智能时代的矿井地质工作展望——矿井开采智能地质保障技术体系架构

【背景和意义】面临碳达峰碳中和(“双碳”)目标的严峻挑战,煤矿智能化是新时期煤炭产业高质量可持续发展的必由之路和重要标志。矿井地质工作为地下煤矿开采提供地质基础和保障,在煤炭产业转型升级高质量发展中的重要性将日益增强。通过“矿井地质+人工智能”,构建“矿井开采智能地质保障技术体系”,为矿井安全高效绿色智能开采提供全方位和全过程地质保障,是新时期矿井地质工作契合煤矿智能化建设目标的发展方向与必然趋势,必将成为助推矿井地质工作提质增效的新质生产力。【方法和结果】在探讨矿井开采智能地质保障技术体系科学内涵的基础上,初步搭建了矿井开采智能地质保障技术体系架构,并对构成该技术体系的5个子体系:基础地测信息智能化管理、矿井地质灾害的智能化预测预警、矿区生态环境的智能化监测预测预警、开采有利区块的智能化辨识、透明工作面子体系,及其核心工作模块进行系统梳理。【结论】同时特别强调,在地质探测、检测技术手段不断进步的前提下,矿井开采智能地质保障技术体系的有效性取决于原始数据的准确性和可靠性,归根结底取决于地测人员的数量和专业素养,呼吁进一步加强矿井地质专业人才的引进与培养。

深埋煤层开采对河流安全性的影响评价

以文家坡煤矿4105工作面深埋覆水煤层开采为例,采用相似材料模拟和数值模拟方法,研究覆岩破坏和裂隙带发育规律,探究深埋煤层开采对红岩河安全的影响。研究表明:当工作面不断推进,采空区面积随之增加,覆岩在重力作用下发生弯曲变形,形成离层;当重力超过岩石变形极限时,覆岩会破坏变形,部分离层垮落消失,在垮落体上部发育新离层,两侧形成裂隙;4105工作面垮落带高度稳定在164 m;随着工作面的不断推进,导水裂隙带高度逐步上升,最终稳定在244 m;地裂缝自地表向下延伸32 m;导水裂隙带上方存在414 m的岩层做保护层,未导通地表,未与地裂缝沟通,因此红岩河不会发生渗漏,煤层的开采不会对红岩河产生影响。

利用G1-熵权耦合赋权TOPSIS法进行滑坡灾害危险性评价:以雅砻江滑坡灾害为例

四川西部地区地理环境复杂,滑坡空间结构多样且变形剧烈。为有效预防滑坡灾害,需要探究相关区域滑坡危险性可靠评价方法。利用G1-熵权耦合赋权逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)构建滑坡灾害危险性评价模型,选取高程、降雨、地震动参数等12个评价因子,对雅砻江滑坡灾害危险性进行评价。依据贴近度将滑坡区域分为4个等级,即高危险区(0.75~1)、较高危险区(0.5~0.75)、中等危险区(0.25~0.5)和低危险区(0~0.25)。同时,对比了由差分干涉测量短基线集时序分析(small baseline subset interferometric synthetic aperture radar,SBAS-InSAR)技术得到的4个区域滑坡实测结果和本文评价模型的分析结果。利用G1-熵权耦合赋权TOPSIS得到九龙县烟袋镇桤木林村高生地滑坡、新龙县和平乡甲西村麻西滑坡、德格县年古乡政府滑坡和甘孜县扎科乡达玛滑坡的贴近度分别为0.854、0.686、0.405和0.224,由SBAS-InSAR技术得到滑坡前缘局部变形速率分别为-150、-43、-66、30 mm/a,二者之间有显著的对应关系,证明本文评价模型的准确性。应用G1-熵权耦合赋权TOPSIS法对滑坡危险性评价具有较高的准确性,该方法可为其他地区滑坡地质灾害评价提供参考。

煤层顶板次生离层水周期突水致灾过程模拟

为了提高煤层顶板离层水害防治效果,分析了离层水害的动态周期性特征。根据关键层理论,推导出主采煤层覆岩中产生离层的判别式,采用计算机数值模拟手段,模拟了离层形成过程,总结了顶板次生离层水害的周期性特征。研究表明:离层是由于主采煤层的覆岩力学性质差异较大,当煤层开采致使覆岩产生不协调一致的弯曲下沉而产生。随着工作面的推进,离层形成后持续发育至极值,当上方有充水水源时,则形成离层水。此时,若导水裂隙带发育高度凸跃发展导通离层水体时,该离层水将溃入井下造成离层水害。然后离层逐渐压实萎缩,水体流失殆尽。随着煤层顶板周期性破断,离层水害周期性发生。离层动态周期出现的规模各不相同,其中以第1次出现的离层空间规模为最大,对应的离层次生水害亦最大。研究区工作面每推进100 m,离层水害动态发生1次。

