煤炭智能开采地质保障技术及展望

刘慧峰

摘 要：一直以来，煤炭作为我国的主体能源和重要的化工原料，在国民经济中占有重要的战略地位。党的十九大报告指出，绿水青山就是金山银山，必须壮大清洁能源产业，推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

关键词：煤炭智能;开采地质保障技术展望

引言

煤炭是我国第一大能源，是能源安全的基石，在我国国民经济建设中发挥着关键作用。我国“富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋特点及新能源技术应用现状决定了我国在未来相当长时间内，能源消费仍将不得不严重依赖煤炭。

1我国矿井地质保障技术体系现状

科学有效的矿井地质保障系统是根据高产高效矿井机械化、集中化程度高的特点，以地质量化预测为先导，以地质勘探、物探、鉆探、化探等综合技术为手段，强化对煤层及其结构构造特征、瓦斯安全地质条件、水文地质工程地质、水害防治条件、能源资源综合开发利用等的研究，依托先进的计算机技术、网络技术等实现对生产地质工作的动态管理。它要求为矿井设计、采区布置、生产准备、采煤工作面布置到回采等各个层次或阶段提供可靠的地质保障。因此，要实现煤矿生产的高产高效，除选择优势资源区块为开采场地外，更重要的是系统地掌控影响煤炭开采的地质因素。

2煤炭智能开采地质保障技术及展望

2.1复杂地质条件下煤与瓦斯共采技术尚未成熟

我国的煤层形成时期和环境非常特殊且较为复杂，致大多数煤层具有瓦斯压力低、透气性差、低饱和和“三低”特点。煤层内较小的瓦斯压力将导致瓦斯在煤层内压力梯度不足，使游离瓦斯不能获得由高压力区向低压力区运移的动力;渗透性差将增加煤层内瓦斯运移的难度，这也是导致钻孔抽采时钻孔影响区域相对较小的主要因素之一;低饱和度将不利于煤层内吸附瓦斯向游离瓦斯转化，从而难以在煤层内形成高游离瓦斯压力区。这些特点均将会导致目前煤与瓦斯共采成本较高，且效率偏低。

2.2绿色开发地质保障技术体系

首先把煤矿绿色开采定义为：遵循循环经济中绿色工业的原则，形成一种与环境协调一致的，努力实现“低开采、高利用、低排放”的开采技术，并逐步建立了煤矿绿色开采基础理论和技术框架。进一步用科学开采诠释煤炭工业的发展：在科学发展观引领的与地质、生态环境相协调前提下最大限度地获取自然资源，在不断克服复杂地质条件和工程环境带来的安全隐患前提下进行的安全、高效、绿色、经济、社会协调的可持续开采。这正是新形势下开采技术发展的方向。

2.3煤矿智能化开发技术尚处于起步阶段

目前，我国矿山智能化建设总体处于起步阶段，尽管在一些矿山已进行示范工程，并取得了可喜成果，但许多技术问题尚未得到根本解决。一是矿山生产的智能化必然会从整体上降低传统模式中粗放型劳动力所占的比例，与宏观上增加就业的社会责任有冲突，因此多数矿山在这一方面基本致力于维持现状。二是智能化矿山的高效运作要求更具专业化的技术队伍，人才的缺失可能导致矿山在实现采选自动化由于无法得到有效运转而影响整体效益。三是智能化矿山建设是一个大的系统工程，涉及到人力、物力、资金等多方面的投入与统筹，当前多数矿山在采购如采、装、运等设备时仍然仅仅注重功率、生产能力等核心指标，而对设备的自动化甚至智能化功能的要求则基本被忽略，新的智能化设备与原有生产设备难以协调。因此在智能化矿山建设过程中，矿山仍然需要进行设备的系统性功能升级。

