采动覆岩注浆离层力学结构模型及稳定性预测方法:以张集煤矿为例

煤矿开采引发地表岩土层移动变形,进而导致建筑倒塌、生态环境破坏等问题,离层注浆是减缓地表沉降的重要手段之一。为了研究淮南矿区倾斜地层采动离层的发育和稳定性,基于关键层理论,建立了由主关键层、注浆阻隔层、亚关键层组成的采动覆岩注浆离层力学结构模型,提出了注浆离层稳定性力学判据。采用离散元数值模拟分别建立水平和倾斜地层模型,模拟煤层开采过程中裂隙演化规律及可注浆离层发育情况。结果表明,水平和倾斜地层导水裂隙均未贯通注浆阻隔层,主关键层底部均发育可注浆离层,水平地层可注浆离层开度比倾斜地层的开度更大。数值模拟证明采动覆岩注浆力学结构模型可以对采动离层稳定性进行有效预测。

2000—2020年淮南矿区土地利用变化对碳源/碳汇时空格局的影响

[目的]分析淮南矿区2000—2020年土地利用碳源/碳汇时空格局分布特征,为淮南市国土空间规划及未来低碳调控政策制定提供依据。[方法]以淮南矿区为研究对象,选取2000,2010,2020年3期土地利用数据,以格网尺度量化不同土地利用变化发展阶段下碳源/碳汇/碳排放的时空格局,基于冷热点分析碳源/碳汇/碳排放的空间格局。[结果]①2000—2020年,土地利用类型由单一用地为主转换多种土地利用类型同时发生,其中,建设用地面积增大,导致碳源效应增强,碳汇效应相对减弱,碳排放量持续增加,碳源年增加量为2.76×10^(6) t,碳汇年增加量仅为130 t,碳排放年增加量为2.76×10^(6) t;②碳源和碳排放空间分布特征基本一致,中部建成区和西北矿区是碳源和碳排放的主要集中区,碳汇主要聚集在东部、西部边缘区和西部部分矿区;③中部建成区是碳源和碳排放的显著热点、热点区域,以显著热点变化特征为主;显著冷点和冷点主要分布在研究区东部、西部边缘区域和西北部分矿区。[结论]淮南矿区的碳减排和低碳效应需要着重关注北部大面积的平原耕地区域,控制该区域矿区煤炭资源开采和建设用地开发,应加快塌陷水域修复工作;南部城市化进程快速增加的同时需适度增加林地和草地等生产性碳吸收能力区域面积,避免建设用地无限制扩张。

覆土厚度对复垦土壤团聚体稳定及有机碳贡献率的影响

为了探究覆土厚度对复垦土壤团聚体稳定及有机碳贡献率的影响,采用干筛法、湿筛法测定不同覆土厚度下土壤机械稳定性、水稳定性团聚体、团聚体有机碳分布,计算稳定性参数及有机碳贡献率,分析覆土厚度对其的影响。结果表明,在同一粒级下,随着覆土厚度的增加,团聚体有机碳含量呈先增加后减少的趋势。覆土0~20 cm的>0.25 mm水稳定性团聚体含量最大、土壤团聚体团粒指数最小,覆土为60~80 cm的土壤机械稳定性和水稳定性团聚体平均重量直径、几何平均直径、团聚体稳定率最大,团聚体破坏率最低,是研究区最适合微生物活动及土壤根系生长的覆土厚度,研究结果对煤矸石充填复垦土壤的合理利用及可持续发展具有重要意义。

淮南矿区煤层气井压裂返排液量质特征研究

为了掌握淮南矿区煤层气压裂返排液的水量水质特征情况,通过调研和实测掌握了淮南矿区煤层气气田压裂返排液的水量变化情况。根据GB8978-1996《污水综合排放标准》中第一类污染物排放标准要求,采用实验室试验检测等方法,对返排液水质相应指标进行了化验分析。结果表明:返排液产生过程可划分为放喷期和排采期。其中放喷阶段返排液产生量较大,最大超过50 m^(3)/d;排采期返排液产生量将减小并趋于稳定,在30 m^(3)/d以下。返排液水质质量随时间推移逐渐提高,且现阶段返排液水质各项指标均满足GB8978-1996《污水综合排放标准》中第一类污染物排放标准。

