分区变权顶板突水危险性评价方法改进及实例

为准确合理地评价煤层顶板突水危险性,文章基于地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析技术,结合熵权法对突水分区变权模型进行改进优化。为避免权重确定的主观性与计算复杂性,引入信息熵求取常权向量。为防止“极大”或“极小”值权重超调过大,提高各主控因素综合控制作用与各分区值变权重均衡性,采用保守型分区变权函数对变权模型进行修正。通过直接对主控因素栅格图运算和处理,避免因钻孔插值所造成的构造信息丢失问题。将改进模型与常权模型及仅通过钻孔构建的风险型分区变权模型进行比较,以实际突水点对评价模型进行识别检验。结果表明,改进的分区变权模型评价效果更好、精度更高,对煤矿顶板水害预测与防治具有指导性作用,在口孜东矿取得良好的应用效果。

底板突水危险性评价研究进展

回顾了煤层底板突水危险性评价的发展历程,提出其危险性评价的体系:指标(指标体系的建立)—方法(评价方法的选取)—工具(处理工具的革新),并对3个环节进行总结。指出指标体系的发展不再是因素集的扩充,而是因素与因素之间非线性关系的处理以及对以开采条件及地质条件为两大基本要素集的化繁为简;将现有方法依据处理数据的逻辑分为3类:以数据的基础信息为基准,将原始数据对评价对象所产生的大小、高低、优劣性影响进行考量、排序及综合形成评价结果的第一类方法;对数据列进行人工评判、加工分析、拓展和延伸,挖掘数据的潜在信息,并形成最终评价结果的第2类方法;整理具有相同指标的数据集,通过数据信息处理技术发现数据间的共有信息,从而获得最终评价结果的第3类方法。指出未来评价方法的发展方向一方面是对突水系数法的传承,修正其在厚、巨厚、极薄隔水层的不良表现,另一方面是对机器学习新型方法的创新,对其本身及组合模型进行开发与应用。提出了处理工具所需实现的三大目标:矿井立体化模型的建立、评价结果的动态化演示、“定位、定量、定概率”三定指标的实现。分别探讨了三者面临的问题并阐述具体解决手段。在上述基础上,总体阐明了煤层底板突水危险性评价体系各环节的研究展望。

大采深高承压水条件下煤层底板突水问题及解决对策

在当前煤矿普遍面临大采深、底板高承压水、高地应力等采掘条件下,正确评价煤层底板承压水突水危险是做好防治水工作的基础。以河南省受底板灰岩承压水突水威胁的大水矿井为例,就底板破坏深度计算、突水系数计算及临界值、脆弱性指数法、不同水文地质单元的“双层水位”效应等问题进行了剖析。分析表明:在大采深和高地应力开采条件下,底板破坏深度较现有用经验公式计算得到的值偏大,一些矿井突水系数虽小于全国临界值,但回采过程中却发生了突水,脆弱性指数法有待于规范化。此外,井田范围内水文地质条件存在着时空变化,甚至会出现“双层水位”等现象。鉴于此,提出了建立大采深和高地应力开采条件下的底板破坏深度计算模型、确定矿区或矿井范围的临界突水系数值、规范脆弱性指数评价方法、查明水文地质条件的时空变化和不同单元的水动力参数、制定同各单元水文地质条件相适应的防治水措施等各项对策。

穿越复杂岩溶环境的特长隧洞涌突水危险性评价——以滇中引水工程小扑隧洞为例

在复杂岩溶区,涌突水危险性评价是保障隧洞施工安全的重要工作内容之一。以滇中引水工程玉溪红河段小扑隧洞为例,在分析隧洞地质与水文地质条件的基础上,综合考虑岩石的可溶性、地质构造因素、地表汇水条件、地下水化学特征、隧洞埋深与地下水位的关系5个控制性因素,采用岩溶隧洞涌突水危险性评价系统对隧洞的涌突水危险性进行了预测与验证。结果表明:小扑隧洞北段位于鲁纳寺—牛恋村岩溶子系统的径流区。在丰水期,隧洞岩溶涌突水中危险区、高危险区、极高危险区的长度占比分别为15.8%,55.4%,28.8%。小扑隧洞南段位于西河和祭天山—黄营岩溶子系统的补给、径流区。在丰水期,隧洞涌突水中危险区、高危险区、极高危险区的长度占比分别为7.4%,52.7%,39.9%。施工阶段,小扑隧洞北段主洞揭露暗河管道,发生涌突水事故,2#支洞发生突水涌沙事故,与对应的涌突水高-极高危险性结果吻合。涌突水危险性评价结果有效地支撑了隧洞的涌突水灾害防治与安全施工。

