让缪子“照见”煤矿隐蔽致灾因素

走进中国煤炭科工集团西安研究院有限公司（以下简称西安研究院）煤矿灾害防控全国重点实验室，一台约半米高、宛如一座微型太空信号基站的装置格外引人注目。

“这是宇宙射线缪子成像技术实验装置。”煤矿灾害防控全国重点实验室一位研发人员介绍，“它能对大型地下结构进行无源、无损、超强穿透‘CT扫描’，目前已在煤矿采空区探测中初步应用。”

这项源自宇宙粒子的前沿技术，如何对地下空间进行无侵入式“透视”，又如何破解复杂地质条件下煤矿安全高效生产难题？近日，记者走进西安研究院，一探缪子成像技术的创新脉络与实践价值。

让采空区和密度异常区清晰“显影”

缪子是构成宇宙世界的基本粒子之一，穿透能力强，可对目标体进行无接触、深穿透、高精度、无损成像检测。基于缪子这一特性，缪子成像技术在火山、冰川、活断层探测和监测等领域得到应用。

中国煤炭科工集团一级首席科学家董书宁形象比喻道：“可以想象一下，天上不停地下着穿透能力极强的‘宇宙粒子雨’。我们在煤矿井下巷道内放置自主研发的缪子接收器，专门收集那些穿越了地层的‘雨点’，通过收集多个方向穿过来的‘雨点’，就能绘制一张地层‘密度地图’，从而有效识别地层中的各类地质空洞和人为采空区。”

随着煤矿开采向深部延伸，隐蔽致灾因素精准探查需求日益迫切，急需一种新的有效探查手段。据西安研究院煤矿灾害防控全国重点实验室副研究员郭小铭介绍，正是在此背景下，2021年初，西安研究院缪子成像技术研发工作正式启动。

西安研究院煤矿灾害防控全国重点实验室副研究员刘磊介绍，当前，缪子研究是粒子物理和多学科交叉应用领域的重要探索方向。缪子探测成像技术，通俗地讲，就像用一道天然的宇宙“X光”对着地层深处“照”，通过扫描煤矿上方的岩层，让那些看不见的采空区和密度异常区清晰地“显影”出来。

2023年3月，第一代缪子成像技术设备研制工作完成，并在神木市鑫轮矿业有限公司进行了现场测试。

刘磊说，之所以将该公司作为重点试验场，正是因为它集中体现了陕北地区整合型矿井的典型特征：前身由4座早期小煤矿合并而成，开采历史交错，边界模糊，大量老窑采空区与空洞位置不明，地下空间结构复杂。常规探测手段难以精准识别这些特征。

第二代设备于2023年7月初步成型后，他们开展了为期半年的密集测试与完善工作，于2024年完成全部测试。此次测试，成功探查到采空区位置及基本轮廓，具备了进一步推广应用的条件。

西安研究院煤炭地质与瓦斯防治技术研究所副所长李延军介绍：“早在2008年之前，陕北这一带的小煤窑普遍采用落后的房柱式开采方式，采煤就像是老鼠打洞，随意性强，资源回收率很低，当时设计的采出率为20%到30%。但通过我们后来应用缪子成像技术探测后发现，实际开采量可能只有10%到20%。这意味着绝大部分煤炭资源仍遗留在老空区中，形成了大量可回收的残余煤量。”

这些遗留采空区不仅造成资源浪费，还带来多重安全隐患：地表裂缝导致空气渗入，引发残煤自然发火；雨水下渗形成老空水，突水风险高；煤柱长期承压可能失稳，易诱发塌陷或矿震。

西安研究院煤炭地质与瓦斯防治技术研究所研究员王海军表示：“依靠传统探测手段，往往难以精准识别采空区等多种复杂隐蔽致灾因素。而缪子成像技术能实现高密度成像，不仅可精准定位采空区位置，还能反演煤层顶板各岩层结构分布，顺带查明采空区内尚未开采的煤炭储量。”

安装在井下的缪子探测设备

生成采空区密度地图

在神木市鑫轮矿业有限公司井下巷道深处，一台贴着警示标签的缪子探测设备正持续运行。几根电缆从箱体引出，沿巷道壁延伸至地面数据终端。缪子探测设备通过捕捉穿透岩层的缪子，记录其在上下两层探测板间的数量变化与轨迹偏移，经后台分析生成上覆地层的密度图像。

随着数据量的累计，一幅清晰的成像图逐渐显现：一条蜿蜒的低密度带和一个边界明确、形态规整的异常体（采空区）被准确识别。矿方依据该成像图显示的边界位置，制定了钻探方案。钻头在预定位置穿过顶板，顺利进入采空区空腔，验证了成像结果的准确性。

