万利一矿地质保障系统建设研究_胡腾飞.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050570引言地质保障系统是煤矿智能化重要技术支撑，是实现精准开采、智能掘进、灾害治理的重要途径。近年来煤矿地质保障理论与技术得到了长足发展，地球物理勘探技术与装备、智能化钻机、矿井透明地质保障系统等均有一定的成果。万利一矿已开展大量地质勘探工作，建设地质保障系统具备一定的基础。综合考虑智能化煤矿建设指南（2021版）、国家能源集团煤矿智能化建设指南（2022版）等文件要求，针对矿井的实际情况进行地质保障系统建设，新增智能化勘探装备，建设地质保障软件平台，满足矿井生产的地质保障需求。1矿井地质概况万利一矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区西北约7 km处，隶属鄂尔多斯市东胜区万利镇管辖，生产能力10.0 Mt/a。井田范围包括一号井、二号井和扩大区三部分，井田面积约92 km2。井田位于东胜煤田东北部，井田内地层产状平缓，倾角12，局部可达3，总体趋势为倾向SW的单斜构造，在此基础上发育一些极其宽缓的褶曲。该井田含煤地层为侏罗系中统延安组，可采煤层12层，首采区主采煤层为3-1煤、4-2煤。万利一矿地质类型属中等类型。矿井地质类型划分如表1所示。表1矿井地质类型划分表2地质保障系统建设思路（1）存在的问题*国家能源集团2020年第二批科技项目（GJNY-20-238）；中煤科工集团武汉设计研究院有限公司科研项目（ZZYF202108；ZZYF202236）万利一矿地质保障系统建设研究*胡腾飞，辛德林，陈一兵，刘艳，王昭舜（中煤科工集团 武汉设计研究院有限公司，武汉430064）摘要：地质保障系统是煤矿智能化重要技术支撑，对矿井的开拓开采有着重要的保障作用。根据万利一矿地质特征，结合掘进工作面设备布置、掘进速度以及4-2煤智能化综采工作面地质保障需求，采用随采地震、随掘地震、长掘长探等先进地质勘探手段进行探测。利用矿井历史数据、静态数据及动态数据进行矿井高精度地质建模，并对模型进行适时更新，满足矿井地质保障建设需求。关键词：煤矿智能化；地质保障；智能探测；三维地质模型中图分类号：TD163；TD82文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0184 03Research on Construction of Geological Guarantee System in Wanli No.1Coal MineHu Tengfei，Xin Delin，Chen Yibing，Liu Yan，Wang Zhaoshun（Wuhan Design and Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group,Wuhan 430064,China）Abstract:The geological guarantee system is an important technical support for the intelligentization ofcoal mines,and plays an important role in guaranteeing the development and mining of mines.Accordingto the geological characteristics of Wanli No.1 coal mine,combined with the characteristics of equipmentlayout and driving speed of the driving face,and the geological guarantee requirements of the intelligentfully mechanized coal mining face of 4-2coal,advanced geological exploration methods such as miningseismic,driving seismic,long excavation and long exploration were adopted to probe.Used minehistorical data,static data and dynamic data to carry out high-precision mine geological modeling,andupdate the model in time to meet the needs of mine geological support construction.Key words:Intelligentization of coal mine；geological guarantee；intelligent detection；three-dimensionalgeological model划分依据单项划分综合划分地质构造复杂程度程度中等简单煤层稳定程度稳定和较稳定煤层的资源量占全矿井资源量的94%简单瓦斯类型瓦斯等级属于低瓦斯矿井简单水文地质类型依据煤矿防治水细则中等顶底板煤层顶底板以软弱岩石为主，区内岩石质量为中等，岩体的总体质量差-中等倾角小于5特殊地质因素本区地层产状平缓，无地温异常，未发现陷落柱、冲击地压、天窗等地质灾害危险其他开采地质条件煤矿地质类型为中等类型简单184第44卷第5期Vol.44 No.5万利一矿地质保障系统建设研究胡腾飞，等目前万利一矿地质保障系统主要存在以下问题：未配备智能勘探装备，不能实现智能物探技术在矿井勘探过程中的应用；尚未建设地测信息管理系统，无法提供有效的地质测量信息存储、检索、分析与处理，数据处理实时性有待提升，各数据无法融合分析，存在数据孤岛；未建设高精度三维地质模型，不能直观展示矿井地层、构造、隐蔽灾害等赋存特征。