Study on the non-linear forecast method for water inrush from coal seam floor based on wavelet neural network

Directing at the non-linear dynamic characteristics of water inrush from coal seam floor and by the analysis of the shortages of current forecast methods for water inrush from coal seam floor, a new forecast method was raised based on wavelet neural network （WNN） that was a model combining wavelet function with artificial neural network. Firstly basic principle of WNN was described, then a forecast model for water inrush from coal seam floor based on WNN was established and analyzed, finally an example of forecasting the quantity of water inrush from coal floor was illustrated to verify the feasibility and superiority of this method. Conclusions show that the forecast result based on WNN is more precise and that using WNN model to forecast the quantity of water inrush from coal seam floor is feasible and practical.

Influential factors and control of water inrush in a coal seam as the main aquifer

In this paper, a combination of field measurement, theoretical analysis and numerical simulation were used to study the main control factors of coal mine water inrush in a main aquifer coal seam and its control scheme. On the basis of revealing and analyzing the coal seam as the main aquifer in western coal mine of Xiao Jihan coal mine, the simulation software of PHASE-2D was applied to analyze the water inflow under different influencing factors. The results showed that water inflow increases logarithmically with the coal seam thickness, increases as a power function with the permeability coefficient of the coal seam, and increases linearly with the coal seam burial depth and the head pressure; The evaluation model for the factors of coal seam water inrush was gained by using nonlinear regression analysis with SPSS. The mine water inrush risk evaluation partition within the scope of the mining field was obtained,through the engineering application in Xiao Jihan coal mine. To ensure the safe and efficient production of the mine, we studied the coal mine water disaster prevention and control measures of a main aquifer coal seam in aspects of roadway driving and coal seam mining.

RESEARCH ON DEEP COAL SEAM MINING FLOOR STARTA WATER BURSTING INFLUENCED FACTORS BASED ON ANALYTIC HIERACHY PROCESS

Deep coal seam mining floor strata water bursting is a complicate nonlinear system, whose factors are coupling and influencing themselves. It built the analytic structure model for deep coal seam mining floor strata water bursting, the judgment matrix was found by the expert scoring method, the contribution weights of the influenced factors were given out by the equation analytic process. The thirteen controlling factors and five main controlling factors were put award by analyzing weights, so the result was basically conform to the field practice. The expert scoring method and analytic process can convert the objective fact to the subjective cognition, so it is a method that can turn the qualitative into the quantitative. This can be relative objectively and precisely to study the question of many factors and grey box.

Predicting the height of water-flow fractured zone during coal mining under the Xiaolangdi Reservoir

It is very important to determine the extent of the fractured zone through which water can flow before coal mining under the water bodies.This paper deals with methods to obtain information about overburden rock failure and the development of the fractured zone while coal mining in Xin'an Coal Mine.The risk of water inrush in this mine is great because 40%of the mining area is under the Xiaolangdi reservoir.Numerical simulations combined with geophysical methods were used in this paper to obtain the development law of the fractured zone under different mining conditions.The comprehensive geophysical method described in this paper has been demonstrated to accurately predict the height of the water-flow fractured zone.Results from the new model, which created from the results of numerical simulations and field measurements,were successfully used for making decisions in the Xin'an Coal Mine when mining under the Xiaolangdi Reservoir.Industrial scale experiments at the number 11201,14141 and 14191 working faces were safely carried out.These achievements provide a successful background for the evaluation and application of coal mining under large reservoirs.

Risk assessment of fault water inrush during deep mining

With the gradual depletion of shallow coal resources,the Yanzhou mine in China will enter the lower coal seam mining phase.However,as mining depth increases,lower coal seam mining in Yanzhou is threatened by water inrush in the Benxi Formation limestone and Ordovician limestone.The existing prediction models for the water burst at the bottom of the coal seam are less accurate than expected owing to various controlling factors and their intrinsic links.By analyzing the hydrogeological exploration data of the Baodian lower seam and combining the results of the water inrush coefficient method and the Yanzhou mine pressure seepage test,an evaluation model of the seepage barrier capacity of the fault was established.The evaluation results show the water of the underlying limestone aquifer in the Baodian mine area mainly threatens the lower coal mining through the fault fracture zone.The security of mining above confined aquifer in the Baodian mine area gradually decreases from southwest to northeast.By comparing the water inrush coefficient method and the evaluation model of fault impermeability,the results show the evaluation model based on seepage barrier conditions is closer to the actual situation when analyzing the water breakout situation at the working face.

