煤炭智能開采地質保障技術及展望

劉慧峰

摘 要：一直以來，煤炭作為我國的主體能源和重要的化工原料，在國民經濟中占有重要的戰(zhàn)略地位。黨的十九大報告指出，綠水青山就是金山銀山，必須壯大清潔能源產業(yè)，推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系。

關鍵詞：煤炭智能;開采地質保障技術展望

引言

煤炭是我國第一大能源，是能源安全的基石，在我國國民經濟建設中發(fā)揮著關鍵作用。我國“富煤、貧油、少氣”的能源資源稟賦特點及新能源技術應用現狀決定了我國在未來相當長時間內，能源消費仍將不得不嚴重依賴煤炭。

1我國礦井地質保障技術體系現狀

科學有效的礦井地質保障系統是根據高產高效礦井機械化、集中化程度高的特點，以地質量化預測為先導，以地質勘探、物探、鉆探、化探等綜合技術為手段，強化對煤層及其結構構造特征、瓦斯安全地質條件、水文地質工程地質、水害防治條件、能源資源綜合開發(fā)利用等的研究，依托先進的計算機技術、網絡技術等實現對生產地質工作的動態(tài)管理。它要求為礦井設計、采區(qū)布置、生產準備、采煤工作面布置到回采等各個層次或階段提供可靠的地質保障。因此，要實現煤礦生產的高產高效，除選擇優(yōu)勢資源區(qū)塊為開采場地外，更重要的是系統地掌控影響煤炭開采的地質因素。

2煤炭智能開采地質保障技術及展望

2.1復雜地質條件下煤與瓦斯共采技術尚未成熟

我國的煤層形成時期和環(huán)境非常特殊且較為復雜，致大多數煤層具有瓦斯壓力低、透氣性差、低飽和和“三低”特點。煤層內較小的瓦斯壓力將導致瓦斯在煤層內壓力梯度不足，使游離瓦斯不能獲得由高壓力區(qū)向低壓力區(qū)運移的動力;滲透性差將增加煤層內瓦斯運移的難度，這也是導致鉆孔抽采時鉆孔影響區(qū)域相對較小的主要因素之一;低飽和度將不利于煤層內吸附瓦斯向游離瓦斯轉化，從而難以在煤層內形成高游離瓦斯壓力區(qū)。這些特點均將會導致目前煤與瓦斯共采成本較高，且效率偏低。

2.2綠色開發(fā)地質保障技術體系

首先把煤礦綠色開采定義為：遵循循環(huán)經濟中綠色工業(yè)的原則，形成一種與環(huán)境協調一致的，努力實現“低開采、高利用、低排放”的開采技術，并逐步建立了煤礦綠色開采基礎理論和技術框架。進一步用科學開采詮釋煤炭工業(yè)的發(fā)展：在科學發(fā)展觀引領的與地質、生態(tài)環(huán)境相協調前提下最大限度地獲取自然資源，在不斷克服復雜地質條件和工程環(huán)境帶來的安全隱患前提下進行的安全、高效、綠色、經濟、社會協調的可持續(xù)開采。這正是新形勢下開采技術發(fā)展的方向。

2.3煤礦智能化開發(fā)技術尚處于起步階段

目前，我國礦山智能化建設總體處于起步階段，盡管在一些礦山已進行示范工程，并取得了可喜成果，但許多技術問題尚未得到根本解決。一是礦山生產的智能化必然會從整體上降低傳統模式中粗放型勞動力所占的比例，與宏觀上增加就業(yè)的社會責任有沖突，因此多數礦山在這一方面基本致力于維持現狀。二是智能化礦山的高效運作要求更具專業(yè)化的技術隊伍，人才的缺失可能導致礦山在實現采選自動化由于無法得到有效運轉而影響整體效益。三是智能化礦山建設是一個大的系統工程，涉及到人力、物力、資金等多方面的投入與統籌，當前多數礦山在采購如采、裝、運等設備時仍然僅僅注重功率、生產能力等核心指標，而對設備的自動化甚至智能化功能的要求則基本被忽略，新的智能化設備與原有生產設備難以協調。因此在智能化礦山建設過程中，礦山仍然需要進行設備的系統性功能升級。

