数字孪生技术“算清”井下地应力，怎么做到的？

2025年06月27日 16:43 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

语音播报

点击播放

END

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊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。

《智能矿山》

Journal of Intelligent Mine

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。

主编：王国法院士

投稿网址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

联系人：李编辑 010-87986441

往期荐读

往期特刊

中国煤科特刊

陕煤集团特刊

神东专栏

重大进展特刊

露天矿特刊

理事单位特刊

红柳林煤矿特刊

创新技术特刊

创刊号

本刊对已出版文章持有电子版、网络版及进行网络技术交流和与各网络数据库合作的权利，稿酬一次性付清，版权归本刊与作者共同所有，如不同意，请在投稿时声明。

数字孪生技术研发及应用专题 >

RECOMMEND

中煤榆林能源总经理李自雄：基于数字孪生的煤层自适应开采截割路径规划系统研发与应用

上海煤科信息公司总经理闫东：综掘工作面数字孪生集控系统研发与应用

中国煤科重庆研究院秦怡副研究员：基于数字孪生的煤矿自动钻机远程交互系统研发与应用

数字孪生技术研发及应用专题

中煤榆林能源总经理李自雄：基于数字孪生的煤层自适应开采截割路径规划系统研发与应用

上海煤科信息公司总经理闫东：综掘工作面数字孪生集控系统研发与应用

中国煤科重庆研究院秦怡副研究员：基于数字孪生的煤矿自动钻机远程交互系统研发与应用

在日前举行的第50届日内瓦国际发明展上，中国矿业大学安全工程学院教授杨威带领团队研发的“矿山全时空地应力场同化孪生技术”，从全球40个国家和地区的1000多个参赛项目中脱颖而出，荣获发明金奖。

这项技术有何创新之处，在矿山动力灾害精准预测方面取得了哪些成效？近日，记者来到中国矿业大学，走近杨威及其团队，一探究竟。

科研不是“空对空”

锚定一线需求搞研究

2004年，杨威考入中国矿业大学就读安全工程专业，开始本科阶段的学习。他以优异的成绩获得了直博资格，师从中国矿业大学教授、矿山安全专家林柏泉，开启了瓦斯灾害防治研究之路。

“不管在生活上还是科研上，林老师对我的影响都是终生的。”杨威说。

2009年初，杨威跟随林柏泉到陕煤集团韩城矿业公司实地考察煤矿，并进行项目洽谈。初次下井，面对高温高湿环境，他切身感受到煤炭行业的艰苦，也深刻认识到林柏泉所说的“科研不是‘空对空’，而是应当落到实处，来自工程实际”这句话的分量。

从攻读博士起，杨威常在矿区开展瓦斯防治研究，并在矿区推广松软煤层水力压裂钻孔失稳分析及固化成孔方法、采煤工作面“爆注”一体化防突理论与技术。

“这些丰富的现场实践经历，不仅令我对矿区地质条件更加熟悉，还让我与煤矿企业建立了信任，为后续的技术推广奠定了基础。”杨威回忆道。

2013年博士毕业后，杨威留校，专注于煤矿瓦斯防治研究。他曾担任本科生班主任，通过与学生互动，激发了他们对煤矿安全工作的兴趣，部分学生日后加入了他的团队。

开展瓦斯防治研究，地应力是绕不开的话题。地应力和瓦斯压力、煤体强度一样，是引发煤与瓦斯突出的主要因素之一。正如空气的压力、水的压力一样，岩层内也会产生压力，即地应力。

地应力有显著的方向性，大范围探测难度大且效率低，绘制全矿井大尺度应力场分布图更是行业难题。

我国地应力测量技术起步于20世纪四五十年代，1970年以后得到了快速发展。但传统地应力测量技术都是针对某一个点，测试周期长、精度低，而且测试结果仅针对某一时刻某一状态，很难跟踪采掘空间应力场动态变化情况，更难以用于指导防治煤与瓦斯突出工作。

2019年6月，杨威赴美国科罗拉多矿业大学访学。他了解到，可以通过数据采集和模型模拟，推理演化出山体滑坡灾害的全过程，进而进行准确的灾害预报。

既然可以用数值模拟推断山体运动，那么是否可以利用相似方法对矿山地下介质地应力分布情况进行预测呢？在这个想法的启发下，杨威的课题有了新的研究思路。

绘地应力“高清肖像”

画矿山“安全地图”

在我国，许多煤矿面临深部开采挑战。随着开采深度增加，地应力随之增大，给煤矿安全生产带来更大威胁。

“在深部开采过程中，一些煤矿如果仍然按照浅部开采的思维去考虑问题，忽视高应力、高地温、高瓦斯压力等复杂条件，不及时更新灾害治理技术和安全管理措施，极易引发安全事故。”杨威说。

