浅埋煤层火烧区三维高密度电法数值模拟及应用

陕北侏罗系煤层埋藏较浅,历史上形成了大片隐伏古火烧区,古火烧区积水对矿井的安全生产构成了严重威胁。为了有效探测古火烧区的分布范围,分析其积水情况,以直流电法基本原理为基础,三维高密度电法勘探机理为前提,采用数值模拟和工程实践的方法,对浅埋煤层火烧区的三维高密度响应特征进行了研究。建立了多种烧变岩的三维地电模型,运用有限单元法进行了三维高密度正演模拟,对比均匀半空间中电位数值解与解析解的相对误差,验证了正演程序的准确性,分析了二极、三极及偶极装置在均匀半空间、二层、三层和四层地电模型中地质异常体的三维高密度电法响应特征。结果表明:三维高密度电法勘探时二极装置对地质异常体响应效果较好,对复杂地层响应效果一般;偶极装置对地质异常体和复杂地层的响应效果均较好,具有更高的横向分辨率;与二维高密度电法正演模拟相比,三维模拟通过多方向,多层面的数据采集提高了高密度电法探测精度,解决了三极装置解释异常偏移问题;在陕北红柳林煤矿北二盘区2-2煤火烧区进行了三维高密度偶极装置和二极装置勘探实践,其实际探测结果与该地区已有的地质资料吻合较好,证明了利用三维高密度电法探测煤矿火烧区分布范围及其积水情况具有一定的可行性。

隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理技术研究

我国西北地区烧变岩分布范围广、孔隙裂隙发育、富水性强,是当地的主要含水层,其中的隐伏火烧区烧变岩地表遗迹不明显、发现难度大,煤矿开采一旦导通烧变岩含水层将导致水害事故,同时会破坏烧变岩含水层水资源。为治理隐伏火烧区烧变岩水害并保护烧变岩含水层水资源,分析我国烧变岩分布特征及烧变岩水对煤矿开采影响,研究隐伏火烧区烧变岩探查和治理技术,开展隐伏火烧区烧变岩含水层水害治理的示范应用,结合现场监测数据分析评价陕西柠条塔煤矿南翼隐伏火烧区含水层水害治理和水资源保护效果。结果表明:我国烧变岩主要分布于以昆仑山-秦岭-大别山为界的北方地区,隐伏烧变岩主要分布在鄂尔多斯盆地东北部、伊犁盆地南缘,被第四系松散层覆盖;隐伏火烧区烧变岩含水层与风化基岩含水层大多直接接触且连为一体,水力联系密切;烧变岩水害防治措施主要有留设烧变岩含水层防隔水煤柱、疏降烧变岩含水层积水和帷幕截流,其中截水帷幕可有效解放烧变岩含水层压覆的煤炭资源,解除烧变岩水害威胁并保护烧变岩含水层宝贵的地下水资源;通过精确探查出隐伏火烧区范围、布设注浆钻孔,将隐伏火烧区烧变岩含水层隔离为若干个含水体,断绝截水帷幕内外的水力联系,可保障工作面不受烧变岩水威胁,同时实现烧变岩水资源保护;柠条塔煤矿S1232工作面和S1233工作面隐伏火烧区烧变岩含水层治理后,其回采期间涌水量降至20m^(3)/h以内,工作面得以安全回采,截水帷幕内侧水位下降,外侧水位逐渐抬升,烧变岩水资源得到有效保护。

火烧区富水下倾斜煤层开采导水裂隙带发育特征研究

为研究火烧区富水情况下煤层开采安全问题,需要准确分析开采覆岩导水裂隙带发育情况。运用有限元ANSYS模拟计算,基于第一强度理论,根据上覆岩层抗拉强度值,选择第一主应力值在1.5 MPa时的曲线范围作为导水裂隙带发育高度范围,并运用井下双端堵漏法进行观测验证,较为准确。研究得出导水裂隙发育强度准则可采用第一强度理论,第一主应力值在1.5 MPa时,导水裂隙带发育曲线范围在50.17~62.13 m,上边界未与火烧区沟通,下边界存在与上覆火烧区沟通现象,即火烧区积水是开采煤层的重大水患;同时在煤层倾斜情况下,导水裂隙带发育高度上边界要大于下边界,因此计算倾斜煤层导水裂隙带发育高度时,要考虑煤层倾角的影响。

