隨著礦山開采持續(xù)向深部延伸，高地應(yīng)力、復(fù)雜構(gòu)造與強(qiáng)采動擾動相互疊加，沖擊地壓、頂板失穩(wěn)等動力災(zāi)害風(fēng)險日益突出，嚴(yán)重制約了礦井安全高效生產(chǎn)。由于無法精準(zhǔn)鎖定應(yīng)力集中區(qū)、瓦斯富集區(qū)、富水區(qū)等災(zāi)害靶點，目前礦山災(zāi)害防控普遍采用全時空“泛防控”模式，導(dǎo)致大部分措施多余無效，成本極高。相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，部分受沖擊地壓嚴(yán)重威脅的礦井，其防災(zāi)專項費(fèi)用已占到煤炭開采總成本的30%以上。在此背景下，實現(xiàn)災(zāi)害孕育的關(guān)鍵位置（空間靶點）與臨界時刻（時間靶點）的精準(zhǔn)識別與動態(tài)追蹤，已成為礦山行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求和重要命題。

面向上述難題，重慶大學(xué)陳結(jié)團(tuán)隊圍繞礦山動力災(zāi)害精準(zhǔn)識別動態(tài)推演與靶向治理這一目標(biāo)，創(chuàng)新性地提出了礦山動力災(zāi)害數(shù)字孿生智能靶向防控技術(shù)。通過采動過程地質(zhì)體演化的實時全域高精度數(shù)字孿生，對礦山動力災(zāi)害靶點進(jìn)行精準(zhǔn)定位與追蹤，推動礦山動力災(zāi)害防控模式從“泛防控”向“靶向防控”轉(zhuǎn)型。

“泛防控”和“靶向防控”對比

1 研發(fā)思路

礦山動力災(zāi)害數(shù)字孿生智能靶向防控技術(shù)的核心目標(biāo)是以數(shù)字孿生為核心載體，深度融合人工智能算法，構(gòu)建高保真、可交互、可推演的煤巖數(shù)字孿生體。孿生體的構(gòu)建和功能包含地質(zhì)模型—數(shù)值模型—孿生模型3個層級：

（1）利用現(xiàn)場鉆探、物探等多源地質(zhì)資料，構(gòu)建精準(zhǔn)的地質(zhì)模型。

（2）利用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)獲得實時孿生計算的數(shù)值模型，模型計算過程中現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與虛擬仿真數(shù)據(jù)雙向交互流轉(zhuǎn)，確保計算結(jié)果與真實現(xiàn)場的一致性。

（3）孿生模型基于精準(zhǔn)的數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行災(zāi)害的超前預(yù)警與歷史反演，實現(xiàn)災(zāi)害靶點的精準(zhǔn)識別和動態(tài)追蹤，還可以量化評估鉆孔卸壓、水力壓裂等控災(zāi)方案效果，指導(dǎo)現(xiàn)場采取精準(zhǔn)的靶向防控措施。

物理空間—孿生空間模型

2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）礦山地質(zhì)孿生體端到端生成與智能治理技術(shù)

針對傳統(tǒng)地質(zhì)建模依賴人工處理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)、效率低下且難以實現(xiàn)動態(tài)更新的難題：

構(gòu)建了基于大模型上下文協(xié)議（MCP）驅(qū)動的地質(zhì)信息抽取與結(jié)構(gòu)化表達(dá)機(jī)制。通過研發(fā)帶掩膜批量位圖化處理工具，實現(xiàn)了鉆孔柱狀圖等復(fù)雜矢量圖件的自動化識別與一鍵式建模。

提出了融合領(lǐng)域知識圖譜與檢索增強(qiáng)生成（RAG）的協(xié)同框架，引入語義增強(qiáng)與 SWRL 規(guī)則邏輯雙重約束，有效抑制了專業(yè)領(lǐng)域的信息幻覺，確保了地質(zhì)孿生體在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)（如斷層、褶皺）的準(zhǔn)確性與邏輯自洽性。

該技術(shù)為后續(xù)數(shù)字孿生體的計算提供了標(biāo)準(zhǔn)化、可驗證的數(shù)據(jù)底座。

基于隱式克里金插值的地質(zhì)建模方法

（2）億級復(fù)雜地質(zhì)網(wǎng)格自動劃分與幾何–物理自適應(yīng)理論

針對沖擊地壓數(shù)值模擬中復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造建模困難、計算效率與精度失衡的瓶頸：

研發(fā)了免幾何修復(fù)的八叉樹（Octree）全自動網(wǎng)格生成算法，實現(xiàn)了億級規(guī)模復(fù)雜地質(zhì)網(wǎng)格的“零干預(yù)”快速生成。

提出了基于能量泛函的局部可控網(wǎng)格更新理論，構(gòu)建了網(wǎng)格時空總能量泛函。該理論通過“局部能量最優(yōu)化”加密與“全局能量平衡”松弛機(jī)制，實現(xiàn)了網(wǎng)格密度隨工作面推移與應(yīng)力場演化的自適應(yīng)重分布，在不增加全局計算負(fù)擔(dān)的前提下，確保了對高應(yīng)力集中區(qū)與災(zāi)變演變特征的“持續(xù)聚焦”。

