“煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”专题

来源：《煤炭学报》2020年第7期

本专题来源于《煤炭学报》，共30项研究成果。专题论文紧紧围绕“煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”论坛的5个主题进行报道，即：① 地质与水文地质条件勘察评价;② 隐蔽致灾地质因素精准探查;③ 矿井水害与煤岩动力灾害防治;④ 智能开采的三维地质透明化;⑤ 现代化煤矿的地质保障实践。

行业视野: 地质
类别; 151个
关键词; 162位
专家; 31篇
论文; 46574IP
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“ 煤炭安全高效绿色智能开采地质保障” 专辑特邀主编致读者

作者(Author)：袁亮, 董书宁

摘要：　　煤炭地质工作是煤炭开发的基础性工作，它横跨了煤田勘探、井田划分、矿井设计、开拓掘进、安全回采、煤炭利用及矿井关闭等煤炭开发的各个阶段，服务于煤炭资源开发的全生命周期，为煤炭资源开发的规划、生产和利用等提供基础保障。　　随着我国煤炭工业的发展和煤炭地质科技工作者的不断努力，煤炭地质保障系统的整体架构、研究内容、保障目标、配套技术等逐渐发展成熟，其内涵与外延不断丰富和完善，迄今为止历经了4个阶段。　　第1阶段：煤炭开发地质资源保障。改革开放后，我国完成了第3次全国煤田预测与评价，埋深2 000 m以浅的煤炭资源总量5.57万亿t、保有资源量超过1万亿t。这是煤矿地质保障技术的萌芽阶段。　　第2阶段：“双高矿井”建设地质保障。“九五”期间，煤炭工业开始创建以高产高效为主要特征的“双高矿井”，随着大型综采配套设备的投入使用，迫切需要超前查明煤矿采区的构造、水文等开采地质条件，传统的地质保障技术开始从煤田地质勘探进入矿井设计领域。这是煤矿地质保障技术的初级阶段。　　第3阶段：煤矿安全高效生产地质保障。进入21世纪以来，为有效减少煤矿瓦斯、水害等事故，煤矿地质保障工作从地面到井下，全方位开展煤矿隐蔽致灾地质因素的精准探查与治理，煤矿地质保障工作进入生产阶段，地质保障技术向煤矿开采地质保障系统发展。　　第4阶段：煤矿智能化绿色开采地质保障。从2014年陕煤集团黄陵矿业一号煤矿41101工作面首次实现智能化开采以来，少人化、无人化、智能化开采以及智慧矿井等先进生产理念深入人心，煤炭绿色开采、智能精准开采等对煤矿地质保障系统提出了新的更高要求。随着八部委联合印发的《关于推进煤矿智能化发展的指导意见》的逐步落实，煤炭地质保障系统必将迈向以探测智能化、地质透明化为特点的新的发展阶段。　　多年来，挂靠在安徽理工大学的中国煤炭学会矿井地质专业委员会和挂靠在中煤科工集团西安研究院有限公司的中国地质学会和中国煤炭学会煤炭地质专业委员会、中国煤炭工业安全科学技术学会水害防治专业委员会等持续不断精心打造矿井地质和煤炭开采地质保障技术交流高端平台，2020年4个专委会将共同主办主题为“煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”学术论坛，为煤炭地质领域广大科技工作者提供展示近年来研究取得的新理论、新技术、新装备和应用新成果的高端交流平台，研讨未来煤炭地质科技发展新方向。　　本期前30篇论文紧紧围绕论坛的5个主题进行报道，即：① 地质与水文地质条件勘察评价;② 隐蔽致灾地质因素精准探查;③ 矿井水害与煤岩动力灾害防治;④ 智能开采的三维地质透明化;⑤ 现代化煤矿的地质保障实践。　　我们相信，专辑的出版和学术论坛的举办，必将促进煤炭安全高效绿色智能开采地质保障理论研究、技术装备开发和推广应用的全面深入和系统提升，并必将为我国煤炭工业转型升级和高质量发展做出新的贡献!

