煤及共伴生資源精準開采科學問題與對策

袁 亮

(1.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室,安徽 淮南 232001; 2.中國礦業大學(北京) 共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083)

2017年我國化石能源消費占比高達86.5%，其中煤、石油、天然氣消費分別占60.4%,19.5%和6.6%，同時石油、天然氣對外依存度分別高達67.4%和39%，創造歷史新高[1]。以煤、石油、天然氣為主的傳統化石能源保障了國家經濟發展，“富煤貧油少氣”的能源結構也決定了我國能源發展方向。國家《能源中長期發展規劃綱要(2004—2020年)》中確定，中國將“堅持以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發展的能源戰略”，同時《“十三五”國家科技創新規劃》也提出了重點開展煤炭安全綠色開采和煤系伴生資源協同開發理論與技術攻關目標[2]。以鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、塔里木盆地為代表的煤、鈾、煤層氣、油氣共伴生資源開采面臨諸多問題，破解煤及共伴生資源精準協調開發科學問題勢在必行。

煤及共伴生資源精準開采涉及多相多場耦合作用與動態復雜災害約束。煤炭開采中瓦斯突出、沖擊地壓等典型動力災害頻現，開采擾動區礦井水突出、瓦斯涌出等滲流災害凸顯[3-6],同時水、火、瓦斯、頂底板等多場災害形成共伴生鈾、煤層氣、油氣資源勘探及開發難題。鈾礦地浸含鈾溶浸液、氡及其子體、重金屬元素對地層水及共伴生資源構成嚴重威脅[7];油氣開采面臨井噴、氣竄威脅，鉆完井，攜砂致裂儲層，CO2/水驅油，CO2及核廢料埋存等過程中多相多場耦合致災難題，同時油氣井網布設、鉆完井及開采影響到煤、鈾及煤層氣等共伴生資源安全經濟開發[10-12]。

國外同樣面臨煤、鈾、油氣共伴生資源同盆地賦存情況，以美國、澳大利亞、中亞、俄羅斯等國及地區為代表的盆地31處[13]，然而國外以備用資源、戰略性資源保護為主，依據需求在基本不擾動共伴生資源的條件下，有選擇性的開采單一礦種。我國能源結構及消費占比，決定煤及共伴生資源精準開采的現實需求，煤及共伴生資源精準開采在相當長的一段時間內將成為我國資源開發的主導方向。

創新互聯網+物聯網+科學開采技術，將大數據、云計算、人工智能、VR/AR技術等[14-17]，推向煤及共伴生資源勘探開發、多相多場耦合致災機理研究、開采工藝技術創新、生產管理模式優化、開采設備升級，集成創新監控預警平臺與智能決策系統，指導模態化的煤及共伴生資源防災減災、安全高效開采，將成為破解煤及共伴生資源精準開采的必由之路。

1 煤及共伴生資源開采面臨的挑戰

(1)煤及共伴生資源綜合勘探水平亟待提高。

穩定的盆地構造演化及優良的沉積環境為煤及共伴生資源同盆富集創造了優良環境。基于時空的煤、鈾、油氣分布規律呈油氣、煤與煤層氣、鈾礦的垂直深淺賦存，平面疊置、部分疊置、非疊置分布[2]。

砂巖型鈾礦賦存于含礦含水層中對水體具有強依賴性，煤層賦巖中斷層、陷落柱等隱蔽致災因素繁多，油氣資源蘊藏于密閉圈層中對地層封閉環境具有強依賴性。鄂爾多斯盆地為代表的共伴生資源勘探開發問題，凸顯出現有基于力、聲、光、熱、電、磁與核變理論的地質雷達勘探方法、高密度電法、地震勘探法及地球物理測井法等單一礦種勘探技術在多資源綜合勘探協調度、精度方面的不足[3-6]。 大力提升空、天、地一體化綜合勘探手段，透視化資源賦存環境，揭示隱蔽災害因素，方可為資源科學開采規劃提供大力支撐。

