基于3Dmine的矿山防治水分析应用模型建立与研究

矿山三维建模是建设数字矿山的重要手段,文章通过3Dmine矿业工程软件创建了莱新铁矿防治水分析应用模型。在收集矿山地质勘察、巷道、钻孔、涌水量等资料的基础上,进行了数字化工作并建立相关数据库,从而构建了矿山三维地质模型、矿体模型、巷道模型及钻孔涌水模型4个部分,并利用涌水来衡量模型的合理性。模型实现了真实直观的井下近矿体帷幕工程三维可视效果,将有利于矿床水文地质条件分析、防治水工程的设计与研究以及工程稳定性评价等工作。

Overburden fracture evolution laws and water-controlling technologies in mining very thick coal seam under water-rich roof

Considering the danger of water inrush in mining very thick coal seam under water-rich roof in Majialiang Coal Mine,the universal discrete element(UDEC)software was used to simulate the overburden fracture evolution laws when mining 4#coal seam.Besides,this study researched on the influence of face advancing length,speed and mining height on the height of the water flowing fractured zones(HWFFZ),and analyzed the correlation of face advancing length and change rules of aquifer water levels and goaf water inflow.Based on those mentioned above,this research proposed the following water-controlling technologies:draining the roof water before mining,draining goaf water,reasonable advancing speed and mining thickness.These water-controlling technologies were successfully used in the feld,thus ensured safely mining the very thick coal seam under water-rich roof.

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。

考虑采动效应的闭坑矿井水硫酸盐污染规律

高硫煤矿闭坑后成为埋藏在地表以下深部的产酸污染场,对相邻含水层和周边环境造成了潜在危害,且因采动效应影响和矿井空间分布复杂导致相邻含水层的污染过程与污染程度评价困难。以某闭坑矿区为研究对象,选取SO_(4)^(2-)作为特征污染物,考虑多煤层采动裂隙对含水层结构的破坏影响,运用数值模拟技术对闭坑矿区酸性矿井水中SO_(4)^(2-)污染迁移特征进行研究,并分析流体扩散系数对含水层污染物运移的影响。结果表明:SO_(4)^(2-)在二叠系童子岩组砂岩含水层中水平迁移面积随时间增大而增大,增大速率逐渐减小,垂向渗透系数扩大10倍,空间变异性增强;闭坑5、10、15a后,最大水平迁移距离分别为215、414、612m,最大垂向迁移距离分别达到50、65、70m;而扩散系数越大,产酸时间越长,SO_(4)^(2-)迁移距离和污染范围将随之增大,相较于水平方向,垂向上SO_(4)^(2-)浓度变化对扩散系数的敏感度更高。基于模拟结果,结合闭坑矿区实际条件,针对性提出了“源头减量-过程阻断-末端治理”的综合防控与治理方案。研究结果将为该闭坑煤矿酸性矿井水污染治理与防控提供理论基础,也为其他同类矿井提供科学借鉴。

内蒙古母杜柴登煤矿3^(-1)煤充水条件及矿井涌水量预测

母杜柴登煤矿矿井涌水量大,且属于高矿化度水,面临着大量疏排矿井涌水和矿井水地面处理的压力。在分析矿区地质及水文地质条件的基础上,认为开采3^(-1)煤层时,矿井水来源于3^(-1)煤顶板─直罗组底界砂岩含水层,包括直罗组底部中、粗粒砂岩含水层和3^(-1)煤顶板延安组三段砂岩含水层。运用大井法和达西定律计算的30209工作面涌水量分别为931m^(3)/h、919m^(3)/h,与实际接近。研究可为工作面侧向注浆封堵(含水层改造)、帷幕截流减量的可行性和减量程度提供依据。

