保水采煤技術(shù)現(xiàn)狀及智能化未來淺析

◇六盤水師范學(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發(fā)表的相關(guān)保水采煤技術(shù)的文獻資料，歸納總結(jié)了保水采煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和工程實踐狀況，并據(jù)此指出了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。研究結(jié)果表明，實現(xiàn)保水采煤的核心是要精確探測到導(dǎo)水?dāng)嗔褞У陌l(fā)育高度，在不同煤礦地質(zhì)條件下的煤層開采時，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)和開采方式是不同的，實現(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)及開采方式。

我國西北受地形和氣候等因素的影響，水資源僅占全國的3.9%左右，部分區(qū)域極度缺水。因此，保水采煤理論的提出，不僅起到防治礦場突水問題，還促進了西北煤礦區(qū)水資源保護意識。所謂的保水采煤，也就是在煤炭開采的同時，減少地下水的滲漏，保護含水層的結(jié)構(gòu)不受破壞，防止地下水位大幅度的下降，達到礦區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境，不會因煤層開采而進一步惡化的目的。

1 覆巖破壞規(guī)律研究

1.1 理論分析及經(jīng)驗公式

近年來，煤炭開采不斷加大開采深度、強度，楊本先等結(jié)合相關(guān)理論推導(dǎo)出簡潔的公式，王連國等利用覆巖關(guān)鍵層部位系統(tǒng)地展開研究，推導(dǎo)建立預(yù)計斷裂隙高度力學(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)測模型和預(yù)測方法，取得了很好的預(yù)測效果。

1.2 現(xiàn)場實測分析法

鮑井龍等人發(fā)明了“鉆孔雙端封堵測漏”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采工作王啟慶等科研人員對煤礦開采前后煤層進行水壓試驗監(jiān)測采動后的潛水量及水位變化關(guān)系對生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤進行分區(qū)，根據(jù)水均衡原理并確定公式，王樺等人同時并用二級電阻率法和網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測系統(tǒng)實時探測導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育過程，準確探測到了導(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)果兩者有互相驗證性。劉偉韜等人應(yīng)用FLAC3D軟件對煤層開采過程進行模擬，方剛應(yīng)用FLAC3D軟件UDEC軟件以及物理模擬相結(jié)合的實驗方法他們都得出了導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?。所以，在保水采煤中準確利用定性分析、數(shù)值模擬、相似材料等多種方法相互結(jié)合相互驗證，方可獲得準確導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨取?/p>

2 保水開采技術(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和變形，避免導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度，達到保水采煤的效果。充填式保水采煤優(yōu)缺點：在工作面無明顯來壓現(xiàn)象，地表沉降量小，然而經(jīng)濟效益相對偏低和充填材料用量很大等方面的問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”采煤可以對上部覆巖產(chǎn)生的下沉進行控制，起到保護礦區(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、留一條的方式進行開采。窄條帶保水采煤技術(shù)受特定地質(zhì)條件的限制，并且以后回收未開采的煤柱較難，掘進巷道較多等問題使得該技術(shù)無法大范圍推廣應(yīng)用。

2.3 分層（限高）保水采煤

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

2.4 短壁機械化保水采煤

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

2.5 長壁機械化快速推進保水采煤

長壁機械化快速推進采煤法很大程度地保證煤層頂板的完整性，防止導(dǎo)水裂隙帶在外動力的作用下充分發(fā)育導(dǎo)通含水層，造成工作面短時間涌入大量的水。范立民、馬雄德、冀瑞君在西部生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤研究與實踐進展中實踐證明，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發(fā)展趨勢淺析

3.1 智能化導(dǎo)水裂隙觀測技術(shù)

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

3.2 智能化導(dǎo)水裂隙相似模擬技術(shù)

應(yīng)結(jié)合機械開挖和高速拍照，實現(xiàn)模型應(yīng)力場、應(yīng)變場、位移場的連續(xù)觀測，并聯(lián)合數(shù)值模擬進行物理-數(shù)值模型聯(lián)動計算，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)

目前的充填開采的材料配比，充填參數(shù)及充填技術(shù)都是室內(nèi)實驗并計算的。應(yīng)該建立一個大型數(shù)據(jù)庫，對各類配比的材料性能充分測試。結(jié)合各類參數(shù)的智能監(jiān)測后，構(gòu)建數(shù)值模型，模擬出合理的充填參數(shù)，并進行充填技術(shù)的試用。試用中產(chǎn)生的問題，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)測技術(shù)

目前的監(jiān)測主要停留在水害防治的層面上，應(yīng)該以保水采煤為目標，對植被、水體及礦山三廢進行智能監(jiān)測。并將智能監(jiān)測的數(shù)據(jù)構(gòu)建大型數(shù)據(jù)庫，用于各類保水采煤活動中，比如充填開采的矸石充填方面，其充填流程示意圖見圖1。

4 結(jié)語

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