本书全面回顾煤矿地质保障技术的发展历程，提出煤矿智能地质保障系统的总体设计思路，阐述随掘随探、随采随探、智能化钻探、钻孔物探等智能探测技术以及水文监测、微震监测、电法监测等智能监测技术的方法原理和应用实例；介绍智能化钻探技术与装备的关键技术与工程应用；提出煤矿多源异构地质大数据融合方法、三维地质建模技术和透明地质软件平台的构建方法，展望数字孪生技术在未来煤矿智能地质保障系统建设中的应用前景。
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丛书序
前言
第一篇 煤矿智能地质保障系统概述
第1章 煤矿地质保障技术发展历程 3
1.1 国外煤矿地质保障的技术演进 4
1.1.1 地球物理探测技术 5
1.1.2 钻探技术与装备 9
1.1.3 三维地质建模技术 12
1.2 国内煤矿地质保障的发展历程 13
1.2.1 煤炭资源勘探开发地质保障阶段 13
1.2.2 “双高矿井”建设地质保障阶段 14
1.2.3 煤矿安全高效生产地质保障阶段 18
第2章 煤矿智能地质保障系统架构 25
2.1 煤矿智能地质保障系统的提出背景 25
2.1.1 智能地质保障系统的提出 25
2.1.2 智能地质保障系统的内涵 26
2.1.3 智能地质保障系统的外延 28
2.2 煤矿智能地质保障系统的总体设计 35
2.2.1 智能地质保障系统的技术架构 35
2.2.2 智能地质保障系统的核心技术 36
第二篇 煤矿智能物探技术与装备
第3章 随掘智能探测技术 43
3.1 随掘地震探测方法 43
3.1.1 地震可控震源技术原理 44
3.1.2 掘进机震源及其信号特征 44
3.2 随掘地震探测技术 47
3.2.1 随掘地震数据采集 47
3.2.2 随掘地震数据处理 47
3.2.3 随掘地震偏移成像 52
3.3 随掘地震参数论证 54
3.3.1 道间距 54
3.3.2 测线长度 55
3.4 随掘地震探测实例 57
3.4.1 随掘地震探测断层 57
3.4.2 随掘地震探测陷落柱 60
第4章 随采智能探测技术 63
4.1 随采地震探测方法 63
4.2 随采地震探测技术 64
4.2.1 随采地震数据采集 64
4.2.2 随采地震数据处理 66
4.3 随采地震探测工艺 74
4.4 随采地震探测实例 77
4.4.1 随采地震构造探测 77
4.4.2 贵州岩脚煤矿随采地震应力监测 79
第5章 钻孔地质雷达技术与装备 84
5.1 钻孔雷达探测技术 84
5.1.1 钻孔雷达探测原理 84
5.1.2 钻孔雷达仪器装备 85
5.2 钻孔雷达响应特征 86
5.2.1 煤岩界面特征 86
5.2.2 断层响应特征 87
5.2.3 陷落柱响应特征 87
5.2.4 裂隙带响应特征 88
5.3 钻孔雷达数据处理 88
5.3.1 数据编辑 89
5.3.2 常规处理 90
5.3.3 增强处理 95
5.4 钻孔雷达数据解释 97
5.5 钻孔雷达应用实例 100
5.5.1 煤岩界面探测 100
5.5.2 出水点探测 103
第6章 钻孔瞬变电磁技术与装备 105
6.1 钻孔瞬变电磁探测原理 105
6.2 钻孔瞬变电磁探测方法 106
6.2.1 钻孔瞬变电磁探测装备 106
6.2.2 钻孔瞬变电磁施工工艺 107
6.3 钻孔瞬变电磁数据处理 107
6.3.1 数据预处理 107
6.3.2 视电阻率数据处理 116
6.3.3 异常体空间定位技术 117
6.4 钻孔瞬变电磁应用实例 120
第7章 其他钻孔物探技术与装备 124
7.1 煤矿钻孔综合物探思路 124
7.2 钻孔孔内物探技术及装备 124
7.2.1 钻孔无线电波透视技术及装备 124
7.2.2 钻孔音频电透视技术及装备 127
7.2.3 钻孔伽马岩性探测技术 129
7.3 钻孔物探数据处理方法 130
7.3.1 钻孔电磁波透视数据处理方法 130
7.3.2 钻孔音频电透视数据处理方法 131
