煤炭智能开采地质保障技术及展望

煤炭智能开采地质保障技术及展望

赵彦武

开滦（集团）蔚州矿业公司安全管理部   河北省张家口市蔚县 075700

摘要：煤炭资源的开发利用具有明显的生命周期性，科学划分及研究煤炭资源生命周期各阶段地质任务与科技创新方向，是实现煤炭产业升级和清洁高效利用的必要基础。

关键词：智能开采；地质保障技术；展望

能源是人类生存及社会发展不可或缺的物质基础，能源的可持续发展对社会的稳定至关重要。此时，明确煤炭地质定位、目标任务、发展现状、需求导向和重大科技问题，对科学制定学科战略布局及保障措施、促进煤系矿产资源安全绿色开发和高效清洁利用意义重大。

一、煤炭智能开采地质保障关键技术

1、高精度综合探测。地质信息获取是煤炭智能开采地质透明化的基础，如何获取高精度的地质信息是煤炭地质保障的重要任务之一。为突破地质条件探测精度不足的瓶颈，更好地服务于智能采煤，有学者提出采用高精度综合探测技术对矿井进行多层次、递进式探测。高精度综合探测技术包括高密度全数字三维地震探测技术、井下槽波地震探测技术，定向钻探技术、孔中物探技术等。

高密度全数字三维地震勘探提高了地震数据信噪比及分辨率，增强了小地质目标体成像功能，能更真实地反映煤层真实构造形态。当前，高密度全数字三维地震勘探在识别煤层顶底板、小断层、陷落柱等方面取得了显著成效，有望为未来透明工作面三维建模提供准确的地质数据。

在井下探测手段中，槽波地震勘探通过高震源激发频率和在探测范围内布置接收点与激发点，实现了高接收信号频率、强能量、高信噪比、高分辨率成像等功能。当前，槽波地震勘探能在透明工作面内部构造探测中实现冲刷带和小断层的精细探测，其探测准确率达80%以上，已成为煤矿地质精细探测的关键技术。

定向钻探技术具有探测距离远、探测精度高特点，能实现煤层稳定性、充水水源、采空区、陷落柱和断层的探查，但其施工成本高，探测范围小。因此，要充分利用钻孔和结合物探方法，在一定钻孔径范围内，对地质构造、煤层顶底板起伏、煤岩界面、低阻异常区等进行综合探测。此外，利用孔中三分量瞬变电磁探测准确定位异常体深度及方位；利用钻孔雷达测量顺煤层钻孔煤层顶底板位置，为高精度三维地质建模提供基础。

基于上述高精度探测技术，利用智能仪器设备，采用多层级、递进式探测方法，通过地面勘探、井下探测、采掘揭露等手段，构建工作面黑箱、灰箱、白箱、透明箱地质模型，解决地质条件探测精度不足的问题，实现地质逐级透明化，进而服务于煤矿探、掘、采的一体化生产。

2、一体化智能在线监测。煤与瓦斯突出、冲击地压、矿井突水、断层或陷落柱等煤矿动力灾害是制约智能采煤的潜在地质因素，需利用多种技术手段实时监测各种致灾因素，获取工作面空间环境状态，实现灾害预警，减少煤炭开采时灾害事故的发生。

微震监测技术具有实时、连续监测优点，能实时监测岩石破裂。采用微震监测方法对工作面内部进行探测和解释，可实现对工作面顶底板破坏的在线监测，以及导水通道从孕育、发展到最终失稳的全过程描述。

电法监测能实时在线监测煤层顶底板采动时的视电阻率变化。结合微震监测结果，分析围岩破坏范围及含水体是否导通。

除矿井水害监测外，还需进一步丰富地质结构信息，掘进机切割煤体产生的地震回波信号被用作巷道掘进超前探测的震源激发信号，基于多源地震理论和相关干扰理论，利用巷道掘进超前探测三维成像技术进行时域和频域分析、相关干扰和随掘地震成像，实现掘进工作面前方100～300m范围内地质构造的动态智能探测。煤矿智能开采是一项系统工程，随采随掘随钻智能探测技术将为智能开采、掘进提供高精度“地质导航”。

