煤巖識別技術的發展現狀及展望

李久明

(中國中煤能源集團有限公司，北京 100120)

0 引言

煤炭是我國的主要能源。“十四五”規劃和國家發改委《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》指出，到2025年大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化，實現地質保障、采掘(剝)、洗選物流等系統的智能化決策和自動化協同運行。然而目前智能化開采主要基于示范刀的記憶截割、液壓支架自動跟機拉架、視頻監控和遠程控制等技術，當工作面遇到斷層、起伏、地質構造時，采煤機割頂割底或綜放工作面過放，造成設備磨損加劇，開采效率降低，存在安全隱患，大量矸石混入煤流，導致原煤和商品煤質量降低，洗選難度加大，運輸環節能耗增加。因此煤巖識別成為智能化煤礦生產亟需解決的一項關鍵技術。

國內外學者對煤巖識別技術開展了大量研究，但煤巖識別干擾因素多[1]，識別效果不理想[2 -3]。通過歸納現有煤巖識別技術的研究和試驗現狀，分析各種方法的優缺點，以期為今后煤巖識別技術的開發提供借鑒。

1 煤巖識別技術分類

煤巖界面識別是通過煤巖性質的差異和相應的探測方法，分辨出煤巖界面相對位置的技術。將識別結果輸出到控制系統，指導智能化采煤機自適應調整滾筒高度，或預先規劃截割高度，實現精確割煤和放煤。根據特征差異，煤巖識別技術包括基于天然輻射強度不同的γ射線探測法，利用電磁波在煤巖分界面反射特性的電磁波探測法，煤巖硬度不同引起溫升和振動的紅外成像法、振動探測法、截割力法，煤壁表面顏色和紋理差異的圖像識別法，煤巖吸收和反射光譜差異的高光譜法，以及采前根據定向鉆探預先構建三維地質模型的方法。

2 煤巖識別研究和應用現狀

2.1 γ射線探測法

γ射線探測法是利用煤層和巖層天然γ射線強度的差異進行識別的技術，巖層中放射性元素含量高于煤層，當放頂煤中出現矸石時，探測器檢測到的放射強度隨之增加，通過控制放煤時間，實現煤巖分離。張寧波等[4]試驗確定了綜放工作面輻射強度識別閾值，放煤口打開后輻射強度保持平穩，隨著煤矸混合物的出現，輻射強度逐漸升高，直至放煤口落下物全部為矸石，輻射強度保持穩定，驗證了放射性探測法用于賦存穩定煤層的煤巖識別。趙明鑫[5]研究了李樓煤業綜放過程利用射線識別煤巖的效果，結果表明當含矸率為20%時，輻射強度相對本底計數增加14.9%，可分辨出煤和矸石。

γ射線適用于頂底板含有放射性元素并且煤層均勻、無夾矸的工作面，直接頂放射性元素含量及強度顯著高于基本頂和頂煤，不適用于圍巖無放射性或煤層含夾矸的礦井。

2.2 電磁波探測法

電磁波探測法是使用0.1～3 GHz電磁波作為探測源，垂直于工作面煤層發射，利用電磁波在不同介質界面反射的時間差異計算煤層厚度[6]。王昕等[7]研究了200 MHz～1 GHz電磁波在不同煤巖界面模型的探測。在郭莊煤礦的試驗表明，煤巖界面處顯示強烈回波，其深度即為煤層厚度。900 MHz的天線探測的最大深度不超過2 m，隨著頻率的降低雜波相應增加，因此針對不同厚度的煤層，需要選擇適宜的頻率。當煤巖介電常數差異較小時，電磁波在界面反射較弱，影響探測的精度。相比靜態測量，動態測量誤差更大，不利于隨采探測煤巖界面。

