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煤炭智能开采地质保障技术的应用

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：赵远

[导读] 摘要：智能化是我国煤炭产业高质量发展的核心，是煤炭生产力和生产方式革命的新方向，是煤矿企业全面抢抓碳达峰、碳中和历史窗口期、机遇期的必由之路，其中地质保障技术体系是重要的基础。

        水城区能源局贵州 553000
        摘要：智能化是我国煤炭产业高质量发展的核心，是煤炭生产力和生产方式革命的新方向，是煤矿企业全面抢抓碳达峰、碳中和历史窗口期、机遇期的必由之路，其中地质保障技术体系是重要的基础。我国煤炭地质保障技术从服务于资源勘查、矿井建设到服务于煤矿安全高效生产，从基础地质勘查工作、GIS系统到隐蔽致灾因素探查，不同时期的煤炭地质保障技术具有鲜明的特点。本文就此展开了探究。
        关键词：煤炭开采；智能开采；地质保障技术
        引言：
        近年来，随着我国推出“科技强安”专项行动，坚持“机械化换人、自动化减人、智能化无人”思路，煤矿安全生产形势总体稳定、趋向好转，全国百万吨死亡率明显下降。但随着煤炭开采向深部延伸，在高瓦斯、高地应力、高地温等条件下，瓦斯、水害、火灾、顶板以及冲击地压等多因素复合灾害愈发频繁；同时，高强度、集约化、智能化的煤炭开采技术快速发展，对煤炭安全防控技术提出了新的要求。作为煤矿智能化的技术支撑，煤炭地质保障技术受到了高度重视，其贯穿于煤矿生产的全生命周期，在灾害防治、隐蔽致灾因素探查、煤炭智能开采等方面发挥着关键作用，是实现煤炭资源安全高效智能绿色开采的基础和前提。
        1 地质保障技术体系现状
        科学有效的矿山地质安全体系是建立在地质定量预测和地质勘探，地球物理勘探，钻探，地球化学等综合技术的基础上的，具有高产高效矿山机械化，高集中化的特点。勘探，开采煤层并加强其结构。依靠先进的计算机技术和网络技术，对研究生产地质作业的结构特征，瓦斯安全地质条件，水文地质地质，水害防治条件，能源综合开发利用等进行动态管理。任何阶段都需要可靠的地质支持。例如矿山设计，矿区布局，生产准备和煤矿整体布局等。因此，为了实现高产、高效的煤炭生产，除了选择有利的资源区作为开采场所外，系统的控制影响煤炭开采的地质因素更为重要。我国科研工作者致力于为煤炭资源开发建立地质安全技术体系。经过多年的不断研究，“以地震主导，多手段配合，井上下联合”三维综合勘探技术在我国得到广泛应用。以高分辨率三维地震勘探技术为核心，体现了采矿科学技术的多维度发展。与此同时，逐步开发了利用多源信息，三维勘探预测和全过程支持的技术系统。
        2 煤炭智能开采地质保障技术的应用
        2.1 高精度综合探测
        利用孔中三分量瞬变电磁探测可以准确定位异常体的深度和方位；利用钻孔雷达可以测量出顺煤层钻孔煤层顶底板位置，为高精度三维地质建模提供依据。基于上述高精度探测技术，利用智能化仪器设备，采用多层级、递进式探测方法，通过地面勘探、井下探测、采掘揭露等手段分别构建工作面黑箱、灰箱、白箱、透明箱地质模型，可以解决地质条件探测精度不足的问题，逐级实现地质透明化，进而为煤矿探、掘、采一体化生产服务。而该项技术主要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、定向钻探技术和孔中物探技术等。高密度全数字三维地震勘探提高了地震数据的信噪比和分辨率，增强了小地质目标体成像功能，可以更真实地反映煤层的真实构造形态。目前，高密度全数字三维地震勘探在查明煤层顶底板、小断层、陷落柱等方面已经取得了显著的效果，有望为今后的透明工作面三维建模提供准确的地质数据。井下探测手段中，槽波地震勘探通过高震源激发频率，在探测范围内布置接收点和激发点，实现高接收信号频率、强能量、高信噪比、高分辨率成像等功能。目前，槽波地震勘探在透明工作面内部构造探测上，可以实现冲刷带、小断层等的精细探测，其探测准确率大于80%，成为煤矿地质精细化探测的一项关键技术。定向钻探技术具有探测距离远、探测精度高等特点，可以实现煤层稳定性、充水水源、采空区、陷落柱以及断层等探查，但其施工成本相对较高、探测范围较小。因此，需充分利用钻孔、结合物探手段对钻孔径向一定范围内的地质构造、煤层顶底板起伏、煤岩界面、低阻异常区等综合探测。