隨采狀態(tài)下工作面核心區(qū)域自適應(yīng)網(wǎng)格動態(tài)更新方法

（3）物理–虛擬交互孿生計算范式與虛實一致性驗證模型

針對礦山開采過程中動態(tài)監(jiān)測與數(shù)值模擬脫節(jié)的現(xiàn)狀：

建立了邊界–材料–本構(gòu)三級參數(shù)優(yōu)化的物理–虛擬交互計算框架。通過 GA-Bayes 優(yōu)參架構(gòu)實時同化多源現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了模擬結(jié)果與實測狀態(tài)的小時級高度同步映射。

引入了基于核密度估計與JS散度的量化評估范式，解決了復(fù)雜工況下傳感器漂移導(dǎo)致的虛實一致性判定難題。該范式構(gòu)建了“監(jiān)測—模擬—反饋—重構(gòu)”的動態(tài)閉環(huán)，為礦山動力災(zāi)害的響應(yīng)式仿真提供了嚴(yán)密的邏輯基礎(chǔ)。

物理—虛擬孿生交互計算全過程

（4）礦山?jīng)_擊地壓“預(yù)測—預(yù)警—控災(zāi)”一體化智能決策技術(shù)

針對動力災(zāi)害演化規(guī)律復(fù)雜、防控參數(shù)優(yōu)選耗時長的挑戰(zhàn)：

構(gòu)建了力—震協(xié)同驅(qū)動的沖擊指數(shù)（RI）實時預(yù)警模型，實現(xiàn)了災(zāi)害危險性的時空量化判識。

研發(fā)了基于 CNN-LSTM-Attention 的多模態(tài)自演化預(yù)測架構(gòu)，實現(xiàn)了對全域應(yīng)力流遷移路徑與災(zāi)害風(fēng)險靶點的超前推演。

開發(fā)了基于三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（3D CNN）的 AI 代理模型，將控災(zāi)方案的評估耗時由小時級縮短至秒級（平均 30 s），且誤差低于 10%。

該技術(shù)體系實現(xiàn)了從“經(jīng)驗治理”到“智能靶點防控”的跨越，大幅提升了礦山動力災(zāi)害治理的科學(xué)性與實時性。

融合應(yīng)力流自演化與微震事件時序預(yù)測的智能預(yù)警模型

3 現(xiàn)場工程應(yīng)用案例

目前，該成果已在內(nèi)蒙古某煤礦完成落地部署與示范應(yīng)用。針對礦井采掘活動過程中地質(zhì)條件復(fù)雜、災(zāi)害風(fēng)險動態(tài)演化不清、防控措施具有盲目性等工程痛點，團(tuán)隊部署了礦山動力災(zāi)害數(shù)字孿生靶向防控平臺，構(gòu)建了覆蓋地質(zhì)建模、動態(tài)感知、風(fēng)險識別和防控推演的現(xiàn)場應(yīng)用體系?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：該技術(shù)體系能夠精準(zhǔn)識別災(zāi)害孕育的關(guān)鍵時空靶點，減少70%以上的無效鉆孔工程量，項目獲評中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會“2025年數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用潛力案例”和“第三屆全國人工智能應(yīng)用場景創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽全國總決賽特等獎”

全國人工智能應(yīng)用場景創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽證書照片

團(tuán)隊負(fù)責(zé)人簡介

陳 結(jié) 教授

重慶大學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移研究院院長

陳結(jié)，重慶大學(xué)教授、博士研究生導(dǎo)師，入選國家級人才計劃青年項目，現(xiàn)任重慶大學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移研究院院長。長期從事巖石力學(xué)信號學(xué)基礎(chǔ)理論及巖石動力災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警研究。針對礦山開采與地下結(jié)構(gòu)儲能過程中的巖石動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警問題，建立了巖石信號智能識別與處理方法，構(gòu)建了煤巖動力災(zāi)害智能預(yù)警與地下儲能結(jié)構(gòu)長效穩(wěn)定性評價模型，保障礦山開采與儲能地質(zhì)安全。

主持國家重點研發(fā)計劃（青年科學(xué)家項目）1項，國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金1項，重慶市杰出青年科學(xué)基金1項，其他縱向項目7項。相關(guān)成果在《Applied Energy》《Rock Mechanics and Rock Engineering》《煤炭學(xué)報》《金屬礦山》等國內(nèi)外行業(yè)頂刊發(fā)表論文100余篇；授權(quán)發(fā)明專利27項、軟件著作權(quán)5項、出版專著2部；獲省部級一等獎3項，行業(yè)協(xié)會一等獎2項、二等獎2項。獲得“重慶市最美科技工作者”“重慶市青年拔尖人才”“中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會青年科技獎”“全國高等學(xué)校礦業(yè)石油安全領(lǐng)域優(yōu)秀青年人才”等榮譽(yù)。兼任中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會青年工作委員會委員、綠色礦山產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟青年技術(shù)委員會主任、國際巖石力學(xué)與工程學(xué)會會員、國際水溶采礦研究所會員、《金屬礦山》編委等。核心技術(shù)成果代表重慶大學(xué)參展2020年、2022年及2023年中國國際智能產(chǎn)業(yè)博覽會，并在中煤集團(tuán)、國家能源集團(tuán)、中國華能集團(tuán)、河南能源等多個國家頭部能源企業(yè)成功推廣應(yīng)用，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。

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