（中國礦業大學北京校區，北京海淀區，100083）

摘 要  通過對近10年來國內外煤礦高產高效礦井地質保障系統的現狀進行概要回顧，探討了 我國煤礦高產高效礦井地質保障系統建立與發展過程中遇到和存在的問題，并對我國 今后一段時間內在這方面的研究和努力方向提出了建設性意見。��

關鍵詞 地質保障系統 煤炭地下開采 高產高效礦井��

高產高效礦井的實現要有資源的優勢及先進的礦井設計和裝備。而礦井設計在很大程度 上要以充分、可靠的開采地質條件為基礎。據統計，我國綜采工作面開機率為29%， 從造成系 統工作面不可靠及事故影響因素來看，主要是由于對礦井開采地質條件缺乏系統掌握。由于 對開采地質條件的認識不足，在采區和工作面布置及生產上也有一定的盲目性，因此也損失 了 一定的煤炭儲量。由此可見，建立和完善我國煤炭生產高產高效礦井地質保障系統，對促進 我國煤炭工業的可持續發展是十分重要的。��

1 高產高效礦井地質保障系統的基本概念

高產高效礦井地質保障系統是根據高產高效礦井機械化、集中化程度高的特點，以地質量 化預測為先導，以物探、鉆探等綜合技術為手段，并依托先進的計算機技術實現生產地質工 作的動態管理。它要求為礦井設計、采區布置、生產準備、采面布置到回采等各個層次或階 段提供可靠的地質保障。因此，要實現煤礦生產的高產高效，除選擇優勢資源區塊為開采場 地外，更重要的是對影響煤炭開采的地質因素有系統和清楚的掌握。��

影響煤炭開采的地質因素很多，重要的有：煤層厚度及其變化、頂底板巖層組合及其空間分 布、構造（包括斷層、褶曲等）、礦井水文地質及瓦斯地質、煤層中的地質異常體等，查清 這些地質因素對不同礦井煤炭開采的影響程度，為煤炭生產提供可靠的地質依據，是地質保 障系統的主要內容。��

1��1 煤層厚度及其變化

由于受基底構造、原始成煤環境、后期沖刷和構造作用的影響，造成不同煤田、礦井或同一 礦井的不同采區、工作面的煤層厚度不同或出現增厚、變薄現象。當煤層厚度 小于實際 采高時，在工作面煤壁表現為破頂或破底，給綜采設備維護帶來困難；當煤層厚度大于工作 面采高并撇頂煤時，由于煤層松軟，極易造成漏頂，給頂板管理造成不便。一般說來，綜采 工作面多布置在煤層厚度為3～5m且厚度在較大范圍內變化不大的地區；對于煤層厚度大于5 m且煤厚變化較大的情形，實踐證明以采取綜采放頂煤技術為好。所以，煤層厚度及其變化 是影響采煤方法、設備選型等的重要因素，必須予以重點研究。��

1��2 頂、底板巖性空間分布及其穩定性

煤層頂、底板巖層穩定是確保安全、高效生產的基本條件。我國綜采面開機率低的主要原因 之一是頂板控制較為困難，工作面端面頂板冒落所造成的工作面停產時數與總產時數的比值 達40％～60％。世界主要產煤國的統計數據表明，由于礦山壓力控制不當而造成的人員傷亡 事故，約占井下傷亡事故總數的1/3左右。由此可見，頂板事故既是造成 高產高效 工作面系統不可靠的主要因素，亦是影響煤礦安全生產的重要因素之一。研究表明：煤礦頂 、底板巖層在垂向上和側向上的厚度和巖性變化很大，在煤炭開采過程中，在一定的采深條 件下，頂板冒落、底凸及煤巖層突出往往發生在老頂砂巖與泥巖的過渡部位 。因此， 開展煤層頂、底板穩定性的研究，有利于弄清頂、底板類型的劃分和分布，有利于對開采方式、支護形式、采區劃分作出合理決策，從而有利于礦井的正常生產。��

1��3 構造

構造對煤厚變化（尤其是側向變化）、瓦斯和礦井水的突出有重大影響。當構造作用造成煤層厚度變薄或使煤層傾角變化時，在工作面推進過程中常常需要破頂或破底；構造作用的影響亦造成煤層頂板破碎或撇頂煤而引起冒落，使頂板管理 困難；在綜采面內若出現3m左右的未知斷層，就有可能迫使采面搬家。因此在布置綜采 面時，必須查明采面內落差2～3m的小斷層。為此，要充分利用礦區內現有的資料（包括鉆 探資料、物探資料、巷道開拓資料等），分析井田范圍內的地質構造變化規律，由已知到未 知，對將要開采的采區或工作面作出量化預測。��

1��4 礦井水文地質及瓦斯地質

高產高效工作面應不受礦井水的威脅，因此要結合頂、底板巖性資料和礦區構造特點詳細分 析和研究含（隔）水層分布、導水通道、突水構造等狀況，為礦區防治水患提供詳細資料。 瓦斯涌出量亦是高產高效工作面必須重點考慮的因素之一，因此在工作面設計之前 ，利用鉆孔瓦斯量成果和煤質分析資料、相鄰礦區或采區涌出量的實測成果，分析瓦斯 含量與瓦斯涌出量及與影響因素之間的關系，并根據這種關系，對煤層瓦斯富集區與含量進 行預測。��

1��5 煤層中的其他地質異常體

在華北地區的煤田中，常常有巖漿巖侵入體、巖溶陷落柱和煤層沖刷帶等地質異常體出 現，嚴重影響綜采工作面的正常掘進。利用勘探資料分析和判斷地質異常體往往較為困 難，近幾年來發展起來的三維高分辨采區地震勘探資料經進一步處理，對上述地質異常體的 空間分布有較好的反映。��

此外，在某些礦區，煤層夾矸、地應力、地溫等，亦是礦區開采地質條件研究的主要內容。

過去，由于我們進行的從普查到精查的地質勘探與評價，多是以地球上某一區域現存的資源 進行評價為目的，而對開采地質條件的研究開展很少。在目前煤炭勘探儲量能基本滿足煤炭 開采的需要后，煤礦地質工作要轉到以開發為目的的開采工程地質條件評價上來。要充分利 用以往各個地質階段中積累的地質資料，建立相應的地質資料數據庫和專家管理系統，并借 助近年來發展起來的先進物探技術和鉆探技術對存在的有關地質異常體和誘發工程災害源進 行進一步探測，使地質保障更加有力。��

2 高產高效礦井地質保障系統的研究現狀

20世紀70年代中期以來，世界各主要產煤國家在發展機械 化采煤中普遍遇到開采地質條件與采煤設備的適應性問題。在我國，隨著采煤機械化的迅速 提高，以前地質部門提交的精查地質勘探資料已遠遠不能滿足礦井設計和采區布置的需要。 因此，80年代以來，我國煤田地質工作者在煤礦開采工程地質條件綜合評價、技術研究與儀 器研制等方面做了大量工作，獲得較大進展。��

2��1  開展采區開采地質條件綜合評價和預測研究

煤炭科學研究總院西安分院、中國礦業大學等單位采用塊段指數法、數理統計綜合評價法、 模糊數學法和數學力學法等，量化預測斷層及煤層斷裂強度。“七五”以來相繼開展了“采 區開采地質條件”和“開采地質條件量化預測與數據處理技術”的專題研究，研究成果已用 于礦井生產。中國礦業大學北京校區應用沉積地質學、古水系和地球物理的研究方法對礦 區 煤厚變化規律及地質特征、煤層沖刷帶的確定和煤層分叉、尖滅、增厚、變薄等開采技術邊 界確定方面獲得可喜成果。他們還從沉積地質學、巖石工程力學、采礦工程學和模擬實驗等 多學科入手，探討將地質預測方法與技術用于煤炭開采過程中頂板巖層控制與管理的研究， 已在生產礦井中推廣應用。��

2��2 采區高分辨三維地震勘探的研究與應用取得了突破性的進展��

1993～1994年間，由中國礦業大學、安徽煤田地質局、淮南礦務局共同合作在淮南礦務 局謝橋煤礦首采區和潘集礦區進行高分辨三維地震勘探研究，采用小采樣間隔 小面積組合(�玹��=1ms，1��5m×1��5m)，10m×10m CDP網格，疊前部分偏移DMO疊加技術， 獲得了高分辨率、高信噪 比、高密度三維數據體，查明了一批埋深380～700m、落差�獺��≥5m的小斷層，空間定位誤 差小 于10m；查清了區內幅度大于5m的褶曲；在460m深度上清楚到并分辨開相距50m、斷面為3��2 m×3��8m相互平行的石門巷道（圖1）。該方法的應用成功為采區精細勘探及其它與 工程有關的災害地質預測開辟了新途徑。��

圖1 淮南煤田謝橋礦區兩石門巷道（略）��

2��3 探測手段的研究取得顯著成效

一批適用于礦井作業的防爆儀器，包括數字防爆橫波地震儀、數字防爆坑道無線電波透視儀 、數字防爆直流電法儀、防爆瑞雷波儀、鉆孔防爆直流電法儀、鉆孔防爆測斜儀以及坑道全 液壓鉆機系列等問世，為探測采煤工作面內地質異常體提供了條件。特別是煤炭科學院西安 分院最近完成的《綜采煤層地質綜合探測技術》課題，進行了采前勘探的嘗試，取得了初步 效果，為我國采前綜合勘探技術的應用提供了有益的經驗。中國礦業大學北京校區跟蹤世界有關技術前沿，并結合我國煤炭工業的實際，研究開發以便攜式智能化地震儀、地質雷達為 代表的礦井物探儀器，目前正在進行工業性試驗，即將正式投入批量生產。��

2��4 針對高承壓水對煤礦開采的威脅，組織了 “六五”攻關課題、“七五”工業性試驗和“八五”二期工業性試驗

“六五”課題研究從井田水文地質條件和采區開采地質環境入手，開展礦區和井下水文地質 試驗。以峰峰礦區為試驗點，調查河北、河南、山東、山西礦區的突水資料，經過分析研究 提出煤層底板“三帶”概念，革新突水系數的涵義，進而形成了帶壓開采理論與方法，指 導奧陶系石灰巖巖溶地下水水害防治。��

“七五”課題以工業性試驗規模，對華北型巖溶礦井高壓水害威脅，采取了多途徑多手段的 防治對策。引入礦山壓力和巖石力學方法與手段，模擬、預測突水因素、突水部位。同時， 加大井下探測力度，研制多種井下物探（瑞雷波探測技術、井下直流電法、對話井音頻電 透視）和化探儀器，發展井下突水監測預報系統。最后通過治理試驗，改革疏降工藝和注漿 堵水技術。��

“八五”課題以形成工業性試驗成果配套技術為重點，進行多個礦區應用試驗。針對不同突 水通道類型，規范技術途徑，配套探測手段，研制成會診式專家系統，形成條件探測、監測 預報、帶壓開采、注漿堵水的4項配套技術。 最近，中國礦業大學、中國煤田地質 總局等單位開展煤田三維三分量地震勘探工業性試驗，已獲取較好的奧陶系古巖溶水地震反 射剖面，為預防礦井突水提供了有前景的技術手段。��

但是，應當承認，從目前的現狀來看，我國煤炭工業高產高效礦井生產的地質保障系統 的技術水準較低、技術手段滯后、研究成果零散，研究成果還多處于定性階段，還遠遠承擔 不起保障系統這一重任。主要表現在以下幾個方面：��

(1) 研究水準較低。例如：目前煤礦對頂底板巖層控制的研究還主要基于50年代的“地 質層板模型”假說之上。在瓦斯和煤巖層突出機理研究方面，雖然認識到地壓、高壓瓦斯和 煤 體結構在突出過程中的意義，并認為高壓瓦斯在突出過程中起決定作用，但在頂板冒落、瓦 斯與煤巖層突出時又往往難以準確預報，其原因是對頂板冒落地點、老頂巖層地應力聚 積部位和瓦斯聚積部位缺乏較全面的認識。傳統的礦壓理論和觀察方法，多局限于某 一煤層、某一采區或某一工作面。由于研究范圍較狹小，不能對整個礦區的災害源提供有效 的預測。��

(2) 監測和探測手段較為落后，可靠性差。目前我國配合礦井生產的地質探測儀器多是80 年代初期引進消化技術，或是結合我國某些具體的生產實際發明的產品。從目前生產礦井 的應用來看，大多處在定性分析階段，在定量分析中可靠性偏低，并且應用范圍窄。在美國 ，配合高產綜采技術裝備，目前多配有由井下監控器、傳感器、便攜式地質雷達聯合計算 機轉化處理器的全自動監控系統GCMS（Ground Control Management System）。該系統采用 多探頭、多接收系統及計算機綜合提純技術，可獲得較準確的超前巖性和小構造探測資料、 煤厚變化和煤巖層分界資料。同時還能對開采過程中煤體負載壓力及頂板力學性質、工作面 礦壓顯現和瓦斯聚積等同時進行監控。��

3 高產高效地質保障系統研究的突破方向

3��1 在不同的地質勘探階段，加強開采地質條件評價的力度

50年代以來，我國建立的煤田地質勘探規程或規范均是以鉆孔評價為依據，以資源評價為目 的 ，忽視了鉆孔之間地質特征和煤礦開采地質條件的綜合評價，根據精查地質資料進行 礦井設計和采區布置具有很大的盲目性。因此，必須以服務礦山開采為目的，對以往的勘探 資料重新進行綜合分析和評價，特別要研究由于地質體內部結構特征、物質成分特征不同， 在礦產資源開采過程中，其圍巖和上覆巖層造成的變化和破壞特征。從煤層本身、煤層頂 底板巖層結構和地應力分析入手，結合巖石工程力學、采礦工程的綜合研究，逐步建立和完 善預測采區巖體應力分布狀態、采區地質異常狀況、巷道和工作面頂板冒落、沖擊地壓、瓦 斯和巖煤層突出及礦井突水的地質綜合方法和技術。��

3��2 完善和推廣采區三維地震勘探技術

淮南礦業集團公司和其他有關煤礦的實踐表明，采區三維地震勘探是煤炭生產高產高效礦井 地質保 障系統中最成熟，并且也是經濟的主要技術手段之一。在有條件的地區，特別是新建礦 井值 得進一步推廣應用。在另一方面，由于采區三維地震勘探的費用較高，在當前市場經濟條件 下，進一步完善三維地震勘探中有關關鍵技術和理論，開拓三維地震勘探的應用范圍，并充 分利用三維地震勘探中所采集的有效信息為礦山開采服務，是目前采區三維地震勘探中需要 解決的重要問題。具體來說，在以下5個方面需要進一步研究和完善。��

（１）完善三維勘探技術和理論。高產高效工作面生產技術要求工作面內不含斷距大于3m的 斷層，因此，查清綜采工作面內大于３m斷層的分布，是三維地震勘探的目標之一。��

由于解釋地震剖面上的斷點主要是靠同相軸錯斷時差，按傳統理論，最可靠的解釋是錯斷主 要反射波的1/2周期或1/4周期。因此，要達到解釋3m斷層的要求，J�� B�� Farr 的觀點認為，頻率起碼要高出100Hz，800～1000Hz是最理想的。我國有關煤田 三維地震 勘探成果表明，采用頻率為80Hz左右接收，小斷層地震極限分辨率可達λ/16～λ/8。在淮 南煤田，在460m深度上清楚識別出相距50m、斷面為3��2×3��8m相互平行的石門巷道 。 所以，有必要根據中國的實踐，對有關理論進行深入探討，以完善三維勘探技術和理論，為 三維地震在我國煤礦大面積推廣應用打下良好基礎。��

（２）三維地震勘探解釋技術需要進一步深化和提高。通常采用的剖面解釋模型是 歷史發展過程中的產物，它不僅花費的時間多，而且難于建立地質體的精確立體概念，使解 釋精度受 到很大局限。現代化的工作站系統和高性能的三維可視化軟件系統為我們提供了進行體積解 釋的先進工具，我們應盡快地從剖面解釋的模式中解脫出來，大力推廣體積解釋技術。