基于分段Knothe时间函数的开采沉陷预计模型优化及应用

淮南矿区煤层埋深达800~1200 m,开采影响传播时间长,在使用原始分段Knothe时间函数模型预计该地区地表沉陷动态过程时,存在的不足为:预计的地表沉陷无启动阶段,下沉速度达到最大时对应的地表沉陷值并不等于最大下沉值的1/2,时间因素影响系数(c)以及地面点最大下沉速度对应的时刻(τ)无法实现自适应取值。通过理论研究以及资料分析,应用地表沉陷启动时间t_(0)以及修正模型对Knothe时间函数模型进行优化,并结合淮南矿区地质特征以及概率积分模型相关理论构建了c、τ求解模型,提出了适合淮南厚冲积层矿区的分段Knothe时间函数优化模型。以淮南某矿1613(3)工作面为例,采用所提优化Knothe时间函数模型、原始分段Knothe时间函数模型、分段Knothe时间函数模型分别进行了地表沉陷预测。结果表明:以地表点的实测值作为参考,所提出的优化模型在预计地表形变时,预计标准差为295.8 mm,总体精度较原始分段Knothe时间函数提高了49%,较分段Knothe时间函数提高了53%,证明了所提优化模型的优异性。

煤电基地CO_(2)和CH_(4)遥感监测及时空特征分析

【目的】CO_(2)和CH_(4)是煤电基地能源生产活动中的主要温室气体排放种类,其监测与时空分布是研究区碳监测体系建设的重要内容。【方法】以安徽淮南市为例,利用GOSAT、OCO-2和Sentinel-5P这3种卫星数据进行研究区CO_(2)和CH_(4)浓度监测,得到CO_(2)、CH_(4)柱浓度(XCO_(2)和XCH_(4))变化和分布情况,采用源清单法分析CO_(2)行业和区域排放特征,同时采用Pearson相关系数和多元回归方法分析影响研究区XCO_(2)和XCH_(4)浓度的主控因素。【结果和结论】结果表明:(1)基于GOSAT和OCO-2卫星融合数据分析显示,淮南市2016-2020年XCO_(2)和XCH_(4)浓度整体呈增长趋势,期间XCO_(2)浓度增加12×10^(-6)、XCH_(4)浓度增加23×10^(-9);XCO_(2)浓度和累计发电量的Pearson相关系数为0.98,XCH_(4)浓度和累计煤炭产量的Pearson相关系数为0.99,均呈极强相关。(2)利用Sentinel-5P卫星搭载的对流层观测仪(TROPOMI)高分辨产品数据分析淮南市各区域XCH_(4)浓度分布时空特征发现,研究区秋季XCH_(4)浓度高于夏季,XCH_(4)浓度受能源生产和农业生产两方面的影响。(3)源清单法得出淮南市一级源分类CO_(2)排放最多的为化石燃料固定燃烧源,占全市CO_(2)总排放量的89.59%,化石燃料固定燃烧源中电力供热占比99%以上;主要为淮南市潘集区和凤台县燃煤电厂CO_(2)排放;源识别显示集中分布在淮南市北部的火力发电厂为研究区CO_(2)最主要排放源。(4)影响研究区XCO_(2)浓度的主控因素为地区生产总值、累计发电量和第二产业产值,影响XCH_(4)浓度的主控因素为累计煤炭产量、第一产业产值、播种面积。研究结果对我国“双碳”目标下煤电基地碳监测体系构建与完善具有重要的参考意义。

