祁连山中段北坡最大降水高度带观测与研究

2006年6月至2008年9月,在祁连山中段北坡黑河流域上游进行了降水空间变化的统观测.结果表明：在黑河上游流域中山区,夏季降水量从东向西呈减少趋势,递减率约为80 mm·（100 km）^-1;最大降水高度带位于海拔4 500－4 700 m左右,年降水量为485 mm,该高度带与本区最大相对湿度高度层（海拔4 600 m左右）以及夏季气温零温层高度（海拔4 680 m左右）相一致.研究区域2008年夏季的凝结高度大致位于海拔4 900 m左右,个别降水日的凝结高度可降至海拔4 460 m左右.在最大降水高度带以下的高山和中低山区,年降水量随海拔升高的递增率为17.2 mm·（100 m）^-1,夏季降水量的递增率为11.5 mm·（100m）^-1.

基于等面积高度带划分的贺兰山维管植物物种丰富度的海拔分布格局

山地植物物种丰富度海拔分布格局是生物多样性研究的热点之一。以往研究中一般将山体划分为等海拔间距的高度带,以分析物种丰富度的垂直格局,其缺陷在于因各高度带面积不相等而可比性下降。为消除面积不相等的影响,作者利用数字高程数据(DEM,Digital Elevation Model)在地理信息系统(GIS)工具支持下,尝试将贺兰山(海拔范围1,300-3,500m)划分为等面积的数个高度带,从而分析其物种丰富度的海拔格局。结果表明:(1)贺兰山物种丰富度呈现为单峰式海拔格局,峰值出现在海拔2,000m附近。(2)逐步回归分析显示,坡度异质性是解释物种丰富度海拔分布格局的最优因子。高度带的坡度异质性越大,意味着地形的起伏变化越大,反映出生境类型越趋多样化,从而可维持多个物种的共存。(3)贺兰山植物物种丰富度在海拔2,000m附近达到峰值,可能与植被演变历史、气候条件、地形复杂度、生态过渡带和中间膨胀效应的共同影响有关。(4)对山体进行等面积划带,可直接消除面积不相等带来的影响,与等间距划带的方法相比,尤其在物种海拔分布信息准确度较高时更具优势。

太行山两个最大降水高度带问题探讨

近几年在研究海河流域降水过程中,发现太行山中段东南迎风坡存在两个最大降水高度带,一个在山顶,另一个在低山丘陵。其原因与地貌有关。

倾斜煤层覆岩运移规律及“上三带”高度计算

为分析常村煤矿倾斜煤层覆岩运移规律及“上三带”高度,基于1501综采工作面地质条件,采用理论经验公式对垮落带和导水裂隙带进行计算,利用UDEC数值模拟对采空区煤层顶板覆岩最大主应力分布、覆岩位移和垂向应力分布进行模拟计算,并在工作面设置11条测线,分析不同位置、不同高度覆岩下沉值,通过对比分析,得出“上三带”高度。结果表明:经验公式计算1501综采工作面垮落带范围11.5~26.0 m,导水裂隙带范围42.4~77.0 m;随着工作面宽度的增加,应力集中程度也增加,覆岩位移呈不对称形态。最后在工作面合适位置设计探查钻孔对“上三带”进行探查,结果证实经验公式计算、数值模拟结论与钻探探查成果基本吻合,可以作为工作面安全回采的论证依据。

榆树坡煤矿5^(#)煤首采工作面两带发育高度研究

煤矿开采会造成覆岩的破坏和变形,对煤矿安全生产构成严重威胁。基于晋北宁武煤田巨厚煤层综放开采条件下两带发育高度计算公式误差大、裂采比经验值缺失的情况,采用钻孔冲洗液消耗量分析、孔内窥视和联合微震的综合手段对榆树坡煤矿5^(#)煤首采工作面两带发育高度进行了探查,冲洗液消耗量分析表明两带发育高度最大值为205 m,裂采比为18.64;微震监测得出回采期间顶板裂隙发育高度216~219 m,裂采比19.64~19.91,此结论可为宁武煤田及周边矿区相似条件下的顶板防治水工作提供理论依据。