（2）建设思路根据万利一矿地质保障系统现阶段存在的问题以及建设需求，主要建设思路如图1所示。利用矿井已有的井下无线网络、万兆环网作为地质保障系统数据的传输通道，利用超融合计算中心作为系统的计算中心与数据存储中心，通过软件平台对数据进行处理与分析，实现地质建模、空间分析、储量管理、发布展示等服务功能。图1万利一矿地质保障系统建设思路主要建设内容：建设地测信息管理系统，实现地测数据的数字化存储与统一管理，解决数据孤岛问题，同时满足矿井海量多源异构数据的综合应用；建设矿井高精度三维地质模型，满足动态数据适时更新需求；新增物探及钻探设备，满足矿井地质勘探需求；建设地质保障平台软件，满足地质数据管理、高精度三维地质模型可视化、地质数据分析预测功能；满足综采工作面安全高效开采及掘进工作面智能快速掘进需求。3智能探测技术万利一矿构造简单，煤层稳定程度简单，为低瓦斯矿井，水文地质类型中等，其他开采地质条件属简单类。但采掘过程中仍有断层揭露，据统计，已揭露断距不大于5 m的小型正断层94条，断距58 m的断层有4条，断距不小于10 m的断层1条。矿井的充水通道主要为断层及破碎带、煤层开采后因顶板冒落而形成的采动裂隙、封闭不良钻孔等。地质保障系统的建设离不开地测数据的支撑，针对万利一矿采掘工作面特征，采用随采地震、随掘地震及长掘长探技术进行智能探测，保障综采工作面安全高效回采及掘进工作面智能快速掘进。物探装备及应用场景如表2所示。表2物探装备及应用场景（1）随掘地震探测万利一矿顺槽掘进工作面主要采用掘锚一体机MB670进行掘进，掘进迎头附近设备众多，大型自动化钻机难以与掘锚一体机错车作业进行自动化超前钻探作业。为此，采用随掘探测技术，利用MB670掘锚机截割部截割煤岩体产生的地震波作为震源，在巷道两帮安装检波器，利用数据处理系统实时处理接收到反射回来的地震波，分析得出巷道超前方向可能存在的地质异常分布情况，实现掘进工作面地质构造的超前预报，为掘进透明化提供数据支撑。（2）随采地震探测万利一矿42煤大采高综采工作面已建立智能化采煤系统，采煤机可以实现记忆截割，液压支架实现自动跟机移架。在已有的智能化功能基础上，新增随采地震探测系统，利用采煤机截割煤岩产生的地震波信号作为信源，在两侧顺槽安装检波器，对回采过程中的数据信号进行实时监测，实现对采动影响下工作面内隐蔽地质构造和应力异常进行动态监测成像。（3）长掘长探技术万利一矿掘进工作面智能化升级改造后，掘进速度最快可达到1 500 m/月，掘进速度较快。因此在巷道掘进之前进行长距离超前探测，通过长距离定向钻孔、钻孔地质雷达、钻孔瞬变电磁进行掘进巷道超前探测，根据勘探结果建立掘进工作面地质模型。4地质建模与应用针对矿井的实际情况进行地质保障系统软件平台建设，实现对矿井钻探、物探、测试、地质监测、生产地质及其他相关地质数据的数据治理、融合、统一应用场景采煤工作面掘进工作面技术方法音频电透视法直流电阻率监测法孔中地质雷达地震探测微震监测随采随震瞬变电磁孔中瞬变电磁地质雷达地震探测随掘地震功能描述工作面煤层顶底板界面工作面地质异常体探测工作面顶底板裂隙发育工作面地质异常体探测掘进工作面超前构造探测应用阶段回采前回采过程中回采前、回采过程中回采过程中回采过程中掘进前掘进中煤层及顶底板富水性探测掘进工作面超前水文探测掘进前地质保障信息服务空间分析实时建模可视化展示虚拟仿真属性管理数据分析数据共享数据交换数据分发数据挖掘Hadoop/Spark数据采集数据来源数据存储结构化数据库实时采集数据（随掘地震、动态监测数据）非结构化数据（分布式大数据存储）非实时采集数据（常规钻探、物探、工程数据）地质数据处理与建模智能勘探技术装备钻探数据物探数据测绘数据生产数据云网底座长掘长探技术地质雷达瞬变电磁直流电法超融合计算中心4G/5G/WiFi井下万兆工业环网185第44卷第5期Vol.44 No.5万利一矿地质保障系统建设研究胡腾飞，等管理。地质模型具备水文、瓦斯和矿压属性信息，动态模型可及时更新，地质模型的局部网格分辨率、动态响应时间、构造解释准确率等满足生产要求。地质保障系统软件平台功能模块如图2所示，主要通过对历史数据、静态数据、动态数据进行采集、处理，构建地质保障数据库。利用多源数据融合技术交叉验证方法提高地质模型精度与密度，建立高精度地质模型，具备地质预测、预报功能，支持地测信息管理、储量管理、几何分析等，并对其他系统提供空间位置服务等功能。图2地质保障系统软件平台（1）数据采集历史数据收集矿井已有的地质调查、钻探、三维地震、物探、巷探、化探、抽水试验、采样测试、测量变形、位移、地表沉陷和岩移观测等数据，按数据规范要求对各阶段勘探成果数据统一入库管理，建立地质勘查、观测资料数据库；静态数据与动态数据对矿井生产过程中产生的钻探数据、物探数据、揭露数据、工程数据等进行采集、分析与处理，适时更新矿井三维地质模型。（2）数据处理与分析多源地质数据融合对钻探、物探、地质测试、地质监测、生产地质等多源异构数据进行整合、分析、冲洗、补齐等数据治理，通过多参数进行交互标定、验证、反演等融合处理，具备动态解释、融合标定、交叉验证等功能，从而提高煤岩层、断层、陷落柱等解释精度，丰富数据属性信息；动态数据适时更新利用现代测量和探测手段，或由人工适时获取回采工作面、掘进工作面的当前位置、几何参数、煤层和围岩参数以及富水区、地质构造、瓦斯聚集区、应力集中区、发火区的超前勘探资料等，适时动态填库和填图，保持数字化空间信息库的持续更新；矿井三维储量动态管理主要实现煤矿开采过程中煤炭储量的动态管理，其主要包括数据库管理、储量计算、储量开采与损失计算、报表输出、数据查询等功能。（3）矿井三维地质建模充分利用已有数据，采用先进的高精度插值算法，对矿井进行构造地质几何建模、水文地质建模、瓦斯地质建模等。在此基础上，完成矿井的综合地质建模，且通过相应可视化技术实现地质隐蔽属性的可视化表达与显示。该模块包含基础功能、插