东部高潜水位矿区离层注浆减沉可行性分析

潘谢矿区受多煤层重复采动影响,地面沉降等环境地质问题严重,开展离层注浆减沉技术研究,有利于释放煤炭资源,减轻地面沉降的危害,对高潜水位矿区的绿色低碳发展意义重大。以潘谢矿区8对生产矿井作为研究对象,结合煤矿水文地质、开采技术条件、采掘工程现状等情况,建立了特殊条件下的注浆工作面甄选原则。采用3DEC软件对某矿1616(3)工作面13-1煤回采结束后未注浆和不同注采比情况下的注浆效果进行预测,最终作出特殊条件下淮南矿区离层注浆减沉的可行性分析。结果表明:①研究区内110个工作面甄选结果显示有6个工作面符合注浆条件,离层注浆技术在潘谢矿区可行;②模型预测结果显示:沉降曲线于中心对称,地表下沉量最大值位于采空区中部;随着工作面推进,地表下沉量增大,且沉降曲线极大值的位置向工作面推进方向移动;③当注采比大于60%时,地表最大沉降量从2000 mm减小到400 mm以下,减小了80%以上,表明注浆可有效缓解地表沉降。

厚层坚硬顶板综采工作面矿压显现规律研究

基于目前国内外对厚硬砂岩顶板(厚度在30.0~50.0 m)破断规律研究不足的问题,提出采用FLAC^(3D)软件,基于淮南某煤矿采煤工作面的基础地质与岩性数据,建立煤层数值模拟模型,分析厚层坚硬顶板综采工作面顶板初次和周期应力分布规律。首先介绍了综采面厚硬顶板初次和周期来压步距计算模型,然后采用FLAC^(3D)软件建立了煤层模型,最后采用该模型从工作面顶板初次、周期以及采场围岩应力场3个角度对厚硬顶板综采工作面矿压进行数值模拟。模拟计算结果表明:随着采煤工作的开展,工作面增加相同距离时,煤壁前方支承压力峰值的变化量呈现减小的趋势,逐渐趋于平缓;覆岩支承压力峰值随着层位的增加而降低;工作面顶板初次垮落步距为60~65 m,老顶周期断裂步距为25~30 m,为工程设计提供参考。

厚冲积层矿区地表移动持续时间预测方法研究

地表移动持续时间是地表沉陷稳定的关键指标,精确预计该时间对于地表及地面设施的稳定性评估至关重要。由于厚冲积层的特殊性及现有方法考虑影响因素有限,导致现有方法在厚冲积层矿区预测误差偏大。针对这一问题,综合考虑了采深、采厚、冲积层厚度和推进速度等地表移动时间影响因素,基于淮南潘谢新区15个工作面的实测数据,分析了各影响因素与地表移动持续时间的关系,建立了厚冲积层矿区地表移动持续时间新计算模型,分析了计算模型精度,并利用SBAS-InSAR技术进行了实测验证。研究结果表明:地表移动持续时间与采厚、采深呈正相关,与推进速度、冲积层厚度呈负相关;分别利用参与和未参与建模的数据进行计算,得到新模型的精度提高了86%和44%;新建模型计算结果与Sentinel-1数据解算结果的相对误差最低为7.2%,再次证实了该计算方法的正确性。对比传统经验公式,新建公式适用性更强,精度更高,可为厚冲积层矿区地基稳定性评价等相关工作提供技术支撑。

