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。

Analysis on the Characteristics and Laws of Tunnel Hydraulic Inrush in Karst Area

As highways are extended to deep mountains,high altitudes,and special geological conditions,tunnel construction becomes more and more challenging,especially the construction of tunnels in karst areas.Due to the particularity of the regional geological structure,karst is well developed in the southwest of our country,especially at areas where the problem of tunnel water inrush in karst areas is more prominent.To further ensure the safe construction and operation of tunnels,the characteristics of tunnels in karst areas is analyzed in this article.

Transformer Internal and Inrush Current Fault Detection Using Machine Learning

Preventive maintenance in the transformer is performed through a dif-ferential relay protection system,and it protects the transformer from internal and external faults.However,the Current Transformer(CT)in the differential protec-tion system mal-operates during inrush currents.CT saturates due to magnetizing inrush currents and causes false tripping of the differential relays.Moreover,iden-tification of tripping in protection relay either due to inrush current or internal faults needs to be diagnosed.For the above problem,continuous monitoring of transformer breather and CT terminals with thermal camera helps detect the trip-ping in relay due to inrush or internal fault.The transformer’s internal fault leads to high breathing process in the transformer breather,never for inrush currents.During inrush currents,CT temperature is increased.Continuous monitoring of breather and CT of the transformer through thermal imaging and radiometric pix-els detect the causes of CT saturation and differentiates maloperation.Hybrid wavelet threshold image analytics(HWT-IA)based radiometric pixels analysis of the transformer breather and CT after de-noising provides an accurate result of about 95%for identification of the false tripping of differential protection system of transformer.

采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制

随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征,系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。研究结果表明:①随着工作面不断推进,底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通,形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径,并随着冲蚀时间增加,最终发展成为数条优势导水通道,造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。②随着渗流时间增加,断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定3个阶段,冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。③在研究矿区地质条件下,为预防发生断层突水,可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法,超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前,若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。

Identification of Mine Water Inrush Source Based on PCA-BP Neural Network

It is of great significance to analyze the chemical indexes of mine water and develop a rapid identification system of water source, which can quickly and accurately distinguish the causes of water inrush and identify the source of water inrush, so as to reduce casualties and economic losses and prevent and control water inrush disasters. Taking Ca2+, Mg2+, Na+ + K+, , , Cl-, pH value and TDS as discriminant indexes, the principal component analysis method was used to reduce the dimension of data, and the identification model of mine water inrush source based on PCA-BP neural network was established. 96 sets of data of different aquifers in Panxie mining area were selected for prediction analysis, and 20 sets of randomly selected data were tested, with an accuracy rate of 95%. The model can effectively reduce data redundancy, has a high recognition rate, and can accurately and quickly identify the water source of mine water inrush.

Study on Mechanism of Water Inrush of Karst Tunnels

Water inrush,which is one of the challenging issues and hot topics in the tunneling industry,is very easy to occur during the construction of karst tunnels.The mechanism of water inrush of karst tunnels is discussed and analyzed in the paper:the water inrush of karst tunnels is generally divided into three steps,i.e.,the forming of the hazard source,the forming of the water inrush passage and the failure of the anti-inrush rock mass.The failure of the anti-inrush rock mass of karst tunnels are classified into 5 types,i.e.,the integral tensile-shear failure,the hydraulic fracturing,the infiltration induced sliding of the filling medium,the loss of key blocks and the comprehensive water inrush mode.The failure mechanism is studied on basis of typical cases and by means of numerical simulation or theoretical analysis.Conclusion is drawn that most of the water inrushes in actual tunneling are comprehensive water inrushes,which are the comprehensive results of the interrelation and interaction of various water inrush types,and that different types of water inrushes have related continuity and progressive evolution relationships under certain conditions.

柔性低频输电系统的主变稳态负序差动保护

为了解决常规纵差保护难以适用于低频系统的问题,通过分析低频系统的序分量抑制策略,并根据低频系统故障进入稳态后单侧有负序注入的特征,提出一种基于稳态负序分量的主变差动保护方法。为防止该差动保护在区外故障时因电流互感器饱和出现误动,通过对比分析三类制动电流计算方式的制动性能,得到了差动保护的制动方程和制动系数。为解决励磁涌流、电流互感器断线可能导致误动的问题,提出了相电压突变量的差动保护开放条件。仿真分析表明,该方法能够灵敏反映区内金属性故障及轻微故障,在区外故障伴随电流互感器饱和时有可靠的制动裕度。

