煤炭精准开采背景下的矿井地质保障_中国煤炭行业知识服务平台

煤炭精准开采背景下的矿井地质保障

专题紧紧围绕6个主题进行报道，即：① 煤炭深部开采地质保障;② 煤炭勘查及开采阶段致灾地质因素探查与预测;③ 采空区及关闭煤矿地质体属性探测与建模;④ 煤炭地下气化炉选址评价与生产动态监测;⑤ 煤系多种资源勘探开发与利用;⑥ 关闭煤矿资源再开发利用与生态修复中的地质问题。

行业视野: 地质
类别; 146个
关键词; 150位
专家; 31篇
论文; 38801IP
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高瓦斯矿井采煤工作面瓦斯地质分级评价方法与实践

作者(Author)：郭晨, 夏玉成, 孙学阳, 王生全, 王社荣, 杜荣军, 解海军, 许珂

摘要：瓦斯灾害是制约我国煤矿安全生产的主要灾害类型，在当前煤炭精准开采背景下，如何在工作面尺度实现瓦斯地质分级评价与风险精准识别，成为保障高瓦斯矿井安全、高效生产的关键。韩城矿区位于鄂尔多斯盆地东南缘渭北石炭—二叠纪煤田，构造条件复杂，瓦斯含量高且瓦斯动力现象频发，但工作面尺度瓦斯地质及致灾风险缺乏精细研究，对实际生产指导性不足。基于此，本文立足韩城矿区瓦斯地质条件，基于适用性与可行性原则优选煤层埋深、厚度、煤体结构、构造变形、绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量共6个参数作为基本指标，厘定其分级评价阈值标准;基于多层次模糊数学评价原理，提出了包括评价参数体系确立与分级、隶属函数与权重确定、数学模型构建、地质成图与分区评价等流程的工作面瓦斯地质分级评价方法。在此基础上，以桑树坪矿4321回采工作面为例，对其进行网格剖分，耦合单因素地质指标计算瓦斯地质分级评价指数，结果显示该工作面瓦斯地质条件差异显著，可划分为Ⅰ型有利区、Ⅱ型相对有利区、Ⅲ型相对不利区和Ⅳ型不利区，分区结果与实际地质条件具有较好的一致性，煤层构造变形及煤体结构破碎是制约工作面安全回采的主要地质因素。建立的工作面多层次模糊数学瓦斯地质分级评价方法符合当前煤炭精准、安全开采的现实需求，对其他高瓦斯矿井和构造煤区瓦斯地质保障具有借鉴意义。

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煤炭学报

2019年第08期

1026

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淮北许疃矿抽采后瓦斯含量损失影响因素分析及预测

作者(Author)：汪吉林, 翟建廷, 秦勇, 王琳琳, 琚宜文

摘要：抽采后残余瓦斯的存在对于矿井生产依然具有危险性，研究残余瓦斯的赋存规律及其预测是十分必要的。分析了淮北煤田许疃煤矿3233采区地质条件，通过断层分维、煤层底板构造曲率和煤层倾角等指标的计算和统计，并分别赋予0.35,0,35和0.30的权重，计算得到研究区的构造指数及其分布，根据选取的42组数据，讨论了构造指数、煤层埋深、煤厚和原煤瓦斯含量等影响因素对抽采残余瓦斯赋存的影响，运用多元线性回归方法，拟合了瓦斯含量损失与构造指数、煤层埋深、煤厚等影响因素指标之间的相关关系，运用BP人工神经网络模型研究了预测抽采后瓦斯含量损失的可行性。结果表明:构造指数可以更精确地定量表征矿井构造复杂程度。瓦斯含量损失的主要影响因素为构造指数、煤层埋深、煤厚和原煤瓦斯含量。瓦斯含量损失总体上与构造指数呈负相关，而与其他因素的指标均呈正相关。经过数理统计的F检验，F=20.82＞F0.01(3,38)=4.35，故多元线性回归的结果是显著的，表明瓦斯含量损失与各影响因素指标之间具有较密切的内在联系，其中构造指数对瓦斯含量损失的影响程度最大，煤层埋深影响程度最小，煤厚的影响程度介于构造指数与煤层埋深之间。以瓦斯含量损失为输出指标，以构造指数、埋深、煤厚和原始瓦斯含量为输入指标，建立了4×10×1结构的BP人工神经网络模型，模型经过学习训练后预测精度高，相对误差为1.19%～1.34%，表明可以运用人工神经网络模型预测未采区抽采后的瓦斯含量损失，残余瓦斯含量即为原煤瓦斯含量减去瓦斯含量损失，故可以间接预测抽采后残余瓦斯含量。

