蒙陕接壤区煤层顶板涌水水源智能判别方法

蒙陕接壤区煤炭高强度开采诱发的煤层顶板水害问题日益凸显,高效智能地判别煤层顶板涌水水源是顶板水害防治的关键。以蒙陕接壤区3个典型矿井为研究对象,将无机指标K^(+)+Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)、HCO_(3)^(-)、TDS和有机指标UV_(254)、TOC、溶解性有机质(DOM)的荧光光谱作为判别指标,利用主成分分析法(PCA)对80组地下水水样数据进行主成分提取,提出一种人工鱼群算法(AFSA)改进随机森林(RF)的PCA-AFSA-RF顶板涌水水源智能判别方法。首先,建立PCA-RF判别模型,其准确率(A_(c))、精确率(P_(r))、召回率(R_(c))和F-measure指数(f_(1))分别达到了83.00%、83.17%、80.42%和79.57%;其次,通过AFSA对PCA-RF判别模型中决策树数目、树深和内部节点分裂所需的最小样本数进行寻优,在AFSA中引入遗传机制以避免陷入局部最优,建立基于PCA-AFSA-RF的煤层顶板涌水水源智能判别模型,该模型A_(c)、P_(r)、R_(c)、f_(1)分别达到92.18%、91.11%、87.58%和88.82%,较PCA-RF分别提高9.18%、7.94%、7.16%和9.25%,回代准确率达到97.50%;最后,利用该模型对12个矿井水水样进行判别,结果与现场实际相一致,表明AFSA改进后的PCA-RF模型具有更好的准确性和泛化能力。研究结果可为煤层顶板涌水水源的准确判别提供新方法。

蒙陕接壤区典型煤层开采顶板周期性变形破坏及涌水响应特征

【目的】煤矿开采扰动破坏覆岩含/隔水层结构,造成集中涌水,影响矿井安全生产。【方法】以面临典型顶板砂岩水影响的蒙陕接壤区主采煤层3-1煤开采涌水过程为研究对象,采用物理相似材料模拟、数值仿真模拟、现场原位监测3种方法,并通过周边地质和开采条件相似矿井实测数据对比,分析3-1煤典型工作面开采煤体支承压力周期性演变规律、采空区覆岩垂直位移演变规律,定量获取实验室尺度顶板周期来压瞬间微震能量事件变化特征,综合确定顶板导水裂隙带随采发育特征,以及顶板涌水随覆岩周期来压变化趋势。【结果和结论】结果表明:工作面开采覆岩初次来压步距约40 m,周期性来压步距12~28 m,覆岩破断瞬间围岩周期性来压呈现“先增后稳定”的趋势,在推进至第5次周期来压(推进距离约140 m)时,超前支承压力达到最大,覆岩周期性来压、破断瞬间垂直位移峰值随采呈现“之”字型变化特征,同样,位移监测数据、微震事件总能量、事件频次等综合指标指示,在第5次周期来压瞬间,覆岩垂直位移变幅达到最大值,塑性区发育高度基本稳定;导水裂隙带发育最大高度在120 m左右,将直接沟通顶板直罗组砂岩含水层,地下水随采涌入过程呈现两种波动变化趋势,工作面全局尺度上呈现长周期“阶梯式”增长趋势,“阶梯式”增长周期约800 m,局部尺度呈现短周期“振荡”变化趋势,振荡周期16~48 m,并表现出与覆岩来压周期之间的较强关联性。研究结果为工作面涌水量预测以及防排水系统布设提供参考。

