保水采煤技術(shù)現(xiàn)狀及智能化未來(lái)淺析

◇六盤(pán)水師范學(xué)院 楊玄應(yīng) 趙曉勇 宋華英 羅貴靚 周鈺昌 王金花

本文查閱了近幾年公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)保水采煤技術(shù)的文獻(xiàn)資料，歸納總結(jié)了保水采煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和工程實(shí)踐狀況，并據(jù)此指出了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)保水采煤的核心是要精確探測(cè)到導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度，在不同煤礦地質(zhì)條件下的煤層開(kāi)采時(shí)，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)和開(kāi)采方式是不同的，實(shí)現(xiàn)保水采煤的技術(shù)要求，就必須重新調(diào)整技術(shù)參數(shù)及開(kāi)采方式。

我國(guó)西北受地形和氣候等因素的影響，水資源僅占全國(guó)的3.9%左右，部分區(qū)域極度缺水。因此，保水采煤理論的提出，不僅起到防治礦場(chǎng)突水問(wèn)題，還促進(jìn)了西北煤礦區(qū)水資源保護(hù)意識(shí)。所謂的保水采煤，也就是在煤炭開(kāi)采的同時(shí)，減少地下水的滲漏，保護(hù)含水層的結(jié)構(gòu)不受破壞，防止地下水位大幅度的下降，達(dá)到礦區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境，不會(huì)因煤層開(kāi)采而進(jìn)一步惡化的目的。

1 覆巖破壞規(guī)律研究

1.1 理論分析及經(jīng)驗(yàn)公式

近年來(lái)，煤炭開(kāi)采不斷加大開(kāi)采深度、強(qiáng)度，楊本先等結(jié)合相關(guān)理論推導(dǎo)出簡(jiǎn)潔的公式，王連國(guó)等利用覆巖關(guān)鍵層部位系統(tǒng)地展開(kāi)研究，推導(dǎo)建立預(yù)計(jì)斷裂隙高度力學(xué)模型，廖協(xié)光等人根據(jù)關(guān)鍵層理論，導(dǎo)出了隔水層理論，馬亞杰等人結(jié)合理論分析建立了不同導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨阮A(yù)測(cè)模型和預(yù)測(cè)方法，取得了很好的預(yù)測(cè)效果。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析法

鮑井龍等人發(fā)明了“鉆孔雙端封堵測(cè)漏”技術(shù)，孔杰、趙子浩及劉偉韜等人用該技術(shù)，成功地指導(dǎo)了魯西煤礦極近距離下分層開(kāi)采工作王啟慶等科研人員對(duì)煤礦開(kāi)采前后煤層進(jìn)行水壓試驗(yàn)監(jiān)測(cè)采動(dòng)后的潛水量及水位變化關(guān)系對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)水均衡原理并確定公式，王樺等人同時(shí)并用二級(jí)電阻率法和網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)探測(cè)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育過(guò)程，準(zhǔn)確探測(cè)到了導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟀l(fā)育高度。

1.3 相似材料模擬法和數(shù)值模擬法

相似材料模擬法與數(shù)值模擬法的模擬結(jié)果兩者有互相驗(yàn)證性。劉偉韜等人應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行模擬，方剛應(yīng)用FLAC3D軟件UDEC軟件以及物理模擬相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法他們都得出了導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?。所以，在保水采煤中?zhǔn)確利用定性分析、數(shù)值模擬、相似材料等多種方法相互結(jié)合相互驗(yàn)證，方可獲得準(zhǔn)確導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨取?/p>

2 保水開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 充填式保水采煤

充填式保水采煤基本原理就是將固體材料直接填充于采空區(qū)作為代替煤體支撐頂板，從而有效控制上覆巖層移動(dòng)和變形，避免導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度，達(dá)到保水采煤的效果。充填式保水采煤優(yōu)缺點(diǎn)：在工作面無(wú)明顯來(lái)壓現(xiàn)象，地表沉降量小，然而經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)偏低和充填材料用量很大等方面的問(wèn)題該方法只能在局部區(qū)域應(yīng)用。

2.2 窄條帶保水采煤

“窄條帶”采煤可以對(duì)上部覆巖產(chǎn)生的下沉進(jìn)行控制，起到保護(hù)礦區(qū)地表環(huán)境的一種保水采煤方法。該方法主要特征是把煤層區(qū)域劃分為條帶形狀，采一條、留一條的方式進(jìn)行開(kāi)采。窄條帶保水采煤技術(shù)受特定地質(zhì)條件的限制，并且以后回收未開(kāi)采的煤柱較難，掘進(jìn)巷道較多等問(wèn)題使得該技術(shù)無(wú)法大范圍推廣應(yīng)用。

