煤炭智能开采地质保障技术及展望

潘必波

摘要：随着我国社会经济发展，煤炭智能开采是我国煤炭工业在新一轮技术变革下的战略选择，是实现煤矿安全高效生产 的必由之路，地质保障技术可为煤炭智能开采提供准确可靠的地质数据支撑，且能有效探查隐蔽 致灾地质因素以减少煤矿生产灾害事故的发生。我国煤炭地质保障技术从服务于资源勘查、高产 高效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。分析了在煤炭智能开采背景下地质保障技术面临 的 3 个难题：地质条件探测精度不足、动态地质信息监测困难与智能开采缺乏统一的地质基础。 在前期研究的基础上，论述了面向煤炭智能开采的地质保障技术体系，主要包含高精度综合探测、 一体化智能在线监测、工作面地质透明化三大关键技术，通过煤炭开采过程中地质信息综合精准 感知、动态融合、同步映射和孪生反馈，实现地质保障的数字化、三维可视化和智能化。面对新 一轮能源科技革命和产业变革，针对新形势下煤矿安全发展新要求，提出了煤炭智能开采地质保 障云平台、技术标准体系构建的发展方向，平台化、标准化的技术体系可为煤炭安 全高效智能绿色开采提供可靠的地质保障。

关键词：煤炭智能开采；地质；保障技术；展望

引言

煤矿智能化开采对煤矿地质保障技术提出了前所未有的挑战和机遇。传统的煤矿地质保障技术以煤炭资 源勘查与评价、煤矿采区地质条件探测和矿井生产地质超前预测为目标任务，采用高精度三维地震、 孔-巷瞬变电磁、反射槽波技术、定向钻探技术与装备等探测手段，为煤炭工业提供了大量的后备资源 和可靠的技术支撑，但尚不能满足煤矿智能化、无人化开采的地质需求。煤矿智能化开采对高精度智能 探测技术的需求，“倒逼”煤矿地质保障技术必须朝着从静态探测到动态探测、从主动探测到被动探 测、从探掘异步到掘探同步、从人工探测到无人探测等方向转变；研发高精度智能动态探测技术与装 备，开展探采地质信息的相互反馈，构建基于4D-GIS的地质透明化模型，实现三维地质模型与智能开 采数据的深度融合，将成为煤矿智能化开采地质保障技术的发展趋势。

1煤矿地质保障技术的发展历程

煤炭资源勘查的地质保障

1949年，我国的煤炭产量仅有0.43亿t；2013年，全国煤炭产量达到38.5亿t；中国工程院预测：2050年 煤炭在我国一次能源消费比例还将保持在50% 左右。 我国国民经济健康发展对能源的需求十分强劲，煤田 地质工作长期以来把为煤炭工业提供后备资源保障 作为首要任务，在全国范围内先后开展了3次煤田预 测、普查与评价，目前已查明埋深2 000 m以浅的煤 炭资源总量5.95万亿t。1950—1985年间，煤田地质工 作为新建、基建矿井提供了大量的可靠的后备煤炭资 源保障，这一阶段可以视为煤矿地质保障技术的萌芽 阶段。

1.2 “双高矿井”建设的地质保障

“九五”期间，煤炭工业开始创建以高产高效为 主要特征的“双高矿井”，随着大型综采配套设备的 投入使用，矿井设计、机械化开采迫切需要超前查明 煤矿采区的构造地质、水文地质、工程地质等开采条 件。为了适应这一需求，1985—2000年间煤矿地质 保障技术开始从以资源勘查为主导的煤田地质勘探阶 段，向直接为矿井设计、“双高矿井”建设提供高质 量地质资料的生产地质方向转型发展，这是煤矿地质 保障技术发展的初级阶段。

1.3 煤矿安全高效生产地质保障

进入21世纪以来，煤矿瓦斯、水害等各类灾害事 故频发，煤矿安全生产的“红线”意识不断加强，以 地面高分辨率三维地震、煤矿井下槽波地震与电磁法 探测技术以及受控定向钻进技术与装备为先导，煤矿 地质保障工作开始全方位服务于煤矿隐蔽致灾地质因 素的探查与治理，煤矿地质保障工作以服务于煤矿安 全高效生产为主要目标，煤矿地质保障技术开始由单 一技术手段的孤立运用，逐渐发展到地面与井下相结 合、物探与钻探相结合、地质与开采相结合的一体化 方向迈进，煤矿地质保障系统初步形成，进入成熟发展的阶段。

