孟村矿构建井上、下立体式地质透明化技术新模式

孟村矿业有限公司是由彬长集团建设的特大型现代化矿井之一,处于陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区中西部,在行政区方面隶属咸阳市长武县。智能化技术水平不断提高,并逐步实现矿井的转型升级,建成立体式、可视化井上、下地质透明化模式。

煤矿地质透明化典型应用场景及关键技术

简要回顾了煤矿地质透明化的提出背景,诠释了煤矿地质透明化的技术内涵,辨析了地质透明化与可视化、透明地质与透明矿井等异同,重点阐述了煤矿地质透明化三大典型应用场景、实现路径和关键技术,其中超前钻孔地质透明化是利用开孔定向、钻孔测量、岩屑录井、钻孔成像和钻孔物探等技术与装备,以钻孔纵向钻探控制、径向物探扫描的方式,从而实现钻孔“线状”地质透明化;掘进巷道地质透明化是以长掘长探、随掘随探、反射槽波等关键技术为支撑,实现掘进巷道前方、侧帮一定范围的超前探测,达到巷道“束状”地质透明化的目的;回采工作面地质透明化是以随采地震、随采电法、微震监测等核心技术为支撑,将静态、动态、实时地质探测成果与采掘工程揭露信息相互融合,形成沿回采推进方向的采面“带状”地质透明化。随着“超前钻孔-掘进巷道-回采工作面”的递进透明,煤矿采掘地质条件将分时段、分区段、分层级趋于地质透明化。分析认为:地质可视化只是地质透明化的图形化显示,地质可视化并非地质透明化;透明矿井是透明地质的产物,透明地质是地质透明化的结果;煤矿地质透明化是静态与动态地质信息采集、地质信息与采掘工程信息互馈、三维地质模型构建、地质预测预报并与采掘工作面应用场景相互融合的时空动态实现过程。

基于“地测一张图”平台下的地质透明化

矿井地质勘探作为煤矿开采最基础、最前沿的工作,能够为矿井开拓布置、采掘等工作提供可靠的地层、煤层、构造、水文、瓦斯、冲击地压等基础性地质、水文资料,实现地质“透明化”能够超前预防矿井地质灾害,大大减少矿井地质灾害事故的发生,确保矿井安全开采,对煤矿在勘探、建设、生产各个阶段利用钻探、物探、化探地质手段进行精准分析、总结,利用地测信息系统平台将矿井地质钻孔资料、巷道采掘设计资料录入平台数据库,实现煤矿地质信息工作的动态管理,形成地测一张图,实现“地质透明化”,为煤矿安全生产提供地质保障。

智慧化矿山地质透明化发展方向的思考

基于现代化社会背景下,大力开展智慧化矿山,以地质透明化为发展方向,再次明确发展目标,各项工作有目的性、依据性地创新,借助大数据技术,构建智慧化煤炭地质保障系统,依据各项工作内容与目标,完善煤炭地质保障系统内容,制定完善的发展策略,具备专业化的工作队伍,完善的基础设施提升工作效率与质量,实现智慧化矿山地质透明化发展目标。

基于三维地质建模技术的煤矿隐蔽致灾因素透明化研究

隐蔽致灾因素是制约煤矿智能开采建设的关键问题,而三维地质建模是实现隐蔽致灾因素透明化的主要技术手段。目前煤矿三维地质建模技术以几何建模为主、属性建模为辅,缺少针对隐蔽致灾因素的灾害属性建模。针对上述问题,以陕北某煤矿作为研究对象,对煤层厚度、顶底板构造起伏、积水区、浅埋煤层地形地貌等隐蔽致灾因素进行三维地质建模。首先,完成对地质资料、物探、钻探等成果的数字化工作,建立煤矿地质数据库。其次,利用DepthInsight建模软件从全矿井和工作面2个尺度开展建模工作,即以钻孔分层数据作为地层控制点,通过煤层及地表等高线、虚拟钻孔等数据联合控制地层层序,并处理初始层面模型中的穿层异常,构建地层面模型和地质体模型,再运用数字高程模型对工作面进行地表模型构建。然后,采用岩体建模构建采空区、积水区模型并标注温度、气体等信息,利用工作面回采测量数据构建回采实测模型。最后,创建截断网格模型,通过序贯高斯模拟生成含水层渗透率、富水系数模型,实现区内水文隐蔽致灾因素透明化显示。基于三维地质模型,从地层、煤层及工作面、采空区及其积水区、水文属性多角度分析隐蔽致灾因素的分布及影响。研究成果可为煤矿隐蔽致灾因素的精准治理提供靶区,助力煤矿智能开采建设。

