深部矿井覆岩沉积环境–力学特性及冲击地压风险判识

【目的】灾害风险判识和预测是控制和治理灾害的前提,工程地质环境是冲击地压等矿井动力灾害最基本的孕灾条件,其沉积成因机制研究对冲击地压风险预测具有重要意义。【方法】以陕西彬长矿区高家堡煤矿为研究对象,分析不同沉积微相下岩体工程地质特性,探究不同沉积环境岩石变形破坏特征及岩体能量释放规律。【结果和结论】结果表明:沉积环境的差异导致岩石岩性和微观结构的差异,岩石加载破坏中能量演化过程大致分为3个阶段,分别为:能量耗散波动阶段、能量耗散平稳阶段、能量耗散阶段。沉积微相的差异导致岩石在能量耗散阶段能量占比变化具有显著差异,河道沉积的细砂岩、中砂岩以及心滩沉积的粗砂岩岩石破坏时能量占比变化较高,在27%以上,而泛滥平原沉积的泥岩岩石破坏时能量占比变化较小,为14%。在此基础上,以沉积微相、煤层厚度、煤层埋藏深度、顶板岩层厚度特征参数、顶板坚硬岩层厚度及其与煤层的间距、岩体质量评估参数、地质构造容量维、侧压系数和弹性能等工程地质环境因素,采用机器学习算法,构建冲击地压风险非线性判识模型。采用BP神经网络、支持向量机(SVM)、决策树(DT)和袋装树(Bag-ging)等4种机器学习算法进行了对比,各机器学习算法准确率,宏F1分数以及ROC曲线下面积AUC值均在0.7以上,表明各模型准确度高且稳定性较好。其中,Bagging模型性能最优,表明采用工程地质环境因素能够准确、有效地进行冲击地压风险判识和预测,能够为相似地质条件和开采条件的矿井冲击地压危险性评价提供借鉴,为煤矿防冲卸压设计提供指导和依据。

特厚煤层工作面煤厚变化电磁波透视响应特征

目的为掌握煤厚变化对特厚煤层工作面电磁波透视探测的影响,以准确圈定地质异常区,保障工作面安全高效生产。方法根据煤层工作面地质条件,利用三维仿真软件,对煤厚变化进行了电磁波透视数值模拟,并结合工作面探查实例进行了分析。结果0~20m煤厚范围,随煤厚减小,电磁波透视场强值呈抛物线下降趋势,可分为缓慢降低(煤厚≥9m)、明显降低(9m>煤厚≥5m)和快速降低(煤厚<5m)3个范围。煤厚10m以上的工作面适合于依据相对煤层变薄程度和变薄区煤厚来分析透视电磁波响应:变薄程度>1/3正常煤厚且煤厚<8m的薄煤区有明显响应,变薄区煤厚越小,透视电磁波场强降低越显著。煤厚10m以下的工作面,可以仅依据相对煤层变薄程度分析透视电磁波响应:变薄程度>1/4正常煤厚的薄煤区有明显响应,变薄程度越大,透视电磁波场强降低越显著。陕西金源招贤矿业有限公司特厚煤层1304工作面探测实例表明:正常煤厚变化及薄煤区的电磁波响应特征与数值模拟结果一致;工作面物探圈定的落差1m以上断层及薄煤区范围,与实际揭露范围相吻合。结论利用煤厚变化电磁波响应特征能够可靠地探查特厚煤层工作面地质异常区范围。

动水条件下煤岩单轴蠕变试验监测装置研制

开展动水作用条件下的煤岩单轴蠕变试验,对于研究蠕变特征和裂隙煤岩损伤劣化机制具有重要意义。该文研制了一套动水条件下煤岩单轴蠕变试验监测装置,装置由伺服加载系统、动水控制系统、数据采集系统组成。该装置配备了水流速度控制系统,实现了在载荷恒定条件下使用不同速度的水流对煤岩进行冲刷,且满足蠕变试验的长时加载需求,具有性能稳定、操作便捷、造价低廉等优点,能够为动水条件下煤岩蠕变试验提供参考。