2煤炭智能开采地质保障技术难题

2.1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[52]。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。

2.2动态地质信息监测

随着煤矿井下“采、掘、机、运、通、排”六 大系统智能化、无人化的进程不断推进，大量智能 传感器广泛应用于矿井生产各个子系统，通过对矿 井全要素、全周期进行智能在线监测与信息互馈， 从而实现数字化管控[53]。一般来说，矿井地质动态 信息监测主要采用微震、连续电法等常规手段对重 点区域的状态信息进行监测。但是，由于采掘扰动， 煤炭开采围岩平衡性有可能被破坏，若地质条件失 稳，会引发各种地质灾害。因此，需要及时准确地 获取采区地质条件的变化信息，减少事故的发生[54]。 目前，矿井地质动态信息监测中应用的电法监测和 微震监测，虽然监测范围相对较大，但数据处理存 在一定的延时性；水文监测、瓦斯监测和应力监测 虽然实时性相对较高，但监测范围相对较小；此外， 地质测量工作远没有摆脱单一化的监测手段和人工 辅助测量分析的局面，由于监测手段落后，很难及 时获取煤矿开采过程中隐蔽致灾因素前期的先兆信 息，成为制约煤炭智能开采的又一技术难题。

3煤炭智能开采地质保障关键技术

3.1煤矿水害隐患探查与防治技术

“十二五”期间，煤矿采空区透水事故成为主要 的水害类型，几乎占到煤矿水害事故起数和死亡人 数的80%以上；“十三五”期间，晋、陕、蒙、宁、 新、甘等省区煤炭企业的开采规模逐年增大，千万吨 矿井不断涌现，出现了以煤层顶板“离层水”、薄基 岩突水溃沙、厚砂砾岩含水层顶板水害等新的水害 类型[22]；同时，我国东部矿区随着开采深度的不断加 大，采深超过1 000 m矿井达到60余座，煤层底板高 承压灰岩岩溶突水隐患不断增加。煤矿水害新出现的 类型与特点，催生了煤矿防治水技术的不断创新。

3.2煤矿顶板砂岩水超前治理技术。

随着采煤工作面的不断推采，上覆岩体的应力平 衡状态被打破，采空区上覆岩层内应力重新分布，以 达到新的平衡。煤矿在开采过程中，上覆岩层发生断 裂、垮落、弯曲和下沉的运动速率并不完全一致，导 致岩层在垂直方向的位移差形成“离层”空间，“离 层”在满足相对封闭的底界条件时，不断接受周边含 水层或水体的横向或垂向补给，从而形成离层水，给 西部矿区煤炭资源安全高效开采带来了很大的隐患[23]。 “离层突水”作为一种新的煤矿突水类型，打破了传 统意义上的顶板水防治理念。

“十三五”期间，通过大量的理论探索，结合顶 板水害的案例剖析，中煤科工集团西安研究院揭示了 煤层顶板离层水害的成灾机理，创造性地提出了基于 定向钻孔的顶板水超前疏放技术，在工作面回采前可 以控制性地探放顶板砂岩水，减缓了煤层开采后顶板 来水的压力；同时，研发出了“离层水”的地面与井 下超前疏放技术，这一成果已经在蒙、陕、宁等地取 得了明显的效果。

结语

煤炭精准智能开采将运用现代化信息技术改进 传统采矿模式，对于推动煤炭产业变革，实现煤炭开 采颠覆性技术创新意义重大，是未来采矿的必由之路。

参考文献

[1] 潘振武 . 发展中的中国煤田地质学 [J]. 煤田地质与勘探 ,2003,31(6):1-5.

[2] 张 泓 , 张 群 , 曹代勇 , 等 . 中国煤田地质学的现状与发展战略 [J]. 地球科学进展 , 2010,25(4):343-352