综放工作面基于透明地质的智能协同开采技术

智能综放工作面在地质条件简单的矿井已经得到应用,但在地质条件复杂情况下综放工作面应用甚少。究其原因是构造、瓦斯、水等灾害影响着工作面正常回采,同时放顶煤过程地质依据性不强。以建庄煤矿4-2302综放工作面为例,结合综合地质探测工程,利用多源数据融合技术,构建高精度工作面多属性模型,采用地质模型剖切技术,生成地质截割曲线,发送至智能综放控制中心,配合综采三机精准控制,实现综放工作面基于透明地质的智能开采和放顶煤。现场试验结果表明,该技术提高了采煤效率,实现智能化综采放顶煤,为同类型复杂地质条件矿井实现智能开采提供经验借鉴。

煤矿透明地质模型动态重构的关键技术与路径思考

围绕煤炭“双碳”发展战略及智能精准开采需求,构建与智能化煤矿建设相匹配的透明地质保障体系,首要任务是提高地质条件透明化理论方法和技术水平。地质条件的精准判识对煤炭资源安全高效开发尤为关键,但由于地质条件多样、特殊、复杂,现阶段地质透明化及动态过程研究程度仍然不够充分。钻、掘、采、落是煤炭安全精准开发及矿井建设中的4个基本步骤,其对应的透明化条件场景涵盖钻孔、巷道、采煤工作面、采空区及废弃矿井等诸多内容。因此,随钻、随掘、随采、随落(后称“四随”)系列物探一体化透明信息的收集与表征至关重要。提出“四随”地质信息重构概念,基于不同的点、线、面、体信息的汇集与整合,逐步形成透明工作面、透明采区、透明煤矿动态的地质模型体系。具体而言,结合井下施工的钻孔所探查和揭露信息,形成孔周边特别是“随钻”过程中的惯性导航、煤岩识别、虚拟地质模型重构等技术突破;利用掘进机械在巷道工作面施工进程中超前探测与岩性分析,“随掘”获得对前方及周边一定范围内地质条件的物性成像和异常判断;根据割煤机及巷道空间布设探测与识别探头,对煤层、顶底板空间岩层进行“随采”过程的精准识别与异常判定,提高对割煤区煤厚及地质灾害体的预报精度;依托布设在采空区的浓度、渗流、湿度、温度、应力、应变等传感器,“随落”过程对采后各类环境及灾害条件进行数据监测与跟踪,提高对异常体和剩余资源的判识能力。基于“四随”动态高精度探查技术,进一步研发地层、构造、采场、资源等多源地质地球物理场数据信息融合技术,通过“四随”探测数据实时获取与融合处理,提高地质信息实时感知与交互能力,辅以虚拟可视、成像等技术,实时修正静态地质模型,完成动态地质模型重构,逐步实现煤矿地质条件的全透明化。通过构建煤矿生产全生命周期智能化信息平台,实现云端信息综合诊断和预警互助,为智能化煤矿建设及资源化评价利用提供可靠的技术支撑。

