煤矿安全高效生产地质保障技术、装备及应用现状
永春县西萍煤矿 陈泽山
准确的地质资料和超前预测是煤矿安全和高效生产的最根本的保障条件。煤矿地质保障技术作为煤矿安全、代写硕士论文高效生产的关键技术之一,列入安全高效矿井的五大保障体系。长期以来,我国煤田地质和矿井地质工作者在煤矿开采地质条件的综合评价、探测技术理论方法和探测仪器研制等方面进行了大量探索,并寻求为矿井生产提供地质保障的技术途径和措施,取得了长足进展。
1. 煤矿安全高效生产地质保障技术现状
1.1 煤田地质与勘探技术
煤田地质与勘探技术是其他相关煤矿地质保障技术发展的基础。从20世纪50年代以来,煤炭科学研究总院西安研究院等科研院所在煤田构造、含煤地层、沉积环境、应用煤岩学、煤田预测、煤层气、数学地质及应用软件开发、煤系共伴生矿产与煤综合利用、环境影响评价与治理等学科领域进行了大量的科学研究探索,先后承担完成了包括国家“863”、“973”、重点科技攻关、社会公益项目、技术开发专项资金、国家自然科学基金、发改委重大技术专项、国家安全生产监督管理总局安全技术专项、国际合作等重大科研课题,取得了一大批重要的研究成果。
1.2 煤矿井防治水技术与装备
长期以来,西安研究院等单位在矿山水文地质条件勘探技术与装备、矿井水害监测监控与防治技术与装备、矿井水害治理与水资源综合利用技术与装备、矿井水害抢险救灾技术与装备等方面进行了长达半个世纪的持续研究,先后完成的国家“六五”科技攻关项目“华北地区灰岩水上安全采煤技术”、国家“七五”科技攻关项目“北方岩溶充水矿区充水特征及发展趋势、排供结合及其他防治方法的可行性研究”,国家工业性试验项目“华北型煤田奥灰岩溶水综合防治工业性试验”、联合国开发计划署资助项目“煤矿岩溶水害综合防治技术”等国家级矿山水害防治技术研究项目,为我国煤矿床水文地质学理论与技术体系的形成和发展做出了巨大贡献,实现了我国煤矿井水文地质条件勘探工作由地面向矿井下的转换、矿井水文地质条件评价由定性向定量的转换、矿井水害防治由被动防治向超前预测预警的转换。
近年来立项实施的“三维建场法多测站探测系统”“采区突水地质条件综合预测技术”等项目,及结合资源开采开展的试验研究,为高精度地分层查清采场不同含水层的分布、隔水层的防突水效应和导含水构造等奠定了基础。
地面采用瞬变电磁法、高分辨电阻率法、大地电磁测深(AMT/MT)、可控源声频大地电磁测深(CSAMT)、磁偶源频率测深技术等,查明采区内较大范围富水区段、导含水构造、奥灰界面及其破碎程度,为综采工作面布置和实施防治水工作提供必要的地质资料。瞬变电磁法探查深度可达800~1 200 m;井下采用直流电法和音频电透视技术等,探测工作面煤层顶底板含水构造、探查巷道侧帮和掘进前方的断层破碎带、隐伏含导水构造、采空区积水区、潜在突水点等,为防治水设计提供地质依据。这些技术已比较成熟,在我国东部一些大水矿区,如淮南、淮北、皖北、兖州、邢台、开滦等矿区,得到了广泛应用。
井下采用YT120 (A)音频电穿透仪对200~400 m采长的回采工作面进行探测,主要探测采煤工作面顶底板100 m范围内的富水区域、工作面内含水老窑、陷落柱平面分布范围等,也可用于对注浆效果的检测。该仪器探测深度100 m,穿透距离400 m,具有体积小、易携带、易操作、方便施工、性能稳定可靠等特点,近年来先后在焦作、义马、邢台、兖州、肥城、淮北、邯郸、新汶、广旺等矿务局推广应用,效果很好。
在水害危险区段,采用水害监测预警技术,可对矿井水压、水位、水温和应力等参数进行井下实时监测,并对采集的信息实时分析,进而发布预警信息,为启动水害防治预案提供依据。西安研究院在原煤炭部110项新技术推广之一“SY-1A水压、水位自动记录仪”的基础上,成功研制出集中化、智能化和高可靠性矿用质安全型仪器KJ117矿井水压实时监测系统,实现了矿井水位、水压远程监测。该系统可对井下几个至上百个分布式点进行“一线多点”形式的超远距离地面集中监测。此外,在矿井防治水方面还应用了大型放水试验技术、脉冲干扰试验技术、原位地应力测试技术、地下水数值模拟技术、矿井水质快速判别技术、矿井水文地质决策系统和地理信息系统技术、底板注浆改造技术等。
1.3 井下钻探设备与工艺技术
经过几十年的努力,我国在全液压坑道钻机和井下近水平定向钻进技术研究领域有了很大的进步。20世纪70年代末为配合推广综合机械化采煤技术西安研究院开始研制坑道钻机,于20世纪80年代初研制成功煤炭系统第1台全液压动力头式坑道钻机,由此拉开我国煤矿坑道钻机更新换代的序幕。历经20余年发展, MK系列钻机已涵盖了孔深75~1 000m的能力范围,成为国内规格品种最全、应用效果最好的坑道钻机,其应用领域也从最初的地质勘探扩展到煤矿安全和工程施工等方面。近2年,根据现代化矿井的生产需要,又成功研制履带自行式全液压钻机,大幅度提高了钻机的综合效率。
在坑道钻机配套的钻具加工方面,将摩擦焊接、数控加工、精密热处理等新工艺、新技术应用于产品的加工制造中,极大提高了产品品级和内在质量。现有产品种类有φ42~89 mm外平钻杆、适用软煤钻进和近水平大直径工程孔钻进需要的80~420 mm螺旋钻杆,φ75~193 mm各种形式的PDC钻头。
