基于“地測一張圖”平臺下的地質(zhì)透明化

劉 瑞，李 懸

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727300)

0 引言

煤炭資源作為國民經(jīng)濟的血液及重要的戰(zhàn)略資源，往往在開采條件上受到很大的限制，很大程度上造成了資源的浪費及安全事故的頻發(fā)，瓦斯、水害、頂板、沖擊地壓、火災5類災害是引發(fā)重大事故主要原因，約80%的煤礦重特大事故與隱藏致災因素有關(guān)，因此查清隱蔽致災因素十分重要。黃陵礦區(qū)以往的生產(chǎn)活動多集中在地質(zhì)條件簡單的淺部采區(qū)，經(jīng)過近十幾年的開采活動，礦井淺部資源面臨枯竭，礦井生產(chǎn)區(qū)域面臨向深部采區(qū)轉(zhuǎn)移，存在的地質(zhì)模糊因素，將給煤礦安全生產(chǎn)帶來極為不利的影響。因此,為了實現(xiàn)礦井地質(zhì)透明化，消除地質(zhì)模糊因素，利用勘探鉆孔探查出礦井地層、煤層埋藏層位及估算資源儲量；采用三維地震勘探及瞬變電磁物探探查出礦井疑似老空區(qū)范圍及積水量，結(jié)合鉆探驗證查出老空區(qū)范圍及積水量；采用井下仰孔分段注水觀測采空區(qū)頂板“三帶”發(fā)育規(guī)律，查明礦井采空區(qū)頂板“三帶”高度，能夠為礦井防治水工作及頂板支護起到技術(shù)依據(jù)。

為使礦井地質(zhì)情況透明，首先需分析并探明深部新區(qū)域這一塊段的地質(zhì)模糊因素，黃陵礦業(yè)公司經(jīng)過近十幾年的努力，通過鉆探勘查、三維地震勘探、采空區(qū)頂板“三帶”發(fā)育規(guī)律及地表沉陷觀測鉆探等先進的技術(shù)在礦井中作了大量研究工作，經(jīng)過現(xiàn)場施工、總結(jié)經(jīng)驗及分析研究，確定了礦井地層結(jié)構(gòu)、礦井資源儲量、老空區(qū)破壞范圍、冒落帶高度、裂隙帶高度、彎曲下沉帶高度及采空區(qū)沉陷規(guī)律等重要技術(shù)性資料，為礦井實現(xiàn)地質(zhì)透明化提供強有力的技術(shù)保證。

1 礦區(qū)鉆探、物探勘查技術(shù)

1.1 區(qū)域介紹

黃陵礦業(yè)公司位于陜西省黃陵縣西北，距縣城約22 km，礦部位于黃陵縣、富縣境內(nèi)，公司下屬4對生產(chǎn)礦井，一號煤礦、二號煤礦、雙龍煤業(yè)、瑞能煤業(yè)，年生產(chǎn)能力1 550萬t。黃陵礦業(yè)公司地處陜北黃土高原南部，屬黃土高原中等切割區(qū)，侵蝕構(gòu)造地形。地勢西高東低，具典型的黃土高原地貌特征。東北部以黃土塬地形為主，溝谷縱橫，塬面支離破碎，西南部山巒起伏，溝壑縱橫，地形復雜。

1.2 煤炭資源勘探成果

鉆探、物探勘查技術(shù)能解決區(qū)域內(nèi)有沒有煤層，有多少層煤的問題，物探結(jié)合鉆探為新建礦井及接續(xù)礦井提供基礎資料。根據(jù)鉆孔揭露的地層進行分層分析總結(jié)，形成礦井三維地層模型，實現(xiàn)礦井地層透明化的目的，如圖1所示。

圖1 礦井三維地層模型Fig.1 3D strata model of mine

通過鉆孔揭露出礦井范圍內(nèi)各地層的系統(tǒng)、層位、厚度、巖性，使各個層位的物理結(jié)構(gòu)和巖石特性很直觀地表現(xiàn)出來，為礦井掘進巷道頂板支護高度起到建立基礎數(shù)據(jù)支撐，為礦井后期安全開采奠定了基礎，從而達到地層透明化的目的。

