葉一飛

(陜西榆林能源集團(tuán)郭家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

地處陜北的侏羅紀(jì)煤田，煤炭資源豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，已經(jīng)成為我國(guó)重要的煤炭工業(yè)基地，是國(guó)家的現(xiàn)代化建設(shè)中重要的能源保障，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和快速發(fā)展，煤炭工業(yè)面貌不斷得到改善，以大型煤炭企業(yè)、大型煤炭基地和大型現(xiàn)代化煤礦為主的格局基本形成，但是煤礦井下生產(chǎn)作為一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度高，作業(yè)危險(xiǎn)大，隱患因素多的狀態(tài)仍是長(zhǎng)期存在的，尤其是在地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，生產(chǎn)更為復(fù)雜。因此，越來(lái)越多的煤炭企業(yè)在積極推進(jìn)智慧礦井建設(shè)，其中大數(shù)據(jù)地質(zhì)保障是智能化礦井中重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，在此背景下，本文研究建立了杭來(lái)灣礦井采空區(qū)三維模型，發(fā)現(xiàn)三維模型在礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)、瓦斯抽采等礦井基礎(chǔ)工作中有很大的實(shí)用性。

回采工作對(duì)煤層就像切蛋糕一樣，可以直觀地看到煤層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及頂(底)板的形態(tài)，回采工作面剖面測(cè)量是收集工作面起伏形態(tài)數(shù)據(jù)的有效手段。工作面回采后形成起伏形態(tài)，很大程度上代表了煤層頂(底)板形態(tài)，如果把這些寶貴的原始地質(zhì)資料進(jìn)行歸納總結(jié)和分析，通過(guò)Surfer處理形成采空區(qū)三維地質(zhì)模型，總結(jié)出可靠的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，并且在礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)和分層采前的勘探領(lǐng)域具有顯著意義。它的延伸意義還體現(xiàn)在地面瓦斯抽采、井下物理探測(cè)等方面，尤其是在智慧礦山的建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，把采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)建立一個(gè)三維地質(zhì)模型為智慧礦井服務(wù)，是非常重要的一個(gè)因素。

1 主要研究?jī)?nèi)容

目前可以建立三維模型的軟件種類(lèi)很多，但側(cè)重點(diǎn)不一樣。本次采用的軟件是Surfer，它是美國(guó)Golden Software公司旗下一款專(zhuān)業(yè)的三維圖像繪制軟件，主要用于地質(zhì)繪圖，能夠快速創(chuàng)建各種類(lèi)型的三維立體圖，支持自定義圖形圖標(biāo)，可以繪制多種高精準(zhǔn)地圖，而且該軟件有多種數(shù)據(jù)和圖件的輸入和輸出功能，對(duì)各種數(shù)據(jù)的交換和使用非常方便。首先將收集的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過(guò)Surfer將處理后的數(shù)據(jù)建立三維模型，即采空區(qū)三維模型，然后對(duì)相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展分析研究。

2 建立采空區(qū)三維模型的方法

2.1 綜采工作面剖面測(cè)量方法

選取杭來(lái)灣礦井的剖面數(shù)據(jù)，綜采工作面剖面數(shù)據(jù)采用水準(zhǔn)管測(cè)量法，利用連通器原理，在一條兩頭開(kāi)口的管路中，當(dāng)管路兩頭氣壓相同時(shí)，管內(nèi)兩端頭液面穩(wěn)定后始終在同一水平上，可以測(cè)量出兩點(diǎn)間的高差h，測(cè)量過(guò)程如圖1所示(黑色的為水準(zhǔn)管)，然后將累積的高差數(shù)據(jù)整理，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 綜采工作面剖面測(cè)量示意Fig.1 Schematic diagram of cross-section measurement of fully mechanized mining face

表1 剖面測(cè)量整理的數(shù)據(jù)

水準(zhǔn)管測(cè)量法可以在受地質(zhì)構(gòu)造影響較大導(dǎo)致綜采面支架參差不齊，甚至視線不通的情況下順利完成剖面測(cè)量，而且測(cè)量靈活，可根據(jù)構(gòu)造發(fā)育情況調(diào)整測(cè)量頻率和測(cè)點(diǎn)間距，以便更能真實(shí)地測(cè)出反映工作面形態(tài)的剖面。用水準(zhǔn)管測(cè)量法與采用儀器測(cè)量剖面相比的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量過(guò)程方便快捷，需要的人員少，測(cè)量靈活，可以滿(mǎn)足復(fù)雜情況下綜采工作面的剖面測(cè)量，而且收集的數(shù)據(jù)資料可以滿(mǎn)足使用和分析要求。

