（中国矿业大学北京校区，北京海淀区，100083）
摘 要 通过对近10年来国内外煤矿高产高效矿井地质保障系统的现状进行概要回顾，探讨了 我国煤矿高产高效矿井地质保障系统建立与发展过程中遇到和存在的问题，并对我国 今后一段时间内在这方面的研究和努力方向提出了建设性意见。
关键词 地质保障系统 煤炭地下开采 高产高效矿井
高产高效矿井的实现要有资源的优势及先进的矿井设计和装备。而矿井设计在很大程度 上要以充分、可靠的开采地质条件为基础。据统计，我国综采工作面开机率为29%， 从造成系 统工作面不可靠及事故影响因素来看，主要是由于对矿井开采地质条件缺乏系统掌握。由于 对开采地质条件的认识不足，在采区和工作面布置及生产上也有一定的盲目性，因此也损失 了 一定的煤炭储量。由此可见，建立和完善我国煤炭生产高产高效矿井地质保障系统，对促进 我国煤炭工业的可持续发展是十分重要的。
1 高产高效矿井地质保障系统的基本概念
高产高效矿井地质保障系统是根据高产高效矿井机械化、集中化程度高的特点，以地质量 化预测为先导，以物探、钻探等综合技术为手段，并依托先进的计算机技术实现生产地质工 作的动态管理。它要求为矿井设计、采区布置、生产准备、采面布置到回采等各个层次或阶 段提供可靠的地质保障。因此，要实现煤矿生产的高产高效，除选择优势资源区块为开采场 地外，更重要的是对影响煤炭开采的地质因素有系统和清楚的掌握。
影响煤炭开采的地质因素很多，重要的有：煤层厚度及其变化、顶底板岩层组合及其空间分 布、构造（包括断层、褶曲等）、矿井水文地质及瓦斯地质、煤层中的地质异常体等，查清 这些地质因素对不同矿井煤炭开采的影响程度，为煤炭生产提供可靠的地质依据，是地质保 障系统的主要内容。
11 煤层厚度及其变化
由于受基底构造、原始成煤环境、后期冲刷和构造作用的影响，造成不同煤田、矿井或同一 矿井的不同采区、工作面的煤层厚度不同或出现增厚、变薄现象。当煤层厚度 小于实际 采高时，在工作面煤壁表现为破顶或破底，给综采设备维护带来困难；当煤层厚度大于工作 面采高并撇顶煤时，由于煤层松软，极易造成漏顶，给顶板管理造成不便。一般说来，综采 工作面多布置在煤层厚度为3～5m且厚度在较大范围内变化不大的地区；对于煤层厚度大于5 m且煤厚变化较大的情形，实践证明以采取综采放顶煤技术为好。所以，煤层厚度及其变化 是影响采煤方法、设备选型等的重要因素，必须予以重点研究。
12 顶、底板岩性空间分布及其稳定性
煤层顶、底板岩层稳定是确保安全、高效生产的基本条件。我国综采面开机率低的主要原因 之一是顶板控制较为困难，工作面端面顶板冒落所造成的工作面停产时数与总产时数的比值 达40％～60％。世界主要产煤国的统计数据表明，由于矿山压力控制不当而造成的人员伤亡 事故，约占井下伤亡事故总数的1/3左右。由此可见，顶板事故既是造成 高产高效 工作面系统不可靠的主要因素，亦是影响煤矿安全生产的重要因素之一。研究表明：煤矿顶 、底板岩层在垂向上和侧向上的厚度和岩性变化很大，在煤炭开采过程中，在一定的采深条 件下，顶板冒落、底凸及煤岩层突出往往发生在老顶砂岩与泥岩的过渡部位 。因此， 开展煤层顶、底板稳定性的研究，有利于弄清顶、底板类型的划分和分布，有利于对开采方式、支护形式、采区划分作出合理决策，从而有利于矿井的正常生产。
13 构造