(2)煤及共伴生資源協調開采技術方法亟待建立。

煤層開采工藝以走向長壁全部垮落法開采、條帶開采、房柱式開采為主，開采過程伴隨強烈地層響應。砂巖型鈾礦以地浸開采為主，依據賦存環境選擇性的進行酸式或堿式地浸開采，對低品位高復雜性砂巖型鈾礦形成高效開采[18-20]。油氣采用垂直主井配合分支水平井開采工藝，進行自噴采油、注入液(氣)驅油及聚合物驅油開采。煤、鈾、油氣共伴生資源協調開發工序錯亂將導致系列開發難題及嚴重經濟損失，其中煤鈾失調開采導致了伊犁盆地南緣煤層上部鈾礦的無效地浸開采，煤油氣的失調開采引發了鄂爾多斯盆地旬邑-宜君煤層下部油氣管井布設難題。基于現有共伴生資源單一礦種開采工藝系統，破解基于時空的煤、鈾、油氣協調開采工序，降低資源、地下水、巖層、地表生態的負外部性，保障經濟及戰略價值，成為制約煤及共伴生資源精準開采的關鍵。

(3)煤及共伴生資源開采動態疊加多相多場耦合致災機理仍需深入研究。

基于煤、鈾、油氣單一礦種多相多場耦合演化及災害孕育，煤及共伴生資源精準開采涉及應力場—裂隙場—滲流場—溫度場—能量場耦合作用及動態疊加多相多場耦合復合災害孕育演化，煤鈾協調開采中煤層開采“三帶”效應對鈾礦床構成威脅，甚至活化鈾礦床，破壞鈾礦地浸開采地層水環境，同時含鈾溶浸液、氡氣及其子體、重金屬在擴散、對流、及彌散作用下對地層水及深埋煤層構成污染威脅[2,7];煤油氣協調中煤層開發擾動油氣圈閉層穩定性，影響油氣動態分布，油氣管井與煤層覆巖力熱耦合效應誘發管道泄漏、爆燃，擾動煤層采動圍巖應力場—裂隙場—滲流場動態耦合過程，誘發采場圍巖異常響應，礦井水、瓦斯、粉塵等異常擴散。

強化煤及共伴生資源精準開采多相多場耦合機理研究，揭示資源開采動態疊加多相多場耦合災害孕育演化規律[21]，實現耦合災害的超前感知、精準定位、高效預警預解，為煤及共伴生資源精準開采提供保障。

(4)煤及共伴生資源精準開采理論及技術體系有待建立。

煤及共伴生資源精準開采亟待解決可視化資源賦存勘探、開采工藝適配、多相多場耦合致災機理揭示、致災因素智能判識深度分析、災害超前預測預報、災害綜合防治問題[22]。相比單一礦種決勝勘探、開采、災害防控難題，面臨更大挑戰。現場監測、物理/數值模擬、基礎實驗數據信息共享、互聯性差，實驗指導理論滯后現場開采，災害預測、圈定速度低，精度差。基于物聯網的自主學習、自適應調整、采動與決策信息互饋的實驗設備及開采裝備，致災因素深度感知、智能判識技術，大數據多網融合傳輸技術，及大數據云計算數據深度挖掘分析技術、人機互動或人工智能分析、決策系統，是實現“感知、傳送、決策、執行”一體化精準開采的保障，統一規劃調控煤、鈾、油氣開采，實現時空上多資源開采工藝、技術合理配置，動態復合災害提前預判、預知，開采工藝參數智能調控決策，一線開采設備智能強力執行決策。

構建煤及共伴生資源精準開采理論及技術體系，為煤、鈾、油氣共伴生資源有序開采提供保障，規避經濟、社會、環境及戰略資源儲備的巨大損失。

(5)煤及共伴生資源退役礦井統一開發修復技術有待研發。

煤及共伴生資源退役礦井具有“災源”和“資源”雙重屬性，煤、鈾、油氣共伴生資源開采引發地層應力場、溫度場、化學場擾動對地下水體生態、上覆及深埋資源、地質巖層結構、地表生態造成不同程度的損害，環境負外部性凸顯。同時，廢棄礦井水服務廢棄鈾礦水體環境修復，廢棄礦井空間可用于油氣儲藏、垃圾填埋、核廢料處理及抽水蓄能等工程，退役油氣井為CO2封存提供穩定密閉空間，退役礦井“資源”屬性凸顯。

加強煤及共伴生資源退役礦井統一開發修復技術研發[21]，為降低煤及共伴生資源開發引發的環境負外部性，提高退役礦井資源利用率提供保障，同時是保障煤及共伴生資源可持續開發的基礎。

