贾建称，贾 茜，桑向阳，吴 艳
(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；
2.煤炭科学研究总院有限公司，北京 100013；
3.平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467099)
能源是人类生存和社会发展的基石，能源的安全发展对于国际安宁和社会稳定至关重要。中国是煤炭资源大国，也是世界上最早开发利用煤炭并以之为主要能源的国家。近年来，受碳达峰碳中和(“双碳”)目标和矿区生态环境保护政策的约束，煤炭在一次能源消费结构中的比例有所下降，但不断增长的能源消费总量和我国特有的能源禀赋状况表明，乃至2050 年煤炭仍将以30%～40%的占比位居能源消费榜首[1-2]。因此，煤炭工业依然是提高国家能源自给能力、保障能源安全的兜底行业。
实现煤矿安全、高效、绿色开采既要有丰富的资源优势和先进的采掘装备与运通系统，更要以科学的煤矿设计和充分可靠的地质条件作保障。我国采煤工艺先后经历了20 世纪70 年代及以前的人工破煤、炮采、普通机械化开采和80 年代以来的综合机械化开采，随着采煤机械化、自动化和集约化程度的提高，高产高效矿井生产对开采地质条件的依赖性更强。针对煤矿对查明矿井开采地质条件的重要性认识不足，综采采区和工作面布置缺乏系统而可靠的地质依据，导致工作面开机率低、安全事故频发、资源浪费严重等问题，彭苏萍[3]于1992 年在上海宝山召开的中国煤炭学会矿井地质专业委员会上首次提出了建立和发展我国煤矿高产高效矿井地质保障系统的设想。30 年来，煤矿地质保障系统紧密围绕煤炭工业发展目标，不断攻克煤炭开采理念转变(高产高效→安全高效→绿色智能)中的矿井综合机械化和智能化生产面临的重大工程地质问题为抓手，持续开展应用基础研究、探测技术和装备研发与成果应用，在地质保障系统整体构架、研究内容、保障目标、技术研发和配套装备研制、保障效果检验等方面取得了丰硕成果，为促进我国煤炭工业可持续发展发挥了重要作用。但由于受研究导向、工作思路、技术原理和装备水平，尤其是现代信息技术与煤矿机械化开采技术深度融合的影响，煤矿地质保障系统在理论研究、探测能力、地质保障水平等方面与综采工作面智能开采的地质需求还有较大差距。厘清煤矿地质保障系统现状、科学问题及技术难点，对于丰富地质保障理论、聚焦攻克关键技术难题、更好地服务煤矿智能开采，进而支撑煤炭工业高质量发展具有重要的现实意义。
20 世纪90 年代初，煤炭工业向“一井一面”的生产布局发展，建设高产高效矿井已成为诸多煤矿的努力目标。基于矿井地质理论进步和井下数字直流电法、无线电波透视法、槽波地震勘探、地质雷达探测、音频电透视法等，以及近景摄影测量和计算机等高新技术与装备在矿井地质探测方面的较成功应用，彭苏萍[3]给出了高产高效矿井地质保障系统的基本要义。经过多年的地质研究与工程实践，开采地质条件量化评价技术、采区高分辨三维地震探测技术、煤层和构造综合探测技术、工作面顶板破断和瓦斯突出监测和预报系统，以及各种矿井物探技术取得重要进展。因此，“九五”末期进一步明确矿井地质保障系统的两大主题−生产地质保障和安全地质保障。前者的目标是保障综采工作面顺利回采，根本任务是准确地查明采区乃至工作面的开采地质条件，尤其是煤层厚度及其变化、隐伏构造、顶底板条件；
后者的目标是保障煤矿安全生产，重点任务是有效预测评价和防治井田原生或采掘扰动诱发的煤与瓦斯突出、矿井突水、冲击地压、内因火灾、瓦斯煤尘爆炸等动力地质灾害，明确了当时一段时间的主攻目标[4-5]。在“煤矿地质保障系统”提出10 周年之际，程学丰[5]、韩德馨[6]等诠释了高产高效矿井地质保障系统的基本概念，指出地质保障系统的主要内容是查清影响煤炭开采的地质因素，科学评价它们对不同矿井煤炭开采的影响程度。21 世纪初，面对深部、高强度开采出现的复杂地质问题，隐蔽致灾因素尚未查明以及由此诱发的煤矿各类地质灾害事故频发、安全形势严峻的局面，安全高效矿井地质保障系统研究内容聚焦于煤矿地质构造高分辨三维地震勘探技术、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法、煤层顶板稳定性地质预测技术与防治方法、矿井突水灾害源高分辨探测技术与方法、矿井先进物探仪器和技术研发上[7]。为了深入贯彻落实《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》[8]，以煤及含煤岩系共伴生矿产精细地质探查、静态和动态地质信息精细提取、多源异构地质信息融合与高效传输、地质信息可视化平台构建、重大地质灾害源智能感知与监测预警为关键技术的煤矿地质透明化理论、智能探测技术研发、高精度三维地质−采掘工程耦合模型构建技术和方法、探测和可视化装备研制等，成为新时代煤炭绿色智能开采地质保障系统建设的核心内涵。
影响煤矿安全高效生产的地质因素多种多样，如煤层厚度及其变化、地质构造、古河流冲刷带、矿井水文地质条件和煤层顶底板工程地质状态、瓦斯地质与地应力、陷落柱、煤层自燃倾向性和煤尘爆炸性、煤岩冲击倾向性、地温、采空区、煤岩采动影响区等。煤矿地质保障系统首次从系统论角度将煤矿静态地质条件和动态地质条件及其变化与演化趋势，及其对煤矿安全高效智能开采的影响程度融为一体，形成了煤矿全生命周期内所有矿井地质工作的知识体系。
2.1 基础研究服务于煤矿安全高效精准开采的目标更加明确
2.1.1 绿色煤炭资源评价
查明煤炭资源储量分布和煤层厚度及其赋存条件、是煤炭产业开发布局和矿井精准智能开采对煤炭地质工作的基本要求，通过诠释绿色煤炭资源和绿色矿山含义，建立了评价指标体系[9-10]。袁亮等[11]勾绘出我国五大产煤区绿色煤炭资源量分布，为规划煤炭资源安全绿色开发和清洁高效利用夯实了基础。
2.1.2 煤体构造变形与物性响应
煤是地壳浅、表部构造层含气、含水的多相有机岩石，低抗压强度、低弹性模量和高泊松比的力学性质，使其在较低的温度和较弱的构造应力作用下也会发生明显的变形和变位，形成脆性断层和韧性断层，即使与煤伴生的长英质岩石仍处于脆性变形域。脆性断层既破坏了煤岩体的连续性和完整性，又是储水空间与导水通道，历来是煤矿建设、生产等各个阶段地质探测和研究的主要因素。韧性断层表现为煤层中塑性流变带和韧性剪切带(层滑构造)，与之伴生的是脆韧性变形系列和韧性变形系列构造煤[12-14]。构造煤孔隙比表面积和总孔体积比相应的原生结构煤的大，吸附和存储甲烷能力更强、孔隙率和渗透率更低等已成为共识[15-18]。
2.1.3 构造煤与瓦斯突出规律
大量地质调查表明，煤矿区同一煤层往往是由不同煤体结构煤分层叠加组成，研究煤层中不同煤体结构煤分层的厚度、叠加方式、受力状态及物性响应特征等，是煤层气(瓦斯)高效抽采和矿井瓦斯精准防治的重要内容。尽管煤与瓦斯突出机理尚有争议，但几乎所有的突出发生在瓦斯富集区和地应力集中区，因此瓦斯矿井，尤其是高瓦斯矿井和突出矿井中逆断层下盘、正断层上盘、向斜核部、背斜两翼、层滑构造等部位构造煤的变形程度增强、瓦斯含量增大，透气性变差，力学强度降低，是最容易发生煤与瓦斯突出的危险地带[15,19-21]。煤层深埋区、构造挤压区、帚状构造收敛端、煤层厚度与产状突变区等是地应力集中区，同样是煤与瓦斯突出危险区。贾建称等[22]基于同一煤层中坚硬煤分层与碎软煤分层的赋存状态、叠合方式、厚度占比、煤层顶板力学性质及稳定性等，构建了碎软煤层区地面水平井分段压裂井眼位置的“两类五种”优化模式。
