河流下综放工作面覆岩破坏特征和陷落柱防水煤柱留设研究

目的长平矿Ⅲ2317工作面在开切巷处揭露陷落柱,地表丹河流向与工作面推进方向一致,受采动影响,陷落柱内部水体及河水可能通过开采裂隙导入回采空间,从而造成工作面突水。针对以上问题,方法本文采用理论分析、数值模拟和现场观测等方法,对回采工作面覆岩“两带”高度、覆岩破坏特征和陷落柱煤柱留设宽度进行研究。结果结果表明:工作面顶板垮落带与导水裂隙带最大发育高度分别为18.38,93.85 m,河水对工作面不构成突水威胁;无煤柱开采时,陷落柱一侧顶板裂隙沿陷落柱胶结面向上高度发育;结合理论计算和数值模拟分析,确定煤柱宽度为35 m。工作面在留设35 m煤柱条件下安全完成回采,地表变形特征符合预期,最大下沉量达到4000 mm,回采过程中工作面未发生突水事故。结论研究结果可为类似条件下的煤层安全开采提供理论和经验支撑。

基于CatBoost模型的采煤沉陷水域水体深度反演

目的长期煤炭开采在两淮矿区造成了显著的地表沉陷和水体形成,这使得精确测量水深对于合理利用水资源变得至关重要,使用遥感反演水深的方法可高效便捷获取大范围水深数据。方法提出了一种多源数据融合反演模型,通过整合Sentinel-2卫星遥感资料与无人船采集的水深数据,分别建立了基于单一波段、多波段以及对数比值的模型分析方法。通过CatBoost机器学习算法分别对3种传统模型中拟合效果最佳的模型进行优化。结果经过实验验证,发现绿色单波段模型、多波段模型以及绿色与红色比值对数模型的拟合优度分别达到了0.675、0.692和0.260;均方根误差分别为2.40、2.34和3.62m。在采用CatBoost机器学习算法进行优化后,传统模型的反演精度均有提升。拟合优度分别为0.755、0.762、0.386;均方根误差分别为2.03、1.96和3.17m;CatBoost单波段模型在4~12m区间反演精度最高,CatBoost多波段模型在0~4m及12~16m有最高的反演精确性。结论研究证明,采用的多源数据融合技术能够有效提升水深反演的精度,为矿区水域治理及水资源管理提供了科学依据,展示了其在环境监测和资源管理中的潜在应用。

采空区地表沉陷计算预测方法研究

本文以某煤矿开采形成的采空区范围为研究区,在搜集煤层赋存情况、现有采空区分布情况的基础上,选取岩层合理的物理力学指标,利用比较常用的概率积分法、数值模拟法对采空区的下沉值、水平变形、最大地表竖向变形等进行预测模拟,从而预测研究区地表变形情况。煤矿采空区地表变形的预测,是工程建设场地适宜性预测评估结论的重要依据。

我国煤矿开采沉陷控制技术研究现状与进展

煤炭大规模、高强度开采造成的矿区地表沉陷、生态环境恶化,以及建(构)筑物、铁路、高压输电线路损坏等开采损害问题日益加重,资源开发和环境保护矛盾凸显,控制地表沉陷实现煤炭低损开采是行业发展的必然要求。针对我国煤矿开采沉陷控制技术,进行了系统分析与阐述,包括充填开采、协调开采、部分开采、覆岩离层注浆开采等方面,并详细探讨了各种沉陷控制技术措施的实施原理及应用方法,分析了地表沉陷控制各项技术的优点、存在问题、适用条件及研究进展。在此基础上,结合具体工程应用,对覆岩离层注浆技术、充填开采技术、协调开采技术的地表沉陷控制效果进行检验,指出了各项技术的局限性和发展趋势。研究结果表明:覆岩离层注浆减沉技术具有与井下采煤作业相互干扰小、可实现煤矿绿色开采、固废资源化利用等优点,正在被研究和推广应用。同时,我国地表沉陷控制技术在以下方面需要进一步加强研究,分别为低成本高性能充填材料研发和充填工艺优化、煤层开采地表移动变形规律研究及地表沉陷预测理论完善、高效的煤柱回收方法开发和煤柱长期稳定性提高、覆岩离层注浆工艺优化及浆液对地下水环境影响评估等。

M-CM-GA-BP算法的地表移动变形参数预测模型

针对复杂的开采沉陷预测问题,研究22个工作面采动地表移动变形参数变化规律,提出了一种基于M-CM-GA-BP算法求取地表移动变形参数的预测模型。通过线性加权组合预测方法和遗传算法优化BP神经网络的权值和阈值,融合多元回归模型来提高地表移动变形参数的求取精度,以地表下沉系数q为例,将该模型与其他预测模型预测性能进行对比分析,验证模型的准确性。结果表明,该模型能够有效地提高地表移动变形参数的预测精度,模型的平均相对误差为1.294、均方根误差为0.013,为地表移动变形参数预测提供了一种可行方法。

