数字岩石力学专题┃杨冠宇博士：数字岩心技术在煤矿领域的发展与应用（煤科总院深地科学院）

　　目前数字岩心技术存在已有数据价值未充分的利用、深度赋能与资产化程度低、数据与矿山建设需求不匹配等问题。煤炭行业应构建煤矿数字岩心库，推动工程化应用，在应用方面助力分析煤岩微观结构、模拟流体流动等；在透明地质领域建立三维透明地质模型；在采矿工程里可探究动力灾害孕育机制，指导灾害防治，实现数据标准化采集、结构化存储和知识关联挖掘。

　　作者简介：杨冠宇，博士，现任煤炭科学研究总院深地科学院实验与物性所所长，主要是做数字岩心、煤岩心关键参量无损推断的相关研究工作。E-mail：y

　　引用格式：杨冠宇，靳子越，李海涛，等. 数字岩心技术在煤矿领域的发展与应用[J].智能矿山，2025，6(3)：38-43.

　　岩心是描述地下岩石特征最直观的资料之一，为矿井三维模型构建、地下结构探测等透明矿山提供了关键性的参考数据。数字岩心是近年兴起的岩心物性分析与深度利用的基础技术，基于二维扫描电镜图像或三维CT扫描图像，运用计算机图像处理技术完成数字岩心重构，将物理岩心内部结构以高分辨率的数字形式再现。数字岩心技术可准确反映岩石几何形态，并可获取内部物理和力学特性，为地质分析和工程设计提供更精确的数据支持。

　　数字岩心技术体系涵盖岩心采集、三维重建、参数提取和模拟仿真的所有的环节，最重要的包含以下5个步骤，数字岩心技术体系如图1所示。

　　钻孔取心是数字岩心技术的起点。通过钻井设备从地下获取岩心样品，全程数字化记录取样过程，为后续岩心全要素数据数字化处理与标准化管理奠定基础。

　　充分采集岩心样品内部信息，获取岩心全部物性信息。数字岩心技术采用扫描电镜（SEM）、计算机断层扫描（CT）和核磁共振成像（NMR）核心技术，最常用的为CT扫描获得微米级分辨率的岩心内部结构。通过图像处理软件，将扫描数据转化为详细的三维模型，反映岩石内部结构和矿物分布。数字岩心的关键技术装备如图2所示。

　　深度分析数字岩心提取关键的物性力学参数，包括孔隙度、渗透率、弹性模量等。AI分析数字岩心数据可减少人为因素对参数提取结果的影响，提高参数提取效率和精度，基于深度学习的裂缝提取算法，实现了95%以上的煤岩CT扫描图像细观裂缝识别，煤岩物理力学参量智能识别如图3所示。

　　数字岩心模型直接转换为数值计算模型，在不同环境和受力条件下模拟与仿真数字岩心模型，分析岩石在不同应力条件下的力学特性；模拟瓦斯、水等流体在煤岩中吸附、解析与渗流机理等，为矿井设计和安全评估提供参考数据。有限元网格化划分数字岩心CT扫描图像像素点/体素点，构建二维/三维有限元煤岩模型，还原真实细观结构空间分布特征，提高数值模拟结果的准确度，数字岩心有限元模型构建方法如图4所示。

　　采用透明3D打印技术或虚拟现实等技术，物理还原数字岩心模型，直观展示数字岩心内部组分与结构；借助砂石/石膏等类岩石材料的煤岩3D打印还原煤岩中的真实物理力学属性，实现重复性岩石力学的实验。数字岩心技术可获得岩石内部不一样的材料与介质的空间分布和结构，精准量化数据提高了岩石力学数值模拟准确度。

　　煤岩物理力学参数是描述煤岩力学性质的重要指标，包括密度、厚度、弹模、泊松比、抗压强度等，主要由煤岩组成物质的特征及其富含的孔隙裂缝结构决定。跨尺度、多功能、高精度的数字岩心采集与实验系统，从微观尺度精确表征煤岩心物性特征，定量研究微观结构与组分对煤岩物理力学属性的影响，数字岩心采集与实验系统如图5所示。数字岩心技术在岩石力学研究方向的应用最重要的包含4个方面。