2.1.4 矿井构造预测
20 世纪80 年代以前，矿井构造预测以定性评价为主；
90 年代至21 世纪初，随着数理方法和计算机技术的应用，构造预测实现了从定性描述到定量评价的跨越，但总体进展较为缓慢；
自2012 年建立智能化开采模式以来，矿井构造预测和评价迈向以智能精细探测和计算机技术高度结合、多源构造信息属性分类与深度融合、三维可视化表达为特点的新发展阶段[23-24]。
2.1.5 煤矿水文地质与水害危险性预测评价
“一矿一策、一面一策”体现了我国煤矿水文地质条件的复杂多样性，“源头预防、区域治理、井上下联合治理”是水害精准治理理念的重大转变[25]。在查明煤矿水文地质条件基础上，紧紧围绕采掘扰动范围内的充水水源、充水通道、充水强度和水害机理开展水害危险性评价与预测预报研究。根据致灾机理，陈红影[26]将全国矿井水害事故划分为7 大类22 亚类48 细类，建立了不同水害类型的水文地质结构模式，分别提出了水害危险性评价的关键因素。杨飞[27]将山西省较大以上采空区突水事故划分为4 亚类8 细类，建立了各类老空水害的水文地质结构模式，模拟研究了不同老空水害的机理和成灾动力学模式。侯宪港等[28]进一步认为在重复采动下煤柱流变损伤及失稳、底板变形破坏、防水隔离设施与围岩稳定性、层间主关键层稳定性等是评价老空水致灾危险性的关键因素。针对华北石炭−二叠纪煤田西部和西北早−中侏罗世煤田中煤层直接顶板隔水层缺失或沉积较薄、而上覆充水含水层富水性较弱的情况，武强等[29]以“三图−双预测”理论和方法为指导，从影响顶板冒裂程度和含水层富水性的地质与工程因素入手，提出了煤层顶板含水层涌(突)水危险性精准预测与评价方法。李超峰[30-31]采用三次函数多项式拟合法准确获得黄陇煤田综放条件下煤层顶板非线性导水裂隙带高度预测公式，把顶板水害归纳为3 类5 型，依据“透水系数”将顶板水害威胁程度分为4 级，建立了利用“透水系数”识别煤层顶板水害的标准和方法。离层水是一种新的顶板水害隐蔽致灾源，曹海东[32]将煤层顶板离层分为一般离层、充水离层和致灾离层，建立了二类二型致灾离层水体的概念模型和三种透水模式，揭示了不同开采条件下煤层顶板离层形成和演化规律，提出致灾离层的三级判别方法。张培森等[33]认为当同时具备密闭可持续的离层空间、稳定的补给水源、导水通道、突水通道后，离层上位岩层高强度破断冲击、离层大静水压、回采强扰动中任意一个动力源都可以发生离层突水。虎维岳等[34]根据矿井4 类充水水源和4 类充水通道的组合关系，将煤矿水害危害程度划分为4 级，并借鉴Piper 三线图与库尔洛夫式地下水化学分析原理，绘制了矿井水害类型与威胁程度分析图。
沉积控水理论持续深化。陈晨[35]认为沉积相和成岩作用演化是陆相聚煤盆地水文地质结构和含水层富水性的主控因素，在建立层序地层格架的基础上，揭示鄂尔多斯盆地延安组3−1煤层至直罗组之间不同体系域的沉积控水机理和富水区分布规律，采用五度法预测了5 类富水性分区。王洋等[36]在剖析深埋侏罗纪煤层顶板时空结构与富水性的基础上，提出了利用沉积环境影响指数、砂岩厚度、导水裂隙带高度等指标体系评价突水危险性，建立了“上行开采低位截流” “工作面单侧截流”“工作面双侧截流”与“工作面方向调整截流”的煤层顶板水源头治理模式。冯洁等[37]总结了陕北直罗组、延安组、风化基岩含水层的沉积控水规律，建立了辫状沉积强富水性型、曲流河沉积中等富水性型、三角洲平原分流河道沉积弱富水性型、三角洲平原分流间湾沉积极弱富水性型等4 类沉积控水模式。董书宁等[38]针对鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田顶板水害形成机理研究薄弱、致灾判别标准难以量化，直接影响水害防控关键技术发展的难题，开展了跨区域、多学科的产学研用协同攻关，揭示了离层水害、薄基岩溃水溃沙、巨厚砂岩水害、烧变岩水害的形成机理与主控因素、空间定位方法，提出了与沉积、构造和开采条件相适应的四种典型顶板水体精准定位与水害防治方法。
我国华北石炭−二叠纪煤田开发普遍面临严峻的底板水威胁。吴基文等[39]依托立体综合探查，通过理论分析、地震多属性反演、模拟计算，揭示了岩层孔隙度与波阻抗、视电阻率的耦合机理，建立了多充水水源采区水文地质概念模型，评价了断层导含水性和煤系岩溶裂隙含水层水的可疏放性，预测了奥灰水的突水危险性，为两淮矿区极复杂地质条件采区水害防治提供了依据。王静雪等[40]以断层强度指数、断层端部密度、含水层水压、含水层富水性、隔水层厚度、脆性岩比率、底板破坏深度为指标，建立煤层底板奥灰突水危险性评价FDAHP-TOPSIS 模型，给出了突水风险系数解析解，取得较好的应用效果。胡彦博[41]认为采动影响下深部煤层底板应力呈现压−拉−压状态，底板破断从脆性岩层或节理处开始先向上发展、再向下扩展，最大破坏深度位于采前高应力区应力峰值附近，并建立了6 种突水模式和突水危险性评价模型。脆弱性指数法由常权模型向分区变权模型发展中得以完善，已解决多煤层底板单一含水层矿区突水脆弱性评价难题[42]。
2.1.6 煤矿巷道变形与关键层控制
煤炭开采是打破原有的地质结构和应力平衡状态，在围岩差异化变形和运动中寻找新的地质平衡过程。巷道失稳与围岩地质结构、工程力学性质、巷道走向与断面形态、地应力状态、采煤方法、工作面布置及生产接续方式密切相关。应用非线性统一强度理论、弹塑性力学理论、蠕变理论、多场耦合理论等和模拟实验方法，对分层开采窄煤柱巷道、大断面煤巷、千米深井软岩巷道、压茬开采巷道、冲击倾向性巷道、深井厚煤层综放工作面顶板、软弱破碎顶板等围岩变形机理与破坏规律进行了深入研究，建立了巷道围岩不同变形区应力、位移及半径的本构关系式[43]，深化了组固拱理论、松动圈理论、组合梁理论。以工作面两巷煤层信息为条件，引入奇点模型精细反演煤层厚度，建立了薄煤层开采“上三带和下两带”模型，精准导航了薄煤层智能开采和极限卸压[44]。王国法等[45-46]根据液压支架与巷道围岩强度、刚度、稳定性耦合作用原理，建立了厚煤层超大采高综采面顶板破断失稳的 “悬臂梁+砌体梁”模型及煤壁片帮的“拉裂−滑移”模型，提出了液压支架合理工作阻力“双因素”控制理论和适应围岩失稳的“三耦合”设计优化理论，保障了厚煤层工作面的安全高效开采。
为了以最小的采动损害获得最大的煤系矿产资源采出率，实现最佳的经济、环境和社会效益，绿色开采理念应运而生。认识到煤炭开采引起的围岩破断运动是采动损害与环境恶化的根源，以非均质煤系中关键层理论和全地层结构思想为指导，深刻揭示了关键层运动对采动裂隙场演化、采场压力演变、流体运移场岩体和地表沉陷区的影响规律[47-51]，建立的覆岩卸荷碎胀累积效应模型生动地解释了离层形成机理与离层空间发育规律[52-53]，采动覆岩“三带”中瓦斯解吸−渗流特征差异性的划分为煤与瓦斯共采技术奠定了理论基础[51,54]；
将“绿色因子”引入煤矿绿色开采评价指标体系中，建立了各级评价指标的绿色因子值数学模型，开发绿色开采评价平台，提出了根据“绿色度”(绿色开采度)划分煤矿绿色开采等级的方法[55-57]，丰富了绿色开采理论。
