程建远-煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术.pdf

第 44 卷第 8 期煤 炭 学 报Vol. 44 No. 8 2019 年8 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2019 移动阅读 程建远,朱梦博,王云宏,等. 煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术[J]. 煤炭学报,2019, 4482285-2295. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. KJ19. 0510 CHENG Jianyuan,ZHU Mengbo,WANG Yunhong,et al. Cascade construction of geological model of longwall panel for intelligent precision coal mining and its key technology[J]. Journal of China Coal Society,2019,4482285-2295. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. KJ19. 0510 煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及 其关键技术 程建远1,朱梦博1,2,王云宏1,岳 辉1,崔伟雄1 1. 中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077; 2. 煤炭科学研究总院,北京 100013 摘 要随着国家大力推进工业化与信息化融合,煤炭智能精准开采已经成为行业大趋势,众多煤 炭企业和科研院所开展了一系列试验研究和工业示范工程。 然而,地质条件的适应性不足已经成 为制约煤炭智能精准开采的技术瓶颈,迫切需要构建高精度、透明化的工作面三维地质模型。 以黄 陵煤矿某智能化工作面为例,分析了智能精准开采对地质透明化的时空需求,一方面要确保工作面 前方未采区域一定范围内地质条件的“透明化”,另一方面要在采煤机完成一次截割的时间内完成 透明化工作面三维地质模型的动态更新。 统筹分析工作面地质探测技术现状和智能开采的集控水 平,提出了构建透明工作面三维地质模型的总体思路按照不同的地质、采掘阶段,将回采工作面地 质模型分为 4 个层级,即黑箱模型、灰箱模型、白箱模型和透明模型。 在工作面设计阶段,基于地面 钻探与采区三维地震资料,可以构建工作面的“黑箱模型”,其精度处于“十米级”;在工作面掘进阶 段,开展三维地震资料地质动态解释,可以构建工作面的“灰箱模型”,其精度处于“十米级 米 级”;在工作面采前阶段,综合利用槽波、坑透等工作面地质勘探技术,可以构建工作面的“白箱模 型”,其精度能够达到“米级 亚米级”;在工作面回采阶段,动态融入回采揭露的地质信息,并进行 随采地震动态监测,可以构建起工作面前方 50 m 的工作面“透明模型”,其精度达到“亚米级”。 为 此,亟需研发一批关键技术与装备,主要包括三维地震资料地质动态解释技术、煤矿井下孔中物探 技术与装备、回采工作面随采地震监测技术、工作面监测数据地质信息提取和多源异构地质信息动 态融合技术等,逐级构建智能开采工作面的地质模型,渐次实现工作面的三维地质透明化,为煤炭 智能精准开采提供地质保障。 关键词煤炭开采;智能化;透明化;回采工作面;三维地质模型 中图分类号TD67 文献标志码A 文章编号0253-9993201908-2285-11 收稿日期2019-04-22 修回日期2019-06-10 责任编辑韩晋平 基金项目国家重点研发计划资助项目2018YFC0807804;黔科合重大专项资助项目[2018]3003-1 作者简介程建远1966,男,陕西乾县人,博士生导师,研究员。 E-mailcjy6608163． com 通讯作者朱梦博1991,男,湖北黄冈人,博士研究生。 