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我国煤矿安全高效开采地质保障系统研究现状及展望

作者(Author)：彭苏萍

摘要：从近40 a来我国煤炭工业的发展进程，分析和总结了我国煤矿安全高效开采地质保障系统建设随着煤炭工业从炮采和普采向机械化开采的转变，经历了从煤田地质学发展到采矿工程地质学和矿井工程物探的发展过程，并逐步构建了煤矿安全高效矿井地质保障系统的基本框架。20世纪90年代中后期，随着煤矿采区高分辨三维地震勘探技术体系研究成果的建立和完善，使煤矿精细地质构造、煤与瓦斯突出、矿井突水通道等灾害隐患的探测精度和预测准确度大大提高，促进了我国煤矿安全高效矿井的迅速发展，煤矿安全高效矿井地质保障系统也走向成熟并在全国煤炭系统推广应用。笔者认为，虽然煤矿地质保障系统在保障开采安全、提高开采效率等方面取得了显著的成效，但随着信息技术的深度融合和煤矿机械化水平的进一步提高，煤炭绿色开采、智能精准开采等对煤矿安全高效开采地质保障系统提出了更高的要求，矿井地质透明化是当前煤矿安全高效矿井地质保障系统发展的努力方向。其重点任务是:① 在统一的数据融合基础上，进一步提高地球物理勘探精度，提高矿井地质的透明化水平，构建煤矿智能开采地质保障平台;② 研发与惯导技术一体的高分辨煤岩辨识仪器装备，实现对工作面前方5 m范围煤岩结构的自动化数据采集与精准识别;③ 以岩层结构为基础，以岩石力学和流体因子为重点，开发和建立智能矿山建设决策与灾害隐患预警系统。

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煤炭精准开采透明地质条件的重构与思考

作者(Author)：袁亮, 张平松

摘要：矿井透明地质条件是煤炭精准开采智慧化的重要基础。结合矿井静态地质要素大数据信息库、多灾害源全程信息感知与监测、动态地质要素虚拟现实展示、特殊地质因素动态评判与风险判识、预警等智慧模块的交互应用，从静态与动态地质模型角度提出实现煤炭精准生产全过程地质条件透明化的思路。其一，静态地质模型通过采集“空-天-地-井-孔”全方位立体化探测模式数据，融合井巷建设基础地质信息，重构地下空间地质特征数字模型，为资源、构造、井巷等静态因素评价、浏览、计算等提供基础。其二，通过动态地质模型获取掘采工程扰动效应影响下，原生静态地下空间地质条件发生变形与破坏，由此而引起的应力应变场、地质地球物理场、渗流场、温度场、浓度场等状态发生改变的参量特征;以及工程动力学作用下，生产环境周边岩层的离层、裂隙、垮落、围岩失稳、底臌、冲击地压显现、应力集中与释放、煤与瓦斯涌突、突水溃沙等多种灾害源现象的动态地质信息变化量值。特别针对动态地质模型发生与发展过程中状态及参数的显现不同，通过进一步加强多介质、多相、多态、多维、多源数据的有机融合，进行多参数联合反演，搭建井上下复合源信息监控平台，构建耦合信息、致灾因素、灾害前兆等多元信息数据库和时空四维地质信息系统，进行实时连续动态监控;并通过对静态地质模型参数注入和改造，反演地质及灾害源条件的变化状态，实现对煤层精细赋存条件、多灾害源受采掘影响致灾过程的透明化。同时，结合采掘要素对特殊地质条件进行探测与评价，从而实现整个矿井地质条件的透明重构。实施中，还需要利用物联网、云平台、大数据、人工智能、VR等技术，进行资源整合、集成和升级改造，将矿区分散的、零星的地质信息聚集起来，实现“主动感知、自动分析、智能决策”，最终为煤系资源的精准开发利用和智慧矿区的建设管理提供支撑。

