走進中國煤炭科工集團西安研究院有限公司（以下簡稱西安研究院）煤礦災(zāi)害防控全國重點實驗室，一臺約半米高、宛如一座微型太空信號基站的裝置格外引人注目。

“這是宇宙射線繆子成像技術(shù)實驗裝置?！泵旱V災(zāi)害防控全國重點實驗室一位研發(fā)人員介紹，“它能對大型地下結(jié)構(gòu)進行無源、無損、超強穿透‘CT掃描’，目前已在煤礦采空區(qū)探測中初步應(yīng)用?！?/span>

這項源自宇宙粒子的前沿技術(shù)，如何對地下空間進行無侵入式“透視”，又如何破解復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦安全高效生產(chǎn)難題？近日，記者走進西安研究院，一探繆子成像技術(shù)的創(chuàng)新脈絡(luò)與實踐價值。

讓采空區(qū)和密度異常區(qū)清晰“顯影”

繆子是構(gòu)成宇宙世界的基本粒子之一，穿透能力強，可對目標體進行無接觸、深穿透、高精度、無損成像檢測?；诳娮舆@一特性，繆子成像技術(shù)在火山、冰川、活斷層探測和監(jiān)測等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

中國煤炭科工集團一級首席科學(xué)家董書寧形象比喻道：“可以想象一下，天上不停地下著穿透能力極強的‘宇宙粒子雨’。我們在煤礦井下巷道內(nèi)放置自主研發(fā)的繆子接收器，專門收集那些穿越了地層的‘雨點’，通過收集多個方向穿過來的‘雨點’，就能繪制一張地層‘密度地圖’，從而有效識別地層中的各類地質(zhì)空洞和人為采空區(qū)?！?/span>

隨著煤礦開采向深部延伸，隱蔽致災(zāi)因素精準探查需求日益迫切，急需一種新的有效探查手段。據(jù)西安研究院煤礦災(zāi)害防控全國重點實驗室副研究員郭小銘介紹，正是在此背景下，2021年初，西安研究院繆子成像技術(shù)研發(fā)工作正式啟動。

西安研究院煤礦災(zāi)害防控全國重點實驗室副研究員劉磊介紹，當前，繆子研究是粒子物理和多學(xué)科交叉應(yīng)用領(lǐng)域的重要探索方向?？娮犹綔y成像技術(shù)，通俗地講，就像用一道天然的宇宙“X光”對著地層深處“照”，通過掃描煤礦上方的巖層，讓那些看不見的采空區(qū)和密度異常區(qū)清晰地“顯影”出來。

2023年3月，第一代繆子成像技術(shù)設(shè)備研制工作完成，并在神木市鑫輪礦業(yè)有限公司進行了現(xiàn)場測試。

劉磊說，之所以將該公司作為重點試驗場，正是因為它集中體現(xiàn)了陜北地區(qū)整合型礦井的典型特征：前身由4座早期小煤礦合并而成，開采歷史交錯，邊界模糊，大量老窯采空區(qū)與空洞位置不明，地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。常規(guī)探測手段難以精準識別這些特征。

第二代設(shè)備于2023年7月初步成型后，他們開展了為期半年的密集測試與完善工作，于2024年完成全部測試。此次測試，成功探查到采空區(qū)位置及基本輪廓，具備了進一步推廣應(yīng)用的條件。

西安研究院煤炭地質(zhì)與瓦斯防治技術(shù)研究所副所長李延軍介紹：“早在2008年之前，陜北這一帶的小煤窯普遍采用落后的房柱式開采方式，采煤就像是老鼠打洞，隨意性強，資源回收率很低，當時設(shè)計的采出率為20%到30%。但通過我們后來應(yīng)用繆子成像技術(shù)探測后發(fā)現(xiàn)，實際開采量可能只有10%到20%。這意味著絕大部分煤炭資源仍遺留在老空區(qū)中，形成了大量可回收的殘余煤量?！?/span>