含断层构造露天边坡变形破坏特征及稳定性研究

为了探究断层构造对露天边坡变形破坏特征及稳定性的影响,采用遥感影像、现场调查与数值模拟研究手段开展了含断层构造的露天边坡变形破坏特征及安全系数计算研究,并进行了边坡变形破坏发展分析,揭示了含断层构造露天边坡变形破坏特征规律。结果表明:露天采场北部边坡产生滑塌灾害是断层构造(内因)、井下矿体开采卸荷(外因)共同作用的结果。在地下矿体开采扰动与F15断层切割的作用下,边坡易形成沿断层构造滑坡垮塌并不断扩大滑塌区域。F15断层构造以上坡体的变形位移相对较大,且沿F15断层构造向东部沟谷发展,F15断层构造改变了北部边坡上部坡体的变形破坏趋势。露天采场边坡安全系数为1.45时,潜在滑动面为F15断层构造;北部边坡沿断层构造尚未出现大变形。

马兰矿18507综采面坚硬顶板水力压裂技术研究

综采工作面坚硬顶板的存在会导致工作面回采后,巷道顶板悬顶面积过大,进而在工作面四周形成较大的支承压力,威胁矿井安全生产。马兰矿为解决18507工作面巷道坚硬顶板难垮难落问题,采用abaqus数值模拟软件对定向水力压裂进行研究。并对不同钻孔形态及尺寸钻孔下的岩石裂缝扩展形态进行分析,采用水力压裂技术后,采空区顶板可及时垮落,巷道围岩得到有效控制,为工作面煤炭高效回采创造了良好条件。

综采工作面顶板切顶卸压沿空留巷围岩控制技术

为解决沿空掘巷存在大量煤柱损失、影响采掘接替等问题,同时防止回采过程中巷道产生严重变形,决定采用切顶卸压和综合支护方案对巷道围岩进行有效控制。针对2号煤层21206综采工作面复合顶板,采用理论分析和FLAC^(3D)数值模拟方法,确定了切顶卸压参数,其切顶角度为15°,切顶深度为9 m;将沿空巷道划分为超前支护区、滞后临时支护区和成巷稳定区,并采取不同的支护形式。综合支护方案实施,沿空留巷60 d内顶板下沉量最大值降低49.3%;两帮移近量最大值降低57.3%;工作面多回收煤炭15.6万t,并节省1条长度为1710 m的掘进巷道,并节省施工工期6个月,具有显著的经济效益。

高应力大巷底鼓机理及其稳定性控制方法

针对余吾煤业1号回风大巷在高应力扰动下出现的巷道底鼓严重问题,综合运用理论分析、数值计算和现场试验相结合的方法,系统研究了高应力大巷底鼓机理及其稳定性控制方法。理论计算结果表明,高应力巷道底板破坏深度达1.35 m,底板滑移面受到的滑动力达3.11 MPa,超过了底板砂质泥岩极限抗拉强度,导致巷道底板发生底鼓。从高应力巷道底鼓控制角度出发,提出了高应力巷道顶底板加强锚索与巷道两帮锚杆联合支护的巷道底鼓控制技术,数值模拟结果表明巷道底鼓量可降低67%,有效控制底鼓的同时,也可为巷道整体稳定提供支撑。通过现场试验,研究提出的巷道底鼓控制方法可使回风大巷顶板下沉值降低37%,底鼓值降低72%,两帮变形量降低53%,有效保证了回风大巷的稳定。研究结果对于指导深部矿井高应力环境下巷道底鼓控制具有重要实践意义。

三元石窟煤矿顶板淋水区域注浆封堵与锚索支护技术

传统支护技术在三元石窟煤业软岩淋水巷道中的应用效果不佳,采用注浆封堵与锚索支护工艺对巷道顶板支护技术进行改进。依托FLAC 3D数值模拟软件分析了1、5、10 MPa注浆压力与300、400、500 mm封孔长度条件下的锚索孔围岩变形量与封孔段围岩最大主应力的分布特征。在井下开展拉拔试验测试支护体力学性能,开展工业试验验证。结果表明:锚索孔围岩位移量随浆液压力的提升而增加。软弱粉砂岩条件下的注浆压力不宜大于5 MPa。封孔长度应以围岩的裂隙发育位置作为考量标准,当裂隙发育位置位于围岩深部区域时,封孔长度应相对较长,反之亦然。封孔长度的增加有利于提升锚索的抗拉强度。在现场实施注浆封堵与锚索支护工艺的50 d后,围岩变形基本达到稳定,且淋水现象大幅降低。

