26煤矿安全高效开采地质保障系统

煤矿安全高效开采地质保障系统高产高效矿井技术是当今世界采煤发达国家普遍采用的一种先进的现代化采煤技术和管理方式，也是衡量一个国家煤炭工业发达程度的主要标志•“双高”矿井的建设是一项庞大的系统工程开采地质条件掌握程度直接关系到采煤的经济效益，而采前盘区和工作面的地质勘探则是机械化开采尤其是综采高产高效的地质保证世界各主要产煤国家在发展机械化采煤中普遍遇到开采地质条件与采煤设备的适应性问题长期以来，国内仍以不能满足综采设计要求的精查地质勘探资料作为矿井设计和采区布置的依据，忽视采区地质条件分析研究，因此给开采带来较大的经济损失，更不能达到高产高效的目的。高产高效矿井地质保障系统的基本概念•高产高效矿井地质保障系统是以预测预报为先导，以物探先行钻探跟进为手段，并依托先进的计算机技术实现生产地质工作的动态管理。•1.1煤层厚度及其变化•由于受基底构造、原始成煤环境、后期冲刷和构造作用的影响，造成不同煤田、矿井或同一矿井的不同采区、工作面的煤层厚度不同或出现增厚、变薄现象。当煤层厚度小于实际采高时，在工作面煤壁表现为破顶或破底，给综采设备维护带来困难；当煤层厚度大于工作面采高并撇顶煤时，由于煤层松软，极易造成漏顶，给顶板管理造成不便。一、影响煤炭开采的地质因素•1.2顶、底板岩性空间分布及其稳定性•煤层顶、底板岩层稳定是确保安全、高效生产的基本条件。•1.3构造•构造对煤厚变化（尤其是侧向变化）、瓦斯和矿井水的突出有重大影响。•1.4矿井水文地质及瓦斯地质•瓦斯涌出量亦是高产高效工作面必须重点考虑的因素之一•1.5煤层中的其他地质异常体•在华北地区的煤田中，常常有岩浆岩侵入体、岩溶陷落柱和煤层冲刷带等地质异常体出现，严重影响综采工作面的正常掘进。二、高产高效矿井地质保障系统的研究现状•在我国，随着采煤机械化的迅速提高，以前地质部门提交的精查地质勘探资料已远远不能满足矿井设计和采区布置的需要。•2.1开展采区开采地质条件综合评价和预测研究•煤炭科学研究总院西安分院、中国矿业大学等单位采用块段指数法、数理统计综合评价法、模糊数学法和数学力学法等，量化预测断层及煤层断裂强度。•2.2采区高分辨三维地震勘探的研究与应用取得了突破性的进展•2.3探测手段的研究取得显著成效•一批适用于矿井作业的防爆仪器，包括数字防爆横波地震仪、数字防爆坑道无线电波透视仪、数字防爆直流电法仪、防爆瑞雷波仪、钻孔防爆直流电法仪、钻孔防爆测斜仪以及坑道全液压钻机系列等问世，为探测采煤工作面内地质异常体提供了条件。•2.4针对高承压水对煤矿开采的威胁，组织了“六五”攻关课题、“七五”工业性试验和“八五”二期工业性试验•经过分析研究提出煤层底板“三带”概念，革新突水系数的涵义，进而形成了带压开采理论与方法，指导奥陶系石灰岩岩溶地下水水害防治。•从目前的现状来看，我国煤炭工业高产高效矿井生产的地质保障系统的技术水准较低、技术手段滞后、研究成果零散，研究成果还多处于定性阶段，还远远承担不起保障系统这一重任。主要表现在以下几个方面：•(1)研究水准较低。•(2)监测和探测手段较为落后，可靠性差。三、高产高效地质保障系统研究的突破方向•3.1在不同的地质勘探阶段，加强开采地质条件评价的力度•3.2完善和推广采区三维地震勘探技术•3.3进一步研制适合矿井作业和实时处理的物探仪器•3.4建立高产高效矿井（工作面）地质条件预测系统寺河矿大采高地质保障技术应用寺河矿４３０１工作面概况•寺河矿4301工作面走向长2352m，倾斜长300m，是晋煤集团首个长度达到300m的超长综采工作面，由于综采工作面规则布置和连续作业的特性，其对煤层赋存状态、地质构造的控制程度等地质因素要求很高，所以必须建立有效的地质保障体系。•该工作面从设计到开采，始终立足于超前查明采区及工作面地质条件，采用四级地质保障技术,保证超长工作面安全高效开采。