基于透明地质的综采工作面规划截割协同控制系统

随着煤矿智能化逐步应用开来,透明地质技术成为智能化开采的重要技术支撑之一。针对当前透明地质技术成果在智能开采应用中与装备控制集成融合度不高的问题,研发了基于透明地质的综采工作面规划截割协同控制系统。该系统以智能规划中心和开采控制中心为核心,智能规划中心以地质模型等数据为依据,生成截割模板和控制策略;开采控制中心负责协同控制综采装备,依据截割模板执行控制策略。阐述了系统的两项关键技术,截割模板规划技术和综采装备协同控制技术。截割模板规划技术包括滚筒高度规划和截割工艺段规划。滚筒高度规划采用基于趋势分解与机器学习的滚筒高度预测方法,生成规划高度模板;截割工艺段规划根据单个工艺段的特征,结合中部和端头的截割工艺,形成了工艺段规划表。综采装备协同控制技术包括采煤机支架协同控制和煤流负荷协同控制。采煤机支架协同控制提出了截割前工艺适配和截割中实时调整的控制策略,保证采煤机运行时,支架能够自动跟机作业;煤流负荷协同控制提出了基于线性规划的控制方法,推导出采煤机速度的线性规划函数,用以调整采煤机的速度实现煤流负荷平衡。现场应用和试验表明:采煤机按照规划截割工艺自动执行,试验过程中每刀人工干预次数最大值为25次,人工干预次数下降64.28%~68.75%,刮板输送机负荷平稳可控,没有空载或停机现象。研究成果为智能化开采进一步提升提供了一定的参考价值。

透明工作面动态地质模型构建及应用

地质条件的复杂性已成为制约智能开采发展的瓶颈,亟需查明工作面内部地质发育情况,构建动态地质模型,为煤矿安全智能开采提供地质保障。以黄陵一号煤矿810工作面为例,结合地面钻孔、槽波地震勘探、钻孔探测、巷道测量、地质写实等信息,对工作面的地质条件进行数据融合分析,构建动态地质模型,实现工作面地质信息透明化。研究地质模型与智能开采的交互关系,由地质截割曲线实现基于透明地质的智能割煤,构建的地质模型可满足智能开采的精度要求。该成果可为实现基于透明地质的智能开采模式提供借鉴。

基于透明地质模型的端面距监测及智能控制

在煤炭综采过程中,煤层的分布状态、工作面底板的水平度以及三机的运行姿态对端面距的大小都有着很大的影响,而端面距的大小需控制在合理的安全范围内。陕西黄陵二号煤矿煤层厚度为3.0~5.8 m,且存在一定倾角,对于液压支架与煤壁之间的端面距的维稳缺乏精准的监测功能以及自动化控制手段,因此仍需大量的井下维护人员频繁控制干预。为保证煤炭开采的连续性以及高效性,研发了一种基于数字化透明地质模型的端面距监测及控制系统。该系统是传统端面距监测技术的智能化延伸,主要包括支撑平台、增强感知、基线模板、控制预测4大部分。在大数据智能分析决策平台的基础上,结合透明地质模型数据,形成了端面距监测—预测—控制的新型工作模式。通过在黄陵二号煤矿进行的工业试验,验证了该工作模式达到了减员增效的改造目的,创造了一定的经济和社会价值,对保障综采工作面人员设备安全、高效生产具有重要意义。

煤矿智能地质保障系统研究进展与展望

煤矿地质保障系统是智能化煤矿建设和生产的重要内容,地质透明化是智能地质保障的努力方向。首先从地质勘探设备、地质建模软件、地质数据处理、智能工作面装备等多方面回顾了国内外煤矿地质信息技术发展;然后重点分析了我国智能地质保障系统的技术进展,包括隐蔽致灾地质因素探测技术、地测数据动态获取与地质灾害监测技术、多源数据融合与地质大数据技术、煤矿GIS“一张图”与地质云技术、透明化地质建模与可视化技术、地质保障智能分析技术等。在此基础上,对我国智能地质保障系统建设中的难点问题进行了分析,指出煤岩层识别、地震智能解释和点云三维重建等动态地质测量数据获取技术尚未取得突破性进展,各类地质软件在数据开放性上存在不足,数据格式不能兼容和统一,多源地测数据共享与融合处理能力有待提高,基于大数据和人工智能技术开展地质预测预报和地质隐患防控还需要深入研究。最后探讨了煤矿智能地质保障系统的发展方向,认为地球物理探测装备与基于深度学习的智能解释、全要素多尺度动态地质模型及数值模拟、隐蔽致灾因素智能分析与预测、基于地质模型的矿山动态生产规划等四大方向将在智能矿山建设中发挥重要作用。综上所述,本研究能为矿山智能化地质保障系统建设和采掘应用提供有益的参考。