2.2 數(shù)據(jù)整理

在剖面測(cè)量的過(guò)程中，以工作面的第1架為起始點(diǎn)，把每次的測(cè)量數(shù)據(jù)按照測(cè)點(diǎn)進(jìn)行記錄和整理。本次建模使用的數(shù)據(jù)包括杭來(lái)灣礦井30103綜采工作面至30109綜采工作面的剖面測(cè)量，其中30103～30108工作面的測(cè)量數(shù)據(jù)有234組。由于30109綜采工作面正在回采，所以把30109綜采工作面當(dāng)做驗(yàn)證模型分析結(jié)論的工作面。

由于Surfer軟件使用領(lǐng)域非常廣泛，它可以識(shí)別多種格式的文件類(lèi)型，本次將原始的剖面測(cè)量數(shù)據(jù)整理在Excel表格中，數(shù)據(jù)包括X，Y坐標(biāo)和頂?shù)装甯叱痰绕渌膮?shù)，其中X軸為測(cè)量剖面時(shí)膠運(yùn)順槽的里程，Y軸為工作面支架的坐標(biāo)。整理完畢后，直接用軟件打開(kāi)Excel文件進(jìn)行網(wǎng)格化處理，保存為Surfer軟件可以直接成圖的數(shù)據(jù)文件格式，并進(jìn)行成圖開(kāi)展分析研究。

2.3 三維模型建立

利用Surfer軟件建立三維模型主要步驟有以下幾步：①把整理好的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)格化處理，在軟件的Grid-data選項(xiàng)中打開(kāi)，在XYZ軸處選擇膠運(yùn)順槽里程方向作為X軸，工作面支架號(hào)作為Y軸。②把實(shí)測(cè)的頂?shù)装鍞?shù)據(jù)作為Z軸，網(wǎng)格化算法選擇克里金插值法，然后點(diǎn)擊確定保存，形成Surfer可以識(shí)別的網(wǎng)格文件，操作步驟如圖2所示。③形成網(wǎng)格文件后，在Surfer軟件中Map選項(xiàng)下可以生成等高線圖、點(diǎn)位圖、3D面圖等多種圖形。圖形類(lèi)型如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)操作步驟Fig.2 Data operation steps

圖3 Surfer軟件中可生成的圖形類(lèi)型Fig.3 Types of graphs that can be generated in Surfer software

利用上述方法將整理好的30103～30108綜采工作面的剖面數(shù)據(jù)，按照上述步驟生成3D Surface圖形，經(jīng)過(guò)處理后即可形成三維圖形。

本次采空區(qū)三維模型范圍是從切眼正幫開(kāi)始，至主回撤通道正幫結(jié)束，以30103工作面的回風(fēng)順槽和30108工作面的膠運(yùn)順槽正幫為界，然后結(jié)合采空區(qū)頂板等高線與3D Surface圖形，建立成的三維采空區(qū)綜合模型如圖4所示。

圖4 三維采空區(qū)綜合模型Fig.4 3D goaf comprehensive model

在實(shí)際分析研究中，可以單獨(dú)用三維模型進(jìn)行分析，也可以結(jié)合對(duì)應(yīng)的等高線進(jìn)行分析。

3 三維采空區(qū)模型應(yīng)用領(lǐng)域

通過(guò)三維模型及與相關(guān)的數(shù)據(jù)在Surfer軟件中的運(yùn)用，可以在礦井諸多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，下面將介紹采空區(qū)三維模型在礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)和分層開(kāi)采等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

3.1 礦井地質(zhì)

3.1.1 煤層構(gòu)造的預(yù)測(cè)

通過(guò)三維模型可以直觀地看出采空區(qū)頂(底)板的變化趨勢(shì)，從切眼至主回撤通道方向整體降低(與地質(zhì)勘探報(bào)告一致)，但是局部區(qū)域的起伏變化情況是比較大的，由于勘探時(shí)期的勘探鉆孔是以850 m×850 m工程網(wǎng)度控制的，所以通過(guò)勘探報(bào)告是無(wú)法顯示局部的小型地質(zhì)構(gòu)造的。通過(guò)軟件的Watershed Map功能可以清晰地看出采空區(qū)煤層頂板的低洼段，即“小支流”匯聚的地方，分析認(rèn)為是此處煤層頂板有起伏構(gòu)造的表現(xiàn)形式，如圖5所示。

