劉小雄，王海軍

(1.國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限公司 榆家梁煤礦，陜西 榆林 719315；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

薄煤層廣泛分布于我國(guó)80多個(gè)礦區(qū)，工業(yè)儲(chǔ)量豐富，可達(dá)98.3億t，其中可采儲(chǔ)量約為65億t，占全部可采儲(chǔ)量的 20%左右[1-2]，但是薄煤層的開(kāi)采過(guò)程中，較大的勞動(dòng)強(qiáng)度、極低的機(jī)械化程度和經(jīng)濟(jì)效益，導(dǎo)致各類(lèi)礦區(qū)普遍存在棄采現(xiàn)象，造成了煤炭資源的浪費(fèi)。薄煤層產(chǎn)量?jī)H占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的10%左右[3]，安全高效開(kāi)采薄煤層是提高煤炭資源采出率的重要途徑[4]。相較于中厚煤層和厚煤層，薄煤層開(kāi)采有如下特征:①采掘空間狹小，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)空間有限，人員活動(dòng)區(qū)域小，且易受地質(zhì)條件影響[5]；②人員在工作面行走、作業(yè)困難，勞動(dòng)強(qiáng)度大；③作業(yè)環(huán)境惡劣，職業(yè)危害加大。因此，需研發(fā)配套的智能開(kāi)采技術(shù)，以此增加薄煤層開(kāi)采的自動(dòng)化程度，降低開(kāi)采成本，增加開(kāi)采效益[4]。智能化開(kāi)采也是我國(guó)煤炭行業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的必由之路[6]，目前，我國(guó)煤礦仍處于智能化開(kāi)采的初級(jí)階段[7]。薄煤層的智能化開(kāi)采是在綠色開(kāi)采理念指導(dǎo)下，采用成套智能化采煤裝備和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工作面規(guī)?；踩咝ЬG色開(kāi)采[4]。

國(guó)能神東煤炭集團(tuán)1985年開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，見(jiàn)證了我國(guó)煤礦開(kāi)采機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展歷程；20世紀(jì)90年代引進(jìn)了成套綜采設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了全機(jī)械化開(kāi)采工藝；2004年開(kāi)始探索自動(dòng)化開(kāi)采工藝，并自主研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的綜采自動(dòng)化技術(shù)；先后經(jīng)歷了自動(dòng)化1.0、2.0、3.0和4.0四個(gè)發(fā)展階段[8]。隨著綜采工作面智能化開(kāi)采向深水區(qū)攻關(guān)，行業(yè)提出了基于透明工作面的智能化開(kāi)采設(shè)想[9]，以增強(qiáng)煤層賦存感知、實(shí)現(xiàn)綜采裝備與開(kāi)采空間融合關(guān)聯(lián)、構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐的動(dòng)態(tài)透明工作面為研究方向，達(dá)到綜采裝備的智能決策和自主執(zhí)行。但目前對(duì)基于透明工作面的智能化開(kāi)采概念尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，對(duì)基于透明工作面的智能化開(kāi)采實(shí)現(xiàn)路徑和關(guān)鍵技術(shù)亦不十分明確[10-11]。雖然智能化技術(shù)水平及其裝備水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步[12]，但是煤巖界面識(shí)別仍是制約煤礦智能開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)難題[13]，為解決這一問(wèn)題國(guó)內(nèi)外的學(xué)者通過(guò)隨采地震[14]、三維地震[15]、地質(zhì)雷達(dá)[16]、采煤機(jī)截齒傳感器[17]、煤巖層綜合對(duì)比、煤巖物性參數(shù)[19]、地質(zhì)透明化[17]、鉆孔插值運(yùn)算[18]等技術(shù)進(jìn)行了嘗試，但是煤巖界面的識(shí)別技術(shù)尚不成熟，仍然采用記憶割煤技術(shù)，需要通過(guò)人工干預(yù)來(lái)解決。為從根本上解決這一問(wèn)題，以榆家梁煤礦43101薄煤層智能開(kāi)采工作面為研究對(duì)象，在常規(guī)地質(zhì)勘探成果基礎(chǔ)上，集成地面、井下勘查鉆孔、巷道、開(kāi)切眼揭露、鉆孔窺視和巷道三維掃描等數(shù)據(jù)構(gòu)建的煤層三維模型，以數(shù)字化方式對(duì)整個(gè)工作面進(jìn)行全面統(tǒng)一的認(rèn)知與再現(xiàn)[20]，最終通過(guò)在回采過(guò)程中的連續(xù)地質(zhì)剖面測(cè)量對(duì)模型進(jìn)行修正，最終實(shí)現(xiàn)工作面的透明化。