E-mailmengbo_zhu163． com Cascade construction of geological model of longwall panel for intelligent precision coal mining and its key technology CHENG Jianyuan1,ZHU Mengbo1,2,WANG Yunhong1,YUE Hui1,CUI Weixiong1 1. Xi’an Research Institute,China Coal Technology 2. China Coal Research Institute,Beijing 100013, China AbstractIntelligent precision coal mining represents the trend of mining industry with the national integration of infor- matization and industrialization. Lots of coal enterprises and research institutes have carried out a series of experimen- 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 tal researches and industrial demonstration projects of intelligent precision coal mining. However,the insufficient adaptability of geological conditions has been a technical bottleneck of intelligent and precise coal mining. It is urgent to construct a high-precision and transparent 3D geological model for coal long-wall panel. Based on an intelligent longwall panel of Huangling Coal Mine,the spatio-temporal demand of geological transparency for intelligent precise coal mining has been analyzed. On the one hand,it is necessary to ensure the transparency of the geological conditions in a certain range of unmined area in front of the working face;and on the other hand,it is necessary to update the 3D geological model of the transparent longwall panel for every cutting cycle dynamically. Based on the analysis of the cur- rent situation of geological exploration technologies and the level of central control,the general idea of constructing 3D geological model of transparent longwall panel has been put forward. According to different geological exploration and mining stages,the 3D geological model of working face can be classified into four stages,which are black,gray,white and transparent box models. In the long-wall panel planning and design stage,the geological “black box” model can be constructed based on the ground boreholes and 3D seismic data,and its precision is