机器学习方法在矿井水防治理论体系研究中的应用思考

致灾机理、危险性评价、灾变预测共同构成矿井水防治理论体系基本内容,其在过去20多年里快速发展,目标是理解矿井水行为特征,预测演化趋势,服务矿区水害防治工作。机器学习是大数据时代进行数据分析和挖掘的有力工具。将机器学习应用于矿井水防治理论体系研究,已得到相对广泛的关注。针对理论体系的3项基本内容,重点讨论了机器学习在各内容建设中的具体应用,主要包括:根据不同水害类型分类简述致灾机理研究现状,指出机器学习应用暂为空白的原因为其不具备做出假设的能力。认为未来致灾机理研究方法依然以传统方法(理论分析、数值模拟、相似模拟等)为主,机器学习促进地质数据获取与处理,对机理研究作出贡献;分析方法优势,指出机器学习作用于危险性评价的主要方式为非结构化数据的处理及丰富评价方法;分析基于物理和基于数据的单一预测模式弊端,论述物理模型与数据驱动相结合的必要性,相应给出“模型-数据”双驱动预测模式的3种实现形式,并讨论了基于图像的灾变预测方法可行性。随着生产数据及地质数据的丰富,机器学习方法可推动理论体系研究快速发展,并为矿井水防治学科系统方法论研究作出贡献。

华北型煤田岩溶陷落柱研究70年:成因·机理·防治

系统阐述了华北型煤田陷落柱及其突水的研究历程和取得的成就。20世纪30年代煤田岩溶陷落柱偶然发现于煤炭开采中,因其带来开采及安全影响,研究不断深化。新中国成立伊始,百业待兴,能源先行,陷落柱对煤炭开发的影响逐渐显现,在解决现场技术问题的同时,基础理论得到蓬勃发展,至1984年开滦范各庄矿陷落柱特大突水事故震惊世界,其成功封堵复矿标志着我国治理技术基本成熟,该事件得以成功处理成为划时代的里程碑;其后能源行业从萧条到黄金10年,煤炭开发向深部、西部转移,陷落柱突水威胁日趋严重,新理论新技术的应用,促进相关研究不断向纵深发展,到目前为止,基本理论及治理技术日臻完善。由于其局域性和特殊性,国外仅有岩溶塌陷和采矿垮落的理论可作为研究借鉴。从基本特征、分布规律、成因机制、导水性、突水模式及机理、预测探查和治理等方面全方位进行了总结,归纳了岩溶陷落柱空间形态特征、充填物特点、揭露特征、结构构造特征等,系统梳理了岩溶陷落柱分类及类型;探讨了岩溶陷落柱导水性,建立了岩溶陷落柱预测指标体系及预测模型,分类提出了陷落柱突水模式和机理及力学判据,研讨了陷落柱突水量预测的可行性,规范了陷落柱预测探查及治理的程序,总结了陷落柱治理技术。作者指出了目前陷落柱研究中存在的不足,凝练了岩溶陷落柱成因、导水性、预测、突水机理及突水量预测等方面的待解科学命题,列举了陷落柱精细化探查、突水监测预警、治理装备技术等方面技术难题,指明了未来探索及发展方向。应当指出,尽管现有成果基本成型,但距离技术理论体系的完善、满足保障矿井安全生产还有很长的路要走。

煤矿工作面底板突水灾害预警重点监测区域评价技术

准确圈定煤矿工作面底板突水预警重点监测区域,实现监测位置和潜在突水点位置在空间上的匹配,是突水灾害预警急需解决的问题之一。为研究煤矿工作面底板突水灾害预警重点监测区域评价技术,采用水文地质分析、GIS空间分析及ANN预测等技术手段,建立了底板突水灾害预警重点监测区域评价指标体系,提出了将不连续指标转化为连续指标的方法,建立了评价模型,研发了重点监测区域评价GIS系统,实现了煤矿底板突水灾害预警重点监测区域GIS与ANN耦合评价技术,最后以赵庄煤矿5303回采工作面底板突水监测预警为例,利用研发的系统圈定了该工作面重点监测区域。研究表明,确定预警重点监测区域的影响因素主要有含水层水压、含水层富水性、含水层防(隔)水煤岩柱厚度、老空区危险性指数、断层危险性指数、陷落柱危险性指数和封闭不良钻孔危险性指数,利用分段函数可以有效将不连续指标转化为连续指标,研发的评价系统可以实现煤矿突水灾害预警监测位置自动评价,评价结果与现场揭露及水害预警系统监测结果一致。