构造对煤厚变化（尤其是侧向变化）、瓦斯和矿井水的突出有重大影响。当构造作用造成煤层厚度变薄或使煤层倾角变化时，在工作面推进过程中常常需要破顶或破底；构造作用的影响亦造成煤层顶板破碎或撇顶煤而引起冒落，使顶板管理 困难；在综采面内若出现3m左右的未知断层，就有可能迫使采面搬家。因此在布置综采 面时，必须查明采面内落差2～3m的小断层。为此，要充分利用矿区内现有的资料（包括钻 探资料、物探资料、巷道开拓资料等），分析井田范围内的地质构造变化规律，由已知到未 知，对将要开采的采区或工作面作出量化预测。
14 矿井水文地质及瓦斯地质
高产高效工作面应不受矿井水的威胁，因此要结合顶、底板岩性资料和矿区构造特点详细分 析和研究含（隔）水层分布、导水通道、突水构造等状况，为矿区防治水患提供详细资料。 瓦斯涌出量亦是高产高效工作面必须重点考虑的因素之一，因此在工作面设计之前 ，利用钻孔瓦斯量成果和煤质分析资料、相邻矿区或采区涌出量的实测成果，分析瓦斯 含量与瓦斯涌出量及与影响因素之间的关系，并根据这种关系，对煤层瓦斯富集区与含量进 行预测。
15 煤层中的其他地质异常体
在华北地区的煤田中，常常有岩浆岩侵入体、岩溶陷落柱和煤层冲刷带等地质异常体出 现，严重影响综采工作面的正常掘进。利用勘探资料分析和判断地质异常体往往较为困 难，近几年来发展起来的三维高分辨采区地震勘探资料经进一步处理，对上述地质异常体的 空间分布有较好的反映。
此外，在某些矿区，煤层夹矸、地应力、地温等，亦是矿区开采地质条件研究的主要内容。
过去，由于我们进行的从普查到精查的地质勘探与评价，多是以地球上某一区域现存的资源 进行评价为目的，而对开采地质条件的研究开展很少。在目前煤炭勘探储量能基本满足煤炭 开采的需要后，煤矿地质工作要转到以开发为目的的开采工程地质条件评价上来。要充分利 用以往各个地质阶段中积累的地质资料，建立相应的地质资料数据库和专家管理系统，并借 助近年来发展起来的先进物探技术和钻探技术对存在的有关地质异常体和诱发工程灾害源进 行进一步探测，使地质保障更加有力。
2 高产高效矿井地质保障系统的研究现状
20世纪70年代中期以来，世界各主要产煤国家在发展机械 化采煤中普遍遇到开采地质条件与采煤设备的适应性问题。在我国，随着采煤机械化的迅速 提高，以前地质部门提交的精查地质勘探资料已远远不能满足矿井设计和采区布置的需要。 因此，80年代以来，我国煤田地质工作者在煤矿开采工程地质条件综合评价、技术研究与仪 器研制等方面做了大量工作，获得较大进展。
21 开展采区开采地质条件综合评价和预测研究
煤炭科学研究总院西安分院、中国矿业大学等单位采用块段指数法、数理统计综合评价法、 模糊数学法和数学力学法等，量化预测断层及煤层断裂强度。“七五”以来相继开展了“采 区开采地质条件”和“开采地质条件量化预测与数据处理技术”的专题研究，研究成果已用 于矿井生产。中国矿业大学北京校区应用沉积地质学、古水系和地球物理的研究方法对矿 区 煤厚变化规律及地质特征、煤层冲刷带的确定和煤层分叉、尖灭、增厚、变薄等开采技术边 界确定方面获得可喜成果。他们还从沉积地质学、岩石工程力学、采矿工程学和模拟实验等 多学科入手，探讨将地质预测方法与技术用于煤炭开采过程中顶板岩层控制与管理的研究， 已在生产矿井中推广应用。
22 采区高分辨三维地震勘探的研究与应用取得了突破性的进展
