透明工作面動態(tài)地質(zhì)模型構(gòu)建及應(yīng)用

李團(tuán)結(jié),沈亞洲,賈繼平

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司(以下簡稱黃陵礦業(yè)公司)始建于1989年,是陜西煤業(yè)化工集團(tuán)所屬的大型現(xiàn)代化骨干企業(yè),地處陜西省延安市黃陵縣。2014年率先實(shí)現(xiàn)我國首個無人化開采工作面,基于“記憶割煤”技術(shù)引領(lǐng)著國內(nèi)的智能化開采。但仍存在遠(yuǎn)程干預(yù)控制頻繁、難以常態(tài)化精準(zhǔn)應(yīng)用、煤巖識別等關(guān)鍵技術(shù)難題,究其原因是采煤機(jī)記憶截割沿用上一刀的截割軌跡進(jìn)行割煤,無法根據(jù)煤層的起伏以及煤厚的變化作出姿態(tài)調(diào)整[1-3]。因此,黃陵礦業(yè)公司開始探索基于透明地質(zhì)的智能開采模式,構(gòu)建高精度三維地質(zhì)模型,并生成地質(zhì)截割曲線,發(fā)送給采煤機(jī),使其沿著預(yù)想的地質(zhì)軌跡進(jìn)行截割。在工作面智能回采過程中,反映不同位置的煤厚、構(gòu)造發(fā)育情況,為其提供全生命周期的地質(zhì)導(dǎo)航。

通過槽波地震勘探、瓦斯抽采鉆孔測井、巷道精細(xì)測量與編錄等地質(zhì)勘探手段,獲得豐富的地質(zhì)信息,實(shí)現(xiàn)工作面地質(zhì)信息透明化,構(gòu)建工作面初始靜態(tài)煤層、斷層模型。利用回采揭露的地質(zhì)信息對地質(zhì)模型進(jìn)行更新,以保證地質(zhì)模型的精度。采用地質(zhì)模型“CT”切割技術(shù),生成回采前方十條地質(zhì)截割曲線,并下發(fā)給采煤機(jī),為采煤機(jī)提供地質(zhì)導(dǎo)航,以實(shí)現(xiàn)基于透明地質(zhì)的規(guī)劃截割的智能開采模式[4-7]。

筆者以黃陵一號煤礦810工作面為例,介紹工作面地質(zhì)探測工程、地質(zhì)建模過程、地質(zhì)模型與智能開采的交互關(guān)系,以及得到的預(yù)期效果,說明透明地質(zhì)項(xiàng)目的可行性,為其他煤礦的智能開采提供借鑒。

1 工作面地質(zhì)綜合探測工程

1.1 槽波地震勘探

槽波地震勘探是在工作面采前準(zhǔn)備階段進(jìn)行的,用以探測工作面內(nèi)部的地質(zhì)異常體,為工作面的安全回采提供地質(zhì)保障。其中槽波透射法和反射法是槽波地震勘探最為有效的2種勘探方法,兩者相輔相成,前者探測構(gòu)造的有無,后者探測構(gòu)造的位置,聯(lián)合應(yīng)用效果最好[8-11]。工作面槽波地震勘探數(shù)據(jù)采集采用“YTZ-3存儲式無纜遙測地震儀”,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用“GeoCoal槽波地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”。聯(lián)合應(yīng)用透射槽波法和反射槽波法,對工作面內(nèi)部構(gòu)造和煤層厚度分布進(jìn)行預(yù)測,對工作面內(nèi)部砂巖沖刷帶的范圍以及工作面內(nèi)部異常地質(zhì)體的位置進(jìn)行圈定,如圖1所示。

圖1 投射槽波CACT成像預(yù)測砂巖沖刷帶范圍

1.2 瓦斯抽采鉆孔測井

利用在工作面采前準(zhǔn)備階段施工的瓦斯抽采鉆孔,通過采用測斜和孔中成像等技術(shù)測量鉆孔穿煤層的空間位置,即可得到工作面中間部位煤層頂?shù)装蹇臻g位置信息,為地質(zhì)建模提供一定的技術(shù)依據(jù)。工作面內(nèi)部煤層穿層點(diǎn)是構(gòu)建地質(zhì)模型的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn),影響著模型的整體精度。為更大程度地探測工作面內(nèi)部的煤巖分界面,本次采用“YSJ90/360型礦用鉆孔測井分析儀”對綜合鑒別優(yōu)選出的41個鉆孔進(jìn)行煤巖界面探測。通過對煤層頂?shù)装鍘r性、鉆孔視頻、不同沉積巖伽馬值、鉆孔穿層點(diǎn)高程、鉆孔軌跡、煤層頂?shù)装宓雀呔€和槽波地震勘探等地質(zhì)信息進(jìn)行綜合地質(zhì)分析,采用交叉驗(yàn)證的方式得到工作面內(nèi)部煤層的頂部和底部穿層點(diǎn),整個工作面累積獲得4個煤層頂部穿層點(diǎn),5個煤層底部穿層點(diǎn)。其巖性判別原理如圖2所示。