基于梯形塌陷模型的煤层开采覆岩冒落带高度分析

针对我国煤层在开采过程中经常发生工作面迎头顶板突水,甚至发生溃砂、突泥事故的问题,基于矿压控制实用理论,以沙坪煤矿13102工作面为研究对象,揭示了断裂线型即导水裂隙带型的工作面迎头突水机理,并推导了煤层开采引起的顶板覆岩冒落带演化规律和顶板沉降过程中的应力状态。针对煤矿开采后覆岩冒落带的演化特征,提出了梯形垮落模型来描述覆岩垮落形式,并计算冒落带的高度利用数值模拟验证了理论模型和覆岩冒落带高度计算方法的适用性。

煤矿机械化长壁矿井顶板垮落特征研究

为更好地理解支架、顶板和煤岩层之间的相互作用,以及预测顶板变形和垮落行为,提高长壁工作面的稳定性,从而降低长壁工作面支架的载荷和支撑柱的应力水平。介绍了合成岩体(SRM)数值模拟方法在山西晋煤集团晋圣坡底煤业有限公司3106工作面顶板垮落机制和掩护支架载荷模拟中的应用。利用该矿的地质和岩土工程资料,采用基于离散裂隙网络和粘结颗粒模型的二维SRM来模拟煤层和节理顶板岩层。通过将第一次崩落的跨度、崩落高度和顶板上的载荷与现场测量、观察和先前的研究进行比较,验证了数值模型的结果。

“三软”煤层复杂顶板条件下大倾角工作面开采安全技术实践

针对综采工作面在高压力区、过煤层结合区、过大断层等复杂地质条件下的大倾角开采,通过对常规综采工作面大倾角回采关键技术参数分析比较,结合工作面复杂情况实际,优化并最终确定了方案,即采取矿压监测,提前对矿压显现区域进行支护,合理控制采面采高防止破顶冒高、对断层影响区域进行注固化剂等方式,同时针对工作面大倾角实际情况,采取支架安装防倒顶、连锁顶、采面全部联网封闭架箱、采面作业人员配齐防冲铠甲等方式进行工作面回采。实践证明该方案能有效确保复杂情况下大倾角工作面的安全回采,但仍存在问题可以进一步优化以取得更好的实际效果。研究成果对复杂地质条件下大倾角工作面回采方案的优化选择有一定的指导意义。

无人机倾斜摄影测量在采空塌陷区生态综合治理中的应用

针对郭家湾煤矿51101工作面采空塌陷区生态综合治理问题,利用无人机搭载五镜头倾斜相机获取航摄影像,经过内业处理、三维建模获得实景三维模型。通过对像控点和三维模型精度分析,证明无人机倾斜摄影测量完全满足煤矿治理大比例尺地形图测图要求。依托实景三维模型和生成的高精度DLG数据成果,可帮助设计人员准确高效地提出相应采空塌陷区生态治理方式,大大提高了塌陷治理以及土地复垦工作的针对性和工作效率,为后期项目验收提供了准确可信的技术支撑和成果验证,最终有效解决了治理区地表变形和生态破坏问题。

基于云模型的采场冒顶片帮事故预警方法研究

为了能够及时预警矿山冒顶片帮事故安全风险,实现事前预防和控制事故发生,减少人员伤亡和经济损失,构建了基于云模型-组合赋权法的冒顶片帮事故预警方法。首先,基于2-4模型确定了26个指标构成的冒顶片帮事故预警指标体系,把预警等级划分成5个等级;其次,采用乘法积分法将层次分析法和熵权法相结合,计算出26个预警指标组合权重,有效避免了两种赋权方法的局限性;最后,将组合赋权法与云模型相结合,构建了冒顶片帮事故预警模型。并将其应用于铜陵某金属矿山,通过案例研究,采用该预警方法得出的结果与实际情况相吻合,验证了该方法的准确性、可操作性和有效性。

基于PCA-SaDE-ELM优化算法的煤层底板破坏深度预测及工程应用

基于煤层底板破坏深度实测结果统计分析,通过优化数据样本空间,引入自适应差分进化改进的极限学习机算法,构建了煤层底板破坏深度预测模型,与实测结果对比分析验证,并应用于云驾岭煤矿9^(#)煤层底板破坏深度预测。结果表明:模型预测的最大绝对误差不超过0.7 m,相比现有其他预测模型,该模型预测精度提高约70%;云驾岭煤矿19101、19103和19105这3个典型工作面的破坏深度分别为10.80、10.94、11.34 m,介于规范方法和滑移场理论预测结果之间,进一步反映了模型的可靠性;建议对9#煤层底板加固改造后再进行回采。相关研究成果可为我国煤层底板破坏风险管理和煤炭资源的优化回采布置提供一定的理论支撑。