自适应接地电阻的本安型电法监测场源信号发射装置设计

电法监测技术因其对煤岩电阻率变化的高灵敏特点而逐步在突水风险较高的矿井进行推广应用,然而由于井下工作面两巷工况环境复杂,不同场源发射监测电极间的接地条件差异较大且随时间变化,难以在整个监测周期内提供稳定的场源信号。设计了一种基于STM32F407的负反馈式本安型电法监测场源信号发射装置,该装置可自适应调节不同发射电极间的接入电阻,具备双重可靠本安保护电路,实现了本安限制条件下场源信号的最大功率稳定发射,既而使场源能量最大化加载至目标监测地质体来获得尽可能强的场源响应信号,提升电法监测系统数据采集质量,提高反演解释的准确性。

基于LDA-RBF及综合赋权法的顶板突水危险性评价

为了解决龙凤煤矿9号煤层开采过程中顶板突水危险性问题,采用线性判别分析法(LDA)构建1种LDA-RBF神经网络导水裂隙带发育高度预测模型,并基于改进CRITIC评价法结合层次分析法(AHP)建立了CRITIC-AHP综合赋权法,分别评价矿区顶板采裂危险性及含水层富水性等级;通过ArcGis地理信息处理技术,将采裂危险性分区与富水性分区叠加,得到9号煤层顶板突水危险性综合分区图。结果表明:LDA-RBF神经网络预测模型结构简单且拟合精度更高,9号煤层导水裂隙带发育预测高度为50.4 m,已超过区域内大部分含水层底界标高,表明大部分区域存在较高的采裂危险性;而改进后的综合赋权法避免了评价结果主客观性过强的问题,其富水性分区结果与钻孔实际涌水量相符;突水危险区主要在矿区中北部呈条状分布,这是该区域含水层富水性较强和采裂危险性较高共同作用的结果,因此,在实际开采中应对以上区域予以重视。

基于AHP与GIS的煤层顶板突水危险性评价

为准确评价赵家寨矿12采区东翼二_(1)煤层顶板突水问题,选取导水裂隙带高度、导水裂隙带高度范围内的含水层厚度、新近系含水层的富水性、剩余黏土层厚度、断层分维值5个因素作为煤层顶板突水的主控因素,运用层次分析法确定各主控因素对总目标的影响权重,并通过自然分级法确定研究区的分区阈值,最终获得了研究区二_(1)煤层顶板突水危险性评价模型。评价结果与后期工作面开采的疏水结果相一致,实际疏放水量与预测静水储量吻合度达96.7%,实现了二_(1)煤层的安全回采。

王家寨隧道第三系半成岩富水段涌水突泥机制及风险评估

为探究隧道穿越第三系半成岩富水段时引发的涌水突泥、冒顶等地质灾害机制,依托云南临清高速公路王家寨隧道,通过室内力学试验和模糊层次分析法,对第三系半成岩力学特性、作用机制及涌水突泥灾害风险进行分析。研究表明:1)王家寨隧道第三系半成岩遇水软化特性明显,随着含水率增加其黏聚力先增后减,内摩擦角不断减小,含水率为18%时黏聚力与内摩擦角分别为12.53 k Pa和7.35°,围岩逐渐失稳。2)软弱的第三系半成岩、高地下水量及隧道开挖扰动为王家寨隧道第三系半成岩富水段发生涌水突泥灾害的主要影响因素。3)王家寨隧道第三系半成岩段可按工程地质条件、水文地质条件划分为A、B、C、D 4段,各段涌水突泥灾害风险由大到小排序为B段=C段>A段>D段,其中评估的A段涌泥量与实际涌泥量较为吻合。

基于FAHP-EWM组合权重的突水危险性评价研究

通过统计分析吴堡矿区某井田先期开采地段地质及水文地质资料,确定影响主采煤层底板突水的主控因素,采用模糊层次分析法(FAHP)和熵权法(EWM)计算各因素的主客观权重,并利用加法合成法、极差最大化法、博弈论法和最小鉴别信息法分别计算组合权重;结合脆弱性指数法,利用GIS的信息融合技术得到研究区的突水脆弱性评价分区,4种评价结果的分区过渡趋势基本一致,但存在部分区域其评级结果不同。采用Spearman等级相关系数对4种突水脆弱性评价结果进行优选,结果表明:基于最小鉴别信息法得到的脆弱性指数等级排序与“合理排序”的相关系数最高;在这4种脆弱性评价结果中,采用最小鉴别信息法组合赋权得到的突水脆弱性评价效果最好。