寺河矿四级地质保障技术•一、实施地面补充钻探、三维地震勘探工程控制煤层赋存情况及地质构造。•二、采用井下定向千米钻孔探测技术进行区域构造探查。•三、利用无线电波透视（坑透）等井下物探技术查明回采工作面的构造及异常。•四、采用频次高、精度高的一周地质预测预报技术指导安全高效开采。一、实施地面补充钻探、三维地震勘探工程控制煤层赋存情况及地质构造。•采区、工作面设计布置前通过钻探补充勘探工程提高了勘探控制程度，采区高级储量达到了100%，通过三维地震勘探查明了采区内落差≥5m的断层及直径≥25m陷落柱，查明了3#煤层的底板起伏形态和波幅大于或等于10m的褶曲。（1）、地面补充钻探•寺河矿东井属原寺河井田勘探范围，上世纪70年代，山西省煤化局地质勘探一队在原寺河井田进行了精查地质勘探，提交了《晋城矿区寺河井田煤矿精查勘探地质报告》，根据原精查勘探地质报告，东四采区勘探级别已较高，为了更加提高勘探精度，于2002—2005年期间在东井区规划施工了27个补勘钻孔，其中东四采区施工了15个，并于2006年提交了《寺河矿东区补充勘探地质报告》。•至此，东四采区勘探储量级别全部达到了高级储量，钻孔点距及线距分别达到了600m，煤层连续性、稳定性等赋存情况得到了高级控制，为采掘设计和部署提供了第一手可靠资料。（2）、地面三维地震勘探•随着三维地震勘探技术在全国煤田领域的逐步推广，为进一步查明采区内落差≥5m的断层及直径≥25m陷落柱，查明3#煤层的底板起伏形态和波幅大于或等于10m的褶曲，于2003—2004年由山西煤田综合普查队和山西第六工程勘察院对东四采区进行了三维地震勘探，勘探面积共12.3Km2，形成了三维地质勘探报告及相关煤层底板等高线图（图1）。图1三维地质勘探煤层底板等高线图二、采用井下定向千米钻孔探测技术进行区域构造探查。•在工作面掘进前，利用长距离定向钻孔轨迹精确定位的特性，根据钻孔的平面、剖面轨迹，通过计算相应煤层标高、绘制等高线、分析异常点，从而进一步分析预测出煤层的赋存状态及地质构造等异常区。1、钻孔轨迹成图•（1）把钻孔轨迹数据从存储器中的odadisk盘中拷出。•（2）把拷出的轨迹数据导入DGS成像软件，再用DGS软件生成Excel原始数据文件，在DGS软件内可以看出某钻孔的各项参数和轨迹（见图2）。在导出的Excel原始数据文件中，拷出总长度、方位角、倾角三种数据，作为钻孔轨迹成像数据。图2DGS软件生成的钻孔参数及轨迹示意图•（3）把原始数据文件带入已经编辑好的计算钻孔轨迹的Excel表格，在表格内自动生成钻孔轨迹坐标值（X,Y,Z,），再与AutoCAD连接绘制出钻孔轨迹。2、煤层赋存状态分析（1）计算煤层底板标高：实测千米钻机施工位置的孔口标高，由于千米钻机在施工过程中具有探煤顶、探煤底轨迹（见图3），根据孔口实测标高及探顶、探底轨迹计算出顶、底标高，探顶点标高参照附近地勘钻孔资料减去煤层铅垂厚度即可作为煤层底板标高。图3钻孔探顶、探底轨迹示意图1.5探顶轨迹探底轨迹3.2-33.3孔口相对标高(孔口巷底为0)•（2）绘制煤层底板等高线图，分析赋存状态：根据计算出的底板标高，结合已有巷道及地质钻孔资料，可以绘制出煤层底板等高线图（见图4），从而分析出煤层的赋存状态及地质条件。图4根据钻孔轨迹计算标高绘制的煤层底板等高线图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、地质异常区分析预测•（1）单孔异常分析：定向千米钻孔在施工过程中存在软煤、塌孔、见矸、顶钻等异常现象，依照其DGS的精确定位，可以做出每一孔，每一分支的剖面和平面轨迹，根据两种轨迹，可以准确标定出单孔异常位置。•（2）综合确定异常区域：根据单孔异常位置，结合煤层底板等高线图、临近巷道揭露情况和地勘资料，综合分析，从而对地质异常区给予确定和预测。