2.3 分層（限高）保水采煤

分層（限高）開(kāi)采是通過(guò)制約隔水層層位，限制煤層開(kāi)采的高度，以間歇分層開(kāi)采的方式來(lái)避免導(dǎo)水?dāng)嗔褞c含水層相通的采煤方法。分層（限高）開(kāi)采成本相對(duì)較低，在厚煤層開(kāi)采工作面上可以輕易實(shí)現(xiàn)，以及后期的頂板也會(huì)完全垮落，不會(huì)遺留煤柱時(shí)間久而失效等問(wèn)題。

2.4 短壁機(jī)械化保水采煤

短壁式開(kāi)采技術(shù)是利用掘、采相結(jié)合，適應(yīng)性較廣及采動(dòng)時(shí)對(duì)隔水層影響較小等優(yōu)點(diǎn)，滿足保水采煤的基本要求。但是存在煤炭開(kāi)采效率不高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重等現(xiàn)象，以及在生產(chǎn)中的系統(tǒng)安全等等問(wèn)題都還待解決。

2.5 長(zhǎng)壁機(jī)械化快速推進(jìn)保水采煤

長(zhǎng)壁機(jī)械化快速推進(jìn)采煤法很大程度地保證煤層頂板的完整性，防止導(dǎo)水裂隙帶在外動(dòng)力的作用下充分發(fā)育導(dǎo)通含水層，造成工作面短時(shí)間涌入大量的水。范立民、馬雄德、冀瑞君在西部生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究與實(shí)踐進(jìn)展中實(shí)踐證明，松散層的水位變化不太明顯，地面下沉值小于工作面兩側(cè)順槽水位，符合保水采煤的條件。

3 智能化保水采煤未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)淺析

3.1 智能化導(dǎo)水裂隙觀測(cè)技術(shù)

這里主要提到光柵光纖技術(shù)監(jiān)測(cè)導(dǎo)水裂隙技術(shù)。光柵光纖具有高靈敏度、高分辨率以及較強(qiáng)抗干擾能力，很適合用于地下煤炭作業(yè)的安全監(jiān)測(cè)。其原理把光纖光柵當(dāng)做傳感器放入被監(jiān)測(cè)環(huán)境中，利用被監(jiān)測(cè)環(huán)境中的導(dǎo)水裂隙的變化，引起光柵光纖的折射率（周期）和波長(zhǎng)的變化，最終進(jìn)行取樣、圖像處理技術(shù)然后獲取裂隙信息等，并實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能判斷系統(tǒng)，通過(guò)鉆孔中光纖光纖信息結(jié)合取樣的圖像處理信息進(jìn)行判斷。

3.2 智能化導(dǎo)水裂隙相似模擬技術(shù)

應(yīng)結(jié)合機(jī)械開(kāi)挖和高速拍照，實(shí)現(xiàn)模型應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、位移場(chǎng)的連續(xù)觀測(cè)，并聯(lián)合數(shù)值模擬進(jìn)行物理-數(shù)值模型聯(lián)動(dòng)計(jì)算，為智能化導(dǎo)水裂隙相似模擬技術(shù)提供新的方法。

3.3 智能化充填保水采煤技術(shù)

目前的充填開(kāi)采的材料配比，充填參數(shù)及充填技術(shù)都是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)并計(jì)算的。應(yīng)該建立一個(gè)大型數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)各類(lèi)配比的材料性能充分測(cè)試。結(jié)合各類(lèi)參數(shù)的智能監(jiān)測(cè)后，構(gòu)建數(shù)值模型，模擬出合理的充填參數(shù)，并進(jìn)行充填技術(shù)的試用。試用中產(chǎn)生的問(wèn)題，反饋到數(shù)值模型，調(diào)整參數(shù)，最終智能充填。

3.4 智能化保水采煤監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前的監(jiān)測(cè)主要停留在水害防治的層面上，應(yīng)該以保水采煤為目標(biāo)，對(duì)植被、水體及礦山三廢進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。并將智能監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)構(gòu)建大型數(shù)據(jù)庫(kù)，用于各類(lèi)保水采煤活動(dòng)中，比如充填開(kāi)采的矸石充填方面，其充填流程示意圖見(jiàn)圖1。

4 結(jié)語(yǔ)

保水采煤主要針對(duì)我國(guó)西北干旱、半干旱地區(qū)開(kāi)展的研究，宗旨在于實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度煤炭開(kāi)的同時(shí)保護(hù)含水層結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，從而保護(hù)西北西區(qū)水資源和含水系統(tǒng)的完整性。同時(shí)，對(duì)不同地質(zhì)件的煤礦，要采用相對(duì)應(yīng)對(duì)的采煤方法及工藝，從而維護(hù)原有的生態(tài)平衡，保護(hù)了原有的生態(tài)環(huán)境。目前我國(guó)智能化煤炭開(kāi)采還處于初級(jí)階段，需要在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)以及自動(dòng)控制等技術(shù)方面大力開(kāi)發(fā)研究，建設(shè)生產(chǎn)管理、安全監(jiān)測(cè)、生態(tài)保護(hù)等完整的智能化保水采煤系統(tǒng)。