高精度位场边界识别方法及在煤矿火烧区边界解释的应用

场源边界识别是位场数据解释必不可少的任务,早先人们使用数据的分布特征来获取场源的边界信息,难以在较强的背景异常条件下识别弱异常,为此使用基于一定窗口尺寸的自动控制滤波器来识别场源的分布,然而这种方法的结果对于窗口尺寸有较大的依赖,且对于复杂异常难以良好应用。近几年,人们主要采用位场数据导数的特征点反映场源边界信息的特征,然后利用成像结果与边界的对应关系来识别场源体的水平边界。其中,磁异常水平导数的极值、垂直导数的零值与地质体边界相对应,现有边界识别方法主要采用一阶水平和垂直导数的比值所组成的均衡边界识别滤波器来完成地质体位置的圈定,但方法分辨率和泛用性较低。基于此,提出将基于不同阶导数比值的边界检测滤波器与多尺度无监督深度学习相结合,利用不同阶导数比值来获得更高分辨率的边缘成像结果,同时建立Deep Image Prior(DIP)与Generative Adversarial Network-None Local(GAN-NL)网络相结合的多尺度无监督深度学习,根据边缘成像结果的极值来获取源水平位置。利用多尺度DIP网络来识别源位置,在DIP网络中加入自注意机制神经网络增强其学习能力,可以在不需要大量数据标签的情况下去除噪声,利用GAN-NL网络对极值点进行分类,给出极值点的位置信息。与其他边缘检测滤波器比较的结果表明:所开发的边界识别方法具有更高的分辨能力,其能够更精确、更清晰地显示场源的边缘,相对常规方法精度提升15%左右。多尺度无监督深度学习可以根据边缘成像结果自动给出源边缘,且结果与真实边缘一致,具有良好的泛用性。通常情况下,煤层与围岩之间不存在明显的磁性差异。而煤层自燃时,高温使煤层顶板地层中的黄铁矿、菱铁矿等结核体受热变质,形成含铁磁性矿物的烧成岩。温度降低后,保留了强烈的热剩余物,磁化强度比燃烧前高几十倍,因此煤矿燃烧区存在明显的磁异常。这一特性为利用磁测法圈定燃烧区域边界提供了物理前提。针对山东某矿煤田燃烧区开展磁法勘探来查明其分布,将所开发的边界识别方法用于获取火烧区的分布范围,后期打钻验证结果准确率85%。

水平定向钻孔在露天煤矿火烧区边界探查中的应用

为解决将军戈壁二号露天煤矿矿区西北部火烧区边界的探查精度不足的问题,采用水平定向钻孔对火烧区边界进行连续探查,给出了定向钻孔轨迹和开分支孔详细参数及封孔方案,进一步修正了火烧边界,划定了勘探区北部实体煤边界线。

基于正交设计对新疆地区露天煤矿富水火烧区影响边坡稳定性的敏感分析

露天煤矿边坡所处地质环境在煤层自燃后发生变化,选取密度、黏聚力、内摩擦角、渗透系数、坡高、坡角、水位高度,采用正交设计方法设计“7因素5水平”试验方案,应用SEEP/W与SLOPE/W计算边坡稳定系数,将其作为评价指标,通过极差分析、方差分析方法分析7种因素的敏感性。研究表明:7种因素的敏感性为坡角>水位高度>黏聚力>渗透系数>坡高>内摩擦角>密度,方差分析的影响效应与极差分析顺序一致,黏聚力、渗透系数、坡角、水位高度是主要影响因素,坡高、密度、内摩擦角是次要影响因素。

多种物探方法在昌吉硫磺沟地区煤田火烧区勘查中的应用研究

煤层自燃不仅影响周边生态环境,也存在较大的安全隐患。以昌吉硫磺沟地区为例,根据煤层自燃所产生的物理化学变化与周围岩石产生的物性差异,运用无人机红外成像、无人机航空磁测和自然电位法开展勘查,通过对三种方法的成果分析与解译,圈定煤田火烧区的范围,为后期治理等工作提供基础资料。

新疆别斯库都克露天矿火烧区煤岩试验

为查明新疆别斯库都克露天煤矿火烧区高变质煤是否具备可采价值,并查清火烧区火烧煤、岩产物-火烧高变质煤和火烧蚀变岩对露天矿边坡的影响作用,对该矿火烧区高变质煤、蚀变岩分别进行了煤质化验、剪切试验及含水率试验;试验结果表明:火烧高变质煤仍具有较大的开采价值,而火烧高变质煤与火烧蚀变岩在其地层层组分布中变现为明显的弱层,且随含水率增加,它们的粘聚力、内摩擦角和抗剪强度均表现明显地降低,从而极大程度影响边坡的稳定性.该结果可为露天矿边坡设计提供依据.

