蒙陕接壤区煤层顶板涌水水源智能判别方法

蒙陕接壤区煤炭高强度开采诱发的煤层顶板水害问题日益凸显,高效智能地判别煤层顶板涌水水源是顶板水害防治的关键。以蒙陕接壤区3个典型矿井为研究对象,将无机指标K^(+)+Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)、HCO_(3)^(-)、TDS和有机指标UV_(254)、TOC、溶解性有机质(DOM)的荧光光谱作为判别指标,利用主成分分析法(PCA)对80组地下水水样数据进行主成分提取,提出一种人工鱼群算法(AFSA)改进随机森林(RF)的PCA-AFSA-RF顶板涌水水源智能判别方法。首先,建立PCA-RF判别模型,其准确率(A_(c))、精确率(P_(r))、召回率(R_(c))和F-measure指数(f_(1))分别达到了83.00%、83.17%、80.42%和79.57%;其次,通过AFSA对PCA-RF判别模型中决策树数目、树深和内部节点分裂所需的最小样本数进行寻优,在AFSA中引入遗传机制以避免陷入局部最优,建立基于PCA-AFSA-RF的煤层顶板涌水水源智能判别模型,该模型A_(c)、P_(r)、R_(c)、f_(1)分别达到92.18%、91.11%、87.58%和88.82%,较PCA-RF分别提高9.18%、7.94%、7.16%和9.25%,回代准确率达到97.50%;最后,利用该模型对12个矿井水水样进行判别,结果与现场实际相一致,表明AFSA改进后的PCA-RF模型具有更好的准确性和泛化能力。研究结果可为煤层顶板涌水水源的准确判别提供新方法。

特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。

采动覆岩“突水离层带”岩体结构演化致灾机理及突水预报方法

离层水害是近年来我国东西部矿井较为常见且严重的水害类型,研究采动覆岩结构演化对揭示离层突水机理、灾害预测防治有着重要意义。为分析不同工程地质条件下离层突水演化机理,将可以产生采动覆岩离层涌水的离层水体及其上下位一定范围的岩层统称为“突水离层带”。建立“突水离层带”采动岩体结构力学模型,根据上位岩层和下位隔水层破断规律,分析5种突水类型(采动覆岩离层静水压突水、采动覆岩离层动力突水、多煤层叠加开采离层突水、传统顶板导水裂隙涌水和离层积水不突水)的形成机制和力学条件,研究回采期间导水裂隙带时空演化与离层突水的关系;基于工作面开采条件、覆岩条件、突水离层带发育位置和微震监测,分析了离层突水形成条件,揭示了离层突水演化机理,并对永陇矿区崔木煤矿和招贤煤矿工作面开展了实例分析,提出了工作面离层突水预报方法。研究得出:(1)随着工作面推进,充水离层上位岩层和下位隔水层破断规律的差异是导致出现5种突水类型的根本原因;(2)只有在采高M和充水离层与煤层间距H处于某种特定关系下,才会满足形成“突水离层带”的基本条件,发生离层突水;(3)陕西崔木煤矿21306工作面离层突水主要是由上位岩层破断导致,突水期间高能量矿震(>10^(4)J)发生次数增多,微震日总能量和平均每次能量显著升高;而陕西招贤煤矿1304工作面离层突水是由下位隔水层破断导致,突水期间<10^(3)J矿震每日次数显著增多,对应矿震每日总次数升高而平均每次能量值减小。

覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响

采用理论分析、模拟实验和工程探测等方法,就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行深入研究。研究结果表明:覆岩主关键层位置会影响顶板导水裂隙带高度,当主关键与开采煤层距离较近并小于某一临界距离时,顶板导水裂隙带将发育至基岩顶部,导水裂隙带高度明显大于按我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称"规程")中的顶板导水裂隙带高度确定方法得到的结果。对导水裂隙带高度产生影响的主关键层与开采煤层临界距离主要与煤层采高、顶板碎胀压实特性、主关键层破断块度等因素有关,可以粗略按7～10倍煤层采高计算该临界距离。当覆岩主关键层与开采煤层距离小于7～10倍采高时,不能按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度;当覆岩主关键层与开采煤层距离大于7～10倍采高时,仍可按规程中的方法确定顶板导水裂隙带高度。上述结果能很好地解释部分煤矿顶板异常突水灾害的发生机制,并指导神东矿区补连塔煤矿顶板突水灾害防治实践,取得显著的经济效益。