1 工作面概況

榆家梁煤礦位于陜西省神木市境內(nèi)，井田面積56.34 km2，核定生產(chǎn)能力1 300萬(wàn)t/a，煤質(zhì)以長(zhǎng)焰煤、不黏煤為主，是優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力與液化用煤，是國(guó)家的主要出口煤基地。含煤地層為侏羅紀(jì)延安組，地質(zhì)類(lèi)型、水文地質(zhì)類(lèi)型及其他開(kāi)采技術(shù)條件中等。

43101工作面位于榆家梁井田中北部，地表為黃土溝壑區(qū)，地表標(biāo)高+1 286～+1 294 m，工作面長(zhǎng)度351 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 791 m，煤層厚度0.85～1.7 m，平均1.47 m，工作面實(shí)際采高1.4～1.6 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層較穩(wěn)定，煤層底板標(biāo)高+1 158～+1 176 m，為向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角1°～3°。斷層、沖刷等構(gòu)造不發(fā)育。

煤層頂板形成于三角洲平原沉積環(huán)境[21]，工作面基本頂為細(xì)粒砂巖，厚度為13.7～18.2 m，灰白色，泥質(zhì)膠結(jié)；直接頂為泥巖，厚度為0.20～2.21 m，灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，易冒落。按照煤層頂板巖性、厚度、力學(xué)參數(shù)等，采用綜合評(píng)價(jià)方法[22]將其評(píng)價(jià)為煤層頂板穩(wěn)定性中等。局部發(fā)育破碎和厚層堅(jiān)硬頂板，是制約煤礦安全高效開(kāi)采的隱蔽致災(zāi)因素。

2 工作面煤層透明化技術(shù)

2.1 定向鉆孔探查煤層頂?shù)装寮夹g(shù)

為獲取精準(zhǔn)的煤層頂?shù)装鍢?biāo)高，在43101工作面區(qū)段平巷施工鉆孔，獲得工作面內(nèi)煤層頂?shù)装宓臉?biāo)高數(shù)據(jù)。鉆孔間距25～60 m，平均50 m，長(zhǎng)度約350 m。43101工作面兩巷道共施工定向鉆孔16個(gè)，并輔助巖屑編錄來(lái)判識(shí)煤巖交界點(diǎn)，共獲取煤層頂、底板數(shù)據(jù)254組(圖1)，其中單個(gè)鉆孔揭露煤巖交界點(diǎn)12～38個(gè)，鉆孔平均揭露煤巖交界點(diǎn)16個(gè)。

圖1 43101工作面兩巷道定向鉆孔施工平面圖Fig.1 No.43101 working face two-way directional drilling floor plan

以探測(cè)煤層底板為例：在巷道煤壁開(kāi)孔，初始以較大傾角向下鉆進(jìn)，直到見(jiàn)煤層底板，記錄煤巖交界點(diǎn)距離和標(biāo)高，并每3 m 進(jìn)行一次軌跡測(cè)量，同步開(kāi)展巖屑編錄工作；然后改變鉆孔傾角，逐漸向上鉆進(jìn)，直到鉆孔進(jìn)入煤層，再次記錄數(shù)據(jù)，如此反復(fù)探測(cè)，直至從另一側(cè)煤壁中穿出(圖2、圖3)。

圖2 43101工作面回風(fēng)巷HD8鉆孔探測(cè)煤層底板Fig.2 No.43101 working face tail enery HD8 drilling exploration coal seam floor results

圖3 No.43101工作面運(yùn)輸巷道YD4鉆孔探測(cè)煤層頂板Fig.3 43101 working face head entry YD4 drilling exploration coal seam roof results

2.2 定向鉆孔窺視技術(shù)

由于定向鉆判斷煤巖交界點(diǎn)主要是通過(guò)地質(zhì)技術(shù)人員對(duì)鉆孔巖屑編錄進(jìn)行完成，具有一定的不確定性，為更加準(zhǔn)確地判斷煤層頂?shù)装?，采用?shù)字化鉆孔全景攝像技術(shù)判斷煤層頂?shù)装宓臏?zhǔn)確位置。