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矿井突（透）水灾过程中涉险人员危险性评价方法与应用

作者(Author)：武强, 姚义, 赵颖旺, 张小燕, 徐华, 郝治朝, 杜志立, 杜沅泽

摘要：矿井突(透)水灾害应急抢险救援的“自救互救”和“他救”效果与成功率如何，很大程度取决于在灾害整个演变过程中对井下涉险人员所处危险性的科学评价与合理预测。针对我国目前在这方面缺乏系统定量评价的难题，构建了涉险人员危险性影响因素的评价指标体系，即个体特征、矿井巷道、水流特征、气体情况和其他物理因素;通过分析矿井水灾演变过程中灾情对涉险人员的危险作用形式，结合矿井水灾影响因素特点，定义了人员的水流危险性、气体危险性和其他危险性，提出了涉险人员危险性定量评价方法与模型，构建了适用于水灾演变过程中涉险人员多种危险性的综合评价计算规则。以典型矿井为例，实现了矿井水灾过程中涉险人员危险性的动态评价，分析了不同特征涉险人员在灾情中危险性的差异，讨论了坡度、地面摩擦因数、水流密度对危险性的敏感性，并给出了降低危险性的相应减灾建议。结果表明:所提出的方法可以科学地解释、评价、量化涉险人员在水灾环境多因素影响下的危险性，提高了涉险人员在矿井水灾演变过程中“知险”的能力，同时为应急抢险救援方案合理制定提供了技术支撑，对保障应急抢险救援过程中的“自救互救”效果和“他救”成功率均具有重要意义和实用价值。

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鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用

作者(Author)：董书宁, 姬亚东, 王皓, 赵宝峰, 曹海东, 刘洋, 刘英锋, 姬中奎

摘要：为了实现鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田受顶板水害威胁的煤炭资源安全开采，基于侏罗纪煤炭资源赋存条件、顶板含水层特征、顶板水害分布范围与防控难题，对离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚层砂岩水害和烧变岩水害4种典型顶板水害的形成机理、判识方法、主控因素和防控技术进行了系统研究。侏罗纪煤田离层水害发生的地质条件为砂泥岩互层，泥岩隔水层厚度是控制离层水害发生的主控因素，研发了离层水体精准定位探放技术，实现了离层水害判别与防控技术的定量化;导水沙裂隙带是薄基岩溃水溃沙的主控因素，构建了基于导水沙裂隙带与基岩厚度对应关系的溃水溃沙危险性评价体系，发明了含水松散沙体高效注浆技术，有效避免了薄基岩溃水溃沙的发生;发现了厚层砂岩含水层在垂向上的非均质特性，揭示了递进渗流充水模式，提出了“适当波及，主动防控”的厚层砂岩水害防控新理念，解放了大量受厚层砂岩水害的煤炭资源;揭示了烧变岩的“边界富水”效应，将烧变岩完整断面分为直接露头区、中部埋藏区和火烧边界区，并构建了烧变岩不同断面注浆材料选择准则，提出了双位双向孔序优选引流注浆帷幕技术，显著减少了烧变岩对工作面的补给水量，同时实现了采煤保水。通过将典型顶板水害防控技术在鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田的推广应用，有效遏制了顶板水害事故的发生。

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中国煤矿动力地质灾害的构造背景与风险区带划分

作者(Author)：曹代勇, 占文锋, 李焕同, 李小明, 刘德民, 魏迎春

摘要：煤与瓦斯突出、矿井突水、冲击地压、冒顶等煤矿动力地质灾害对煤炭安全生产构成严重威胁，加强煤矿动力地质灾害形成机理和分布规律研究是确保煤矿安全生产的前提条件和基础工作。煤矿动力地质灾害是静态地质环境与开采扰动耦合作用的结果，区域构造背景通过构造变形产物、构造形成过程和构造应力场等方式决定煤矿床赋存方式和动力环境，从而影响煤矿动力地质灾害的发生。通过实例研究和理论分析，把致灾构造因素归纳为断层构造、褶皱构造、构造复杂程度、构造活动性、煤变形-变质特征、煤层赋存深度等六大类，各类构造因素对不同地质灾害的影响程度不同。研究表明，受煤田构造格局的控制，中国煤矿动力地质灾害具有东强西弱、北强南弱的基本特点;规模大、损失严重的煤矿动力地质灾害主要发生在东部煤田构造域，尤其是大兴安岭—太行山二级构造带以东的东北赋煤构造区中东部、华北赋煤构造区东部和华南赋煤构造区中部，以及受特提斯地球动力学体系与太平洋地球动力学体系复合作用控制的华南赋煤构造区西部。根据致灾构造因素和动力地质灾害特征，结合煤系赋存特点和煤炭开发现状，将基于区域构造背景控制的煤矿动力地质灾害风险等级分为Ⅰ级(低风险)、Ⅱ级(中风险)和Ⅲ级(高风险)等3个等级。从中国煤田构造格局的时空差异性出发，在中国赋煤构造单元框架内进行煤矿主要动力地质灾害风险区带划分，东北、华北、华南和西北四大赋煤构造区共划分煤矿动力地质灾害Ⅲ级区带11个、Ⅱ级区带7个，其余地区属于Ⅰ级区带或未评价区域。

