26煤礦安全高效開采地質保障系統(tǒng)

1、煤礦安全高效開采煤礦安全高效開采地質保障系統(tǒng)地質保障系統(tǒng) 高產(chǎn)高效礦井技術是當今世界采煤發(fā)達國家普遍采用的一種先進的現(xiàn)代化采煤技術和管理方式，也是衡量一個國家煤炭工業(yè)發(fā)達程度的主要標志 “雙高雙高”礦井的建設是一項龐大的礦井的建設是一項龐大的系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程 開采地質條件掌握程度直接關系到采開采地質條件掌握程度直接關系到采煤的經(jīng)濟效益，而采前盤區(qū)和工作面的地煤的經(jīng)濟效益，而采前盤區(qū)和工作面的地質勘探則是機械化開采尤其是綜采高產(chǎn)高質勘探則是機械化開采尤其是綜采高產(chǎn)高效的地質保證效的地質保證 世界各主要產(chǎn)煤國家在發(fā)展機械化采世界各主要產(chǎn)煤國家在發(fā)展機械化采煤中普遍遇到開采地質條件與采煤設備的煤中普

2、遍遇到開采地質條件與采煤設備的適應性問題適應性問題 長期以來，國內仍以不能滿足綜采設長期以來，國內仍以不能滿足綜采設計要求的精查地質勘探資料作為礦井設計計要求的精查地質勘探資料作為礦井設計和采區(qū)布置的依據(jù)，忽視采區(qū)地質條件分和采區(qū)布置的依據(jù)，忽視采區(qū)地質條件分析研究，因此給開采帶來較大的經(jīng)濟損失，析研究，因此給開采帶來較大的經(jīng)濟損失，更不能達到高產(chǎn)高效的目的。更不能達到高產(chǎn)高效的目的。高產(chǎn)高效礦井地質保障系統(tǒng)的基本概念 高產(chǎn)高效礦井地質保障系統(tǒng)是以預測預報為先導，以物探先行鉆探跟進為手段，并依托先進的計算機技術實現(xiàn)生產(chǎn)地質工 作的動態(tài)管理。 1.1 煤層厚度及其變化 由于受基底構造、原始成煤環(huán)

3、境、后期沖刷和構造作用的影響，造成不同煤田、礦井或同一 礦井的不同采區(qū)、工作面的煤層厚度不同或出現(xiàn)增厚、變薄現(xiàn)象。當煤層厚度 小于實際 采高時，在工作面煤壁表現(xiàn)為破頂或破底，給綜采設備維護帶來困難；當煤層厚度大于工作 面采高并撇頂煤時，由于煤層松軟，極易造成漏頂，給頂板管理造成不便。 1.2 頂、底板巖性空間分布及其穩(wěn)定性 煤層頂、底板巖層穩(wěn)定是確保安全、高效生產(chǎn)的基本條件。 1.3 構造 構造對煤厚變化（尤其是側向變化）、瓦斯和礦井水的突出有重大影響。 1.4 礦井水文地質及瓦斯地質 瓦斯涌出量亦是高產(chǎn)高效工作面必須重點考慮的因素之一 1.5 煤層中的其他地質異常體 在華北地區(qū)的煤田中，常常

4、有巖漿巖侵入體、巖溶陷落柱和煤層沖刷帶等地質異常體出 現(xiàn)，嚴重影響綜采工作面的正常掘進。 二、 高產(chǎn)高效礦井地質保障系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 在我國，隨著采煤機械化的迅速 提高，以前地質部門提交的精查地質勘探資料已遠遠不能滿足礦井設計和采區(qū)布置的需要。 2.1 開展采區(qū)開采地質條件綜合評價和預測研究 煤炭科學研究總院西安分院、中國礦業(yè)大學等單位采用塊段指數(shù)法、數(shù)理統(tǒng)計綜合評價法、 模糊數(shù)學法和數(shù)學力學法等，量化預測斷層及煤層斷裂強度。 2.2 采區(qū)高分辨三維地震勘探的研究與應用取得了突破性的進展 2.3 探測手段的研究取得顯著成效 一批適用于礦井作業(yè)的防爆儀器，包括數(shù)字防爆橫波地震儀、數(shù)字防爆坑道無線電

