煤层采动底板突水物理模拟试验研究进展与展望

【目的】底板突水受特定地质构造、水-岩-应力及采掘扰动等因素叠加作用影响,具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获取灾变各阶段多源数据信息,因而在底板突水研究方面具有独特优势。【结果和结论】对底板突水经典理论、标准规范、模拟试验及工程实践等方面的研究成果进行了回顾,重点梳理了试验加载装置及水压模拟方式、相似材料研制及其特性指标、监测技术及其观测系统设计3个方面的研究进展,其中在模拟水-岩-应力耦合环境下的三维模型底板突水全过程信息捕捉方面有较大突破。面对数智化研究大背景,分析当前底板突水物理模拟试验领域存在的不足,并据此指出未来应重点关注大型三维底板突水综合试验平台研制、基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立、多相多场多维耦合监测预警系统构建、人工智能等数智化技术融合应用研究等发展方向。提出的思考有助于从装置、材料、技术等方面提升未来物理模拟试验水平,从而更好支撑煤矿底板水害数智化防治基础研究工作高质量发展。

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。

基于微震监测技术的煤矿底板突水预警研究

煤矿底板突水是矿山生产中的主要灾害之一,其破坏性极大,因此,研究有效的突水预警技术具有重要意义。以董家河煤矿22517工作面为例,构建了微震监测系统,并对底板进行突水预警。监测数据显示,该煤矿的底板微震事件总共有191个,其中能量超过1000 J的微震事件仅为18个,占全部微震事件的9.63%,同时,该系统检测到的底板破坏深度约为11.01 m,与底板钻孔声波仪测试计算的数据仅相差0.22 m。这些数据可以说明研究所提出的微震监测技术能够有效预测煤矿底板的突水事故,起到了良好的预警作用,为煤矿开采作业的水害风险防范提供了可靠的技术支持。

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。

静动载作用下巷道底板突水过程及关键致灾因素模拟

针对静动载联合作用下巷道底板突水问题,结合工程实例采用数值模拟软件FLAC^(3D)构建模型,从应力场、位移场及破坏区共同耦合作用角度出发,分析了动静载叠加作用下的底板突水通道形成过程及作用机制,探讨了关键致灾因素对巷道底板突水的作用程度。研究结果表明:静载与动载应力场叠加,导致底板应力集中程度和范围在深度方向扩大;巷道底板受动载作用后破坏深度和范围加大,有效隔水层厚度减少,底板突水的风险性增加;巷道底板突水通道的形成主要与动载幅值、持时及承压水水压有关,其中动载幅值对突水作用程度较大,当动载幅值超过临界值时,巷道底板破坏深度显著增加;持时的增大使得动载作用的时间特征减弱,更加接近于静载作用,巷道底板发生拉伸破坏的可能性降低;承压水水压的增大,使得作用在巷道底板下岩层的有效应力减小,岩体强度降低,底板破坏深度增加。采用单因素分析法对比发现,各致灾因素对底板突水的影响程度依次为:动载幅值>动载持时>承压水水压。

基于改进变权模型的煤层底板突水危险性评价

在目前煤层底板突水评价模型中,变权模型解决了常权模型中权重不变所导致的主控因素指标值被其他指标中和的问题,凸显了主控因素指标值突变的控制作用特征。但变权模型中状态变权函数区间划分不符合正态分布规律,同时,调权参数的确定过于繁琐。针对此,对现有变权模型进行改进,首先将状态变权函数区间由四段式,调整为符合正态分布的三段式,即惩罚区间、不惩罚不激励区间、激励区间。其次,通过分析主控因素指标值归一化累积频率确定变权区间阈值,并分别选取累积频率界限值25%、75%对应值作为各区间的阈值dj1、dj2。最后,通过对调权参数赋初值、微调整,确定最终调权参数,从而构建煤层底板突水的变权评价模型。以三交煤矿5号煤层为例,应用改进的分区变权评价模型对目标煤层底板突水脆弱性进行评价,并与常权评价模型评价结果进行对比分析,发现突水危险区整体分布趋势一致,但局部断层突变处存在明显差异,表明变权模型有效凸显了断层对突水的控制作用,较好地刻画区域底板突水情况,较符合实际。