保水采煤技术研究现状及发展趋势

实现保水采煤的目标是煤矿区生态环境发展的趋势和要求,为了系统归纳保水煤采技术的研究成果,促进保水采煤技术的发展,在查阅了近年来公开发表的文献资料的基础上,采用综合分析的方法,对目前保水采煤理论及开采技术研究现状进行全面总结和归纳,并指出了该领域的发展趋势。研究结果表明,实现保水采煤目标的核心是根据特定的水文地质条件选择合理的开采上限及适宜的开采方式控制生态水位。研究主采煤层覆岩结构空间组合特征,确定水、煤、岩等在三维空间内组合形态,在此基础上提高导水裂隙带发育高度预测精度,是保水采煤技术研究的趋势。

褶皱构造对采煤沉陷控制作用的数值模拟

用Flac3D软件对采煤沉陷控制作用分别进行了数值模拟,得出了开采背斜构造煤层可对地表移动变形起缓解作用,其最大下沉值的量值与背斜翼间角正相关,下沉盆地的影响范围与之负相关;开采向斜构造煤层可对地表移动起加剧作用,其最大下沉值的量值与向斜翼间角负相关,下沉盆地的影响范围与之正相关的结论.

浅埋煤层过双沟地形开采地表裂缝发育规律

为保护黄河流域矿区生态环境,以府谷县庙哈孤矿区安山煤矿125203工作面为背景,采用数值模拟实验、相似材料模拟实验和理论分析相结合的手段,基于工作面过双沟地形开采时地表裂缝发育位置、发育形态等参数,总结出开采诱发地表裂缝发育规律。通过理论分析,建立了浅埋煤层过双沟地形开采地表裂缝发育相对位置函数T及其判别条件,讨论了双沟地形沟谷参数与地表裂缝发育相对位置之间的关系。研究表明,工作面过支沟G1时,共发育地表裂缝4条,最大裂缝宽度23cm,最大错台11cm,裂缝发育超前于工作面推进;过主沟G2时共发育地表裂缝7条,最大裂缝宽度79 cm,最大错台45 cm,裂缝发育滞后于工作面推进。裂缝发育相对位置受地质条件、沟深、坡度和沟谷跨度等因素共同影响。地表裂缝发育相对位置函数与裂缝超前(滞后)距离、裂缝宽度和错台以及单沟裂缝总条数密切相关。双沟相互影响程度与工作面推进方向有关。研究结果可为浅埋煤层沟谷下开采地表裂缝发育研究提供一定的理论依据。

基于相似材料试验特厚煤层分层开采对断层影响研究

为了研究某矿特厚煤层分层开采对断层的影响,根据煤层实际情况,采用相似材料模拟试验的方法,研究了特厚煤层分层开采下断层的发育规律。结果表明:F18和F16受开采影响大,破坏严重,F1断层距离煤层较远,相对受扰动较轻;因工作面推进方向和断层倾斜方向一致,致使各断层上方的移动变形大于下方的移动变形,使得F1上盘含水层的水容易通过采动裂隙导入工作面;断层F18与工作面侧岩层交汇面的移动数值最大,开采拟3工作面时被采动裂隙贯通地表;重复采动57002工作面时,导水断裂带将会导通地表。

韩城矿区构造控煤样式与构造控煤模式

为掌握韩城地区煤田构造变形特征和含煤地层赋存的规律,指导该区的煤炭资源勘查与评价,在系统总结韩城矿区地质构造发育规律的基础上,运用构造控煤分析方法,提出了矿区控煤构造样式,总结出矿区构造控煤模式。研究认为韩城矿区构造控煤样式共有3大类8种类型,其形成机制主要以挤压作用为主,辅以拉张和走滑作用。煤层赋存规律与控煤构造样式与模式密切相关,韩城矿区普遍存在聚煤前古构造控煤模式、同沉积构造控煤模式和后期构造控煤模式等3种构造控煤模式。综合韩城矿区地质构造发育机制,解释了韩城矿区东南浅部瓦斯含量高于西北深部的反常现象存在的原因。

