內(nèi)部組分與結(jié)構(gòu)；借助砂石/石膏等類巖石材料的煤巖3D打印還原煤巖中的真實物理力學(xué)屬性，實現(xiàn)重復(fù)性巖石力學(xué)的實驗。數(shù)字巖心技術(shù)可獲得巖石內(nèi)部不同材料與介質(zhì)的空間分布和結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)量化數(shù)據(jù)提高了巖石力學(xué)數(shù)值模擬準(zhǔn)確度。

數(shù)字巖心技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 數(shù)字巖心技術(shù)在巖石力學(xué)研究方向的應(yīng)用

煤巖物理力學(xué)參數(shù)是描述煤巖力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，包括密度、厚度、彈模、泊松比、抗壓強(qiáng)度等，主要由煤巖組成物質(zhì)的特征及其富含的孔隙裂縫結(jié)構(gòu)決定?？绯叨?、多功能、高精度的數(shù)字巖心采集與實驗系統(tǒng)，從微觀尺度精確表征煤巖心物性特征，定量研究微觀結(jié)構(gòu)與組分對煤巖物理力學(xué)屬性的影響，數(shù)字巖心采集與實驗系統(tǒng)如圖5所示。數(shù)字巖心技術(shù)在巖石力學(xué)研究方向的應(yīng)用主要包括4個方面。

圖5 數(shù)字巖心采集與實驗系統(tǒng)

（1）數(shù)字巖心技術(shù)可分析煤巖微觀結(jié)構(gòu)，從孔隙多級性、網(wǎng)絡(luò)特性、連通性、自相似性等角度表征煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)，揭示煤層氣賦存運(yùn)移機(jī)理，為高效抽采利用提供理論支撐。

（2）通過數(shù)字巖心技術(shù)獲取高精度三維模型，準(zhǔn)確模擬流體在煤層中的流動過程，基于CT掃描等數(shù)字巖心技術(shù)分析研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育結(jié)構(gòu)特征，研究巖溶水介質(zhì)的水力參數(shù)和滲透性，并綜合考慮巖溶含水介質(zhì)靜態(tài)因素和動態(tài)因素，運(yùn)用模糊評價法確定巖溶水系統(tǒng)徑流區(qū)優(yōu)勢滲流通道，基于數(shù)字巖心的煤巖流場模擬如圖6所示。

圖6 基于數(shù)字巖心的煤巖流場模擬示意

（3）在深部開采過程中，由于“三高一擾動”的地質(zhì)工況導(dǎo)致巖石的物性、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)和工程響應(yīng)均發(fā)生變化，深部巖土工程災(zāi)害頻發(fā)，通過對巖石壓縮破壞過程實時CT掃描及巖石破壞斷口SEM電鏡掃描，探究了巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律，建立了考慮細(xì)觀裂紋擴(kuò)展的巖石蠕變本構(gòu)模型。

（4）無損推斷方法是高效快速全面辨識煤巖物理力學(xué)性質(zhì)的手段。煤炭科學(xué)研究總院有限公司深部開采與沖擊地壓防治研究院（簡稱深地科學(xué)院）提出的基于數(shù)字巖心的物理力學(xué)無損推斷技術(shù)路徑，通過建立目標(biāo)參數(shù)與間接無損測試指標(biāo)間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)模型，進(jìn)而基于新的無損測試指標(biāo)和關(guān)聯(lián)模型，無損推斷出煤巖的各物理力學(xué)參數(shù)。數(shù)字巖心技術(shù)可以模擬和預(yù)測煤巖在不同應(yīng)力條件下的力學(xué)行為，揭示其宏觀力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，基于CT掃描的煤巖物理力學(xué)參數(shù)無損推斷如圖7所示。

圖7 基于CT掃描的煤巖物理力學(xué)參數(shù)無損推斷

2.2 數(shù)字巖心技術(shù)在透明地質(zhì)的應(yīng)用

通過分析巖石孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成和微觀裂縫，揭示巖石特性并提供地球歷史信息。透明礦井技術(shù)目前實現(xiàn)了采掘地質(zhì)透明，數(shù)字礦山需還原井下煤巖屬性、工程力學(xué)行為層面的物理透明。

深地科學(xué)院基于AI算法，開發(fā)了煤巖物理力學(xué)參量工程展布技術(shù)，建立地層連續(xù)物理力學(xué)參量已知的三維透明地質(zhì)模型，以雙能CT為代表的精密實驗儀器搭建到各類工業(yè)場景，靈活匹配工程現(xiàn)場的物理力學(xué)測試需求，結(jié)合數(shù)字巖心無損推斷技術(shù)，實現(xiàn)煤巖多維度物性參量的近井場快速判定。