矿井水灾害:原因·对策·出路

进入新世纪,煤炭行业经过十年黄金期高速发展,煤炭产量稳定在目前的45亿t左右。煤矿安全形势总体向好,事故由多发、频发甚至群发,重特大事故时有发生,到单发、偶发,特别重大事故得到有效遏制;矿井水灾害仍为我国煤矿的主要灾害类型,是仅次于瓦斯灾害的第二大杀手。分析表明,客观上开采环境复杂以及主观上重视不够,是事故发生的主要原因;井田水文地质条件勘查、隐患探查治理、突水征兆辨识等“三道关”失守,是事故发生的主要技术原因。相应提出了依规勘查查清条件、照章探放消除隐患、异常辨识及时撤人3项过“三道关”技术措施,规范了“查疑、设计、施工、评价”超前探放水工作流程,强调了勘查理论技术体系和防治水工作体系及其各环节的新进展以及智能精准感知辨识技术为“守关”的科技支撑作用。展望未来,深度学习、智能感知及升尺度方法等理论探索,“三维透明地质体”及其属性探测技术的突破,是解决地质体的随机性、流体的时变性和采矿的动态性的根本出路,可实现我国矿井水可防可控的终极目标。

矿井水防治学科基本架构及内涵

我国矿井水防治学科整体经历了20世纪的起步发展期和21世纪的成长成熟期2个大的发展历程,其基本架构及内涵已然成熟。按照系统论,拓展了矿井水广义内涵,规范了矿井水防治术语及科学范畴,提出了矿井水系统,即从水源补给到涌水排泄所涉及范围为边界且内部介质结构时变的高度复杂系统,水源输入和涌水输出齐备,采矿扰动激发而系统及时响应;构建了矿井水防治基本架构,即理论技术体系及技术管理体系等两大核心体系;理论技术体系涵盖理论基础、技术依托及工程支撑,致灾机理、条件评价、预测预报为理论基础,条件探查、预防治理、地质保障为技术依托,探水、防水、堵水、疏水、排水、截水、监水等七类为工程支撑;技术管理体系包括先进理念、总体思路和工作体系,按照“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”十六字总体思路,以源头预防区域治理井上下结合工程治理治保结合先进理念为引导,建设理念先进,基础扎实,勘探清楚,科技攻关,综合治理,效果评价及应急救援“七位一体”水害防治工作体系,实现减少矿井水影响、防止水害事故、减轻环境影响的总体目标。展望未来,水灾变物理机制,数据驱动的灾变规律,或者二者融合,是基础理论突破的重点方向,将带动技术及工程全面突围。

基于深度学习的LSTM-GRU复合模型矿井涌水量预测方法研究

为了解决矿井涌水预测问题,引入深度学习理论,将长短期记忆网络(LSTM)和门控循环单元(GRU)进行结合,选取矿井涌水量为研究对象,建立一种LSTM-GRU的矿井涌水预测模型。以陕西某矿的矿井涌水量为样本数据,采用7∶3的比例将数据集划分为训练集和测试集,选择模型训练效果较好的梯度下降算法确定网络模型参数和正则化参数,为了证明LSTM-GRU模型的预测精度,同时将结果分别与传统的ARIMA模型和LSTM模型预测矿井涌水所得到的预测结果进行对比。结果表明:LSTM-GRU复合模型的平均绝对百分比误差(RMSE)为70.51,均方根误差(MAE)为53.4,平均绝对误差(MAPE)为2.80%,可决系数(R^(2))为0.86,具有较高的预测精度和可靠性,预测效果优于传统的ARIMA模型和LSTM模型。