新集矿区深部1煤层底板奥灰岩溶突水危险性评价

奥灰岩溶裂隙含水层是影响华北型煤矿深部开采的重要水害,在水-岩相互作用下奥灰含水层易导致煤层底板突水。为进一步认识奥灰岩溶突水问题,文章以新集矿区深部1煤层开采为例,利用矿区近些年最新积累的奥灰钻孔资料,选取断层强度指数、断层交叉点与尖灭点、含水层水压、富水性、隔水层等效厚度、脆塑比7个因素作为奥灰岩溶突水的主控因素,并结合层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)确定各主控因素影响权重。运用地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析功能建立各主控因素专题图,通过对专题栅格图归一化处理,将各主控因素按照权重进行空间复合叠加,最终获得1煤层底板奥灰岩溶突水危险性评价分区结果。将评价结果与突水系数法计算结果对比分析可知,基于GIS的煤层底板突水危险性评价方法更符合矿区实际地质情况,可以为矿区深部煤层开采与水害防治工作提供参考依据。

陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术

陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总结区域水文地质结构特征,界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布,论述典型水灾的形成机理及特征,并提出了相应的防控技术。研究表明:(1)陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区,陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害,局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。(2)陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成,导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水,部分区域充水强度较大,在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾,在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害,导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾,当含水层下部隔水层厚度较大时,可能形成离层溃水灾害,当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时,会引发极为严重的底板突水灾害,该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。(3)各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等,底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。

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。

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。

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。

基于微震监测的九龙矿底板突水预测

煤层底板突水是危害矿井安全的一个重要灾害问题之一,为了煤矿的安全生产,现利用微震监测技术进行煤矿底板突水预测,为其提供较精准的预测信息,以九龙矿15449S工作面开采过程为背景,运用微震监测技术对九龙矿15449S工作面底板进行了监测。监测结果表明:九龙矿15449S工作面底板的整体趋于稳定,微震事件主要分布在了工作面隐性裂隙带区域、水仓施工扰动区域、深部奥灰事件区域、突水预警区域、奥灰径流带区域5个区域。其中隐性裂隙带的存在,导致工作面涌水量不断升高,对回采工作造成了困难;深部奥灰事件反映了地下水流场的变化,为突水预警提供了依据,且在其他工作面突水前的14 d内,在微震监测区域已经监测到异常;发现异常区域与奥灰径流带导通,并在工作面逐渐逼近的过程中趋于活跃,极有可能使隐伏构造活化为导水通道,应作为重点防治水地段。该成果可为九龙矿安全开采提供技术支撑。

基于ZOA CNN GRU模型的煤层底板突水等级预测

针对传统循环神经网络煤层底板突水等级预测模型存在预测精度低、模型参数过多造成模型训练速率下降和出现过拟合现象等问题,引入斑马优化算法对卷积神经网络和门控循环单元神经网络的组合模型进行优化,建立ZOA CNN GRU神经网络煤层底板突水等级预测模型。为验证模型的可行性,采用九龙矿区煤层底板突水数据对模型进行训练,并将所建模型和CNN GRU神经网络以及GRU神经网络进行对比分析。研究结果表明:与CNN GRU神经网络和GRU神经网络模型相比,ZOA CNN GRU神经网络模型预测准确率最高,达到98%,且ZOA CNN GRU神经网络模型稳定性、泛化能力均优于对比模型。