研究煤巖物理力學(xué)參量工程展布技術(shù)，將離散、小尺寸巖心近場掃描煤巖物性結(jié)果，擴(kuò)展成連續(xù)、工程尺度的地下空間多維數(shù)據(jù)，打通幾何透明和工程力學(xué)行為物理透明之間的關(guān)鍵卡點(diǎn)，明確煤巖物理力學(xué)參數(shù)在工程場景下的真實分布情況，為煤炭災(zāi)害的治災(zāi)決策制定提供重要的數(shù)據(jù)支撐，數(shù)字巖心技術(shù)賦能透明礦井如圖8所示。

圖8 數(shù)字巖心技術(shù)賦能透明礦井

2.3 數(shù)字巖心技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用

受地質(zhì)運(yùn)動影響，地下煤巖體中天然賦存大量多尺度孔隙、裂縫、斷層多種缺陷結(jié)構(gòu)；隨著人為開采行為的增加，煤巖受力情況發(fā)生變化，缺陷結(jié)構(gòu)中孔隙、裂縫等結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和發(fā)展，造成地下大結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和破壞，甚至引發(fā)礦山動力災(zāi)害。

數(shù)字巖心技術(shù)分析煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裂縫演化規(guī)律，以及外力作用下的動態(tài)響應(yīng)，通過捕捉煤巖受力過程的裂縫發(fā)育規(guī)律，探究煤巖動力災(zāi)害的孕育機(jī)制，為煤礦安全開采與災(zāi)害防治提供強(qiáng)有力的理論支撐。

針對煤巖CT裂縫高精度識別問題，基于深度學(xué)習(xí)理論構(gòu)建多尺度融合煤巖裂縫提取網(wǎng)絡(luò)模型，得到了實際巷道圍巖鉆孔裂縫分布范圍，并據(jù)此確定了具體封孔注漿范圍，提升了煤層氣抽采效率。

基于數(shù)字巖心技術(shù)以應(yīng)力流作為煤巖體變形、破壞等行為描述指標(biāo)，論證了應(yīng)力流與巖體的開裂破壞的內(nèi)在相關(guān)性，提出了面向于過程的煤礦沖擊地壓防控工作提供可靠的量化工具，為實現(xiàn)沖擊地壓“一礦一策”的差異化防控目標(biāo)提供重要參考。

目前，數(shù)字巖心針對煤礦開采過程的支撐作用與示例仍有待進(jìn)一步探討和完善，特別是面向煤炭開采過程中的采動應(yīng)力的重新分布及不同種類動力災(zāi)害的防治，仍處于探索階段。通過數(shù)字巖心技術(shù)分析地下空間煤巖物性因素，尤其是物理力學(xué)參數(shù)、沖擊傾向性等煤巖固有屬性的獲取與深度分析，是數(shù)字巖心賦能采礦工程實踐的必經(jīng)之路。

數(shù)字巖心技術(shù)工程化應(yīng)用的挑戰(zhàn)與展望

數(shù)字巖心技術(shù)作為近年來新興的技術(shù)，目前主要在實驗室條件下使用，在煤礦工程現(xiàn)場開展了部分測試應(yīng)用，仍存在煤巖心數(shù)字化采集與綜合利用水平較低、巖心數(shù)據(jù)信息利用不充分與數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)依據(jù)不足等問題，主要體現(xiàn)在3個方面。

（1）未充分利用大量已有煤巖心數(shù)據(jù)價值

現(xiàn)有煤巖心數(shù)據(jù)數(shù)字資源屬性被嚴(yán)重低估。煤巖物性、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)行為信息是制定施工方案、設(shè)計措施參數(shù)的關(guān)鍵依據(jù)，也是科研院所基礎(chǔ)研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是，煤礦不具有測試煤巖屬性參數(shù)的能力，科研院所研究所需數(shù)據(jù)量大且不易獲取，由此，綜合導(dǎo)致了煤巖心數(shù)據(jù)獲取的時間和經(jīng)濟(jì)成本均較高，各單位存在數(shù)據(jù)共享障礙，造成同一礦井同一區(qū)域多方重復(fù)測試的狀況。