面向智能开采的地质模型构建技术研究与应用

煤矿智能化开采是未来行业的发展方向,构建工作面的透明地质模型则是基础。当前精细化物探技术精度不高,采用定向钻、人工测量等方法花费大量人力物力,构建的透明工作面煤层空间位置还不够准确,尚无法满足智能开采对基础工作面地质信息的需求。为此,提出利用三维地震数据解释成果融合槽波勘探、钻孔地质雷达、定向钻、生产及钻探揭露的地质信息进行多源数据融合再解释的地质模型构建技术。该技术在中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司锦界煤矿得到成功应用,将工作面三维地质模型的精度从“10米级”“米级”提升到“亚米级”。基于此项技术,锦界煤矿综采工作面实现了智能截割,大力推进了工作面无人化、少人化的目标。

我国煤矿地质保障系统建设30年:回顾与展望

地质保障是煤炭安全、高效、绿色开采不可或缺的基础。综述了我国煤矿地质保障系统建设30年来在保障内涵、基础理论研究、技术与装备研发等方面的主要进展。较为系统地分析了煤炭绿色智能开采背景下地质保障系统建设面临的5方面技术难题:地质信息采集与解释的智能化水平不高,静态地质条件探查精度较低、综合研究程度不高、超前预测可靠性亟待提高,动态地质信息实时在线监测方法单一、致灾响应评价技术标准缺项,地质信息管理与多源异构信息融合的技术水平不高,三维地质模型精度不能满足智能开采对地质透明化的要求。指出煤矿地质保障系统未来应以精准地质预测为目的,以实现地质透明为目标,以精细地质探测和精准地质表征为突破口,重点在以下方向攻关:(1)以建立具有矿井地质特色的全空间地球物理场多参量响应模板为目标,不断加强矿井物探的应用基础研究。(2)低空无人机与智能机器人在地质探测和监测数据采集中的先导性示范研究。(3)加强矿井地质体赋存与分布规律和采动覆岩变形规律研究,探索精准辨识“地质异常”的方法,研究基于矿井地质与工程特色的智能开采地质条件定量描述和分区综合预测评价的理论与方法。(4)多源多维异构地质数据体交换格式与建库标准、工作面地质透明程度量化评价方法研究,研发多源异构地质信息融合-共享与三维可视化技术、基于地质大数据的三维地质几何属性一体化集成建模与自动更新技术等。同时,提出分层分类梯级人才的培养模式。

煤炭精准开采地质保障与透明地质云计算技术

煤炭精准开采的目标是以最少的人力实现煤炭资源的低损失、高产出、无事故、少破坏的全程智能化开采,除了开采工艺、采矿装备、传感感知、物联网、自动化和信息技术外,实现煤炭精准开采的技术关键就是基于四维空间的地质保障和透明地质的云计算技术。全面地论述了煤炭精准开采地质保障的技术内涵和目的,其核心是利用先进的装备和软件实现煤炭开采前、开采中和开采后全矿井地质体和隐蔽属性的精准化、可视化和透明化,并能够对地质灾害和危险源超前预知和防治,从地质层面确保精准开采工作的顺利进行。关于地质保障技术,阐述了地质体几何计算、地质灾害预测预报2个科学问题,凝练了构造地质、煤层地质、地质力学、地质扰动、瓦斯地质、水文地质、透明地质7项云计算技术,同时描述了这些科学问题和关键技术的研究进展。为了发挥地质保障技术在煤炭精准开采中的核心作用,首先,对构造地质精准建模、煤层煤质智能预测、开采扰动破坏分析、瓦斯参数反演和瓦斯灾害预报、水文地质分析和水害预警以及综合地质属性透明化处理等比较困难的科学问题和关键技术给出了解题思路。其次,论述了地质保障软件系统及其应用的云计算架构、主要功能以及在煤炭精准开采中的应用方式,并通过部分应用案例说明了这些技术方案的可行性。最后,指出只要在三轴绝对地应力传感器、宽频段微震传感器、宽量程风速传感器、富水区超前探测、煤层自然发火状态监测和在线水质化验等技术上取得进一步突破,就能为煤炭精准开采提供比较完整的地质保障。