這些遺留采空區(qū)不僅造成資源浪費，還帶來多重安全隱患：地表裂縫導(dǎo)致空氣滲入，引發(fā)殘煤自然發(fā)火；雨水下滲形成老空水，突水風(fēng)險高；煤柱長期承壓可能失穩(wěn)，易誘發(fā)塌陷或礦震。

西安研究院煤炭地質(zhì)與瓦斯防治技術(shù)研究所研究員王海軍表示：“依靠傳統(tǒng)探測手段，往往難以精準識別采空區(qū)等多種復(fù)雜隱蔽致災(zāi)因素。而繆子成像技術(shù)能實現(xiàn)高密度成像，不僅可精準定位采空區(qū)位置，還能反演煤層頂板各巖層結(jié)構(gòu)分布，順帶查明采空區(qū)內(nèi)尚未開采的煤炭儲量?！?/span>

安裝在井下的繆子探測設(shè)備

生成采空區(qū)密度地圖

在神木市鑫輪礦業(yè)有限公司井下巷道深處，一臺貼著警示標簽的繆子探測設(shè)備正持續(xù)運行。幾根電纜從箱體引出，沿巷道壁延伸至地面數(shù)據(jù)終端?？娮犹綔y設(shè)備通過捕捉穿透巖層的繆子，記錄其在上下兩層探測板間的數(shù)量變化與軌跡偏移，經(jīng)后臺分析生成上覆地層的密度圖像。

隨著數(shù)據(jù)量的累計，一幅清晰的成像圖逐漸顯現(xiàn)：一條蜿蜒的低密度帶和一個邊界明確、形態(tài)規(guī)整的異常體（采空區(qū)）被準確識別。礦方依據(jù)該成像圖顯示的邊界位置，制定了鉆探方案。鉆頭在預(yù)定位置穿過頂板，順利進入采空區(qū)空腔，驗證了成像結(jié)果的準確性。

“把技術(shù)從實驗室搬到井下，一開始并不順利?！蔽靼惭芯吭何锾絻x器所所長張鵬回憶道。煤礦井下濕度高、伴有粉塵等，常導(dǎo)致設(shè)備死機，一度“水土不服”。

最初設(shè)計第一代設(shè)備時，團隊追求大探測面積，認為越大越好。但實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，體積過大帶來功耗高、散熱難等問題，反而增加了信號噪聲，影響測試效果。

“后來我們轉(zhuǎn)變思路，縮小繆子接收主板面積，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減小整體體積?！睆堸i比喻道，“就像從笨重的大砍刀，換成了靈巧精準的‘小李飛刀’。單臺設(shè)備探測能力雖有限，但通過多臺布設(shè)形成陣列，可擴大覆蓋范圍、提升響應(yīng)靈敏度?！毙⌒突O(shè)計不僅適應(yīng)井下狹窄空間，還增強了抗干擾能力和安裝靈活性。

為應(yīng)對惡劣環(huán)境，研發(fā)團隊在光學(xué)窗口加裝了氣密性良好的自動刮擦清潔裝置，定期清除積塵；增設(shè)多層電磁屏蔽環(huán)節(jié)，并改進信號處理板固件算法，有效識別并剔除干擾信號。

在實際工作中，他們應(yīng)用繆子成像技術(shù)成功探明了兩個存在水害隱患的采空區(qū)重點區(qū)域。工程人員對其中一處實施地面垂直鉆探，并結(jié)合激光三維掃描進行精細測繪。結(jié)果顯示，采空區(qū)的空間范圍、邊界和形態(tài)，與繆子成像結(jié)果基本一致，充分驗證了技術(shù)的可靠性。

“我們將繆子成像結(jié)果與鉆探、地震、電磁法等傳統(tǒng)手段反復(fù)交叉驗證，嘗試找到一個集性能、穩(wěn)定性與實用性于一體的‘黃金結(jié)合點’?！睆堸i說。

“有了這項技術(shù)，我們探查老空水害就有了‘火眼金睛’。”神木市鑫輪礦業(yè)有限公司負責(zé)人李國營表示，“它能利用現(xiàn)有巷道直接探測上覆地層密度差異，清晰刻畫采空區(qū)結(jié)構(gòu)與邊界。以前可能打3個到5個鉆孔都找不到目標，現(xiàn)在只需打1個鉆孔就能精準驗證?！?/span>