煤层底板突水多源信息综合评价系统设计开发与实现

多源信息融合评价技术是煤层底板突水预测的重要手段,该方法在应用过程中存在专业技术要求高、评价过程复杂繁琐且智能化水平不足的问题。根据突水危险性评价技术流程特点,系统阐述煤层底板突水多源信息综合评价系统的设计原则、设计思路、开发模式和开发方式。构建具有普适性的煤层底板突水评价指标体系、权重计算方法和危险性评价模型等系统核心功能。以GIS技术为基础支撑,依托Visual Studio开发平台,合理调用三方控件(WindowsForm控件、DevExpress控件、ArcEngine控件),引入随机森林机器学习方法,集成开发从数据处理、存储、权重运算、专题图制作到评价结果可视化输出等多功能一体化的煤层底板突水危险性综合评价系统,实现从源数据到评价结果可视化呈现的“一”系统,使煤层底板突水评价技术更加简便和高效,解决了现有技术依赖多平台计算、评价步骤分离化大且智能化水平低的问题。

基于区间变权和未知测度理论的煤层底板突水危险性评价

随着华北型煤田开采深度不断增加,煤炭开采过程中的水文地质条件及突水主控因素日趋复杂多变,各主控因素与评价结果之间相互联系的模糊性和不确定性更加难以刻画,致使底板突水预测的难度精度不断增加。本文以某典型华北型煤田矿井为例,基于实际水文地质资料及钻探数据,充分考虑含水层水文地质特征、隔水层工程地质特征及软弱结构面发育特征,遴选含水层水压、单位涌水量、隔水层厚度、泥岩占比、岩体质量指数、层理面数量、构造复杂程度7个因子构建综合评价体系。利用组合赋权法及区间变权理论确定指标变权权重,并基于未知测度理论构建综合评价模型,对煤层底板突水危险性进行精细评价。与常权-未知测度理论、区间变权-物元可拓两种模型的评价结果对比显示,区间变权-未知测度理论的权重确定、隶属度计算更加合理,评价结果更加符合矿井地质条件及开采实际。井田范围内底板突水危险性为弱、较弱、较强、强的区域面积占比分别为2.26%,54.81%,38.05%,4.88%,底板突水危险性总体上较弱,危险性较强的区域集中在断层密集发育地带及隔水层薄弱区域。

带压开采煤层底板突水危险性评价及防治措施研究

为有效提升带压开采煤层底板突水防治效果,对带压开采煤层底板突水危险性进行有效分析,提出危险性评价要点和具体防治措施,取得比较好的防治效果,以期为相关人员提供参考。

煤层底板突水水量预测及注浆改造技术

以基岩裂隙水运移的基本理论Chezy定律为基础,建立承压水正常涌水量的数学模型,提出利用Lagrangian法计算涌水量,应用Bernoulli能量方程计算矿井突水量的公式。计算结果表明,计算突水量与实际突水量的相对误差仅1.04%。针对焦作矿区大部分矿井煤层底板发生突水的实际情况,提出采用底板含水层注浆改造,防止底板突水事故。注浆孔位置主要决定于裂隙的发育程度、裂隙的走向,而注浆孔间距取决于浆液的扩散半径。最后,分析注浆压力和注浆量等注浆参数,并研制高压止水器,可解决注浆钻孔提前出水止水的难题。

基于小波神经网络的煤层底板突水非线性预测方法研究

针对煤层底板突水系统为一非线性动力学系统的特性,并在考察目前煤层底板突水预测方法的基础上,给出利用小波神经网络对煤层底板突水进行预测的可行性和优越性;阐述了小波神经网络的基本原理;提出和分析了基于小波神经网络的煤层底板突水预测模型及算法;并通过实例证明,应用小波神经网络解决煤层底板突水预测的可行性和优越性。研究及实践表明:小波神经网络的预测精度更高、更准确。

煤矿底板突水危险性投影寻踪综合评价模型

煤矿底板突水问题是一个复杂系统 .提出了基于投影寻踪方法综合分析的新思路来探求煤矿底板突水机制 ,建立了突水危险性综合评价的投影指标函数 ,并采用实码加速遗传算法来优化模型参数 .实际应用于肥城矿区底板突水危险性的综合评价 ,取得了理想的结果 ,且结论与层次分析法吻合 。

煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用

梁北煤矿已发生5次寒武系灰岩底板突水事故,造成重大经济损失。根据矿井的水文地质条件,建立了煤层开采的FLAC数值模型,利用岩石力学及渗流力学理论,分别模拟了无断层和有断层条件下煤层底板采动破坏带的演化规律,重点讨论了断裂深度及断层空间位置对底板破坏深度的影响。结果表明,断层的存在可使底板采动破坏深度增加20%~33%,断层是突水重点防范区域,遇断层前10m直到过断层15m须加强防治水工作。根据模拟结果设计了梁北矿11041,11151,11111三个工作面底板的注浆加固工程,重点注浆层位分别为底板破坏范围和寒武系顶部裂隙发育带,注浆工程增强了底板的阻水能力,实现了工作面的安全回采。