蒙陕接壤区煤矿采空区水−岩系统中氟来源及释放规律

采空区是高氟矿井水形成的关键区域,其水−岩系统中氟的来源与溶解释放决定了矿井水中氟的富集或贫化。针对蒙陕接壤区3-1煤采空区矿井水氟来源及释放规律不清晰问题,采用水化学测试、岩石矿物成分分析、矿物扫描电镜与能谱检测,以及室内水−岩作用仿真模拟试验,查明矿井水氟物质来源与赋存载体,揭示岩石中氟释放规律。结果表明:研究区3-1煤矿井水水化学类型主要为HCO_(3)-Na与SO_(4)-Na型,3-1煤采空区矿井水氟浓度高于3-1煤生产工作面的矿井水浓度,且采空区矿井水pH、Na^(+)/Ca^(2+)浓度比均大于工作面矿井水。3-1煤采空区矿井水F−的物质来源为泥岩与粉砂岩,2种岩石中氟平均含量分别为741、610 mg/kg,氟在固相中的主要赋存载体为蒙脱石、高岭石、伊利石及绿泥石。采空区水−岩系统中氟的释放受岩性、粒径、pH、温度及Na^(+)/Ca^(2+)浓度比5个因素影响。其中,泥岩及粉砂岩中的氟比细砂岩中的更容易释放进入水中;无论何种岩性,随着粒径的减小,氟释放F−的浓度增大;此外,碱性、高温及高钠低钙的水化学环境均可促进岩石中氟的溶解释放。

蒙陕接壤区深埋煤层开发过程中矿井涌水量变化特征

蒙陕接壤区侏罗系深埋煤层开采过程中,掌握不同阶段矿井涌水量变化规律,是保障煤矿安全的关键。从含水层发育特征、巷道掘进进尺、采空区半径等方面开展了相关研究,结果表明:蒙陕接壤区煤层顶板导水裂缝带范围内的3层复合含水层,富水性差异较大,分别对巷道掘进阶段和工作面回采阶段涌水量影响较大。煤矿建井阶段,矿井涌水量随着巷道掘进进尺增加而增加,但单位进尺涌水量变化不大,平均涌水量为0.008 32 m^3/(h·m)。工作面回采前将钻孔水量降至5.0m^3/h以下,水压降至1.0 MPa左右,实现了顶板含水层静储量充分疏放目标。首采面和接续面回采阶段,矿井涌水量呈"阶梯式"平稳增加,矿井涌水量与采空区半径呈线性正相关关系。通过对侏罗系深埋煤层开采过程中矿井涌水量变化规律和影响因素的研究,可以为其他矿井建设和工作面回采提供安全保障和科学依据。

蒙陕接壤区矿井水中氟的污染特征及形成机制

自然成因高氟地下水诱发的环境及饮用水安全问题受到国内外广泛关注,前人对其分布特征及形成机制开展了大量研究,但高氟矿井水形成与地下水不同,受自然成因与人类活动双重控制。针对目前矿井水中氟的污染特征及成因机制尚不清晰的问题,以蒙陕接壤区某矿井为研究对象,采集地表水、地下水、矿井水水样71组,地下含水层岩样34组,通过水岩样检测分析,研究矿井水中氟的主要污染特征,并借助piper三线图、Gibbs图、岩石SEM-EDS,离子关系图等探究高氟矿井水的形成机制。研究结果表明:研究区2-2煤矿井水与3-1煤矿井水氟离子质量浓度相差较大,2-2煤及3-1煤矿井水氟的平均质量浓度分别为0.29,6.36 mg/L,2-2煤顶板及3-1煤顶板地下水中氟的质量浓度分别0.30,4.32 mg/L,3-1煤高氟矿井水的形成与其顶板地下水中氟富集密切相关。3-1煤顶板地下水氟富集的主要原因是岩石中氟质量分数较高,平均值为609 mg/kg,氟磷灰石、角闪石及云母等含氟矿物的溶解是地下水中氟离子的主要来源。此外,3-1煤顶板地下水中氟富集还受绿泥石、伊利石及蒙脱石互层等黏土矿物表面的氟解吸作用及地下水Na^(+)与岩石Ca^(2+)、Mg^(2+)阳离子交换吸附作用的影响。较高质量浓度的OH-及HCO-3竞争吸附黏土表面的电位,促进F-的解吸;且高Na、低Ca的环境抑制了CaF_(2)沉淀的生成,促进了氟的富集。最终3-1煤顶板地下水在采煤扰动作用下经导水裂隙涌入采煤巷道或工作面形成高氟矿井水,随后与采空区岩石发生二次充分水-岩作用,进一步导致矿井水氟质量浓度升高。