about 10-meter. When the in- take and return airways and start-up room are excavated,the geological “gray box” model can be established based on the geological data from ground and underground,such as boreholes,roadways and the dynamic interpretation of 3D seismic data,and its precision is about 10-to 1-meter. In pre-mining,the “gray box” model can be refined into “white box” model by using in-seam seismic technology and the gateway radio wave penetration technology. The precision of “white box” model is about 1-to sub-meter. During the coal mining period,a local area within 50 m ahead working face is transparent based on the dynamic combination of mining data and seismic while coal mining monitoring results. The precision of transparent model is about sub-meter. To construct above four models,the following five key technolo- gies/ equipments should be developed① Geological dynamic interpretation of 3D seismic data;② Geophysical explo- ration technology and equipment in drill holes;③ Seismic monitoring technology while coal mining;④ Geological in- ation extraction of working face monitoring data;and ⑤ Multi-source heterogeneous geological ination dynamic fusion. In this way,a dynamic transparent model could be constructed gradually during the process of mining,aiming to provide geological supports for the precision coal mining. Key wordscoal mining;intelligentialize;transparentizing;longwall panel;three-dimension geological model 随着国民经济快速发展对能源的需求驱动和科 学技术的不断进步,我国煤炭开采方法 70 a 来历经 了人力开采、炮采、普采和综采及综采放顶煤等几个 不同的发展阶段,目前正在迈向智能化开采的新阶 段[1-3]。 2014 年,陕煤集团黄陵矿业公司一号煤矿 1001 工作面率先实现了“有人巡视,无人值守”的智 能化开采,成为我国煤炭智能化开采的里程碑和标志 性事件[4-6]。 2016 年,国家发改委、国家能源局发布 了能源技术革命和创新行动计划 20162030 年,明确提出“我国 2030 年实现智能化开采,重点 煤矿区基本实现工作面无人化、巷道集中控制” [7]。 据初步统计截止到 2018 年底,全国已有 145 个采煤 工作面实现了智能化开采,智能化、少人化、无人化开 采已经成为未来煤炭开采技术的发展趋势。 煤炭开采是一个复杂的系统工程,智能化开采得 益于一个庞大技术集群的深度融合,如煤机装备智能 化制造、采掘系统自动化控制、超宽带信息传输以及 现代采矿技术进步等。 