目前国内使用的钻机以ZDY8000/10000S(MK-7)型全液压钻机为主。该钻机为全液压动力头式坑道钻机,扭矩及给进、起拔能力大,钻进效率高,操作简单,安全可靠,解体性好,搬运安装方便。主要用于煤矿井下大直径瓦斯抽放钻孔、地质勘探孔或地面工程中的大直径近水平钻孔的施工。钻孔深度可达800~1 000 m。2003年3月~2004年2月,使用该钻机及配套钻具在铜川矿务局陈家山矿施工大直径长钻孔18个,累计进尺8 655 m,在415区段成功钻出深度分别为802•5m和865 m两个钻孔,尤其是2号孔使855 m长的孔段连续保持在厚约10 m的煤层中,创造了全国大直径顺煤层钻孔深度的最高记录。从这些钻孔中共抽出纯瓦斯438万m3,很好地解决了掘进瓦斯超限问题,同时使掘进单进提高了170 m/月。
2.1 存在问题
由于我国煤矿开采地质条件复杂,且随着开采深度的不断加大,矿井地质条件更加复杂。同时,由于矿井机械化程度不断提高,建设高产高效矿井对矿井地质条件的探测和预测预报提出了新的更高的要求。总体来看,目前的矿井地质保障技术还不够成熟和完善,对地质条件的探测精度还不能够完全满足生产的要求。
(1)困扰矿井生产的小构造问题尚未得到很好解决。作为地质保障系统核心技术的高分辨率三维地震勘探,对落差小于5m的断层解释精度还很低,特别是对落差小于3 m的断层更是无能为力。其他井下探测手段,由于受种种条件限制,无法进行精确的定位探测。
(2)多采用单一探测技术手段解决单一地质问题,对各种探测技术所适应的地质条件缺乏深入的研究和全面的对比分析,未形成综合配套的探测技术优势。
(3)有关勘探仪器装备在结构、性能及其稳定性等方面还存在一些缺陷,关键仪器设备和资料处理软件等主要依赖进口,其对我国复杂的矿井地质条件的适应性还有待进一步研究。矿井地质信息的管理和综合利用水平仍然较低。目前计算机在煤矿企业主要用于数据库、文字处理和图件绘制等,在对矿井地质信息的动态管理和综合分析处理、矿井开采地质条件的预测和综合评价等方面的应用明显不足。尤其是三维地震数据信息资源没有得到充分的二次解释利用,是一种极大的信息资源浪费。
2.2 发展展望
我国是目前世界第一产煤大国,也是世界上少有的几个以煤为主要能源的国家之一,煤炭工业在我国国民经济发展中占有十分重要的地位,继续发展高产高效矿井是我国煤炭工业的必然趋势。以后随着我国煤炭需求量和生产规模的不断扩大,煤矿生产机械化程度不断提高,以及煤矿开采地质条件的更加复杂化,为煤矿生产安全高效提供先进的矿井地质保障技术,是我国未来煤炭工业现代化的重要基础。
(1) 构造综合探查技术。
在多年来槽波地震及弹性波层析成像CT、井下无线电波CT (坑透)、瑞利波、井下二维地震等井下物探技术取得的成功经验的基础上,进行多种技术手段的综合研究,充分利用丰富的三维地震勘探成果数据信息进行二次精细解释,形成地面和井下小构造综合探测配套技术,并结合已有地质资料,进行构造发育规律综合分析研究和量化预测评价,不断提高对构造探查的精度。
(2)矿井富(含)水体综合探测 无忧论文网技术。
采用地面和井下相结合的探查技术查明采区和综采工作面所处的水文地质条件,包括煤层及其顶、底板含水层的富水区、含水构造、导水通道、老空积水区等,防治矿井水害、保障其安全高效生产是一些大水矿区矿井生产的一项重要任务。以后应重点研究提高仪器装备的灵敏度和抗干扰性能、探测技术方法、数据处理软件等,进一步提高探查结果的可靠性和精确度,为矿井水害防治提供更为可靠的依据。国家“十一五”科技支撑计划项目“矿井老空区探测与水害防治关键技术及装备”等已经启动。
(3)矿井地质信息动态管理及地质条件预测评价。
采用地理信息系统(GIS)技术,对矿井生产和勘查过程中获得的各类地质信息进行计算机一体化动态管理,实现矿井地质资料的数据化、信息化和可视化,并进行综合分析处理,对矿井开采地质条件和水文地质条件等的快速预测评价,初步建成数字化矿山,是今后安全高效地质保障技术发展的方向之一。
(4)开展深矿井安全高效生产地质保障技术研究。
由于煤矿开采深度愈深,矿井灾害事故愈多、愈严重,已严重影响了煤炭的正常生产,未来10年我国煤矿深部开采的问题将越来越突出,探索和建立煤矿深部开采地质保障系统迫在眉睫。由西安研究院和中国矿业大学(北京)共同承担的国家973计划项目(2006CB202200)“深部煤炭资源赋存规律、开采地质条件与精细探测基础研究”已经开始实施。
3. 结语
煤矿生产是一个庞大的地下系统工程,由于安全高效生产地质保障技术的重要地位,国家对该领域的技术发展高度重视,加大力度鼓励科技创新,相关科研院所和生产企业正积极研发相关技术、装备,加强相关理论方法研究,产学研紧密结合的格局逐渐形成,煤炭资源精细勘查的精度和水平及对煤矿安全高效生产保障的能力逐步提高,发展前景十分广阔。
单位：永春县西萍煤矿
陈泽山
2012年4月26日