邯邢式大水铁矿突水风险评价方法研究——以白涧铁矿为例

针对邯邢式大水铁矿复杂的水文地质条件,本文结合白涧铁矿区实际情况,选取断裂构造、矿体顶板水压、钻孔密度、矿体顶板围岩裂隙分布、矿体顶板岩石质量指标及矿体顶板岩性共6项指标,提出了邯邢式大水铁矿开采突水风险的评价方法。采用和积法对各评价指标进行了权重分配,同时利用Arc GIS软件对各专题图进行复合叠加处理,得到了白涧铁矿区突水风险评价分区图。结果表明:白涧铁矿区突水高风险、较高风险、中风险及低风险区分别占总面积的5.54%、15.75%、50.26%和28.45%。高风险区、较高风险区主要分布于矿区东侧F_(2)、F_(3)、F_(4)断层轴部及两侧,矿区基建或开采时需重点防治。通过评价邯邢式大水铁矿—白涧铁矿的矿区突水风险,以期对同类矿山进行水害防治提供一定的借鉴。

水库蓄水引起的周边矿井突水隐患及治理方法研究

本文以实际工程为研究对象,深入分析水库蓄水后对周围矿井的影响,并给出相应的治理措施。文中首先通过工程地质勘察查明了影响区内地质条件,并对水库蓄水后影响区内存在的危害进行了分析,明确了该工程中水库蓄水后对矿井突水所产生的影响,并查明3个影响区内共有23732 m2的采空区需要进行治理;并对各处所采取的注浆封堵措施设计参数及设计要点进行了详细阐述,同时通过检测结果分析可知本次注浆治理工程效果能够满足工程建设需求。本文研究内容可为矿井突水隐患治理工程提供借鉴。

基于LSTM的矿井突水风险预测研究

随着矿井开采深度不断增加,矿井突水灾害威胁日益增大,如何精准预测矿井突水风险是值得深入研究的课题。针对传统方法未对监测数据中隐藏的有效信息进行深度挖掘的问题,以潘二煤矿11023工作面为工程背景,提出一种基于LSTM的矿井涌水量预测模型和矿井水位预测模型,采用微震监测数据与水文观测数据对矿井涌水量和水位进行预测。结果表明,预测结果与真实测量值偏差较小,精度较高,具有较好的应用价值,可为矿井防治水工作提供技术指导。

麻家梁矿带压开采安全评价

为评价麻家梁矿煤层受奥陶系岩溶水的影响程度,结合充水含水层充水条件、充水途径,在分析该矿地质和水文地质条件的基础上,介绍了煤层底板含隔水层特征,对底板扰动破坏深度、有效隔水层厚度及可能导水通道进行分析,采用标高比对法、突水系数法、斯氏公式法3种不同方法对主采煤层带压开采情况进行突水危险性评价,对开采煤层底板带压开采安全性进行综合评价,对煤层进行合理分区,提出了奥灰突水判识方法,为矿井防治水工作提供技术指导,确保矿井安全生产。

基于博弈论组合赋权-灰关联投影法的山岭隧道突涌水风险评价

为有效减少隧道突涌水灾害带来的后果损失,提出一种基于序关系分析法(order relation analysis method,G1)-指标相关性权重确定方法(criteria importance through intercriteria correlation,CRITIC)和灰关联矢量投影原理的隧道突涌水灾害的风险评价方法。在调研相关文献和工程实例的基础上,考虑了地层岩性、水文地质、不良地质和施工设计4个方面,构建出一个可量化的隧道突涌水风险评估指标体系;其次,为更好地避免人为因素带来的偏差,采用G1-CRITIC进行主客观赋权,通过引入博弈论得到主客观赋权的组合权重,实现对各评价指标权重的科学合理分配;最后,结合灰关联矢量投影法对隧道涌水风险等级进行定量评价。将该风险评价方法应用于文笔山1#隧道3个洞段样本,对其进行隧道突涌水风险评估,实例结果表明,隧道样本3突涌水风险等级为Ⅳ级,另两个隧道洞段样本为Ⅱ级涌水风险,得出的风险评价等级与实际开挖情况吻合,此模型可对多因素影响下的工程地质灾害进行准确评价,与其他模型结果对比更加验证了该评价模型的可行性与准确性。

基于GIS与层次分析法的高河煤矿15号煤层底板突水危险性评价

针对高河煤矿开发过程中面临的底板突水安全问题,基于对其矿井地质、水文地质的条件分析和煤层底板突水规律的研究,确定了隔水层厚度、冲洗液消耗量、单位涌水量、渗透系数、岩芯采取率、断层分布、断层规模指数以及陷落柱分布8个影响因素,并对各因素进行了归一化处理;然后利用ArcGIS软件建立相应的专题图,并运用层次分析法(AHP)确定各项因素对底板突水影响的权重,对数据进行归一化处理后按照权重进行叠加,最终得到整个井田的突水脆弱性评价分区图。研究表明,突水危险性最强的区域集中在矿区北部及中部和南部部分区域,突水危险性较强的区域分布在南部部分区域及中部和北部局部区域,其他区域危险性相对较弱。评价结果对指导煤矿安全生产具有重要意义。

