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。      

透明地质保障技术构建方法

煤炭地质保障技术贯穿于煤炭工业的全生命周期,是实现煤炭资源安全高效智能绿色开采的基础和前提,在灾害防治、隐蔽致灾因素探查、煤炭智能开采等方面发挥着关键作用,而地质透明是提高智能分析与决策、自动精准控制与高效采煤能力的关键核心任务。以乌海矿区为例,为解决矿区智能化建设面临的地质条件复杂、透明地质保障能力薄弱的问题,采用以随掘地震、随采地震为代表的智能探测技术,获取采掘工作面实时地质数据;通过构建数据底座,利用多源数据融合技术,实现海量地质数据的融合分析;基于多源数据融合结果,构建三维地质几何模型和水、火、瓦斯等多属性模型,利用实时地质数据驱动模型更新,实现构造、水、火、瓦斯等隐蔽地质规律与分布特征的数字化表达。以地质模型为基础,融合地质异常体空间位置、几何大小、属性信息等,构建透明地质保障系统,实现隐蔽致灾因素的地质预报,为煤矿安全高效开采提供智能决策。研究成果为实现乌海矿区煤炭智能化开采提供地质保障,对于推动全国煤矿智能化建设具有重要的借鉴意义。      

采掘工作面地质信息数字孪生技术

矿井地质透明化是智能化煤矿建设的基础,三维地质建模是实现矿井地质透明的重要手段,以往采掘工作面地质建模存在插值算法不符合地质规律、多源异构地质数据融合程度低,以及煤矿生产装备与地质信息耦合少等问题。提出煤矿采掘工作面地质信息数字孪生的概念,采用离散光滑插值(Discrete Smooth Interpolation,DSI)算法,利用钻探数据及地震构造解释数据地质建模,建立DSI平行相似约束后迭代计算得到的地质综合模型。开发了三维地质建模软件,实现了点(地质点)、线(地质界线、地层界线)、面(三维地质界面)、体(封闭地质体)4种地质对象的构建,在体对象基础上开发了立方网功能,基于区域统计学算法对体对象内的空间数据进行属性插值。使用建模软件构建掘进、回采工作面数字孪生的地质模型载体,接入微震监测系统、电阻率监测系统、随掘地震监测系统、随采地震监测系统实时监测数据,实现工作面地质信息数字孪生,反映采掘扰动下的地质变化;为煤矿掘进生产提供基于地质模型的场景仿真和掘进规划巷道断面曲线下发,指导掘进机自主掘进,提供掘进前方地质异常距离预警,保障掘进地质安全;为回采工作面提供基于地质模型的场景仿真和规划截割曲线,指导采煤机自主规划截割,提供回采前方地质异常构造位置、应力集中区位置距离预警,提高回采工作的安全性。该技术在内蒙古鄂尔多斯唐家会煤矿进行了应用,为安全、高效采掘工作提供地质保障。      

煤矿回采工作面智能地质保障技术进展与思考

煤矿地质保障技术是实现煤炭精准开采和绿色采矿的关键路径,针对智能开采需求和地质保障要求,分析了回采工作面地质保障主要面临的难题,包括基础理论研究薄弱、地质探测精度不足、建模精度无法满足工程应用、模型动态更新困难、缺乏基于时空演变的智能回采全局路径最优决策手段等。根据面临的难题和技术现状,对陕西延安黄陵一矿和陕西神木榆家梁煤矿智能开采地质保障技术进行了探索实践。黄陵一矿以810综采工作面智能开采为目标,采用综合探测、数据融合等技术,构建工作面静态地质模型,利用地质雷达、惯性导航技术,动态修正工作面地质模型,通过对“透明工作面”高精度地质模型“CT切片”,获取采煤机关键截割曲线,与回采工艺、装备形成耦合协同、联动控制模式,实现基于三维空间感知和智能数据分析的规划截割,推动黄陵一矿810综采工作面实现智能无人化开采。榆家梁煤矿提出构建基于时空数据模型的智能自主割煤工作面无人化开采模式,融合多源异构地质数据建立智能开采工作面多属性地质数据库,构建基于绝对坐标的43101工作面高精度时空地质模型,并基于时态地理信息系统平台(4DGIS)进行三维地质模型可视化,实现地质模型的任意剖切,结合随采地质...     