火烧区烧变岩多边形体△T人机联作最优化反演

根据烧变岩△Ｔ磁异常特征，以多边形体为反演模型，由人机联作给出最佳初始模型，通过阻尼最小二乘法自动迭代反演，较精确地圈定了火烧区边界．经实例试算，证明该方法能减少迭代次数和多解性，提高解释精度．

枣泉煤矿T-2火烧区下开采模拟实验

宁东矿区的火烧区普遍存在充水。为了预防T-2火烧区积水给枣泉煤矿安全生产带来的隐患,采用相似模拟实验的方法,研究12104和12206工作面开采后覆岩的垮落特征和火烧区岩层移动情况。实验表明,12104工作面开采对火烧区无影响,12206工作面的开采对火烧区积水的影响明显,必须采取措施在掘进和回采期间探放水。

地面核磁共振技术在隐伏火烧区富水性探测中的应用

煤层隐伏火烧区上覆基岩复合含水层(包括风化基岩和烧变岩含水层)是煤层开采的主要威胁之一,明确隐伏火烧区的富水性对矿井水害防治具有重要意义。基于此,以发生过较大突水事故的柠条塔煤矿为研究对象,利用地面核磁共振(SNMR)技术开展隐伏火烧区含水层富水性探测并对其进行分析和验证。结果表明,隐伏火烧区共有2个含水层位,分别为第四系松散砂层含水层和1-2上煤上覆基岩含水层;第四系砂层含水层富水性受地表地形及其下隔水层顶部起伏形态影响水平变化较大;1-2上煤上覆基岩含水层富水性总体西南较低、北东较高,该含水层厚度9~30m,局部相对较厚,推测为1-2上煤火烧区风化基岩和烧变岩含水层的叠加反映;研究区内1-2上煤上覆基岩含水层总体呈现出西部及中部偏东南区域富水性相对较大,其余区域富水性相对较小。利用SNMR得到的含水层富水程度与探放水孔及水文孔的涌水量结果大致相同,表明该方法的勘探结果相对可靠,可用于隐伏火烧区富水性的探测。

基于GMS的隐伏火烧区下煤层开采工作面涌水量预测

烧变岩在我国北方煤矿区大面积分布,由其引起的水害等问题严重威胁着煤矿的安全生产。目前矿井涌水量预测主要针对的是某一生产阶段或时间节点,预测值属于瞬时量,缺乏对矿井涌水量动态特征的预测。以神府矿区柠条塔井田南翼的1煤隐伏火烧区为例,利用GMS(Groundwater Modeling System)软件平台构建研究区地下水流数值仿真模型。基于地下水流场和抽水试验对模型进行识别,并采用抽水试验数据进行验证,其模拟结果较好地反映了研究区的实际水文地质情况。对1煤隐伏火烧区下伏的2煤回采工作面涌水量和地下水流场变化特征进行了预测,结果表明:在回采过程中,工作面涌水量逐渐增加,但受地下水袭夺作用,其临近的工作面涌水量逐渐减小;煤层开采时风化岩含水层分别形成了以切眼和工作面为中心的降落漏斗;随着工作面回采的不断推进,地下水位不断下降,漏斗范围不断扩大,导致地下水流场由双中心漏斗逐渐变为以工作面为中心的漏斗,进一步验证了地下水的袭夺作用。对单工作面及多工作面回采条件下涌水量和地下水流场变化特征进行了预测分析,为煤矿采动水害防治提供依据。

地面高精度磁测在划定煤田火烧区中的应用

煤系地层特殊结构致使煤层自燃后产生"热剩磁",基于这一理论的地面高精度磁测可圈定火烧区边界。介绍了地面高精度磁测划定煤田火烧区边界的基本原理、工作方法以及资料处理与解释结果,勘探实例表明,该方法在划定煤田火烧区边界中的应用效果良好。