目前,我国煤炭智能化开采技 术在煤机自动化、工作面自动找直、视频监测监控等 方面取得了显著的技术进步,在地质条件简单的工作 面初步形成了基于远程视频监控和人工干预相结合、 以记忆截割为特征的智能化开采模式[8-9]。 受煤岩 自动识别尚未取得突破的技术制约,国内智能开采一 般选择在无断层、无陷落柱、煤厚稳定、煤层倾角较小 等地质条件简单的工作面进行,而在复杂地质条件下 的智能化开采还存在诸多技术难题[10]。 受煤层赋存 地质条件探测精度不足、煤岩动力灾害耦合机理不清 等因素影响[11],煤炭智能化开采技术的适应性普遍 遇到一些技术瓶颈问题[12]。 为了满足煤炭智能化开采的地质需求,国内外学 者近 10 多年来进行了大量的煤岩识别技术研究,试 验了包括声学、光学、电磁、地震、热力学、核物理等 20 余种物探手段的有效性,还探索了采用截割阻力、 电机驱动力、立柱压力等机电设备监测参数开展煤岩 识别的可行性,但是尚未取得技术突破和推广应 用[13-17]。 2017 年,中国工程院袁亮院士在煤炭精 准开采科学构想 [18]一文中,首次提出了基于透明空 间地球物理和多物理场耦合、实现不同地质条件下煤 6822 第 8 期程建远等煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术 炭开采扰动影响、致灾地质因素探查等科学构想,形 成了煤炭资源智能精准开采的系统思维。 受这一思 路启发,笔者跳出以往煤岩直接识别技术的困境,提 出多层级、递进式、高精度三维地质建模的思路,综合 运用物探、钻探、采掘工程等多种地质信息采集手段, 采用从地面探测到井下探测、由地质预测到采掘反 馈、由静态探测到动态探测的技术路线,构建不同勘 探、采掘阶段的三维地质模型。 由远到近,由粗到细, 步步为营,逐步求精,将工作面三维地质模型的精度 从“十米级”、“米级”提升到“亚米级”,并渐次实现 回采工作面前方地质条件的递进透明,以多层次、高 精度地质探测方法,破解智能化开采面临的地质难 题,最终实现煤炭智能精准开采工作面的三维地质透 明化。 1 透明化工作面的提出 1998 年,美国前副总统戈尔首次在加利福尼亚 科学中心提出了“数字地球”的概念,他设想以计算 机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础,以宽 带网络为纽带,以多分辨率、多尺度、多时间和多种类 的三维描述为特征,构建一个数字化的地球模型即 数字地球,为人类可持续发展和社会进步提供高质 量的服务[19]。 1999 年,澳大利亚学者提出了“透明 地球”的概念,希望通过遥感、地质、地球物理等手段 使澳大利亚地表以下 1 000 m 以内变得透明。 随着基于“3S”即 GPS,GIS,RS的信息采集技 术、基于互联网和移动互联网的信息传输技术、基于 虚拟现实VR,Visual Reality、增强现实AR,Aug- mented Reality和混合现实MR,Mix reality的可视 化技术以及大数据、云计算、人工智能AI,Artificial Intelligence的计算机技术等相关学科的快速发展, 国内外学者相继提出了数字城市DC,Digital City、 数字矿山DM,Digital Mine等概念,即按三维坐标将 数字化后的地形地物、地层构造、采掘工程、监测监控 等多源异构信息加以融合,详细刻画煤矿开采地质条 件与生产动态信息,进而构建“数字矿山”的三维可 视化模型[20-23]。 “数字矿山”的核心是信息技术,包 括地上-地下、地质-地球物理大数据的一体化采集、 存储、处理和显示,以及基于海量、多源、多维、异构勘 查数据的快速、动态、精细三维地质建模,通过地质时 空大数据分析与数据挖掘为矿山生产管控提供信息 化、可视化的技术支持。 我国煤炭工业在信息化、工业化的深度融合进程 中,催生了煤矿开采的智能化需求,智能化、少人化、 无人化以及透明矿井、智慧矿山等概念应运而生,其 中透明矿井是实现真正意义上煤炭智能化、少人化、 无人化精准开采的基础和前提[24]。 围绕透明矿井建 设,衍生出透明化工作面的地质需求。 实际上,透明 是一个相对的概念,实现整个矿井的透明化是一个不 断追求的终极目标。 