矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望

矿井掘进工作面地球物理方法超前探测要求准确探测巷道前方地质异常体,探测空间小,干扰大,技术要求高。从方法原理、研究现状、技术特点和仪器设备4个方面对地震方法、直流电法、瞬变电磁法、其他物探方法用于超前探测进行了总结。介绍了近几年来地球物理方法在地质构造、岩层含水性超前探测以及仪器研制等方面的最新进展,包括地震精细成像、槽波超前探测、瞬变电磁波场转换与合成孔径、直流聚焦法超前探测、磁共振超前探测、井下陷落柱等超前探测以及全空间反演和联合反演等技术。围绕提高超前探测的精度、分辨率、抗干扰能力和增加探测距离,实现精细探测,提出了掘进工作面地球物理方法超前探测的发展方向,包括完善全空间物理场基础理论、开发新技术新方法以及提高探测精度和分辨率的精细数据处理方法等。探讨了仪器装备要向实时预报、智能化、一体化、防爆、轻便化、抗干扰等方向发展。

基于镜像模型的矿井瞬变电磁全空间反演研究

常规的瞬变电磁反演用半空间响应乘以全空间响应系数来拟合观测数据,具有一定的局限性;直接进行全空间反演,瞬变电磁场的空间不可分性会导致反演结果的不稳定。针对以上问题,提出了基于镜像模型的矿井瞬变电磁全空间反演方法,编制了反演程序。对低阻模型、受巷道后方高阻影响的低阻模型、受巷道后方低阻影响的低阻模型进行了反演试算,结果表明:基于镜像模型的全空间反演方法能够准确反演出掘进工作面前方的低阻地质异常体,巷道后方的高阻体不会影响对前方低阻地质异常体的判断。

矿井瞬变电磁法电阻率偏低原因分析与校正方法

矿井瞬变电磁法由于采用多匝小回线工作装置进行发射和接收,实测视电阻率与大地中实际岩层电阻率相比存在严重偏低问题,给资料解释带来困难,探测深度也随之降低。通过数值模拟和现场试验,分别研究了半空间和矿井全空间条件下瞬变电磁法偶极装置观测信号随收发距的变化规律,发现收发距在20 m内变化二次场信号变化很小;随收发距增大,实测信号在双对数坐标系中呈线性衰减。理论分析表明,实测信号主要为发射线圈与接收线圈之间的互感信号和大地中感应二次场的叠加,其中互感信号强度远大于大地中感应的二次场,是造成电阻率偏低的主要原因。然后,基于互感电动势随收发距变化的规律,考虑到二次场信号在20 m收发距内变化很小,提出了利用两次不同收发距观测数据进行互感消除和二次场提取方法,推导了相关计算公式,实现了偶极装置矿井瞬变电磁法实测视电阻率偏低的校正。最后,通过半空间和全空间探测实例应用,验证了方法的有效性。

矿井TEM与地震联合反演导水陷落柱的试验研究

陷落柱对煤矿安全生产威胁极大,矿井TEM和地震勘探是2种主要的导水陷落柱探查方法,矿井TEM对富水性敏感,地震勘探空间分辨率高,为了充分利用2种方法各自优势,提出了基于矿井TEM和地震联合反演的导水陷落柱精细探测方法。首先,提出了基于镜像2D电阻率模型和全空间1D TEM正演算法的矿井拟二维(Pseudo-2D)TEM反演算法。矿井Pseudo-2D TEM反演算法既满足交叉梯度联合反演算法对2D模型的需要,又具有较快的反演计算速度。然后,通过去掉常规联合反演目标函数中的地震正演项,只在交叉梯度项中保留地震波阻抗模型参数,建立了单向交叉梯度联合反演算法。在单向交叉梯度联合反演算法中,地震波阻抗模型只对TEM反演进行约束,电阻率模型不对地震反演进行约束,地震波阻抗反演可以通过商业软件完成,TEM反演采用矿井Pseudo-2D TEM反演算法。通过对地震波阻抗模型进行双三次插值处理,实现地震波阻抗模型和电阻率模型之间的模型网格匹配。通过基于K-means算法的地震波阻抗模型聚类分割处理方法消除地震波阻抗模型中的次要结构变化,增加联合反演稳定性。最后,建立了含导水陷落柱地质-地球物理模型,采用有限差分方法分别进行了3D矿井TEM和3D地震勘探正演计算,对正演模拟数据进行了单独反演和联合反演计算。结果表明:联合反演能够同时重建理论模型的形状和电性特征,联合反演结果不仅具有较高的空间分辨率,而且能够反映陷落柱的富水性,优于单独TEM和单独地震方法反演结果。相比传统联合反演方法主要应用于大尺度目标体探测或浅地表成像,基于矿井TEM和地震的单向交叉梯度联合反演方法可以实现大深度小尺度目标体的精细探测。