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。

露天矿地下水控制技术及对边坡稳定性的影响

我国富水露天矿多且涌水量大,若矿山地下水或边坡处治不当,将面临着“水患难止、边坡难固、有矿难采”的窘境。为解决露天矿遇到的水患和边坡失稳的问题,基于我国露天矿先后发展的垂直疏水孔、水平疏水孔、坑下大口径疏水孔和井群疏水等抽排方式,坑底泄水巷、基坑降水和辐射井疏干等疏放方式以及钻孔注浆帷幕、地下混凝土连续墙帷幕、钻孔咬合桩帷幕、防渗膜帷幕等截水帷幕和地层回灌水帷幕等多种地下水控制技术;开展了不同露天矿地下水控制技术对地下水位、端帮边坡岩土体力学性质变化、坡体应力变化和边坡稳定性系数影响的研究,分析了截水帷幕作用下地下水位抬升与边坡稳定性变化规律。研究结果表明:通过抽排方式、疏放方式将露天矿山地下水疏干或疏降可有效降低地下水位,减少边坡岩土体含水率,提高边坡岩土体黏聚力和内摩擦角,减小坡体的静水压力和水平推力,整体提高边坡稳定性系数,但大量疏排地下水又造成水资源的浪费和污染;截水帷幕能够解决疏排降水造成的地下水位下降幅度太大、疏排水量巨大、水资源浪费和污染的问题;在截水帷幕作用下,露天矿截水帷幕外侧水位不断抬升,引起截水帷幕外侧边坡岩土体含水率增加、黏聚力和内摩擦角减小、坡体的静水压力和水平推力增大,而截水帷幕内侧边坡岩土体含水率减小、黏聚力和内摩擦角增大、坡体的静水压力和水平推力减小,从而引起露天矿边坡稳定性系数略有降低;通过截水帷幕可以控制露天矿边坡地下水位,进而保持边坡岩土体力学参数在合理范围,维持边坡稳定性系数在安全区间,实现露天矿地下水资源保护与边坡安全的平衡。

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。

我国煤层水害基本架构及发展情势

为了解决煤炭资源安全高效开发过程中面临的煤层水害问题,基于近20余年间煤层水害事故的统汇分析,提出了“隐蔽突水致灾因素”萌生、煤层水害“三要素”定型、多要素耦合孕灾、突破临界状态激发灾变和灾变后负效应显现等5个煤层水害的主体构成阶段,依据各阶段独立属性特征,将煤层水害概括为顶板水害、底板水害和老空水害3个主类,以及巨厚基岩含水层高势能涌(淋)水、岩溶陷落柱导升突水、同位水平空间侧向涌水等11个子类,并对不同类型煤层水害的孕灾致灾诱因、发育发展过程机理、灾变显现特征等进行阐述。最后,对我国煤层水害的未来发展情势做了简要展望和分析。

我国不同类别煤层顶板水害致灾机理与防控路径

我国是世界上成煤和赋存条件最复杂的国家,煤层顶板水文地质条件的多样性和复杂性,采动覆岩裂隙场与渗流场耦合的相互性和时变性以及煤层顶板突水的独特性和危害性,造成顶板水害是我国尤其是西部煤矿区的主要矿井灾害之一。为了更好地认识顶板水害和推广现有技术和探索新技术防控此类矿井灾害,在全面分析近年来我国煤层顶板水害事故规律与顶板充水含水层的赋存条件、突水模式、动力特征、力学行为等基础上,系统划分了顶板水害的类型、特征、主要类别的致灾机理及梳理了现有顶板水害的防治技术,并展望了未来顶板水害防治领域的发展方向。研究发现:①顶板水害主体架构包括巨厚基岩含水层涌(淋)水、薄基岩弱胶结层水-砂耦合溃涌、离层空间蓄水储能突水、天窗补给型突水、围岩烧变增透致突等5种类别,集中分布于秦岭—淮河沿线以北地区,陕、蒙、宁是顶板水害主要聚集地。②采动诱发巨厚基岩含水层下覆岩原生裂隙互馈-贯通发育“Z”型离层空间,导致采场出现大面积涌(淋)水现象;基于复合关键层破断力学条件,阐明了薄基岩弱胶结层水-砂耦合溃涌致灾的动力源;构建了离层失稳突水临界判别准则,将离层突水划分为静载扰动、“动+静”载复合扰动、复合煤层开采重复扰动3种模式;红土隔水层缺失及红土薄弱区采动劣化损伤是产生天窗越流补给的主要根源;围岩烧变增透,孔隙度增大,接受临近水源补水后形成新的含水结构体,在采动诱发下烧变岩水涌入采场发生水害事故。③梳理了当前煤层顶板水害“探-放-治”三位一体的解危防控技术体系,提出了井上下共轭联动、钻-采(掘)高位协同地质勘探系统,以防治水“三区”划分为导向的地质保障工作,“煤-水-生态”多目标齐抓共管的绿色开采和防治水理念,以及数智化、透明化矿山水文地质灾害信息维护系统等未来发展方向。