蒙陕接壤区浅埋煤层矿井水水化学特征及来源分析

为研究蒙陕接壤区浅埋煤层开采下矿井水水化学特征与来源,通过采集研究区内的矿井水、不同含水层地下水及地表水样,综合利用水化学特征研究、数理统计、离子比例系数法以及氢氧同位素,探究该区矿井水水化学特征及其形成作用。基于此,对研究区矿井水的主要来源进行了识别。结果表明,矿井水与第四系萨拉乌苏组、侏罗系直罗组和延安组地下水水力联系紧密。矿井水主要离子形成受水−岩作用影响,主要阴阳离子来源于硅酸盐矿物与方解石的溶滤作用;受到反向阳离子交换作用影响,使矿井水中Na+含量高于浅部地下水;混合作用对矿井水水化学成分形成影响较小。矿井水受延安组、直罗组地下水与萨拉乌苏组地下水共同补给,三者在矿井水补给水源中所占比例分别为86.39%、1.59%与12.02%。研究成果可为该区的矿井水害防治与水资源处理利用提供依据。

蒙陕接壤区典型煤层开采地下水系统扰动的定量表征

生态脆弱区煤矿高强度开采扰动地下水系统,造成水资源损失。选取黄河流域中段蒙陕接壤区东南—西北走向剖面典型浅部开采和深部开采矿井为研究对象,利用覆岩破坏理论分析、数值模拟、井下实测3种方法,并通过周边地质和开采条件相似矿井实测数据对比,综合确定了浅埋复合煤层开采和深埋单一煤层开采导水裂隙带发育高度,根据导水裂隙带与顶板主要含/隔水层空间位置关系,划分出浅埋煤层开采直罗组−志丹群含水层充水模式和深埋煤层开采直罗组含水层充水模式;通过概化不同含水层充水模式地下水流系统,构建了典型煤层开采地下水三维非稳定流数学模型,并利用Visual Modflow软件建立了2种工况地下水流数值模型,对接续期2023—2024年工作面开采地下水流场和水资源损失量进行了定量预测,并利用涌水量实测数据验证了模型可靠性。结果显示:受扰动的浅埋区志丹群、直罗组含水层,以及深埋区直罗组含水层地下水呈现向采空区汇集现象的同时,流场也伴随采后煤层顶板二次稳定结构的形成而逐步恢复,但围绕采空区附近,充水含水层地下水流场表现出局部高水力梯度现象;另外,2种采煤工况接续期水资源损失量年均分别达到200万m^(3)和730万m^(3)以上。研究结果为区域水资源损失超前精细控制和矿井水资源化利用提供了参考。

蒙陕接壤区矿井水中典型污染组分特征及来源

蒙陕接壤区是我国能源兜底保障的核心区域,但是煤炭开采过程中产生的大量矿井水,常常含有多种污染组分,只有查清污染组分来源及特征,才能更加科学合理地处理利用矿井水资源。本研究在查清蒙陕接壤区地质、水文地质和煤炭开采扰动等条件的基础上,对煤层顶板含水层水文地球化学特征、矿井水中典型污染组分特征开展了研究,并分析了这些典型污染组分的来源。结果表明:蒙陕接壤区根据煤层埋深条件可分为浅埋区、中深埋区和深埋区,浅埋区矿井水来源为煤层顶板所有含水层水,中深埋区矿井水来源为煤层顶板延安组、直罗组风化基岩和完整基岩含水层水,浅埋区和中深埋区第四系和侏罗系地下水中TDS质量浓度均低于1000 mg/L;深埋区矿井水来源于煤层顶板侏罗系延安组、直罗组含水层,封闭条件下长期水岩作用,导致地下水中TDS质量浓度>1000 mg/L,主要超标组分为Na^(+)、Ca^(2+)和SO_(4)^(2-)。矿井水中污染组分包括2类来源:一类来自顶板含水层,长期水岩相互作用导致离子组分进入水体中;另一类来自煤矿井下生产活动,煤岩屑、粉尘、机油等释放,导致悬浮物、氮、有机物等污染溶入水体中。浅埋区和中深埋区矿井水中TDS质量浓度低于1000 mg/L,主要为弱碱性HCO_(3)-Ca型水;深埋区矿井水中TDS质量浓度为1824.00~3684.00 mg/L,Na^(+)和SO_(4)^(2-)离子浓度增加占比最大;地下水进入采空区后,均会进一步发生水岩相互作用,导致Na^(+)、SO_(4)^(2-)等离子浓度出现一定程度升高。大部分煤矿矿井水中COD出现了超标,但是TOC浓度和UV_(254)均较低,矿井水中有机物以悬浮态为主;3DEEM光谱检测结果发现溶解态有机物主要为天然的氨基酸类和腐植质类,各类有机物荧光强度偏低,矿井水中有机污染物含量较少。