2.1.7 采空区煤自燃与瓦斯复合致灾危险性预测预报
煤矿采空区既是积水和有毒有害气体富集的场所，也是遗煤自燃和矿震等灾害易发区。郑怀昌等[58]提出了采空区危险性分析流程，能量意外转移理论为不同类型采空区的危险性评价提供了新思路。周亮[59]采用程序升温实验、智能计算和理论分析方法，研究了采空区瓦斯对煤自燃的影响，建立了高瓦斯容易自燃煤层采空区遗煤的自燃危险性动态评价模型和多指标综合预警模型，并开发了实时预警平台。
2.1.8 矿井地球物理探测原理
地震波反射和透射动力学特征与运动学规律研究日益深入。亮点理论、波动方程、波阻抗反演、地震模拟等理论研究进步，推动了采区地震勘探技术的快速发展。围绕煤矿隐蔽致灾地质因素探测技术难题，系统开展了地震绕射波理论探索，揭示了绕射波在第一菲涅尔带孔半径内外的双指数衰减和相位反转规律，提出了方位−倾角域绕射系数的计算公式，构建了自动计算菲涅尔孔径的方法[60-61]。总结了振幅、频带宽度、瞬时频率等地震波属性与煤层厚度的非线性变化规律，为利用变模态分解(VMD) 和支持向量机(SVM)等方法预测煤层厚度提供了理论依据[62-63]。以薄煤层“三层结构”模型为基础，对比研究并建立了2 种形式下与弹性波位移位与位移函数相对应的层状介质传播矩阵及薄层公式，给出了薄层公式退化时单界面判据，推导出薄煤层PP 波、PS 波的AVA 响应及相位响应方程式[64]。揭示的煤体结构与地震纵横波速度、拉梅系数剪切模量等弹性参数之间关系以及煤层含气量与AVO 异常相关性规律，进一步拓宽了地震同步反演技术在煤体结构划分和煤层气富集区预测领域的应用，实现了地震勘探由构造勘探向岩性细观探测的跨越[65-67]。将构造导向滤波、蚂蚁追踪法原理应用于地质异常体的地震属性相干与混沌分析中，通过地震属性优化和RGB 信息融合，提高了断层和陷落柱等的识别精度和空间形态刻画精度。根据地震剖面、属性平面上断层与煤层的几何关系，建立了虚拟三维环境下断层落差、倾角等要素的解析式[68]。
槽波地震勘探快速发展并在煤矿井下广泛应用得益于数字槽波探测理论创新。自F.F.Evison 1955 年发现并揭示Love 波的频散特性以来，国外从未中断地震波在煤层中传播规律研究。1985 年中煤科工西安研究院(集团)有限公司(简称西安研究院)引进该技术以来，经过几代人尤其是近十年的探索，建立了Love波频散特征与煤层厚度关系式，提出利用Love 波精准判断煤层厚度的方法[69-70]，构建了基于三维弹性波全波形反演的断层、夹矸、陷落柱等槽波模型[71]，给出了含夹矸煤层Love 波频散曲线与PP 波与PS 波反射系数的定量关系[72]，推导出黏弹TI（Transversely Isotropy）介质3 层水平层状模型的煤层Love 波频散方程解，揭示了各向异性品质因子与Love 波频散和衰减的规律[73]，建立了煤层及围岩三维地质模型，形成了通过正演获得Love 波场多属性异常的CT 成像，进而识别断层、陷落柱、褶皱、薄煤带等隐蔽地质体的方法[74-75]。
测井之所以能够精细划分煤体结构，得益于它揭示了不同煤体结构煤的地球物理测井综合响应规律。不同煤体结构煤的应力−应变、导电性、声发射和电阻率、声波速度动态变化模型[76]，以及多煤层区煤体结构测井解释模型构建方法的建立[77]，为利用自然伽马、深侧向或微球聚焦电阻率、声波时差和密度等测井信息定量判识煤体结构、建立煤体结构三维可视化模型夯实了理论基础。
电法勘探理论向纵深发展。岳建华等[78-81]给出了巷道顶底板电测深曲线自动正反演算法，创建了巷道影响下的全空间电流场理论，认为采动裂隙带含水量与煤岩体电各向异性系数呈正相关，张量电阻率幅值仅与采动裂隙带的倾角有关，地层走向只影响视电阻率椭圆的旋转角度，为煤矿井下实时动态测量张量电阻率来预防动力灾害提供了新途径。蒋宗霖等[82]揭示了矿井全空间瞬变电磁偶极装置观测信号随收发距离变化的传播规律和低阻体的电磁场异常响应规律，建立了井下瞬变电磁场三维有限元正演模型和算式。李飞等[83]认为互感信号强度比大地中感应二次场高是造成实测电阻率偏低的主要原因，推导出利用两次不同收发距离的观测数据进行互感消除和感应电动势的视电阻率校正方法。吴信民等[84]提出以视电阻率为枢纽的观测数据时−深转换理论及方法，为定量解释和精准定位地质异常体提供了理论依据。杨海燕[85]、李貅[86]等将地震偏移成像方法引入瞬变电磁数据的虚拟波场成像中，建立了瞬变电磁扩散场与地震波波动场联动的函数变换关系，实现了瞬变电磁探测数据的拟地震解释，提高了低阻异常体赋存深度和界面的空间分辨率与三维偏移成像精度。
作为一种清晰高效的新兴实景复制技术，三维激光扫描应用于煤矿井下的难点是碎步测量三维动态坐标和点云数据和矿山静态控制点信息的精准衔接。为此，王海军等[87]建立了煤矿井下三维激光扫描系统动态标定与空间点坐标转换方程，提出基于统计滤波原理的大尺度噪声滤波方程和基于移动最小二乘的小尺度噪声滤波算法、巷道点云关键数据点的SIFT 数据特征测算和FPFH 表征算法，为长距离复杂巷道和工作面地质信息快速提取和精细建模提供理论支撑。
2.1.9 三维地质建模理论
精细刻画矿井开采地质条件及其变化的目的是为煤矿智能精准开采提供地质导航，可视化三维地质模型是地质探测信息集成、共享和实现地质透明化的主要手段。三维地质建模技术提出以来，在油气和地矿行业得到了广泛应用，2018 年煤炭行业开始以开采地质条件透明化为目的的三维地质实体建模与可视化研究工作。程建远等[88]根据矿井地质探测技术现状和智能开采对地质透明化的时空需求，提出按照不同勘查程度分梯级构建4 个层级“透明工作面”三维地质模型的思路。
与地质建模相关的煤矿地质信息有钻探与物探数据、巷道地测数据、工程地质监测数据及各种测试实验、解释数据等，数据融合就是使用某种约束条件将这些关系错综复杂、描述表达不统一的多源异构信息进行反演，使之满足统一的地质模型的过程。陈晓红[89]给出了利用地震残差项、重力残差项、平滑项等物性参数建立交叉梯度目标函数，进行岩石物性关系明确条件下多源物探数据同步联合反演方法，建立的地震地质模型减少了反演结果的多解性。朴英哲[90]建立了多源物探数据交叉梯度联合反演解析式，提高了岩石物性关系不确定情况下地震地质模型中地质异常体结构的恢复精度。
井田地质(异常)体本身是变化的，甚至是不连续的，而描述地质体的探测数据来源广、类型多、离散且不规则，采样控制点多寡和网格节点间插值算法等与地质建模精度紧密相关。相对于人工插值法，数学插值法，尤其是高次插值法更适合于精细刻画地质(异常)体的空间不连续性。安林等[91]根据函数插值、离散平滑插值和克里金插值的基本原理，通过交叉验证和误差分析，认为离散平滑插值算法的可靠性最佳，采样数据量不低于10%即可满足工作面动态地质建模的精度要求。
2.2 矿井地质保障技术研发与装备创新突飞猛进
2.2.1 智能钻探技术与装备研发
煤矿区地面钻探和井下钻进技术是精细查明矿井开采地质条件、防治煤矿地质灾害事故的最直接而有效的手段。30 年来，我国煤田钻探根据施工目的和煤矿井下作业环境要求，不断进行钻机、钻具、钻头和钻探工艺研发与技术创新。