煤矿防治水“三区”划分方法及其水害防治意义

为系统性认识矿井各类水害问题,规范化管理矿井防治水工作,国家矿山安全监察局于2022年6月将针对老空水防治的“三区”管理工作推广到顶板水害、底板水害以及构造水害等更多水害类型中。然而各地煤矿在防治水“三区”划分过程中暴露出水害致灾因素和水害治理情况等与划分标准结合不紧密,并且技术上未针对不同煤层和采区进行区别划分,同时划分区域范围和划分结果的规范性和时效性存在不统一。据此,结合防治水“三区”划分的目的,对比了新“三区”划分与老空水“三区”划分的异同,明确了以水文地质条件勘查程度、水害隐患分析、水害治理情况为要素的划分原则,理清了“三区”划分的技术路径;结合我国常见的5种煤矿水害类型特征,提出了不同类型水害的划分方法,即:地表水害应根据井田内地表水体的分布发育特征以及大气降水、滑坡等地质灾害对开采的影响程度等进行划分。顶板水害应根据导水裂隙带范围内是否存在富水性强或者富水性中等静储量丰富含水层、松散含水层等对开采造成威胁进行划分。底板水害应根据煤层带压开采区域底板隔水层厚度与矿压破坏带深度之间的关系以及底板突水系数大小进行划分。老空水害应根据矿井及周边矿井老空积水分布范围、积水量情况进行划分,构造水害应根据井田内断层、陷落柱、溶洞等地质构造和不良地质体的富水性、含水性、与水源导通情况进行划分;总结了划分工作的要点和难点,即:明晰划分时空范围、综合分析划分标准、明确“三区”管理职责、动态转换划分结果等;在此基础上,选择水害类型多样和水文地质条件复杂的典型煤矿井,遵循划分原则,根据划分标准,分煤层、分采区划分了可采区、缓采区、禁采区,并加以详细的解释说明;阐明了开展“三区”划分工作具有提升综合探测水平、强化预测预报能力、找准水害治理方向的水害防治意义,以期指导和规范我国煤矿防治水“三区”划分工作。

基于多方法耦合的矿井突水水源识别方法研究

为有效预防矿井突水事故发生,快速准确识别矿井突水水源是至关重要。以陕西某矿为例,选取K^(+)+Na^(+),Ca^(2+),Mg^(2+),Cl^(-),SO_(4)^(2-),HCO^(-)_(3)六种水化学成分指标作为矿井突水水源识别的样本变量。笔者采用主成分分析(PCA)结合Fisher判别分析法建立突水水源判别,利用不同的水化学特征样本中的27个数据为训练样本,对该方法进行检验和应用,并与传统的Fisher判别分析法的结果进行比较。研究结果表明:利用Fisher判别分析正确率为92.6%,而利用PCA与Fisher突水水源判别方法对样本数据进行判别,正确率达96.3%,并对10个预测样本数据进行判别,正确率100%,判别结果正确率较高,对煤矿突水水源识别具有指导意义。

化学示踪连通试验在矿井充水条件探查中的应用

为获取地下水流速和渗透系数等水文地质参数、查清含水层水力联系、查明矿井充水条件,在内蒙古某矿设计实施了化学示踪试验。通过对国内外化学示踪试验资料整理、统计分析,总结出化学示踪剂用量与投放距离、含水层性质的经验关系式,并对本次示踪剂用量做出了评价。同时,对试验中监测点水中均未出现Cl-浓度增高现象进行了科学解释,提出类似含Cl-示踪剂中的某些离子可能被地下岩层特定矿物质吸附时,只要化学试剂中的一种离子能达到试验效果,且具有成本低、易获取等特点,即可选择其作为示踪剂的观点。