由于煤炭开采是一个在时间、空 间上动态发展的过程,无需也无法实现整个矿井地下 地层与构造的“一次性”透明;相反,只要能够超前实 现矿井计划开拓的局部区域、采掘前方有限范围的地 质透明化,就可以满足煤炭资源安全、高效、精准开采 的阶段地质需求;而随着井巷工程的不断延伸,其所 涉及范围不断透明化,最终有望实现透明矿井的目 标。 因此,从煤炭智能化开采的现实地质需求出发, 逐次实现掘进工作面、回采工作面的地质透明化,就 能够满足煤炭智能精准开采地质保障的需要[25-26]。 可以看出从“数字地球” 到“透明地球”、从 “数字矿山”到“透明矿井”以至于“透明工作面”等 不同概念的提出和演化,是不同历史发展阶段信息 技术进步与工业化需求相互碰撞的产物。 实际上, 地球是不可能“透明”的,“透明”只能是一个不断 逼近的动态过程。 但是,在目前的技术水平下,利 用多种地质信息采集、处理手段,在一个有限范围 内建立相对透明的三维地质模型是有可能实现的, 例如因为煤矿井下回采工作面的范围有限,利用物 探、钻探、采掘揭露等手段,实现“透明化工作面”在 技术上是可行的。 2 智能开采对工作面地质透明化的需求 2． 1 智能开采工作面的集控水平 煤炭智能精准开采技术是指采用具有感知能力、 记忆能力、学习能力、决策能力的液压支架、采煤机、 刮板运输机简称“三机”等综采装备,以自动化控 制系统为核心,以可视化远程监控为手段,实现综采 工作面采煤生产全过程“无人跟机作业,有人安全巡 视”的高效开采技术。 为此,煤炭智能精准开采必须 超前查明回采工作面的地质变化,包括煤层顶/ 底板 起伏、煤层厚度、断层、陷落柱以及应力集中区等;通 过在透明化工作面上进行“数字采矿”的模拟推演, 提前规划采煤机的预想截割曲线,变以往的“记忆截 割”为“预想截割”,最终实现地面人员远程操控、地 下无人化开采的目标。 透明化工作面地质模型是在特定的时-空条件 下构建的。 在空间维度上,智能精准开采工作面的运 输巷道、回风巷道和开切眼已经形成,煤层已被从采 区局部分割出来,并处于回风、运输巷道和开切眼的 三面合围之中,成为一个有限空间的孤立煤体;在时 7822 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 间维度上,工作面回采是从开切眼开始,通过采煤机 滚筒截齿从两巷的斜切进刀、沿工作面宽度方向截割 煤层,如此往复运动,逐步向前推进,最终完成整个工 作面回采。 因此,煤炭智能精准开采要求工作面的地 质透明化必须满足智能开采对地质条件的时空需求, 既要确保工作面前方未采区域一定范围内地质条件 的“透明化”,也要在采煤机完成工作面一次截割的 时间内完成透明化工作面三维地质模型的动态构建 和逐级优化。 以黄陵煤矿某智能化工作面为例在时-空条件 上,该工作面主采侏罗纪延安组 2 号煤层,该煤层厚 度在 1． 09 2． 88 m,平均厚度 1． 8 m 左右,煤层普氏 硬度系数 2． 5 3． 0,煤层顶板为砂岩;工作面倾角小 于 5; 综 采 工 作 面 倾 斜 长 度 235 m, 走 向 长 度 为 3 000 m;采煤机滚筒直径 1． 8 m,采煤机平均行进 速度 6 m/ min;每刀截割深度 0． 80 m;每班平均完成 5 刀。 据此推算采煤机完成工作面 1 刀截割煤层的 时间约 50 min,每个班 8 h 工作面的推进距离约 4 m[6]。 另据报道在智能工作面的“三机”协同控制 方面,澳大利亚工作面三维地质模型的精度达到 5 cm,采煤机三维绝对定位误差 10 cm,采煤机滚筒 自动调高的控制误差已经达到 10 cm;工作面自动找 直 LASC 系统的单架移位控制误差达到5 cm、倾向长 度 300 m 工作面的支架直线度误差小于 30 cm,工作 面200 个液压支架远程控制延时小于500 ms、采煤机 远程控制延时 300 ms[27-28]。 可见,煤炭智能精准工作面煤机装备自动化、信 息化的集控水平,已经达到了很高的水准。 这对透明 化工作面地质模型的精度要求和实时性等方面提出 了新的挑战,成为透明化工作面地质模型构建的硬约 束。 2． 2 工作面地质探测的技术现状 2． 2． 1 地面综合勘探的精度“十米级” 煤炭地质工作对于地下煤岩层的控制精度,一方 面与地质勘查阶段有关,因为不同的勘查阶段投入的 实物工作量不同;另一方面,也与所采用单一勘探方 法的技术水平和多种勘查手段的综合应用等密不可 分。 煤矿采区勘探阶段是煤炭资源勘探阶段的最高 境界,也煤炭资源采前地质勘探的最后一个环节;期 间,开展了包括采区三维地震、采区电法勘探和地面 地质钻探等综合勘探工作,其综合勘探精度也处于煤 矿采前地质勘探的最高水平。 