皖北地区农业固废氮磷养分估算及肥料化利用潜力

【目的】皖北地区是安徽省重要粮食产区,评估区域农业固废肥料化利用潜力,可为秸秆和畜禽粪污养分合理利用和优化施肥结构提供数据支撑,对区域化肥减量增效、循环绿色农业建设具有推动作用。【方法】估算区县农作物氮磷需求量、秸秆还田氮磷供给量、畜禽粪污氮磷供给量,探讨3种粪污利用情景下氮磷损失率、区县氮磷供需关系以及各市施肥结构现状。【结果】农作物氮(N)磷(P_(2)O_(5))养分需求量分别为80.26×10^(4)和13.35×10^(4) t,秸秆还田氮磷养分供给量分别为7.78×10^(4)和1.02×10^(4) t,畜禽粪污氮磷养分供给量分别为13.61×10^(4)和3.06×10^(4) t。在固体粪便商业堆肥,家畜尿液沼气化处理情景下氮磷养分损耗最低,损失率分别为20.1%和10.3%。区县畜禽粪污氮磷供给量大都占需求量10%~20%和15%~30%,秸秆还田氮磷供给量大都介于7%~12%和7%~9%。各市化肥施用量约为153.23×10^(4) t,折算成氮磷肥总量分别为70.94×10^(4)和40.69×10^(4) t,蚌埠和淮南养分供给量大于需求量,宿州和亳州供小于需,阜阳和淮北供需基本持平。【结论】仅使用秸秆和粪污还田不能满足农作物对氮磷养分的需求,相较之下更依赖化肥对养分的补给,且氮养分需求程度大于磷,各地区应增加秸秆和粪污肥料化利用量,降低化肥施用量,可采用化肥配施有机肥的方式,继续推行化肥减量增效措施。

高潜水位采煤沉陷区水质评价与污染因子识别

淮南矿区潜水位高,采煤沉陷区范围广、面积大、水质监测数据缺失,水环境问题较突出,开展大尺度的沉陷区水质评价及污染因子识别,对于区域水环境治理工作意义重大。通过采集、测试研究区175个样点的水样,采用内梅罗污染指数法对沉陷区水域进行水质评价,采用综合营养状态指数法进行水体富营养化状态评价。结果表明:(1)开放型沉陷区Cu、As和Cr的水质评价等级为优良,DO、COD、NH_(3)-N、Hg、F^(-)评价等级为良好,TN、TP评价等级为较好。封闭型沉陷区,对标地表水Ⅲ类标准,Cu、Cr水质评价等级为优良,NH_(3)-N、Hg、As、DO为良好,COD、TN为较好,TP、F^(-)为较差;对标地表水Ⅴ类标准,NH_(3)-N、Hg、As、Cu、Cr的评价等级为优良,DO、COD、TP、TN为良好,F^(-)为较好。(2)研究区综合营养指数范围为40~90,平均68.61,属于中度富营养,沉陷区水体营养水平适中。175个水样中,轻度富营养占比8.57%,中度富营养占比51.43%,中营养占比2.29%,重度富营养占比37.71%。(3)对标《地表水环境质量标准》,常规指标中DO、NH_(3)-N超过Ⅴ类占比极小,而COD、TP、TN超过Ⅴ类占比较大;研究区所有水域均无重金属超标现象,测试结果极佳;无机阴离子指标F^(-)超过Ⅴ类占比较大。开放型沉陷区水域水质状况整体优于封闭型。对于开放型水域,张集、潘一沉陷区TP、F^(-)指标均较差;对于封闭型水域,潘一、潘三、顾桥、顾北、张集沉陷区TP指标较差,F^(-)污染分布呈现地域特征,淮河以北普遍较差,淮河以南普遍优良。所有水域的Cr、Cu、Hg、As、NH_(3)-N、TN、COD、DO指标均处于“优良-较好”区间内;开放型水域的F^(-)、TP指标均处于“优良-较好”区间内;封闭型水域中潘集片区F^(-)和凤台颍上片区TP均处于“较差”区间内;区域污染程度表现为凤台颍上片区>潘集片区>老矿区。(4)从保护煤矿区生态环境的角度出发,综合考虑2种污染因子识别方法的特性,最终确定淮南矿区采煤沉陷区污染因子有COD、TP、TN和F^(-)。本次水质评价工作识别了淮南采煤沉陷区污染因子,为地方政府和企业制定生态环保决策提供重要数据支撑。