黄陇煤田典型特厚煤层综放开采涌水机理与导水裂隙带发育规律

黄陇侏罗纪煤田厚煤层开采导水裂隙带发育高度大,易导通上覆白垩系洛河组巨厚砂岩含水层,区内青岗坪煤矿回采期间出现典型的“脉冲式”涌水特征,给矿井的安全回采造成严重影响。以青岗坪煤矿42105综放工作面为研究对象,采用3DEC离散元模拟、钻孔冲洗液漏失量、综合物探以及钻孔电视相结合的实测方法,对工作面回采过程中覆岩导水裂隙带和离层发育规律进行研究,探究该典型地质条件下矿井的涌水机制与导水裂隙带发育特征。结果表明:42105工作面导水裂隙带受覆岩周期性垮落影响不断向上发育,洛河组孔裂隙砂岩静储水不断释放,间歇性涌入工作面,形成幅值稍低的“脉冲式”涌水;在采动影响下巨厚砂岩含水层内不断出现离层,导水裂隙带导通砂岩含水层离层积水区,致使涌入工作面的瞬时涌水量突增,形成幅值较高的“脉冲式”涌水。结合现场钻孔冲洗液漏失量实测、综合物探以及钻孔电视结果,揭示了青岗坪煤矿洛河组孔裂隙砂岩静储水与离层水叠加影响的“脉冲式”涌水机理,确定导水裂隙带的最大发育高度为316.83~333.00m,裂采比为30.17~31.71。研究结果对于类似地层条件下矿井涌水的防治和安全高效回采具有指导意义。

大变幅加卸载下特厚煤层底板断层突水机理模拟研究

特厚煤层采场空间大、扰动范围广,强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法,准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系,得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程;以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则,建立塑性位移与强度劣化关系,建立加卸载韧性断裂本构关系;基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础,结合浸没边界方法,形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学-有限离散元CFD-FDEM耦合程序,模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明:CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形,最深位于断层及其上盘(48.6m),最浅位于断层下盘(23m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力,而后在采空区内大幅卸载,导致该位置出现显著二次破坏,并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。

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。

深部开采环境下底板隔水关键层深梁力学分析

【目的】随着矿井开采深度增加,来自高承压岩溶水威胁增大,导致煤层工作面出现涌水、突水等水害现象,分析深部开采环境下煤层底板隔水关键层抵抗水压力强度是解决这一现象的重要内容之一。【方法】为解决此问题,将隔水底板简化为岩梁模型,并运用深梁理论解决深部开采突水预测中的岩梁模型问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,根据深梁弯曲力学特点,结合前人研究成果,将深梁条分成浅梁,通过弹性力学单根浅梁受力分布形式假定层间挤压应力σy为三次函数,给出深梁弯曲应力求解的条分技术,并将计算结果与弹性力学解、FLAC3D模拟结果进行对比。【结果和结论】结果表明,深梁条分解得到的应力及位移与数值解结果趋势更为接近,计算结果更为精确,相对误差均在10%以内,同时,随着条分层数增加,精度也增加,但提高幅度逐渐降低,因此,工程应用中针对深部岩梁模型条分到一定程度即可;随着高跨比不断增加,精度误差也在增加,说明条分层宽度不宜过大,否则造成误差增加;底板隔水关键层实例表明,当隔水关键层高跨比大于0.2时,为典型的深梁问题,常规弹性力学的最大拉应力求解结果误差较大,相对误差达到40.6%,给正确判定关键层突水危险性带来不利影响,此时采用深梁条分法求解应力精度较高,可为深部煤层底板突水预测研究起到重要的指导作用。

矿井煤层底板承压水危险性评价及治理方案分析

煤矿地下突水问题不仅会干扰正常的采矿作业和采矿效率,还会增加煤矿安全工程的投入,甚至会导致严重的煤矿透水事故,严重威胁煤矿开采人员的人身安全。文章以我国某煤矿为例,对该矿开采面的突水危险性进行分析和评价,并利用综合探测、疏水降压和注浆加固技术对该煤矿煤层底板承压水问题进行治理,取得了较好的防治效果。