1)數(shù)字化鉆孔全景成像儀原理。數(shù)字式全景鉆孔成像儀得到的初始圖片都是環(huán)形的圖片。為得到全景圖片，首先需要建立原鉆孔與鉆孔圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后通過(guò)軟件將環(huán)形的鉆孔圖片轉(zhuǎn)換為平面展開(kāi)的圖片，最終將從截取的長(zhǎng)條鉆孔圖片拼接起來(lái)，就得到了鉆孔的全景圖片。采用CXK12(A)礦用鉆孔成像儀進(jìn)行窺視，該設(shè)備采用2 000萬(wàn)像素全景攝像、成像、圖像高保真、內(nèi)置高精度三維羅盤(pán)、實(shí)現(xiàn)視頻錄像、拼圖成像、鉆孔軌跡測(cè)量等多功能為一體的成像儀。

2)數(shù)字化鉆孔全景成像實(shí)踐。通過(guò)對(duì)16個(gè)鉆孔全景成像窺視，獲取定向鉆探煤巖交界點(diǎn)的可靠數(shù)據(jù)(圖4)，根據(jù)窺視結(jié)果對(duì)巖屑編錄進(jìn)行深度校正，通過(guò)成像儀建立定向鉆孔巖性柱狀圖，圖5所示的是一幅鉆孔全景圖片，左側(cè)是成像儀環(huán)形彎曲圖像，右側(cè)是將其“彎曲”后得到的虛擬巖心。

圖4 鉆孔攝像成效效果(煤巖交界)Fig.4 Effect of borehole (coal rock interface)

圖5 全景攝像鉆孔柱狀成果Fig.5 Cylindrical results of panoramic camera drilling

2.3 綜采工作面剖面測(cè)量

為實(shí)現(xiàn)最終工作面的煤層透明化，在工程測(cè)量、定向鉆孔探查、鉆孔窺視、巖屑編錄、綜合分析等技術(shù)的基礎(chǔ)上，由地測(cè)人員每日對(duì)綜采工作面進(jìn)行剖面測(cè)量與地質(zhì)寫(xiě)實(shí)，重點(diǎn)測(cè)量綜采工作面煤層頂、底板煤巖交界點(diǎn)的位置、煤層厚度，并計(jì)算剖面上煤巖交界點(diǎn)的坐標(biāo)及相關(guān)參數(shù)。然后，將測(cè)量、寫(xiě)實(shí)結(jié)果輸入半透明化煤層模型重新生成透明煤層模型，并將透明模型輸入采煤機(jī)系統(tǒng)，不斷優(yōu)化地質(zhì)模型，設(shè)定預(yù)想切割曲線(xiàn)，指導(dǎo)采煤機(jī)自主割煤。通過(guò)不斷優(yōu)化模型，最終實(shí)現(xiàn)煤層透明化。

3 工作面透明地質(zhì)模型構(gòu)建

首先，從區(qū)域地質(zhì)特征入手結(jié)合礦井以往地質(zhì)勘查、礦井生產(chǎn)過(guò)程中揭露的地質(zhì)資料，建立工作面煤層勘探地質(zhì)模型；其次，根據(jù)工作面兩巷道、開(kāi)切眼揭露的煤層結(jié)構(gòu)、頂?shù)装迤鸱葏?shù)特征，初步修正地質(zhì)模型建立生產(chǎn)地質(zhì)模型；然后采用井下定向鉆探、鉆孔窺視、巖屑編錄、綜采剖面測(cè)量等手段，形成工作面煤層透明化地質(zhì)模型(圖6)。

圖6 煤層透明化地質(zhì)勘查技術(shù)流程Fig.6 Technical flow of transparent geological exploration of coal seam