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西山煤田岩溶陷落柱柱体形态与组构特征

作者(Author)：赵金贵, 郭敏泰, 李文生

摘要：岩溶陷落柱柱体形态与组构特征严重影响着华北煤田的物探解译、采掘工作开展和水文地质预测预报。通过野外观测、井下编录、叠置对比和统计分析，以例证的形式，表征了太原西山岩溶陷落柱柱体高度、跨度、柱壁角和柱体组成，归纳了岩溶陷落柱柱体形态特征，在煤层开采界面上直径多为30～50 m，自奥灰顶面算起高度多在150～350 m，柱壁角为82°~85°，高低参差不齐，在柱顶上覆软岩层上多发育直径10 m左右“锅底”状构造的柱状岩块堆积体;总结了其柱体组构特征，柱体顶部往往空洞发育、富水、多生长次生矿物晶体;自柱顶以下的柱体组构密实、干燥，岩块镶嵌接触或碎屑流以基质形式填充于大岩块之间，大岩块与大岩块之间分段相间，岩块表面多发育镜面及擦痕构造;柱体下部岩块分选变好，块度变小，密实镶嵌;柱体中最大岩块直径可达3 m，一般岩块直径多在20～30 cm，最小岩块直径多在1 cm左右，棱角分明;柱体边缘煤层多向柱体倾斜、煤质变差、倾向柱体的裂隙发育;柱体岩块最大塌落距多在40～200 m。在华北克拉通破坏的过程中，不同区域构造地貌演化的历程不同，导致不同区域地壳表层岩溶水系统演化的进程不同，进而导致不同煤田岩溶陷落柱的形成时间、发育密度、柱体形态与组构特征也各异;陷落柱分布于沿先成弱面发育的岩溶水系统径流路径上，多期岩溶水系统演化的叠置会导致一些先成岩溶陷落柱柱体活化;柱体岩块风化是陷落柱柱体活化的重要表现，柱体活化是陷落柱导水的重要因素之一。寻找与对比岩溶陷落柱柱根位置，可作为地球物理方法探测与分辨区域煤系新老陷落柱的依据。

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华北地区石炭—二叠纪下煤组聚煤期岩相古地理

作者(Author)：李明培, 邵龙义, 李智学, 董大啸, 李静琴

摘要：在系统收集钻孔、测井和地质剖面资料以及前人地层、古生物研究成果基础上，对华北地区下煤组进行了横向对比，研究了下煤组分布特征、岩相古地理，及其与奥陶系顶面的空间距离关系。根据太原组野外露头剖面观测及钻孔资料，在下煤组下部地层识别出5种沉积体系。采用单因素分析综合作图法，以下煤组下部地层(时间范围为巴什基尔期—格舍尔期)为作图单元，厘定恢复了下煤组聚煤期岩相古地理。结果表明:华北北部以河流、三角洲沉积为主，承德—兴隆一带发育冲积扇沉积;向南过渡为障壁砂坝—潟湖—潮坪沉积;宁夏以西、辽东半岛、华北中东部以及豫东、皖南以碳酸盐台地沉积为主。以38°N为界，华北地区南北下煤组最有利聚煤环境具有显著差异，该纬度以北厚煤层主要形成于三角洲平原，其次为潟湖—潮坪过渡地带，该纬度以南煤层主要形成于潟湖—潮坪，厚度相对北部较小。对比不同沉积环境以及厚煤层形成机理，总结提出下煤组沉积环境聚煤作用强弱依次为三角洲平原分流间湾、潮坪、潟湖和碳酸盐台地，煤层厚度逐渐变薄，煤层层数增加。对下煤组与奥陶系顶面的空间距离研究表明，下煤组可采区煤层底板距奥陶系顶面的距离一般为10～80 m，南缘下煤组可采区一般在30 m以内;鄂尔多斯盆地北部、冀北—环京津地区和山西河东、太原西山等地为50～80 m;豫东—淮北—鲁西南一带为30～60 m;山东济南—淄博—莱芜一带为30～50 m。

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