深部底板奥灰薄灰突水机理及全时空防治技术

奥陶系灰岩+厚隔水层夹薄层灰岩+煤层的地层结构模式是我国石炭二叠系煤田带压开采的典型存在形式。尽管隔水层巨厚,由于其中夹有薄层灰岩含水层,导致深部开采时突水灾害仍然频发。由于突水系数的局限性,依据隔水层厚度、底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和、突水系数将底板隔水层类型综合划分为极薄、薄、中、厚及巨厚5种类型,淡化突水系数在极薄、厚及巨厚隔水层中的应用。阐述了薄层灰岩在串连奥灰与煤层形成水害的独特作用,定义了深部底板奥灰及薄灰水害概念及突水模式,总结了其五维度特征,概括为充水水源的总源递进、充水通道的面状分散、充水强度的台阶增长、充水时间的滞后出水、充水水源水质的交换吸附,阐明了奥灰水渗透、扩容、压裂、导升经薄灰中转储运形成面状散流的突水机理,提出了相应的突水危险性评价公式P0>3σ3-σ1-Pp+Rm。针对巨厚隔水层且传统井下底板加固甚至区域治理仍无法完全控制深部突水的现状,创新了全时域与全空域四维度奥灰及薄灰水害的“全时空”综合防治理念,空域上井上下相结合、奥灰及薄灰多层次区域治理与井下薄灰钻孔探治验相结合的全空间多层次立体网状防控布局,创建了全空域立体交叉网络探查、治理、验证、补充的“全空域”立体防治模式,形成了条件评估、探治验补、检验评价、监测保障的全时域“四位一体”技术质量控制流程,创立了“四位一体”立体网状全时空深部底板奥灰及薄灰水害防治方法。以邯邢矿区梧桐庄井田2603工作面为工程案例,确定奥灰顶面以下40~60 m和20~30 m、薄灰大青和山伏青灰岩为目标实施多层段地面超前区域治理及补充治理,配合野青和山伏青为目标井下补充治理和验证,形成立体网络治理;采用奥灰薄灰水文地质条件评估确定治理目标,用地面区域探查治理、补充探查治理以及传统井下查缺补漏验证前期治理效果,以治理效果检验、底板完整性评价、突水危险性评价、涌水量预测、排水能力评价等全面评估能否回采工作面,回采过程中采取水文监测、微震系统、矿压系统等综合监测手段紧盯薄层灰岩关键层,实现了工作面安全回采。

我国华北煤田岩溶陷落柱预测研究

为了预测岩溶陷落柱的发育可能性、发育靶区或空间位置,依据岩溶陷落柱形成主控因素,建立了包含2个一级指标和10个二级指标的综合预测指标体系,并根据各指标的重要性,运用模糊层次分析法对其赋以权重;运用所建立的预测体系分别对华北煤田3个典型煤矿进行了预测评价。结果表明:Ⅰ煤矿发育程度综合评价评分为84.9,可判断陷落柱发育可能性大;Ⅱ煤矿基于GIS平台进行了陷落柱位置预测,预测Ⅱ煤矿有3个发育区、2个较发育区,经工程勘察揭露,有1个陷落柱位于预测区;Ⅲ煤矿基于预测的岩溶强径流带进行了陷落柱位置预测,预测Ⅱ煤矿有8个较发育靶区,其中有1个靶区内已揭露有陷落柱。所建立的预测方法体系能够实现陷落柱位置的定量或半定量预测,预测结果与实际情况比较吻合。

我国煤矿水害重特大事故相关因素特征分析及防治对策

为深入探究我国煤矿水害事故现状及其相关因素特征,统计了新中国成立以来我国煤矿重特大水害事故起数和死亡人数,采用数理统计方法对煤矿水害重特大事故与原煤产量、突水水源、发生时间、发生区域、法律法规变迁、市场监管体制机制、教育培训、煤矿企业性质等8个因素的相关程度进行了分析;同时,对矿井水害事故发生原因进行了总结分析,并提出了技术对策以及管理措施。研究结果表明:新中国成立以来我国煤矿水害重特大事故大体可分为低位频发期、异常高峰期、持续上升期、高位波动期、稳定下降期5个阶段;4—11月是水害事故高发期,8月份事故发生最多;河南、湖南、贵州、山西、黑龙江是煤矿透水事故多发地,老空水是水害事故的主要突水水源;乡镇煤矿是水害事故的重灾区,但总体呈下降趋势;法律法规变迁、市场监管体制机制、教育培训等因素也直接影响我国煤矿水害重特大事故发生频率。