3.1 勘探地質(zhì)模型的構(gòu)建

勘探地質(zhì)模式是以以往地質(zhì)勘查鉆孔、二、三維地震、測(cè)井、露頭剖面測(cè)量、沉積學(xué)等地質(zhì)勘查成果認(rèn)識(shí)，結(jié)合礦井建設(shè)井筒檢查、生產(chǎn)補(bǔ)充勘探等資料構(gòu)建的礦井或采區(qū)煤層厚度、煤層頂?shù)装鍢?gòu)造形態(tài)等模型。通過(guò)地質(zhì)勘探模型初步分析43101工作面煤層厚度變化趨勢(shì)，煤層頂?shù)装鍢?gòu)造起伏形態(tài)，初步研究工作面的勘探地質(zhì)模型，可以為工作面的總體設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)也是后續(xù)模型逐步優(yōu)化和完善的基礎(chǔ)。

3.2 生產(chǎn)地質(zhì)模型的構(gòu)建

生產(chǎn)地質(zhì)模型是在地質(zhì)勘探模型的基礎(chǔ)上根據(jù)礦井巷道、工作面兩巷道、頂?shù)装逄讲殂@孔等工程而構(gòu)建的煤層厚度和構(gòu)造地質(zhì)模型。該模型是開(kāi)采地質(zhì)模型的依據(jù)，是評(píng)價(jià)工作面煤層開(kāi)采技術(shù)條件以及煤層透明化井下地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)和依據(jù)。

3.3 開(kāi)采地質(zhì)模型的構(gòu)建

開(kāi)采地質(zhì)模型是以智能開(kāi)采工作面為基本單元，以智能開(kāi)采對(duì)煤層厚度、頂?shù)装鍢?gòu)造起伏、工作面斷層等參數(shù)要求為導(dǎo)向，根據(jù)煤層透明化勘查成果而構(gòu)建的精度較高的地質(zhì)模型。在生產(chǎn)地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，開(kāi)展以定向鉆探為主，綜合鉆井巖屑編錄、鉆孔窺視、綜采工作面剖面測(cè)量等技術(shù)手段，綜合查明鉆孔揭露煤層頂?shù)装鍢?biāo)高、厚度等參數(shù)；最后輸入生產(chǎn)地質(zhì)模型，構(gòu)造開(kāi)采地質(zhì)模型，該地質(zhì)模型基本可以滿(mǎn)足礦井智能化開(kāi)采的要求，實(shí)現(xiàn)了工作面煤層的透明化(圖7)。

圖7 高精度工作面地質(zhì)模型Fig.7 High precision geological model of working face

4 煤層透明化智能開(kāi)采實(shí)踐

4.1 工作面透明化智能開(kāi)采實(shí)踐

基于工作面透明地質(zhì)模型結(jié)合支架超前雷達(dá)、工作面三維激光掃描、巡檢機(jī)器人等智能化開(kāi)采裝備，實(shí)現(xiàn)了榆家梁煤礦43101工作面智能化開(kāi)采，通過(guò)回采后的每日剖面測(cè)量煤層厚度、煤層底板起伏形態(tài)與激光掃描識(shí)別的煤巖界面、基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建的煤巖界面以及采煤機(jī)實(shí)際截割曲線(xiàn)的參數(shù)對(duì)比分析，進(jìn)而進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(圖8)。

1)基于地質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建的透明工作面模型與實(shí)際測(cè)量的對(duì)比雖然存在一定的差異性，但是精度已經(jīng)大幅提高，能夠達(dá)到0.20 m的精度要求，雖然局部存在較大誤差，都是地質(zhì)突變等引起的。

2)在靜態(tài)煤層透明化模型的基礎(chǔ)上，模型需要不斷地根據(jù)三維激光掃描以及剖面地質(zhì)測(cè)量的結(jié)果不斷地修正、更新模型，最終通過(guò)人工智能不斷優(yōu)化，在后續(xù)工作面的工程實(shí)踐中會(huì)有更好的表現(xiàn)。

3)采用該勘查技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能開(kāi)采工作面煤層的透明化勘查，有效指導(dǎo)工作面采煤機(jī)對(duì)煤層頂板、底板巖層的切割，提高了綜采工作面煤炭資源的采出率、減少了工作面煤中矸石的含量、提高了薄煤層綜采工作面煤質(zhì)、降低工作面產(chǎn)生的粉塵、機(jī)械設(shè)備的損耗、尤其是煤機(jī)截齒的損耗，減少了因矸石的運(yùn)輸、管理、分選等成本投入，實(shí)現(xiàn)了煤礦節(jié)能、降本增加效益的目標(biāo)。