在另一方面，由于煤系地層埋藏較淺，速度空間變化較大，許多按深層石油勘探為目標設計 的軟件不大適合煤田應用，要盡快結合近年來在煤田三維地震勘探獲取的經驗，總結和建立 我國煤田三維地震在采集、處理和解釋中基本的相關模型。��

（３）我國許多煤田位于山區，山區三維地震勘探施工難度較大，費用較高，而且更主 要是靜動校正技術問題和偏移問題。中國煤田地質總局物探院采用多道隨機公布的不規則三 維觀測系統，通過以模型為基礎的觀測系統設計，根據山區的地形地物選好激發點位置，以 保證得到質量比較高的原始記錄；同時，他們試驗采用動態地形校正法建立山區數據處理基 準面已獲得初步成果����［20］��。但這方面的技術還很不成熟，急需聯合攻關。��

（４）積極推進縱橫波聯合勘探的研究和應用。以往的地震勘探，人們多采用的是縱波。近 年來，隨著橫波震源和三分量檢波器的研制成功及方法研究的深入，多波多分量地震技術有 了新的進展。檢測裂隙的走向和密度、圈定煤層瓦斯富集范圍等方面有重要意義。中國礦業 大學（北京）正聯合有關單位對有關煤礦開展這方面的研究和試驗。��

（５）我國煤礦三維地震成果多由勘探部門以成圖方式交付生產部門，生產部門在應用 這些成果于生產管理時，還受到很大限制。目前我國煤炭企業計算機應用正處于發展階段， 地震勘探部門采用的工作站處理技術在煤炭企業推廣還有一定困難。因此有必要根據煤炭工 業的現狀，開發煤田三維地震勘探成果微機應用軟件，使有關企業能充分利用三維地震勘探 資料對生產過程實施實時管理。��

3��3 進一步研制適合礦井作業和實時處理的 物探儀器，并形成與采煤機組配套的設備

我國80年代以來，在引進消化國外先進技術的基礎上，已研制成功一批井下物 探儀器并推廣應用。由于井下條件復雜，研制的儀器用途專一，并且部分儀器的可靠性不高 。故在探測手段上，大大落后于生產的需要。因此，我們要瞄準當前世界地球物理技術和設 備研制的最新動態，開發研制包括地質雷達、地震和電法3種信息復合技術。目前以研制在 綜采過程中實時探測煤厚（包括頂煤或底煤及夾矸厚度），工作面前方或周圍60m范圍內不 同方位小斷層、陷落柱、火成巖或其它地質異常體,以及采動壓力等的井下綜采機組的專用 配套設備為主攻方向，以推動高產高效礦井綜合采煤機組向進一步自動化和現代化方向發展 。��

3��4 建立高產高效礦井（工作面）地質條件預測系統

高產高效礦井（工作面）地質條件預測系統將借助于計算機實現對礦山所有地質數據建庫、 處理、綜合評價及量化預測分析系統全過程。通過對礦井開采地質條件綜合評價研究（包括 沉積、構造、煤厚、頂底板巖層穩定性、瓦斯等）建立地質條件數據庫，通過對地質異常體 （如斷層、陷落柱、煤層變薄帶、火成巖等）的預測預報研究，建立預測評價軟件系統和地 質信息處理系統，為綜采設計、設備選型、預測綜采工作面的生產效率提供地質數據和分析 判斷。通過與綜采機組配套專用探測儀器聯結以進行現場數據采集、記錄和處理，從而對綜 采工作面地質異常及誘發工程災害源進行實時預測預報。��

通過上述相關理論和技術的研究和進一步完善，形成針對不同礦區的地質特征和采區、工作 面的生產需要，擇優組合相關技術，采用井上與井下、地面與鉆孔、巷道與巷道、鉆孔與鉆 孔、巷道與鉆孔、上層與下層的工作方法，充分利用各種地球物理、地質參數，提高探測精 度和綜合解釋能力，查清影響綜采綜放的各種地質異常情況，形成地面、采區、工作面及巷 道配套技術，為煤炭的高效安全生產提供可靠的地質保障。(韓德馨為中國工程院院士)��

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