煤矿智能化透明矿井建设和准确灾害预警需更准确的监测数据，提高地质信息精度需多属性监测技术，还需改进监测材料和工艺。光纤光栅传感器利用光纤光栅波长变化的高灵敏度，以高精度直接测量温度、应力、应变、加速度等物理量。可用于监测水温、水压、应力应变等物理参数，为灾害预警提供基本参数信息。

依托先进的动态监测技术和材料工艺，丰富完善了采煤工作面地质属性信息。为进一步对煤矿井下进行空间定位及场景重构，采用抗干扰能力强、点云密度大的高精度三维激光雷达对井下环境进行三维成像、同步定位和地图构建。基于3D激光雷达扫描，能创建虚拟采煤场景，并将井下数字采掘设备映射到虚拟场景中，实现采掘活动的真实重现。

通过对上述多物理场和多参数的集成实时在线监测，为煤炭开采中的灾害预警提供理论及数据支持，促进煤矿安全高效智能开采。

二、煤炭智能开采地质保障技术展望

1、智能开采地质保障云平台。煤炭智能开采是一个多专业、多领域融合的系统，地质保障是其重要基础。要将所有地质工作全面整合到煤炭智能开采各个系统中，横向整合多专业系统，纵向整合多业务层级，以完善煤炭智能开采地质保障体系流程。

煤炭智能开采涉及地质、掘进、开采、通风、机电、运输、排水和安全等多专业和部门，使用大数据、云计算等技术，数据协同和多专业协作机制用于构建地质保障云平台。通过建立时空一体化数据库，统一数据标准和口径，利用应力、温湿度、浓度等参数传感器监测技术设备，动态修正煤矿地质空间信息，实现煤矿生产各部门的信息集成和共享，加大统一管控能力；通过大数据和人工智能进行分析预测，提高决策支持水平，扩大业务整合广度及宽度，充分整合信息，准确统一数据标准。

地质保障云平台实现了地质探测数据的数字化分类存储，增强了数据信息的实时性、共享性、标准化和可靠性，为煤矿水害监测预警、瓦斯抽采监测决策、冲击地压监测分析、智能通风监控等地质保障提供统一平台；提供地质信息及工程信息的共享和协同处理机制及3D交互式可视化展示，为智能开采提供高精度电子地图导航，支持数据采集、集成和分析应用，优化和重构地质保障工作流程，为智能开采数字化管控提供地质基础；通过基础设施、数据传输、数据中台、服务中台、服务应用、应用前台及用户入口实现数据、信息、知识的全息透明，在此基础上，构建智能地质保障系统，为煤矿生产决策提供智能地质综合保障，实现煤矿绿色智能开采。

2、建立智能开采地质保障技术标准体系。煤矿智能化给地质保障技术的发展带来了前所未有的挑战及机遇，当前，我国仍处于煤矿智能化探索阶段，相应的煤炭智能开采地质保障技术也处于初级发展阶段，需不断完善改进。但由于我国煤层赋存条件的复杂性和多样性，不同煤炭企业对煤矿智能开采要求、技术路径、发展目标不同，相应的地质保障技术需求也不同。此外，如何评价煤炭智能开采的地质保障技术也是行业面临的难题，例如如何定义量化指标，评估工作面透明度等。因此，要全面分析煤炭智能开采对地质保障技术的要求，深入研究地质保障技术评价方法，制定相应的技术标准，规范地质保障技术及装备的应用，还可通过量化指标准确可靠地评价地质保障体系。

煤炭智能开采地质保障技术标准体系应包括基础地质工作、矿井水害防治、煤矿瓦斯治理、冲击地压防治、煤矿地质透明化相关技术和评价方法。基础地质工作是指在建井、掘进、回采前、回采中的地质勘探工程及具备的地质资料分析、制图等；矿井水害、瓦斯、冲击地压等灾害的防治，应对超限预警指标和防治措施作出相应规定；煤矿地质透明化包括数据采集要求、数据处理存储方法、三维建模、透明度评估方法等的规定。

煤炭地质保障技术标准体系构建具有可操作性及高可靠性，有利于提高煤炭地质构建工作的科学性、综合性、系统性、预见性，为智能采煤提供准确可靠的地质依据，加快煤矿智能化建设，推动我国煤炭工业转型升级。

参考文献：

[1]董书宁.煤矿安全高效生产地质保障技术现状与展望[J].煤炭科学技术，2016，35(03):1-5.