7.3.3 钻孔伽马测量数据处理方法 133
7.4 钻孔综合物探应用实例 133
7.4.1 钻孔音频电法透视实例 133
7.4.2 钻孔伽马岩性测井实例 135
第三篇 煤矿智能化钻探技术与装备
第8章 煤矿智能化钻探技术 139
8.1 钻机定位与导航技术 139
8.1.1 井下钻机导航自主化程度 139
8.1.2 井下钻机自主导航方式 140
8.1.3 井下钻机自主导航关键技术 140
8.1.4 井下钻机导航试验 142
8.2 位姿智能调节技术 142
8.2.1 智能钻机运动学建模 142
8.2.2 智能钻机姿态感知技术 146
8.2.3 姿态调节控制算法 148
8.3 智能感知与自适应控制技术 149
8.3.1 智能感知技术 150
8.3.2 自适应控制技术 156
8.4 远程数据交互技术 157
8.4.1 钻机远程交互系统的总体设计 157
8.4.2 远程交互系统硬件平台的搭建 158
8.4.3 远程交互系统控制软件的开发 160
第9章 煤矿智能化钻探装备 163
9.1 智能化钻探装备的定义与内涵 163
9.2 智能钻机的系统构成 163
9.2.1 模块化机械系统 163
9.2.2 负载敏感电液系统 166
9.2.3 分布式控制系统 168
第10章 智能化钻探装备应用 171
10.1 探放水钻孔施工 171
10.1.1 矿井概况 171
10.1.2 地质条件 171
10.1.3 施工方案 172
10.1.4 施工情况 175
10.2 瓦斯抽采钻孔施工 176
10.2.1 顺煤层钻孔施工 176
10.2.2 穿层钻孔施工 179
10.2.3 顶板高位大直径定向钻孔施工 182
第四篇 煤矿灾害智能监测系统
第11章 煤矿水文监测系统 187
11.1 系统组成与功能 187
11.1.1 监测中心主站 188
11.1.2 监测网络 189
11.1.3 监测分站 190
11.1.4 系统功能 191
11.2 监测技术与装备 195
11.2.1 含水层水文监测 195
11.2.2 涌水量动态监测 196
11.2.3 采空区积水监测 198
11.2.4 地表水系及其他 198
11.3 监测系统及应用 198
11.3.1 试放水阶段 199
11.3.2 叠加放水第一阶段 200
11.3.3 联合放水阶段初期 202
11.3.4 放水试验期间 203
11.4 水文智能监测系统 204
11.4.1 水文智能监测系统融合与联动 205
11.4.2 基于互联网+水文监测系统 206
第12章 煤矿微震监测系统 208
12.1 微震监测技术原理 208
12.2 微震监测数据采集 209
12.2.1 微震监测观测系统 209
12.2.2 观测系统设计原则 210
12.3 微震监测仪器装备 211
12.3.1 微震监测系统构成 211
12.3.2 节点式微震监测系统 211
12.3.3 有缆式微震监测系统 213
12.4 微震监测数据处理 215
12.5 微震监测数据解释 218
12.5.1 微震事件震级 218
12.5.2 震源参数计算 219
12.6 微震监测应用实例 219
12.6.1 煤矿井下微震监测 219
12.6.2 井-地联合微震监测 228
第13章 煤矿电法监测系统 237
13.1 电法监测技术原理 237
13.1.1 技术背景 237
13.1.2 直流电阻率法 238
13.1.3 音频电透视法 241
13.2 电法监测数据采集 242
13.2.1 电法观测装置 242
13.2.2 多测线观测系统 247
13.2.3 组合探测方法 248
13.2.4 数据采集密度的选择 248
13.3 电法监测系统组成 249
13.3.1 系统结构 249
13.3.2 监测装备 252
13.3.3 控制软件 255
13.4 电法监测工艺方法 259
13.4.1 巷道电法监测工艺 259
13.4.2 孔中电法监测工艺 261
13.5 电法监测数据处理 262