5、波透視儀 、數(shù)字防爆直流電法儀、防爆瑞雷波儀、鉆孔防爆直流電法儀、鉆孔防爆測斜儀以及坑道全 液壓鉆機系列等問世，為探測采煤工作面內地質異常體提供了條件。 2.4 針對高承壓水對煤礦開采的威脅，組織了 “六五”攻關課題、“七五”工業(yè)性試驗和“八五”二期工業(yè)性試驗 經(jīng)過分析研究 提出煤層底板“三帶”概念，革新突水系數(shù)的涵義，進而形成了帶壓開采理論與方法，指 導奧陶系石灰?guī)r巖溶地下水水害防治。 從目前的現(xiàn)狀來看，我國煤炭工業(yè)高產(chǎn)高效礦井生產(chǎn)的地質保障系統(tǒng) 的技術水準較低、技術手段滯后、研究成果零散，研究成果還多處于定性階段，還遠遠承擔 不起保障系統(tǒng)這一重任。主要表現(xiàn)在以下幾個方面： (1) 研究水準

6、較低。 (2) 監(jiān)測和探測手段較為落后，可靠性差。 三、高產(chǎn)高效地質保障系統(tǒng)研究的突破方向 3.1 在不同的地質勘探階段，加強開采地質條件評價的力度 3.2 完善和推廣采區(qū)三維地震勘探技術 3.3 進一步研制適合礦井作業(yè)和實時處理的 物探儀器 3.4 建立高產(chǎn)高效礦井（工作面）地質條件預測系統(tǒng) 寺河礦大采高地質保障技術應用寺河礦工作面概況 寺河礦4301工作面走向長2352m，傾斜長300m，是晉煤集團首個長度達到300m的超長綜采工作面，由于綜采工作面規(guī)則布置和連續(xù)作業(yè)的特性，其對煤層賦存狀態(tài)、地質構造的控制程度等地質因素要求很高，所以必須建立有效的地質保障體系 。 該工作面從設計到開采，始

7、終立足于超前查明采區(qū)及工作面地質條件，采用四級地質保障技術,保證超長工作面安全高效開采。寺河礦四級地質保障技術 一、實施地面補充鉆探、三維地震勘探工一、實施地面補充鉆探、三維地震勘探工程控制煤層賦存情況及地質構造。程控制煤層賦存情況及地質構造。 二、采用井下定向千米鉆孔探測技術進行二、采用井下定向千米鉆孔探測技術進行區(qū)域構造探查。區(qū)域構造探查。 三、利用無線電波透視（坑透）等井下物三、利用無線電波透視（坑透）等井下物探技術查明回采工作面的構造及異常。探技術查明回采工作面的構造及異常。 四、采用頻次高、精度高的一周地質預測四、采用頻次高、精度高的一周地質預測預報技術指導安全高效開采。預報技術指導

8、安全高效開采。一、實施地面補充鉆探、三維地震勘探工程控制煤層賦存情況及地質構造。 采區(qū)、工作面設計布置前通過鉆探補充勘探工程提高了勘探控制程度，采區(qū)高級儲量達到了100%，通過三維地震勘探查明了采區(qū)內落差5m的斷層及直徑25m陷落柱，查明了3#煤層的底板起伏形態(tài)和波幅大于或等于10m的褶曲。（1）、地面補充鉆探 寺河礦東井屬原寺河井田勘探范圍，上世紀70年代，山西省煤化局地質勘探一隊在原寺河井田進行了精查地質勘探，提交了晉城礦區(qū)寺河井田煤礦精查勘探地質報告，根據(jù)原精查勘探地質報告，東四采區(qū)勘探級別已較高，為了更加提高勘探精度，于20022005年期間在東井區(qū)規(guī)劃施工了27個補勘鉆孔，其中東四采