2.4地質條件探測精度

目前以“遠程視頻監(jiān)控、采煤機記憶截割”為主要特征的智能化開采，主要通過高清攝像頭和傳感器獲取工作面的實時工況，利用記憶截割技術指導采煤機自動截割，但該開采方法不具有普適性，只適用于煤層起伏變化小、地質構造簡單的工作面，無法適應在煤層起伏變化大、地質構造復雜的工作面連續(xù)工作，制約了煤礦智能化開采的推廣。因此，要想真正實現煤炭智能開采，必須對礦井地質構造、煤層變化等進行精準探測和動態(tài)解釋。目前，采用高精度三維地震對地下煤巖層的控制精度達到十米級，井下槽波、無線電波透視等其他主要物探手段的控制精度在米級，但是智能開采工作面采煤機滾筒控制精度要求達到厘米級，如何進一步提升煤炭地質條件探測精度，并集成多種探測技術，動態(tài)融合更新標定地下煤巖層空間位置，建立多屬性動態(tài)三維地質模型，以此指導三機協同工作是煤炭智能開采地質保障面臨的一大技術難題。

2.5井下綜合物探技術。

以高分辨率三維地震和地面直流電法以及瞬變電磁法為代表的地面物探技術取得了較大發(fā)展，已經能夠較好地為煤礦開采超前提供構造條件和水文地質條件的探測成果，但是卻仍然無法滿足煤礦安全高效開采對于地質條件查明程度的客觀要求，這給煤礦井下物探技術與裝備的超常規(guī)發(fā)展提供了契機，煤礦井下物探技術進入了蓬勃發(fā)展的新階段。井下物探技術手段的進步直接影響到礦井安全生產，從李志聃、劉天放等礦井物探前輩，到20世紀90年代王鶴齡發(fā)明煤厚探測儀、礦井地震儀開始，地球物理測試技術及儀器設備一直在不斷發(fā)展。從利用直流電法、瞬變電磁技術進行井下探水，到第1臺礦用瞬變電磁儀井下測試，礦井物探方法呈現出多樣化發(fā)展趨勢，利用地面及井下復合空間條件進行多場多參數數據采集與利用也得到發(fā)展。電磁場類、地震波場類等測試技術，接觸與非接觸式，主動源與被動源，反射、透射、散射等處理技術，在井下地質條件探查、評價與監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，為礦井地質工作提供重要的技術手段。

2.6廢棄礦山綜合治理與修復技術保障

①廢棄礦山覆巖的賦存狀態(tài)、關鍵層的斷裂特征及形態(tài)。老采空區(qū)形成后的上覆巖層的賦存形態(tài)，尤其是關鍵層的斷裂特征及其賦存形態(tài)，分析在多煤層賦存條件下，上覆煤柱影響下的巖層離層空間的分布情況和穩(wěn)定性程度。②老采空區(qū)覆巖承載的變化規(guī)律和對巖層移動與地表沉降的影響機制。基于老采空區(qū)覆巖由下到上承載的剛度特征及其變化規(guī)律，分析覆巖承載的變化對巖層移動與地表沉降影響的時間效應，劃分覆巖承載控制區(qū)域及級別等級，為老采空區(qū)覆巖控制提供依據。③老采空區(qū)覆巖注漿強化承載層控制地表沉降及修復治理有關規(guī)范和評價。提出強化承載層位合理選擇的方法和有關參數確定方法，建立控制技術體系，形成控制效果評價體系。并在已有研究成果基礎上，編制有關規(guī)范和評價體系。

2.7一體化智能在線監(jiān)測

煤與瓦斯突出、沖擊地壓、礦井突水、斷層或陷落柱等煤礦動力災害是制約煤炭智能開采的隱蔽致災地質因素，需采用多種技術手段對各類致災因素進行實時監(jiān)測，并對工作面內的空間環(huán)境狀態(tài)進行獲取，從而實現災害預警，減少煤炭開采過程中災害事故的發(fā)生。微震監(jiān)測技術具有實時、連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點，能實時監(jiān)測巖石破裂現象。采用微震監(jiān)測手段對工作面內部進行探測與解釋，可實現工作面頂底板破壞的在線監(jiān)測以及導水通道從孕育、發(fā)展到最終失穩(wěn)全過程描述。

結語

煤炭資源的開發(fā)利用具有明顯的生命周期性，科學劃分和研究煤炭資源全生命周期各階段的地質任務和科技創(chuàng)新方向，是實現煤炭產業(yè)升級及清潔高效利用的必要基礎。

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