煤礦安全高效生產(chǎn)地質(zhì)保障技術(shù)、裝備及應(yīng)用現(xiàn)狀

　　永春縣西萍煤礦 陳澤山

　　準(zhǔn)確的地質(zhì)資料和超前預(yù)測是煤礦安全和高效生產(chǎn)的最根本的保障條件。煤礦地質(zhì)保障技術(shù)作為煤礦安全、代寫碩士論文高效生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一,列入安全高效礦井的五大保障體系。長期以來,我國煤田地質(zhì)和礦井地質(zhì)工作者在煤礦開采地質(zhì)條件的綜合評價(jià)、探測技術(shù)理論方法和探測儀器研制等方面進(jìn)行了大量探索,并尋求為礦井生產(chǎn)提供地質(zhì)保障的技術(shù)途徑和措施,取得了長足進(jìn)展。

　　1.　煤礦安全高效生產(chǎn)地質(zhì)保障技術(shù)現(xiàn)狀

　　1.1　煤田地質(zhì)與勘探技術(shù)

　　煤田地質(zhì)與勘探技術(shù)是其他相關(guān)煤礦地質(zhì)保障技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。從20世紀(jì)50年代以來,煤炭科學(xué)研究總院西安研究院等科研院所在煤田構(gòu)造、含煤地層、沉積環(huán)境、應(yīng)用煤巖學(xué)、煤田預(yù)測、煤層氣、數(shù)學(xué)地質(zhì)及應(yīng)用軟件開發(fā)、煤系共伴生礦產(chǎn)與煤綜合利用、環(huán)境影響評價(jià)與治理等學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行了大量的科學(xué)研究探索,先后承擔(dān)完成了包括國家“863”、“973”、重點(diǎn)科技攻關(guān)、社會(huì)公益項(xiàng)目、技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)資金、國家自然科學(xué)基金、發(fā)改委重大技術(shù)專項(xiàng)、國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全技術(shù)專項(xiàng)、國際合作等重大科研課題,取得了一大批重要的研究成果。

　　1.2　煤礦井防治水技術(shù)與裝備

　　長期以來,西安研究院等單位在礦山水文地質(zhì)條件勘探技術(shù)與裝備、礦井水害監(jiān)測監(jiān)控與防治技術(shù)與裝備、礦井水害治理與水資源綜合利用技術(shù)與裝備、礦井水害搶險(xiǎn)救災(zāi)技術(shù)與裝備等方面進(jìn)行了長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的持續(xù)研究,先后完成的國家“六五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“華北地區(qū)灰?guī)r水上安全采煤技術(shù)”、國家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“北方巖溶充水礦區(qū)充水特征及發(fā)展趨勢、排供結(jié)合及其他防治方法的可行性研究”,國家工業(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目“華北型煤田奧灰?guī)r溶水綜合防治工業(yè)性試驗(yàn)”、聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署資助項(xiàng)目“煤礦巖溶水害綜合防治技術(shù)”等國家級(jí)礦山水害防治技術(shù)研究項(xiàng)目,為我國煤礦床水文地質(zhì)學(xué)理論與技術(shù)體系的形成和發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn),實(shí)現(xiàn)了我國煤礦井水文地質(zhì)條件勘探工作由地面向礦井下的轉(zhuǎn)換、礦井水文地質(zhì)條件評價(jià)由定性向定量的轉(zhuǎn)換、礦井水害防治由被動(dòng)防治向超前預(yù)測預(yù)警的轉(zhuǎn)換。

　　近年來立項(xiàng)實(shí)施的“三維建場法多測站探測系統(tǒng)”“采區(qū)突水地質(zhì)條件綜合預(yù)測技術(shù)”等項(xiàng)目,及結(jié)合資源開采開展的試驗(yàn)研究,為高精度地分層查清采場不同含水層的分布、隔水層的防突水效應(yīng)和導(dǎo)含水構(gòu)造等奠定了基礎(chǔ)。