翟镇煤矿下组煤开采底板突水危险性评价

为了安全开采翟镇煤矿下组煤,利用多元信息复合方法,对煤层开采底板突水危险性进行了评价。利用Surfer的多元信息复合功能,综合考虑多种因素,对突水系数法进行了修改,构建了适合本矿井的突水指数模型。利用该模型,以11煤为例对全井田开采危险性进行了分区,分为突水危险区、较危险区和安全区。结果表明:底板突水是多种因素共同作用的结果,底板承压含水层的富水性起决定性作用,地质构造起控制作用,水压力、采矿压力是动力条件,隔水层起制约作用。利用分区结果,指导矿井下组煤安全开采。

电阻率法动态监测煤层底板破坏变形规律研究

为解决煤层底板突水的难题,采用电阻率法动态监测、现场观测及理论分析的方法对工作底板应力分布及底板破坏规律进行研究,得出电阻率变化与开采对工作面底板扰动的关系,以唐口煤矿4309工作面回采过程中底板电阻率监测资料为基础数据,得出工作面底板扰动的动态变化规律。结果表明:开采扰动在时间上具有压缩—膨胀—恢复的动态变化特征,在空间上具有随底板深度增加而逐渐减弱的特性。

基于LSTM神经网络的煤矿突水预测

针对煤层底板突水预测问题,在总结现有突水预测方法和理论的基础上,通过特征选择实验得出水压、距工作面距离、砂岩段厚度、煤层厚度、煤层倾角、断层落差、裂隙带、开采面积、采高、走向长度是影响突水发生的主要因素,这些因素具有复杂、非线性的特点。提出基于长短时记忆(LSTM)神经网络构建的突水预测模型,将煤矿突水实例的数据作为样本数据对模型进行训练。最后,将LSTM神经网络模型与遗传算法–反向传播(GA-BP)神经网络模型和反向传播(BP)神经网络模型进行对比实验。实验结果表明,LSTM神经网络模型在测试集上的预测正确率更高,稳定性更好,更适用于煤层底板突水预测。

基于PCA_Fuzzy_RF模型的煤层底板突水预测

针对煤层底板突水问题,提出了基于主成分分析、模糊数学和随机森林的一种新预测模型。首先通过主成分分析将6个影响因素(水压、采高、隔水层厚度、断层落差、煤层倾角、断层距工作面距离)进行降维,提取4个主成分因子,其次对主成分因子进行模糊化,作为随机森林模型的输入变量,建立基于PCA_Fuzzy_RF的煤层底板突水预测模型。利用华北矿区实测资料的50组数据作为PCA_Fuzzy_RF模型的训练数据,10组数据作为测试数据,并将预测结果与BP神经网络及Fisher模型进行对比分析,结果表明,PCA_Fuzzy_RF模型的误判率为0,适用于解决煤层底板突水问题。

应力作用下煤层底板关键隔水层渗透性分析

为了对煤层底板关键隔水层的渗透性进行分析,利用瞬态渗透法进行了全应力-应变-渗透性试验。分析了各关键隔水层在应力作用下的应变-渗透性曲线,研究了不同岩石的渗透变化规律。结果表明,渗透性由大到小依次为:粉砂岩、铝土岩、泥岩、灰岩。影响岩石渗透性的因素除岩性外,还有围压大小及其变化速率、原生裂隙及后期裂隙扩展方式、贯通方式等。

基于GIS技术的煤层底板突水危险性综合评价

介绍了一种基于GIS多层叠加技术的煤层底板灰岩水突水危险性的综合评价方法。在研究井田底板突水影响因素的基础上,采用GIS技术建立GIS信息图层和空间属性数据库,编绘成以评价指标为主题的各种地质专题图件,进行GIS图层信息采集,然后利用多层次模糊综合评价的方法进行叠加分析,得出研究区构造复杂程度综合评价结果图。并以卧龙湖煤矿首采区10煤层底板突水危险性综合评价为例具体说明了该方法的评价体系。

底板突水机理研究综述

针对我国煤炭进入深部开采导致底板突水日益严重的现象,系统地介绍了国内外底板突水机理研究历史与现状,阐明了底板突水机理理论研究经过了相对隔水层、突水系数、"下三带"理论、原位张裂与零位破坏理论、板模型理论、强渗通道说、岩水应力关系说、关键层理论、"下四带"理论等发展历程。在阐述各种理论的基本概念基础上,总结和评述了其实际应用价值和理论研究不足之处,指出我国在矿井底板水防治理论研究方面正经历着是一个从实践到理论,再从理论到实践不断发展的过程,同时强调了底板突水机理是一个需要不断深入研究的难题,将非线性理论应用到该领域将是今后发展方向。