(6)煤及共伴生資源協調精準開發、生產、修復標準有待制定。

開發標準、生產標準及退役后環境修復標準的制定是實現煤及共伴生資源開采統籌工程開發的保障，煤及共伴生資源智能礦山構建的關鍵。煤、鈾、油氣資源賦存環境復雜，蘊藏層位深淺不一，共伴生資源單一開采、協調共采的地質評價標準、安全開采標準、采后可修復標準等均處于空白狀態，具體開采模式的選取尚無理論依據，無法對現場工程實踐形成具體指導，理論滯后于工程實踐。共伴生資源協調精準開發、生產、修復標準亟待制定。

2 煤及共伴生資源精準開采科學內涵

煤及共伴生資源精準開采是借力大數據、云計算、區塊鏈、人工智能、5G通訊、超級計算、物聯網等現代互聯網、通訊網高新信息技術，融合地質勘探保障技術、協同開采機制、多相多場耦合理論及災害防控預警模型，創新開采擾動多維全息地質信息實時共享互饋的互聯網+現場監控、物理/數值模擬、基礎實驗“三位一體”科學研究方法，深度透視化資源儲藏環境、動靜態地質擾動災害孕育演化，集成基于虛擬現實技術(VR)、全息人機虛擬互動技術(AR)的原生/擾動地質信息實時展示 、智能決策及預警解危平臺，超前決策協調開采方式，災害應急救援方案，最終實現少人(無人)煤及共伴生資源精準綠色安全開采，集成滿足新時代環境保護、資源需求、安全開采要求的現代化煤及共伴生資源開發模式。

煤層無人開采方面涉及礦層動態信息智能感知、多場耦合演化信息實時可視、自動巡航切割等關鍵技術[3];油氣、鈾開發方面涉及智能鉆完井裝備、智能連續管鉆井、智能水平分支井完井、局域/廣域物聯網系統構建、井上下一體化智能閉環監控與決策系統等關鍵技術[8]，安全保障方面涉及地球物理數據庫、災害風險判識、災害智能防控、風險監控預警等技術理論。

煤及共伴生資源精準開采發展將經歷三大戰略階段。第1階段以定性、探索性的協調開采規劃，機械化、信息化、數字化的開采管控，進行煤及共伴生資源精準開采探索;第2階段定量挖掘分析開采擾動地層損壞量、環境污染量、綜合經濟效益、災害類型/源頭，推進機械學習，優化協調開發模式、開采方案，基于煤、鈾、油氣開采工藝(地浸采鈾、直接垮落法/充填法采煤、壓差采油)結合數字化、信息化、智能化技術構建智能管控平臺，科學、高效決策開發方案，實現提質增效、降本減災開采;第3階段互聯網+物聯網+科學開采理論、技術及裝備高度成熟，智能實驗設備、生產裝備不斷涌現，多相多場耦合機理及復合災害模型彈性構建，開發管理水平極大提高，深入融合智能算法、MGIS、機器智能學習、VR/AR技術，透視化資源賦存及災害區域，依據環境擾動容量、綠色資源需求量及資源開采安全保障，智能自主決策開采方案，智能機器人連續管鉆井、智能無人盾構機開拓、自適應綜合優化管道、自適應自主巡航采煤，勘探、規劃、建設、開采及災害防控一體化智能綜合煤及共伴生資源精準開采體系形成。

3 關鍵科學問題

3.1 煤鈾資源精準協調開發流固耦合基礎理論

(1)研究應力、滲流、化學反應作用下多孔介質、裂隙介質損傷演化及滲透特性變化規律。

精準掌握復雜水文地質條件、巖體結構特征、流體介質屬性及化學反應作用下巖體損傷-滲流規律，可為透視化含鈾溶浸液、氡及其子體時空擴散狀態，煤層采場“三帶”發育狀況提供保障。煤鈾資源精準開采在該方面涉及的關鍵科學問題包括基于地應力、孔隙壓力、溫度及化學反應的煤鈾賦巖裂隙、孔隙結構演化特征及滲透特性演變規律，多相多場耦合理論模型，基于復雜介質結構演化的鈾礦地浸開采溶質化學反應-輸運耦合機理等。