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煤炭学报

2019年第08期

933

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松软煤层可控冲击波增透瓦斯抽采创新实践

作者(Author)：张永民, 蒙祖智, 秦勇, 张志峰, 赵有志, 邱爱慈

摘要：松软煤层瓦斯低成本高效抽采属于世界性技术难题之一，中井煤矿回采工作面规模煤层可控冲击波增透效果为解决这一难题提供了一个成功示范。通过可控冲击波增透煤层钻孔，单孔日均瓦斯抽采量平均提高3.37倍，最高达到6.54倍，瓦斯浓度平均提高2.31倍，增透有效半径可达40～60 m，将原来的难以抽采煤层转变为可以抽采～容易抽采煤层，需要的钻孔工程量只有传统抽采工程的11%～18％。在钻孔直径、冲击能量条件相同条件下，示范区煤层增透的最佳冲击密度在1.0～1.1次/m，增透段长度应大于120 m;在最佳冲击密度条件下，回采工作面抽采孔增透效果主要与抽采开始时机、周围抽采环境有关，巷道掘进暴露越晚以及回采工作面增透孔相互干扰越明显，抽采效果越好。与传统钻孔抽采流量幂指数单调衰减曲线形态不同，增透孔瓦斯流量曲线表现为“两段式”变化的典型特征，其中多数孔第1阶段流量曲线出现类似于煤层气地面井排水降压的流量“峰”，第2阶段流量衰减系数也远远小于对比基准。分析认为，产生上述效果的机理在于两个方面:① 以冲击波增透孔为中心向外，煤层流场由井巷采动流场向冲击波改造流场过渡，大大扩展了原有的有效流场半径，冲击波改造流场类似于地面井煤层流场，可以通过排水降压形式产出煤层瓦斯;② 冲击波改造流场为抽采影响带流场提供了更为充足的瓦斯气源，有效阻滞了瓦斯流量衰减系数的快速降低，显著提高了抽采效果。

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煤炭学报

2019年第08期

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煤矿瓦斯智能抽采理论与调控策略

作者(Author)：周福宝, 刘春, 夏同强, 刘应科, 孙玉宁

摘要：基于瓦斯抽采的安全原则与效率原则，提出了瓦斯智能抽采的原理;建立了瓦斯抽采管网中瓦斯-空气混合气体流动控制方程，以最大瓦斯抽采纯流量为目标函数，建立了瓦斯抽采管网参数的优化模型，分别从瓦斯体积分数、流量以及效能比等参数约束条件定量判定瓦斯抽采安全与效率;以上述模型为基础，针对钻孔抽采区域温度高于临界温度、钻孔抽采纯量低于抽采纯量下限，以及钻孔抽采浓度低于瓦斯安全浓度下限等工况条件展开理论分析和数值计算，提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略，通过协同调整不同抽采钻孔的阀门开度和抽采泵转速，有效提高了抽采瓦斯体积分数、效能比和抽采纯流量，并提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略。最后，设计了由数据感知模块、通信传输模块、数据处理与决策模块、控制模块等部分组成的瓦斯智能抽采系统，开发了基于物联网的智能调节阀门，阀门的感知模块包括温度传感器、瓦斯浓度传感器和气压传感器等，通讯模块将数据上传至云存储端，通过电脑网页和手机客户端实现监测与控制;发明了采用高分子减阻剂提高水环真空泵效率的技术方法，以高分子减阻溶液作为水环真空泵的工作介质，有效降低了液环的湍流损失和流体与泵体过流部件的摩擦损失，并开发了地面全封闭式和井下直注式2种瓦斯抽采泵节能系统，该项技术在山西潞安集团余吾煤业成功应用，节电率和节水率分别达到22.5%和66.7%，为瓦斯智能高效抽采提供了借鉴。

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煤炭学报

2019年第08期

1244

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采煤工作面底板水视电阻率全方位探测方法

作者(Author)：胡雄武, 孟当当, 张平松, 吴荣新

摘要：深部煤层开采受下伏灰岩水害威胁日益严重，探测采煤工作面底板富水区是保障安全生产的一项重要工作。目前，矿井电法是富水区探测的主要手段之一，但存在对富水区定位不准的问题。为进一步提高对采煤工作面底板岩层富水区的判定精度，在充分分析单巷电法和双巷电透视法优缺点的基础上，通过对视电阻率观测与反演方法的改进，提出视电阻率全方位探测方法。以全空间球状模型为例，给出了球状模型外空间中任意三极装置的视电阻率表达式。针对采煤工作面内侧、巷道和外侧底板不同位置的5个低电阻率模型，分别计算了全方位和双巷透视视电阻率数据，通过三维反演分别获得了采煤工作面底板岩层的电阻率图像，对比可见:① 在平面上，前者的低阻核心区与5个模型位置一致;后者的低阻核心区与工作面内侧及巷道底板的3个模型位置一致，而与工作面外侧底板的2个模型位置存在误差，误差系数分别为1.0和2.0，反映工作面外侧模型距离巷道越远，误差则越大;② 在垂向上，两者对模型深度的判定均存在不同程度的误差，但相比而言，前者定位误差小，对模型深度的判定更准确。分析结果表明在全方位视电阻率反演过程中，单巷测深数据与双巷透视数据之间能够相互约束，促使低电阻率球状模型的准确归位，体现了全方位视电阻率探测方法的优越性。工程实践进一步表明了该方法的准确性和可靠性。