地面预抽煤层瓦斯是预防和减少煤矿瓦斯事故的重要方式。针对水平井组钻井直径大、造斜段和水平段定向钻进困难、造斜段−水平段−排采直井对接难度大等问题，相关科研院所、企业相继研制出ZMK-5530TZJ60、ZMK5530TZJ100、SMJ5510TZJ15/800Y、SMJ5510TZJ25/1000YTMC90、TMC135、CMD100、CMD100T、CMD150T 等国产大功率全液压动力头式车载多功能定向钻机，创建了多分支远端精准对接钻进技术与完井工艺模式，空气洗井技术、增阻堵漏技术、无机胶凝注浆固化技术、套管隔离技术等广泛应用于不同地质结构的煤层气井钻进时的洗井和防漏中，多矢量传感器组合同步控制系统、孔底单弯螺杆钻具为钻孔自动跟踪与轨迹精细校正提供了保障。西安研究院将该项技术应用于全国38 个顺煤层或煤层顶板水平井组的施工中，单井最大精准对接距离1 148.70 m，最大钻探进尺1 735.63 m，为地面煤层气高效开发提供了可靠的技术与装备支撑。针对我国碎软低渗强吸附煤层区瓦斯抽采困难、突出危险性大的问题，根据煤层采动卸压增透原理和地面井变形破坏机理，提出了采动区地面井“避”“让”“防”“梳”的井位选择与井身结构优化技术、地面井抽采工艺设计与工程防护技术，建立了单一煤层和煤层群条件下采动区地面井煤层气高效抽采模式，实际应用中有效降低了工作面上隅角和回风巷的瓦斯浓度，保障了煤矿安全回采[92-93]。
在煤矿井下隐蔽致灾因素探查和地质事故隐患治理中，我国以往使用的普通回转钻进装备功率小、孔径小、进尺浅、自动化程度低，更重要的是缺乏定向钻进技术，以致作业工程量大、钻孔轨迹不可控，绝大多数情况下起不到精确中靶和有效治理的结果。为了解决这些难题，西安研究院自“十一五”开始开展了煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备研发，研制出离线式随钻同步抗磁测斜系统、孔底螺杆马达定子旋转稳斜导向系统、小型化防爆型泥浆脉冲无线随钻测量系统、电磁波无线随钻测量系统和随钻测量地质导向系统，以及高韧性高强度外平钻杆、单弯螺杆马达、PDC 定向钻进钻头与扩孔钻头等，ZDY12000LD、ZDY15000LD、ZDY20000LD 等型号紧凑型大功率定向钻机的成孔和处理孔内事故能力强，满足了远距离复合定向钻进动力传递及泥浆脉冲信号稳定传输与钻机快速排渣的需求[94-95]。煤矿井下精准复合定向钻进成套技术与装备在神东煤炭集团有限公司保德煤矿中硬(f>1.5)低透气性煤层钻进中创造了瓦斯抽采主孔深度3 353 m、总进尺4 428 m 的世界新纪录。ZDY2800LG、ZDY3000LG 和ZDY6000LG 等大功率高转速复合履带式全液压定向钻机，配套螺旋保直定向冲击钻进技术、低/中风压空气/氮气复合钻进技术、空气雾化钻进技术、套管钻进技术，以及提钻/不提钻下筛管护孔工艺、主孔探顶与侧钻开分支孔工艺、二次成孔工艺，和高强度钻杆与螺杆、三棱等异形定向钻具，实现了碎软低渗煤层区顺煤层定向钻进成孔深度和瓦斯抽采效果的重大突破。泥浆护壁、清水钻进、螺旋钻杆+泥浆脉冲无线随钻测量长距离复合定向钻进等技术和“沿顶/底板主孔钻进、分支孔导通煤层”工艺，应用于阳泉、韩城、黔西、高平、淮南等高突矿区碎软煤层顶板/底板小曲率梳状钻孔瓦斯抽采工程中，钻进速度、成孔率、瓦斯抽采效率、经济效益比顺煤层钻进有大幅度提高[96-97]。以钻机与孔底马达双动力复合驱动技术、异形钻杆与水力复合强排渣定向钻进技术、回转切削与冲击破岩复合扩孔技术为核心的大功率复合定向多级扩孔钻进工艺和装备，已广泛应用于我国大部分煤矿煤层顶板高位定向孔瓦斯抽采工程中，效果显著，起到“以孔代巷”作用[98]。另外，定向钻进技术在超前弱化煤层和复杂坚硬顶板岩层冲击潜能、煤层顶/底板注浆加固改造、隐蔽导水通道精准封堵等方面取得了良好效果。在此期间，中煤科工集团重庆研究院有限公司(简称重庆研究院)、沈阳北方交通重工集团有限公司、江苏中煤矿山设备有限公司研制的ZYWL-4500D/6500D/8000D、ZYWL-6000D/6000DS、ZYWL-13000-DS、ZDY3500L/4000LK、ZDY12000LF 等型履带式全液压随钻测量定向钻机及配套装置，提升了井下钻探对地质条件的适应能力，促进了煤矿井下定向钻进从 “无控制钻进”向“精准定向钻进”的跨越。
针对煤矿井下钻机缺少自动加卸钻杆、整机动力学参数监测困难、智能化水平不高的问题，“十三五”期间西安研究院和重庆研究院在ZDY4300LK 和ZYWL-4000Y 等型自动化钻机基础上，将杆仓列定位技术、自动接卸扣技术、防爆电液控制技术，以及嵌入式钻机状态参数监测软件、远程视频成像无线监控系统等加载到国内主流全液压钻机上，研制的ZDY4500LFK、ZDY23000LDK、ZDY25000LDK、ZYWL-4000SY 等多种型号大功率全自动钻机，具备长距离定向钻进施工过程中自动控制装卸钻杆、智能化定向钻进、钻机参数实时监测、典型故障智能诊断与预警等功能，全面提升了井下定向钻进装备的智能化水平[99-102]。新研发的串并联组合油缸式给进系列装置，提高了长行程下钻机的有效给进力、起拔力与给进/起拔速度[103]。
2.2.2 煤田地面全地形多震源地震勘探技术
1941 年地震勘探技术从日本引入中国，应用初至波折射法在开滦煤矿外围普查找煤试验。至20 世纪80 年代末以来，地震勘探仪器经历了由进口光点记录仪、模拟磁带记录仪到国产数字地震仪，勘探方法实现了由折射波法到反射波法、由单次覆盖到多次覆盖的转变；
高分辨率二维地震勘探在淮南煤田和集贤煤田煤矿取得较好的构造探测效果后，步入岩性和构造相结合的新的综合地震勘探阶段。20 世纪90 年代至今，地面二维地震勘探方法日趋成熟，表现为地震信号分辨率与信噪比大幅度提高、资料处理和解释技术进步明显，在煤田勘查与一些不具备三维地震勘探条件的采区，二维地震勘探能够查明落差10 m 以上断层、5～10 m 断点、直径大于50 m 陷落柱、煤层冲刷带，成为煤炭资源勘查和基建矿井地质构造探测的主要手段。
1974 年W.S.French 三维模型的问世，开启了国外油气开发行业和地震勘探界对三维地震勘探技术理论与实践探索的历程。经过十余年的应用研究发现，三维地震勘探技术解决地下复杂油气地质结构问题的能力和经济效益是二维地震技术无法比拟的，同时高产高效矿井生产对煤矿开采地质条件的探查程度提出了更高要求。因此，1991 年原国家能源投资公司决定在大型矿井设计前需开展三维地震勘探，加快了地震勘探由资源勘查向矿井开采地质条件探测的步伐。1993−1994 年，安徽省煤田地质局和淮南矿业(集团)有限责任公司与中国矿业大学合作，在谢桥煤矿首采区和潘集矿区进行高分辨率三维地震勘探试验，应用高密度快速采样、叠前部分偏移、倾角时差校正等方法，获得了高分辨率、高信噪比、高保真度的三维数据体，查明了一批埋深380～700 m、落差≥5 m 的小断层，空间定位误差<10 m。查清了区内褶幅>5 m 的褶皱；
在460 m 深度清楚分辨出相距50 m、断面尺寸3.2 m×3.8 m 的两条相互平行石门，首次取得了煤矿采区构造和采矿工程结构超前精细探测的重大突破。
