保水采煤技术现状及智能化未来浅析

◇六盘水师范学院 杨玄应 赵晓勇 宋华英 罗贵靓 周钰昌 王金花

本文查阅了近几年公开发表的相关保水采煤技术的文献资料，归纳总结了保水采煤技术发展现状和工程实践状况，并据此指出了该领域的发展趋势。研究结果表明，实现保水采煤的核心是要精确探测到导水断裂带的发育高度，在不同煤矿地质条件下的煤层开采时，其相关技术参数和开采方式是不同的，实现保水采煤的技术要求，就必须重新调整技术参数及开采方式。

我国西北受地形和气候等因素的影响，水资源仅占全国的3.9%左右，部分区域极度缺水。因此，保水采煤理论的提出，不仅起到防治矿场突水问题，还促进了西北煤矿区水资源保护意识。所谓的保水采煤，也就是在煤炭开采的同时，减少地下水的渗漏，保护含水层的结构不受破坏，防止地下水位大幅度的下降，达到矿区脆弱的生态环境，不会因煤层开采而进一步恶化的目的。

1 覆岩破坏规律研究

1.1 理论分析及经验公式

近年来，煤炭开采不断加大开采深度、强度，杨本先等结合相关理论推导出简洁的公式，王连国等利用覆岩关键层部位系统地展开研究，推导建立预计断裂隙高度力学模型，廖协光等人根据关键层理论，导出了隔水层理论，马亚杰等人结合理论分析建立了不同导水断裂带高度预测模型和预测方法，取得了很好的预测效果。

1.2 现场实测分析法

鲍井龙等人发明了“钻孔双端封堵测漏”技术，孔杰、赵子浩及刘伟韬等人用该技术，成功地指导了鲁西煤矿极近距离下分层开采工作王启庆等科研人员对煤矿开采前后煤层进行水压试验监测采动后的潜水量及水位变化关系对生态脆弱区保水采煤进行分区，根据水均衡原理并确定公式，王桦等人同时并用二级电阻率法和网络电法监测系统实时探测导水断裂带发育过程，准确探测到了导水断裂带最大发育高度。

1.3 相似材料模拟法和数值模拟法

相似材料模拟法与数值模拟法的模拟结果两者有互相验证性。刘伟韬等人应用FLAC3D软件对煤层开采过程进行模拟，方刚应用FLAC3D软件UDEC软件以及物理模拟相结合的实验方法他们都得出了导水断裂带高度。所以，在保水采煤中准确利用定性分析、数值模拟、相似材料等多种方法相互结合相互验证，方可获得准确导水断裂带高度。

2 保水开采技术现状

2.1 充填式保水采煤

充填式保水采煤基本原理就是将固体材料直接填充于采空区作为代替煤体支撑顶板，从而有效控制上覆岩层移动和变形，避免导水断裂带发育高度，达到保水采煤的效果。充填式保水采煤优缺点：在工作面无明显来压现象，地表沉降量小，然而经济效益相对偏低和充填材料用量很大等方面的问题该方法只能在局部区域应用。

2.2 窄条带保水采煤

“窄条带”采煤可以对上部覆岩产生的下沉进行控制，起到保护矿区地表环境的一种保水采煤方法。该方法主要特征是把煤层区域划分为条带形状，采一条、留一条的方式进行开采。窄条带保水采煤技术受特定地质条件的限制，并且以后回收未开采的煤柱较难，掘进巷道较多等问题使得该技术无法大范围推广应用。

2.3 分层（限高）保水采煤

分层（限高）开采是通过制约隔水层层位，限制煤层开采的高度，以间歇分层开采的方式来避免导水断裂带与含水层相通的采煤方法。分层（限高）开采成本相对较低，在厚煤层开采工作面上可以轻易实现，以及后期的顶板也会完全垮落，不会遗留煤柱时间久而失效等问题。

2.4 短壁机械化保水采煤

短壁式开采技术是利用掘、采相结合，适应性较广及采动时对隔水层影响较小等优点，满足保水采煤的基本要求。但是存在煤炭开采效率不高，资源浪费严重等现象，以及在生产中的系统安全等等问题都还待解决。

2.5 长壁机械化快速推进保水采煤

长壁机械化快速推进采煤法很大程度地保证煤层顶板的完整性，防止导水裂隙带在外动力的作用下充分发育导通含水层，造成工作面短时间涌入大量的水。范立民、马雄德、冀瑞君在西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展中实践证明，松散层的水位变化不太明显，地面下沉值小于工作面两侧顺槽水位，符合保水采煤的条件。

3 智能化保水采煤未来发展趋势浅析

3.1 智能化导水裂隙观测技术

这里主要提到光栅光纤技术监测导水裂隙技术。光栅光纤具有高灵敏度、高分辨率以及较强抗干扰能力，很适合用于地下煤炭作业的安全监测。其原理把光纤光栅当做传感器放入被监测环境中，利用被监测环境中的导水裂隙的变化，引起光栅光纤的折射率（周期）和波长的变化，最终进行取样、图像处理技术然后获取裂隙信息等，并实现一个智能判断系统，通过钻孔中光纤光纤信息结合取样的图像处理信息进行判断。

3.2 智能化导水裂隙相似模拟技术

应结合机械开挖和高速拍照，实现模型应力场、应变场、位移场的连续观测，并联合数值模拟进行物理-数值模型联动计算，为智能化导水裂隙相似模拟技术提供新的方法。

3.3 智能化充填保水采煤技术

目前的充填开采的材料配比，充填参数及充填技术都是室内实验并计算的。应该建立一个大型数据库，对各类配比的材料性能充分测试。结合各类参数的智能监测后，构建数值模型，模拟出合理的充填参数，并进行充填技术的试用。试用中产生的问题，反馈到数值模型，调整参数，最终智能充填。

3.4 智能化保水采煤监测技术

目前的监测主要停留在水害防治的层面上，应该以保水采煤为目标，对植被、水体及矿山三废进行智能监测。并将智能监测的数据构建大型数据库，用于各类保水采煤活动中，比如充填开采的矸石充填方面，其充填流程示意图见图1。

4 结语

保水采煤主要针对我国西北干旱、半干旱地区开展的研究，宗旨在于实现高强度煤炭开的同时保护含水层结构的统一，从而保护西北西区水资源和含水系统的完整性。同时，对不同地质件的煤矿，要采用相对应对的采煤方法及工艺，从而维护原有的生态平衡，保护了原有的生态环境。目前我国智能化煤炭开采还处于初级阶段，需要在物联网、人工智能、大数据以及自动控制等技术方面大力开发研究，建设生产管理、安全监测、生态保护等完整的智能化保水采煤系统。