新景矿带压开采技术研究

新景矿的煤层都具有良好的隔水层,但是在开采时仍有突水的可能性。因此,为了保证开采的安全性,需要对新景矿的地下水带压开采进行评价。在带压开采评价时,采用了五图-双系数法,双系数的取值均为0.06 MPa/m。研究结果表明,3^(#)、8^(#)、9^(#)、15^(#)煤层带压开采时,在井田内双系数均小于0.06 MPa/m,正常情况下,发生突水的可能性极小。可以为煤矿带压开采提供一定的参考。

煤矿井下供水管网智能调控策略方法研究

煤矿井下供水管网系统是保证煤矿安全生产的关键环节,针对煤矿井下供水管网系统能耗高、管网漏损率高以及调控复杂度增加等问题,以陕西亭南煤矿井下实际供水系统工况展开智能调控策开研究。综合管网影响调控因素建立两级优化调度模型,通过一级优化调度确定每个水泵房的最佳供水压力与供水量,然后以泵组的运行费用为目标函数,建立二级优化模型寻求水泵的最佳运行方案。求解模型中针对传统遗传算法易陷入局部最优解的问题,采用了组合变异算子进行改进。实验结果表明,通过优化调度后,煤矿井下供水系统的能耗明显降低,节能效果显著,在保障供水系统的安全运行的前提下平均日节能8.8%。

相空间重构后矿井涌水量序列地质学含义及其应用研究

目的为了确定相空间重构矿井涌水量序列的地质学含义并提高涌水量预测精度,方法以王行庄矿为例,在涌水量序列相空间重构后,对重构后相空间列向量与涌水量主控因素进行相关性分析,并在此基础上建立混沌理论与人工神经网络耦合(Chaos-ENN)的涌水量预测模型。结果结果表明:相空间的嵌入维数等于矿井涌水量主控因素个数;相空间的第1,2,4,5,6列向量分别与C_(2)tL_(7-8)含水层水位埋深、O_(2)m+Є_(3)ch含水层水位埋深、采空区面积、C_(2)tL_(1-4)含水层水位埋深、开拓长度具有较高的相关性,第3列与不易量化的其他综合因素有关;构建的Chaos-ENN涌水量预测模型在王兴庄矿的预测精度达到97.91%。结论涌水量序列重构后相空间的列向量具有明确的地质学含义。利用混沌理论可以量化涌水量预测模型中ENN输入层的个数及取值,所以仅需涌水量序列值就可以建立矿井涌水量预测的Chaos-ENN模型,该模型解决了涌水量预测中存在的主控因素难以确定和不易量化的难题,且预测精度高,具有较高的推广价值。

带压开采工作面综合勘探技术和施工治理的应用研究——以内蒙古不连沟煤矿F6226工作面为例

不连沟煤矿位于准格尔煤田的北部。由于F6226工作面的部分煤层在奥灰水水头以下,需要进行带压开采,必须对潜在的顶板砂岩裂隙水和底板奥陶系灰岩岩溶裂隙水导水构造进行采前探查,并对导水构造实施治理。在探查工作中,利用瞬变电磁法在工作面顶板发现2处低阻异常,均为断裂影响形成岩石破碎,相对富水;经钻孔验证均未出水,预测在回采作业中只会产生局部淋水,不会出现大规模涌(突)水。音频电透视探测发现煤层底板中有4处低阻异常,槽波地震探测共探查出13条断裂和1处地质异常;对异常验证的25个钻孔注浆处理后,最大出水量为0.3 m^(3)/h,并未见到岩层的错乱等异常现象。评价认为,基本可以排除F6226工作面范围内煤层顶板砂岩水和底板奥灰水涌(突)水的可能性。

地下水动态监测系统对煤矿防治水建设研究

煤矿防治水建设工作专业性较强,实际工作中需要选择合理可靠的技术手段辅助工作开展。而地下水动态监测技术作为一项代表性技术,实际应用中能够有效提升勘察效率和勘察质量。基于此,本文主要研究了煤矿防治水建设中地下水动态监测技术的应用情况,以期为相关工作提供有益借鉴和参考。