基于改进型突水系数法治理底板奥灰水害技术

针对渭北煤田下组煤底板超薄隔水层条件下,煤层开采过程中底板奥灰水害防治技术难题,依托渭北煤田韩城矿区桑树坪煤矿奥灰水害治理课题,基于煤矿井下近水平定向钻进技术,提出底板奥灰岩层顶部利用与注浆改造的防治水思路。(1) 考虑底板破坏带失去阻水能力的因素,结合突水系数法确定奥灰顶部利用与注浆改造的临界厚度,采取自工作面两端相向钻进的方式开展定向钻孔探查,依据探查情况,结合压水试验结果,确定钻孔注浆工艺及参数,分析注浆效果。(2) 采用地面三维地震、地面瞬变电磁探查采区低阻异常和构造发育情况,采用直流电法或瞬变电磁探查巷道工作面前方富水区,待巷道系统形成后,采用直流电法测深、音频电透视探查巷道和工作面底板下的富水区,采用无线电波透视探查工作面构造及煤厚变化情况。最后根据物探和定向钻探的探查结果,实施检查技术,综合评价带压开采的可行性。研究表明,奥灰顶部富水性弱,可作为相对隔水层利用,突水系数已降至0.073 MPa/m以下,为今后进一步完善《煤矿防治水细则》突水系数临界值的确定提供坚实的依据,确保了工作面安全回采,形成了修正的突水系数法结合“探查?注浆?检查”的奥灰水害防治技术体系,延伸了矿区安全开采下限。      

煤层顶板砂岩水定向钻孔预疏放效果检验

煤矿井下定向钻进技术具有钻孔轨迹可精确控制、有效距离长、一孔多用等优点。针对唐家会矿顶板水害,采用定向长钻孔进行预疏放,通过首采工作面的疏放水实践以及穿层钻孔检验,顶板水疏放效果明显,为工作面掘进和回采提供了安全保障。     

滕州矿区滨湖煤矿16煤开采突水特征分析及防治途径

根据滨湖煤矿16煤开采以来发生的突水案例,总结分析了突水类型、规律及其原因,提出了不同水害的防治技术途径。研究表明:16煤开采以来发生的6次突水,包括1次掘进突水和5次工作面开采突水。突水水源为:顶板十下灰水、上部采空区积水、底板薄层灰岩水和基底奥灰水;突水通道主要为采动裂隙,构造裂隙及潜在的陷落柱。对6次突水的原因进行了具体分析。提出了不同水害类型的主要防治技术途径,主要为:疏干十下灰,探放12下煤采空区积水,疏降十四灰以及探防陷落柱突水,疏降奥灰水压并结合改革采煤方法、人工强制放顶、留设断层煤柱、注浆加固断层裂隙密集区以及完善排水系统等方法。     

古韩联营煤矿3^#煤层带水压开采条件评价

提出古韩联营煤矿3^#煤属带水压开采,采掘过程中对3^#煤安全开采最大的潜在威胁是构成煤系基底的K2灰岩和奥灰岩溶裂隙水。分析和计算了这两个含水层的突水系数,评价得出K2灰岩和奥灰含水层属于可能发生底板突水危险地区,建议在矿井巷道掘进和工作面回采过程中应采取相应地防治水技术和措施来保证矿井的安全生产。     

特殊构造条件下煤炭综放开采顶板涌水机理及防治

煤炭资源开采中采场顶板水水害是威胁工作面安全生产的灾害之一。以兖州矿区东滩煤矿综放开采14310工作面在回采过程中的涌水情况为例,在分析地质和水文地质条件基础上,从构造控水机理出发,分析了工作面特殊构造条件下顶板砂岩含水层的赋存规律和涌水规律,实施了14310工作面安全回采的探、放水工程、泄水巷工程和完善排水系统等相关水害综合防治方法,最终实现了工作面的安全回采。      

厚煤层放顶煤开采底板突水机理及水害探查技术

为研究受奥陶系灰岩(简称"奥灰")水威胁的工作面能否采取放顶煤开采,选择准格尔煤田黄玉川煤矿研究奥灰突水机理。该矿6上煤底板承受奥灰水压为0～4.49MPa,隔水层厚度为54.296～75.78 m,6上煤底板奥灰突水系数为0～0.085 MPa/m,绝大部分区域小于临界突水系数0.06 MPa/m;而一盘区巷道掘进遇断层时曾发生多次突水,说明该区具有不同的突水机理。矿井断层、裂隙发育,存在隐伏陷落柱,对断层、陷落柱的放水试验发现,北北东向地质优势面控制奥灰含水层富水性。在黄玉川煤矿216上01工作面,通过定水头压水试验测得底板最大破坏深度为34.9 m,阐明了准格尔煤田底板奥灰强渗通道耦合底板破坏的突水机理,改变了从纵向上认识底板奥灰突水的传统,从平面上施工小角度定向长钻孔探查垂向强渗通道,并进一步局部注浆加固,解决了采掘过程中的奥灰水害。     