孔隙压力梯度对煤的渗透性影响实验

为了研究煤体渗透率与压力梯度之间的关系,在考虑煤体吸附变形的基础上建立了煤体渗透率与瓦斯压力梯度的数学模型,并在恒温条件下进行同一压力梯度不同吸附平衡压力的条件下和同一吸附平衡压力不同压力梯度条件下的渗流实验。研究结果表明:在较低的孔隙压力条件下,煤体渗透率随着吸附平衡压力和压力梯度的增加而减小;建立的渗透率动态演化模型能够较好地描述煤层瓦斯抽采过程中瓦斯的流动规律。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和抽采工作提供一定的理论支撑,具有一定的指导和实践意义。

冲击地压矿井采区下山保护煤柱合理宽度研究

留设合理宽度的采区下山保护煤柱是防范采区下山发生冲击地压的关键。为探讨冲击地压矿井采区下山保护煤柱宽度的确定方法,以李楼煤矿采区下山保护煤柱合理的宽度确定为工程背景,运用矿压理论研究了工作面向采区下山推采过程中覆岩运动规律、支承压力演化特征、冲击地压类型及其发生机制,分析了现场工作面推采过程中的微震监测数据和应力动态监测数据,综合确定了李楼煤矿工作面采动影响范围,提出了以防范各类冲击地压为原则的采区下山保护煤柱宽度的综合确定方法,并进行了工程验证。结果表明:①随着工作面向采区下山推进,采区下山保护煤柱宽度逐渐减小,工作面超前支承压力与采区下山侧向支承压力及两翼工作面超前支承压力将发生叠加、集中,震动附加应力与采区下山侧向支承压力叠加程度逐渐增大;②采区下山可能发生静动载叠加型、应力叠加型和蠕变型等3类冲击地压;③工作面超前、滞后采动影响距离为235 m,侧向采动影响距离为105.5 m;④从防范采区下山动静载叠加型、应力叠加型和延后蠕变型冲击地压的角度,综合确定李楼煤矿采区下山一侧保护煤柱宽度应不小于235 m。回采后期现场监测结果与收尾情况初步验证了当前李楼煤矿采区下山一侧保护煤柱240 m的合理性。

新版《煤矿安全规程》(防治水部分)修订要点解读与讨论

为更好理解新版《煤矿安全规程》中有关防治水条款的修订情况,依据总体修订原则,按照"坚持以人为本、强化企业主体、夯实基础地位、吸取事故教训、严格工作程序、体现科技进步"六项防治水条款修订原则,重点梳理了修订后的内容。同时分析说明了"顶板含水层下采煤不属于带压开采范畴",提出第302条中带压开采应仅针对承压含水层上采煤时的底板带压开采;指出了《煤矿防治水规定》附录四、附录五有关安全隔水层厚度计算存在矛盾,从理论上分析论证了斯列萨列夫公式与突水系数公式分别适用于掘进巷道工作面与回采工作面安全隔水层厚度计算评价,突水系数公式适用于回采工作面且底板隔水层厚度小于50 m的情况。

煤矿水害防治基础科学发展思考

针对目前煤矿水害防治技术发展不平衡及后劲不足的现状,从矿井水灾致灾机理、预测、探测以及综合治理利用等关键环节,总结了其基础学科发展深层次科学原因,提出了基础科学发展的方向。研究认为,应加强基于岩体(水)力学+水文地质学的多重介质多场耦合本构模型研究,在采动条件下探究水灾致灾的力学机理,提高矿井涌(突)水及涌(突)水量预测预报的准确性或者精度,从理论上为矿井水害防治技术体系的整体突破奠定坚实基础。