基于QZSS信息增强的GNSS精密单点定位性能分析

目前研究多集中在准天顶卫星系统(QZSS)播发的定位导航和授时(PNT)信息的定位表现,而对其播发的增强信息的精密单点定位(PPP)研究较少,因此文章对比评估了QZSS播发的PNT信息与增强信息的PPP表现。分别选择以上两种信息进行静态PPP和动态PPP,采用QZSS PNT信息与QZSS增强信息分别和全球导航卫星系统(GNSS)数据组合进行PPP解算,评估指标选取定位精度和收敛时间。结果表明:使用QZSS PNT信息,组合后静态PPP定位精度小于4.50 cm,收敛时间小于92.00 min,动态PPP定位精度小于5.40 cm,收敛时间小于290.00 min。使用QZSS增强信息,静态PPP定位精度小于2.00 cm,收敛时间小于61.00 min;动态PPP定位精度小于6.50 cm,收敛时间小于162.00 min。与PNT信息相比,使用QZSS增强信息进行PPP定位的收敛时间要至少缩短三分之一,定位精度在静态PPP模式下提高约一倍,在动态PPP模式下略微下降,总体精密定位表现更佳。

iGMAS BDS-3观测数据质量建模与应用

针对目前已有全球导航卫星系统(GNSS)数据质量分析软件模型中存在的可视化和批处理问题,提出了利用公式翻译器(Fortran)语言开发一款全球连续监测评估系统(iGMAS)多GNSS数据质量分析软件(MGQA)。该软件拥有可视化操作界面和批处理功能,可对多GNSS卫星信号数据从数据完整率、信噪比、多路径效应误差、电离层延迟变化率、周跳五个方面进行质量分析。采用该软件和GNSS数据预处理软件(TEQC)分别对全球定位系统(GPS)卫星观测数据质量进行评价,以TEQC的GPS数据质量分析结果为准确值,对比MGQA与TEQC软件质量分析结果,数据完整率中误差为0.27、信噪比中误差为0.85 dB、多路径效应误差中误差为0.046 m、电离层延迟变化率中误差为0.01 m/min、周跳中误差为1.67,二者结果具有高度一致性,验证了MGQA软件的有效性。基于iGMAS跟踪站观测数据,利用该软件对iGMAS各跟踪站接收BDS-3卫星信号的能力进行评价。结果表明:GNSS-GGR接收机在数据完整率方面表现的不如UB4B0-13478、CETC-54-GMR-4016以及CETC-54-GMR-4011接收机,CETC-54-GMR-4016接收机抗多路径能力较差,UB4B0-13478接收机削弱电离层延迟能力较差,GNSS-GGR接收机与CETC-54-GMR-4011接收机易发生周跳,且4种类型接收机对BDS-3卫星B2a频点信号的接收能力要强于B1C频点。