據(jù)測算，在神木市鑫輪礦業(yè)有限公司，采用傳統(tǒng)地球物理方法探測1平方公里的成本通常高達數(shù)十萬元，且受地質(zhì)條件影響波動較大。而應(yīng)用繆子成像技術(shù)后，該公司在顯著提升探測精度和可靠性的同時，降低整體成本五分之一至六分之一，有效減少了鉆探工程量、人力投入，縮短了作業(yè)周期。

開發(fā)繆子機器人

為了讓繆子成像技術(shù)好用、耐用、用得起，研發(fā)團隊正在開發(fā)自動化數(shù)據(jù)采集和繆子機器人，實現(xiàn)“一鍵成像”。他們進一步優(yōu)化算法，將成像時間從數(shù)月縮短到數(shù)周甚至數(shù)天。

未來，研發(fā)團隊將把繆子成像設(shè)備與機器人集成，實現(xiàn)井下探測施工的遠程操控——職工在地面就能遙控機器人完成作業(yè)。

張鵬解釋道：“測量一個工作面的時間和埋深有關(guān)，比如陜北地區(qū)煤層普遍埋深在300米左右，監(jiān)測5天到7天就能形成一個初步的數(shù)據(jù)結(jié)論。隨著時間的累積，數(shù)據(jù)結(jié)論會越來越清楚。以設(shè)備的接收板為中心，工作面上方乃至一定角度發(fā)散的圓錐體地貌密度都可以被清晰地探查出來?！?/span>

繆子成像機器人不是一項單兵作戰(zhàn)的技術(shù)裝備。張鵬將井下災(zāi)害探查比作去醫(yī)院看病，需多項檢查結(jié)合起來，最終才能形成一個準確的診斷。因此，礦井應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)環(huán)境和常見災(zāi)害類型，進行探測技術(shù)的搭配和選擇，如彈性波探測、電磁法探測等。

李國營說：“繆子是一個看不見摸不著的事物。一開始我的確有些顧慮，但是后來收到了預(yù)期效果，周邊的很多煤礦也都很感興趣。下一步，我們會提供繆子成像技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗，讓大家都嘗到技術(shù)創(chuàng)新的甜頭?！?/span>

董書寧表示，井下繆子機器人未來的發(fā)展方向是實現(xiàn)智能診斷。研發(fā)團隊計劃研發(fā)專為礦井設(shè)計的“繆子地質(zhì)醫(yī)生”系統(tǒng)，在完成探測任務(wù)的基礎(chǔ)上，自動預(yù)測采空區(qū)邊界及其積水量，并實時構(gòu)建基于繆子成像技術(shù)的動態(tài)地質(zhì)模型。

“未來的核心任務(wù)，是推動繆子成像技術(shù)與透明礦山數(shù)字孿生系統(tǒng)深度融合，使繆子成像技術(shù)生成的三維密度模型不再孤立存在，而是作為關(guān)鍵數(shù)據(jù)層，與物探、鉆探等技術(shù)的多元數(shù)據(jù)融合，無縫接入礦山數(shù)據(jù)平臺，為智能開采與災(zāi)害預(yù)警提供統(tǒng)一、可靠的數(shù)據(jù)底座?！倍瓡鴮帍娬{(diào)。

此外，研發(fā)團隊將重點攻關(guān)面向特定災(zāi)害場景的專用算法體系，特別是針對采空區(qū)積水及其水量的精準識別算法。通過分析不同區(qū)域物質(zhì)密度的細微差異及其動態(tài)演化規(guī)律，應(yīng)用繆子成像技術(shù)將能夠直接識別煤層火燒區(qū)的燃燒邊界，并間接推斷瓦斯聚積異常區(qū)，從而進一步拓展其在煤礦重大災(zāi)害防控中的應(yīng)用范圍。

作者：杜明陽 版面編輯：王世雅

編輯

來源：中國煤炭報

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請讀者僅作參考，并自行核實相關(guān)內(nèi)容。若對該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。