（2）數(shù)字巖心的深度賦能與資產(chǎn)化程度不高

煤礦企業(yè)和科研院所在事實上已經(jīng)擁有了大量的煤巖心數(shù)據(jù)，但因未能實現(xiàn)統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)格式多樣、存儲媒介不同，大量數(shù)據(jù)在服務(wù)完對應(yīng)項目后即被置之不用，缺乏對上述數(shù)據(jù)深度挖掘、有效利用。由于缺乏平臺、數(shù)據(jù)保密等問題，不同渠道的數(shù)據(jù)問題難以交流互通，已有數(shù)據(jù)存在共享障礙，造成在海量數(shù)據(jù)挖掘時單一機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)體量較為有限。煤炭領(lǐng)域內(nèi)對于數(shù)字煤巖心的利用缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，缺少對數(shù)字巖心多維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集、深度挖掘等功能的煤礦數(shù)字巖心綜合利用體系。

（3）現(xiàn)有巖心數(shù)據(jù)與數(shù)字化礦山建設(shè)需求不匹配

數(shù)字巖心技術(shù)通過高精度的掃描和成像技術(shù)，獲取煤巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)，解析不同應(yīng)力條件下的力學(xué)響應(yīng)，準(zhǔn)確預(yù)測煤巖的力學(xué)行為。數(shù)字巖心技術(shù)生成的大量高精度數(shù)據(jù)滿足了現(xiàn)代煤礦管理和工程設(shè)計對數(shù)據(jù)驅(qū)動決策的需求，解決了傳統(tǒng)鉆孔柱狀圖數(shù)據(jù)有限、描述精度不足的問題。數(shù)字巖心技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用具有廣闊的前景和潛力，以數(shù)字巖心庫為載體的煤礦數(shù)字巖心工程化應(yīng)用方案解決了多個痛點(diǎn)。

煤炭領(lǐng)域應(yīng)打造專屬煤礦數(shù)字巖心庫，具有信息標(biāo)準(zhǔn)化采集、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲、知識關(guān)聯(lián)性挖掘等功能，有效地解決煤巖物性、結(jié)構(gòu)、力學(xué)行為等基礎(chǔ)信息碎片化程度高、大量已有煤巖心數(shù)據(jù)價值被嚴(yán)重浪費(fèi)等煤炭領(lǐng)域客戶關(guān)注的共性問題，為煤礦數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化建設(shè)提供大體量、高質(zhì)量的基礎(chǔ)巖心數(shù)據(jù)。

煤炭行業(yè)圍繞巖心數(shù)字化采集與綜合利用提出了多部行業(yè)與團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，打通巖心的圖像、礦物成分、地質(zhì)信息及物性參數(shù)等數(shù)字化技術(shù)路徑，推動巖心數(shù)據(jù)的更好共享利用，煤巖多維參量標(biāo)準(zhǔn)化采集及煤礦數(shù)字巖心庫體系如圖9所示。

圖9 煤巖多維參量標(biāo)準(zhǔn)化采集及煤礦數(shù)字巖心庫體系

總結(jié)

（1）煤炭行業(yè)未來形成一套煤礦全新的工作模式，以實現(xiàn)煤巖物理力學(xué)參數(shù)工程現(xiàn)場測試與快速分析為目標(biāo)，通過數(shù)字巖心全流程全要素采集與智能分析，打造以數(shù)據(jù)資產(chǎn)化、知識產(chǎn)品化為核心的全新產(chǎn)業(yè)鏈條，實現(xiàn)地下工程現(xiàn)場全空間、全要素透明化，支持礦井生產(chǎn)系統(tǒng)全周期高可靠性設(shè)計、地下復(fù)雜工程行為預(yù)測、數(shù)字采礦等具體場景，賦能煤礦智能化防災(zāi)減災(zāi)，推進(jìn)信息化智能化與地下資源開采的深度融合。

（2）數(shù)字巖心技術(shù)在煤礦領(lǐng)域具有廣闊前景和巨大潛力。煤炭行業(yè)應(yīng)專注于建設(shè)煤礦數(shù)字巖心庫并使數(shù)字巖心工程化成為常態(tài)，以實現(xiàn)信息的標(biāo)準(zhǔn)化采集、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲以及知識的關(guān)聯(lián)挖掘，解決煤巖物性、結(jié)構(gòu)、力學(xué)行為等基礎(chǔ)信息的碎片化問題，并充分利用已有的煤巖心數(shù)據(jù)，為煤礦的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化建設(shè)提供高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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