　　地面采用瞬變電磁法、高分辨電阻率法、大地電磁測深(AMT/MT)、可控源聲頻大地電磁測深(CSAMT)、磁偶源頻率測深技術(shù)等,查明采區(qū)內(nèi)較大范圍富水區(qū)段、導(dǎo)含水構(gòu)造、奧灰界面及其破碎程度,為綜采工作面布置和實(shí)施防治水工作提供必要的地質(zhì)資料。瞬變電磁法探查深度可達(dá)800~1 200 m;井下采用直流電法和音頻電透視技術(shù)等,探測工作面煤層頂?shù)装搴畼?gòu)造、探查巷道側(cè)幫和掘進(jìn)前方的斷層破碎帶、隱伏含導(dǎo)水構(gòu)造、采空區(qū)積水區(qū)、潛在突水點(diǎn)等,為防治水設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)。這些技術(shù)已比較成熟,在我國東部一些大水礦區(qū),如淮南、淮北、皖北、兗州、邢臺(tái)、開灤等礦區(qū),得到了廣泛應(yīng)用。

　　井下采用YT120 (A)音頻電穿透儀對200~400 m采長的回采工作面進(jìn)行探測,主要探測采煤工作面頂?shù)装?00 m范圍內(nèi)的富水區(qū)域、工作面內(nèi)含水老窯、陷落柱平面分布范圍等,也可用于對注漿效果的檢測。該儀器探測深度100 m,穿透距離400 m,具有體積小、易攜帶、易操作、方便施工、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),近年來先后在焦作、義馬、邢臺(tái)、兗州、肥城、淮北、邯鄲、新汶、廣旺等礦務(wù)局推廣應(yīng)用,效果很好。

　　在水害危險(xiǎn)區(qū)段,采用水害監(jiān)測預(yù)警技術(shù),可對礦井水壓、水位、水溫和應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行井下實(shí)時(shí)監(jiān)測,并對采集的信息實(shí)時(shí)分析,進(jìn)而發(fā)布預(yù)警信息,為啟動(dòng)水害防治預(yù)案提供依據(jù)。西安研究院在原煤炭部110項(xiàng)新技術(shù)推廣之一“SY-1A水壓、水位自動(dòng)記錄儀”的基礎(chǔ)上,成功研制出集中化、智能化和高可靠性礦用質(zhì)安全型儀器KJ117礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了礦井水位、水壓遠(yuǎn)程監(jiān)測。該系統(tǒng)可對井下幾個(gè)至上百個(gè)分布式點(diǎn)進(jìn)行“一線多點(diǎn)”形式的超遠(yuǎn)距離地面集中監(jiān)測。此外,在礦井防治水方面還應(yīng)用了大型放水試驗(yàn)技術(shù)、脈沖干擾試驗(yàn)技術(shù)、原位地應(yīng)力測試技術(shù)、地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)、礦井水質(zhì)快速判別技術(shù)、礦井水文地質(zhì)決策系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)、底板注漿改造技術(shù)等。

　　1.3　井下鉆探設(shè)備與工藝技術(shù)

　　經(jīng)過幾十年的努力,我國在全液壓坑道鉆機(jī)和井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)研究領(lǐng)域有了很大的進(jìn)步。20世紀(jì)70年代末為配合推廣綜合機(jī)械化采煤技術(shù)西安研究院開始研制坑道鉆機(jī),于20世紀(jì)80年代初研制成功煤炭系統(tǒng)第1臺(tái)全液壓動(dòng)力頭式坑道鉆機(jī),由此拉開我國煤礦坑道鉆機(jī)更新?lián)Q代的序幕。歷經(jīng)20余年發(fā)展, MK系列鉆機(jī)已涵蓋了孔深75~1 000m的能力范圍,成為國內(nèi)規(guī)格品種最全、應(yīng)用效果最好的坑道鉆機(jī),其應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的地質(zhì)勘探擴(kuò)展到煤礦安全和工程施工等方面。近2年,根據(jù)現(xiàn)代化礦井的生產(chǎn)需要,又成功研制履帶自行式全液壓鉆機(jī),大幅度提高了鉆機(jī)的綜合效率。