1.3 采區(qū)構(gòu)造勘探成果

黃陵礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地陜北斜坡南緣，總體構(gòu)造格架是一個具有波狀起伏的傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般1°～5°，未發(fā)現(xiàn)較大斷層及巖漿巖，構(gòu)造簡單。

三維地震勘探具有成果精度高的特性，更接近于實際特點。運用三維地震勘探對礦井未采區(qū)域或疑似老空區(qū)進行勘探，能夠查明勘探區(qū)落差≥5 m的斷層；查明勘探區(qū)內(nèi)主要可采煤層幅度在5 m以上的褶曲；圈定煤層受古河床、古隆起、陷落柱等的影響范圍；查明區(qū)內(nèi)采空區(qū)的分布范圍；解釋區(qū)內(nèi)主要煤層厚度變化趨勢及煤層厚度0.8 m、1.3 m等厚線，實現(xiàn)了地質(zhì)構(gòu)造、地層、儲量等方面透明化目的。

查明了勘探區(qū)內(nèi)的斷層發(fā)育情況，為礦井在后期開拓巷道提前預測了存在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，預防了地質(zhì)構(gòu)造對礦井生產(chǎn)的影響，實現(xiàn)了礦井地質(zhì)構(gòu)造透明化；查明了勘探區(qū)內(nèi)的褶曲構(gòu)造，為礦井布置采區(qū)劃分、工作面走向、掘進進尺提供了技術(shù)指導工作，實現(xiàn)了礦井地質(zhì)構(gòu)造透明化；查明了勘探區(qū)內(nèi)采空區(qū)的分布范圍，減少煤炭資源的損失，提高了煤炭資源的采出率，實現(xiàn)了計算礦井地質(zhì)儲量透明化；解釋了勘探區(qū)內(nèi)煤層厚度變化趨勢及煤層厚度等厚線，為礦井計算資源儲量提供了煤層厚度參數(shù)，實現(xiàn)了計算礦井地質(zhì)儲量透明化。

1.4 煤礦災害防治

鉆探、物探勘查技術(shù)能探測水、火區(qū)、瓦斯等地質(zhì)不良體，為安全生產(chǎn)提供基礎保障。重點查明煤礦的“采空區(qū)積水區(qū)、封閉不良鉆孔，斷層、裂隙、褶曲，陷落柱，瓦斯富集區(qū)，導水裂縫帶，地下含水體，井下火區(qū)，古河床沖刷帶、天窗不良地質(zhì)體”等隱蔽致災因素。做好相應的預測預報工作和制定防治措施提供依據(jù)。

1.4.1 采空區(qū)普查

一號煤礦在四盤區(qū)探巷的掘進過程中采用地面三維地震勘探、地面瞬變電磁勘探結(jié)合井下超前直流電法物探對采空區(qū)范圍進行探查，采用井下鉆探進行驗證及疏放水，通過立體防治手段將老窯采空區(qū)積水進行綜合治理，是探查老窯采空區(qū)范圍和治理老窯采空區(qū)水害的成功案例。

查明了勘探區(qū)內(nèi)老空區(qū)積水范圍，查清采空區(qū)范圍對礦井地質(zhì)資源管理提供了可靠的依據(jù)，實現(xiàn)了礦井地質(zhì)資源管理透明化；查清了勘探區(qū)內(nèi)老空積水量，通過確定積水量，能夠為礦井探放水工作提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)了礦井水文地質(zhì)透明化。如圖2所示。

圖2 雙龍煤礦老空區(qū)積水范圍和積水量Fig.2 Scope and amount of goaf water in Shuanglong Coal Mine

通過采用瞬變電磁勘探對老空區(qū)積水范圍和積水量進行探查，查清受威脅的區(qū)域，確定了積水范圍和積水量。為礦井后期開采煤炭資源提供了詳細可靠的基礎數(shù)據(jù)資料，且減少和消除礦井水害威脅，確保了煤礦安全生產(chǎn)。實現(xiàn)了礦井地質(zhì)資源管理和礦井水文地質(zhì)透明化的目的。

