動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型規(guī)劃開(kāi)采技術(shù)在薄煤層中的應(yīng)用

王文平,朱良嘉

(陜西雙龍煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,陜西 延安 727306)

0 引言

隨著我國(guó)厚煤層可采儲(chǔ)量逐年減少,對(duì)薄煤層煤礦的針對(duì)性開(kāi)發(fā)已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[1]。隨著我國(guó)煤炭消耗量的逐年攀升,地質(zhì)賦存條件好的煤礦數(shù)量越來(lái)越少,復(fù)雜地質(zhì)條件的薄煤層開(kāi)采安全就顯得尤為重要[2]。

翟雨生等[3]對(duì)薄煤層滾動(dòng)采煤機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行綜述,對(duì)國(guó)內(nèi)外主要生產(chǎn)廠商的薄煤層和薄煤層采煤機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析,并提出矮機(jī)身大功率是今后的主要發(fā)展方向。袁永等[4]從薄煤層的多樣性賦存狀況出發(fā),論述了為提高工作面的單產(chǎn)水平,卸壓效果與采收率的差異開(kāi)采需求。根據(jù)不同的薄煤層開(kāi)采要求,分成薄煤層長(zhǎng)壁智能化綜采、薄煤層保護(hù)層智能化開(kāi)采、薄煤層高采收率采煤技術(shù)共3種技術(shù)。對(duì)我國(guó)薄煤層礦井開(kāi)采設(shè)計(jì)、長(zhǎng)壁綜采設(shè)備、智能化采煤工藝、半煤巖巷道開(kāi)挖及超細(xì)煤層開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析。楊生華等[5]論述薄煤層采掘及配套設(shè)備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,指出自動(dòng)刨煤機(jī)、連續(xù)式采煤機(jī)、滾筒采煤機(jī)、無(wú)人作業(yè)面螺旋鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)設(shè)備綜合機(jī)械化開(kāi)采,并實(shí)現(xiàn)開(kāi)采裝備智能化;提高薄煤層滾筒采煤機(jī)裝備的創(chuàng)新速度,推廣螺旋鉆機(jī)極薄煤層開(kāi)采,進(jìn)一步完善螺旋鉆機(jī)開(kāi)采裝備。采用采煤機(jī)強(qiáng)行截割圍巖法。肖雙中[6]分析了適當(dāng)位置重新補(bǔ)切眼與淺孔爆破起底法的優(yōu)缺點(diǎn),最終確定采用淺孔爆破起底法。分析薄煤層通過(guò)復(fù)合頂板(炭質(zhì)泥巖,頁(yè)巖)控制工作面長(zhǎng)度,提高工作面推進(jìn)速度,保證支護(hù)強(qiáng)度,安設(shè)初撐力保證閥等關(guān)鍵技術(shù)。在薄煤層開(kāi)采過(guò)程中采用破碎復(fù)合頂板的關(guān)鍵技術(shù),并采用適當(dāng)?shù)捻敯蹇刂萍夹g(shù),既能保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行,又能保證生產(chǎn)的穩(wěn)定。

然而大多研究?jī)H是對(duì)薄煤層開(kāi)采技術(shù)理論上的研究。目前,對(duì)于如何從根本上解決薄煤層礦井在各種地質(zhì)條件下預(yù)測(cè)感知及精準(zhǔn)開(kāi)采,有效避免災(zāi)害發(fā)生的研究較少。現(xiàn)有的開(kāi)采技術(shù)是否適用也還需進(jìn)一步驗(yàn)證。為此,基于減人提效的原則,針對(duì)黃陵雙龍礦業(yè)薄煤層的開(kāi)采,通過(guò)大數(shù)據(jù)智能決策平臺(tái)利用三維煤層地質(zhì)模型和設(shè)備參數(shù)模型的數(shù)據(jù)模型融合技術(shù),實(shí)現(xiàn)礦井綜采工作面開(kāi)采工作透明可視精準(zhǔn)定位,保證煤炭開(kāi)采的安全、高效。