9、區(qū)施工了15個，并于2006年提交了寺河礦東區(qū)補充勘探地質報告。 至此，東四采區(qū)勘探儲量級別全部達到了高級儲量，鉆孔點距及線距分別達到了600m，煤層連續(xù)性、穩(wěn)定性等賦存情況得到了高級控制，為采掘設計和部署提供了第一手可靠資料。（2）、地面三維地震勘探 隨著三維地震勘探技術在全國煤田領域的逐步推廣，為進一步查明采區(qū)內落差5m的斷層及直徑25m陷落柱，查明3#煤層的底板起伏形態(tài)和波幅大于或等于10m的褶曲，于20032004年由山西煤田綜合普查隊和山西第六工程勘察院對東四采區(qū)進行了三維地震勘探，勘探面積共12.3Km2，形成了三維地質勘探報告及相關煤層底板等高線圖（圖1）。 圖1 三維地質勘探煤

10、層底板等高線圖 二、采用井下定向千米鉆孔探測技術進行區(qū)域構造探查。 在工作面掘進前，利用長距離定向鉆孔軌跡精確定位的特性，根據(jù)鉆孔的平面、剖面軌跡，通過計算相應煤層標高、繪制等高線、分析異常點，從而進一步分析預測出煤層的賦存狀態(tài)及地質構造等異常區(qū)。1、鉆孔軌跡成圖 （1）把鉆孔軌跡數(shù)據(jù)從存儲器中的odadisk盤中拷出。 （2）把拷出的軌跡數(shù)據(jù)導入DGS成像軟件，再用DGS軟件生成Excel原始數(shù)據(jù)文件，在DGS軟件內可以看出某鉆孔的各項參數(shù)和軌跡（見圖2）。在導出的Excel原始數(shù)據(jù)文件中，拷出總長度、方位角、傾角三種數(shù)據(jù)，作為鉆孔軌跡成像數(shù)據(jù)。 圖2 DGS軟件生成的鉆孔參數(shù)及軌跡示意圖

11、（3）把原始數(shù)據(jù)文件帶入已經(jīng)編輯好的計算鉆孔軌跡的Excel表格，在表格內自動生成鉆孔軌跡坐標值（X,Y,Z,），再與Auto CAD連接繪制出鉆孔軌跡。2、煤層賦存狀態(tài)分析（1）計算煤層底板標高：實測千米鉆機施工位置的孔口標高，由于千米鉆機在施工過程中具有探煤頂、探煤底軌跡（見圖3），根據(jù)孔口實測標高及探頂、探底軌跡計算出頂、底標高，探頂點標高參照附近地勘鉆孔資料減去煤層鉛垂厚度即可作為煤層底板標高。圖3 鉆孔探頂、探底軌跡示意圖1.5探 頂 軌 跡探 底 軌 跡3.2-33.3孔 口相 對 標 高 (孔 口 巷 底 為 0) （2）繪制煤層底板等高線圖，分析賦存狀態(tài)：根據(jù)計算出的底板標高，

12、結合已有巷道及地質鉆孔資料，可以繪制出煤層底板等高線圖（見圖4），從而分析出煤層的賦存狀態(tài)及地質條件。圖4 根據(jù)鉆孔軌跡計算標高繪制的煤層底板等高線圖12#12#13#14#13#14#15#15#16#16#17#17#530535540545550555560565570575580585590595531.2532.4530.2533.2534.2536.5534.3537539.5539.8545.7548.7549.4553.9569.3578.8584.3579.6588.5587.5578.5583.8582.7569.7570.6563.7558.6544.7542.83、地質

13、異常區(qū)分析預測 （1）單孔異常分析：定向千米鉆孔在施工過程中存在軟煤、塌孔、見矸、頂鉆等異?，F(xiàn)象，依照其DGS的精確定位，可以做出每一孔，每一分支的剖面和平面軌跡，根據(jù)兩種軌跡，可以準確標定出單孔異常位置。 （2）綜合確定異常區(qū)域：根據(jù)單孔異常位置，結合煤層底板等高線圖、臨近巷道揭露情況和地勘資料，綜合分析，從而對地質異常區(qū)給予確定和預測。 圖5 綜合分析異常區(qū)示意圖三、利用無線電波透視（坑透）等井下物探技術查明回采工作面的構造及異常。 回采前通過坑透結合井下鉆探（千米定向鉆孔、MK抽放鉆孔）進一步查明了作面內斷層及其分布范圍，精確控制陷落柱的長、短軸，查明沖刷帶、厚夾矸的發(fā)育情況等。 坑透主