(2)研究煤鈾精準開采擾動巖層應力場-裂隙場-滲流場-溶質化學反應場-輸運場時空動態耦合演化機理。

煤鈾資源疊置分布，開采為應力-裂隙-滲流場及溶質化學反應-輸運動態耦合過程，地層形成化學、物理破壞，極易引發動態復合多相多場耦合災害。煤鈾資源精準開采在該方面涉及的關鍵科學問題包括 “三位一體”科研創新，精準開采試驗設備研發，數值仿真軟件開發，基于煤鈾不同開采情景(煤鈾共采、先鈾后煤及先煤后鈾)的流、固、氣介子應力場、裂隙場、滲流場及溶浸液化學反應-溶質輸運場耦合演化特征，預識、預判地質滲流災害及動力災害，精準開采方案及配套工藝參數優化，精準開采安全等級評價標準等。

3.2 煤與油氣精準協調開發多場耦合基礎理論

(1)研究基于多相滲流介質、復雜水力環境、非均質各項異性巖體結構變動的煤、油、氣賦存地層響應。

油氣鉆井作業、管道布設、致裂增透、負壓抽采行為，擾動煤油氣儲層、蓋層穩定性，促進孔隙裂隙網絡發育、引發滲流擴散時空演化。

煤及共伴生資源精準開采在該方面涉及的關鍵科學問題包括巖石三軸多相多場耦合實驗系統研發，煤油氣固-液-氣擾動環境反演，透視化試驗技術，巖體非線性破壞失穩準則，巖體峰后裂隙場油氣運移規律，開采擾動固、液、氣介質多相多場耦合機制，滲流介質、應力環境、水力環境及開采復合擾動下油氣開采孔隙裂隙網絡演化及滲流運移擴散規律等。

(2)研究煤與油氣精準協調開采擾動巖層應力場-損傷場-滲流場-溶質輸運場耦合機理及時空動態演化特征。

基于透視化地質保障體系，加強煤與油氣精準協調開采擾動巖層應力場-損傷場-滲流場-溶質輸運場耦合機理及時空動態演化特征研究，為煤油氣共伴生資源精準開采提供基礎保障。煤油氣精準開采在該方面涉及的關鍵科學問題包括天然/擾動裂縫分布規律及分布類型、3D透明打印及精細化模型構建技術，多源、海量、動態多相多場信息高速、云存儲及實時雙向傳導技術，基于時空的擾動巖體與流體應力場、巖體損傷場、流體滲流場及油氣輸運場動態演化精準展示，開采擾動巖層應力場-損傷場-滲流場-溶質輸運場耦合機理及災害孕育演化特征等。

3.3 煤及共伴生資源精準協調開發協同機制與方法

(1)研究考慮技術、經濟、社會、環境、戰略地位因素的煤及共伴生資源精準開發綜合效益評價模型。

煤及共伴生資源精準協調開發綜合效益給出客觀性評價，是保障能源資源安全開采，滿足國家能源及戰略需求的前提。煤及共伴生資源精準開采在該方面涉及的關鍵科學問題包括綜合效益指標衡量法、考慮技術、經濟、社會、環境、戰略地位因素的綜合效益評價模型，共伴生能源資源開采規劃、開拓布局、工藝選調,開發技術經濟評價機制，精準開發協同機制配套方法等。

(2)研究煤及共伴生資源精準開發協同機制，創新精準協調開采工藝工序。

產學研高度結合，推動煤、鈾、油氣協同開發機制研究，構建煤及共伴生資源協同開發的建設、運行、管理體系，創新以綜合走廊、油氣走廊、鈾礦走廊及隔離走廊為代表的協調開采工藝工序，精準智能決策不同疊置資源(煤、鈾、油氣)開發模式，實時生成最優開采方案，智能調控協調開采工藝及配套參數，實現煤、鈾、油氣煤及共伴生資源精準協調開發。煤及共伴生資源精準開采在該方面涉及的關鍵科學問題包括煤、油氣開采走廊工藝技術，開采順序，井網布設，煤鈾開采走廊、隔離走廊工藝技術，擾動鈾礦層活化理論，含鈾溶浸液、氡及其子體在裂隙場中擴散規律，鈾礦原位地浸開采垂直及水平井布設等。