1 應(yīng)用背景

1.1 礦井概況

雙龍煤礦地處陜西省黃陵縣雙龍鎮(zhèn)。該礦區(qū)井田南北長(zhǎng)10.9 km,東西寬5.3 km,面積約為32.69 km2。最初設(shè)計(jì)產(chǎn)出能力是30萬(wàn)t/a,現(xiàn)在的生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a;于2011年對(duì)礦井現(xiàn)有的設(shè)備及技術(shù)進(jìn)行了改造升級(jí),2014年通過(guò)驗(yàn)收。2號(hào)煤層工作面是區(qū)內(nèi)唯一可采煤,位于延安組第一段的中上部全區(qū)分布,煤層埋深120～460 m。2號(hào)煤層厚度較為均勻、變化幅度較小,且無(wú)明顯的變化規(guī)律,可開(kāi)采范圍基本遍及全區(qū)。煤層厚度0.9～1.3 m,屬于薄煤層,厚度相對(duì)穩(wěn)定。煤層類型屬穩(wěn)定型。

2 工作面透明地質(zhì)模型

2.1 工作面靜態(tài)三維煤層模型構(gòu)建

基于透明地質(zhì)的三維煤層建模的基礎(chǔ)構(gòu)建方法,如圖1所示。工作面煤層地質(zhì)模式的建立,可劃分為煤層空間形態(tài)以及煤層構(gòu)造類型。前者可以制定煤層開(kāi)采計(jì)劃并保證安全回采,后者可以根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造為采煤機(jī)等開(kāi)采設(shè)備提供空間地質(zhì)導(dǎo)航,針對(duì)黃陵雙龍煤礦特點(diǎn),設(shè)計(jì)如圖1所示技術(shù)方案,對(duì)工作面煤層的地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)記錄,為建立靜態(tài)地質(zhì)模型積累可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 工作面三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法

具體建模方法:工作面形成后,利用現(xiàn)有的鉆探、物探以及巷道寫(xiě)實(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)工作面地質(zhì)條件的精細(xì)探測(cè)。通過(guò)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng),降低單一數(shù)據(jù)來(lái)源的不確定性和多解性,分析工作面內(nèi)煤層厚度變化規(guī)律和地質(zhì)異常體的范圍和大小。在此基礎(chǔ)上,利用三維激光雷達(dá)等測(cè)距技術(shù),獲取了進(jìn)回風(fēng)巷的實(shí)際地質(zhì)數(shù)據(jù)以及工作面切眼數(shù)據(jù)。然后,基于三維地震再解釋技術(shù)得到煤層底板等高線圖,槽波地震探勘技術(shù)反演得到煤厚等值線圖和基于三維地震再解釋技術(shù),槽波地震勘探技術(shù)以及無(wú)線電磁波透視技術(shù)對(duì)采煤工作面煤層的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,并利用鉆孔測(cè)量技術(shù)對(duì)工作面頂、底板的空間位置和煤層厚度進(jìn)行了結(jié)果反演。采用插值算法得到更精確的煤層分布結(jié)果,并通過(guò)井下寫(xiě)實(shí)獲取工作面切眼煤層厚度和坡度變化,實(shí)現(xiàn)工作面模型的更新。建立了含異常結(jié)構(gòu)分布的工作面煤層模型,并在此基礎(chǔ)上建立了三維模型[7-9]。

2.2 基于地質(zhì)模型及設(shè)備增強(qiáng)感知融合技術(shù)

基于依靠地質(zhì)模型數(shù)據(jù)建立的開(kāi)采模型基礎(chǔ)上,提取頂?shù)装甯叨?結(jié)合雷達(dá)、慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)所反饋的采高臥底實(shí)時(shí)空間位置,并結(jié)合開(kāi)采要求及輔助校準(zhǔn)(慣導(dǎo)、雷達(dá)的精準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng))建立數(shù)據(jù)樣本庫(kù)。最終根據(jù)開(kāi)采設(shè)備的空間姿態(tài)及相關(guān)輔助測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)透明地質(zhì)模型進(jìn)行更迭修正。