“把技术从实验室搬到井下，一开始并不顺利。”西安研究院物探仪器所所长张鹏回忆道。煤矿井下湿度高、伴有粉尘等，常导致设备死机，一度“水土不服”。

最初设计第一代设备时，团队追求大探测面积，认为越大越好。但实际应用中发现，体积过大带来功耗高、散热难等问题，反而增加了信号噪声，影响测试效果。

“后来我们转变思路，缩小缪子接收主板面积，优化结构，减小整体体积。”张鹏比喻道，“就像从笨重的大砍刀，换成了灵巧精准的‘小李飞刀’。单台设备探测能力虽有限，但通过多台布设形成阵列，可扩大覆盖范围、提升响应灵敏度。”小型化设计不仅适应井下狭窄空间，还增强了抗干扰能力和安装灵活性。

为应对恶劣环境，研发团队在光学窗口加装了气密性良好的自动刮擦清洁装置，定期清除积尘；增设多层电磁屏蔽环节，并改进信号处理板固件算法，有效识别并剔除干扰信号。

在实际工作中，他们应用缪子成像技术成功探明了两个存在水害隐患的采空区重点区域。工程人员对其中一处实施地面垂直钻探，并结合激光三维扫描进行精细测绘。结果显示，采空区的空间范围、边界和形态，与缪子成像结果基本一致，充分验证了技术的可靠性。

“我们将缪子成像结果与钻探、地震、电磁法等传统手段反复交叉验证，尝试找到一个集性能、稳定性与实用性于一体的‘黄金结合点’。”张鹏说。

“有了这项技术，我们探查老空水害就有了‘火眼金睛’。”神木市鑫轮矿业有限公司负责人李国营表示，“它能利用现有巷道直接探测上覆地层密度差异，清晰刻画采空区结构与边界。以前可能打3个到5个钻孔都找不到目标，现在只需打1个钻孔就能精准验证。”

据测算，在神木市鑫轮矿业有限公司，采用传统地球物理方法探测1平方公里的成本通常高达数十万元，且受地质条件影响波动较大。而应用缪子成像技术后，该公司在显著提升探测精度和可靠性的同时，降低整体成本五分之一至六分之一，有效减少了钻探工程量、人力投入，缩短了作业周期。

开发缪子机器人

为了让缪子成像技术好用、耐用、用得起，研发团队正在开发自动化数据采集和缪子机器人，实现“一键成像”。他们进一步优化算法，将成像时间从数月缩短到数周甚至数天。

未来，研发团队将把缪子成像设备与机器人集成，实现井下探测施工的远程操控——职工在地面就能遥控机器人完成作业。

张鹏解释道：“测量一个工作面的时间和埋深有关，比如陕北地区煤层普遍埋深在300米左右，监测5天到7天就能形成一个初步的数据结论。随着时间的累积，数据结论会越来越清楚。以设备的接收板为中心，工作面上方乃至一定角度发散的圆锥体地貌密度都可以被清晰地探查出来。”

缪子成像机器人不是一项单兵作战的技术装备。张鹏将井下灾害探查比作去医院看病，需多项检查结合起来，最终才能形成一个准确的诊断。因此，矿井应根据实际生产环境和常见灾害类型，进行探测技术的搭配和选择，如弹性波探测、电磁法探测等。

李国营说：“缪子是一个看不见摸不着的事物。一开始我的确有些顾虑，但是后来收到了预期效果，周边的很多煤矿也都很感兴趣。下一步，我们会提供缪子成像技术应用经验，让大家都尝到技术创新的甜头。”

董书宁表示，井下缪子机器人未来的发展方向是实现智能诊断。研发团队计划研发专为矿井设计的“缪子地质医生”系统，在完成探测任务的基础上，自动预测采空区边界及其积水量，并实时构建基于缪子成像技术的动态地质模型。

“未来的核心任务，是推动缪子成像技术与透明矿山数字孪生系统深度融合，使缪子成像技术生成的三维密度模型不再孤立存在，而是作为关键数据层，与物探、钻探等技术的多元数据融合，无缝接入矿山数据平台，为智能开采与灾害预警提供统一、可靠的数据底座。”董书宁强调。

此外，研发团队将重点攻关面向特定灾害场景的专用算法体系，特别是针对采空区积水及其水量的精准识别算法。通过分析不同区域物质密度的细微差异及其动态演化规律，应用缪子成像技术将能够直接识别煤层火烧区的燃烧边界，并间接推断瓦斯聚积异常区，从而进一步拓展其在煤矿重大灾害防控中的应用范围。

作者：杜明阳 版面编辑：王世雅

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来源：中国煤炭报

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