4)工作面實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采，大幅降低了井下工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使工人遠(yuǎn)離粉塵環(huán)境工作。工作面原由2名采煤機(jī)司機(jī)、2名支架工同時(shí)作業(yè)，減少為1名采煤機(jī)司機(jī)、1名支架工輪換巡視作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了工作面智能化減人，大幅提高了工作的效率和設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性和準(zhǔn)確性。

4.2 基于透明地質(zhì)的災(zāi)害預(yù)警設(shè)計(jì)

1)開(kāi)采場(chǎng)景數(shù)字化孿生。通過(guò)建立的工作面開(kāi)采地質(zhì)模型，建立回采工作面巷道、采煤機(jī)、液壓支架、端頭支架、刮板輸送機(jī)、移變列車(chē)、輸送帶等仿真模型，將其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)大地坐標(biāo)，與地質(zhì)模型進(jìn)行匹配；同時(shí)實(shí)時(shí)采集工作面生產(chǎn)數(shù)據(jù)、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采場(chǎng)景數(shù)字化孿生(圖9)。

2)工作面智能化開(kāi)采。利用該勘查模式結(jié)合礦井智能化開(kāi)采裝備，實(shí)現(xiàn)了工作面的煤層透明化，通過(guò)在采煤工作面煤機(jī)支架超前地質(zhì)雷達(dá)、工作面三維激光掃描、工作面巡檢機(jī)器人、工作面全景視頻監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程干預(yù)等技術(shù)，優(yōu)化自動(dòng)化割煤工藝，實(shí)現(xiàn)工作面智能化開(kāi)采。

3)基于透明地質(zhì)的災(zāi)害預(yù)警設(shè)計(jì)?；诠ぷ髅嫒S一體化的透明地質(zhì)模型，以災(zāi)害信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)、智能識(shí)別為支撐，將煤礦災(zāi)害預(yù)警專(zhuān)業(yè)技術(shù)與5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)集成融合，系統(tǒng)化分析不安全因素和安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)時(shí)評(píng)估預(yù)測(cè)工作面安全狀態(tài)和趨勢(shì)、最終形成礦井基于透明地質(zhì)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)(圖10)。

5 結(jié) 論

1)榆家梁煤礦43101工作面在常規(guī)地質(zhì)勘探成果基礎(chǔ)上，采用井下定向鉆探技術(shù)為主，集成測(cè)量、巖屑編錄、井下巷道、開(kāi)切眼揭露、鉆孔窺視和巷道三維掃描等技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)煤層透明化，并以數(shù)字化方式對(duì)整個(gè)工作面進(jìn)行全面統(tǒng)一的三維可視化展示。

2)提出了煤礦智能開(kāi)采煤層透明化的勘探地質(zhì)、生產(chǎn)地質(zhì)、開(kāi)采地質(zhì)三階段逐級(jí)遞進(jìn)的煤層透明化勘查技術(shù)思路，明確不同模型目的、任務(wù)。構(gòu)建了工作面煤層的高精度地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)了工作面的煤層透明化生產(chǎn)模型的動(dòng)態(tài)更新，指導(dǎo)采煤機(jī)截割軌跡的調(diào)整和修正，實(shí)現(xiàn)了工作面的快速智能開(kāi)采、智能化減人、煤礦的降本增效。

3)通過(guò)對(duì)榆家梁煤礦43101工作面薄煤層智能開(kāi)采的工程實(shí)踐，工作面回采驗(yàn)證以及煤層透明化的模型的不斷優(yōu)化，建立的薄煤層智能開(kāi)采工作面煤層透明化技術(shù)體系，基本可以滿(mǎn)足礦井的安全、高效、智能開(kāi)采的需求。

4)提出了基于透明地質(zhì)的災(zāi)害預(yù)警三維立體化設(shè)計(jì)，建議后期探測(cè)技術(shù)結(jié)合三維地震、地質(zhì)雷達(dá)、槽波探測(cè)、CT切片、動(dòng)態(tài)更新等技術(shù)進(jìn)一步精細(xì)化實(shí)現(xiàn)煤層透明化。在透明地質(zhì)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建頂板、水災(zāi)、瓦斯、煤塵、火災(zāi)等多屬性融合的災(zāi)害智能感知和預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦井智能開(kāi)采，建立智慧礦山。