1.4.2 瓦斯災害普查

一號煤礦瓦斯賦存變化規(guī)律整體平穩(wěn)，三盤區(qū)、八盤區(qū)局部地點瓦斯含量偏高，鉆孔有氣體噴出異常，為礦井瓦斯富集區(qū)。三盤區(qū)、八盤區(qū)是礦井瓦斯防治的重點；二號煤礦井田從東南向西北隨著煤層埋深增加，瓦斯含量逐漸增大。雙龍煤礦瓦斯賦存變化整體相對平穩(wěn)，局部地點瓦斯含量偏高，地質(zhì)構(gòu)造較簡單，開采深度較淺。

1.4.3 三帶探查

隨著采掘延伸、開采強度加大，礦井采空區(qū)面積也逐年增加，礦井水害不容忽視。掌握采空區(qū)上覆巖層裂隙帶高度，對實現(xiàn)地質(zhì)透明化具有重要的意義。二號煤礦、雙龍煤礦開展了礦井采空區(qū)頂板“裂隙帶”高度探測工作，采用井下仰孔分段注水觀測的方法對礦井“三帶”發(fā)育規(guī)律進行研究。

冒落帶高度計算如下

(1)

式中，Hm為冒落帶高度；∑M為累計采厚；±2.2為計算公式中誤差。

根據(jù)冒落帶計算公式得出煤層頂板以上約8～9 m為冒落帶，根據(jù)二號煤礦、雙龍煤礦實際井下鉆孔注水漏失量數(shù)據(jù)和試驗區(qū)地質(zhì)條件綜合分析得出：煤層頂板以上垂高約8～68 m之間為裂隙帶，其中垂高21～49 m左右?guī)r層注水漏失最為明顯，垂高約65 m以上為彎曲下沉帶。

冒落帶高度范圍確定：確定了冒落帶高度范圍，可以分析得出采煤工作面回采后頂板地層巖石冒落高度，為礦井頂板錨桿和錨索支護高度提供數(shù)據(jù)參數(shù)，實現(xiàn)礦井地層巖石高度透明化的目的。

裂隙帶高度范圍確定：確定了裂隙帶高度范圍，參照礦井鉆孔綜合柱狀圖，可以分析得出礦井含水層、隔水層距煤層頂板高度，能否導通至工作面采空區(qū)，實現(xiàn)礦井水文地質(zhì)透明化。

彎曲下沉帶高度確定:確定了彎曲下沉帶高度，可以分析得出雙龍煤礦地層巖性的具體高度，為礦井頂板支護提供準確的數(shù)據(jù)參數(shù)，并能計算出地面下沉數(shù)據(jù)，實現(xiàn)礦井地表綜合治理管理透明化。

通過獲得采空區(qū)頂板“三帶”高度數(shù)據(jù)，能夠更加準確地反映出礦井地層巖性的具體高度，可以為相鄰未采區(qū)域進行頂板錨桿和錨索支護高度提供技術(shù)數(shù)據(jù)；也能夠計算出含水層、隔水層距煤層頂板高度，確定導水裂縫帶高度；同時，為礦井地表綜合治理管理提供數(shù)據(jù)參數(shù)，實現(xiàn)礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)透明化的目的。

1.4.4 井下火區(qū)普查

通過查閱礦井歷年來的監(jiān)測資料及現(xiàn)場實際檢查，觀測礦井原采空區(qū)內(nèi)氣體及溫度，均未發(fā)現(xiàn)火區(qū)。

1.4.5 不良地質(zhì)體普查

一號煤礦在生產(chǎn)過程中相繼揭露了601隆起無煤區(qū)、1001、620煤層異常透鏡體沉積充填區(qū)等不良地質(zhì)體，這些不良地質(zhì)體主要通過槽波勘探這種物探手段被發(fā)現(xiàn)，不良地質(zhì)體極大地影響礦井生產(chǎn)安全，是影響礦井安全生產(chǎn)主要致災因素之一，通過物探手段劃出不良體分布區(qū)域，在采面布置上合理布局、避開不良體，大大優(yōu)化了生產(chǎn)組織設計。