電磁波探測法雖然受粉塵、光照等因素的影響較小，但工作面靜態測量的范圍有限，煤層夾矸、斷層和煤巖過渡層的存在也會干擾真實煤巖界面的識別。

2.3 紅外成像法

紅外成像法是利用截齒截割煤巖溫升差異的特點，使用熱紅外圖像標記待確定煤層走勢。頂底板巖石越硬，熱效應越明顯。張強等[8 -9]使用澆筑的試件，研究了截齒截割時的熱成像，每20 mm進行一次熱成像采樣，對煤巖動態軌跡進行識別，識別結果與實際煤巖界面基本一致，最大識別誤差4 mm，具有較高的識別精度。張德義等[10 -11]建立了截割產生熱量與煤巖強度之間的數學關系模型，以上一次截割獲得的紅外熱像和溫度信號為依據，指導后續截割，避開矸石。基于紅外熱像的記憶截割使截割夾矸產熱降低60%，機體振動加速度降低90%。

然而巖石硬度低或熱紅外相機安裝角度不當，將對煤巖識別影響較大，并且采煤機噴霧和溫度場的變化對紅外檢測溫度有一定影響。

2.4 圖像識別法

圖像識別法使用可見光獲取煤巖圖像，根據頂底板煤巖界面的顏色、紋理、形狀、斷口、光澤等的差異進行煤巖識別。吳德忠等[12]等采集了生產煤礦掘進工作面圖像，建立了分類模型并進行了驗證，提取到的邊界與實際界面基本吻合。王超等[13]研究了基于LBP和GLCM的煤巖識別方法，判斷煤塊與巖石紋理的差異性，提取圖像特征參數，作為煤巖識別的依據。司壘等[14]在王莊礦驗證了基于改進U-net網絡模型的煤巖識別方法，測試用時36.45 ms/張，實現了快速煤巖識別。

碳質泥巖、過渡層與煤層顏色一致，對圖像識別有一定影響。圖像識別目前還在研究試驗階段，距離推廣應用還存在一定距離。

2.5 高光譜遙感檢測法

高光譜法利用光譜在介質表面吸收和反射率的差異，用于煤質分析檢測、露天礦遙感勘測和煤矸快速分類[15]。宋亮等[16 -17]針對褐煤、煙煤和砂巖、粉砂巖、泥巖、碳質頁巖等矸石的光譜特性，提出了分類方法。應用可見光-近紅外和熱紅外光譜聯合分析了鐵法礦區煤矸，解決了異物同譜的現象。

同一煤礦碳質頁巖與煤的反射光譜吸收特征相似，會干擾光譜識別效果。粉塵的增加也會導致光譜圖像信噪比降低，減弱實驗樣本的光譜吸收特征。

2.6 構建地質模型

基于三維地質模型的煤巖界面識別是利用鉆探、巷道測量和槽波勘探等技術，構建采煤工作面三維模型，規劃采煤機行走路徑和滾筒高度，利用LASC慣性導航技術將采煤機定位于預設位置。

高士崗等[18 -19]構建了榆家梁煤礦采煤工作面動態四維地質模型。根據地質勘探和順槽實測數據構建三維初始地質模型，回采前和采中從回風巷向運輸巷定向鉆孔，通過鉆孔返水顏色、鉆進壓力和水壓確定煤巖分界線，對初始模型二次修正。采煤過程中設置在頂梁側邊和刮板機電纜槽下方的雷達裝置，測定頂煤、底煤厚度和煤巖分界線，精度達到厘米級。增加生產時間序列，隨采生成動態透明四維地質模型，精度達到0.2 m以內，實現煤巖界面識別。工作面推進過程，定向鉆孔超前工作面150 m、每隔25 m施工頂板和底板鉆孔各一個，采用動態平滑修正，與上一個實測鉆孔數據進行擬合，結合電磁波反射時間差異，動態更新工作面地質模型和煤巖分界線位置。

在無斷層、陷落柱、煤層厚度穩定、傾角較小、賦存穩定的工作面，三維地質模型識別煤巖分界線效果較好。然而在復雜地質礦井，地質模型構建所需的測繪工程量大。

2.7 鉆孔雷達技術

鉆孔雷達作為比較成熟的孔中物探技術之一，是基于地球物理學的原理和方法，利用專門的儀器設備，沿著鉆孔方向進行剖面測量、徑向探測的物探方法，可探測徑向地質異常[20 -22]。鉆孔雷達在孔中不同位置向地層發射雷達信號、接收反射信號，對煤層界面反射波的振幅、波形、時延進行分析，得到煤巖界面數據。