柠条塔井田南翼隐伏火烧区特征及富水性评价

煤层火烧区在我国西部煤炭区大面积分布,当火烧区内烧变岩含水层与其他含水层有较强水力联系时,会对煤矿安全开采构成严重威胁。以柠条塔井田南翼东南角1^(-2)上煤隐伏火烧区为例,基于以往各类水文地质资料,恢复了保德组沉积前古地形并分析了隐伏火烧区地层特征和补径排水文地质特征;采用因子分析法提取了反映隐伏火烧区含水层的富水性特征因子,通过GIS空间叠加方式得到隐伏火烧区复合含水层富水性综合分区。结果表明:1^(-2)上煤层自燃时代为早白垩世末至上新世期间,古冲沟的发育为煤层的自燃和烧变岩的形成提供了有利条件;隐伏火烧区内烧变岩含水层和风化基岩含水层基本连为一体,构成统一含水层;1^(-2)上煤覆岩组合关系可分为3类:即烧变岩-风化基岩、煤层-烧变岩-风化基岩、煤层-烧变岩-正常基岩-风化基岩组合;强富水性区主要分布于火烧区的北部与西部小范围内,中等富水性区沿北西-南东向呈带状分布于火烧区内,隐伏火烧区东部及北部区域富水性相对较弱,弱富水性区域均分布于隐伏火烧区外。与井下探放水钻孔涌水量对比,该富水性分区评价结果与实际吻合较好。

塔河林业局森林火烧区伐区生产工艺与机械类型的选择

通过对塔河林业局1987.5.6森林火烧区的标准地林木调查和集材试验,对该局火烧木清理的伐区工艺和机械类型提出如下研究结论:在轻度火烧区选用一次采育伐,中度火烧区选用采育择伐;均选用小型绞盘机小集中,集材-50型拖拉机倒钩原条集材,集材效率可提高20％。在重度火烧区选用皆伐,集材-50型拖拉机伐倒木集材。在轻度和中度火烧区的采伐带宽(或集材道间距)由33.3m 增宽到75m,对林地破坏率由10％可降到5.5％;采集作业对幼树破坏率由13.4％可降到10.8％;幼树保留株数由2922株/ha 可增加到3010株/ha。建议尽快开采重度火烧区,及早开采中度火烧区。

红柳林煤矿火烧区烧变岩巷道稳定性研究

为解决红柳林煤矿火烧区巷道支护困难问题。以该矿4-2煤回风大巷为工程背景,通过理论分析、数值模拟及工程实践,对火烧区巷道围岩工程地质力学和相应的支护技术进行了研究。结果表明:火烧区巷道变形破坏主要原因是煤岩体受到热损伤、物理膨胀及氧化变质等复杂物化影响导致煤岩力学强度降低、节理裂隙发育及矿物成分改变,导致锚杆(索)难以锚固,使巷道顶板初期变形量和离层量较大以致破坏。因此应提高锚杆(索)预应力,增加锚固剂数量,使巷道顶板形成稳定的挤压平衡拱,充分发挥锚杆(索)主动支护作用。

磁法勘探在探测煤层火烧区中的应用

新疆某煤矿位于呼图壁地区,整个地区地质工作程度相对较低,已知地质信息较少。采取磁法勘探、地质调查及钻探手段对勘探区内地层分布、煤层赋存状态、煤层火烧区范围予以查明。煤层经过自燃后,其自身及顶底板围岩的物理化学性质发生较大改变,其中磁化率指标自燃前后变化相对较大。根据这一物性参数选取磁法勘探结合地面调查手段对勘探区内煤层的火烧范围及深度进行探查。通过对磁测数据进行化极、延拓、反演,结合地调成果得到相应地质模型,并在此基础上进行了钻探验证,基本查明了勘探范围内地层、煤层火烧区赋存状态,勘探成果对后期工作具有指导意义。

石门安全下穿火烧区含水层探水方案的比选分析

对石门安全下穿火烧区含水层的探水方案进行比选分析,经过方案比选确定采用地面钻探方案,并进一步对地面普通钻探方案、地面定向钻探方案进行设计,为保证煤矿安全施工奠定了坚实的基础,经地面定向钻探施工验证,取得了理想的探水效果和显著的经济效益。

神南矿区火烧区探查技术优选研究

神南矿区煤层的火烧区在燃烧时间、燃烧程度、对围岩的影响、裂隙发育、富水性等存在较大差异,基于物性差异进行探测的各种物探手段,其对不同火烧区探测的适宜性和效果也会存在一定差异。通过实例介绍了多种物探方法及应用效果表明,电阻率测深法和瞬变电磁法在圈定单煤层火烧边界有一定效果;测氡在圈定煤层自燃边界效果不甚明显;磁法对烧变岩反映灵敏,能较正确地反映火烧区的真实情况。

磁法在探测煤层火烧区中的应用研究

旷日持久的地下煤火已给我国煤炭资源和生态环境、大气环境造成严重危害,治理煤火已迫在眉睫。通过分析煤层围岩地层矿物成分、热磁物性,在磁法解释中加强认识,能够有效圈定火烧区、火烧下延深度的方法。