煤矿采动覆岩离层水害致灾因素勘查与预测评价

采动覆岩离层突水在我国各地矿区均较为常见且危害性较大,现有的规范中鲜有针对离层水害的具体工程地质和水文地质勘查方法。探索煤矿离层水害工程地质水文地质勘查与评价方法,能够推动我国矿井水害防治水平进一步提升。首先从煤矿采动覆岩高位离层水害孕灾机制出发,分析了离层水害从孕灾到致灾的工程地质条件,将我国现有的离层水害归纳为3种典型类型:离层动力突水、离层静水压涌突水和离层携泥砂突水。然后,确定了“水源”“通道”“力源”和“物源”为控制离层水害类型与强度的关键隐蔽致灾因素,将位于传统导水裂隙带以上,可发生离层突水的复合层位称为采动覆岩“突水离层带”,并提出了煤矿采动覆岩“突水离层带”的判别流程,划分勘查阶段,指明勘查要点。煤矿离层水害采前勘查应包括2个阶段:①开展覆岩基本工程地质和水文地质条件勘探,评估勘探区离层水害的可能性并确定潜在“突水离层带”的层位;②将“突水离层带”和“物源”层作为勘查目标层,开展离层水害致灾因素专项勘查,评定离层水害类型和强度。回采期间对水动力条件和覆岩裂隙演化进行探查。最后,基于离层水害致灾因素互馈演化致灾机制,建立了适用于采动覆岩离层水害的矿井区域预测综合评价模型,提出了全矿井/采区尺度的区域危险性分区、采前工作面突水位置判定及涌水量预计的煤矿采动覆岩离层水害预测评价方法。

考虑铁心结构的三相变压器励磁涌流和角型绕组环流分析

基于三相组式、五柱式和三柱式铁心结构变压器的磁路特征和运行方程,首先,提出运用星形侧零序电流和电压来拟合角型绕组环流的数值方法,并进一步研究不同铁心结构变压器的角型绕组环流和励磁涌流的特点;然后,进行软件仿真和现场录波以验证该数值方法的有效性,可判断三相组式和五柱式变压器的各相绕组差流即为对应相的励磁涌流,而三柱式变压器某相的绕组差流并不是对应相的励磁电流;最后,进一步的理论分析与仿真验证表明,在3类铁心结构的变压器从星形侧空载合闸时,星形侧任意两相的线电流之差可以认为是这两相等效磁路的励磁涌流之差。研究结论可以为不同铁心结构三相变压器的励磁涌流识别提供依据。

励磁涌流引起换流变瓦斯继电器误动的振动及油流特性研究

在实际直流输电工程中,换流变压器在空载合闸时产生的励磁涌流导致其瓦斯继电器误动的事故频发,由于对励磁涌流下换流变压器振动及其油流特性的研究不足、故障机理不明确,瓦斯继电器误动等事故时有发生。为此,本文以某实际换流站中换流变压器网侧绕组空载合闸为例,搭建换流变压器励磁涌流电磁暂态模型,分析不同剩磁及合闸角下的换流变压器励磁涌流波形;搭建换流变压器电磁-力-流耦合的有限元模型,研究涌流作用下换流变压器的振动特性,箱体及油管内油流压强及流速特性。研究成果可为换流变压器瓦斯继电器在励磁涌流下的误动故障机理的分析提供有效参考。

隧道突涌水灾害缩尺物理模型试验研究综述

随着我国经济的快速发展,隧道工程建设越来越多地面临着大埋深、高地应力、高地温、高渗透压力等复杂地质环境,运用物理模型试验开展复杂环境下隧道突涌水灾变机理与安全防控研究已成为岩石力学的热点问题。结合近年来国内外针对隧道突涌水灾变缩尺物理模型试验开展的研究工作,重点对该类物理模型的流固耦合相似理论、相似材料研制、渗透压加载方法等内容进行了系统梳理,并对下一步的可能发展方向进行展望。参考部分文献和突水典型案例后,总结了流固耦合相似准则和高地应力下的相似准则、相似材料选用方案及材料配比、试验中的水压加载方案,认为未来关注的重点包括考虑温度场的物理模型试验相似准则的研究和涌水涌泥与突水突泥间渐变过程的研究2个方面。

基于正弦同源-概率空间协同互补的涌流闭锁方案

为了取消正弦相似性原理中的最小二乘法等中间环节,获得直接固定标准正弦波形所需要的能量信息。借鉴时域概率分布的方法论,从优势互补的角度出发,设计了一种基于Wasserstein距离算法的变压器励磁涌流闭锁方案。该方案采用特征离散化的方式,提取目标对象和模板信号并转化为状态向量作为样本标签,以此来判别两者之间的能量分布差异,从而达到正弦场景同源识别的效果。理论分析与仿真结果表明,该方法实现简便,不需要频域计算。相比于现有正弦相似性原理,降低了保护流程的复杂程度,具有更强的实际应用价值和速动性能。通过PSCAD/MATLAB平台对现场合闸的录波数据进行测试分析,验证了所提方案对促进变压器保护性能的积极意义。

超深基坑岩溶超大突涌水封堵抢险治理技术

在岩溶地区开挖超深基坑,当岩溶埋深较小且地下水较丰富时,基坑易发生底部突水、涌泥、涌砂等险情,严重时可造成基坑坍塌,直接影响周边环境安全。在地质条件复杂、岩溶发育、突涌水量大且险情紧急的情况下,外围帷幕注浆结合内部突涌水点反压封堵的常规封堵抢险方法见效慢、耗时久、成本高,突涌水无法快速封堵,险情无法快速排除。为此结合广州市综合交通枢纽地铁车站35m深基坑底部岩溶发生1000m3/h超大突涌水抢险工程,采用双液浆2层囊袋式内封堵注浆技术,在基坑内对突涌水点直接进行钻孔注浆封堵,利用囊袋保证双液浆可快速凝固,第1层囊袋封堵钻孔和涌水点,第2层囊袋封堵钻孔旁的岩溶孔洞、裂缝等,上下层囊袋互相补充,并对溶洞底进行双液注浆堵漏,防止浆液流失。工程实践表明,治理大涌水量、高水压的基坑岩溶突涌水时,双液浆2层囊袋式内封堵注浆技术具有易操作、直接、快捷、针对性强的特点,可实现快速有效注浆、快速抢险的目的。