基于透明地质的唐家会煤矿奥灰水防治技术

唐家会煤矿6号煤开采面临导水断层多、隐伏导水构造发育,奥陶纪灰岩(简称奥灰)水害防治难度大的问题。经过不断的探索和实践,唐家会煤矿引进多种先进技术,获取大量地质、水文地质数据,构建智能地质保障系统,形成“物探钻探探查、井上下联合注浆治理、孔中瞬变电磁精细探查、注浆效果孔间电阻率检测、煤层底板微震电法联合监测”的技术思路。通过融合各类静态数据、动态数据、实时数据,完成断层、破碎带、含水层、低阻异常区等充水因素的数字建模,使地质要素、钻探物探数据可视化、透明化,以此为依托,建立一套基于透明地质的奥灰水害全时空防治体系,实现带压开采条件下奥灰水害的精细探查、靶向治理、效果检测和回采监测,取得了良好的应用效果。

煤炭精准开采透明地质条件的重构与思考

矿井透明地质条件是煤炭精准开采智慧化的重要基础。结合矿井静态地质要素大数据信息库、多灾害源全程信息感知与监测、动态地质要素虚拟现实展示、特殊地质因素动态评判与风险判识、预警等智慧模块的交互应用,从静态与动态地质模型角度提出实现煤炭精准生产全过程地质条件透明化的思路。其一,静态地质模型通过采集“空-天-地-井-孔”全方位立体化探测模式数据,融合井巷建设基础地质信息,重构地下空间地质特征数字模型,为资源、构造、井巷等静态因素评价、浏览、计算等提供基础。其二,通过动态地质模型获取掘采工程扰动效应影响下,原生静态地下空间地质条件发生变形与破坏,由此而引起的应力应变场、地质地球物理场、渗流场、温度场、浓度场等状态发生改变的参量特征;以及工程动力学作用下,生产环境周边岩层的离层、裂隙、垮落、围岩失稳、底臌、冲击地压显现、应力集中与释放、煤与瓦斯涌突、突水溃沙等多种灾害源现象的动态地质信息变化量值。特别针对动态地质模型发生与发展过程中状态及参数的显现不同,通过进一步加强多介质、多相、多态、多维、多源数据的有机融合,进行多参数联合反演,搭建井上下复合源信息监控平台,构建耦合信息、致灾因素、灾害前兆等多元信息数据库和时空四维地质信息系统,进行实时连续动态监控;并通过对静态地质模型参数注入和改造,反演地质及灾害源条件的变化状态,实现对煤层精细赋存条件、多灾害源受采掘影响致灾过程的透明化。同时,结合采掘要素对特殊地质条件进行探测与评价,从而实现整个矿井地质条件的透明重构。实施中,还需要利用物联网、云平台、大数据、人工智能、VR等技术,进行资源整合、集成和升级改造,将矿区分散的、零星的地质信息聚集起来,实现“主动感知、自动分析、智能决策”,最终为煤系资源的精准开发利用和智慧矿区的建设管理提供支撑。

智能开采透明工作面地质模型梯级优化试验研究

煤矿智能开采工艺与装备对于地质条件适应性不足,亟需在各种复杂地质条件下构建高精度透明化的煤层地质模型。以山西某地质条件复杂的矿井为例,选择陷落柱、断层、褶曲等较为发育的XY-S工作面,利用勘查、生产阶段获取的地质数据,递进式构建了设计阶段的黑箱模型、掘进阶段的灰箱模型、回采前的白箱模型和开采中的透明模型;以XY-S工作面总长7400 m掘进巷道、1470 m推采范围的实测数据作为统计依据,对不同模型的地质建模精度进行实证分析。试验结果表明:①煤层底板标高的建模误差:黑箱模型10~20 m(仅有钻探数据时)、5~10 m(钻探+三维地震),灰箱模型和白箱模型0~5 m,透明模型0~1.0 m;②断层、陷落柱的控制程度:槽波解释的3条落差为1.5 m以上断层验证可靠,直径为20 m以上陷落柱的解释准确率平均75%,但是槽波探测的陷落柱范围明显偏大、推断的异常区偏多;③煤厚预测误差:主采煤层平均厚度2.70 m,黑箱、灰箱、白箱模型煤厚预测最大误差为1.5 m、均方误差0.5 m左右,透明模型的煤厚预测误差小于0.30 m,但是可统计的实证点偏少。按照智能开采工作面地质模型梯级构建的思路,智能开采前白箱模型的建模精度只能满足自适应截割模拟开采的需求,急需研发随采智能探测、孔中地质雷达、视频煤岩识别等新技术新装备,实现工作面高精度三维地质建模,为煤矿智能开采提供可靠的地质保障。