程建遠等[23]在SSP煤礦開展了“長掘長探”、鉆孔雷達等多種物探聯合應用的工程實踐，巷道掘進過程中超前探測與掘進施工平行作業、超前定向鉆孔同時進行鉆探和物探。相比于短掘短探，定向長鉆孔不占用掘進施工的空間和時間，掘進效率高，具有較好的經濟性。采用的鉆孔雷達發射、接收頻率100 MHz，測試位置煤厚5.8 m，開孔位置距頂板1 m，距底板4.8 m，孔深380 m，根據探測成果清晰地描繪了頂底板沿水平方向的起伏曲線。鉆孔雷達在每個掘進工作面僅需施工2個1 800 m長鉆孔和2次探測，與常規鉆探30次、累計進尺6 000 m相比，減少了鉆探時間和工作量，發揮了定向長鉆孔距離遠和雷達探測精度高的雙重優勢，達到了一孔多用的目的，具有較高的推廣價值。

孔中雷達裝置與定向長鉆孔結合應用，縱向探測范圍可達到近千米，能夠與掘進施工平行作業，保證快速掘進需要，實現一孔多用，提高工效，具有較好的技術經濟性。鉆孔雷達與工作面探地雷達相比，探測范圍更廣，獲取的煤層頂底板數據更加豐富，有利于預先構建全工作面三維地質模型。鉆孔雷達與圖像識別等其他方法相比，不受工作面噴霧、環境粉塵、光照、紋理、噪聲、振動和煤巖成分等因素干擾，探測分辨率高，能夠用于確定工作面割煤軌跡，解決γ射線識別精度低、煤矸混合物進入煤流系統的問題。鉆孔雷達需根據煤層實際情況，聯合采用多種測繪方法，形成三維地質模型，在煤巖識別領域具有潛在的應用前景。

2.8 間接檢測法

間接法是利用截齒在旋轉撞擊煤巖時產生的振動信號[24 -26]、采煤機工作電流變化，確定煤巖分界線。李一鳴等[27]對擔水溝礦放頂煤沖擊液壓支架后尾梁的振動信號進行了分析和煤巖識別。鮑永生[28]總結了同忻煤礦放頂煤煤巖識別方法，通過收集煤矸撞擊尾梁產生的振動信號，感知、判斷煤巖分界面，控制放煤程序。振動檢測受周圍設備噪聲影響，傳感器維護量比較大。

李文亮[29]提出了以采煤機截割驅動電機的工作電流和搖臂調高油缸的工作壓力為控制信號，雙重控制煤巖識別。當電流和壓力超過預設值時，判斷為巖石，實時調低截割轉速和進給量；當電流和壓力恢復正常時，保持滾筒高度不變。當煤層存在較厚夾矸和位于截割中部和底部時，截齒截割力大，不能準確判斷頂板位置，影響滾筒的自動調高和煤巖識別效果。

3 結論

(1)煤巖識別技術受煤巖天然放射性物質和硬度差異小，工作面夾矸、粉塵、噪聲、震動、光照不良、傳感器穩定性不足等因素的干擾，現有技術在工業生產中存在識別精度低、不能準確預測頂底板位置，生產效率得不到明顯提升的不足。

(2)通過地質勘探建立原始地質模型，物探圈定地質異常區，鉆探和孔中雷達探測同步完成，確定煤巖分界線位置。鉆孔雷達輔助構建多信息融合的地質模型，是未來煤巖識別、精準開采的發展趨勢。

(3)采掘工作面瓦斯抽采孔、探放水孔等鉆孔一孔多用，提高施工效率。鉆孔探頂、探底、孔中雷達識別地質構造，獲得的數據是地質模型的重要補充。一孔多用可實現多專業數據共享，修正工作面地質模型。

(4)目前井下傳感器的穩定性還不能滿足持續穩定監測的目標，需要定期維護調試，研發抗干擾、高精度的傳感設備，以適應井下煤巖識別需要。