基于PSO-Kriging算法的三维地质建模技术研究

三维地质模型的构建对于理解和预测地下结构至关重要。地质钻孔数据能够反映岩体空间分布和地质构造特征,本研究以小保当一号煤矿11盘区内的23个地质钻孔数据为基础,采用添加虚拟地层的方法解决了地层缺失与地层重复现象,构建共计27层地层的三维地质模型以及二维剖面模型。此外,针对传统的克里金方法在处理复杂地质数据参数选择困难的问题,采用粒子群算法对传统克里金插值方法中的块金值(C 0)、偏基台值(C)和变程(a)三个关键参数进行寻优,从而克服普通克里金插值参数选择的主观性和不确定性,采用实际验证法选取了研究区内四个钻孔来对比插值结果,结果表明经过PSO优化的Kriging算法在X3-1、X3-2、K3-4、K3-5四个钻孔的RMSE值分别降低至1.184、1.267、1.606、1.560,相比于Kriging的RMSE平均降低了31%,且PSO-Kriging算法在四个钻孔处对2-2煤层的插值结果与实际值相比较误差分别为1.00 m、0.01 m、0.11 m和0.03 m,比Kriging插值结果更接近实际值,表明了所提方法的有效性和优越性。

探地雷达在华阳一矿隐伏断层构造探测中的应用

断层构造破坏煤系地层、降低煤炭资源储量,采煤工作面通过断层,增加采煤成本,带来突水、瓦斯积聚风险,有必要在采煤工作面开展隐伏断层构造探测。目前,采煤工作面的主要物探方法有地震波法和电磁法两类,作为精细地质勘探方法,探地雷达技术可以在隐伏断层构造探测中发挥重要作用。本文针对华阳一矿地质特点分析了断层类型及其成因,采用有限时域差分法模拟了不同走向断层构造的探地雷达探测数据,分析了不同构造的数据特征,提出了基于电磁波反射路径的断层走向推断方法。通过100 MHz探地雷达对矿区内隐伏断层构造进行了探测,探测结果表明:通过结合目标反射波振幅、层位变化等信息,可以估计断层构造在回采区内的走向和范围,结合已揭露的倾角、落差等信息,为预先调整回采工作面提供依据。

复杂地质体三维数值模型构建研究

对于复杂地质体三维数值模型构建困难的问题,基于AutoCAD、SURPAC、ANSYS、FLAC^(3D)等软件进行了建模。首先利用工程地形地质图,在AutoCAD中进行地形等高线处理,以获得地表等高线;其次,利用钻孔柱状图等原始资料通过SURPAC构建钻孔模型,生成不同岩层数字地面模型(DTM),同时利用地表等高线生成地表DTM;再次,建立有规律的钻孔网格点模型,利用钻孔与DTM相交获得相交网格点坐标,在ANSYS中导入网格点坐标,建立有限元网格模型;最后通过接口程序将其导入FLAC^(3D),建立了三维数值模型。以山西朔州某煤矿为工程实例,利用该方法构建三维数值模型,并对其进行了煤层开采后地表位移数值模拟,为复杂地质体三维数值模型的构建提供了借鉴。

深部含煤地层多学科地球物理勘察研究

大部分煤矿在未揭露和半揭露的煤系地层中勘探开发,导致大量未揭露的含煤地层被掩盖。与昂贵的钻探作业相比,地球物理方法可以更高效、更经济地发现隐伏含煤地层等深部目标。通过综合地球物理勘探方法探测寺河矿区地区的含煤地层,使用大尺度大地电磁(MT)描述地质构造及其剖面,利用航磁测量圈定寺河矿区含煤远景构造单元向斜的空间展布特征。通过可控源音频大地电磁法(CSAMT)和大地电磁法(MT)的局部勘探,揭示了含煤目标可供钻探,钻探结果验证了综合地球物理方法所识别的目标。实例研究表明,多学科地球物理策略能够为深部煤层资源勘探提供可靠的结果和可信的数据解释。

增稠剂对膏体充填料浆流动特性的影响及其工程应用

充填采矿法因其具有大量处置固体废弃物、控制地表沉陷、管理地压等优势广泛应用于地下矿山开采。充填料浆的流动性不仅影响其管道输送,也与充填料浆在空区内的自立性和封堵漏风性能密切相关。本文利用坍落度和稠度测试研究了增稠剂含量和浓度变化对充填料浆流动性的影响,进而分析了增稠充填料浆的自立和防堵漏风性能。在此基础上,开展了增稠膏体充填隅角的工业试验,评估了增稠膏体充填效果。结果表明:20万分子量的羟丙基甲基纤维素(20万HPMC)增稠剂可在10 s内快速溶解,满足连续充填作业的需求。随着20万HPMC含量增加,充填料浆的坍落度和稠度均呈二次多项式函数递减的变化趋势。当增稠剂含量一定,略微提高充填料浆的浓度将显著降低其流动性,改善其在采空区内部的自立能力。依据试验结果,考虑充填料浆在采空区内的自立性和封堵漏风功能,充填料浆的浓度为78%,20万HPMC含量为总固体质量的1‰效果更佳。工业试验结果证实了推荐的配比参数制备的充填料浆在隅角处满足自立性和封堵漏风的要求,隅角充填后CH4和CO浓度减少。研究结果可为充填料浆的增稠和充填技术应用提供参考依据。