基于透明地质大数据智能精准开采技术研究

透明工作面是目前智能化开采的重要研究方向,是实现无人化开采的重要途径。针对记忆割煤应用效果较差、传感器精度低、大数据融合应用率低、无法根据工作面地质条件变化进行自主感知、决策和调整等问题,开展了基于透明地质大数据智能精准开采的研究与实践应用。通过钻探、巷道测量和槽波勘探等物探手段来构建较精准的透明工作面三维模型,提前规划截割模板,再联合应用惯性导航技术、雷达定位技术和大数据分析决策技术,来不断修正截割模板,最后通过井下精准控制中心来完成对采煤机和液压支架的精准控制。该技术将当前基于记忆截割的"智能开采1.0"阶段升级为基于透明地质规划截割的"智能开采3.0"阶段,实现由传统的记忆割煤向三维空间感知和自动截割的技术跨越,具有很强的适应性和实用性。

薄煤层智能开采工作面煤层透明化地质勘查技术

智能开采是煤矿迈向高质量发展的必由之路,透明地质是智能开采的关键,为从根本上解决煤层透明化问题,以神东煤炭集团榆家梁煤矿43101薄煤层智能开采工作面为研究对象,研究实现薄煤层工作面智能开采的煤层透明化地质勘查技术。首先,分析整理以往地质勘查、矿井生产以及临近工作面揭露的地质资料,建立工作面煤层勘探地质模型;其次,采用巷道快速写实技术、测量技术等,获取工作面两巷道、开切眼揭露的煤层结构、顶底板起伏等参数特征,并修正勘探地质模型,建立煤层的生产地质模型;然后,分析工作面尺度上煤层、地质构造的变化特征,采用井下定向钻探为主,工程测量、钻孔窥视、岩屑编录等为辅助的煤岩界面综合探测技术,根据获取的煤层厚度、顶底板标高、煤岩层结构、地层倾角等关键性参数,再次修正模型形成煤层半透明化的智能开采地质模型;之后,将建立的半透明化模型输入采煤机系统,设定预想切割曲线,采用工作面支架超前雷达、工作面三维激光扫描、工作面回采地质测量、快速写实等技术探测回采过程中煤层的参数,并实时反馈优化半透明化的智能开采地质模型,形成智能开采工作面煤层透明化地质模型;最后,采用对比分析、回采跟踪、地质建模等技术,根据后续工作面的开采分析该技术体系的适用性和可行性,构建适应于榆家梁煤矿的薄煤层智能开采工作面煤层透明化勘查技术体系,并以数字化方式对整个工作面进行全面统一的三维可视化展示,实现了工作面的煤层透明化生产模型的动态更新,指导采煤机截割轨迹的调整和修正,成果精度满足智能开采要求。

唐家会煤矿透明地质保障系统构建及示范

唐家会煤矿智能化建设面临导水断层发育、带压开采等制约因素,地质条件不透明成为智能开采的技术瓶颈。唐家会煤矿以奥灰水害防治为重点,采用孔中瞬变电磁、孔间电阻率、随掘地震、随采地震、微震监测5项先进技术,构建了实时动态透明地质保障系统,实现基于透明地质模型的水害防治、快速掘进和智能回采3个目标,以支撑自主截割快速掘进和自主规划智能回采2条智能采掘作业线,其中,随采地震探测技术在61304智能回采工作面超前80 d、344 m发现了SYC1异常区并持续跟踪预报,现已得到回采揭露验证。透明地质保障系统的示范应用,取得了显著的经济效益和社会效益:①61304工作面解放了受奥灰水威胁近100万t煤炭资源;②61302快速掘进工作面的进尺由原来的260 m/月提高到352 m/月;③61304智能开采工作面日常用工减少70%。