近30 年，随着现代电子、计算机、通信与网络等技术的日新月异，数字地震仪主机结构进一步优化，中央记录单元带道能力大幅度提升，超万道地震仪、小组合多检波器满足了小道距、单点震源、单点接收、宽方位角的地震数据采集和高速实时传输，以及超大道数、多波多分量地震勘探的要求。人工智能蚂蚁追踪法、叠前时间偏移等技术，以及海量机群并行计算机和高分辨率处理软件的应用，极大地提高了地震数据体的质量与存储能力，促进了全三维—五维插值、叠前深度偏移、叠后处理、精细静校正和动校正、噪声衰弱、频谱整形滤波连片、速度建模、目标处理等技术的进步。全三维解释技术、三维可视化解释技术、多角度地震正反演模拟技术，以及Geo Frame、Landmark、ProMax、GRIstation 等解释软件的问世，极大地提高了地震勘探结果的可靠性。煤矿采区高分辨率三维地震勘探先后攻克了平原、沼泽、丘陵、山区、黄土塬、戈壁、沙漠和海上技术难关，实现了煤田全地形内采区埋深1 000 m 以浅的落差5 m 及以上断层、波幅10 m 以上褶皱、直径30 m 以上陷落柱，以及采空区、富水区、冲刷带和煤层变化等的高精度探测。探采对比表明，高分辨率三维地震勘探在淮南和永城矿区对断层和陷落柱的验证准确率≥89%，其他地区≥78%[104]，成为采区透明地质模型构建、煤层顶板稳定性评价、瓦斯灾害隐患识别、突水构造和采空区预测的硬核技术。
高密度全数字三维地震勘探由于采样密度高、覆盖次数高、数字检波器全方位角接收数据的优势，以及宽频带、压噪技术、叠前时间偏移等处理技术，全面提高了原始地震数据体的信噪比、分辨率和保真度。SPS 引导放炮方法、自动化班报模板等有效提高了该技术的数据采集效率[105]。高精度静校正技术、多属性和属性融合解释、岩性反演解释、叠前深度偏移等技术，大幅度提高了数据解释精度与成像功能。在淮南丁集煤矿试验发现，高密度三维地震勘探对落差2 m 以上断层的解释准确率>80%，能清晰地分辨出地下埋深800 m、宽度4 m、相距150 m 的回采工作面巷道[106]。随后，该技术相继在淮南其他煤矿、吕梁、晋城、潞安、淮北、永夏、焦作等矿区推广应用。建立的 “一全、二宽、三高、四精”的勘探模式[107]和“3+X”技术路线[108]，实现了数据采集、处理与解释过程的一体化与标准化。目前，高密度三维地震勘探已成为煤矿采区断层、陷落柱、下组煤、高陡构造勘探等地质因素精细探查的关键核心技术。
与人工炸药震源相比，井下采煤机振动激发的被动源波中的反射波叠加可达16 次，单炮信噪比提高了4 倍，横波的超前探测距离达到300 m 以上，槽波可达到170 m 以上[109-110]。采煤机移动激发的连续信号分段波形互相关成像方法实现了工作面内地质异常体(区)的实时动态监测[111]，为透明工作面三维地质动态建模、采动地质灾害监测预警开辟了新途径。
2.2.3 地面电磁法勘探技术
地面电磁法勘探曾在找煤、探测水源地和导水通道方面发挥了重要作用。自1997 年以来，随着国外先进技术与设备的引进，以及超前查明顶板水、老空水、底板奥灰水、火烧区水等矿井水文地质条件的迫切需要，瞬变电磁勘探技术得以快速发展。开发了中心回线、叠置回线、大定源回线、回线核心域等多种观测系统形式，形成了相应的视电阻率计算公式，回线核心域观测系统与资料解释方法使导水构造、陷落柱的探测精度提高了15%～25%[112]。中心回线的瞬变电磁自适应正则化反演、任意形状回线的瞬变电磁反演等方法已成功应用于采空区探测解释中[113-114]。针对回线源激发的信号在地层中衰减较快而导致探测深度较浅，长偏移距瞬变电磁法对发射机功率和性能要求高、连续波形电流造成数据处理难度大的问题，研发出电性源短偏移距瞬变电磁法，形成了集施工方法、正演模拟、视电阻率计算、反演解释等于一体的电磁法勘探技术体系，并已成功应用于复杂地表条件下的煤矿深部含水体、采空区的探查中[115-121]。
2.2.4 矿井物探技术
矿井物探作为地质透明化的重要探测与监测预警手段，30 年来在观测系统组合方式、多场多参量数据提取与解释技术、远程测控及预警技术、探测装备研制与可视化地质模型构建等方面取得了重大突破，为解决煤矿复杂地质问题发挥了关键性作用。
为了精细探测下组煤、陡倾斜煤层、深部煤炭资源的开发地质条件，20 世纪70 年代开始将浅层高分辨率地震勘探技术移植井下。面对井下特殊的三维采矿环境，世纪之交开展了锤击震源巷道全方位接收勘探、锤击震源巷帮接收多次覆盖勘探、炸药震源长排列多次覆盖勘探的对比研究，以及反射共偏移等观测系统试验，不乏成功范例[122-123]。金丹等[124]将地表一致性振幅校正和反褶积技术引入井下地震信号处理中，较好地解决了单炮初至时间的延迟问题，改善后的地震叠加剖面使得地质构造和岩性解释更加可信。
节点式数字槽波地震仪的成功研发，使沉寂30 余年的槽波地震勘探焕发新的活力。共发射点(CDP)集合、水平叠加、振幅平衡AGC、频谱分析、反褶积滤波、窄带滤波、速度分析、静校正切除、多道次CDP叠加技术，以及改进的代数重建算法(ART)、瞬时迭代法(SIRT)等层析反演算法等，为获得高信噪比、高分辨率、高保真度的槽波数据体提供了可靠保障。目前，反射槽波超前探测技术可以实现煤巷前方煤层厚度100 倍范围、煤巷侧帮200～300 m 范围内的小断层、陷落柱、废弃巷道等精细探测，探测精度达90%以上。正演模拟技术的突破使厚−巨厚煤层内小断层的超前探测成为可能[125]。因此，反射槽波勘探已成功替代瑞雷波、TSP 和二维地震勘探而成为采空区、煤层冲刷带、断层等隐蔽致灾因素超前精准探测的核心技术。透射或透射与反射槽波联合探测能够查明300 倍煤层厚度范围内工作面中隐蔽小断层、夹矸、陷落柱、废弃巷道等地质异常体的位置[25]。
声发射与图像诊断技术曾在冲击地压灾害预报、地应力测量、煤与瓦斯突出危险区预测、工作面顶板破断时间和位置监测中发挥过较大作用。微震监测技术是研究煤岩体破裂机制和矿震活动规律，监测煤岩体水力压裂缝裂缝扩张和坚硬顶板(煤)卸压的效果与 “三带”发育高度、预警煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出及突水等煤岩动力灾害的快捷而有效手段。围绕较多背景噪声下的震源定位与微震信号初至拾取问题，针对影响震源定位精度的因素，Ge Maochen[126]和李楠[127]等建立了震源定位可靠性综合评价体系，提出增加台网中传感器数量和降低初至时误差的非直线、非平面、非双曲面优化布置方法。微震被动层析成像技术搭建了采掘空间中高波速或高波速变化梯度区与冲击地压危险性响应的桥梁[128]。李绍红等[129]将粗大误差判别准则和聚类分析方法用于走时方程的变换和求解中，推导出考虑速度各向异性的微震源快速、准确定位方法。近年来，部分学者将傅里叶变换、小波分析、分形维数法、模式识别、到时差值分析、人工智能等应用到煤矿微震波信号的自动分析与识别中，大幅度提升了微震监测技术水平。