顶板突水对冲击地压的影响

在分析4煤层开采顶板突水水源的基础上,揭示了矿山压力、冲击地压同顶板突水之间的关系,探讨了煤层开采过程中顶板突水对促进冲击地压形成的影响作用机理;基于物理流变学和断裂力学理论,提出了砾岩粒间隙中的水流失导致砾岩粒界面附近多层次应力局部集中,造成砾岩产生新的断裂,形成多层次冲击地压,促进顶板斑裂线扩展的机制,阐明了冲击地压和顶板突水互为影响的因果关系,从理论研究和现场监测2个方面得出了华丰煤矿4煤层开采深度大于520 m时容易形成冲击地压的结论.

煤层顶板破坏与突水实例研究

根据济宁三号煤矿六采区3煤顶板的水文地质条件，应用岩石破裂过程分析系统（RFPA^2D），模拟采动条件下顶板破裂的演化过程，并结合突水实例分析了顶板破坏与突水的关系．数值模拟结果表明，当工作面推进30m时，顶板发生初次来压，此后每推进约22m有1次周期来压，在开采140～150m时覆岩破裂高度达到最大并趋于稳定，模拟结果与现场实测值基本一致．六采区3个工作面出现20次涌水，一般在周期来压或每推进140～150m就产生顶板涌水，具有明显的周期性，表明工作面涌水与覆岩破坏密切相关．

富水覆岩采动裂隙导水特性研究

为探讨沁水煤田和顺矿区15号煤层采动覆岩导水特性,预防透水事故对煤矿安全生产的影响,利用相似材料模拟与数值模拟的方法对工作面采动覆岩导水特性进行研究,通过分析垮落带与断裂带导水通道的发育及分布特征对3号煤层老空水的渗流规律进行总结。结果表明:工作面推至175 m时覆岩主关键层破断,断裂带发育至3号煤层老空区,为顶板透水提供了导水通道,导水通道边界最大流速为9.70×10^(-4)m/s,以此为参考,对15号煤层顶板突水危险区域进行划分,为和顺矿区顶板透水事故的预防提供依据。

矿井顶板突水预警系统研究与应用

总结整理了我国煤矿突水预警系统的发展现状,从顶板突水机理相关理论和突水危险性评价等研究结果出发,分析了煤矿顶板突水主要受到水源、覆岩地层、地质构造和采掘活动4种因素的共同控制,研究了顶板突水预警机制和顶板突水预警系统的建立,并介绍了灵东煤矿水文信息监测及顶板突水预警系统的建立和应用情况,建立了包括系统中心站和多个遥测子站的井上下水文信息监测系统,以煤系含水层水位下降情况为突水预警特征指标量值,设定了预警阈值,指导工作面防治水工作。

矿山采掘岩体渗透变形灾变机理及防控Ⅰ:顶板溃水溃砂

矿山采掘诱发顶板溃水溃砂灾害防控正成为制约矿山安全的重要瓶颈。从成灾机制、运动规律和危险性评价等方面综述了顶板溃水溃砂研究的主要进展和趋势。溃水溃砂的成灾工程地质机制分为4类:直接或间接揭露松散含水层、导水裂隙带沟通松散含水层渗透破坏、人为钻孔沟通松散含水层、软弱覆岩遇水劣化(崩解泥化)伴随顶板裂隙水或离层水突出的溃水溃砂成灾模式。溃水溃砂的运动规律研究获得了水砂混合物经出口、单裂隙、交叉裂隙网络和垮落带的运动特征,建立了溃水溃砂定性和定量的评价方法,提出了溃水溃砂主动防控方法等。最后,提出了顶板溃水溃砂机理及防控应该重点解决的关键科学和技术问题,包括建立顶板溃水溃砂工程地质数字孪生模型,揭示溃水溃砂通道形成机理,建立反映溃水溃砂全过程运动方程,加强监测预警技术、实际赋存环境模型试验技术、高效注浆关键设备等关键技术和设备研发等。

平朔安太堡三号井工矿突水机理初探

针对平朔安太堡三号井工矿突水灾害,通过地质分析、河道渗漏观测、钻探、抽水试验等综合方法,依据井上、井下水中NO3-,NO3--N等离子特征分析了井下突水机理,研究了井下突水与地表平鲁区生活排污水、平鲁化肥厂排水及矿井排水之间的内在关系,初步查清了富水区及强富水带,为矿井防治水提供了依据。