3.4 煤及共伴生資源安全高效開發關鍵技術與裝備

(1)開發基于煤及共伴生資源精準開發的煤鈾高效開采、鈾礦退役礦井生態修復、油氣儲層增透及蓋層防護技術體系。

深入開展煤、鈾、油氣提質增效，降本增產協調開采技術研究，是實現煤及共伴生資源精準開采的關鍵。煤及共伴生資源精準開采在該方面涉及的關鍵科學問題包括地表含鈾溶浸液離子解析技術，注抽井、離子交換池中溶浸劑、水、含鈾溶浸液循環周期智能管控技術，煤層開采擾動巖層減沉技術，擾動“三帶”地層及水資源修復技術，污染源擴散控制及排除技術，多場演化井上井下接觸/非接觸式智能感知技術、區塊鏈自適應管控技術，擾動地質條件下自適應甜點精準鉆遇技術，智能管道管控技術，智能水平井網鋪設技術。

(2)開展鈾礦CO2+O2地浸開采設備、液態CO2壓裂密閉混砂設備、水力及CO2驅油氣設備研發。

智能裝備驅動多資源精準協調開發，加強研發智能感知、多源海量信息高速雙向傳輸及智能自適應執行裝備，是實現煤及共伴生資源協調開發的強力保障。地浸采鈾及油氣開采方面主要涉及智能連續管鉆井、智能鉆小眼等設備。油氣儲層致裂增透水平管眼網、鈾礦水平井、礦井自適應及導航巡航采煤機、智能檢修機器人、液態CO2壓裂密閉混砂設備、智能管控管道及智能決策專家平臺建設。

加大鉆孔成井、完井技術中套管選擇、井底結構、涉及智能開關器、壓力計、封隔器、地面系統及電纜等關鍵部件研發力度;助推千米地浸鉆孔施工技術，水平井地浸開采技術研究。

3.5 煤及共伴生資源開發災害防控與智能預警平臺

(1)研發油氣管道損傷智能檢測、油氣泄露預警、油氣管道穿層透水、含鈾溶浸液及氡運移擴散控制技術。

煤、鈾、油氣共伴生資源精準開采過程以管道、巷道為“動脈”，進行鈾礦溶浸液、驅油CO2/水氣液、煤層回采材料下行輸送，及含鈾溶浸液、油水氣、煤炭上行提升，氣液對管道的腐蝕損傷作用，將引發油氣泄露，含鈾溶浸液及氡擴散，同時油氣管道穿層透水作用損傷巷道穩定性。煤及共伴生資源精準開采在該方面涉及的關鍵科學問題包括致災因素精準篩選歸類與數值化參量表征，多源海量信息智能感知，實時動態多網融合傳輸技術，連續管智能閉環控制，分支井智能完井動態調控等。

(2)建立大數據云計算多參量深度挖掘與智能預警防控平臺。

煤及共伴生資源精準開采過程中應力孔隙壓力場變動，引發圍巖非線性損傷破壞，孔隙裂隙介質內部結構調整，滲透特性變動等巖體力學屬性、結構特征、物性參數變動，同時圍巖屬性的變動引發應力、孔隙壓力及能量集中，誘發滲流災害(礦井涌水、氣竄、污染物擴散轉移)、動力災害(沖擊地壓、煤與瓦斯突出)，產生多源、海量、動態災害表征數據。大數據云計算多參量深度挖掘與智能預警平臺構建，是煤及共伴生資源精準開采的安全保障。

煤及共伴生資源精準開采在該方面涉及的關鍵科學問題包括甜點區域模態鉆遇，分散鈾礦的集中開采管控，多源海量動態信息聚合，數據挖掘模型構建與更新，實時動態預警服務知識體系構建，具有推理能力、語義一致性的災害知識庫構建，基于云技術和深度機器學習的災害風險智能判識及災害智能預警機制，伴生災害預知、預判、預解的井上井下一體化綜合云技術的智能數據分析挖掘、預警防控及智能決策平臺。