2.4地质条件探测精度

目前以“远程视频监控、采煤机记忆截割”为主要特征的智能化开采，主要通过高清摄像头和传感器获取工作面的实时工况，利用记忆截割技术指导采煤机自动截割，但该开采方法不具有普适性，只适用于煤层起伏变化小、地质构造简单的工作面，无法适应在煤层起伏变化大、地质构造复杂的工作面连续工作，制约了煤矿智能化开采的推广。因此，要想真正实现煤炭智能开采，必须对矿井地质构造、煤层变化等进行精准探测和动态解释。目前，采用高精度三维地震对地下煤岩层的控制精度达到十米级，井下槽波、无线电波透视等其他主要物探手段的控制精度在米级，但是智能开采工作面采煤机滚筒控制精度要求达到厘米级，如何进一步提升煤炭地质条件探测精度，并集成多种探测技术，动态融合更新标定地下煤岩层空间位置，建立多属性动态三维地质模型，以此指导三机协同工作是煤炭智能开采地质保障面临的一大技术难题。

2.5井下综合物探技术。

以高分辨率三维地震和地面直流电法以及瞬变电磁法为代表的地面物探技术取得了较大发展，已经能够较好地为煤矿开采超前提供构造条件和水文地质条件的探测成果，但是却仍然无法满足煤矿安全高效开采对于地质条件查明程度的客观要求，这给煤矿井下物探技术与装备的超常规发展提供了契机，煤矿井下物探技术进入了蓬勃发展的新阶段。井下物探技术手段的进步直接影响到矿井安全生产，从李志聃、刘天放等矿井物探前辈，到20世纪90年代王鹤龄发明煤厚探测仪、矿井地震仪开始，地球物理测试技术及仪器设备一直在不断发展。从利用直流电法、瞬变电磁技术进行井下探水，到第1台矿用瞬变电磁仪井下测试，矿井物探方法呈现出多样化发展趋势，利用地面及井下复合空间条件进行多场多参数数据采集与利用也得到发展。电磁场类、地震波场类等测试技术，接触与非接触式，主动源与被动源，反射、透射、散射等处理技术，在井下地质条件探查、评价与监测中发挥着重要作用，为矿井地质工作提供重要的技术手段。

2.6废弃矿山综合治理与修复技术保障

①废弃矿山覆岩的赋存状态、关键层的断裂特征及形态。老采空区形成后的上覆岩层的赋存形态，尤其是关键层的断裂特征及其赋存形态，分析在多煤层赋存条件下，上覆煤柱影响下的岩层离层空间的分布情况和稳定性程度。②老采空区覆岩承载的变化规律和对岩层移动与地表沉降的影响机制。基于老采空区覆岩由下到上承载的刚度特征及其变化规律，分析覆岩承载的变化对岩层移动与地表沉降影响的时间效应，划分覆岩承载控制区域及级别等级，为老采空区覆岩控制提供依据。③老采空区覆岩注浆强化承载层控制地表沉降及修复治理有关规范和评价。提出强化承载层位合理选择的方法和有关参数确定方法，建立控制技术体系，形成控制效果评价体系。并在已有研究成果基础上，编制有关规范和评价体系。

2.7一体化智能在线监测

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煤炭智能开采的隐蔽致灾地质因素，需采用多种技术手段对各类致灾因素进行实时监测，并对工作面内的空间环境状态进行获取，从而实现灾害预警，减少煤炭开采过程中灾害事故的发生。微震监测技术具有实时、连续监测的优点，能实时监测岩石破裂现象。采用微震监测手段对工作面内部进行探测与解释，可实现工作面顶底板破坏的在线监测以及导水通道从孕育、发展到最终失稳全过程描述。

结语

煤炭资源的开发利用具有明显的生命周期性，科学划分和研究煤炭资源全生命周期各阶段的地质任务和科技创新方向，是实现煤炭产业升级及清洁高效利用的必要基础。

参考文献

[1]彭苏萍，张博，王佟，等.煤炭可持续发展战略研究[M].北京：煤炭工业出版社，2015.

[2]“能源领域咨询研究”综合组.中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究[J].中国工程科学，2015，17（9）：1-5.

[3]韩雅文，刘固望，蒋立，煤炭清洁利用技术进展与评价综述[J].中国矿业，2017，26（7）：81-87，100.

[4]唐书恒，秦勇，姜尧发，等.中国洁净煤地质研究[M].北京：地质出版社，2006.

[5]王佟，张博，王庆伟，等.中国绿色煤炭资源概念和内涵及评价[J].煤田地质与勘探，2017，45（1）：1-8.