1993～1994年间，由中国矿业大学、安徽煤田地质局、淮南矿务局共同合作在淮南矿务 局谢桥煤矿首采区和潘集矿区进行高分辨三维地震勘探研究，采用小采样间隔 小面积组合(t=1ms，15m×15m)，10m×10m CDP网格，叠前部分偏移DMO叠加技术， 获得了高分辨率、高信噪 比、高密度三维数据体，查明了一批埋深380～700m、落差H≥5m的小断层，空间定位误 差小 于10m；查清了区内幅度大于5m的褶曲；在460m深度上清楚到并分辨开相距50m、断面为32 m×38m相互平行的石门巷道（图1）。该方法的应用成功为采区精细勘探及其它与 工程有关的灾害地质预测开辟了新途径。
图1 淮南煤田谢桥矿区两石门巷道（略）
23 探测手段的研究取得显著成效
一批适用于矿井作业的防爆仪器，包括数字防爆横波地震仪、数字防爆坑道无线电波透视仪 、数字防爆直流电法仪、防爆瑞雷波仪、钻孔防爆直流电法仪、钻孔防爆测斜仪以及坑道全 液压钻机系列等问世，为探测采煤工作面内地质异常体提供了条件。特别是煤炭科学院西安 分院最近完成的《综采煤层地质综合探测技术》课题，进行了采前勘探的尝试，取得了初步 效果，为我国采前综合勘探技术的应用提供了有益的经验。中国矿业大学北京校区跟踪世界有关技术前沿，并结合我国煤炭工业的实际，研究开发以便携式智能化地震仪、地质雷达为 代表的矿井物探仪器，目前正在进行工业性试验，即将正式投入批量生产。
24 针对高承压水对煤矿开采的威胁，组织了 “六五”攻关课题、“七五”工业性试验和“八五”二期工业性试验
“六五”课题研究从井田水文地质条件和采区开采地质环境入手，开展矿区和井下水文地质 试验。以峰峰矿区为试验点，调查河北、河南、山东、山西矿区的突水资料，经过分析研究 提出煤层底板“三带”概念，革新突水系数的涵义，进而形成了带压开采理论与方法，指 导奥陶系石灰岩岩溶地下水水害防治。
“七五”课题以工业性试验规模，对华北型岩溶矿井高压水害威胁，采取了多途径多手段的 防治对策。引入矿山压力和岩石力学方法与手段，模拟、预测突水因素、突水部位。同时， 加大井下探测力度，研制多种井下物探（瑞雷波探测技术、井下直流电法、对话井音频电 透视）和化探仪器，发展井下突水监测预报系统。最后通过治理试验，改革疏降工艺和注浆 堵水技术。
“八五”课题以形成工业性试验成果配套技术为重点，进行多个矿区应用试验。针对不同突 水通道类型，规范技术途径，配套探测手段，研制成会诊式专家系统，形成条件探测、监测 预报、带压开采、注浆堵水的4项配套技术。 最近，中国矿业大学、中国煤田地质 总局等单位开展煤田三维三分量地震勘探工业性试验，已获取较好的奥陶系古岩溶水地震反 射剖面，为预防矿井突水提供了有前景的技术手段。
但是，应当承认，从目前的现状来看，我国煤炭工业高产高效矿井生产的地质保障系统 的技术水准较低、技术手段滞后、研究成果零散，研究成果还多处于定性阶段，还远远承担 不起保障系统这一重任。主要表现在以下几个方面：
(1) 研究水准较低。例如：目前煤矿对顶底板岩层控制的研究还主要基于50年代的“地 质层板模型”假说之上。在瓦斯和煤岩层突出机理研究方面，虽然认识到地压、高压瓦斯和 煤 体结构在突出过程中的意义，并认为高压瓦斯在突出过程中起决定作用，但在顶板冒落、瓦 斯与煤岩层突出时又往往难以准确预报，其原因是对顶板冒落地点、老顶岩层地应力聚 积部位和瓦斯聚积部位缺乏较全面的认识。传统的矿压理论和观察方法，多局限于某 一煤层、某一采区或某一工作面。由于研究范围较狭小，不能对整个矿区的灾害源提供有效 的预测。