矿山开采损害InSAR/UAV融合监测关键技术及应用

煤炭开采引起的地质环境损害问题已成为关注和研究的焦点;尤其西部矿区以大规模、高强度开采主,引起的岩层及地表移动也呈现出变形速度快、损害程度深、波及范围广的特点,对其进行快速、准确、全面地监测是矿区生态环境保护、绿色矿山建设的关键。传统的地表移动观测方法和单一测量技术均难以满足需求;无人机(UAV)摄影测量与合成孔径雷达干涉(InSAR)优势互补,二者融合在地质环境损害监测方面具有优势,提出了融合UAV/InSAR监测矿山开采损害的关键理论、技术和方法。重点论述了UAV/InSAR融合新型多尺度观测站建立模式和二者协同观测方法;探讨了UAV/InSAR跨尺度异质遥感数据融合策略;提出了基于UAV/InSAR特征级融合的地表沉陷变形及关键环境因素精确提取的思路和方法;并以内蒙古王家塔煤矿为例进行了应用研究,首先采用UAV摄影测量和InSAR技术建立了工作面尺度“点-线-面”结合新模式观测站,同时获得研究区域的UAV光学影像、InSAR影像和主断面关键点水准数据;利用UAV/InSAR的特征级融合方法提取了矿区沉陷盆地,并利用UAV沉陷盆地和融合沉陷盆地分别进行求参。研究结果表明:UAV监测的最大下沉值为2487 mm,中误差为81 mm,UAV测量误差对于沉陷盆地边界影响较大,导致无法精确获取盆地边界区域;InSAR监测的最大下沉为110 mm,远小于实际,InSAR受时空失相干影响,无法准确获取大变形区域沉降;通过InSAR/UAV特征级融合,得到了整体和边界区域精度更高融合下沉盆。在求参方面,单独UAV数据求取的下沉系数与水准结果的相对误差为1.4%,主要影响角正切偏差较大,约20%,主要为UAV下沉盆地边界误差较大所致。与单独UAV求参相比,融合下沉盆地数据求出的参数更准确,主要影响角正切的相对误差仅为5%,融合数据很好解决了单一UAV反演tanβ误差偏大的问题。该工程案例表明了UAV/InSAR融合技术在西部矿区地表沉陷变形监测中具有显著的优势,可为西部煤矿开采地表损害监测提供技术支撑。

大采高综采工作面覆岩破坏机理及显压规律分析

为了探究大采高综采工作面覆岩破坏机理及矿井显压规律,以淮南矿区谢桥煤矿1242(3)工作面(5.1 m平均采高)为研究对象,采用数值模拟分析和现场实测等方法开展研究。通过对比分析,验证工作面不同推进距离条件下工作面覆岩破坏高度、破坏程度、预测支撑阻力、矿井来压位置及来压步距,定量地表示了大采高综采工作面覆岩破坏机理及矿井显压规律。研究结果表明,在工作面推进10 m、40 m及150m处分别有直接顶初次来压、基本顶初次来压和充分采动体现,且在向前推进至100 m前、100~150 m、超过150 m时,覆岩顶板破坏高度趋势分别为增加迅速、增加变缓、破坏程度基本不变,并推算最大支撑阻力不超过16000 kN/架,且要控制开采速度将矿压显现甩向采空区。工作面推进中,工作面煤壁前方始终存在应力集中现象,顶板和底板始终出现应力降低现象,当工作面推进90~100 m,具有顶板应力降低区域单峰状向双峰状及多峰状趋势发展,并预测了来压位置、来压步距及超前支承压力影响范围。现场实测数据与模拟来压位置、模拟来压步距及模拟液压支架阻力比较,模拟效果较为贴合。

基于UAV-LiDAR点云的地表三维形变同步提取方法研究

针对地表沉陷是时空同步的三维移动过程,而常规监测处理是将下沉和水平移动分开提取,该方法在带来误差的同时也无法反映变形的同步性.本文在无人机光探测与测距(UAV-LiDAR)点云的基础上,提出一种刚体点云变换的方法来同步提取地表三维移动变形,主要步骤为:对LiDAR点云进行连通域分割得到地面特征点云;以地面特征点云为刚体,联合快速点特征直方图(FPFH)和迭代最近点算法(ICP)对其配准并从变换矩阵中提取地表三维移动;采用多尺度模型到模型的点云比对(M3C2)算法改正配准误差,以鄂尔多斯王家塔煤矿为例进行应用并评定精度.试验结果表明:地表最大下沉为2.723 m,X和Y方向的最大水平移动量分别为0.65和0.75 m;地表三维形变内部符合精度为57 mm,而M3C2算法对形变误差改正后的精度为41 mm,精度提高了28%.对比实时动态载波相位差分(RTK-GPS)实测形变值,X,Y和Z方向的形变中误差分别为56,83和36 mm,验证了基于点云分割配准提取三维形变是可行的.