工作面内地质异常无线电磁波透视规律研究

为了掌握煤(岩)层及地质异常体对电磁波透视的影响规律,采用三维数值模拟方法,研究全空间条件下环形天线发射电磁波在煤(岩)层中传播时,遇到不同地质异常体(断层、陷落柱)时的传播特征。结果表明:异常体充填空气较多时,电磁波损耗小,磁场强度等值线外凸;若异常体充填水较多时,电磁波能量损耗较大,曲线内凹;充填其他介质时,电磁波损耗介于两者之间,可通过实测场强曲线、等值线变化,判断异常区电性特征。异常体形态和规模不同,磁场强度分布也不相同;异常区为圆形或似圆形时,磁场强度在异常体内产生畸变,远离异常体后逐渐恢复正常分布,识别较为困难;故异常体直径越小,离接收点越远,识别越困难;当异常区为条状断层分布时,断层走向与巷道交角越小,受影响的测点较多,识别较容易;若断层走向与巷道交角变大,受影响的测点变少,则识别较困难,据此可大致判断断层走向。正常情况下,场强曲线呈左右对称的抛物线形态,中间大、两侧递减;异常体所处位置、形态及充填物质不同,曲线形态亦不相同;当异常体规模较大时,曲线呈对称或不对称的“M”形。因此,在数据处理初期,由于场强曲线获取较快,可以通过识别曲线形态初步定性判别异常体的某些特性,但无法准确定位射线上不同区段的异常特征,可进一步结合层析成像分析,得到正确合理的认识。

煤层稳定程度评价指标探讨

通过对比研究教科书、行业标准、规范性文件中煤层稳定程度的评价指标,结合山西省某矿15号煤层稳定性评定实例,指出当前煤层稳定程度评价指标存在的缺陷——在评定一个较大井田范围内的中厚-厚煤层的稳定程度时经常因煤层结构类型复杂、煤类多两个原因导致煤层稳定程度出现不必要的“降级”。针对2024年3月1日起执行的《煤矿地质工作细则》第12条提出了改进意见,为煤炭行业主管部门优化改进煤层稳定程度评价指标提供参考。

承压破碎煤体应变和孔渗演化机制与模型研究

采空区垮落带遗煤区域作为煤、氧低温反应的主要场所,其应变、孔隙率和渗透率演化模型的研究对深入认识煤自燃发展过程与规律有重要意义。基于团队自主研发的承压破碎煤体气体渗流实验装置,开展了单一粒径与混合粒径煤体承压渗流过程应变、孔隙率和渗透率演化规律研究。对不同粒径下的应变、孔隙率和渗透率随应力变化情况进行分析,结果显示:相关变化过程可以分为2个阶段,即轴向应力≤6MPa时的线性变化阶段与>6MPa时的指数函数变化阶段,初步表明破碎煤体的变形、孔隙率和渗透率的变化机制一致、同粒径无关,轴向应力=6MPa时的状态属于关键节点状态,其对应的应变、孔隙率和渗透率分别承接着各自上下2种不同的变化机制;轴向应力≤6MPa和>6MPa条件下三者变化的主要原因分别是颗粒的压缩作用和滑移填充作用;轴向应力=6MPa时不同粒径破碎煤体承压过程中的应变、孔隙率和渗透率分别同各自的应变、孔隙率、渗透率变化路径有一一映射关系,据此建立了相应的应力-应变、应力-孔隙率和应力-渗透率关系的模型;模型对比、验证结果表明,所建模型虽源于多种粒径破碎煤体实验,但摆脱了粒径因素的影响,同实验结果有着良好的匹配性,达到了较为理想的效果。相关研究成果可为采空区煤自燃早期预防与控制提供科学依据。