为了防治煤矿底板突水事故，电法勘探于20 世纪80 年代末走向煤矿井下。90 年代初建立了以矿井直流电法勘探为主的煤层底板水探测技术体系，形成了巷道顶底板电测深法、巷道电剖面法、高密度电阻率法、直流电透视法等。在此基础上，西安研究院开发了探测工作面底板含导水构造的音频电透视技术，完善了超前探测掘进巷道隐蔽构造的孔中二极剖面法、点源梯度法。与此同时，新仪器、设备以及正反演算法、室内模拟与电磁波层析成像技术不断进步，显著提高了回采工作面内隐伏陷落柱、断层及煤层变薄带的探测精度。21 世纪以来，高密度电阻率法的布线形式日益丰富，小型智能化直流电法仪的抗干扰能力增强，软件处理能力更加强大，尤其是网络分布式并行电法技术体系有效融合了主动源电法勘探与被动源地电场监测功能，地电场多参数并行解析与联合反演技术实现了对底板富水区[130]、含水构造和采动裂隙带[131]、注浆效果[132]的远程、实时、动态监测及精细评价。
20 世纪90 年代末，中国矿业大学等单位率先将瞬变电磁勘探方法引入煤矿井下水害隐患超前探测中。随着全空间瞬变电磁场分布规律、数值模拟、时深转换等研究的深入，和关断时间、发射功率、发射线圈匝数、干扰因素等试验的突破，以及小型化大功率探测仪器与智能化解释技术的成功研发，形成了孔中、孔−孔、孔−巷、地−孔、地−巷等多种灵活的探测方式，开发出短时关断、三分量同时观测、高分辨率、压制工频干扰、“聪明叠加”与高发射重复率技术，提高了瞬变电磁原始信号的信噪比和保真度。将人工智能应用于探测数据处理中，极大地提升了弱信号的提取能力和对巷道前方、顶板低阻异常体位置与范围的辨识能力。
井下坑透技术因穿透距离较大、准确率较高、成果直观而广泛应用于工作面隐蔽地质异常体与煤层变薄带的探测中，形成了井−巷、巷−巷、井中、井间等多种观测系统和一发一收、一发双收、双发双收及其组合收发方式[133]。针对常规单频多点收发和多频率组合探测效率低的问题，刘百祥[134]研发的大透距多频同步无线电波透视技术与装备通过一次探测可获取多个频率的稳定、有效的场强值，发挥低频和高频的透射优势，提高了坑透技术的探测能力和准确性。
2.2.5 矿井地质综合探测技术体系
以智能定向钻进技术与装备为载体的随钻测井逐渐代替无缆和电缆测井，在水平井、多分支井、倾斜钻孔中获得高精度的孔斜、电磁波、声波、伽马、钻孔全景成像等数据体，通过同步机分析处理和实时动态显示，为精准识别煤岩界面、煤体结构和地质构造等提供了平台。侧向电阻率视频成像测井技术与设备在穿层瓦斯抽采孔，尤其是在上行孔中实现了钻孔轨迹与多测井参数一体化测试和智能化解释，解决了碎软难抽采易突出煤层区瓦斯抽采孔轨迹、煤岩界面、地质构造的精准探测难题[135-136]。采区地面钻探−高密度三维地震−瞬变电磁勘探、井地联合勘探，及井下直流电法−水化学−钻探、直流电法−红外测温−钻探、音频电透视−坑透、槽波透射与反射联合勘探、槽波地震−无线电波透视、钻探−测井−瞬变电磁勘探、定向钻进−分段水力压裂等技术系列，较好地满足了煤矿地质保障的技术需求。
2.2.6 工作面地质透明化
煤矿智能开采既要求精细查明开采地质条件和隐蔽致灾因素，更迫切需要对这些条件和因素进行精准可视化表征，以增强智能采掘设备全面自主的感知、分析能力和精准管控能力。如果说2018 年之前建立的是井田空间三维勘探实体地质模型，则近5 年来人们聚焦于利用先进的计算机技术、现代信息技术手段和数学方法，将零散而孤立的多源地质信息和随掘随采地震信息等集成和融合起来，构建三维可视化地质模型。研发出模块化层次结构型地质数据库建设技术、数据空间配准技术，克里金法、反距离加权法、离散平滑法、趋势面法、四域样条函数、隐式迭代等插值法，以及伪点剔除法、Delaunay 三角剖分法、不规则三角网、似直棱柱等技术广泛应用于煤层静态模型构建与动态修复中，开发出GIS、MicroStation、QvCoalMine、GSIS、Hydrogeo3D 等三维可视化系统平台，提高了模型精度。提出基于精细地质勘探信息的高精度三维地质静态模型构建流程[137]，和基于静态、动态和实时等多源异构大数据全程统一融合的工作面及煤层多属性一体化综合建模方法，地质与开采系统信息互馈技术打通地质与采矿之间的数据壁垒[138-140]。将矿井隐蔽致灾因素的位置、范围、规模等属性信息融合到地质模型上，基本实现了工作面内部煤层厚度、地质构造，以及水、火、瓦斯等地质灾害综合预报的透明化和可视化[141]。
2.2.7 绿色开采地质保障技术
以绿色开采理论为指导，提出了基于关键层位置的导水裂隙高度定量预测方法[57]，弥补了均化分类和单一厚层砂岩情况下覆岩裂隙高度预计不精准的缺陷；
根据煤层顶板萨拉乌苏组3 种等值线图构建的榆神矿区地下水资源承载力地质分区[142-143]，推动了充填、限高(分层)、窄条带、短壁、快速推进等“因地制宜”保护含水层采煤技术的进步；
煤层底板隔水关键层剩余隔水能力诊断模型、导水破坏带深度预测方法和钻孔双端封堵测漏装置的成功研发[144-146]，为优化采前疏水降压设计和防水煤岩柱留设、钻孔注浆加固底板含水层措施，实现煤水协调开采提供了技术保障。采动裂隙自弥合作用机理催生了超前爆破松动边界煤柱(体)、向富碳酸盐岩体注入酸性软化剂等含水层生态恢复方法的试用[147]。
在与煤共伴生的各种资源中，煤层气(煤层瓦斯)既是一种灾害性气体，又是一种洁净高效能源。强吸附、高地应力、低渗透率、低储层压力、低含气饱和度等自然存储条件暗示着须要实施储层卸压和增透措施方可实现瓦斯高效抽采，流体压裂法、爆破预裂法、水力割缝法、水力冲孔法等接触式人工致裂技术和声发射、电脉冲、核磁共振等非接触式物理场致裂技术，为高突矿区不易解吸带煤层瓦斯采前高效预抽提供了新的技术手段。基于采动裂隙“O”形圈理论和卸压覆岩瓦斯运移“三带”理论，许家林[148]提出了无保护层条件下走向高抽巷和低抽巷+网格式穿层钻孔、后高抽立眼和局部高抽巷抽采邻近层卸压解吸带瓦斯技术，以及顺层长钻孔、大采高长工作面煤壁短钻孔、综放工作面超前支承压力影响段间隔钻孔等一系列本煤层超前卸压瓦斯抽采技术。方俊等[149]发明的井下定向钻孔阻截抽采近距离煤层群条件下邻近层卸压瓦斯的方法与工艺流程，有效解决了近距离煤层群开采过程中邻近层卸压瓦斯互相涌入而导致工作面和采空区瓦斯超限问题。Qin Wei 等[150]建立的地面钻井抽采封闭采空区瓦斯渗流数学模型，对地面井抽采采空区瓦斯具有重要的指导价值。
充填开采是从源头上控制顶板沉降与地表沉陷的主要方法。提出了不同矿区“以充定产” “以水定产” “以抽定产”“矸石零排放”等煤炭绿色开发技术模式[148]，建立了固体充填开采中不同岩性煤矸石的蠕变压缩响应模型[151-152]、“煤体−支柱体−胶结体”联合作用的超静定梁模型[153]、充填开采地表变形预测模型[154]，实现了煤基固废充填开采对顶板和地表变形的精准预测和控制。
3.1 煤炭绿色智能开采对地质保障程度的要求
以“远程智能监控、自动调整截割”和“无人跟机作业、有人安全巡视”为特征目标的智能开采，主要是通过高清摄像仪和智能传感器系统将工作面地质信息和实时工况集中传输到地面决策控制中心，经云计算和远程可视人工干预系统，来实现采掘机自适应位姿调整和自动规划截割。它不仅要求工作面地质和实时工况的全息数字化，同时要求采区和综采工作面的地质工作程度能够满足建立高精度可视化三维地质模型：(1) 采区内落差5.0 m 以上的断层、小型褶皱、陷落柱、采空区、侵入体、封闭不良钻孔、瓦斯富集区、矿井富水区、冲击地压危险区、天窗的位置、范围和影响程度是明确的。(2) 工作面内煤层稳定−较稳定，煤层产状、煤体结构、煤的坚固性系数、煤质、煤层顶底板岩性、煤岩界面及其变化是查明的，无落差超过1.0 m 的纵向和斜向断层、密集陷落柱与侵入体、中常−等斜褶皱，横向断层不甚发育。(3) 采掘工程扰动响应范围内地质条件时空变化特征和影响规律是清楚的。(4) 建立的静态和动态三维可视化地质模型是可靠的。(5) 地质灾害预测预报与动态预警结果是可信的。