(2) 监测和探测手段较为落后，可靠性差。目前我国配合矿井生产的地质探测仪器多是80 年代初期引进消化技术，或是结合我国某些具体的生产实际发明的产品。从目前生产矿井 的应用来看，大多处在定性分析阶段，在定量分析中可靠性偏低，并且应用范围窄。在美国 ，配合高产综采技术装备，目前多配有由井下监控器、传感器、便携式地质雷达联合计算 机转化处理器的全自动监控系统GCMS（Ground Control Management System）。该系统采用 多探头、多接收系统及计算机综合提纯技术，可获得较准确的超前岩性和小构造探测资料、 煤厚变化和煤岩层分界资料。同时还能对开采过程中煤体负载压力及顶板力学性质、工作面 矿压显现和瓦斯聚积等同时进行监控。
3 高产高效地质保障系统研究的突破方向
31 在不同的地质勘探阶段，加强开采地质条件评价的力度
50年代以来，我国建立的煤田地质勘探规程或规范均是以钻孔评价为依据，以资源评价为目 的 ，忽视了钻孔之间地质特征和煤矿开采地质条件的综合评价，根据精查地质资料进行 矿井设计和采区布置具有很大的盲目性。因此，必须以服务矿山开采为目的，对以往的勘探 资料重新进行综合分析和评价，特别要研究由于地质体内部结构特征、物质成分特征不同， 在矿产资源开采过程中，其围岩和上覆岩层造成的变化和破坏特征。从煤层本身、煤层顶 底板岩层结构和地应力分析入手，结合岩石工程力学、采矿工程的综合研究，逐步建立和完 善预测采区岩体应力分布状态、采区地质异常状况、巷道和工作面顶板冒落、冲击地压、瓦 斯和岩煤层突出及矿井突水的地质综合方法和技术。
32 完善和推广采区三维地震勘探技术
淮南矿业集团公司和其他有关煤矿的实践表明，采区三维地震勘探是煤炭生产高产高效矿井 地质保 障系统中最成熟，并且也是经济的主要技术手段之一。在有条件的地区，特别是新建矿 井值 得进一步推广应用。在另一方面，由于采区三维地震勘探的费用较高，在当前市场经济条件 下，进一步完善三维地震勘探中有关关键技术和理论，开拓三维地震勘探的应用范围，并充 分利用三维地震勘探中所采集的有效信息为矿山开采服务，是目前采区三维地震勘探中需要 解决的重要问题。具体来说，在以下5个方面需要进一步研究和完善。
（１）完善三维勘探技术和理论。高产高效工作面生产技术要求工作面内不含断距大于3m的 断层，因此，查清综采工作面内大于３m断层的分布，是三维地震勘探的目标之一。
由于解释地震剖面上的断点主要是靠同相轴错断时差，按传统理论，最可靠的解释是错断主 要反射波的1/2周期或1/4周期。因此，要达到解释3m断层的要求，J B Farr 的观点认为，频率起码要高出100Hz，800～1000Hz是最理想的。我国有关煤田 三维地震 勘探成果表明，采用频率为80Hz左右接收，小断层地震极限分辨率可达λ/16～λ/8。在淮 南煤田，在460m深度上清楚识别出相距50m、断面为32×38m相互平行的石门巷道 。 所以，有必要根据中国的实践，对有关理论进行深入探讨，以完善三维勘探技术和理论，为 三维地震在我国煤矿大面积推广应用打下良好基础。
（２）三维地震勘探解释技术需要进一步深化和提高。通常采用的剖面解释模型是 历史发展过程中的产物，它不仅花费的时间多，而且难于建立地质体的精确立体概念，使解 释精度受 到很大局限。现代化的工作站系统和高性能的三维可视化软件系统为我们提供了进行体积解 释的先进工具，我们应尽快地从剖面解释的模式中解脱出来，大力推广体积解释技术。