　　在坑道鉆機(jī)配套的鉆具加工方面,將摩擦焊接、數(shù)控加工、精密熱處理等新工藝、新技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的加工制造中,極大提高了產(chǎn)品品級(jí)和內(nèi)在質(zhì)量。現(xiàn)有產(chǎn)品種類有φ42~89 mm外平鉆桿、適用軟煤鉆進(jìn)和近水平大直徑工程孔鉆進(jìn)需要的80~420 mm螺旋鉆桿,φ75~193 mm各種形式的PDC鉆頭。

　　目前國內(nèi)使用的鉆機(jī)以ZDY8000/10000S(MK-7)型全液壓鉆機(jī)為主。該鉆機(jī)為全液壓動(dòng)力頭式坑道鉆機(jī),扭矩及給進(jìn)、起拔能力大,鉆進(jìn)效率高,操作簡單,安全可靠,解體性好,搬運(yùn)安裝方便。主要用于煤礦井下大直徑瓦斯抽放鉆孔、地質(zhì)勘探孔或地面工程中的大直徑近水平鉆孔的施工。鉆孔深度可達(dá)800~1 000 m。2003年3月~2004年2月,使用該鉆機(jī)及配套鉆具在銅川礦務(wù)局陳家山礦施工大直徑長鉆孔18個(gè),累計(jì)進(jìn)尺8 655 m,在415區(qū)段成功鉆出深度分別為802•5m和865 m兩個(gè)鉆孔,尤其是2號(hào)孔使855 m長的孔段連續(xù)保持在厚約10 m的煤層中,創(chuàng)造了全國大直徑順煤層鉆孔深度的最高記錄。從這些鉆孔中共抽出純瓦斯438萬m3,很好地解決了掘進(jìn)瓦斯超限問題,同時(shí)使掘進(jìn)單進(jìn)提高了170 m/月。

　　2.1　存在問題

　　由于我國煤礦開采地質(zhì)條件復(fù)雜,且隨著開采深度的不斷加大,礦井地質(zhì)條件更加復(fù)雜。同時(shí),由于礦井機(jī)械化程度不斷提高,建設(shè)高產(chǎn)高效礦井對礦井地質(zhì)條件的探測和預(yù)測預(yù)報(bào)提出了新的更高的要求。總體來看,目前的礦井地質(zhì)保障技術(shù)還不夠成熟和完善,對地質(zhì)條件的探測精度還不能夠完全滿足生產(chǎn)的要求。

　　(1)困擾礦井生產(chǎn)的小構(gòu)造問題尚未得到很好解決。作為地質(zhì)保障系統(tǒng)核心技術(shù)的高分辨率三維地震勘探,對落差小于5m的斷層解釋精度還很低,特別是對落差小于3 m的斷層更是無能為力。其他井下探測手段,由于受種種條件限制,無法進(jìn)行精確的定位探測。

　　(2)多采用單一探測技術(shù)手段解決單一地質(zhì)問題,對各種探測技術(shù)所適應(yīng)的地質(zhì)條件缺乏深入的研究和全面的對比分析,未形成綜合配套的探測技術(shù)優(yōu)勢。

　　(3)有關(guān)勘探儀器裝備在結(jié)構(gòu)、性能及其穩(wěn)定性等方面還存在一些缺陷,關(guān)鍵儀器設(shè)備和資料處理軟件等主要依賴進(jìn)口,其對我國復(fù)雜的礦井地質(zhì)條件的適應(yīng)性還有待進(jìn)一步研究。礦井地質(zhì)信息的管理和綜合利用水平仍然較低。目前計(jì)算機(jī)在煤礦企業(yè)主要用于數(shù)據(jù)庫、文字處理和圖件繪制等,在對礦井地質(zhì)信息的動(dòng)態(tài)管理和綜合分析處理、礦井開采地質(zhì)條件的預(yù)測和綜合評價(jià)等方面的應(yīng)用明顯不足。尤其是三維地震數(shù)據(jù)信息資源沒有得到充分的二次解釋利用,是一種極大的信息資源浪費(fèi)。

　　2.2　發(fā)展展望

　　我國是目前世界第一產(chǎn)煤大國,也是世界上少有的幾個(gè)以煤為主要能源的國家之一,煤炭工業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有十分重要的地位,繼續(xù)發(fā)展高產(chǎn)高效礦井是我國煤炭工業(yè)的必然趨勢。以后隨著我國煤炭需求量和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,煤礦生產(chǎn)機(jī)械化程度不斷提高,以及煤礦開采地質(zhì)條件的更加復(fù)雜化,為煤礦生產(chǎn)安全高效提供先進(jìn)的礦井地質(zhì)保障技術(shù),是我國未來煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。