13.5.1 电法监测数据预处理 262
13.5.2 电法监测数据反演成像 266
13.5.3 监测数据自动处理解释 270
13.6 电法监测应用实例 274
13.6.1 顶板裂隙带的高度监测 274
13.6.2 底板承压水害动态监测 277
13.6.3 注浆治理前后效果监测 280
第五篇 煤矿透明地质技术平台
第14章 煤矿地质建模数据融合分析 287
14.1 煤矿地质建模数据的特征 287
14.1.1 地质数据的多源性 287
14.1.2 地质数据的异构性 288
14.1.3 地质数据的时空性 289
14.1.4 地质数据的模糊性 289
14.2 煤矿地质建模数据的管理 289
14.2.1 地质建模数据分类 291
14.2.2 地质建模数据库设计 291
14.2.3 地质建模数据采集 294
14.2.4 地质建模数据应用 296
14.3 煤矿地质建模数据的融合 298
14.3.1 地质数据融合原则 298
14.3.2 地质数据融合方法 302
14.4 多源地质数据融合实例 307
14.4.1 工作面的基本情况 307
14.4.2 三维地震动态解释 308
14.4.3 构造探采对比解释 310
14.4.4 数据融合精度分析 310
第15章 煤矿三维地质建模技术 313
15.1 空间数据模型与三维地质建模方法 313
15.1.1 空间数据模型 313
15.1.2 三维地质建模方法 315
15.1.3 三维地质建模软件 318
15.2 体元切割的三维地质实体建模方法 319
15.2.1 体元切割的模型构建过程 319
15.2.2 基于离散光滑插值的煤层底板面模型构建 320
15.2.3 基于克里金插值煤层厚度的顶板面模型构建 325
15.2.4 初始四面体填充的三维实体模型构建 326
15.2.5 三角网切割四面体构建各地层实体模型 329
15.2.6 断层、陷落柱及井巷工程实体模型构建 332
15.3 三维地质建模的工程实例 333
15.3.1 矿井地质条件 333
15.3.2 三维地质模型构建 334
15.3.3 三维地质模型的精度 344
第16章 煤矿透明地质软件平台 346
16.1 煤矿透明地质软件的架构 346
16.1.1 微服务架构技术 346
16.1.2 Docker技术 348
16.2 透明地质保障软件的设计 348
16.2.1 应用层 348
16.2.2 平台层 349
16.2.3 基础设施层 351
16.3 透明地质软件的微服务架构 352
16.3.1 数据获取的微服务构建 352
16.3.2 数据获取的微服务开发 352
16.3.3 数据获取的微服务部署 353
16.3.4 微服务系统平台的运维 354
16.4 透明地质软件的工程应用 356
16.4.1 透明地质的建设基础 356
16.4.2 透明地质保障系统功能设计 358
16.4.3 水害防治地质透明化 359
16.4.4 快速掘进地质透明化 360
16.4.5 智能开采地质透明化 362
第17章 煤矿数字孪生技术进展 365
17.1 煤矿数字孪生技术 365
17.1.1 数字孪生技术简介 365
17.1.2 煤矿数字孪生方法 366
17.2 采掘工作面的数字孪生 368
17.2.1 数字孪生的技术体系 368
17.2.2 数字孪生的逻辑架构 371
17.2.3 数字孪生的模型体系 372
17.3 基于数字孪生的智能开采 376
17.3.1 三维地质模型的构建 376
17.3.2 规划截割曲线的生成 378
17.3.3 采煤机智能调高算法 380
17.4 煤矿数字孪生技术应用实例 385
17.4.1 煤矿基本情况 385
17.4.2 工作面数字孪生系统的构建 385
17.4.3 工作面数字孪生的应用效果 387
参考文献 390
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