垮落带和导水裂隙带发育高度实测

在考虑顶板条件进行理论计算的基础上,使用新设备——双端堵水器进行现场实测,利用井下仰上孔分段注水测漏技术方法,更加精确地研究了A煤矿9+10#煤垮落带和导水裂隙带高度发育规律,均达到了较好的效果,为工作面布置与防治水工作提供了重要的参考依据,保证了矿井安全高效生产。

基于UDEC与示踪法对某矿覆岩“三带”高度范围的研究

西北矿区煤炭资源丰富,但煤层区域储量多变,瓦斯赋存量大,地质条件相对复杂。为了确保开采过程中瓦斯得以高效抽采,并有效避免事故的发生,采空区覆岩“三带”的确定与高位钻孔的布置显得十分重要。为准确获取中厚煤层覆岩“三带”的范围,以甘肃某矿15号煤层为工程背景,结合理论公式、数值模拟、示踪技术3种方法进行研究。结果表明,该矿采用3种研究方式测得的“三带”高度范围相差不大,综合分析得出垮落带范围小于6~8 m,断裂带的范围为8~33 m,弯曲下沉带的范围大于33 m。该矿采空区瓦斯抽采钻孔应布置在顶板8~28.2 m处,抽采效果较好。对于矿井现场来说,示踪技术相对经济、快捷,辅助理论公式与数值模拟方法得出的结果更精确。

大采高综采覆岩“两带”高度综合探测研究

为获取大采高综采“两带”高度,促进煤炭资源安全、高效开采,以斜沟煤矿为工程背景,综合运用经验公式预估、现场试验探测和数值仿真计算,对18102工作面8#煤综采时的覆岩“两带”高度演化开展研究。结果表明:拟合得到的经验公式仅考虑了采厚因素影响,用于预测“两带”发育高度存在一定的局限性;现场钻探压水试验和瞬变电磁探测综合探测得到覆岩垮落带高度34.6 m,导水裂隙带高度74.8 m;分析了大采高综采时覆岩破坏高度、围岩应力场变化和位移场变化,“两带”高度数值计算结果与试验探测结果吻合良好。研究结果可为类似条件矿山的顶板管理、露头防(隔)水煤岩柱留设等提供参考。

近距离煤层重复采动覆岩破坏规律及“两带”发育高度分析

为研究近距离煤层重复采动下覆岩破坏规律与“两带”发育高度,预防工作面开采过程中由导水漏风通道引起的工作面顶板漏水、采空区自燃等各种安全事故,以鄂尔多斯市某煤矿为工程背景,采用井下窥视法和数值模拟对近距离煤层开采后覆岩破坏规律以及“两带”发育高度进行分析,揭示了规律形成的原因。研究结果表明:在近距离煤层重复采动影响下,“两带”发育高度远超过上煤层开采,下煤层推进80 m时裂隙带最大发育高度为88 m,与地表贯通形成导水漏风通道;初次采动与重复采动时的裂采比分别为19.33、29.33;裂隙带的发育呈台阶式上升,阶段间的变化表现为激跳形式;覆岩的破坏表现为“拱形→帽形→马鞍形→外O内蝶形”;数值模拟及拟合公式所预测的“两带”发育高度与实测值之间误差率为1%左右,验证了预测的准确性,可为相似工作面的开采以及相似工程提供借鉴。

银星一号井18_(上1)煤层开采覆岩“两带”高度综合探测研究

为测定银星一号井18上1煤开采后覆岩“两带”高度,选取11采区1118上104工作面为测试地点,采用理论计算、地面钻孔冲洗液漏失量法和彩色钻孔电视综合研究“两带”发育高度,并采用数值模拟进行验证。结果表明,理论分析和钻孔探测的“两带”高度分别为14.33 m和51.16 m,为采高的14.04倍和15.50倍。数值模拟得到裂隙带高度50.4 m,与钻孔探测结果相吻合,验证了探测结果的准确性。

银星一号井111211工作面覆岩“两带”高度研究

为确定银星一号井12煤开采后覆岩“两带”高度对上部5煤开采的影响,选取11采区111211工作面为测试地点,采用理论计算、地面钻孔冲洗液漏失量法和钻孔彩色电视综合确定“两带”发育高度。结果表明,钻孔彩色电视影像探查的结果更加准确,可获得不同深度岩层段的裂隙长度和类型。测定111211工作面在采高3.4 m的条件下,垮落带高度12.79 m,垮采比3.76∶1;裂隙带高度53.35 m,裂采比15.69∶1;“两带”发育高度小于与上部5煤的层间距。这为5煤的上行开采提供了指导,也为同类条件的煤层进行上行开采提供了借鉴。