1.4.6 油井、油層氣普查

黃陵礦區(qū)煤炭資源與石油、天然氣共存，這給礦井的災害治理帶來了更大的難度，一號煤礦范圍內(nèi)共有油井11口，其中生產(chǎn)井1口；以往各勘查階段發(fā)現(xiàn)71個鉆孔有油氣顯示，SK16鉆孔發(fā)現(xiàn)有氣體異常和噴出；三盤區(qū)、六盤區(qū)、八盤區(qū)在掘進施工中都出現(xiàn)過石油滲出。

二號煤礦所處區(qū)域地層為一套煤油氣共生地層，據(jù)不完全統(tǒng)計，二號煤礦煤田勘查鉆孔近150個見油氣顯示，其分布特點是深部多于淺部，北部多于南部。

2 地測一張圖的運用

2.1 地測一張圖平臺介紹

隨著“推動信息化和工業(yè)化深度融合”新戰(zhàn)略的提出，進一步加強信息化、智能化建設已逐步成為煤炭企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。介于礦井數(shù)據(jù)在管理與應用過程中存在統(tǒng)計難、更新難、共享難等諸多問題，陜西煤業(yè)股份有限公司提出建設基于“一張圖”的智能煤礦安全生產(chǎn)信息共享平臺，解決了煤礦專業(yè)應用系統(tǒng)與數(shù)據(jù)之間的交互需求，實現(xiàn)股份公司對煤礦安全生產(chǎn)運營情況“看得見、管得了、控得住”的高科技礦山管理目標，為實現(xiàn)地質(zhì)透明化提供了很好的信息技術(shù)平臺。

2.2 地測一張圖平臺內(nèi)容

在技術(shù)手段實現(xiàn)地質(zhì)透明化的基礎上，如何運用地測一張圖去很好地實現(xiàn)信息化是目前黃陵礦業(yè)公司正在解決及完善的一個問題，通過建立地測基礎數(shù)據(jù)建庫，實現(xiàn)地質(zhì)資料的規(guī)范化、集成化，錄入鉆孔柱狀圖上的坐標、地層年代、層位、巖石名稱及解釋、孔深、層高以及水文曲線等內(nèi)容。通過錄入的鉆孔資料，形成地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫可以自動生成煤層底板等高線圖、地質(zhì)剖面圖。

2.3 地測一張圖平臺所實現(xiàn)的功能

目前黃陵礦業(yè)公司安全信息平臺已經(jīng)完成初步調(diào)試正式上線運營，平臺中已錄入地測數(shù)據(jù)庫23條勘探線、104個地層、29個標志層、62個新建巖石映射、609條煤層基礎信息、329個鉆孔、898個導線控制點，圖件61張，監(jiān)測監(jiān)控類系統(tǒng)8個，礦井相關(guān)資料300余項。可以看到，一號煤礦安全生產(chǎn)共享平臺的創(chuàng)建，從根本上改變了煤礦業(yè)務數(shù)據(jù)集成和礦圖制作與管理的模式，解決了“看圖難、用圖難、管圖難”的問題，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)相關(guān)部門的信息共享與業(yè)務協(xié)同，提升了礦井技術(shù)管理效率和信息化管理水平，使公司的技術(shù)管理模式向規(guī)范化、智能化轉(zhuǎn)變。

安全生產(chǎn)信息共享平臺的建設提供9大功能模塊，實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)可視化，為各級單位、部門，從上至下建立理論框架，避免資料的重復錄入，有效提高各業(yè)務部門之間的工作效率，將各類數(shù)據(jù)、圖紙進行資源整合，促進各業(yè)務部門之間的數(shù)據(jù)交換和共享，通過網(wǎng)址來提供查詢的各類服務，提升公司安全生產(chǎn)管理水平，更好地為生產(chǎn)管理提供科學高效的決策依據(jù)。

3 結(jié)語

在黃陵礦業(yè)公司礦井發(fā)展的30年中，始終秉行地質(zhì)先行的基本原則，以鉆探、物探工作為基礎，在掘進、回采過程中以“地測一張圖”為媒介所搭建的地質(zhì)透明化平臺，為礦井安全生產(chǎn)提供較為詳實準確透明的地質(zhì)資料，保證礦井的安全生產(chǎn)，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，利用信息技術(shù)使地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)過程“可視化”“透明化”“智能化”有望帶來采礦工程新的變革。