3.2 智能开采地质保障系统建设中的难题
毋庸置疑，过去30 年来我国煤矿地质保障系统在理论研究、技术研发、装备研制方面取得了显著进展，有力支撑了“双高”矿井和安全高效矿井的建设与生产，但与煤矿绿色智能开采的地质需求还有较大差距。
3.2.1 地质信息采集与解释的智能化水平不高
目前，煤矿传统地质工作仍沿用肉眼观测、锤击人测、手写纸记方式，基本工具是地质锤、机械罗盘、放大镜、钢尺、计算机，数字罗盘、防爆数码摄像机、电子扫描仪等甚少。地球物理勘探布线、仪器掌控、井下钻探施工等仍以人工操作为主。地质数据获取的自动化水平不高，数据处理、地质解释的人为干预强，仪器设备的智能化程度较低。
3.2.2 静态地质条件超前预测可靠性亟待提高
矿井地质工作者沿袭“走进现场、眼见为实”的传统静态思维和“人工肉眼观测+钻探”的工作方法，缺乏从开采地质条件形成背景、成因机理和各因素的动态关联与演化规律中去分析和解决问题，超前地质预测的依据尚不充分，结果尚不具体，结论还不满足煤矿绿色智能开采的现实需求。
受物探仪器、观测系统、控制精度、探测环境条件、正反演方法、解释设备性能的限制，物探解释异常存在局限性和多解性。同时，利用物探结果判断“是否是地质异常体”上尚没有统一的标准，识别“是什么地质异常体”方面还缺少可借鉴的、可复制的模板。另外，作者统计51 对矿井97 个工作面的探采对比结果表明，三维地震勘探+电磁法勘探对先期开采地段和初期采区的地质条件控制精度普遍较低、误差较大，尚不能满足智能化综采对地质条件的查明程度要求。例如，综合物探对煤层底板高程的控制误差为4.6～19.2 m；
构造简单−中等地区煤层中落差超过5 m 断层的实见率为61.2%，平面摆动5.0～31.2 m；
落差不超过5 m 断层的实见率仅为37.28%，平面位置摆动量达11.23～28.7 m；
直径30 m 以上陷落柱的验证准确率小于43.2%，直径不超过30 m 的陷落柱的验证准确率仅为17.63%；
构造复杂区和急倾斜煤层区的验证准确率更低。即使被认为比无线电波透视法探测断层和冲刷带更准确、更可靠的槽波地震勘探，解释的直径10 m以上陷落柱的范围比实际大19.3%～27.6%[155]，利用槽波波速分析来圈定陷落柱将更加困难。层滑构造、韧性变形带和瓦斯富集区的三维地震多属性识别技术仍在探索中[156]。
大量用于瓦斯抽采和超前探放水的多数穿层和顺层钻孔等孔口不定位、钻进不取心、孔内不测井、轨迹不测斜，以致井眼轨迹不清，对煤层厚度和煤层结构、煤岩层界限和顶底板高程的判断多是根据经验，导致钻孔控制的误差达数米至十余米级[135]。
不同种类的地质保障工作多呈“单兵作战”状态，缺少从开采地质条件的成生联系中甄别矿井物探与化探解释的静态地质异常体(区)的可靠性的水平，缺少从采动应力叠加后围岩变形响应规律中分析动态地质条件的变化特征。也正是由于综合研究程度不高，超前地质预测结果的精准度和可信度尚有很大的提升空间。
3.2.3 动态地质信息实时在线监测方法单一，致灾响应判断技术标准缺项
围绕不同场源类型采用的矿井地质信息动态捕获与监测方法较多，总体而言，电(磁)法、微震、声发射、光−电联合、震−电联合等非接触式方法监测的范围较大，但数据处理复杂使得信息获得具有一定的延时性[157]。应力应变计、矿压监测仪、气体遥测传感器、光纤测试、红外温度传感器、激光甲烷传感器可对地应力、矿山压力、瓦斯、水文地质等信息进行实时连续动态监测，但只反映重点区局部的参数状态。同时，采掘动态信息获取尚没有摆脱单一的监测手段和人工辅助测量分析的局面，多源参数融合及煤岩介质动态变化规律及隐蔽致灾前兆响应的判断还没有形成统一的技术标准，实时监测数据同步在线网传系统和动态地质信息透明化与信息互馈技术仍然无法满足安全智能开采数字化管控的需求。
3.2.4 地质信息管理与多源异构信息融合技术水平需进一步提高
现代信息技术是煤矿地质保障系统的核心支撑，随着煤炭工业信息网络系统的日益成熟，煤矿地质保障系统和煤矿生产系统分别建立了各自的专业数据库和基础应用平台，虽然在一定程度上提高了单一子专业的信息共享与地质预测水平，但系统内各子系统呈相对独立和封闭状态，存在大量的数据孤岛。同时，各专业软件类型多，地质数据建库的地测信息格式、分类、编码、运算流程、数据端接口与数字化管控体系没有统一的标准和规范约束，多源异构地质数据的云计算、信息挖掘和融合技术各显神通，不仅使系统内数据难以交换与共享，而且2 个系统之间也不能实现真正意义上的地质信息互联互通与实时无缝对接。
3.2.5 三维地质模型精度不能完全满足智能开采对地质透明的要求
作为矿井地质预测平台建设的重要内容，地质透明是以精细构建地质模型为主要展示手段。目前，多数地质建模人员来自计算机软件专业，工作重心集中在地质探测数据的分类与管理、建模插值和剖分方法及误差分析、多源异构数据耦合与模型渲染、模型更新与实时修正、可视化方法上。由于缺少煤田地质基础知识，缺乏对地质探测数据的再发掘和解释结果的可靠性分析、多源异构信息分类建库、模型精度评价、误差检查与修正方法的系统研究能力，建立的地质结构模型不仅精度低，更难以精细刻画井田或工作面内客观存在的断裂网、倒转褶皱、逆断层、冲刷带、陷落柱以及它们叠合而成的复杂图案，与智能开采对地质条件的精准展现要求有很大差距。
煤矿开采地质条件是在一定区域的地质背景中缓慢形成和发展演化的，开采煤炭则是人为采掘工程活动打破地壳浅部地质结构和地应力平衡状态，驱使地质体在不平衡和不协调中寻找新的平衡的动态突变过程，由此引发的煤岩体复杂变形与破坏失稳现象具有隐蔽性、时变性和致灾性，灾害类型和威胁程度既与煤矿生产地质条件有关，又与采煤工艺和开采强度紧密相关。在人类以不同的生产方式向地下未知领域要资源的过程中，必然会面临这样或那样的地质条件约束问题，甚至许多是新问题。而不断涌现的新的地质问题则意味着煤矿地质保障系统的理论研究、技术研发和设备研制比以往任何时候都更需要原始创新，更需要从煤矿安全高效开采的重大工程实践中总结地质保障工作经验，进而抽象出具有煤矿开发工程特色的开采地质条件及其变化规律和预测评价方法，来指导和解决煤矿绿色智能开采。从这个意义上来说，煤矿地质保障系统建设任重而道远。
4.1 加强应用基础研究，夯实地质探测与精细解释之根基
没有科学理论支撑的技术不会成为硬核技术，甚至是伪技术。目前，矿井物探是超前探测井下地质异常体的首选技术，但因场源的等效原理、数据误差、反演的不适用性等，使得物探解释不可回避地存在不确定性和多解性，甚至造成探测结果的不可靠。为此，应加强地下原始地应力场−渗流场−温度场等并存环境中煤层瓦斯含量、岩层富水性、断层、侵入体、陷落柱等地质异常体的地球物理场响应特征的地域专属性研究，三维全空间多物理场的物理模拟和数值模拟及联合反演原理研究，固−水−气三相耦合与各向异性条件下采动裂隙场、坚硬顶板与碎软煤层区人工致裂场的地球物理场响应原理与监测机理研究，物探数据采集方式、采样率、去噪方法、偏移成像时间、层速度与信号分辨率之间的影响规律研究，多物性参数联合反演来精准辨识地质异常的方法研究，以期形成属地化的数据提取和异常分析与解释方法，建立具有矿井地质特色的全空间地球物理场响应模板，为精细地质探测和精准地质解释提供理论依据。