　　(1) 構(gòu)造綜合探查技術(shù)。

　　在多年來槽波地震及彈性波層析成像CT、井下無線電波CT (坑透)、瑞利波、井下二維地震等井下物探技術(shù)取得的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行多種技術(shù)手段的綜合研究,充分利用豐富的三維地震勘探成果數(shù)據(jù)信息進(jìn)行二次精細(xì)解釋,形成地面和井下小構(gòu)造綜合探測配套技術(shù),并結(jié)合已有地質(zhì)資料,進(jìn)行構(gòu)造發(fā)育規(guī)律綜合分析研究和量化預(yù)測評價(jià),不斷提高對構(gòu)造探查的精度。

　　(2)礦井富(含)水體綜合探測 無憂論文網(wǎng)技術(shù)。

　　采用地面和井下相結(jié)合的探查技術(shù)查明采區(qū)和綜采工作面所處的水文地質(zhì)條件,包括煤層及其頂、底板含水層的富水區(qū)、含水構(gòu)造、導(dǎo)水通道、老空積水區(qū)等,防治礦井水害、保障其安全高效生產(chǎn)是一些大水礦區(qū)礦井生產(chǎn)的一項(xiàng)重要任務(wù)。以后應(yīng)重點(diǎn)研究提高儀器裝備的靈敏度和抗干擾性能、探測技術(shù)方法、數(shù)據(jù)處理軟件等,進(jìn)一步提高探查結(jié)果的可靠性和精確度,為礦井水害防治提供更為可靠的依據(jù)。國家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“礦井老空區(qū)探測與水害防治關(guān)鍵技術(shù)及裝備”等已經(jīng)啟動(dòng)。

　　(3)礦井地質(zhì)信息動(dòng)態(tài)管理及地質(zhì)條件預(yù)測評價(jià)。

　　采用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù),對礦井生產(chǎn)和勘查過程中獲得的各類地質(zhì)信息進(jìn)行計(jì)算機(jī)一體化動(dòng)態(tài)管理,實(shí)現(xiàn)礦井地質(zhì)資料的數(shù)據(jù)化、信息化和可視化,并進(jìn)行綜合分析處理,對礦井開采地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件等的快速預(yù)測評價(jià),初步建成數(shù)字化礦山,是今后安全高效地質(zhì)保障技術(shù)發(fā)展的方向之一。

　　(4)開展深礦井安全高效生產(chǎn)地質(zhì)保障技術(shù)研究。

　　由于煤礦開采深度愈深,礦井災(zāi)害事故愈多、愈嚴(yán)重,已嚴(yán)重影響了煤炭的正常生產(chǎn),未來10年我國煤礦深部開采的問題將越來越突出,探索和建立煤礦深部開采地質(zhì)保障系統(tǒng)迫在眉睫。由西安研究院和中國礦業(yè)大學(xué)(北京)共同承擔(dān)的國家973計(jì)劃項(xiàng)目(2006CB202200)“深部煤炭資源賦存規(guī)律、開采地質(zhì)條件與精細(xì)探測基礎(chǔ)研究”已經(jīng)開始實(shí)施。

　　3.　結(jié)語

　　煤礦生產(chǎn)是一個(gè)龐大的地下系統(tǒng)工程,由于安全高效生產(chǎn)地質(zhì)保障技術(shù)的重要地位,國家對該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展高度重視,加大力度鼓勵(lì)科技創(chuàng)新,相關(guān)科研院所和生產(chǎn)企業(yè)正積極研發(fā)相關(guān)技術(shù)、裝備,加強(qiáng)相關(guān)理論方法研究,產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的格局逐漸形成,煤炭資源精細(xì)勘查的精度和水平及對煤礦安全高效生產(chǎn)保障的能力逐步提高,發(fā)展前景十分廣闊。

　　單位：永春縣西萍煤礦

　　陳澤山

　　2012年4月26日