在另一方面，由于煤系地层埋藏较浅，速度空间变化较大，许多按深层石油勘探为目标设计 的软件不大适合煤田应用，要尽快结合近年来在煤田三维地震勘探获取的经验，总结和建立 我国煤田三维地震在采集、处理和解释中基本的相关模型。
（３）我国许多煤田位于山区，山区三维地震勘探施工难度较大，费用较高，而且更主 要是静动校正技术问题和偏移问题。中国煤田地质总局物探院采用多道随机公布的不规则三 维观测系统，通过以模型为基础的观测系统设计，根据山区的地形地物选好激发点位置，以 保证得到质量比较高的原始记录；同时，他们试验采用动态地形校正法建立山区数据处理基 准面已获得初步成果［20］。但这方面的技术还很不成熟，急需联合攻关。
（４）积极推进纵横波联合勘探的研究和应用。以往的地震勘探，人们多采用的是纵波。近 年来，随着横波震源和三分量检波器的研制成功及方法研究的深入，多波多分量地震技术有 了新的进展。检测裂隙的走向和密度、圈定煤层瓦斯富集范围等方面有重要意义。中国矿业 大学（北京）正联合有关单位对有关煤矿开展这方面的研究和试验。
（５）我国煤矿三维地震成果多由勘探部门以成图方式交付生产部门，生产部门在应用 这些成果于生产管理时，还受到很大限制。目前我国煤炭企业计算机应用正处于发展阶段， 地震勘探部门采用的工作站处理技术在煤炭企业推广还有一定困难。因此有必要根据煤炭工 业的现状，开发煤田三维地震勘探成果微机应用软件，使有关企业能充分利用三维地震勘探 资料对生产过程实施实时管理。
33 进一步研制适合矿井作业和实时处理的 物探仪器，并形成与采煤机组配套的设备
我国80年代以来，在引进消化国外先进技术的基础上，已研制成功一批井下物 探仪器并推广应用。由于井下条件复杂，研制的仪器用途专一，并且部分仪器的可靠性不高 。故在探测手段上，大大落后于生产的需要。因此，我们要瞄准当前世界地球物理技术和设 备研制的最新动态，开发研制包括地质雷达、地震和电法3种信息复合技术。目前以研制在 综采过程中实时探测煤厚（包括顶煤或底煤及夹矸厚度），工作面前方或周围60m范围内不 同方位小断层、陷落柱、火成岩或其它地质异常体,以及采动压力等的井下综采机组的专用 配套设备为主攻方向，以推动高产高效矿井综合采煤机组向进一步自动化和现代化方向发展 。
34 建立高产高效矿井（工作面）地质条件预测系统
高产高效矿井（工作面）地质条件预测系统将借助于计算机实现对矿山所有地质数据建库、 处理、综合评价及量化预测分析系统全过程。通过对矿井开采地质条件综合评价研究（包括 沉积、构造、煤厚、顶底板岩层稳定性、瓦斯等）建立地质条件数据库，通过对地质异常体 （如断层、陷落柱、煤层变薄带、火成岩等）的预测预报研究，建立预测评价软件系统和地 质信息处理系统，为综采设计、设备选型、预测综采工作面的生产效率提供地质数据和分析 判断。通过与综采机组配套专用探测仪器联结以进行现场数据采集、记录和处理，从而对综 采工作面地质异常及诱发工程灾害源进行实时预测预报。
通过上述相关理论和技术的研究和进一步完善，形成针对不同矿区的地质特征和采区、工作 面的生产需要，择优组合相关技术，采用井上与井下、地面与钻孔、巷道与巷道、钻孔与钻 孔、巷道与钻孔、上层与下层的工作方法，充分利用各种地球物理、地质参数，提高探测精 度和综合解释能力，查清影响综采综放的各种地质异常情况，形成地面、采区、工作面及巷 道配套技术，为煤炭的高效安全生产提供可靠的地质保障。(韩德馨为中国工程院院士)
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