高位离层突水诱导工作面切顶压架灾害预警研究

为解决永陇矿区特厚含水层高位离层突水导致的综放工作面大面积切顶压架灾害预测预报难题,采用含水层水位连续监测和工作面矿压实时监测方法,基于3起突水压架实例分析了含水层水位-工作面矿压的联动效应,从大周期步距、支架工作阻力与动载系数、支架增阻速率、安全阀开启率以及长观孔水位降速6个关联指标,对综放工作面切顶压架灾害预警指标合理阈值进行了研究。研究表明:含水层水位下降-工作面大面积来压-突水压架具有显著的时序性和联动性,并划分了前兆性预警指标和实时性预警指标,并提出了切顶压架两阶段预警方法和两级预警-防治机制。通过现场应用验证了该预警指标及方法的正确性与适用性。研究对陕西永陇、彬长等矿区高位离层水害及切顶压架灾害预警和防治具有借鉴价值。

含砂层开采顶板突水溃砂机理的细观数值模拟研究

为研究含砂层开采顶板突水溃砂的细观机理,运用PFC2D数值模拟软件分析顶板突水细观机理。模拟结果表明,当工作面由60 m推进至80 m时,顶板最大下沉量增幅最大,约为65%;最大孔隙率由0.170变为0.270,增幅最大,约为58.8%;裂隙的最大长度增幅比较大,裂隙扩展到含水层,导致顶板发生突水,水流带走含砂层中细小的颗粒,随着渗流力的增加,最后可能导致较粗的颗粒也会流失,引起顶板发生大范围的突水溃砂。通过数值模拟分析提出了顶板突水治理对策,为现场预防和治理顶板突水提供借鉴。

赵各庄矿水文地质分区及涌水特征分析

通过对赵各庄矿历年开采中涌水状况及其分布、涌水与地质构造、采动效应等的关系研究,提出了赵各庄矿涌水具有分区特点:山前区(带)以奥灰水及地表水渗漏、逆掩导致顶板破裂、断层切割贯通底板砂岩含水层和采空区及塌陷坑积水引发异常涌水为主;在埋藏深度更大,地层产状变缓的井口区附近至南部开平向斜轴展布处区域内,则具潜在严重涌水风险的区域为特征。由此,将赵各庄矿划分为2个水文地质区:山前水文地质区(Ⅰ)与平原水文地质区(Ⅱ),并进一步细划为5个亚区,提出了开采深度达1200m以深为主的Ⅱ3亚区,判定断层切穿奥灰和突水系数大于0.1MPa/m的区域的能否实现安全开采,是该矿亟待解决的问题。

托板式突水对综采工作面的危害及防治

托板式突水是在没有水源的情况下发生的煤层顶板突水灾害,给矿山水害防治带来很大困难。以唐家河煤矿综采工作面发生的顶板水灾为例,对托板式突水进行了探讨。通过分析该工作面地质及区域水文地质条件,认为该工作面发生的突水为上覆岩层在采煤过程中,因岩层沉降形成的储水空间。储水空间吸收、储存大量的大气降水在工作面推进到一定位置,就会发生突水。根据突水赋存特点,提出相对防治水措施。

突水点立体图解法识别煤矿顶板突水水源

井巷突水点是局部复杂水文地质条件最真实、可靠的动态揭露和信息载体;当实际揭露水文地质条件与勘查结果差异较大或表现出不同于区域水文地质背景的异常特征时,有限的突水点是快速、可靠推断突水源和解释突水原因重要依据。突水点立体图解法实质为水文地质图解法。本文利用有限突水点的水平、垂直方向立体图解推测山西元堡煤矿顶板含水层富水标高、圈闭顶板富水区、识别突水含水层、揭示顶板意外突水原因。元堡煤矿顶板水突水源为井田北西单斜贮水构造山西组底部砾岩段和下石盒子组底部中~粗砂岩含水层水,与底板水及奥灰水无直接水力联系,具有可疏性;元堡煤矿顶板突水已经将富水标高由+1 170 m降至+1 140 m。立体图解法的优点是充分利用井巷突水信息,在来不及或避免大规模水文补勘或试验的条件下快速、可靠识别突水源。