新阶段煤矿安全生产标准化管理体系建设与效果研究

为研究煤矿企业安全生产制度的发展历程,文章归纳了煤矿安全生产标准化建设的历史演变,并根据近几年来煤矿安全生产标准化检查现状,结合2020年国家煤矿安全监察局颁布的《煤矿安全生产标准化管理体系基本要求及评分方法》和标准化体系建设在煤矿企业的应用效果,总结分析其在建设过程中的缺点与不足。研究表明,新阶段我国煤矿安全生产标准化管理体系建设在不断完善,建设效果良好,未来也需要更加完善,煤矿企业应切实落实安全生产标准化管理体系建设。

掘进工作面直流电法超前探测技术问题探讨

直流电法是目前煤矿掘进工作面超前探测的主要方法,探测效果直接关系煤矿安全生产,对其探测效果有必要做进一步的研究。针对球壳理论,建立了点电源一侧含异常体模型并计算了三维电位值,分析了点电源一侧存在异常体时,在点电源另一侧的电位分布情况,建立了掘进工作面前方不同距离含立方异常体和无限大板状异常体模型;通过数值模拟计算,研究了视电阻率异常范围和异常体实际大小的关系,以及视电阻率异常位置与异常体实际位置的关系;对位于测线不同位置的异常体模型进行了数值模拟计算,研究了该方法对测线前方和对测线下方异常体的探测灵敏度;建立了典型含水体探测模型,进行了仿真计算,并基于几何交汇原理成图,探讨了典型含水体探测效果;最后介绍了2个典型的未成功探测工程实例,将探测结果和前方已知地层富水情况进行了对比说明。研究结果表明:点电源一侧存在异常体时,在点电源另一侧不会产生突变的异常,球壳理论应用计算结果不是太理想;视电阻率异常范围远大于异常体实际大小,视电阻率异常位置与异常体实际位置亦不对应;超前探测结果主要为巷道底板而不是巷道前方地质情况的反映;直流电法巷道掘进工作面超前探测方法探测精度和分辨率均较低,成果图中难以有效识别异常体的大小和位置,现有掘进工作面直流电法超前探测方法的探测原理和数据处理解释方法有待进一步研究。

富水泥化巷道支护失效机理与稳定性控制技术研究

以淮南张集煤矿1722(1)运顺外段为背景,分析富水泥化巷道支护失效工程地质诱因,采用数值模拟方法对富水泥化巷道支护失效进行分析,得出原有常规锚网索支护存在垮冒隐患,需进行支护参数优化。继而提出2种优化补强加固支护方案。

基于时移高密度电法的覆岩精细探测方法研究

地下煤层开采引起上覆岩层变形破坏,对变形破坏范围进行精细探测,可以为煤矿安全高效绿色开采提供技术保障。本论文分析了基于时移高密度电法的覆岩精细探测原理,建立了采前和采后三维地质地球物理模型并进行了数值仿真计算。结果表明:覆岩变形破坏在电阻率变化率断面图中呈沙漏形异常,孔口位置约为裂隙带和弯曲下沉带的分界线,裂隙区相对压实区为电阻率变化率高正异常区。同时,进行了现场试验,发现电阻率变化率断面图中浅部异常主要受沉陷裂隙和降水影响,沉陷裂隙形成电阻率变化率正异常,降水形成电阻率变化率负异常;结合沙漏形异常形态和关键层层位,确定了裂隙带发育高度为98 m,探测结果得到了钻探结果验证。

浅埋薄基岩含水层下煤层开采突水溃砂相似模拟实验研究

综合考虑含水层赋存、开采地质力学条件及煤岩体结构特征,自主研发了突水溃砂气液联动相似模拟实验装置,该设备包括含水层煤系地层模拟装置、气液联动调控装置和水压水量监测装置,设计最大注水压力80 k Pa,监测水压力精度1.0 k Pa,水位精度1.0 mm。通过神东矿区浅埋薄基岩含水层下煤层开采突水溃砂相似模拟实验,研究了采动煤岩体裂隙发育及突水溃砂导水通道分布特征,结果表明:沿工作面推进方向,突水溃砂通道发育过程划分为裂隙渐次发育阶段、裂隙贯通阶段和突水溃砂通道形成3个阶段;覆岩破断及突水溃砂区域划分为覆岩裂隙渐次发育区、水砂侵入区和水砂侵入阻断区3个区域。

