數字孿生技術“算清”井下地應力，怎么做到的？
END
編輯丨李莎
審核丨趙瑞
煤炭科學研究總院期刊出版公司擁有科技期刊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，是煤炭行業最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業最大最權威的期刊集群。
《智能礦山》
Journal of Intelligent Mine
月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產學研用新進展的綜合性技術刊物。
主編：王國法院士
投稿網址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）
聯系人：李編輯 010-87986441
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在日前舉行的第50屆日內瓦國際發明展上，中國礦業大學安全工程學院教授楊威帶領團隊研發的“礦山全時空地應力場同化孿生技術”，從全球40個國家和地區的1000多個參賽項目中脫穎而出，榮獲發明金獎。
這項技術有何創新之處，在礦山動力災害精準預測方面取得了哪些成效？近日，記者來到中國礦業大學，走近楊威及其團隊，一探究竟。
科研不是“空對空”
錨定一線需求搞研究
2004年，楊威考入中國礦業大學就讀安全工程專業，開始本科階段的學習。他以優異的成績獲得了直博資格，師從中國礦業大學教授、礦山安全專家林柏泉，開啟了瓦斯災害防治研究之路。
“不管在生活上還是科研上，林老師對我的影響都是終生的。”楊威說。
2009年初，楊威跟隨林柏泉到陜煤集團韓城礦業公司實地考察煤礦，并進行項目洽談。初次下井，面對高溫高濕環境，他切身感受到煤炭行業的艱苦，也深刻認識到林柏泉所說的“科研不是‘空對空’，而是應當落到實處，來自工程實際”這句話的分量。
從攻讀博士起，楊威常在礦區開展瓦斯防治研究，并在礦區推廣松軟煤層水力壓裂鉆孔失穩分析及固化成孔方法、采煤工作面“爆注”一體化防突理論與技術。
“這些豐富的現場實踐經歷，不僅令我對礦區地質條件更加熟悉，還讓我與煤礦企業建立了信任，為后續的技術推廣奠定了基礎。”楊威回憶道。
2013年博士畢業后，楊威留校，專注于煤礦瓦斯防治研究。他曾擔任本科生班主任，通過與學生互動，激發了他們對煤礦安全工作的興趣，部分學生日后加入了他的團隊。
開展瓦斯防治研究，地應力是繞不開的話題。地應力和瓦斯壓力、煤體強度一樣，是引發煤與瓦斯突出的主要因素之一。正如空氣的壓力、水的壓力一樣，巖層內也會產生壓力，即地應力。
地應力有顯著的方向性，大范圍探測難度大且效率低，繪制全礦井大尺度應力場分布圖更是行業難題。
我國地應力測量技術起步于20世紀四五十年代，1970年以后得到了快速發展。但傳統地應力測量技術都是針對某一個點，測試周期長、精度低，而且測試結果僅針對某一時刻某一狀態，很難跟蹤采掘空間應力場動態變化情況，更難以用于指導防治煤與瓦斯突出工作。
2019年6月，楊威赴美國科羅拉多礦業大學訪學。他了解到，可以通過數據采集和模型模擬，推理演化出山體滑坡災害的全過程，進而進行準確的災害預報。
既然可以用數值模擬推斷山體運動，那么是否可以利用相似方法對礦山地下介質地應力分布情況進行預測呢？在這個想法的啟發下，楊威的課題有了新的研究思路。
繪地應力“高清肖像”
畫礦山“安全地圖”
在我國，許多煤礦面臨深部開采挑戰。隨著開采深度增加，地應力隨之增大，給煤礦安全生產帶來更大威脅。
“在深部開采過程中，一些煤礦如果仍然按照淺部開采的思維去考慮問題，忽視高應力、高地溫、高瓦斯壓力等復雜條件，不及時更新災害治理技術和安全管理措施，極易引發安全事故。”楊威說。
楊威（右一）在給學生講解礦山應力場數字孿生與災害風險預警系統
2021年上半年，楊威團隊與韓城礦業公司聯合組建礦井地應力場分布規律科研攻堅小組，針對桑樹坪煤礦開展韓城礦區全時空采掘應力場同化反演技術研究。
桑樹坪煤礦位于渭北煤田韓城礦區最北端，是我國典型的煤與瓦斯突出礦井。1994年至2000年，隨著煤層埋深增加，桑樹坪煤礦煤層應力逐漸增大，透氣性逐漸降低，煤層瓦斯壓力增大，導致突出次數迅速增加。
