煤礦安全高效生產地質保障技術、裝備及應用現狀
永春縣西萍煤礦 陳澤山
準確的地質資料和超前預測是煤礦安全和高效生產的最根本的保障條件。煤礦地質保障技術作為煤礦安全、代寫碩士論文高效生產的關鍵技術之一,列入安全高效礦井的五大保障體系。長期以來,我國煤田地質和礦井地質工作者在煤礦開采地質條件的綜合評價、探測技術理論方法和探測儀器研制等方面進行了大量探索,并尋求為礦井生產提供地質保障的技術途徑和措施,取得了長足進展。
1. 煤礦安全高效生產地質保障技術現狀
1.1 煤田地質與勘探技術
煤田地質與勘探技術是其他相關煤礦地質保障技術發展的基礎。從20世紀50年代以來,煤炭科學研究總院西安研究院等科研院所在煤田構造、含煤地層、沉積環境、應用煤巖學、煤田預測、煤層氣、數學地質及應用軟件開發、煤系共伴生礦產與煤綜合利用、環境影響評價與治理等學科領域進行了大量的科學研究探索,先后承擔完成了包括國家“863”、“973”、重點科技攻關、社會公益項目、技術開發專項資金、國家自然科學基金、發改委重大技術專項、國家安全生產監督管理總局安全技術專項、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 煤礦井防治水技術與裝備
長期以來,西安研究院等單位在礦山水文地質條件勘探技術與裝備、礦井水害監測監控與防治技術與裝備、礦井水害治理與水資源綜合利用技術與裝備、礦井水害搶險救災技術與裝備等方面進行了長達半個世紀的持續研究,先后完成的國家“六五”科技攻關項目“華北地區灰巖水上安全采煤技術”、國家“七五”科技攻關項目“北方巖溶充水礦區充水特征及發展趨勢、排供結合及其他防治方法的可行性研究”,國家工業性試驗項目“華北型煤田奧灰巖溶水綜合防治工業性試驗”、聯合國開發計劃署資助項目“煤礦巖溶水害綜合防治技術”等國家級礦山水害防治技術研究項目,為我國煤礦床水文地質學理論與技術體系的形成和發展做出了巨大貢獻,實現了我國煤礦井水文地質條件勘探工作由地面向礦井下的轉換、礦井水文地質條件評價由定性向定量的轉換、礦井水害防治由被動防治向超前預測預警的轉換。
近年來立項實施的“三維建場法多測站探測系統”“采區突水地質條件綜合預測技術”等項目,及結合資源開采開展的試驗研究,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和導含水構造等奠定了基礎。
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等,查明采區內較大范圍富水區段、導含水構造、奧灰界面及其破碎程度,為綜采工作面布置和實施防治水工作提供必要的地質資料。瞬變電磁法探查深度可達800~1 200 m;井下采用直流電法和音頻電透視技術等,探測工作面煤層頂底板含水構造、探查巷道側幫和掘進前方的斷層破碎帶、隱伏含導水構造、采空區積水區、潛在突水點等,為防治水設計提供地質依據。這些技術已比較成熟,在我國東部一些大水礦區,如淮南、淮北、皖北、兗州、邢臺、開灤等礦區,得到了廣泛應用。
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行探測,主要探測采煤工作面頂底板100 m范圍內的富水區域、工作面內含水老窯、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、性能穩定可靠等特點,近年來先后在焦作、義馬、邢臺、兗州、肥城、淮北、邯鄲、新汶、廣旺等礦務局推廣應用,效果很好。
在水害危險區段,采用水害監測預警技術,可對礦井水壓、水位、水溫和應力等參數進行井下實時監測,并對采集的信息實時分析,進而發布預警信息,為啟動水害防治預案提供依據。西安研究院在原煤炭部110項新技術推廣之一“SY-1A水壓、水位自動記錄儀”的基礎上,成功研制出集中化、智能化和高可靠性礦用質安全型儀器KJ117礦井水壓實時監測系統,實現了礦井水位、水壓遠程監測。該系統可對井下幾個至上百個分布式點進行“一線多點”形式的超遠距離地面集中監測。此外,在礦井防治水方面還應用了大型放水試驗技術、脈沖干擾試驗技術、原位地應力測試技術、地下水數值模擬技術、礦井水質快速判別技術、礦井水文地質決策系統和地理信息系統技術、底板注漿改造技術等。
1.3 井下鉆探設備與工藝技術
經過幾十年的努力,我國在全液壓坑道鉆機和井下近水平定向鉆進技術研究領域有了很大的進步。20世紀70年代末為配合推廣綜合機械化采煤技術西安研究院開始研制坑道鉆機,于20世紀80年代初研制成功煤炭系統第1臺全液壓動力頭式坑道鉆機,由此拉開我國煤礦坑道鉆機更新換代的序幕。歷經20余年發展, MK系列鉆機已涵蓋了孔深75~1 000m的能力范圍,成為國內規格品種最全、應用效果最好的坑道鉆機,其應用領域也從最初的地質勘探擴展到煤礦安全和工程施工等方面。近2年,根據現代化礦井的生產需要,又成功研制履帶自行式全液壓鉆機,大幅度提高了鉆機的綜合效率。
在坑道鉆機配套的鉆具加工方面,將摩擦焊接、數控加工、精密熱處理等新工藝、新技術應用于產品的加工制造中,極大提高了產品品級和內在質量。現有產品種類有φ42~89 mm外平鉆桿、適用軟煤鉆進和近水平大直徑工程孔鉆進需要的80~420 mm螺旋鉆桿,φ75~193 mm各種形式的PDC鉆頭。