不同含水率下煤岩组合体力学特性损伤规律研究

浅埋富水煤层长期受覆岩导水裂隙中地下水渗流侵蚀影响,矿井留设隔水煤岩柱及阶段间柱在水岩作用下产生力学损伤劣化。开采活动进一步加快损伤进程,并直接关系到工作面的稳定及安全生产。以陕西榆林锦界煤矿煤岩体为研究对象,制成砂岩-煤-砂岩(S-M-S)组合体,开展不同含水率条件下单轴压缩试验,揭示水岩作用下煤岩组合体的含水率变化规律、力学行为演化特征和声发射损伤规律,基于电镜微观扫描图像,分析水岩作用下组合体内部结构损伤劣化机理。研究结果表明:煤岩组合体吸水速率随着浸水时间的增加不断降低;水岩作用对煤岩组合体抗压强度和弹性模量有明显的劣化效应,组合体弱余强度随含水率增加不断降低,强度损伤速率随着含水率的提高不断加快;组合体的声发射计数和累计计数在水岩作用下衰减明显,并伴随组合体损伤破坏整个过程;水岩作用致使组合体内部结构原生链钝化,裂隙扩展,破裂形式发生明显改变。研究结果可为采动影响下煤岩矿柱水害预测评价提供指导。

极端暴雨天气对矿井水文地质条件的影响分析--以梁北矿防治水工作为例

极端暴雨天气不仅给矿井汛期防治水害造成巨大压力,随之引发的区域水文循环过程的改变,也造成暴雨后一段时期内矿井水文地质条件异常,使得煤层开采过程中水害威胁程度远远大于其他灾害,对水害防治工作产生持续影响。以梁北矿防治水工作为例,通过矿井综合精准物探结果、钻孔水文观测记录和数值模拟,初步分析了极端暴雨后对矿井水的耦合影响。首先,矿井水文观测井水位明显升高,且综合矿井地球物理方法探测亦表明矿井煤层底板深中浅不同含水层的富水空间分布更加复杂;其次,地表水经裂隙向下渗透,导致矿井地下水位面升高,鉴于含水层具有较强的非均质性,不同钻孔所揭露的岩溶裂隙空间体存在出水量大小不一、水压大小分布差异较大的情况,矿井水文地质条件愈加复杂;最后,进一步的数值模拟分析表明,极端暴雨后的地表水会补充至矿井含水层,导致矿井底板的水量和水压增加,但随着时间的推移将逐渐趋于新的平衡。

榆神矿区面临的水文地质问题及其精细勘查

针对榆神矿区在地质勘查阶段水文地质勘探程度不足,难以满足现代化煤矿建设和生产需求的问题,在补充勘探时应做好浅埋煤层的精细勘查。在分析榆神矿区现阶段面临的主要水文地质问题的基础上,明确了水文地质精细勘探的必要性和主要勘查内容,认为需要对萨拉乌苏组、烧变岩、直罗组砂岩、洛河组砂岩等主要含水层进行重点勘探,查明其厚度、分布、岩性、孔隙裂隙发育特征、水文地质参数等,进而查明煤层及其与含水层、隔水层的空间赋存关系,精准确定小煤窑的采空区范围,编制各类等值线图,预测矿井涌水量。通过水文地质的精细勘查,能够为煤矿安全高效生产提供详细数据和资料,进而实现矿井水害防治和地下水资源保护。

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。

论《煤矿防治水细则》中的“勘探清楚”问题

煤炭精准开采,必须详细查明地质条件,尤其是涉及矿井灾害的地质条件,达到“勘探清楚”的程度。针对《煤矿防治水细则》提出的“勘探清楚”等问题,剖析了“勘探清楚”的科学内涵。厘定了“勘探清楚”应查明的内容和定性、定量描述的内容。认为“勘查清楚”应该是在定量划分含水层与隔水层基础上,对含(隔)水层的几何形态清楚、物质组成清楚、内部结构构造清楚、煤层与含(隔)水层空间组合关系清楚、地下水形成与演化机理清楚等。分析了目前煤矿水文地质勘探程度认识的误区,包括“组”与含水层的关系、岩性与含水层的关系、抽水试验层段等误区和问题。以鄂尔多斯盆地直罗组为例,指出了煤矿水文地质勘探中的含水层、隔水层及其识别问题,认为在煤矿生产阶段,应加强钻孔、测井曲线、物探、采掘揭露等探采数据的二次挖掘,加强水文地质补充勘探过程中的专题研究工作。