杨威（右一）在给学生讲解矿山应力场数字孪生与灾害风险预警系统

2021年上半年，杨威团队与韩城矿业公司联合组建矿井地应力场分布规律科研攻坚小组，针对桑树坪煤矿开展韩城矿区全时空采掘应力场同化反演技术研究。

桑树坪煤矿位于渭北煤田韩城矿区最北端，是我国典型的煤与瓦斯突出矿井。1994年至2000年，随着煤层埋深增加，桑树坪煤矿煤层应力逐渐增大，透气性逐渐降低，煤层瓦斯压力增大，导致突出次数迅速增加。

“在煤与瓦斯防治工作中，单一采煤工作面地应力转移情况可以大致推断，但多个采煤工作面交织时，地应力如何转移？具体转移距离是多少？地应力峰值是多少？这就难以准确描述了，只能靠计算机来计算。”杨威解释道。

杨威团队提出，利用数字孪生技术解决矿井应力场分布规律不明确的难题，即通过建立大尺度矿井数字计算模型，基于实测数据实现数字模型的同化，反演获得全矿井应力分布规律。

要准确获得矿井等比例数字模型，先要准确分析地质资料。桑树坪煤矿从建设初期到现在，有几十年的开采历程，涉及几十个工作面。对此，杨威团队在数字孪生建模计算时需要高精度还原开采全过程。

中国矿业大学博士研究生、杨威团队成员王文元说：“建模需要收集大量资料，包括矿井采煤工作面布置、采掘接续、煤层底板等重要信息。这些信息大部分需要我们从煤矿提供的20多年的纸质资料中提取，有时还需要找已经退了休的员工了解当年采煤工作面的情况，并对大量数据进行整理分析，工作量相当大。”

煤岩体的非均质性和不连续性是杨威团队遇到的一大挑战：如果直接将实验室测得的煤岩力学参数作为数字计算模型输入参数，最终结果往往与工程现场实际情况存在显著偏差。

为解决上述问题，杨威提出了基于现场实测数据的模型参数同化方法，即结合现场实际测试结果，修改数字模型的各类参数，使得数字模型中的位移及应力分布规律与现场实测值接近，实现模型同化，提高数字模型计算结果的准确性。

通过分析矿井地质资料、采掘接续顺序以及对地应力反复测量验证，课题组终于建成桑树坪煤矿全矿井等比例数字孪生模型，准确还原煤层、岩层、地表、地质构造等的分布特征，并绘制了首张全矿井“地应力—瓦斯”综合等值线图。

杨威（左一）与韩城矿业公司相关技术人员一起研讨应力场数字孪生关键技术

中国矿业大学副教授、杨威团队成员刘统说：“当模型报错时，往往需要基于多源数据进行深入分析，必要时需深入煤矿现场实测数据，对各种参数进行反复验证和调整，有时需要连续一两个月待在矿上。”

助力10余处大型矿山

实现安全高效开采

如今，杨威团队研发的矿山全时空地应力场同化孪生技术，已应用于陕西韩城、河南平顶山等地10余处大型矿山，显著降低了瓦斯突出等动力灾害风险。

目前，该技术已获得中国发明专利12件，美国、日本等国家发明专利2件。

据杨威介绍，全矿井“地应力—瓦斯”综合等值线图具有重要作用。一方面，它能清晰展示矿井应力分布，助力矿方科学布置采煤工作面，精准识别高风险区域，进而强化采掘安全。另一方面，它可作为未来开采规划的关键工具，提供前瞻性建议，如确定资源开采顺序和方向等。合理的开采方向布局可有效降低突出风险概率达40%。

“截至目前，桑树坪煤矿4322工作面、3317工作面、3315工作面回采工作已顺利结束。在回采期间，我们能够根据这项技术的预测结论，提前进行规划，及时采取措施，未发生突出事故。接下来，我们将在3313工作面继续沿用这一技术结论。”韩城矿业公司通风管理部部长巨万民表示。

杨威团队整合了在实验室及计算机模拟中产生的数据，并附上相应的简要解释，构建了一个详尽的数据库。同时，他们创建了智能分析模型。该模型能够直接将现场测试数据导入分析，实现应力场孪生反演和突出风险透明预测，从而为未来采掘部署提供依据。

桑树坪煤矿全时空应力场分布与灾害防控示意图

桑树坪煤矿通风管理部部长梁宇枫指出：“我们利用这项技术分析得出的原岩应力场分布规律及突出危险区域预测和划分结论，对今后3年至5年的采掘接续安排具有指导意义。”

韩城矿业公司党委书记、董事长吴杰表示：“数字孪生模型不仅能够反演过去，还能预测未来采掘应力场变化规律。将地应力与传统的瓦斯地质图相结合，可以为防突工作提供更详尽的数据资料，为韩城矿业公司煤与瓦斯突出精准防治提供新的‘作战图’。”

“下一步，我们将聚焦三大方向开展研究。”杨威说，一是提升自动建模和智能解算的水平，自适应构建高精度和强鲁棒性的数字孪生模型；二是致力于研发煤体力学参数和应力分布随钻测试装备，利用随钻测试数据对模型进行实时同化仿真，实现采掘过程突出风险的实时测试和孪生反演；三是构建突出风险预警云平台，实现煤矿动力灾害风险的实时动态展示和超前预测预报。

来源：中国煤炭报