4 主要研究方向

4.1 創新煤及共伴生資源透視化地質保障

創新“空、天、地”一體化多方位綜合探測手段，研制磁、核、聲、光、電等物理參數綜合成像探測儀器，研發多維可視化重構等數據融合處理、多源海量全息地質全息透明顯示技術等是實現煤及共伴生資源精準開采的基礎支撐。該方向將地理空間服務技術、互聯網技術、CT掃描技術、VR/AR技術、物聯網技術、5G通訊技術、區域鏈技術等積極推向煤及共伴生資源透視化勘探開發，構建煤及共伴生資源多源多相多場的多維全息知識數據庫，打造具有資源賦存透明化，災害信息可視化的透明礦山，實現煤、鈾、油氣共伴生資源基于時空的賦存、勘探開發、擾動多相多場耦合演化動態精準掌控。

該方向主要包括以下研究內容:

(1)構建空天地一體化煤及共伴生資源賦存地質結構精準勘探，1∶1精細化地質模型。

(2)研發智能勘探、物聯網耦合技術，實時感知、采集、傳輸原生/擾動多源多相多場參量數據，深度融合遺傳算法、智能算法、免疫神經網絡、遺傳規劃、遺傳算法等推演理論，實時原生/擾動能量場、損傷場、滲流場極限逼真反演。

(3)集成基于時空的地質構造(斷層、褶皺、陷落柱、油氣圈層)與活化流體(瓦斯、礦井水、粉塵、CO2、油氣、地浸液、含鈾溶浸液、氡及其子體)動態運移，及對應力場、裂隙場、滲流場、溫度場、能量場及化學場變動貢獻率的感知監控技術，災害孕育、發生、擴展衍生前兆信息智能感知、實時監測地學傳感網系統。

(4)構建透視化原生/擾動煤、鈾、油氣共伴生資源開采多相多場全息信息庫，形成云技術下多源異構、多尺度、大規模歷史及實時動態參量的分布式存儲管理數據庫，建立四維多層次拓撲模型。

4.2 多相多場耦合演化機理與災害孕育演化規律

多相多場耦合演化機理與災害孕育演化規律研究可為煤及共伴生資源精準開發提供理論支撐。該方向借力互聯網+、物聯網、移動互聯技術，消除煤及共伴生資源現場監測(歷史實踐經驗數據、實時多源海量數據)、模擬試驗(可視化數值仿真模擬數據、多尺度物理相似模擬試驗數據)與基礎研究試驗(微-細-宏觀地質巖層樣本內部結構、力學屬性、物性的力熱耦合擾動響應表征參量數據)信息中存在的信息孤島、系統封閉、異構融合、標準滯后現象，實現“三位一體”研究下多維多源數據的全息實時動態多向傳輸、共享、互饋，揭示煤鈾協調開采過程中應力場-裂隙場-滲流場-溶質化學反應輸運場多相多場耦合演化機理，獲取伴生災害孕育演化規律，創新災害前兆感知、預警、預解技術，創建智能決策模式。

該方向主要包括以下研究內容:

(1)創建基于大數據、云計算、人工智能、超級計算、互聯網+、物聯網、區域鏈等現代信息技術，及智能終端、5G通訊等移動互聯通訊技術的現場監控、相似模擬、基礎試驗動態信息的統一語義、多向傳輸、實時共享互饋機制，具體創新相似模擬、基礎試驗設備，優化試驗系統，研發透視化實驗系統，集成創新“三位一體”煤及共伴生資源研究系統，深入研發的采集、傳輸、融合技術及配套裝備。

(2)發揮“三位一體”研究手段優勢，深度融合透視化地質保障信息，反演煤、鈾、油氣賦存條件，結合煤及共伴生資源開發工藝，開展多方案多情景下煤及共伴生資源協調開發，揭示煤鈾協調開采擾動流固介質應力場-裂隙場-滲流場-溶質化學反應輸運場多相多場耦合機理，構建多相多場耦合模型，揭示資源破壞性災害、環境污染型災害孕育機理及演化規律;揭示煤油氣協調開采擾動氣固液介質溫度場-應力場-化學場-裂隙場-滲流場-溶質輸運場多相多場耦合演化機理，構建溫度場、應力場、化學場耦合作用下孔隙介質、裂隙介質的裂隙、滲流、溶質輸運模型，揭示典型動力災害、滲流災害孕育發生機理及擴展演化規律。

