保水采煤技術現狀及智能化未來淺析

◇六盤水師范學院 楊玄應 趙曉勇 宋華英 羅貴靚 周鈺昌 王金花

本文查閱了近幾年公開發表的相關保水采煤技術的文獻資料，歸納總結了保水采煤技術發展現狀和工程實踐狀況，并據此指出了該領域的發展趨勢。研究結果表明，實現保水采煤的核心是要精確探測到導水斷裂帶的發育高度，在不同煤礦地質條件下的煤層開采時，其相關技術參數和開采方式是不同的，實現保水采煤的技術要求，就必須重新調整技術參數及開采方式。

我國西北受地形和氣候等因素的影響，水資源僅占全國的3.9%左右，部分區域極度缺水。因此，保水采煤理論的提出，不僅起到防治礦場突水問題，還促進了西北煤礦區水資源保護意識。所謂的保水采煤，也就是在煤炭開采的同時，減少地下水的滲漏，保護含水層的結構不受破壞，防止地下水位大幅度的下降，達到礦區脆弱的生態環境，不會因煤層開采而進一步惡化的目的。

1 覆巖破壞規律研究

1.1 理論分析及經驗公式

近年來，煤炭開采不斷加大開采深度、強度，楊本先等結合相關理論推導出簡潔的公式，王連國等利用覆巖關鍵層部位系統地展開研究，推導建立預計斷裂隙高度力學模型，廖協光等人根據關鍵層理論，導出了隔水層理論，馬亞杰等人結合理論分析建立了不同導水斷裂帶高度預測模型和預測方法，取得了很好的預測效果。

1.2 現場實測分析法

鮑井龍等人發明了“鉆孔雙端封堵測漏”技術，孔杰、趙子浩及劉偉韜等人用該技術，成功地指導了魯西煤礦極近距離下分層開采工作王啟慶等科研人員對煤礦開采前后煤層進行水壓試驗監測采動后的潛水量及水位變化關系對生態脆弱區保水采煤進行分區，根據水均衡原理并確定公式，王樺等人同時并用二級電阻率法和網絡電法監測系統實時探測導水斷裂帶發育過程，準確探測到了導水斷裂帶最大發育高度。

1.3 相似材料模擬法和數值模擬法

相似材料模擬法與數值模擬法的模擬結果兩者有互相驗證性。劉偉韜等人應用FLAC3D軟件對煤層開采過程進行模擬，方剛應用FLAC3D軟件UDEC軟件以及物理模擬相結合的實驗方法他們都得出了導水斷裂帶高度。所以，在保水采煤中準確利用定性分析、數值模擬、相似材料等多種方法相互結合相互驗證，方可獲得準確導水斷裂帶高度。

2 保水開采技術現狀

2.1 充填式保水采煤

充填式保水采煤基本原理就是將固體材料直接填充于采空區作為代替煤體支撐頂板，從而有效控制上覆巖層移動和變形，避免導水斷裂帶發育高度，達到保水采煤的效果。充填式保水采煤優缺點：在工作面無明顯來壓現象，地表沉降量小，然而經濟效益相對偏低和充填材料用量很大等方面的問題該方法只能在局部區域應用。

2.2 窄條帶保水采煤

“窄條帶”采煤可以對上部覆巖產生的下沉進行控制，起到保護礦區地表環境的一種保水采煤方法。該方法主要特征是把煤層區域劃分為條帶形狀，采一條、留一條的方式進行開采。窄條帶保水采煤技術受特定地質條件的限制，并且以后回收未開采的煤柱較難，掘進巷道較多等問題使得該技術無法大范圍推廣應用。

2.3 分層（限高）保水采煤

分層（限高）開采是通過制約隔水層層位，限制煤層開采的高度，以間歇分層開采的方式來避免導水斷裂帶與含水層相通的采煤方法。分層（限高）開采成本相對較低，在厚煤層開采工作面上可以輕易實現，以及后期的頂板也會完全垮落，不會遺留煤柱時間久而失效等問題。

2.4 短壁機械化保水采煤

短壁式開采技術是利用掘、采相結合，適應性較廣及采動時對隔水層影響較小等優點，滿足保水采煤的基本要求。但是存在煤炭開采效率不高，資源浪費嚴重等現象，以及在生產中的系統安全等等問題都還待解決。

2.5 長壁機械化快速推進保水采煤

長壁機械化快速推進采煤法很大程度地保證煤層頂板的完整性，防止導水裂隙帶在外動力的作用下充分發育導通含水層，造成工作面短時間涌入大量的水。范立民、馬雄德、冀瑞君在西部生態脆弱礦區保水采煤研究與實踐進展中實踐證明，松散層的水位變化不太明顯，地面下沉值小于工作面兩側順槽水位，符合保水采煤的條件。

3 智能化保水采煤未來發展趨勢淺析

3.1 智能化導水裂隙觀測技術

這里主要提到光柵光纖技術監測導水裂隙技術。光柵光纖具有高靈敏度、高分辨率以及較強抗干擾能力，很適合用于地下煤炭作業的安全監測。其原理把光纖光柵當做傳感器放入被監測環境中，利用被監測環境中的導水裂隙的變化，引起光柵光纖的折射率（周期）和波長的變化，最終進行取樣、圖像處理技術然后獲取裂隙信息等，并實現一個智能判斷系統，通過鉆孔中光纖光纖信息結合取樣的圖像處理信息進行判斷。

3.2 智能化導水裂隙相似模擬技術

應結合機械開挖和高速拍照，實現模型應力場、應變場、位移場的連續觀測，并聯合數值模擬進行物理-數值模型聯動計算，為智能化導水裂隙相似模擬技術提供新的方法。

3.3 智能化充填保水采煤技術

目前的充填開采的材料配比，充填參數及充填技術都是室內實驗并計算的。應該建立一個大型數據庫，對各類配比的材料性能充分測試。結合各類參數的智能監測后，構建數值模型，模擬出合理的充填參數，并進行充填技術的試用。試用中產生的問題，反饋到數值模型，調整參數，最終智能充填。

3.4 智能化保水采煤監測技術

目前的監測主要停留在水害防治的層面上，應該以保水采煤為目標，對植被、水體及礦山三廢進行智能監測。并將智能監測的數據構建大型數據庫，用于各類保水采煤活動中，比如充填開采的矸石充填方面，其充填流程示意圖見圖1。

4 結語

保水采煤主要針對我國西北干旱、半干旱地區開展的研究，宗旨在于實現高強度煤炭開的同時保護含水層結構的統一，從而保護西北西區水資源和含水系統的完整性。同時，對不同地質件的煤礦，要采用相對應對的采煤方法及工藝，從而維護原有的生態平衡，保護了原有的生態環境。目前我國智能化煤炭開采還處于初級階段，需要在物聯網、人工智能、大數據以及自動控制等技術方面大力開發研究，建設生產管理、安全監測、生態保護等完整的智能化保水采煤系統。