富水裂隙围岩隧道涌水量计算方法与规律分析

富水裂隙区隧道涌水量预测精度较差,涌水问题尚未得到较好的解决。针对此问题,视裂隙围岩及注浆区为非均质各向异性介质,初期支护及二次支护结构为均质各向同性介质,构建了裂隙围岩下隧道涌水简化计算模型,基于地下水力学理论及流体质量守恒定律推导了富水裂隙区隧道涌水量计算公式。通过退化分析及案例工程现场实测数据验证了构建富水裂隙区隧道涌水简化计算模型的合理性及涌水量计算式求解的正确性,最后基于解析解揭示了各特征参数对富水裂隙区隧道涌水的影响规律,探讨了富水裂隙区隧道涌水机制。结果表明:理论计算值与现场实测值最大相对误差为8.1%,验证了构建模型的合理性及公式推导的正确性;隧道涌水量随裂隙最大宽度的增加而增大,受堵水结构的联合制约,两者近似呈线性关系;注浆区厚度与隧道半径比值在2倍以内时,隧道涌水量受注浆区厚度的影响显著;富水裂隙区隧道涌水受裂隙分布规律及支护结构的制约,应重视对裂隙分布的调查。

煤矿“Y”型断层分支底板断裂力学判据及模拟研究

【目的】断层分支作为主断层的一部分普遍存在,不易引起人们重视,但断层分支是引起突水的主要因素之一。【方法】以安徽刘庄煤矿为工程地质背景,在考虑Mohr-Coulomb准则岩体压剪断裂判据基础上,建立断层分支渗流与应力双重影响下的断裂力学灾变模型,分析得出断层分支发生劈裂破坏时的临界水压及断层分支到底板破碎区最小安全距离,研究断层倾角、最小主应力、主断层长度和渗透水压对临界水压及最小安全距离的影响规律和主控影响因素,并模拟分析断层分支在采动影响下塑性区及渗流场的演化特征,开展现场压水试验的验证工作。【结果和结论】结果表明:(1)断层分支倾角越大越易发生突水;最小主应力越大,断层分支裂隙越不容易发生扩展;(2)当主断层倾角为60°且断层分支与主断层夹角为60°时,模拟分析结果显示在工作面推进至断层分支正上方位置时,断层导升通道整体活化贯通;当工作面推过断层分支正上方10 m后,断层分支尖端裂隙与工作面底板破坏带贯通并引起底板突水;(3)通过现场压水试验验证了理论计算的正确性,证实断层分支会造成底板裂隙提前与断层相互贯通,引起工作面出水。研究结果可为煤矿采场底板含此类断层分支时的防水煤柱留设提供一定参考。

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。

基于灰色关联分析的断层突水阶段化感知方法

为提升煤矿断层水害感知水平,提出一种以断层活化演变机制和关键控制因素识别的断层突水阶段化感知方法,通过断层突水演化过程相似模拟试验研究工作面底板与断层破坏的演化特征,以底板破坏带应力、断层裂隙带应力、导水通道内水压等为阶段监测参数,揭示各监测参数与涌水量变化的阶段特征;结合灰色关联性分析法,判定断层突水阶段转化的关键控制因素,进而根据断层突水分析与研究过程,提出断层突水阶段化感知方法。结果表明:底板破坏带、断层裂隙带的应力,导水通道内的水压等监测参数的数值变化特征在断层活化突水过程中呈现出明显的阶段特征,控制因素与涌水量的灰色关联度排序为:底板破坏带应力>断层裂隙带应力>导水通道水压,通过对关键控制因素的识别,可实现断层突水阶段的感知,揭示基于灰色关联分析的感知方法在原理上具备可行性。

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。

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。

煤岩体突水通道骨料灌注运移堆积机制试验

为揭示突水通道中骨料运移堆积的演化规律,开展了动水条件下骨料灌注试验,得到了骨料的初始沉积位置、堆积体形成方向以及堆积体极限堆积高度与水流速、骨料灌注速度等影响因素的内在关联。结果表明:在1.0 m/s高流速动水环境中,骨料堆积体形成方向为先逆水流方向生长至投料孔底后转为顺水流方向生长;在0.3 m/s低流速条件下,采用口径36 mm漏斗投料同口径18 mm相比,骨料灌注总量相同时,其堆积体的极限高度提升了41%。基于数值力学模型——计算流体动力学-离散元方法(computational fluid dynamics and distinct element method,CFD-DEM),研究了骨料灌注期间突水通道内流场的时空分布特征以及骨料堆积体的过水阻力作用对突水通道内静水压力的影响机制。