基于水力学与水化学耦合的矿井涌(突)水水源识别方法研究

为解决当前水源识别仅考虑矿井水化学特性及水位观测等少量因素,缺乏矿井突水力学支撑相关问题,以林西煤矿1021中回采工作面为例,提出了一种基于水力学与水化学耦合的矿井涌(突)水水源识别方法。该方法首先根据封闭不良钻孔、断层、老空区、底板等矿井突水力学模型,求解涌(突)水点不同水源或通道突水的临界防隔水煤岩柱厚度Lv;其次对比Lv和实际隔水煤岩柱厚度Le之间定量关系,判定不同水源突水的先验概率;然后以先验概率为纽带,利用贝叶斯判别分析,建立基于水力学与水化学耦合的矿井突水水源识别模型;最后利用该模型对1021中回采工作面涌水点水源进行验证识别。研究结果表明:由于第Ⅲ含水层、第Ⅳ含水层水化学特征相似,建立单一的水化学识别模型,会将涌(突)水点水源误判为第Ⅲ含水层水。而基于水力学与水化学耦合的水源识别模型可精确识别出该涌(突)水点水源属于第Ⅳ含水层水,判识结果与工程实际情况一致,有效提高了矿井涌(突)水水源识别精度。

针对矿尘中PM10捕尘雾滴粒径的实验研究

为得到矿井中捕集PM10的雾滴粒径与PM10的关系,确定捕集PM10的最佳雾滴粒径的范围,通过自主搭建的尘-雾粒径耦合实验系统,使用激光粒度分析仪测量捕捉PM10前后的雾滴粒径。采用直径为1.0 mm的空心圆锥形喷嘴,压力分别为3、4、5 MPa,实验风速为1.5 m/s。结果表明:当PM10被雾滴捕集时,该雾滴粒径是粉尘粒径的6～13倍的概率为93%,8～10倍的概率为61.6%;3 MPa压力下,雾滴捕捉粉尘粒径的范围较大,压力为4、5 MPa时,捕集的粉尘大多小于7μm,喷嘴直径不变时,压力越大越有利于捕集PM10。根据实验结果拟合出3种压力下雾滴粒径与被捕粉尘粒径的函数关系式。

低温作用下煤体细观结构变化及相变致裂实验研究

为了研究低温作用下煤体细观结构演化规律,采用CT扫描不同冻结温度下干燥和饱水煤样细观结构图像,构建三维可视化裂隙模型,探究冻结煤体裂隙演化机理。研究结果表明:随着温度的降低,煤样内部产生的拉应力逐渐增大,加之,冰水相变产生冻胀力,导致煤样内部裂隙网格不断扩展演化;冰水相变产生的冻胀力是饱水煤样和干燥煤样裂隙演化具有差异性的原因,孔隙、裂隙水冰点随着孔隙、裂隙的半径减小而逐渐下降,从而导致壁厚较大的裂隙中水分先行冻结,随着温度的继续降低,壁厚较小的裂隙中水分才发生冻结。

我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害分类、预测与防控

针对我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害频发的现状,采用现场调查、理论分析、现场监测等方法,对顶板运动型矿震及诱发灾害发生机制、预测和工程分类技术进行了研究,得到以下主要结论:(1)基于关键层运动模式将顶板运动型矿震分为关键层断裂型、关键层回转型和关键层滑移型3类矿震,建立了基于“关键层运动状态”的顶板运动型矿震的能量预测模型,分别提出了3类顶板运动型矿震能量的计算方法;(2)基于顶板运动型矿震诱发井下和地面灾害机制,建立了顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害的一体化力学模型和评估方法,为煤矿顶板运动型矿震诱发灾害的预测提供了基础;(3)提出了分类防控、源头减震、吸能抗震协同防控顶板运动型矿震的理念,形成了以低矿震能量、低围岩密度和高抗震能力为基础的煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害防控体系,开展了地面直井压裂源头防控顶板运动型矿震的技术试验研究;(4)根据工作面在压裂区开采期间的矿压显现和相似材料模拟试验结果,大范围压裂措施能够降低大能量矿震发生频次,但也可能改变关键层运动模式,甚至增大井下矿压显现强度。