鹰骏三号井田2煤层顶板“两带”高度数值模拟研究

本文针对鹰骏三号井田范围内2号煤层顶板导水裂隙带研究较为薄弱的现状,通过FLAC3D数值模拟揭示了11201工作面上覆岩层移动和破坏规律,预测了2号煤层开采后上覆岩层内“冒落带”和“导水裂隙带”的发育高度,并采用经验公式对其覆岩“两带”高度进行计算分析。研究结果表明,FLAC3D数值模拟计算结果与经验公式结果基本一致,为煤矿防治水及安全开采技术措施制定提供可靠参数。

综采工作条件下覆岩导水裂隙带高度预测模型优化

准确预测导水裂隙带高度是煤炭防治水中的重要问题,也是保障煤矿安全生产的前提。目前,导水裂隙带高度预测模型存在预测准确性差等问题。在广泛收集各地不同煤矿区综采导水裂隙带发育高度实测数据的基础上,总结前人研究成果,选取采厚、工作面斜长、倾角、采深和硬岩比例系数5个因素建立导水裂隙带高度预测模型。同时,采用因素分析法分析了影响因素的权重,确定主控因素,并建立多元线性回归模型、多元非线性回归模型及BP神经网络预测模型,并对预测模型计算导水裂隙带高度进行准确性检验。以西山矿区实测导水裂隙带高度为例,选出最优模型,对最优预测模型BP神经网络模型进行检验分析,并与“三下”规范经验公式、多元线性回归模型和多元非线性回归模型计算结果进行对比。结果表明,“三下”规范经验公式与实际数据存在失真,已不能指导综采条件下导水裂隙带高度预测,而BP神经网络预测模型误差在10%以内,且绝对误差和相对误差较为稳定,同时该模型降低了因素之间的相关性,提高了预测准确性。因此,BP神经网络预测模型在预测导水裂隙带高度方面具有较好的准确性和应用性。研究成果可为指导矿井现场防治水害的工作提供参考建议。

PCA-WNN模型在导水裂隙带高度预测中的应用研究

导水裂隙带是煤层顶板水害的主要通道,准确预计导水裂隙带高度是预测和防治煤层顶板水害的首要任务。基于导水裂隙带发育的复杂性及其影响因素之间的相关性,结合煤矿生产实际和工程地质理论,选取采高、工作面斜长、硬岩岩性比例系数、采深和煤层倾角作为主控因素,利用线性回归拟合及灰色关联分析法分析各主控因素与导水裂隙带发育高度的相关性。将主成分分析(principal component analysis,PCA)与小波神经网络(wavelet neural network,WNN)相结合,通过PCA消除各主控因素间的相关性及冗余信息,构造无相关性的主成分作为WNN的输入因素,建立导水裂隙带高度预测的PCA-WNN模型。结果表明:PCA-WNN模型能有效消除因素间的相关性,预测相对误差为-6.66%~6.13%,平均4.46%,较单纯的WNN模型预测精度高且稳定。将该模型应用于山东新巨龙煤矿1302N工作面,得到了较为准确的预测结果,为导水裂隙带高度预测提供了新方法。

黄陇侏罗纪煤田导水裂隙带高度预测研究

为获得适用于黄陇煤田厚及特厚煤层开采条件下的导水裂隙带高度预测模型,以黄陇侏罗纪煤田为研究区域,以38组导水裂隙带高度实测数据为依据,综合考虑开采厚度、工作面斜长、煤层埋深、覆岩类型、开采方法5个因素对导水裂隙带高度的影响,基于数据驱动构建了适用于黄陇煤田导水裂隙带高度预测的多元非线性回归模型和遗传算法(GA)优化的BP神经网络(GA-BP)模型,并将2种模型应用于孟村矿401101工作面导水裂隙带高度预测。研究结果表明:导水裂隙带高度受多种因素影响,回归模型拟合系数从仅考虑开采厚度的0.52,提高到考虑综合多因素的0.82,模型预测精度随着考虑影响因素数量增多而提高;从数据驱动角度得出黄陇煤田导水裂隙带高度影响因素权重值排序为:开采厚度>工作面斜长>覆岩类型>煤层埋深>开采方法,开采厚度和工作面斜长是其主控影响因素,在开采过程中需加以控制,从而达到煤层顶板水害防治的目的。模型应用结果表明,多元非线性回归模型的最大相对误差为−3.67%,而GA-BP神经网络模型最大相对误差仅为−1.95%,2种预测模型的相对误差均小于5%,其精度能够满足工程实践要求,对于预测精度要求较高时,可选择GA-BP神经网络预测模型。研究成果可为黄陇煤田厚及特厚煤层条件下导水裂隙带高度研究提供一定依据和参考。