同時(shí)設(shè)計(jì)基于人工智能與設(shè)備姿態(tài)融合的復(fù)雜地質(zhì)條件下綜采工作面增強(qiáng)感知體系,以煤礦綜采工作面復(fù)雜環(huán)境實(shí)際開(kāi)采業(yè)務(wù)流程為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)工作面支架、采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備的真實(shí)反饋數(shù)據(jù)和動(dòng)作建立混合感知模型,在實(shí)現(xiàn)順槽和地面遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)上,按照開(kāi)采情況、設(shè)備姿態(tài)、軌跡等內(nèi)容的增強(qiáng)可視化,并結(jié)合智能視頻跟蹤和慣導(dǎo)、雷達(dá)校準(zhǔn)輔助控制、智能預(yù)警和聯(lián)鎖保護(hù)工作面設(shè)備的協(xié)同控制。并通過(guò)對(duì)采煤機(jī)、支架、三機(jī)傳感器數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)、雷達(dá)實(shí)時(shí)測(cè)量模型進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,達(dá)到遠(yuǎn)程操作采煤機(jī)在地質(zhì)模型工藝下開(kāi)采,工作面設(shè)備增強(qiáng)感知融合技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 工作面設(shè)備增強(qiáng)感知融合技術(shù)路線

2.3 基于地質(zhì)模型的設(shè)備空間導(dǎo)航技術(shù)

基于工作面三維地質(zhì)模型,通過(guò)地質(zhì)三維CT的預(yù)置切割模型,轉(zhuǎn)換為設(shè)備的空間物理坐標(biāo),設(shè)計(jì)融合多源傳感器、慣導(dǎo)和雷達(dá)對(duì)設(shè)備增強(qiáng)感知,對(duì)設(shè)備的空間導(dǎo)航和姿態(tài)校準(zhǔn)調(diào)整?；趹T導(dǎo)的工作面定位控制技術(shù)如圖3所示。

圖3 基于慣導(dǎo)的工作面定位控制技術(shù)

利用該技術(shù),可以對(duì)采煤設(shè)備進(jìn)行三維空間定位(誤差為±10 cm),對(duì)開(kāi)采工作面進(jìn)行自動(dòng)矯直(誤差為±50 cm),并對(duì)工作面進(jìn)行水平控制,初步實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合鉆井地質(zhì)勘查技術(shù)與掘進(jìn)技術(shù),明確工作面煤層的賦存情況,利用慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取采煤設(shè)備的空間坐標(biāo),并將二者結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)工作面的自動(dòng)割煤。

結(jié)合黃陵雙龍煤礦井下工藝性試驗(yàn)的過(guò)程,由于慣導(dǎo)存在著累計(jì)誤差,而且對(duì)工作面整體的零點(diǎn)基準(zhǔn)定位沒(méi)有校準(zhǔn)功能,創(chuàng)新設(shè)計(jì)通過(guò)雷達(dá)對(duì)工作面直線度進(jìn)行測(cè)量擬合,如圖4所示。應(yīng)用于部署在轉(zhuǎn)載機(jī)的雷達(dá),對(duì)頂板和煤壁的高度進(jìn)行測(cè)量,對(duì)推進(jìn)刀進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面姿態(tài)的增強(qiáng)感知和調(diào)整,解決工作面整體姿態(tài),包括偽斜、上竄下滑、實(shí)時(shí)找直校準(zhǔn)功能。

圖4 基于雷達(dá)的工作面導(dǎo)航基準(zhǔn)定位技術(shù)

3 精準(zhǔn)自動(dòng)化開(kāi)采控制系統(tǒng)

利用大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)開(kāi)采決策平臺(tái)所提供的開(kāi)采模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下精確控制系統(tǒng)的執(zhí)行控制轉(zhuǎn)化,基于全自動(dòng)開(kāi)采的控制算法指導(dǎo)采煤、運(yùn)煤等一系列設(shè)備的全自動(dòng)化作業(yè),技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 大數(shù)據(jù)決策精準(zhǔn)控制技術(shù)路線