大断面泥质巷道顶板离层突变垮冒演化相似模拟实验研究

针对大断面泥质软弱夹层巷道掘进顶板离层失稳垮冒控制难题和现有离层相似模拟实验装置存在的不足,根据精密位移传感原理自主研制了巷道顶板离层模拟实验监测装置,并对该监测装置进行可靠性综合测试。结果表明:位移传感器监测形变量与相似模拟巷道开挖离层量呈良好线性关系,测量误差控制在±2%。通过平朔矿区大断面泥质巷道掘进顶板离层相似模拟实验,研究了顶板离层渐进发育至突变致灾演化全过程并提出离层安全临界值节点判据,研究表明:1)离层划分为渐变趋稳型离层和突变致灾型离层2类;2)离层渐进发育至突变致灾演化全过程可划分为裂隙发育离层孕育、离层急剧扩展、离层渐进趋稳和离层突变垮冒4个阶段;3)离层值达到渐变趋稳临界值之前,即刻进行合理补强支护能维持巷道围岩稳定,若仅依靠现有支护方式,当离层值达到突变致灾临界值后,巷道将发生失稳垮冒事故。巷道顶板离层模拟实验监测装置及实验结果为潜在失稳巷道离层突变失稳判据及合理补强支护时机的确定提供了实验条件和决策参考。

风氧化带内综放开采覆岩变异特征与矿压显现规律研究

以平朔集团井工三矿风氧化带内综放开采实测矿压资料为依据,分析得出风氧化带内顶煤及覆岩强度低、结构疏松、塑性大、亲水性强、泥化程度高、自稳性能与承载能力显著降低等变异特征。风氧化带内开采,周期来压步距缩短,来压期间支架最大工作阻力、非来压期间平均工作阻力均增大,但支架动载系数减小。其地质力学诱因是风氧化围岩裂隙发育,松软破碎,煤岩体泥化,加之底板浮煤辅助压缩,形成的"软弱垫层"效应,导致支架增阻现象不明显。并分析了工作面支架运转特性,评价了支架对风氧化围岩的适应性。

浅埋薄基岩煤层覆岩应力效应及变形破坏分析

研究浅埋薄基岩煤层开采后在采空区上方形成的导水裂隙带范围对保水开采具有重要意义。基于煤层开采后地表移动和岩体内部移动的内在联系,采用随机介质方法,将地表移动的基本参数应用于岩体内部移动规律的研究中,建立了上覆岩层移动变形力学模型,推导了煤层开采后采空区上方岩层内的位移、应变和应力的数学表达式,分析了上覆岩层变形破坏的影响因素和破坏力学机理。在此基础上,给出了浅埋薄基岩煤层开采覆岩隔水层的破坏判据,为浅埋薄基岩煤层保水开采提供理论依据。

富水泥化巷道渐变破坏机理与局部失稳控制技术

针对祁东煤矿南翼运输石门围岩富水泥化难以维护的问题,采用工程地质调研、数值模拟、现场实测方法对巷道支护失效机理和支护方案进行了分析。结果表明南翼运输石门的支护失效机理是泥质围岩弱化效应和岩石流变渐进破坏作用;为改善围岩自身承载能力,实施了"锚网索注"联合支护方案。数值模拟与工程实践表明,实施锚网索注联合支护后,与原锚网喷支护方式相比,巷道围岩变形量平均缩减55.75%,对富水泥化巷道稳定性控制效果显著。

瞬变电磁场有限差分与数字滤波双模型三维正演方法

瞬变电磁场数字滤波算法计算时间短,精度高,但难以实现三维正演计算;有限差分算法可以实现三维正演计算,但计算时间长,当模型网格剖分数量不足时计算精度较低.结合三维有限差分正演算法和一维数字滤波正演算法各自优势,提出双模型三维正演方法,可以减少计算时间,提高计算精度.首先,给出了瞬变电磁场三维有限差分正演算法和一维数字滤波正演算法.然后,通过理论分析和公式推导,提出了通过三维有限差分正演算法计算异常场,通过一维数字滤波算法计算背景场,然后叠加得到总场的双模型方法,并给出了具体计算公式和流程.最后,建立了经典的Newman均匀介质含低阻长方体模型,以及Commer层状介质含垂直接触带模型,分别采用双模型方法和常规三维有限差分算法进行了正演计算,对计算结果进行了对比分析.结果表明:在相同模型网格数量条件下双模型方法计算精度显著高于常规三维有限差分算法;双模型方法可以通过较少的模型网格数量取得高精度的计算结果,从而可以在保证计算精度的前提下显著提高计算效率.