　　（1）数字岩心技术可分析煤岩微观结构，从孔隙多级性、网络特性、连通性、自相似性等角度表征煤岩的孔隙结构，揭示煤层气赋存运移机理，为高效抽采利用提供理论支撑。

　　（2）通过数字岩心技术获取高精度三维模型，准确模拟流体在煤层中的流动过程，基于CT扫描等数字岩心技术分析研究区内岩溶发育结构特征，研究岩溶水介质的水力参数和渗透性，并考虑岩溶含水介质静态因素和动态因素，运用模糊评价法确定岩溶水系统径流区优势渗流通道，基于数字岩心的煤岩流场模拟如图6所示。

　　（3）在深部开采过程中，由于“三高一扰动”的地质工况导致岩石的物性、结构、力学性质和工程响应均发生明显的变化，深部岩土工程灾害频发，通过对岩石压缩破坏过程实时CT扫描及岩石破坏断口SEM电镜扫描，探究了岩石内部裂纹扩展演化规律，建立了考虑细观裂纹扩展的岩石蠕变本构模型。

　　（4）无损推断方法是高效快速全面辨识煤岩物理力学性质的手段。煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院（简称深地科学院）提出的基于数字岩心的物理力学无损推断技术路径，通过建立目标参数与间接无损测试指标间的复杂关联模型，进而基于新的无损测试指标和关联模型，无损推断出煤岩的各物理力学参数。数字岩心技术能模拟和预测煤岩在不同应力条件下的力学行为，揭示其宏观力学特性与微观结构之间的关系，基于CT扫描的煤岩物理力学参数无损推断如图7所示。

　　通过分析岩石孔隙结构、矿物组成和微观裂缝，揭示岩石特性并提供地球历史信息。透明矿井技术目前实现了采掘地质透明，数字矿山需还原井下煤岩属性、工程力学行为层面的物理透明。

　　深地科学院基于AI算法，开发了煤岩物理力学参量工程展布技术，建立地层连续物理力学参量已知的三维透明地质模型，以双能CT为代表的精密实验仪器搭建到各类工业场景，灵活匹配工程现场的物理力学测试需求，结合数字岩心无损推断技术，实现煤岩多维度物性参量的近井场快速判定。

　　研究煤岩物理力学参量工程展布技术，将离散、小尺寸岩心近场扫描煤岩物性结果，扩展成连续、工程尺度的地下空间多维数据，打通几何透明和工程力学行为物理透明之间的关键卡点，明确煤岩物理力学参数在工程场景下的真实分布情况，为煤炭灾害的治灾决策制定提供重要的数据支撑，数字岩心技术赋能透明矿井如图8所示。

　　受地质运动影响，地下煤岩体中天然赋存大量多尺度孔隙、裂缝、断层多种缺陷结构；随着人为开采行为的增加，煤岩受力情况出现变化，缺陷结构中孔隙、裂缝等结构发生明显的变化和发展，造成地下大结构的失稳和破坏，甚至引发矿山动力灾害。

　　数字岩心技术分析煤岩内部结构、裂缝演化规律，以及外力作用下的动态响应，通过捕捉煤岩受力过程的裂缝发育规律，探究煤岩动力灾害的孕育机制，为煤矿安全开采与灾害防治提供强有力的理论支撑。

　　针对煤岩CT裂缝高精度识别问题，基于深度学习理论构建多尺度融合煤岩裂缝提取网络模型，得到了实际巷道围岩钻孔裂缝分布范围，并据此确定了具体封孔注浆范围，提升了煤层气抽采效率。

　　基于数字岩心技术以应力流作为煤岩体变形、破坏等行为描述指标，论证了应力流与岩体的开裂破坏的内在相关性，提出了面向于过程的煤矿冲击地压防控工作提供较为可靠的量化工具，为实现冲击地压“一矿一策”的差异化防控目标提供重要参考。