以煤矿采区三维地震 为例按照 2017 年颁布的煤田地震勘探规范,要 求在先期开采地段第 1 水平和初期采区内开展三 维地震时,应查明主要煤层中落差 5 m 以上断层、直 径 50 m 以上的陷落柱,其平面摆动误差控制在 30 m 以内;煤层埋深 100 200 m 时,底板标高的解释误差 不大于 3 m,煤层埋深 200 m 以上时,底板标高的解 释误差不大于埋深的 1． 5等。 大量的探采对比工程实践表明[29-30]目前,地面 地质勘查精度属于“十米级”的层次,这与智能开采 对工作面地质透明化“亚米级”的精度要求相距甚 远。 2． 2． 2 煤矿井下探测的精度“米级” 煤矿井下地质探测手段包括常规的井下钻探、矿 井物探,也包括井巷工程揭露等。 矿井物探可以直接 在工作面巷道中实现对煤层探测,其探测距离短、分 辨率高,是工作面采前地质条件的高精度物探手段。 目前,煤矿井下回采工作面的槽波地震探测技术、无 线电波透视技术在超前查明工作面内部隐伏断层、陷 落柱、煤层变薄区等方面发挥了重要作用,能够查明 落差1/2 煤厚的断层、10 m 以上陷落柱等地质异常 体,其探测精度与地面勘探手段相比明显提高[31-32]。 从理论上讲,煤矿井下钻探技术具有地面钻探无法比 拟的得天独厚优势,它可以近距离、多方位地直接揭 露煤层及其围岩,且数量众多,包括用于瓦斯抽采和 超前探放水的穿层钻孔、顺层钻孔等;实际上,由于大 多数煤矿井下钻孔不取芯、不测井、不测斜甚至无法 确保开孔方位的准确性等原因,其对煤层厚度、顶底 板标高的控制精度处于“米级”甚至“十米级”。 煤矿 井下长距离近水平沿煤层定向钻进技术在一定程度 上弥补了常规钻探技术的不足,它可以实时测量钻孔 轨迹,动态控制钻孔偏斜,需要时还可以通过分支孔 进行煤层的探顶、探底作业,对煤层顶底板标高和煤 厚变化的控制精度能够达到几十公分。 但是,定向钻 进技术目前主要用于长距离瓦斯抽采和探放水作业, 很少用于工作面地质条件探测。 因此,煤矿井下钻探、物探技术对工作面的地质 探测精度,总体上可以达到“米级”水平,依然不能满 足智能开采工作面地质透明化的精度需求。 2． 2． 3 智能开采的精度要求“亚米级” 目前,智能开采工作面采煤机滚筒自动调高的控 制精度已经达到 10 cm,即“亚米级”层次,而现有地 面与井下地质探测手段的技术能力尚处于“十米级” 和“米级”水平。 如何缩小两者的差距,为智能化开 采提供透明化工作面的“地质导航”,成为一个亟待 解决的关键技术难题。 尽管采煤机滚筒自动调高精度具备“亚米级” 的能力,从现场实际需求出发,采煤机割煤过程本 身并不要求是一个精确控制的过程,因为采煤机滚 8822 第 8 期程建远等煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术 筒自动调整的速度及梯度均不宜过大,否则会造成 顶底板过渡不平缓、顶底留台导致推溜、移架出现 问题;只要保证采煤机滚筒轨迹最大限度趋近煤岩 界面、工作面顶底板截割曲线整体上平缓过渡,确 保“三机”的协调运转和高效采煤是最高目标,而无 需为了不留顶煤而造成采煤机的频繁调整和过度 磨损,更何况有时为了规划的截割曲线光滑还要人 为主动地留设一部分顶煤或底煤[33]。 因此,从这个 角度上讲,煤层顶底板标高的控制误差可以在“亚 米级”的基础上相对放宽。 根据采矿专家的建议 如果能够始终保证工作面前方 50 m 范围煤层起 伏、煤厚变化的预测误差不大于 30 cm,基本上就能 够满足智能回采工作面的截割轨迹预先设计、“三 机”协同参数调整的时间和精度要求。 另一方面, 无论是地面还是井下综合勘探,除了本身的技术水 平之外,以往都是从单一技术、静态探测、线性思维 方式上考虑问题,未能发挥集成技术、动态探测、系 统思维的整体优势,也是造成地质勘查精度难以由 “米级”提高到“亚米级”的原因之一。 因此,破解目前智能开采工作面面临的地质透明 化难题,一方面需要不断提高综合地质探测手段的精 度,另一方面应该在不影响智能化开采的前提下追求 整体最优而不是局部最优;同时,加快新技术研发、成 熟技术融合,尽快通过各种新技术新装备的研发提高 地质勘查精度,以达到智能化开采需求与地质探测精 度之间的折中处理,实现智能化开采技术组合的整体 最优化。 系统论中有一个著名的观点“整体大于局 部之和”。 