(3)基于云技術的大數據深度學習煤、鈾、油氣不同地質賦存條件耦合不同開采工藝及開采情景的多相多場耦合演化機理與災害孕育演化規律，提出面向災變區域預測模型的全息全局學習方法，構建多相多場耦合信息、致災因素、災害前兆的多元信息數據庫和四維時空地理信息系統，形成具有推理能力、統一語義的災害信息庫。

(4)積極推進現場監測、相似模擬、智能仿真模擬、基礎實驗數據實時同步匯集、處理、分析，基于VR/AR技術創新集成煤及共伴生資源多相多場耦合機理及災害演化規律的四維虛擬仿真反演，為災源前兆信息感知，危險區域的隱患、風險、危險程度的智能評價和定級，及預警和解警信息的實時生成和發布提供保障。

4.3 精準協同開發方式與創新工藝工序

精準協同開發方式與創新工藝工序是保障煤及共伴生資源精準開采的關鍵。形成考慮煤及共伴生資源賦存環境、多相多場耦合機理與災害孕育演化規律、開拓開采工藝的煤及共伴生資源精準協調開發、生產管理、采后修復全生命周期標準指標及技術體系，指導煤、鈾、油氣共伴生資源協同開發科學規劃，深度融合互聯網、通訊網技術，滿足共伴生資源需求及環境負外部性容量。

該方向主要包括以下研究內容:

(1)煤及共伴生資源精準協調開發、生產管理、采后修復全生命周期標準指標及技術體系，具體研究精準協調開發方式判定標準，煤及共伴生資源生產管理模式確定指標，煤及共伴生資源退役礦井統一修復技術及標準。

(2)創新優化煤及共伴生資源開采工藝，煤、鈾、油氣開采布局方式，搭建鉆完井、巷道開拓布設方式智能決策系統。

(3)構建油氣藏產能甜點預測模型，儲層油氣富集區域動態產能權重分析模型，智能優化井型、井眼軌跡。

(4)研發以開采走廊為代表的共伴生協調開采手段，研究連續管智能鉆井理論與閉環控制方法，及分支井智能完井理論與動態調控方法。

4.4 多源海量動態參量智能監測與多網融合傳輸方法與技術裝備

多源海量動態參量智能監測與多網融合傳輸方法與技術裝備為煤及共伴生資源精準開采提供了安全保障。深度融合采礦科技進步并基于數字化、信息化、自動化，分析數字礦山與自動采礦、遙控采礦、礦山物聯網、感知礦山、智能采礦、智能礦山之間的聯系，加強多樣泛在傳感器的“礦山數字神經系統”搭建，礦山體征感知與監測系統研發，推進多網融合傳輸方法與技術裝備研制，實現煤及共伴生資源開發全息獲取，及復合災害動態前兆信息感知、危險區域圈定。

該方向主要包括以下研究內容:

(1)煤及共伴生資源采場及采動擾動影響區及災害前兆信息等信息采集高靈敏度傳感技術。

(2)煤及共伴生資源采場及采動擾動區監測數據組網布控關鍵技術及裝備。

(3)人機環參數全面采集、共網傳輸新方法，非接觸供電及多制式數據抗干擾高保真穩定傳輸技術。

(4)煤及共伴生資源災害前兆信息采集、解析及協同控制技術及裝備。

4.5 云計算海量數據深度挖掘與智能管控技術與裝備

云計算海量數據深度挖掘與智能管控技術與裝備為煤及共伴生資源精準開采提供智能決策和控制保障。突破多源異構數據融合與知識挖掘難題，創建面向煤礦開采及災害預警監測數據的共用快速分析模型與算法，助力實現對不同類型災害的多源、海量、動態信息的實時管控，為創新煤及共伴生資源安全開采及災害預警模式提供保障。

該方向主要包括以下研究內容:

(1)多源海量動態信息聚合、數據挖掘模型構建與更新。

(2)探索具有推理能力及語義一致性的多場耦合復合災害知識庫構建理論與方法，建立適用于區域性煤、鈾、油氣開采條件下災害前兆信息特征標量判定與提取。

(3)機器、管控系統深度學習煤、鈾、油氣災害煤及共伴生資源協調開采風險判識理論及方法，融合災害知識庫、管理經驗模型，進行災害自適應訓練。

(4)遠程可控的無人精準開采技術與裝備，采煤機自動調高、巡航及自動切割自主定位、煤巖界面與地質構造自動識別;智能鉆完井技術、智能連續管、閉環監控與管理技術;鉆完井、掘進事故預防診斷處理的人工智能系統。