　　目前，数字岩心针对煤矿开采过程的支撑作用与示例仍有待进一步探讨和完善，特别是面向煤炭开采过程中的采动应力的重新分布及不一样的种类动力灾害的防治，仍处于探索阶段。通过数字岩心技术分析地下空间煤岩物性因素，尤其是物理力学参数、冲击倾向性等煤岩固有属性的获取与深度分析，是数字岩心赋能采矿工程实践的必经之路。

　　数字岩心技术作为近年来新兴的技术，目前主要在实验室条件下使用，在煤矿工程现场开展了部分测试应用，仍存在煤岩心数字化采集与综合利用水平较低、岩心数据信息利用不充分与数据分析环节依据不足等问题，大多数表现在3个方面。

　　现有煤岩心数据数字资源属性被严重低估。煤岩物性、结构和力学行为信息是制定实施工程的方案、设计措施参数的关键依据，也是科研院所基础研究的数据基础。但是，煤矿不具有测试煤岩属性参数的能力，科研院所研究所需数据量大且不易获取，由此，综合导致了煤岩心数据获取的时间和经济成本均较高，各单位存在数据共享障碍，造成同一矿井同一区域多方重复测试的状况。

　　煤矿企业和科研院所在事实上已拥有了大量的煤岩心数据，但因未能实现统一管理，数据格式多样、存储媒介不同，大量数据在服务完对应项目后即被置之不用，缺乏对上述数据深度挖掘、有效利用。由于缺乏平台、数据保密等问题，不同渠道的数据问题难以交流互通，已有数据存在共享障碍，造成在海量数据挖掘时单一机构数据体量较为有限。煤炭领域内对于数字煤岩心的利用缺乏标准化，缺少对数字岩心多维数据标准化采集、深度挖掘等功能的煤矿数字岩心综合利用体系。

　　数字岩心技术通过高精度的扫描和成像技术，获取煤岩细观结构和物性参数，解析不同应力条件下的力学响应，准确预测煤岩的力学行为。数字岩心技术生成的大量高精度数据满足了现代煤矿管理和工程设计对数据驱动决策的需求，解决了传统钻孔柱状图数据有限、描述精度不足的问题。数字岩心技术在煤矿领域的发展与应用具有广阔的前景和潜力，以数字岩心库为载体的煤矿数字岩心工程化应用方案解决了多个痛点。

　　煤炭领域应打造专属煤矿数字岩心库，具有信息标准化采集、数据结构化存储、知识关联性挖掘等功能，有效地解决煤岩物性、结构、力学行为等基础信息碎片化程度高、大量已有煤岩心数据价值被严重浪费等煤炭领域客户关注的共性问题，为煤矿数字化转型和智能化建设提供大体量、高质量的基础岩心数据。

　　煤炭行业围绕岩心数字化采集与综合利用提出了多部行业与团体标准，打通岩心的图像、矿物成分、地质信息及物性参数等数字化技术路径，推动岩心数据的更好共享利用，煤岩多维参量标准化采集及煤矿数字岩心库体系如图9所示。

　　（1）煤炭行业未来形成一套煤矿全新的工作模式，以实现煤岩物理力学参数工程现场测试与快速分析为目标，通过数字岩心全流程全要素采集与智能分析，打造以数据资产化、知识产品化为核心的全新产业链条，实现地下工程现场全空间、全要素透明化，支持矿井生产系统全周期高可靠性设计、地下复杂工程行为预测、数字采矿等具体场景，赋能煤矿智能化防灾减灾，推进信息化智能化与地下资源开采的深度融合。

　　（2）数字岩心技术在煤矿领域具有广阔前景和巨大潜力。煤炭行业应专注于建设煤矿数字岩心库并使数字岩心工程化成为常态，以实现信息的标准化采集、数据的结构化存储以及知识的关联挖掘，解决煤岩物性、结构、力学行为等基础信息的碎片化问题，并充分的利用已有的煤岩心数据，为煤矿的数字化转型和智能化建设提供高质量的基础数据支撑。

　　煤科总院出版传媒集团成立于2015年，拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

　　月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦矿山智能化领域产学研用新进展的综合性技术刊物。

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