煤单轴压缩介电常数与电磁辐射同步响应实验研究

为了研究单轴加载条件下,煤在不同变形和破坏阶段的相对介电常数与电磁辐射的响应规律,建立了针对单轴压缩煤的裂纹、电性参数和电磁辐射的同步监测系统,分别测试了不同煤种在垂直层理方向上单轴载荷过程中相对介电常数和电磁辐射脉冲数随时间的变化特征,研究其变化规律。研究结果表明:微裂隙压密阶段,随着煤孔隙和裂隙的闭合,电磁辐射脉冲数增加,相对介电常数有一定程度的波动;弹性变形阶段,电磁辐射脉冲数和相对介电常数变化减小,相对介电常数变化曲线接近线性;在裂隙发生和扩展阶段,与前一阶段相比,电磁辐射脉冲数有所增加,相对介电常数有一定的波动,呈现先减小后增大的趋势;在裂隙不稳定发展直至破裂阶段,电磁辐射脉冲数出现峰值,相对介电常数变化波动明显,在应力峰值之前呈现先增大后减小再增大的趋势。通过对相对介电常数和电磁辐射脉冲数的同步对比分析得出,电磁辐射脉冲数增长一般出现在相对介电常数变化较大的区域。

构造复杂矿区断层带砂岩微观结构与分形特征研究

本研究通过对地质构造复杂的澄合矿区百良旭升煤矿近断层砂岩的微观结构和分形特征进行分析,旨在深入了解砂岩的分布结构特征、基本物性以及孔隙结构的特点。通过物理性质测试仪器对构造区砂岩的密度、孔隙度、渗透率等基本物性进行了测定,采用核磁共振(NMR)技术对砂岩的孔径分布进行了分析,并利用扫描电子显微镜(SEM)技术分析得出了构造区砂岩的面孔率和分形维数的定量结果。结果显示,构造区砂岩的孔隙半径尺寸主要集中在小于0.1μm的范围内,大多数属于微孔类型;砂岩越靠近断层,呈现出面孔率越大的趋势;同时构造区砂岩的分形维数结果呈现很好的线性关系,具有一定的分形特征,且分形维数较大,孔隙分布不均匀,结构形态较复杂。

水/CO_(2)对平直节理砂岩剪切力学特性的影响

【目的】注水和CO_(2)会改变平直节理岩石的剪切特性,从而直接影响封存地层的稳定性。探究注水和注CO_(2)对节理岩体剪切特性的影响规律。【方法】对平直节理砂岩进行干燥、注水和注CO_(2)三种试验条件下的剪切试验,分析剪切强度随法向应力、注入流体类型和注入流体压力的变化规律。【结果】试验结果表明:平直节理砂岩在干燥、注水和注CO_(2)三种试验条件下的剪切应力-剪切位移曲线都属于滑动破坏型曲线;注水/CO_(2)会弱化平直节理岩石剪切强度,且水的弱化作用强于CO_(2);提出了平直节理岩石剪切强度与法向应力、注入流体类型和流体注入压力之间的经验公式,试验数据与理论数据的平均误差为5.69%.【结论】研究结果对预测砂岩在注入水/CO_(2)后的剪切强度以及优化施工方案和提高施工安全性具有重要意义。

强冲击地压矿井煤层顶板覆岩结构研究——以孟村煤矿为例

矿井工作面上覆坚硬厚层顶板对冲击地压的产生具有重要影响,顶板坚硬厚层砂岩通常因沉积相的变化在横向和纵向上呈现出厚度、顶底板起伏和岩石力学性质等方面的变化。陕西彬长矿区孟村煤矿地质条件复杂,主采煤层顶板发育多层厚砂岩,矿井长期受冲击地压灾害威胁。为准确掌握工作面顶板坚硬厚层砂体层位及展布状态等信息,对其进行压裂弱化,保障矿井安全高效开采,基于孟村煤矿工程地质条件,通过井下工作面巷道顶板钻孔取心编录和钻孔电视测井方法,进行工作面顶板覆岩结构探查,对顶板主要砂体采样,进行岩石学、沉积相和岩石物理力学性质等特征分析,得到如下主要成果:①孟村煤矿401103工作面顶板100m内可对比划分出5层连续的砂体,工作面沉积微相变化导致各砂体厚度和顶底板标高不稳定;②401103工作面顶板延安组二段、直罗组、安定组底部均为河流相沉积,河流微相中的天然堤相细粒砂岩和粉砂岩的岩石力学强度相对最大,随着岩石粒径的逐渐增大,边滩相和河床滞留相中、粗粒砂岩的强度相对降低。不同沉积环境同一粒级砂岩的岩石力学强度因石英含量增高、硅质胶结物含量增高、颗粒支撑结构等因素而增大;③井田现今构造应力和顶板坚硬厚层砂岩等是矿井冲击地压灾害的主要诱因,对上覆高位坚硬厚层砂体进行区域水力致裂弱化,可显著降低矿井冲击地压风险。