ZDY4500LFK全自动钻机开发与应用

为加速推进煤矿智能化建设,满足矿井透明地质保障系统构建需求,提高各类钻孔施工的自动化程度,减少井下工人数量,开发了ZDY4500LFK型全自动钻机,并配套开发了钻机的地面监测和控制系统。提出了该钻机结构设计方案,钻机地面监测和控制系统的组成和方案。并结合钻机在淮河能源西部煤电集团唐家会煤矿透明地质保障系统钻孔施工应用中遇到的问题,提出了杆仓列定位、自动接卸扣等关键技术,提高了钻机的可靠性、自动化程度。工业性试验结果表明:开发的地面监测和控制系统功能性、实时性满足使用要求,采用相关技术后,全自动钻机各系统运行可靠,杆仓列定位精准,主动钻杆丝扣磨损明显减少。研制的ZDY4500LFK型全自动钻机及其配套监测和控制系统减少了井下施工人员的数量,实现了稳定的全自动钻孔作业,为唐家会煤矿透明地质保障系统提供了可靠装备支撑。      

基于地震动态地质建模的地面防治水定向井优化

煤层底板高承压奥灰水治理中,地面定向井设计与施工优化,主要依托二维AutoCAD地质图件开展。为避免复杂地质条件下目标靶区钻遇率低甚至脱靶等问题的产生,提高精准靶向水害治理的效果,提出基于三维地震动态地质建模开展水害防治定向井优化的技术。通过对比分析钻井优化技术方法的现状与问题,以地面防治水钻探工程的特定需求为出发点,指出地质模型导向适用于靶向水害防治定向井优化。在建模理论分析基础上,研究以地震数据为中心的体模型建模方法,分析定向井轨道设计相关的地质模型关键要素,探讨模型动态更新与井轨迹调整策略。以唐家会煤矿6煤底板奥灰水治理地面钻探工程为例,定向井设计阶段,基于地震数据,应用体模型建模方法构建包含地层、断层、异常体的三维地质模型,在异常体三维几何形态和地层裂缝属性的控制下,拾取关键靶点,提供多分支水平井轨道设计;定向井施工阶段,跟踪随钻数据及时修正地质模型,提供靶向倾角调整建议,提高井轨迹目标地层着陆精度和异常体钻遇率。实践表明,基于地震动态地质建模的定向井轨道设计与轨迹优化,有利于提高钻探工效、创造良好的注浆条件,达到提高异常靶区治理效果的目标,为奥灰水害防治的智能化决策奠定基础。      

实测阻水系数评价奥灰突水危险性方法研究

开采受奥灰水威胁的煤层时,通常都把突水系数作为安全评价的依据,此方法存在一定局限性。采用室内小尺寸水力压裂试验测得煤层底板的阻水系数;用实测的阻水系数对兴隆庄煤矿首采区下组煤(16_上煤、17煤)带压开采时奥灰水的突水危险性进行了评价。结果表明,该方法评价奥灰突水危险性直观、清晰、简洁,值得推广。      

地震属性技术在奥灰裂隙发育带预测中的应用初探

简单介绍了地震属性技术和模式识别方法及其在许厂煤矿奥陶系灰岩裂隙发育带预测中的具体应用。预测结果表明,地震属性技术及模式识别方法的综合应用为预测奥灰裂隙发育带提供了一种有效的方法。      

The identification of fault zones in deep karst aquifer of North China coal mine using parallel directional well logs

Water inrush from Ordovician karst aquifer in North China coal mine has become a key issue on underground coal mining. To address this problem, it is necessary to identify fault zones, because fault zones might connect limestone aquifers and coal seams, enabling Ordovician karst water to enter the mine. In the study area, a series of parallel directional holes were drilled along Ordovician limestone at depths between 70 and 90 m under Ordovician limestone boundary. To conveniently detect fault zones and govern mine water disasters, a series of natural gamma-ray logging while drilling (GRLWD) were undertaken. The entire detecting region can be comprehensively covered by several directional borehole groups. Then, fast Fourier transform and short-time Fourier transform approaches were employed on the basis of GRLWD data and geological data to extract faults information. A segmented identification method for deep fault zones was established in this study. This method can be used to markedly improve the identification of fault zones within Ordovician limestone or the unitary lithology formation and provide crucial information relevant for deep coal mining safety.