晋陕蒙接壤区典型生态过渡带景观变化遥感研究

晋陕蒙接壤区是典型的生态过渡带 ,生态环境具有波动性、脆弱性和敏感性。笔者采用 2个时期遥感影像作为基本信息源 ,在GIS的支持下 ,建立空间信息库 ,选取斑块大小、分维数、形状指数、景观破碎度和景观优势度等指标 ,对景观空间格局的动态变化进行了分析。同时利用马尔柯夫模型对该区的景观要素转换进行了模拟。结果显示 ,1988～ 2 0 0 0年期间 ,该区的景观格局发生了显著变化 。

基于网格空间数据的晋陕蒙接壤区生态环境综合评价

晋陕蒙接壤区是典型的生态过渡带、生态脆弱带。文章在调查研究的基础上 ,选取了 1 3个评价指标 ,应用层次分析法确定其权重 ,并将各个因子分级标准化和定量赋值 ,再用加权求和法得到每个评价单元的环境质量综合评价指数。根据环境综合评价指数将环境质量分为较好 (≥ 8)、一般 (≥ 6～ <8)、较差 (≥ 4～ <6)、恶劣 (<4) 4级。结果表明 :晋陕蒙接壤区的环境质量大多处于较差等级 ,较好、一般、较差、恶劣等级的面积比例分别为 2 .2 % ,2 8% ,5 7.4%和1 2 .4%

晋陕蒙接壤区林草覆盖变化的遥感分析

以晋陕蒙接壤区1986年和2000年的TM影象为信息源,运用遥感技术与地理信息系统技术,结合建立了两期全区土地资源数据库,从中提取林草覆盖空间数据。分析得出2000年全区有林草地面积332.19×104hm2,占总面积的56.87%,其中林地占13.72%,草地占86.28%。14年间林草植被净增加了2.29×104hm2,占林草面积的0.69%,总的变化趋势是林草覆盖对生态环境的保护和调节功能趋向衰减。林地被毁、草地开垦和沙漠化是林草覆盖减少的主要原因,而其新增部分主要是实施植树造林、退耕还林还草等生态环境建设措施的结果。

晋陕蒙接壤区水蚀风蚀交错带生态环境特征

晋陕蒙接壤区位于黄土高原和风沙区交接地带，是典型的生态过渡带、生态脆弱带。同时，又是资源富集带，资源与环境的矛盾十分突出，再加之近年来煤炭开发，进一步加剧了环境恶化。本文在系统地分析了生态环境特点的基础上，提出了环境整治的建议。并指出在这一地区开展生态环境演变和整洁技术研究的意义。