4.2 充分运用现代地质技术，提高地质探测数据采集的智能化水平
相对数据处理与解释环节，物探数据采集的自动化、智能化工作起步较晚、进展缓慢。在加速推进构建基于矿井地质特色的全空间地球物理场响应模板的同时，依托示范工程开展低空无人机与智能机器人在地质探测和地质监测数据采集中的先导性应用研究，包括无人机航测遥感技术在地面地质探查中观测系统布设、钻孔(炮点)自动定位与施工参数优化研究、基于机器人的地震检波器自动埋置与震源智能激发技术研究，以及智能工作面随掘物探与随采物探数据的自动采集和高效传输技术研究、无人机三维激光扫描与巷道立体建模技术研究、井下无人机/机器人集群姿态与位置远程无线导航控制技术研究、地质监测与控制数据链组网传输技术研究等。如此，将大量简单性重复工作交给无人机和机器人承担，既可以大幅度提高地质探测工作效率和探测与监测数据的采集能力和精度，也能使科研人员的精力更多地投入到精细地质解释与透明地质模型构建中。
4.3 加强地质综合研究，提高地质精准预测评价的能力
矿井地质工作的魅力在于预测，而预测能力来源于精细地质探测和多学科综合研究。“Garbage in-Garbage out”是计算机模拟研究中一条著名的原理，直言之即如果输入的信息是垃圾，则输出的信息也必然是垃圾，无论模拟系统多么好。因此，获得可靠地质预测结果的前提是输入的地质信息是充分的、可信的。欲消除井田物探异常的多解性，减少或避免地质误报和漏报，应采用地质规律、数理计算、现代信息技术和物探相结合的综合研究方法，将“物探异常”纳入其形成的地质环境和地质机理中，结合探采对比来定性判断其是否符合地质规律，或者采掘影响区覆岩变形规律，从而利用“真异常”来定量描述和分区综合预测评价智能开采地质条件的复杂程度。这就要求矿井地质工作者既要有深厚的煤田地质基础，又具备丰富的地球物理探测数据的地质解释与识别真假异常的能力，同时具有静态和动态地质要素空间构型与精细立体表达能力。为此，应将煤炭地质学、采矿工程地质学、岩石物理学、流体力学等多学科，井下钻探、矿井物探、现代信息等多技术和多方法有机融合起来，从矿井静态地质条件和动态地质条件的成生联系与有机演替中把握地质规律，研究基于矿井地质与工程特色的开采地质条件定量预测评价理论与方法，是煤矿地质保障系统未来发展的重要方向。
4.4 突破多源异构地质信息融合与可视化技术壁垒，实现矿井地质透明
三维地质建模是实现地质预测和智能预警的主要方法之一，也搭建了地质保障系统为煤矿安全绿色智能开采服务的桥梁。矿井地质透明化的目的是实现地质透明，即将地下采掘扰动范围内的地质体(煤层、断层、褶皱、陷落柱、侵入体、冲刷带等)的赋存状态与开采环境条件(活化流体、扰动带、渗流场、应力场、温度场等)毫无遗漏地、分门别类地、立体地、精准地呈现出来。因此，这种工作应当是在矿井地质人员主导或主要参与下，以全方位立体化精细地质探测和地质监测技术为手段，依托三维地质建模平台，建立地质与工程三维数据动态融合的高精度可视化地质模型。为此，应研究制定符合煤矿安全开采特点的多源多维异构数据体时空交换格式与建库标准，研发复杂地质体数据的拆分与处理技术、四维地质与工程数据的无缝聚合−整合−挖掘−融合−共享技术、基于地质大数据的三维地质几何−属性一体化集成建模技术、知识驱动与数据驱动协同的三维地质结构−属性模型自动更新技术和三维交互可视化平台、工作面地质透明程度量化评价方法等[158]，为煤矿安全高效生产与科学智能决策提供精准地质预测。
4.5 打破传统的专业人才培育模式，形成多层次多梯队复合型人才
新中国成立以来，我国地矿类高校人才培养经历了专业教育模式、通识教育+专业教育模式，目前向分类分层次多元化人才培养模式转变，在煤矿地质保障领域呈现精尖人才知识面窄、大众化人才专业知识单薄、高素质复合型人才严重不足的局面，影响了采煤工程地质问题的创造性解决。建设煤矿地质保障系统涉及基础地质、数学、钻探、地球物理、采矿工程、岩(流)体力学、物联网和现代信息技术等专业，具有行业交汇多、专业交融多、学科交叉多的特点，专业人才培养应以产业需求为导向，创新能力为目标，坚持通专融合、学科渗透、科教映衬、产学研用深度融合，进行大类招生、分类选拔、分段培养。职业教育和本科教育应重视学生煤田地质基本知识学习和其他交叉专业基本技能的培养；
硕士教育应实施差异化培养，围绕地质问题设置研究方向和目标，学习和掌握特定专业知识和现代信息专业高层次技能；
博士教育的本质是科研训练，应以智能地质探测、地质透明为目标，以培养原始创新热情为抓手，以跨学科重大研究项目为载体，依托专业测试平台、煤矿虚拟仿真实验平台、智能地质预测实践平台、示范矿井试验平台等，在前沿高端科技交流和可持续的自我知识更新中培养具备组织和解决地质保障领域重大基础理论和技术创新需求的拔尖技能人才。
a.30 年来，煤矿地质保障系统随着采煤技术的进步而不断完善。建立了地质保障技术引领下的开采地质条件综合探测理论、煤矿隐蔽致灾因素分类评价与精细预测理论、矿井三维地质建模及可视化理论等，研制出具有中国矿井地质工程特色的地质保障装备，相继为高产高效矿井、安全高效矿井、绿色智能矿井的建设提供了较可靠的地质保障。
b.煤炭绿色智能开采是新时代煤炭工业高质量发展的必由之路。随着现代信息技术与煤矿开采技术的深度融合，煤矿生产的机械化、自动化和智能化水平更高，对地质条件的依赖性更强，相应地对地质保障工作要求更高。针对目前地质信息采集的智能化水平不高、开采地质条件超前探测解释模板缺项、地质监测手段单一、地质预测可靠性不高、多源异构数据融合与信息平台建设的标准不统一、三维地质模型与矿井实际地质情况不吻合等问题，重点应在以下方面开展研究：
加强低空无人机与智能机器人等科技产品在地质探测和地质监测数据采集、数据链组网传输、数据处理与可视化地质模型构建中应用研究。
开展地下多场并存环境中地质异常体的地球物理场响应特征与地域专属性研究，采动裂隙场、人工致裂场的地球物理场响应原理与监测机理研究，提高物探数信号分辨率和多物性参数联合反演地质异常的方法研究。
地质探测是地质预测的方法之一。应加强矿井地质体赋存与分布规律、采动覆岩变形规律的研究，提高识别真假“物探异常”的能力，不断增强地质预测预报的可靠性。
研究多源数据体统一建库标准与时空交换格式，创新多源、四维地质与工程数据的无缝聚合−整合−挖掘−融合技术、三维可视化地质建模技术，地质数据自动更新与网络传输技术，提高地质透明化水平和地质信息共享水平。
c.煤矿地质保障科技创新的关键是人才驱动。煤矿地质保障系统建设需要多行业、多专业、多领域、多学科的交叉与融合，因此应分层分类培养一批既具有厚实的矿井地质基础，又具备矿业工程和现代信息工程等知识的复合型专业技术人才。
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