铜川矿区采动滑坡的发生机理

针对铜川矿区采动滑坡地质灾害频发的情况,结合该矿区地形地貌特征,分析采煤沉陷特征及形成原因,总结开采沉陷诱发山体滑坡的机理。研究表明:该矿区支离破碎、沟壑纵横的特殊地貌,抗压强度较低的岩土体以及改变了覆岩和地表斜坡原始应力平衡状态的地下开采,构成了山体失稳的地形、物质和动力条件。三者相互叠加、相互影响、协同作用,促使山体滑坡频发。该研究为铜川矿区有效预防滑坡地质灾害提供了依据。

采煤工作面内及区段间煤柱宽度的理论计算

铜川某区在特定的地质、采矿条件下,经开采实践证明,若工作面长度为80m,则其连续推进不应超过400m,否则地表建筑物将遭到破坏。为了解决这一矛盾,可通过留设面内煤柱和区段间煤柱的方法给予解决。本文采用威尔逊理论公式计算得出该矿面内煤柱宽度为70m,区段间煤柱宽度为40m。通过Flac3d数值模拟软件验证后,发现该矿区在留有这两种煤柱宽度的条件下进行开采,地表破坏等级小于1级,符合要求。从而为该矿在开采过程中留设煤柱提供了一种计算思路,对矿区安全生产和环境保护有着积极的意义。

煤矿井工开采对上覆反向滑坡扰动的模拟研究

煤系地层的产状与上覆滑坡的产状关系,是影响黄土滑坡稳定性的决定性因素之一。研究煤系地层的倾角与黄土滑坡的倾角相同而倾向相反条件下,主采煤层开采对上覆黄土滑坡的影响,对于滑坡的治理具有重要意义。采用相似材料模拟实验方法,通过模拟含煤岩系倾角30°时的煤层井工开采,总结出上覆岩层移动变形及裂隙分布发育规律和反向黄土滑坡稳定性条件。结果表明:上覆岩层冒落带高度为25.0 m;裂隙带发育高度为72.0 m;采空区范围内覆岩最大下沉值偏向岩层倾向;在工作面推进120 m时黄土滑坡处于临界失稳状态。通过离散元数值模拟模型与相似模拟实验进行了对比,验证了该相似材料模拟实验的可靠性。

双煤层工作面开采布置方式对采煤沉陷的影响

为了研究工作面的布置方式对采煤沉陷的影响,以安山煤矿为例,采用相似材料模拟实验、数值模拟等研究手段,在3^(-1)号煤中布置面间煤柱宽度分别为20 m和40 m的2个工作面,在3^(-1)号煤的下方3号煤中布置一个工作面,且使该工作面中心与上层煤留设的煤柱中心重合,构建了双煤层工作面的2种布置方式。研究结果表明,留设不同宽度的煤柱,采用数值模拟和相似材料模拟得到的覆岩破坏变形特征基本一致。煤层重复采动工作面布置方式使工作面上覆岩层下沉形态呈现“W”型。工作面留设的煤柱越宽,煤柱上方覆岩下沉范围显著减小,对于覆岩的支撑效果越好,越能抵抗覆岩的移动变形,采煤沉陷越不明显。通过对结果的分析,在布置工作面时,适当的增加煤柱宽度,可以有效减缓采煤沉陷,为科学预防采煤沉陷灾害的发生提供了参考。

横向重复采动对煤矿区地表沉陷影响的数值模拟

采用FLAC3D软件对非充分采动和充分采动两类模型分别做数值模拟,试验结果表明:在非充分采动条件下,横向重复开采加大了地表最大下沉量,加剧了地表沉陷,改变了下沉盆地的范围;充分采动条件下,横向重复采动不会增加地表最大下沉量,与初次开采相比下沉系数不变,仅改变下沉盆地的范围和形状。

近水平煤层开采地表移动边界的预测研究

预判开采沉陷对地表的影响是进行生态恢复治理规划时的1个重要环节,绘制等值线图是该环节的前提条件;以近水平煤层开采为例,运用FLAC^(3D)进行数值模拟时,计算结果中只有下沉值和水平移动值,没有倾斜、水平变形和曲率值,且无法生成等值线图,不能直观反映地表受影响的范围和程度;针对这一问题,通过FISH语言编程对模拟结果进行数据的后处理,在Surfer软件中绘制等值线图。结果表明:霍宝干河煤矿地表发生拉伸破坏的临界水平变形值为2.15 mm/m;FISH代码能够实现采煤沉陷特征值的提取,可以预测出地表移动盆地最外边界、地表危险移动边界、地表移动裂缝边界和裂缝产生的范围;工作面推进方向和开采顺序的不同会导致地表移动盆地边界距离采空区边界左右间距不相等。