逆断层上下盘开采扰动下断层活化响应模拟研究

为探究煤层不同开采方式下逆断层应力场、位移场演化规律和断层活化规律,通过数值模拟分析逆断层地质条件下进行上盘开采和下盘开采时断层处的正应力和剪应力演化规律、断层活化过程以及断层和覆岩的位移场变化特征。研究结果表明:随工作面逐渐靠近断层,断层上部的正应力逐渐降低、剪应力逐渐升高,断层下方的正应力逐渐升高、剪应力逐渐降低,正应力和剪应力升高或降低的速率随工作面与断层距离减小而增加;当工作面与断层距离在80 m和40 m时,断层处正应力和剪应力发生异于前期应力规律性的变化,出现大幅度增长和降低的情况;相对于上盘开采,下盘开采时断层更易受煤层开采扰动而发生活化,且活化程度和范围均大于上盘开采;随工作面不断向断层靠近,下盘开采时采空区上覆岩层下沉量和断层两侧岩体相对位移量均明显大于上盘开采。研究结果对煤层开采遇断层时围岩治理和防灾减灾具有一定科学指导意义。

基于SIF模型与Apriori算法的煤矿顶板事故致因关联分析

为更科学地预防煤矿顶板事故的发生,对煤矿顶板事故致因及其关联规则进行识别十分关键。首先,通过文本挖掘并结合SIF事故致因模型,确定56个影响顶板事故发生的致因;其次,通过构建顶板事故数据库并运用Apriori算法进行顶板事故致因关联规则挖掘;最后,绘制顶板事故致因关联规则复杂网络图,并综合分析顶板事故的核心致因及各致因间的关联规则。结果表明:安全培训教育和安全监督管理、作业人员安全意识淡薄和违反作业规程、当班管理人员在现场的管理不到位和其他事故致因之间有着很高的关联度以及提升度,这些因素是造成煤矿顶板事故发生的核心因素。

浅埋多煤层群协调绿色开采关键技术研发与实践

西部矿区多煤层赋存条件导致了“采面布局矛盾、覆岩结构多变、地表运移叠加”的突出性、普遍性问题,探索适应多煤层高强度开采的协调绿色开采技术成为西部矿区多煤层安全、高效开采的关键。针对浅埋厚煤层群高强度开采面临的主要技术难题,从多煤层开采时空布局、工作面岩层稳定性控制、重复扰动下的地表沉陷等方面,系统地阐述了浅埋多煤层群协调绿色开采的几项关键技术。研究结果如下:(1)揭示了西部多煤层高强度开采层间相互作用机理,构建了多煤层重复开采扰动定量判据与评价方法,创新提出了以层间最小扰动为目标的“薄、中、厚”煤层交错分布协调开采技术;(2)提出了多煤层工作面岩层稳定控制技术,建立了全覆岩结构破断模型,揭示了全覆岩结构破断条件下的支架与围岩相互作用规律,在此基础上针对多煤层开采工作面支护在不同的位置需要采用不同支护策略的需求,研发了工作面支架抗冲双伸缩立柱和超前巷道支护状态监测系统,实现工作面多区域安全高效稳定支护;(3)通过揭示浅埋多煤层斜交叠置开采下地表动态移动特征和地表裂缝发育规律,给出地表下沉系数的确定方法,研发了塌陷区裂缝“土壤重构–原位充填–微地形改造”组合的治理关键技术,有效防治黄土沟壑区的采煤地表塌陷。上述核心技术在张家峁、柠条塔、红柳林等20余个大型煤矿成功应用,为我国西部矿区高质量、可持续开发提供了技术支撑。

裂隙面起伏形态对注浆固结体剪切力学特性的影响

为研究裂隙面起伏形态对裂隙岩体注浆加固后剪切力学特性的影响,首先,通过3D打印技术生成不同起伏形态的裂隙模型,并采用类岩石材料浇筑成型,然后,对裂隙岩体进行注浆加固,最后,对含不同类型裂隙的注浆固结体进行常法向荷载直剪试验。结果表明:锯齿形固结体的剪切强度最大,波浪形次之,平直形最小;随着法向荷载的增加,平直形固结体的剪切强度增幅最大,波浪形次之,锯齿形最小。剪切过程中,平直形固结体仅发生沿浆-岩界面的剪切破坏;波浪形固结体的浆-岩界面在加载初期发生剪切破坏,随着浆脉与岩壁的啮合程度降低,剪切破坏面逐渐向浆脉和岩体的内部发展,而锯齿形固结体的剪切破坏面出现在浆脉和岩石内部。