走進(jìn)中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱西安研究院）煤礦災(zāi)害防控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，一臺(tái)約半米高、宛如一座微型太空信號(hào)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(shí)驗(yàn)裝置。”煤礦災(zāi)害防控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一位研發(fā)人員介紹，“它能對(duì)大型地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行無源、無損、超強(qiáng)穿透‘CT掃描’，目前已在煤礦采空區(qū)探測(cè)中初步應(yīng)用。”

這項(xiàng)源自宇宙粒子的前沿技術(shù)，如何對(duì)地下空間進(jìn)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(jìn)西安研究院，一探繆子成像技術(shù)的創(chuàng)新脈絡(luò)與實(shí)踐價(jià)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(qiáng)，可對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行無接觸、深穿透、高精度、無損成像檢測(cè)?；诳娮舆@一特性，繆子成像技術(shù)在火山、冰川、活斷層探測(cè)和監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)一級(jí)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(qiáng)的‘宇宙粒子雨’。我們?cè)诿旱V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(diǎn)’，通過收集多個(gè)方向穿過來的‘雨點(diǎn)’，就能繪制一張地層‘密度地圖’，從而有效識(shí)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(zhǔn)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)。

西安研究院煤礦災(zāi)害防控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員劉磊介紹，當(dāng)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(cè)成像技術(shù)，通俗地講，就像用一道天然的宇宙“X光”對(duì)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(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

劉磊說，之所以將該公司作為重點(diǎn)試驗(yàn)場(chǎng)，正是因?yàn)樗畜w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(cuò)，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(cè)手段難以精準(zhǔn)識(shí)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(cè)試與完善工作，于2024年完成全部測(cè)試。此次測(cè)試，成功探查到采空區(qū)位置及基本輪廓，具備了進(jìn)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(zhǎng)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(qiáng)，資源回收率很低，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)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(cè)后發(fā)現(xiàn)，實(shí)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(fèi)，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(xiǎn)高；煤柱長(zhǎng)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(cè)手段，往往難以精準(zhǔn)識(shí)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(shí)現(xiàn)高密度成像，不僅可精準(zhǔn)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?jī)?chǔ)量?！?/span>

安裝在井下的繆子探測(cè)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(tái)貼著警示標(biāo)簽的繆子探測(cè)設(shè)備正持續(xù)運(yùn)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(cè)設(shè)備通過捕捉穿透巖層的繆子，記錄其在上下兩層探測(cè)板間的數(shù)量變化與軌跡偏移，經(jīng)后臺(tái)分析生成上覆地層的密度圖像。

隨著數(shù)據(jù)量的累計(jì)，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(gè)邊界明確、形態(tài)規(guī)整的異常體（采空區(qū)）被準(zhǔn)確識(shí)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(jìn)入采空區(qū)空腔，驗(yàn)證了成像結(jié)果的準(zhǔn)確性。

“把技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬到井下，一開始并不順利。”西安研究院物探儀器所所長(zhǎng)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(jī)，一度“水土不服”。

最初設(shè)計(jì)第一代設(shè)備時(shí)，團(tuán)隊(duì)追求大探測(cè)面積，認(rèn)為越大越好。但實(shí)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(hào)噪聲，影響測(cè)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。”張鵬比喻道，“就像從笨重的大砍刀，換成了靈巧精準(zhǔn)的‘小李飛刀’。單臺(tái)設(shè)備探測(cè)能力雖有限，但通過多臺(tái)布設(shè)形成陣列，可擴(kuò)大覆蓋范圍、提升響應(yīng)靈敏度。”小型化設(shè)計(jì)不僅適應(yīng)井下狹窄空間，還增強(qiáng)了抗干擾能力和安裝靈活性。

為應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在光學(xué)窗口加裝了氣密性良好的自動(dòng)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(jìn)信號(hào)處理板固件算法，有效識(shí)別并剔除干擾信號(hào)。

在實(shí)際工作中，他們應(yīng)用繆子成像技術(shù)成功探明了兩個(gè)存在水害隱患的采空區(qū)重點(diǎn)區(qū)域。工程人員對(duì)其中一處實(shí)施地面垂直鉆探，并結(jié)合激光三維掃描進(jìn)行精細(xì)測(cè)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(yàn)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(yàn)證，嘗試找到一個(gè)集性能、穩(wěn)定性與實(shí)用性于一體的‘黃金結(jié)合點(diǎn)’?！睆堸i說。

“有了這項(xiàng)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(fù)責(zé)人李國(guó)營(yíng)表示，“它能利用現(xiàn)有巷道直接探測(cè)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(gè)到5個(gè)鉆孔都找不到目標(biāo)，現(xiàn)在只需打1個(gè)鉆孔就能精準(zhǔn)驗(yàn)證。”

據(jù)測(cè)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(cè)1平方公里的成本通常高達(dá)數(shù)十萬元，且受地質(zhì)條件影響波動(dòng)較大。而應(yīng)用繆子成像技術(shù)后，該公司在顯著提升探測(cè)精度和可靠性的同時(shí)，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(jī)器人

為了讓繆子成像技術(shù)好用、耐用、用得起，研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和繆子機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)“一鍵成像”。他們進(jìn)一步優(yōu)化算法，將成像時(shí)間從數(shù)月縮短到數(shù)周甚至數(shù)天。

未來，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將把繆子成像設(shè)備與機(jī)器人集成，實(shí)現(xiàn)井下探測(cè)施工的遠(yuǎn)程操控——職工在地面就能遙控機(jī)器人完成作業(yè)。

張鵬解釋道：“測(cè)量一個(gè)工作面的時(shí)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(cè)5天到7天就能形成一個(gè)初步的數(shù)據(jù)結(jié)論。隨著時(shí)間的累積，數(shù)據(jù)結(jié)論會(huì)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(jī)器人不是一項(xiàng)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(xiàng)檢查結(jié)合起來，最終才能形成一個(gè)準(zhǔn)確的診斷。因此，礦井應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境和常見災(zāi)害類型，進(jìn)行探測(cè)技術(shù)的搭配和選擇，如彈性波探測(cè)、電磁法探測(cè)等。

李國(guó)營(yíng)說：“繆子是一個(gè)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(huì)提供繆子成像技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，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(jī)器人未來的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)智能診斷。研發(fā)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃研發(fā)專為礦井設(shè)計(jì)的“繆子地質(zhì)醫(yī)生”系統(tǒng)，在完成探測(cè)任務(wù)的基礎(chǔ)上，自動(dòng)預(yù)測(cè)采空區(qū)邊界及其積水量，并實(shí)時(shí)構(gòu)建基于繆子成像技術(shù)的動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型。

“未來的核心任務(wù)，是推動(dòng)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(tái)，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?qiáng)調(diào)。

此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)攻關(guān)面向特定災(zāi)害場(chǎng)景的專用算法體系，特別是針對(duì)采空區(qū)積水及其水量的精準(zhǔn)識(shí)別算法。通過分析不同區(qū)域物質(zhì)密度的細(xì)微差異及其動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，應(yīng)用繆子成像技術(shù)將能夠直接識(shí)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(jìn)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(yáng) 版面編輯：王世雅

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來源：中國(guó)煤炭報(bào)

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