圖5 頂板模型中構(gòu)造發(fā)育分析Fig.5 Analysis of structural development in the roof model

采空區(qū)頂板模型從切眼至主回撤通道呈下降趨勢(shì)，看似雜亂無(wú)章的低洼段在分布上具有一定的規(guī)律性，從模型中可以看出，從0～2 100 m段構(gòu)造發(fā)育最復(fù)雜，3 500～4 300 m段次之，2 100～3 500 m段即土黃色的這段較為簡(jiǎn)單。在模型中只要出現(xiàn)較大起伏構(gòu)造的低洼段，都會(huì)影響臨近的工作面，再結(jié)合礦井勘探時(shí)期和生產(chǎn)中收集的其他地質(zhì)資料對(duì)構(gòu)造情況進(jìn)行分析，進(jìn)行準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

利用Surfer軟件的Watershed Map功能，對(duì)頂?shù)装遐厔?shì)來(lái)開(kāi)展構(gòu)造分析，如圖6所示。圖中連續(xù)的藍(lán)線代表著構(gòu)造的走向趨勢(shì)，根據(jù)趨勢(shì)線出現(xiàn)的位置和范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖6 構(gòu)造趨勢(shì)線的展布Fig.6 The distribution of the constructed trend line

3.1.2 預(yù)測(cè)與實(shí)際對(duì)比

根據(jù)采空區(qū)三維模型中分析的構(gòu)造出現(xiàn)的位置，與30109工作面回采里程(從主回撤通道正幫起始為0里程)相應(yīng)位置的實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 采空區(qū)模型構(gòu)造位置與30109工作面實(shí)際情況對(duì)比

如圖7所示，將30109工作面已經(jīng)回采完畢的采空區(qū)建立模型，與已建好的三維模型對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)“低谷”趨勢(shì)線來(lái)預(yù)測(cè)臨近工作面出現(xiàn)構(gòu)造的方法非常可靠，可以在生產(chǎn)中提前預(yù)報(bào)采取措施，防范地質(zhì)構(gòu)造帶來(lái)的危險(xiǎn)。

從圖7中可以清晰地看出“低谷”趨勢(shì)線和30109工作面的“低谷”趨勢(shì)線連接在了一起，說(shuō)明2條趨勢(shì)線具有很強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，可作為指導(dǎo)生產(chǎn)工作的一種重要方法。

圖7 模型關(guān)聯(lián)對(duì)比圖(紅框?yàn)?0109工作面采空區(qū))Fig.7 Model correlation comparison diagram (the red frame is the goaf of 30109 working face)

3.1.3 瓦斯抽采中的運(yùn)用

瓦斯的相對(duì)密度為0.554，經(jīng)常積聚在巷道空間的上部，特別是巷道冒頂空洞中，采煤工作面上隅角和采空區(qū)高冒處，積聚的瓦斯?jié)舛热菀走_(dá)到爆炸界限，尤其在放頂煤開(kāi)采的綜采工作面，采空區(qū)高濃度瓦斯常積聚在高冒處，處理起來(lái)十分困難，成為瓦斯爆炸的重要原因之一。

通過(guò)采空區(qū)模型，可以清晰地看出采空區(qū)頂板穹窿位置，并通過(guò)Surfer中的數(shù)字化功能準(zhǔn)確地在對(duì)應(yīng)的采空區(qū)等高線圖上，標(biāo)定出穹窿位置的坐標(biāo)點(diǎn)(圖8中五角星)，為地面瓦斯抽采鉆孔提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)和深度，使鉆孔準(zhǔn)確地鉆進(jìn)到頂板穹窿部位進(jìn)行有效地瓦斯抽采。

圖8 預(yù)設(shè)瓦斯抽采點(diǎn)Fig.8 Preset gas extraction points

3.2 水文地質(zhì)

3.2.1 采空區(qū)涌水在工作面涌出位置預(yù)測(cè)

運(yùn)用Surfer中的Watershed Map功能對(duì)已經(jīng)回采的采空區(qū)涌水匯集位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以分析出采空區(qū)涌水在工作面涌出的位置。建立如圖9所示的30108工作面區(qū)段(3 280～4 080 m)涌水來(lái)源預(yù)測(cè)圖，圖中藍(lán)線表示涌水趨勢(shì)線。從圖9中可以明顯地看出30108工作面的采空區(qū)涌水會(huì)從84架左右涌出；因此指導(dǎo)綜采隊(duì)在84架附近布設(shè)抽排水設(shè)備，防止工作面積水過(guò)多或抽排不及時(shí)影響生產(chǎn)。