晋陕蒙接壤区土地荒漠化问题及其防治对策

该文系统分析了晋陕蒙接壤区土地荒漠化的现状、起因、以及能源开发和人为活动对加速土地荒漠化的影响。在此基础上明确了治理原则，提出了综合治理土地荒漠化的对策和措施。

蒙陕接壤区深埋型煤层顶板水文地质及水文地球化学特征

为了弄清蒙陕接壤区深埋型煤层顶板水文地质及水文地球化学特征,利用水文地球化学数据开展了综合研究,结果表明:白垩系志丹群与第四系之间水力联系密切,矿化度较低,属于HCO3-Ca型水,与志丹群底板标高没有相关性。安定组可有效地阻隔上部含水层水对直罗组的补给;大部分矿井主采煤层到安定组顶板距离较大(>250 m),导水断裂带不会波及志丹群含水。主采煤层顶板含水层水中矿化度与地层标高呈负相关关系,大部分水样属于深部滞留型的SO_4-Na型水;但榆横北区的几个矿,普遍属于SO_4-Na·Ca型水,Cl/HCO3值也偏小,表明榆横北区上下含水层联系相对较好。

蒙陕接壤区深埋煤层顶板水疏降效果

为了实现工作面安全回采前顶板水的充分疏降,根据特大型煤矿深埋煤层的井下特点,研究了＂管路放水＋落地放水＂与＂中转水仓＋水沟＂相结合的顶板水疏降方法。结果表明：工作面切眼附近44个疏放水钻孔的总涌水量基本稳定在150 m^3/h,且在增加或减少疏放水钻孔疏放数量后,总涌水量基本不变,钻孔涌水量主要为动态补给量;疏放水中心区域的T16-5孔水压从4.8 MPa降至0.9-1.0 MPa,且其它观测孔水位、水压均已达到稳定状态,形成稳定的降落漏斗。

我国铝品需求与晋陕蒙接壤区铝工业发展

分析了我国铝工业中几种主要产品（氧化铝、电解铝和铝材）的需求状况，并在此基础上，探讨了晋陕蒙接壤区铝工业的发展方向，铝工业基地的建设与布局。

晋陕蒙接壤区生态环境变迁初探

本文以考古资料为主，结合历史文献的记载，对晋陕蒙接壤区生态环境进行初探。一是阐述春秋战国前，这里草茂林丰，河湖广布，先民们过着渔猎生活，生态环境是良性循环；二是进一步阐述中国自古以来，就是一个多民族共存的国家，除汉族外，少数民族也建立自己的政权。由于各自都想扩大和巩固自己的统治区域，就时常发生民族战争。每次战争都得实行移民实边屯垦政策，以解决士兵粮食供给问题。这对生态环境均有不同程度影响，尤其是历史上有三次大规模屯垦即：秦汉、唐宋及清末等。三是新中国成立后，长期以来在单一重粮思想的影响下，也出现了三次较严重的开垦高潮，使本区植被再一次遭到破坏，环境质量急剧下降，生态环境变得很脆弱。为吸取历史经验教训，追源溯史，最后提出防治生态环境变劣的简要对策。

晋陕蒙接壤区环境脆弱形势及其对策研究

晋陕蒙接壤区是我国重要的能源基地，也是生态环脆弱地区，本文详细分析了接壤区的环境脆弱形势、特征及形成原因，重点阐述了煤田开发造成的生态环境影响。最后提出生态环境整治的对策。

晋陕蒙接壤区煤田开发引起的水土流失研究

通过分析晋陕蒙接壤区煤田开发引起的水土流失成因、特点及流域产沙特性的变化，结果表明，煤田开发是该区新增水土流失的主导因子，使原生地表土层遭到严重干扰、破坏，土体抗蚀性明显降低，极易发生侵蚀；该区新的水土流失特点是侵蚀类型多样化，空间分布不均，时间分布集中，侵蚀速度快、危害性强；由于新的水土流失的增加，使该区流域产沙继续向粗沙方向发展。最后对该区新增水土流失量进行了估算，结果为年均侵蚀量在1000万t以上。

晋陕蒙接壤区能源产业发展与生态保护协同推进研究

晋陕蒙接壤区是我国能源战略安全和国土生态安全关键区。大规模高强度的资源开发和重化工产业发展加剧了区域的生态脆弱性。以黄河流域生态保护和高质量发展为视角,该区域能源产业发展与生态保护协同推进,应在顶层设计上强化空间管控,在区域合作上破除行政藩篱,推进产业结构向深度复杂加工转化,技术创新以绿色低碳循环为导向,能源结构向平衡高效清洁发展调整。