14、要是探測工作面內隱伏的斷層、陷落柱、煤層沖刷變薄等異常以及順槽揭露的異常在工作面內的延伸長度。其基本原理是電磁波在井下穿過煤層途中遇到斷層、陷落柱或其它異常時，波能量被吸收或完全被屏蔽，接收機收到很微弱的信號或收不到信號，形成所謂透射異常，然后再根據(jù)順槽揭露資料進行地質推斷和解釋。 在晉煤集團坑透作為回采工作面物探手段，雖得到了成熟應用，但其最大透視長度在以往為220m，作為長度300m的工作面，能否透視過去是擺在我們面前的一個新課題，我們超前謀劃，在達到300m的對掘巷道位置進行了透視試驗，選擇不同頻率進行透視，根據(jù)接收數(shù)據(jù)分析，認為利用0.3MHz頻率透視300m長的工作面在寺河礦是行得通

15、的。 工作面圈出后，采用0.3MHz頻率對該面進行了全面坑透。由于我礦具有巷道斷面大、煤質硬等特點，造成一些異常體對電磁波的衰減強度不明顯，從而出現(xiàn)過漏探、判斷模糊、范圍不清等現(xiàn)象，為了盡可能準確圈定坑透異常區(qū)，在總結以往工作面坑透經(jīng)驗的基礎上，對該面坑透中，在常規(guī)10m的觀測點距、一次透視掃描的基礎上，對異常區(qū)進行局部二次透視，通過縮小點距加密透視來進一步準確圈定異常區(qū)，其中對大坡度段、三維勘探異常區(qū)域、巷道揭露異常區(qū)域進行了二次透視，取得了較好的效果。超長工作面坑透結果如圖6所示。 圖6 超長工作面坑透結果圖四、采用頻次高、精度高的一周地質預報技術指導安全高效開采。 地質預測預報雖然有傳統(tǒng)

16、的年報、季報、月報及臨時預報，但隨著超長工作面安全高效建設，其對地質預測預報的精細化要求也越來越高，在采掘過程中，通過跟蹤構造、異常變化情況，及時收集、分析地質資料，利用三維地震再分析軟件實時動態(tài)分析，定期編制一周地質預報已經(jīng)成為這一要求的主要保障手段。1、收集已有地質資料進行分析預測 每周先收集最新的實測進尺、巷道實測高程、定向鉆孔探測資料、地面鉆孔地質資料、采掘區(qū)域內煤層賦存的變化情況及實際揭露的地質構造情況等，以三維地震勘探資料和超前鉆孔為基礎資料，進行超前探測，超前預報。2、利用三維實時動態(tài)分析技術進行預測 在礦井的生產(chǎn)、使用過程中，隨著三維地震解釋技術的不斷改進和探采對比，仍需進一步

17、進行再分析、再解釋，以指導礦井采掘部署和安全生產(chǎn)。在采掘工程中，及時將已采掘的相關煤層底板標高、補充鉆孔數(shù)據(jù)、構造及異常數(shù)據(jù)匯總，配合利用解釋新技術，進行再分析、再解釋。在重點地段，將地震信息與更多的井下實測標高、鉆孔、測井等地質資料更好地結合起來，重新提取出不同方向的三維剖面，進行對比分析，從而更準確地標定煤層的賦存狀態(tài)。在實踐中，主要用了三維可視化技術和實時提取時間剖面解釋技術。 （1）三維可視化技術 將收集并整理好的資料添加到三維地震數(shù)據(jù)體的數(shù)據(jù)庫中，然后對該區(qū)塊的數(shù)據(jù)體重新進行插值和執(zhí)行時深轉換，最后擬合生成新的3#煤層的底板等高線和沿層振幅切片，并加載到三維可視化模塊當中進行整體顯示。（如圖7）圖7 寺河礦盤區(qū)3#煤層底板可視立體圖 （2）實時提取實踐剖面解釋技