复杂地质条件下岩溶台地隧道灾变风险评估:以安平隧道为例

复式向斜岩溶台地地质条件复杂,隧道穿越时,多发生突水涌泥等地质灾害。以安平隧道为例,在隧道线路设计初期,从地质角度出发,分析隧道线路范围内存在的5个主要地质问题及可能发生的地质灾变风险,并逐一对其进行评估和评价;采用宜避不宜扰的地质选线理念,根据评价结果选择路线绕避方案和确定平纵设计指标。研究成果对类似复杂地质条件下的岩溶台地隧道地质选线和路线设计具有一定的借鉴意义。

海底隧道穿越断层破碎带突涌水防治关键技术

胶州湾第二海底隧道工程受张扭性裂隙影响,其地下水极其发育、地质条件复杂,通过突涌水超前地质预报预警及超前注浆防治两个方面,介绍海底隧道穿越断层破碎带突涌水防治关键技术在胶州湾第二海底隧道工程中的应用。

基于集对分析模型的岩溶区浅埋穿河隧道突涌水危险性评价

在岩溶区修建隧道常会面临突涌水等地质灾害,尤其是对于浅埋穿河隧道的建设,更是极具挑战性的一项工作。由于隧址区存在断层破碎带、岩体风化程度高、节理裂隙发育等,使得河水入侵隧道的可能性大幅增加。为了有效评价岩溶区浅埋隧道下穿河段突涌水发生的危险性,本研究根据隧址区地质条件及隧道特征,选取了地层岩性、修正的岩层倾角、可溶岩与非可溶岩接触带、围岩等级、断层带宽度、断层性质、裂隙发育程度、地表水流量、地表汇水面积、隧道埋深、施工干扰程度共11个影响突涌水的关键因素作为评价指标,建立了岩溶区浅埋穿河隧道突涌水危险性评价体系。首先,采用层次分析法构造判断矩阵确定评价指标的权重,利用集对分析法计算各评价指标的联系度,进而确定评价样本的综合联系度;其次,运用最大隶属度原则识别突涌水风险等级;最后,根据危险性等级与涌水量之间的对应关系,可初步预测突涌水量范围。针对跃龙门隧道下穿高川河浅埋段的突涌水风险,采用集对分析模型进行分析,计算结果显示,危险性评价预测的突涌水量范围为3000~10000 m3/d,现场开挖实际涌水量为7000 m3/d。即危险性评价结果与现场实际情况基本一致,验证了该评价体系与方法的合理性及可行性,为岩溶区浅埋隧道下穿河段突涌水风险评估提供了有效支撑。

基于决策树的地下工程透水事故发生风险定量评估

地下工程建设深度和规模的不断扩大导致透水事故频发,严重制约着地下工程建设的安全作业。以国内外107个透水事故案例为基础,以瞬时最大涌水量和事故累计涌水量为指标,采用k均值聚类算法实现了透水事故灾害等级划分,并考虑水文地质条件、地层岩性和过程监测信息,采用决策树方法建立了透水发生风险评估模型。研究结果表明:透水事故发生风险评估指标与事故灾害等级具有较好的相关性,其中水文条件加权值、地下水位高程差、埋深、涌水量平均增长速率和累积涌水量与灾害等级呈正相关,而岩石饱和单轴抗压强度与灾害等级呈负相关;剪枝策略能够有效提高透水事故发生风险评估决策树模型的泛化性能,相对于初始决策树模型,该模型针对验证集和测试集的评估准确率分别从63.6%和90.5%提高至90.9%和100%,针对所有透水样本的综合评估准确率为95.3%,表明该模型具有较好的适用性,可为地下工程透水灾害的救灾决策提供重要的理论和技术支撑。

基于隧道岩溶突涌水风险评价的线位比选研究——以宜涪铁路鹤峰-宣恩段为例

隧道岩溶突涌水风险是山区铁路选线阶段的重要考虑因素。以宜涪铁路鹤峰-宣恩段为例,在区域1∶1万岩溶水文地质调查的基础上,分析了该铁路段各线位方案相关的岩溶水系统特征,根据岩溶水系统特征与隧道工程的位置关系开展了隧道岩溶突涌水风险评价,并从隧道岩溶突涌水风险的影响因素出发,选取隧道穿越强岩溶含水层段占比、最大压力水头和累计最大涌水量3个定量指标,运用层次分析法和变系数法构建隧道岩溶突涌水风险综合评价指标体系,对该铁路段北、中、南3个线位方案进行了岩溶水文地质条件比选。结果表明:南线方案岩溶水文地质条件相对较好,隧道岩溶突涌水风险最低。