圖2 巖性判別原理

1.3 巷道精細(xì)測量與編錄

巷道揭露信息不僅是建立綜采工作面靜態(tài)地質(zhì)模型的關(guān)鍵性數(shù)據(jù),也是開展其他礦井物探的關(guān)鍵參考資料,因此巷道精細(xì)測量工作是構(gòu)建透明工作面模型的基礎(chǔ)。其中煤層位置、煤層厚度、煤層起伏形態(tài)和構(gòu)造是構(gòu)建智能開采三維地質(zhì)模型的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。精細(xì)測量以20 m左右的間隔確定標(biāo)志點(diǎn),利用全站儀對標(biāo)志點(diǎn)和待測井瓦斯抽采鉆孔的孔口坐標(biāo)進(jìn)行定位,同時在標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行地質(zhì)編錄工作,主要記錄該點(diǎn)處的煤層厚度、頂板和底板矸石厚度、煤層產(chǎn)狀和構(gòu)造等地質(zhì)信息。對于存在構(gòu)造的區(qū)域,進(jìn)一步縮小標(biāo)志點(diǎn)之間的距離,例如切眼附近存在砂巖沖刷的現(xiàn)象,以4 m間隔進(jìn)行地質(zhì)寫實(shí)工作,其剖面如圖3所示。根據(jù)進(jìn)、回風(fēng)巷和切眼的定位與編錄數(shù)據(jù),繪制工作面兩側(cè)巷道地質(zhì)剖面圖和工作面切眼地質(zhì)剖面圖,為后續(xù)的探測提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3 工作面切眼地質(zhì)剖面

2 地質(zhì)模型構(gòu)建

2.1 工作面地質(zhì)建模

地質(zhì)模型構(gòu)建的目的是為智能開采提供精準(zhǔn)的地質(zhì)導(dǎo)向,包括構(gòu)造地層建模和屬性建模2個部分,現(xiàn)階段智能開采地質(zhì)模型要求準(zhǔn)確反映工作面的頂?shù)装逍螒B(tài)、煤層厚度和構(gòu)造信息,因此采用構(gòu)造地層建模即可。構(gòu)造建模分為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析和模型構(gòu)建3個步驟,數(shù)據(jù)收集包括巷道精細(xì)化定位與編錄揭露的煤層厚度值、瓦斯抽采鉆孔測井探測煤層頂?shù)装鍞?shù)據(jù);數(shù)據(jù)分析主要包括煤層厚度統(tǒng)計分析、煤層厚度變異系數(shù)分析、煤層傾角變化分析、煤層厚度變化趨勢分析和地質(zhì)異常體分析。結(jié)合巷道測量寫實(shí)點(diǎn)、瓦斯抽采鉆孔穿層點(diǎn)坐標(biāo)及槽波預(yù)測構(gòu)造范圍,通過導(dǎo)入建模數(shù)據(jù),確定模型邊界,建立斷層網(wǎng)格、煤層層面、線框模型和劃分地層網(wǎng)格等步驟建立工作面三維靜態(tài)地質(zhì)模型,如圖4所示。將礦井生產(chǎn)揭露的最新地質(zhì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入原先模型數(shù)據(jù)庫中,重復(fù)建模步驟生成新的模型,再根據(jù)克里金插值方法插值出智能開采要求的均勻網(wǎng)格,建立回采工作面三維動態(tài)地質(zhì)模型,最后將地質(zhì)模型導(dǎo)入可視化平臺進(jìn)行展示,結(jié)合當(dāng)前開采位置切割出智能開采煤層頂?shù)装迩€。

圖4 工作面初始化靜態(tài)地質(zhì)模型

2.2 地質(zhì)模型動態(tài)更新

煤礦開采是一個實(shí)時動態(tài)的過程,建立的智能開采地質(zhì)模型也應(yīng)該動態(tài)更新。通常情況下,采前準(zhǔn)備階段模型不足以達(dá)到智能開采的目的,必須結(jié)合回采揭露的地質(zhì)信息對地質(zhì)模型進(jìn)行動態(tài)更新,彌補(bǔ)采前準(zhǔn)備階段模型工作面內(nèi)部地質(zhì)信息的不足。經(jīng)理論和實(shí)踐研究表明,采用遞進(jìn)式煤層厚度預(yù)測方法,可以顯著提高煤層厚度預(yù)測的精度。