神东矿区多煤层开采覆岩破坏及导水裂隙带高度特征研究

掌握煤层开采覆岩破坏规律及导水裂隙带演化特征,是对其进行源头减损设计及采后分区差异化地表生态修复的前提。以神东石圪台矿典型工作面为工程背景,采用自主研发的模拟试验平台开展多煤层开采覆岩破坏及其自修复特征研究,并揭示了导水裂隙带高度与工作面宽深比、深厚比的关系,得到了导水裂隙带高度的预测公式。研究结果表明:上层2-2煤开采时,覆岩破坏特征与单一煤层开采时相似;下层3-1煤开采时,由于煤层相对较厚,两煤层间的岩层破坏严重,裂隙发育,且引起2-2煤覆岩发生二次扰动破坏,裂隙进一步发育;两煤层间以及采区边界的岩层裂隙自修复程度较低,自修复难度较大。导水裂隙带高度随宽深比的增大总体呈降低趋势,随深厚比的增大总体呈上升趋势,并与实测数据进行对比验证。

煤层群开采覆岩运移规律及“三带”高度确定

为研究煤层群开采条件下覆岩移动规律及“三带”分布范围,基于神东布尔台煤矿42106工作面概况,采用相似模型物理实验方法模拟了2-2煤及4-2煤2层煤先后开采的覆岩移动变化特征,分别就覆岩垮落特征、应力变化、岩层下沉量3个方面进行了对比分析。结果表明:上煤层工作面开采结束后,覆岩破坏程度整体较低,应力峰值主要存在工作面超前影响区域,存在块体铰接等现象;下层煤开采后裂隙带与上层煤采空区沟通,导致复合煤层采空区的断裂带远大于上煤采后的断裂带,应力相比上煤层整体较大,且顶板下沉量显著增大,覆岩历经离层、离层增大,最终闭合3个阶段。通过观测点数据测量确定了42106工作面“三带”高度,并在现场进行钻孔监测,验证了相似物理模拟结果的合理性。

厚煤层顶板导水裂隙带发育高度研究

为对厚煤层坚硬顶板导水裂隙带发育高度进行研究,以铺龙湾煤矿5106工作面为研究背景,通过2种经验公式计算与钻孔冲洗液消耗量观测法现场实测,得出该工作面的导水裂隙带发育高度分别为48.58 m、54.26 m和64.9 m,裂高采厚比分别为12.46倍、13.91倍和17.93倍。通过3种方法研究得到的厚煤层中硬顶板条件下导水裂隙带发育高度能够有效对矿山生产、支护设计进行技术支撑,可为矿山安全生产提供指导。

工作面顶板导水裂隙带高度观测方法研究

为了保证15108工作面安全高效回采,准确计算上覆裂隙水导水裂隙带高度,避免15^(#)煤顶板砂岩及其灰岩水对回采影响。白羊岭煤矿通过技术研究,决定采用井下导高观测技术进行顶板导水裂隙带高度观测,通过数值模拟及现场观测结果确定15^(#)煤层上覆含水层导水裂隙带高度为27.5 m,为后期探放水施工提供依据。

坚硬覆岩预裂弱化改性效应及导水裂缝带控制机理

针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法。综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证。研究结果表明:预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现“马鞍形”破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现“缓增−突增”的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现“S”形,而中位弱化呈“半抛形”,综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂缝带发育机理;钻孔实测孟村矿顶板压裂条件下的“两带”发育高度,对比发现预裂弱化条件下裂采比降低,初步验证了顶板预裂弱化对导水裂缝带发育的抑制性。研究成果将为深部矿区耦合灾害防控、水资源及生态保护等领域提供理论和科学依据。