4.6 互聯網+物聯網煤及共伴生資源協調開發災害預警與智能精準決策平臺

互聯網+物聯網煤及共伴生資源協調開發災害預警與智能精準決策平臺是實現煤及共伴生資源精準開采的剛性手段。該方向基于大數據深度挖掘學習理論，及面向災變區域預測模型的全息全局學習方法，掌握煤及共伴生資源協調開發復合災害致災因素的時空耦合特性及災變機理與災害事故的內在規律。構建災害多元信息數據倉庫和四維時空地理信息系統，對煤及共伴生資源災害可能涉及的危險區域進行快速辨識和動態圈定，利用多元數據融合理論，對圈定危險區域的隱患、風險、危險程度進行智能評價和定級。實現互聯網+物聯網煤及共伴生資源協調開發災害預警與智能精準決策平臺構建，保障煤及共伴生資源精準協調開發。

該方向主要包括以下研究內容:

(1)煤及共伴生資源典型動力災害、滲流災害等多相多場耦合災害的綜合、分項動態辨識技術及有效的現場/遠程監控預警系統平臺，開拓設計、運營管理、安全管理閉環控制技術及開發方案與應急方案/預案智能決策平臺。

(2)開發基于云計算機深度機器學習的區域性煤及共伴生資源復合災害風險智能判識技術，研究滿足煤及共伴生資源復合災害數據多源、海量、動態及實時特點且適用于區域煤及共伴生資源復合災害實時現場/遠程監控預警的云平臺架構技術。

(3)多相多場復合災害“災源”自動定位與識別技術、震動波場前兆信息自動識別技術、應力場實時反演及專家診斷系統高效運行與處理系統。

(4)基于閉環式循環往復持續優化技術，博納復合條件下開發方案、應急預案、決策模型及多專業部門協同工作經驗的智能精準決策平臺實時生成并發布預警和解警決策。

4.7 基于云技術的煤及共伴生資源智能礦山建設

基于云技術的煤及共伴生資源智能礦山建設是煤及共伴生資源精準協調開發的目標。充分發揮采礦、油氣、安全、機電、信息、計算機、互聯網、物聯網、現代通信等學科優勢，借力云計算、大數據、人工智能、超級計算、互聯網+、新材料、物聯網、區域鏈、5G通訊等先進科學的互聯網、通訊網技術，支撐基于煤及共伴生資源透視化地質保障的精準開發方案選取、井型/巷道優化、鉆完井/掘進、災害監控預警、科學決策的智能化，助力將煤及共伴生資源協調開發變成智能車間，實現未來煤及共伴生資源智能化少人(無人)安全開采。

5 展 望

煤及共伴生資源精準開采以創新具有透視功能的地球物理科學為支撐，“三位一體”科學研究方法為手段，深入研究煤及共伴生資源精準協調開發多相多場耦合機理及災害孕育演化規律，構建煤及共伴生資源精準開發的多相多場耦合理論模型，開發具有深度感知、執行、管控功能智能技術與裝備，實現煤及共伴生資源智能礦山構建，具體以精細地球物理勘探與透明礦山、大數據遠程可控的無人精準開采技術與裝備、基于云技術的智能礦山建設為技術導向進行具體實施，以能夠實現資源開發的效率最大化，實現資源開發的可持續性，實現科學技術功能的最大釋放，能夠實現人的勞動價值最高取向為目標，促進煤、鈾、油氣資源高效合理開采，滿足國家經濟發展對能源資源的持續性需求，為我國經濟發展社會建設做出貢獻。

隨著科技的發展，我國煤及共伴生資源精準開采技術水平將不斷提高。由于煤及共伴生資源精準開采研究現階段仍處于起步階段，能源資源工作者任重而道遠。煤及共伴生資源應聚焦精準協調開采與災害風險預警，進一步加大煤及共伴生資源科技創新力度，為實現科技強國夢做出貢獻。2025年，煤及共伴生資源精準開采取得階段性突破，2035年，煤及共伴生資源精準開采取得重大進展，2050年，全面實現煤及共伴生資源精準開采，助推中國能源科技強國夢！