3 工作面異常地質(zhì)構(gòu)造分析

槽波預(yù)測的沖刷帶,在回采過程中證實(shí)了其存在,工作面中部被砂巖覆蓋。預(yù)測的異常構(gòu)造體,在回采的過程中反映煤層隆起。

煤層的隆起在工作面上表現(xiàn)為刮板輸送機(jī)以及采煤機(jī)電纜槽的隆起,如圖5所示。

圖5 工作面煤層隆起

可用采煤機(jī)電纜槽的坡度近似代表工作面煤層的偽傾角,從進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè),工作面坡度整體上呈現(xiàn)先逐漸增大隨后劇烈減小的跡象,坡度最大可達(dá)12°,隆起的范圍為0～180 m,隆起高度可達(dá)2～3 m。隆起區(qū)域地質(zhì)截割曲線與預(yù)測地質(zhì)截割曲線偏差如圖6所示。

圖6 隆起區(qū)域煤層頂?shù)装迩€對比

4 地質(zhì)模型“CT”切割技術(shù)及應(yīng)用

當(dāng)前的智能開采系統(tǒng)僅融合了綜采設(shè)備和采煤工藝2個要素,而地質(zhì)要素還未融合到智能開采體系中或融合程度不高,由此造成智能開采系統(tǒng)的地質(zhì)適應(yīng)性及穩(wěn)定性不足。

“CT”切片技術(shù)就是根據(jù)截割計劃將待開采工作面的煤層數(shù)字化模型進(jìn)行剖切,然后根據(jù)煤層數(shù)字化模型的剖切面及智能化開采要求優(yōu)化采煤機(jī)的截割路徑及參數(shù),控制采煤機(jī)按照規(guī)劃的截割路徑開采。

“CT”切片是結(jié)合采煤機(jī)當(dāng)前位置確定地質(zhì)模型剖切位置,對地質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)字化剖切,生成回采前方十條地質(zhì)截割曲線,如圖7所示。

圖7 回采前方10條地質(zhì)截割曲線

生成的地質(zhì)截割曲線下發(fā)給采煤機(jī),結(jié)合采煤機(jī)多次現(xiàn)場規(guī)劃截割調(diào)試以及現(xiàn)場測量結(jié)果分析可知:工作面前方8 m范圍內(nèi)地質(zhì)模型的精度在15 cm以內(nèi),15 m范圍內(nèi)地質(zhì)模型的精度在30 cm以內(nèi),構(gòu)建的地質(zhì)模型精度可滿足智能開采的需要。

5 結(jié)論

(1)要實(shí)現(xiàn)工作面地質(zhì)透明化,必須對工作面的地質(zhì)條件進(jìn)行綜合探測。810工作面采用物探、鉆探及地質(zhì)測量寫實(shí)方法,綜合性查明了工作面地質(zhì)發(fā)育情況,預(yù)測工作面內(nèi)異常構(gòu)造體,并在工作面回采過程中得到驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)工作面地質(zhì)條件透明化。

(2)結(jié)合地質(zhì)寫實(shí)、鉆孔雷達(dá)探測、槽波地震勘探等數(shù)據(jù),進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合分析,構(gòu)建智能開采工作面靜態(tài)地質(zhì)模型,并結(jié)合回采揭露的地質(zhì)信息對地質(zhì)模型進(jìn)行動態(tài)更新。

(3)通過“CT”切片技術(shù)得到的地質(zhì)截割曲線,下發(fā)給智能開采采煤機(jī)執(zhí)行單元,為采煤機(jī)滾筒調(diào)高提供地質(zhì)依據(jù),實(shí)現(xiàn)基于“透明地質(zhì)”的規(guī)劃截割的智能開采模式,解決記憶割煤存在的遠(yuǎn)程干預(yù)控制頻繁、難以常態(tài)化應(yīng)用的難題。

(4)通過對比地質(zhì)模型預(yù)測煤厚與實(shí)際揭露的煤厚數(shù)據(jù),進(jìn)行智能開采地質(zhì)模型的誤差分析。工作面前方8 m范圍內(nèi)地質(zhì)模型的精度在15 cm以內(nèi),15 m范圍內(nèi)地質(zhì)模型的精度在30 cm以內(nèi),構(gòu)建的地質(zhì)模型精度可滿足智能開采的需要。

(5)構(gòu)建高精度工作面地質(zhì)模型,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與采礦之間的信息交互反饋,將“地質(zhì)—設(shè)備—生產(chǎn)”緊密聯(lián)系形成控制閉環(huán)。構(gòu)建的高精度三維地質(zhì)模型解決了智能開采煤巖識別的技術(shù)難題。隨著煤礦地質(zhì)探查手段及探查精度的不斷進(jìn)步,必將進(jìn)一步提高整體地質(zhì)模型的精度。