随采随探透明地质保障系统的应用——以张集煤矿1615A工作面回采为例

对于国内大部分地质条件较复杂的矿井而言,普遍面临煤炭生产效率低的问题。受井下环境限制,回采工作面前方地质探测预报精度与智能开采的要求存在差距,地质条件探测不到位、缺乏合适的地质信息表达平台阻碍了无人化乃至智能化技术的推广。地质信息透明化是实现煤炭智能化开采的基础,综合利用包括地面、井下、孔中等探测手段,结合掘进地质信息,超前查明回采工作面前方的构造、煤层变化及其他地质异常体,实现回采工作面地质透明化。随着张集煤矿智能化矿山的建设推进,把信息技术充分运用在生产施工过程中已成趋势,1615A作为试点工作面,实现回采工作面地质构造的动态探测、底板破坏深度探查、煤层局部应力变化情况预测,并通过基于三维地质模型进行成果展示和动态更新,为矿井高产高效提供决策手段,打造本质安全型矿井提供可靠地质保障。因此,在张集煤矿1615A工作面开展随采地震实时动态监测技术研究,不仅可以强化地质保障及地测信息化系统建设,也可有效保障回采生产安全,还可以为煤矿智能化建设提供借鉴与经验。

基于ArcGIS的三维地质模型自动构建方法

为提高三维地质模型精度,引进ArcGIS技术,设计一种针对三维地质模型的自动化构建方法。以ArcGIS为基础,利用ArcGIS Engine系统,结合C#开发环境,提取三维地质空间点;利用ArcGIS中的对象模型,构建非直接GIS数据模型;为了更加贴近真实的三维模型,利用ArcGIS类库中的IGeometryMaterial,设计属性数据聚合与地质结构纹理映射;考虑属性数据在空间上的分布变化,设计地质数据插值处理;引进变差函数,计算处理后数据的偏差值,将数据录入ArcGIS平台,自动生成三维地层模型。对比实验结果证明:该方法可以提高三维地质模型的精度,使三维地质模型剖面随机点与地质实景的匹配度处于一个较高水平。

厚层坚硬岩浆岩下采空区注浆充填试验研究

针对煤层开采形成的厚层坚硬岩浆岩大面积悬顶问题,以海孜煤矿局部岩浆岩侵入体为研究对象,分析了地表岩移和岩浆岩体下离层的发育特征,开展了井下采空区注浆填充试验工作。研究成果表明,海孜煤矿二采区工作面回采后,实测的地表最大沉降量仅为487 mm,远低于无岩浆岩发育区的采动造成的地表沉降量;岩浆岩体未破断,采空区和岩浆岩体之间存在离层空间;通过对垮落带、裂隙带和离层带实施地面钻孔注浆,构建了人工柱体,消除了因厚层坚硬岩浆岩体的大面积悬顶形成的高应力集中现象。

基于灰色关联-BP神经网络的矿井小构造预测

为了对矿井小构造参数进行预测,利用灰色关联度分析按关联度大小对各介质参数进行排序,选取断层密度、断层分维值和断层强度指数关联度高的介质参数作为主控因素。结果表明,断层密度的分布不稳定,断层强度和断层分维值高值区的分布相对集中,同时也反映了落差大、延伸长、密度大、断层穿插复杂的区域,构造活动强度大,其形成的断层参数值也相应较大。

工作面不同采宽与微震监测时空分布规律研究

采用KJ1073微震监测系统对新集二矿220102工作面不同采宽变化下顶底板围岩活动和底板破坏发育情况进行监测,分析了微震事件分布范围、发育情况及空间展布特征。结果表明,微震事件主要分布在开采活动范围内,影响范围为距离机巷90~180 m,底板事件破坏深度为煤底18.11~36.64 m,最深36.64 m,位于宽面,采宽比1.59,微震事件日均频次比1.40,底板最大扰动深度比1.38,说明了底板破坏深度受采宽影响,且正相关。研究结果可为工作面采宽优化和底板破坏规律研究提供一定参考。