目前國內使用的鉆機以ZDY8000/10000S(MK-7)型全液壓鉆機為主。該鉆機為全液壓動力頭式坑道鉆機,扭矩及給進、起拔能力大,鉆進效率高,操作簡單,安全可靠,解體性好,搬運安裝方便。主要用于煤礦井下大直徑瓦斯抽放鉆孔、地質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800~1 000 m。2003年3月~2004年2月,使用該鉆機及配套鉆具在銅川礦務局陳家山礦施工大直徑長鉆孔18個,累計進尺8 655 m,在415區段成功鉆出深度分別為802•5m和865 m兩個鉆孔,尤其是2號孔使855 m長的孔段連續保持在厚約10 m的煤層中,創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,很好地解決了掘進瓦斯超限問題,同時使掘進單進提高了170 m/月。
2.1 存在問題
由于我國煤礦開采地質條件復雜,且隨著開采深度的不斷加大,礦井地質條件更加復雜。同時,由于礦井機械化程度不斷提高,建設高產高效礦井對礦井地質條件的探測和預測預報提出了新的更高的要求。總體來看,目前的礦井地質保障技術還不夠成熟和完善,對地質條件的探測精度還不能夠完全滿足生產的要求。
(1)困擾礦井生產的小構造問題尚未得到很好解決。作為地質保障系統核心技術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,無法進行精確的定位探測。
(2)多采用單一探測技術手段解決單一地質問題,對各種探測技術所適應的地質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優勢。
(3)有關勘探儀器裝備在結構、性能及其穩定性等方面還存在一些缺陷,關鍵儀器設備和資料處理軟件等主要依賴進口,其對我國復雜的礦井地質條件的適應性還有待進一步研究。礦井地質信息的管理和綜合利用水平仍然較低。目前計算機在煤礦企業主要用于數據庫、文字處理和圖件繪制等,在對礦井地質信息的動態管理和綜合分析處理、礦井開采地質條件的預測和綜合評價等方面的應用明顯不足。尤其是三維地震數據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。
2.2 發展展望
我國是目前世界第一產煤大國,也是世界上少有的幾個以煤為主要能源的國家之一,煤炭工業在我國國民經濟發展中占有十分重要的地位,繼續發展高產高效礦井是我國煤炭工業的必然趨勢。以后隨著我國煤炭需求量和生產規模的不斷擴大,煤礦生產機械化程度不斷提高,以及煤礦開采地質條件的更加復雜化,為煤礦生產安全高效提供先進的礦井地質保障技術,是我國未來煤炭工業現代化的重要基礎。
(1) 構造綜合探查技術。
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取得的成功經驗的基礎上,進行多種技術手段的綜合研究,充分利用豐富的三維地震勘探成果數據信息進行二次精細解釋,形成地面和井下小構造綜合探測配套技術,并結合已有地質資料,進行構造發育規律綜合分析研究和量化預測評價,不斷提高對構造探查的精度。
(2)礦井富(含)水體綜合探測 無憂論文網技術。
采用地面和井下相結合的探查技術查明采區和綜采工作面所處的水文地質條件,包括煤層及其頂、底板含水層的富水區、含水構造、導水通道、老空積水區等,防治礦井水害、保障其安全高效生產是一些大水礦區礦井生產的一項重要任務。以后應重點研究提高儀器裝備的靈敏度和抗干擾性能、探測技術方法、數據處理軟件等,進一步提高探查結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。國家“十一五”科技支撐計劃項目“礦井老空區探測與水害防治關鍵技術及裝備”等已經啟動。
(3)礦井地質信息動態管理及地質條件預測評價。
采用地理信息系統(GIS)技術,對礦井生產和勘查過程中獲得的各類地質信息進行計算機一體化動態管理,實現礦井地質資料的數據化、信息化和可視化,并進行綜合分析處理,對礦井開采地質條件和水文地質條件等的快速預測評價,初步建成數字化礦山,是今后安全高效地質保障技術發展的方向之一。
(4)開展深礦井安全高效生產地質保障技術研究。
由于煤礦開采深度愈深,礦井災害事故愈多、愈嚴重,已嚴重影響了煤炭的正常生產,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保障系統迫在眉睫。由西安研究院和中國礦業大學(北京)共同承擔的國家973計劃項目(2006CB202200)“深部煤炭資源賦存規律、開采地質條件與精細探測基礎研究”已經開始實施。
3. 結語
煤礦生產是一個龐大的地下系統工程,由于安全高效生產地質保障技術的重要地位,國家對該領域的技術發展高度重視,加大力度鼓勵科技創新,相關科研院所和生產企業正積極研發相關技術、裝備,加強相關理論方法研究,產學研緊密結合的格局逐漸形成,煤炭資源精細勘查的精度和水平及對煤礦安全高效生產保障的能力逐步提高,發展前景十分廣闊。
單位：永春縣西萍煤礦
陳澤山
2012年4月26日