如果把工作面地质透明化作为一个系统 工程进行整体思考,就可以充分发挥地面与井下、物 探与钻探、探测与采掘、静态数据与动态信息等在时 间、空间上的综合优势,利用煤矿采掘工程空间上的 实见性、时间上的动态性特点,以煤矿井下采掘工程 不同时段揭露的地质信息为约束,将钻探、物探与采 掘等多源异构地质信息进行动态融合,进而构建回采 工作面动态、逐级三维地质透明化的模型,使其整体 精度接近或达到智能开采的需求,为煤炭智能开采提 供透明化工作面的地质数据支撑。 3 工作面地质透明化模型的梯级构建 3． 1 工作面地质透明化建模的思路 智能开采工作面的地质透明化是实现煤炭智能 精准开采的基础和前提,而如何构建回采工作面高精 度的三维地质模型是其核心技术。 由于地质科学是 一门实践科学,只有通过“实践认识再实践再 认识”这样一个周而复始的过程,通过不断采集 信息、提出假设、分析判断、形成模型、提供验证、信息 反馈、模型优化这样一个流程才能提高地质认识,渐 次逼近地质的真实[34]。 因此,回采工作面地质透明 化模型的构建,必须充分发挥不同采集手段如探 测、采掘、验证、不同开采时段如采前、采中、采 后、不同空间条件如地面、井下、孔中的综合交叉 优势,由远到近,由表及里,由粗到细,构建工作面不 同层级的三维地质模型,逐级、渐次实现工作面三维 地质建模精度从“十米级米级亚米级”的提升, 最终逼近回采工作面地质透明化的理想。 因为对于 任何一种地质探测手段而言,距离探测目标越近则预 测精度越高;对于任何一种地质建模方法而言,信息 获取的丰度和融合的深度愈充分,则愈有可能实现高 精度三维地质建模。 笔者以工作面地质建模前有无 掘进巷道、采掘工程揭露的范围大小以及工作面地质 模型的精度高低 3 个要素为依据,将工作面地质模型 人为划分为 4 类,即“黑箱”“灰箱”“白箱”和“透明” 模型。 因此,透明工作面三维地质模型构建的总体思路 是① 在智能工作面的设计阶段,依据地面钻探、采 区三维地震勘探的成果,优先选择构造条件、煤层赋 存相对简单的区域,建立工作面的初始地质模型 黑箱模型,其地质建模精度处于“十米级”;② 在智能 工作面的掘进阶段,以掘进工作面揭露的地质信息为 约束,开展三维地震资料地质动态解释,掘进工作面 两侧、前方一定范围内,“黑箱模型”逐渐变为半透明 的“灰箱模型”,这时工作面三维地质建模的精度处 于“米级 十米级”;③ 在智能工作面的回采之前,采 用槽波地震、无线电磁波透视等技术对工作面内部进 行透视,同时综合利用井下钻探信息对工作面内的地 质异常进行验证,在此基础上基本可以实现工作面的 “白箱模型”,其地质建模精度整体上处于“米级”水 平;④ 在智能工作面的回采阶段,开展随采地震精细 探测,同时不断融入回采揭露的煤层厚度、顶底板变 化以及构造等信息,可以实现工作面三维地质模型的 动态优化,达到工作面前方 50 m 范围内地质透明化 的目标,其地质建模精度能够达到“亚米级”。 如此 往复、循环迭代下去,最终就能够达到智能开采工作 面的高精度、逐级、递进式地质透明化表 1。 3． 2 工作面地质透明化的梯级模型 3． 2． 1 设计阶段“黑箱模型” 在智能开采工作面的选区评价阶段,依靠煤矿采 区三维地震和地面钻探等资料,可以构建煤矿采区的 三维地质初始模型,该模型可以为智能开采工作面的 风险评估提供依据。 智能开采工作面应该选在构造 9822 煤 炭 学 报 2019 年第 44 卷 相对简单、煤层比较稳定的区段,尽可能避免落入构 造复杂、煤厚变化大的区域,以消除智能开采的决策 隐患。 黑箱模型构建时,其主要数据来源是稀疏的地面 钻孔如网格密度 500 m500 m和高密度的三维地 震勘探资料如 CDP 网格 10 m10 m图 1。 因 此,黑箱模型的精度主要取决于三维地震资料的分辨 率。 按照三维地震勘探的分辨率水平5 10 m和 偏移误差15 30m,三维地震地质模型的精度处 于“十米级”。 这一阶段的井巷工程尚未开拓,以三 维地震为基础、以稀疏钻孔为约束,构建的三维地质 模型是一种静态的、低精度的黑箱模型图 1。 