图5综合分析异常区示意图三、利用无线电波透视（坑透）等井下物探技术查明回采工作面的构造及异常。•回采前通过坑透结合井下钻探（千米定向钻孔、MK抽放钻孔）进一步查明了作面内断层及其分布范围，精确控制陷落柱的长、短轴，查明冲刷带、厚夹矸的发育情况等。•坑透主要是探测工作面内隐伏的断层、陷落柱、煤层冲刷变薄等异常以及顺槽揭露的异常在工作面内的延伸长度。其基本原理是电磁波在井下穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它异常时，波能量被吸收或完全被屏蔽，接收机收到很微弱的信号或收不到信号，形成所谓透射异常，然后再根据顺槽揭露资料进行地质推断和解释。•在晋煤集团坑透作为回采工作面物探手段，虽得到了成熟应用，但其最大透视长度在以往为220m，作为长度300m的工作面，能否透视过去是摆在我们面前的一个新课题，我们超前谋划，在达到300m的对掘巷道位置进行了透视试验，选择不同频率进行透视，根据接收数据分析，认为利用0.3MHz频率透视300m长的工作面在寺河矿是行得通的。•工作面圈出后，采用0.3MHz频率对该面进行了全面坑透。由于我矿具有巷道断面大、煤质硬等特点，造成一些异常体对电磁波的衰减强度不明显，从而出现过漏探、判断模糊、范围不清等现象，为了尽可能准确圈定坑透异常区，在总结以往工作面坑透经验的基础上，对该面坑透中，在常规10m的观测点距、一次透视扫描的基础上，对异常区进行局部二次透视，通过缩小点距加密透视来进一步准确圈定异常区，其中对大坡度段、三维勘探异常区域、巷道揭露异常区域进行了二次透视，取得了较好的效果。超长工作面坑透结果如图6所示。图6超长工作面坑透结果图四、采用频次高、精度高的一周地质预报技术指导安全高效开采。•地质预测预报虽然有传统的年报、季报、月报及临时预报，但随着超长工作面安全高效建设，其对地质预测预报的精细化要求也越来越高，在采掘过程中，通过跟踪构造、异常变化情况，及时收集、分析地质资料，利用三维地震再分析软件实时动态分析，定期编制一周地质预报已经成为这一要求的主要保障手段。1、收集已有地质资料进行分析预测•每周先收集最新的实测进尺、巷道实测高程、定向钻孔探测资料、地面钻孔地质资料、采掘区域内煤层赋存的变化情况及实际揭露的地质构造情况等，以三维地震勘探资料和超前钻孔为基础资料，进行超前探测，超前预报。2、利用三维实时动态分析技术进行预测•在矿井的生产、使用过程中，随着三维地震解释技术的不断改进和探采对比，仍需进一步进行再分析、再解释，以指导矿井采掘部署和安全生产。在采掘工程中，及时将已采掘的相关煤层底板标高、补充钻孔数据、构造及异常数据汇总，配合利用解释新技术，进行再分析、再解释。在重点地段，将地震信息与更多的井下实测标高、钻孔、测井等地质资料更好地结合起来，重新提取出不同方向的三维剖面，进行对比分析，从而更准确地标定煤层的赋存状态。在实践中，主要用了三维可视化技术和实时提取时间剖面解释技术。•（1）三维可视化技术•将收集并整理好的资料添加到三维地震数据体的数据库中，然后对该区块的数据体重新进行插值和执行时深转换，最后拟合生成新的3#煤层的底板等高线和沿层振幅切片，并加载到三维可视化模块当中进行整体显示。（如图7）图7寺河矿盘区3#煤层底板可视立体图•（2）实时提取实践剖面解释技术•利用地震反射波的时间剖面对存在异常的区域每隔5米提取一条横向和纵向的时间剖面，分析确定采、掘区域中的异常地段，再结合其他技术手段对相应区域进行分析，从而提高对构造的更深度解释及对生产的影响程度。（如图8）图8实时提取的时间剖面图•通过上述手段，可以编制出内容层次清晰、图文并茂，直观简明、使用方便的一份一周地质预测预报。（如图9所示）图9一周地质预测预报范例图9一周地质预测预报范例图9一周地质预测预报范例图9一周地质预测预报范例•综上，从设计到开采整个过程中，通过四级地