“在煤與瓦斯防治工作中，單一采煤工作面地應力轉移情況可以大致推斷，但多個采煤工作面交織時，地應力如何轉移？具體轉移距離是多少？地應力峰值是多少？這就難以準確描述了，只能靠計算機來計算。”楊威解釋道。
楊威團隊提出，利用數字孿生技術解決礦井應力場分布規律不明確的難題，即通過建立大尺度礦井數字計算模型，基于實測數據實現數字模型的同化，反演獲得全礦井應力分布規律。
要準確獲得礦井等比例數字模型，先要準確分析地質資料。桑樹坪煤礦從建設初期到現在，有幾十年的開采歷程，涉及幾十個工作面。對此，楊威團隊在數字孿生建模計算時需要高精度還原開采全過程。
中國礦業大學博士研究生、楊威團隊成員王文元說：“建模需要收集大量資料，包括礦井采煤工作面布置、采掘接續、煤層底板等重要信息。這些信息大部分需要我們從煤礦提供的20多年的紙質資料中提取，有時還需要找已經退了休的員工了解當年采煤工作面的情況，并對大量數據進行整理分析，工作量相當大。”
煤巖體的非均質性和不連續性是楊威團隊遇到的一大挑戰：如果直接將實驗室測得的煤巖力學參數作為數字計算模型輸入參數，最終結果往往與工程現場實際情況存在顯著偏差。
為解決上述問題，楊威提出了基于現場實測數據的模型參數同化方法，即結合現場實際測試結果，修改數字模型的各類參數，使得數字模型中的位移及應力分布規律與現場實測值接近，實現模型同化，提高數字模型計算結果的準確性。
通過分析礦井地質資料、采掘接續順序以及對地應力反復測量驗證，課題組終于建成桑樹坪煤礦全礦井等比例數字孿生模型，準確還原煤層、巖層、地表、地質構造等的分布特征，并繪制了首張全礦井“地應力—瓦斯”綜合等值線圖。
楊威（左一）與韓城礦業公司相關技術人員一起研討應力場數字孿生關鍵技術
中國礦業大學副教授、楊威團隊成員劉統說：“當模型報錯時，往往需要基于多源數據進行深入分析，必要時需深入煤礦現場實測數據，對各種參數進行反復驗證和調整，有時需要連續一兩個月待在礦上。”
助力10余處大型礦山
實現安全高效開采
如今，楊威團隊研發的礦山全時空地應力場同化孿生技術，已應用于陜西韓城、河南平頂山等地10余處大型礦山，顯著降低了瓦斯突出等動力災害風險。
目前，該技術已獲得中國發明專利12件，美國、日本等國家發明專利2件。
據楊威介紹，全礦井“地應力—瓦斯”綜合等值線圖具有重要作用。一方面，它能清晰展示礦井應力分布，助力礦方科學布置采煤工作面，精準識別高風險區域，進而強化采掘安全。另一方面，它可作為未來開采規劃的關鍵工具，提供前瞻性建議，如確定資源開采順序和方向等。合理的開采方向布局可有效降低突出風險概率達40%。
“截至目前，桑樹坪煤礦4322工作面、3317工作面、3315工作面回采工作已順利結束。在回采期間，我們能夠根據這項技術的預測結論，提前進行規劃，及時采取措施，未發生突出事故。接下來，我們將在3313工作面繼續沿用這一技術結論。”韓城礦業公司通風管理部部長巨萬民表示。
楊威團隊整合了在實驗室及計算機模擬中產生的數據，并附上相應的簡要解釋，構建了一個詳盡的數據庫。同時，他們創建了智能分析模型。該模型能夠直接將現場測試數據導入分析，實現應力場孿生反演和突出風險透明預測，從而為未來采掘部署提供依據。
桑樹坪煤礦全時空應力場分布與災害防控示意圖
桑樹坪煤礦通風管理部部長梁宇楓指出：“我們利用這項技術分析得出的原巖應力場分布規律及突出危險區域預測和劃分結論，對今后3年至5年的采掘接續安排具有指導意義。”
韓城礦業公司黨委書記、董事長吳杰表示：“數字孿生模型不僅能夠反演過去，還能預測未來采掘應力場變化規律。將地應力與傳統的瓦斯地質圖相結合，可以為防突工作提供更詳盡的數據資料，為韓城礦業公司煤與瓦斯突出精準防治提供新的‘作戰圖’。”
“下一步，我們將聚焦三大方向開展研究。”楊威說，一是提升自動建模和智能解算的水平，自適應構建高精度和強魯棒性的數字孿生模型；二是致力于研發煤體力學參數和應力分布隨鉆測試裝備，利用隨鉆測試數據對模型進行實時同化仿真，實現采掘過程突出風險的實時測試和孿生反演；三是構建突出風險預警云平臺，實現煤礦動力災害風險的實時動態展示和超前預測預報。
來源：中國煤炭報
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