表 1 工作面地质透明化阶梯模型 Table 1 Geological transparent models of stope face in different stages 生产阶段 地质信息 初始信息新增信息 地质模型 模型类别模型精度模型特点 工作面设计 地面钻孔 采区三维地震 黑箱模型十米级钻孔邻近区高度透明,其他区域低度透明 工作面掘进 地面钻孔 采区三维地震 巷道掘进信息 井下钻探 灰箱模型米级 十米级 巷道、钻孔邻近区高度透明,其他区域低 度透明 工作面采前 地面钻孔 采区三维地震 巷道掘进信息 井下钻探 矿井物探 井下钻探 白箱模型米级 亚米级 巷道、钻孔邻近区高度透明;工作面中部 中度透明 工作面回采 地面钻孔 采区三维地震 巷道掘进信息 井下钻探 矿井物探 随采地震 回采资料 透明模型亚米级 巷道、钻孔邻近区及工作面前方 50 m 范 围内高度透明;工作面中部渐次透明 图 1 工作面“黑箱”模型示意 Fig． 1 Schematic diagram of black longwall panel 1地形;2CDP 网格;3设计工作面投影;4地面钻孔;5上部 地层;6钻孔邻近透明区;7煤层;8设计工作面;9断层 3． 2． 2 掘进阶段“灰箱模型” 在智能工作面的掘进阶段,随着回风巷道、运输 巷道的掘进以及开切眼的贯通,井巷工程揭露了大量 的、宝贵的地质信息。 按照现有的煤、泥炭地质勘 查规范DZ/ T02152002要求,达到“勘探”阶段 的钻孔网度一般情况下为 500 m500 m,对于一 个 1 000 m走向 250 m倾向 的回采工作面而 言,则工作面内平均钻孔密度仅为 1 个。 当工作面两 巷掘进后,视同在“黑箱模型”上“切开”了两个地质 断面,揭露和控制了两巷煤层及其顶底板的构造、岩 性变化,其所提供的地质信息极大地补充和丰富了地 面钻探信息的不足[35]。 为此,将井巷工程实见的地 质资料动态融入到三维地震资料的地质精细解释中, 智能工作面的“黑箱模型”进化为“灰色模型”,其地 质建模的精度处于“十米级 米级”。 图 2 给出了 “灰箱模型”的示意。 图 2 工作面“灰箱”示意 Fig． 2 Schematic diagram of gray longwall panel 1工作面中部低度透明区;2巷道邻近中度透明区; 3CDP 网格投影;4掘进巷道 0922 第 8 期程建远等煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术 3． 2． 3 采前阶段“白箱模型” 在这一阶段,智能工作面已经完成掘进、处于采 前准备阶段。 这时,工作面三维地质建模的信息不仅 包括地面钻探和三维地震的数据、井下掘进巷道揭露 信息、井下钻探信息,还包括工作面内矿井物探透视 数据,如工作面内部槽波透视、无线电磁波透视等。 矿井物探对煤层中地质异常体的分辨率接近于 1/2 煤厚,即对于薄-中厚-厚煤层而言分辨率约为 0． 4 2． 5 m,达到了“米级 亚米级”精度。 图 3 给出了 “白箱模型”的示意。 图 3 工作面“白箱”示意 Fig． 3 Schematic diagram of white longwall panel 1工作面中部中度透明区;2巷道邻近高度透明区;3地震波波 阵面;4潜在断层;5检波器;6顺煤层钻孔;7开切眼; 8潜在陷落柱;9底抽巷;10上向瓦斯抽放孔 3． 2． 4 回采阶段“透明模型” 在智能工作面的回采阶段,除了地面钻探、三 维地震与井下钻探、矿井物探以及煤矿井下掘进巷 道揭露的地质信息外,工作面在推进过程中动态揭 露了煤层中更为丰富的地质信息。 采用远程视频 监控、采煤机惯性导航和动态图像识别等技术,对 三维采掘空间中煤层顶板标高和煤层厚度变化加 以自动判识和解译,将其动态融入到透明工作面三 维地质动态建模数据库中[36]。 同时,以采煤机截齿 割煤诱发的震动作为被动地震震源,在工作面前方 安装三分量检波器实时监测随采地震信号,以工作 面每一刀的截割时间为周期,对随采地震数据进行 动态成像,借助地质大数据的分析融合技术查明工 作面前方 50 100 m 范围内影响智能开采的“亚米 级”地质异常体,实现工作面三维地质模型的动态 优化,从而实现工作面前方 50 m 范围内的地质透 明化。 如此往复、循环迭代下去,最终就能够达到 整个智能开采工作面的高精度、逐级、递进、渐次式 透明化,最终构建出一个工作面三维地质透明化的 “透明模型”,且精度能够达到“亚米级”水平,基本 能够满足智能开采的地质需求图 4。 图 4 工作面“透明”示意 Fig． 4 Schematic diagram of transparent working face 1孔中检波器串;2工作面前方地质透明区;3采后塌陷区;