过沟开采速度对浅埋煤层覆岩移动变形的影响研究

为了研究过沟开采速度对浅埋煤层覆岩移动变形的影响,以陕北府谷庙哈孤矿区安山井田为研究对象,采用Rhino^(3D)-FLAC^(3D)耦合技术建立过沟模型,分别以4m/d、6m/d和8m/d的推进速度进行数值模拟,探讨了不同开采速度对覆岩变形的影响。研究表明:当以4m/d的速度对煤层进行开挖时,导水裂隙带高度、地表下沉值和水平移动值分别为42.2m、1.67m和0.2m;以8m/d的速度对煤层进行开挖时,导水裂隙带高度、地表下沉值和水平移动值分别为32m、1.01m和0.14m,相对于以4m/d的速度开采,其导水裂隙带高度、地表下沉值和水平移动值分别减少了24%、40%和31%。随着开采速度增加,覆岩移动变形量有所减小,因此为了减少开采过程中覆岩的移动变形量,在煤矿生产过程中,可根据实际情况,适当增加煤层推进速度。

重复采动下覆岩移动相似模拟实验研究

以某矿倾斜煤层为研究对象,采用相似材料模拟实验的方法研究了特厚煤层重复采动下覆岩移动变形规律。结果表明:重复采动倾斜煤层,观测点垮落变形前下沉最大值为0.8 m,水平变形最大值为0.4 m;当覆岩下沉值超过0.8 m,上覆岩体在重力作用下垮落。

铜川矿区采煤沉陷主要控制因素分析

以铜川矿区16个地表移动观测站数据为基础,充分考虑了该矿区的实际地质和采矿条件,构建了10个采煤沉陷的控制因素,然后应用灰色关联分析的方法,对这些控制因素对采煤沉陷的"贡献"进行排序,再利用逐步回归的方法对这些控制因素作回归分析,得出的综合结论为:铜川矿区采煤沉陷主要控制因素依次是扰动系数、覆岩综合硬度、表土层厚度、工作面倾向长度、采厚。

韩城矿区煤炭资源有利开采区块辨识的原理与方法

地质灾害是煤矿安全生产的主要影响因素。开展矿区煤炭资源开采有利区块辨识,进行开采区块合理划分,对煤炭资源的精准、安全、高效开采具有指导作用。本文以韩城矿区3煤、11煤为研究对象,分别以可采煤层厚度、地质构造相对复杂程度、水害危险性、瓦斯地质灾害危险性为一级评价指标,对开采区块进行划分;根据4个一级指标划分出的等级,采用图形层次叠加分析法,将各指标的图形依次叠加,将韩城矿区内开采区块划分为:不利开采区块、可改造开采区块、较有利开采区块和有利开采区块。研究结果表明:矿区3煤主要为可改造区块和不利区块;11煤考虑顶板水对煤炭开采的影响,主要为较有利区块和可改造区块,考虑底板水的影响主要为不利开采区块和可改造区块。将研究结果与矿区已开采区域的实际情况对比分析可知,区内已发生的瓦斯突出、突水等事故的位置都位于综合评判的可改造区块内,一定程度上反映了采用的判识方法可行,判识结果可信。

榆神矿区双煤层开采错距方案优化数值模拟

为研究双煤层开采错距最优方案和对覆岩结构关键层的影响,以榆神井田地质条件为工程背景,采用FLAC3D数值模拟手段,从开采错距5种模拟方案中比选出最优方案,并基于Mohr-Coulomb强度准则与数值模拟结果,讨论了不同开采错距对覆岩结构关键层的影响。研究表明:双煤层错距开采工作面覆岩拉应力呈现“谷-峰-谷”形分布,错距煤柱影响范围内最大主应力呈“平峰”状分布,下沉值呈现“尖峰”状分布;最优错距为40 m,最不利错距为0 m;通过对双煤层开采错距方案优化,可以有效保护覆岩结构关键层完整性,减小覆岩破坏范围。