同時(shí),根據(jù)慣性導(dǎo)航、雷達(dá)等精準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備對(duì)采煤設(shè)備的空間實(shí)時(shí)姿態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與記錄,達(dá)到對(duì)開(kāi)采設(shè)備姿態(tài)(推移拉架的行程值、實(shí)際采高臥底值、立柱實(shí)際測(cè)量高度)的準(zhǔn)確測(cè)量,通過(guò)精確的設(shè)備控制和實(shí)時(shí)的空間姿態(tài)反饋,在此基礎(chǔ)上,完成了精確的采礦模型控制閉環(huán)。

根據(jù)大數(shù)據(jù)運(yùn)算庫(kù)的運(yùn)算結(jié)果,判斷設(shè)備開(kāi)采狀態(tài)是否滿足指令控制的需要。保證采煤機(jī)的滾筒在規(guī)定的采高和臥底高度,液壓支架能夠精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)跟機(jī)推溜、拉架等動(dòng)作,并且保證采煤工作面直線度。精準(zhǔn)開(kāi)采模型控制閉環(huán)后,系統(tǒng)開(kāi)始保存記錄過(guò)程的控制歷史以及設(shè)備的姿態(tài)調(diào)整歷史,存儲(chǔ)并生成樣本數(shù)據(jù)庫(kù),然后利用大數(shù)據(jù)算法將精準(zhǔn)開(kāi)采數(shù)據(jù)模型與樣本庫(kù)數(shù)據(jù)相結(jié)合,整合后反饋傳遞至精準(zhǔn)開(kāi)采決策平臺(tái)?；陂_(kāi)采模型閉環(huán)后所生成的樣本數(shù)據(jù)對(duì)精準(zhǔn)開(kāi)采模型的進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算,利用開(kāi)采模型閉合后產(chǎn)生的樣本數(shù)據(jù),對(duì)精準(zhǔn)開(kāi)采模型進(jìn)行優(yōu)化迭代,并制定出最優(yōu)的控制調(diào)整方案,調(diào)整的參數(shù)數(shù)值、頻率以及次數(shù)等,減少由于開(kāi)采設(shè)備產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)控制誤差,進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)控制[10-12]。

4 應(yīng)用效果

黃陵雙龍煤礦薄煤層綜采設(shè)備于2021年8月完成地面三機(jī)聯(lián)合調(diào)試,9月15日完成設(shè)備安裝調(diào)試,9月底進(jìn)入工作面各系統(tǒng)參數(shù)的接入及調(diào)試工作,從系統(tǒng)調(diào)試到正式應(yīng)用,耗時(shí)近4個(gè)月,最終實(shí)現(xiàn)了綜采工作面基于透明地質(zhì)的大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)開(kāi)采。綜采工作面作業(yè)人員從原來(lái)的6人減至2人,大大降低了工作面作業(yè)人員的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和勞動(dòng)強(qiáng)度,發(fā)揮了先進(jìn)技術(shù)在煤礦綜采工作面的效能,提高了綜采工作面的科技水平,為以后的薄煤層開(kāi)采積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

基于透明地質(zhì)的大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用,進(jìn)一步促進(jìn)了煤礦綜采工作面智能化設(shè)備的常態(tài)化運(yùn)行及維護(hù),檢驗(yàn)了維護(hù)人員的技術(shù)水平,實(shí)現(xiàn)了崗位一鍵啟動(dòng)操作,工作效率提升了50%,設(shè)備開(kāi)機(jī)率提高50%,礦井生產(chǎn)運(yùn)行效率提升80%。

5 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)三維地質(zhì)模型所建立的開(kāi)采數(shù)據(jù)模型,提取對(duì)應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù),根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)所反饋的采煤設(shè)備實(shí)時(shí)空間位置,同時(shí)利用開(kāi)采數(shù)據(jù)及輔助校準(zhǔn)(慣導(dǎo)、雷達(dá)的精準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng))系統(tǒng)的反饋建立樣本數(shù)據(jù)庫(kù),采用樣本庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算工作面推進(jìn)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)開(kāi)采模型的實(shí)時(shí)修正,保證工作面綜采設(shè)備的精準(zhǔn)控制,實(shí)現(xiàn)煤礦的安全、高效開(kāi)采。