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        2.2 一体化智能在线监测
        煤矿智能化开采是一个系统工程，随采随掘随钻智能探测技术，将为智能开采、智能掘进提供高精度的“地质导航”。煤矿智能化透明矿井建设、灾害精准预警需要更高精度的监测数据，提升地质信息精度不但需要多属性监测技术，还需要改进监测材料及工艺。微震监测技术就具有实时、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分析，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。电法监测可以实时在线监测采动过程中煤层顶底板视电阻率的变化结合微震监测结果，可以分析围岩破坏范围和含水体是否导通等[1]。除了矿井水害等监测之外，还需进一步丰富地质结构信息，利用掘进机切割煤体所产生的地震回波信号作为巷道随掘超前探测的震源激发信号，基于多源地震理论及相关干涉理论，利用巷道随掘超前探测三维成像技术进行时域、频域分析、相关干涉及随掘地震成像，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。光纤光栅传感器利用光纤光栅波长变化的高灵敏性，对温度、应力、应变、加速度zi等物理量进行高精度的直接测量。可用于监测井下水温水压、应力应变等物理参数，为灾害预警提供基础的参数信息。依托先进的动态监测技术及材料工艺，丰富和完善了煤矿开采工作面地质属性信息，为了进一步对煤矿井下进行空间定位和场景重构，采用井下抗干扰能力强、点云密度大的高精度三维激光雷达，对地下环境进行3D成像及同步定位与地图构建[2]。基于三维激光雷达扫描可以创建虚拟的采煤场景，将井下数字化采掘设备映射在虚拟场景中，实现采掘活动的真实重现。通过上述多物理场、多参数的一体化实时在线监测，可为煤炭开采过程中灾害预警提供理论和数据支撑，促进煤矿安全高效智能开采。
        2.3 工作面地质透明化
        首先，煤炭智能开采地质探测、监测数据可以分为3类：以地面钻探、物探等数据为主的静态数据；以工作面巷道掘进和回采期间得到的更新数据为主的动态数据；以工作面回采过程中获得的随采地震、电磁法监测、微震监测等在线监测数据为主的实时数据[3]。这些多源数据存在复杂性、异构性、海量性、孤立性，但又存在相关性，通过多源异构数据配准标定、交叉验证、联合反演，整合安全可靠、高性能的数据预处理算法，聚合动态、静态、实时监测数据，将多种异构数据源一键接入，降低地质数据的多解性，提高数据的精度，逐级完成数据级融合、特征级融合、决策级融合。其次，利用高密度三维地震数据体为基础地质构造框架，以钻探、采掘数据、钻孔雷达等进行模型动态标定，实现煤矿井下地质构造几何建模，并通过槽波地震勘探和电磁法探测的地质信息进行构造和含水体等属性填充，以多种智能在线监测手段同步实时映射更新工作面地质模型，实现动态逐级透明化建模[4]。再次，为了将融合建模后的统一数据体转化为服务于智能开采的信息和知识，需将新一代信息通信技术与传统地质勘探、煤炭开采深度融合，搭建“数据透明-信息透明-知识透明”三层全息透明架构，构建包含智能传输控制、智能数据服务、智能应用三大部分的流程化分工协作模式，首先将动态数据聚合集成，将信息结构化后系统升级为知识，完成数据、信息、知识对事物认识的3个连贯阶段，使架构体系更好地运行，采用流程化、模块化的思想，将5G、云计算、数字孪生、服务中台等新兴技术与传统地质行业相结合，实现开采智能控制、数据智能服务和模块智能应用，打通地质信息与开采系统之间的壁垒，实现从地质到开采各个要素之间统一的规范化集成、系统化重构。
        结束语：
        煤炭地质保障技术标准体系的构建具有可操作性和高可靠性，有利于提高煤炭地质保障工作的科学性、全面性、系统性和预见性，为煤炭智能开采提供准确可靠的地质基础，从而加速煤矿智能化建设，促进我国煤炭工业的转型升级。
        参考文献：
        [1]王双明，申艳军，孙强，侯恩科.西部生态脆弱区煤炭减损开采地质保障科学问题及技术展望[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2（04）：5-19.
        [2]潘树仁，李正越，魏云迅，张维生，林中月.新时代煤炭资源全生命周期地质保障技术体系[J].中国煤炭地质，2020，32（01）：1-4+57.
        [3]卢新明，阚淑婷.煤炭精准开采地质保障与透明地质云计算技术[J].煤炭学报，2019，44（08）：2296-2305.
        [4]王双明，段中会，马丽，张育平.西部煤炭绿色开发地质保障技术研究现状与发展趋势[J].煤炭科学技术，2019，47（02）：1-6.