圖9 30108工作面中采空區(qū)涌水涌出位置Fig.9 The location of the water inflow gushing out of the goaf in the 30108 working face

3.2.2 采空區(qū)充水量計(jì)算

在采空區(qū)模型中可以直觀地看出采空區(qū)低洼范圍，并且可以加載一個(gè)面，這個(gè)面的高程根據(jù)實(shí)測(cè)積水高度確定，并且獲得的平面高程數(shù)據(jù)越精確，采空區(qū)內(nèi)的積水空間也越精確，計(jì)算得到的積水量也準(zhǔn)確。計(jì)算采用Surfer中的Grid-Volume功能。

選取水準(zhǔn)面高程的方法：將綜采工作面兩側(cè)的順槽底板高程作為水準(zhǔn)高程；在回撤通道密閉處確定水位高程；與采空區(qū)底板疊加形成積水模型，如圖10所示。

圖10 采空區(qū)模型加載預(yù)測(cè)水準(zhǔn)面Fig.10 Loaded predicted level of goaf model

經(jīng)過(guò)計(jì)算，水準(zhǔn)面與采空區(qū)底板之間的體積為802.3 m3，由于目前杭來(lái)灣煤礦沒(méi)有可以參照的采空區(qū)實(shí)測(cè)充水系數(shù)，所以在查閱了大量關(guān)于采空區(qū)充水系數(shù)的資料后選取本次采空區(qū)充水系數(shù)為0.1～0.3，計(jì)算得采空區(qū)積水量為80.2～240.7萬(wàn)m3。

3.3 下分層開(kāi)采前勘探依據(jù)

當(dāng)杭來(lái)灣礦井開(kāi)采301盤(pán)區(qū)下分層時(shí)，通過(guò)建立的模型可以直觀地看出下分層煤層頂板的起伏特征并確定低洼區(qū)域的位置，在掘進(jìn)和回采下分層煤層時(shí)利用井下物探方法探測(cè)頂板的積水區(qū)，如果物探異常區(qū)正好對(duì)應(yīng)的是采空區(qū)低洼區(qū)域，可以證明異常區(qū)的性質(zhì)是積水區(qū)域，然后對(duì)該區(qū)域頂板的積水進(jìn)行疏放，如果物探異常區(qū)對(duì)應(yīng)的不是積水范圍，可能還存在其他一些異常情況，需要采取鉆探手段進(jìn)行驗(yàn)證，確保下分層采掘工作的安全。

3.4 智慧礦山

依據(jù)綜采工作面的剖面數(shù)據(jù)，建立了采空區(qū)三維地質(zhì)模型，進(jìn)行礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)等領(lǐng)域的應(yīng)用。同樣利用地質(zhì)數(shù)據(jù)建立一個(gè)采掘工作面的三維地質(zhì)模型，為智能化工作面中滾筒切割路徑提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。例如把采掘地質(zhì)體三維模型數(shù)據(jù)輸入到礦井的數(shù)據(jù)中心，結(jié)合其他參數(shù)而設(shè)定煤機(jī)的割煤路徑，綜合利用其他的工業(yè)智能產(chǎn)品和智能化礦井系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人化回采工作面，從而實(shí)現(xiàn)更為安全、高效、智能化的煤炭生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)利用采空區(qū)模型分析研究煤層頂(底)板趨勢(shì)，預(yù)測(cè)其構(gòu)造形態(tài)展布特征來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。根據(jù)采空區(qū)底板形態(tài)，依據(jù)標(biāo)高圈定積水范圍、積水位置，根據(jù)實(shí)測(cè)積水高程預(yù)測(cè)采空區(qū)積水量。根據(jù)采空區(qū)涌水匯集趨勢(shì)，指導(dǎo)工作面抽排水設(shè)備的布設(shè)，有利于綜采工作面涌水的抽排，并延伸應(yīng)用到瓦斯抽采、下分層開(kāi)采前勘探等方面。

(2)建立為智能化采掘工作面服務(wù)的三維地質(zhì)模型。建立采空區(qū)模型主要以人工收集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，具有一定的局限性，因此建議需深入研究。

(3)進(jìn)一步提高建立采空區(qū)模型采用的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性，尤其是工作面的剖面測(cè)量頻率，因?yàn)轭l率次數(shù)愈多，采空區(qū)相關(guān)特征參數(shù)愈加精準(zhǔn)，后期考慮采用智能化的工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)測(cè)。