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煤炭学报

2019年第08期

948

343
矿井瞬变电磁法的时域矢量有限元三维正演

作者(Author)：张永超, 李宏杰, 邱浩, 廉玉广, 李文

摘要：为拓展矿井瞬变电磁正演对复杂地质模型的适用性，开展了基于时域矢量有限元的三维正演研究。首先，基于时间域麦克斯韦方程组和库仑规范推导了磁矢量势的赫姆霍兹方程，在此基础上结合理想导体边界条件采用Galerkin加权余量法推导了相应的弱形式方程，采用模型适用性强的一阶四面体矢量单元对弱形式方程进行了单元分析，并在单元分析时将回线源视为多个电流元克服了源的奇异性，时间离散则采用步长逐渐增大的向后差分法进行，由此实现了复杂地质模型的矿井瞬变电磁法全波形响应计算。对于均匀全空间模型，有限元数值解和解析解的均方相对误差为0.84%，验证了上述算法的正确性。其次，正演了关断效应的影响，结果表明关断效应会使感应电压升高，关断时间相同时，线性关断波形的影响大于指数关断波形，关断波形相同时，关断时间越长，关断效应的影响越向晚期延伸;线性关断时，电流完全关断之前的感应电压主要由发射回线中的电流变化引起。然后，正演了巷道的影响，结果表明关断时间为0时巷道会使早期的感应电压降低，但对晚期的数据影响很小，且发射回线位于巷道中心时的影响大于回线位于掘进工作面时，回线朝向顶底板或侧帮时的影响程度要大于朝向掘进工作面时，但考虑到实际仪器的关断时间，巷道的影响基本可以忽略。最后，对长方体状积水采空区的水平剖面和垂直剖面响应进行了正演，结果表明积水采空区会使感应电压升高，在水平剖面上最强的低阻异常响应出现在发射回线指向采空区中心时，但在垂直剖面上却出现在发射回线指向顶底板时。

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煤炭学报

2019年第08期

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煤层顶板致灾水体井上下双磁源瞬变电磁响应及应用

作者(Author)：于景邨, 苏本玉, 薛国强, 常江浩

摘要：煤层顶板隐蔽致灾水体是矿井水害之一，矿井瞬变电磁法是探测矿井灾害水源的主要方法之一。由于矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置，发射磁距小，其探测深度不能满足大深度矿井对煤层顶板探测的要求。基于此，提出了井上下双磁源对煤层顶板进行立体探测的新方法。利用有限差分数值模拟技术，对井上(地面)激发，井下巷道接收和井上下双磁源激发，井下接收2种装置瞬变电磁响应进行了对比,结果表明:当顶板含有富水体和不含有富水体时，瞬变电磁响应特征均有明显的差异，主要表现为:在感应电位衰减曲线交叉点左侧，顶板存在含水体时曲线幅值相对较小，而在交叉点右侧幅值相对较大，表明该曲线特征与顶板富水性密切相关。分别采用井上下双磁源激发、巷道接收和井下磁源激发、巷道内接收2种工作方式在某矿进行煤层顶板含水体实际探测，探测结果表明:当煤层顶板富水性较强时，井上下双磁源激发、井下接收与井下激发、井下接收的瞬变电磁响应特征与数值模拟结果一致，交叉点左侧井下单磁源激发的视电阻率值明显低于井上下双磁源激发视电阻率值，而在交叉点右侧情况正好相反;当顶板富水性较弱时，2种情况所测的视电阻率曲线趋势基本一致，实际探测结果与钻孔资料吻合良好，对大深度矿井顶板隐蔽致灾水体的探测提供了一种新的有效探测方法。

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煤炭学报

2019年第08期

973

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基于电性标志层识别的瞬变电磁精准处理技术

作者(Author)：刘最亮, 王鹤宇, 冯兵, 张继锋

摘要：地面瞬变电磁资料解释精度的进一步提高一直是该方法研究的重点内容。以瞬变电磁烟圈效应扩散理论为依据，通过双倍旅程和平均速度概念建立了时深转换方法，以克服瞬变电磁采用简单经验公式计算实测数据时可能出现的深度翻转问题;以三维地震成果数据获取的9号煤层深度作为电性标志层校正标准，采用视电阻率微分极值点识别该电性标志层，通过比值法计算相应瞬变电磁测点的深度校正系数K值，然后采用内插方法得到测区任意点K值，以校正瞬变电磁在计算探测深度时出现的偏差。通过堡子矿钻孔ZKB1-1和ZK201电阻率测井资料分别建立了正演理论模型，计算了瞬变电磁响应，并和钻孔旁瞬变电磁实测数据的视电阻率微分极值对比，结果表明，两者基本一致，能够准确识别电性分界面。以矿区256线和344测线为例说明了电性标志层识别效果，计算了堡子矿全区深度校正系数，对该区资料进行了精细处理，圈定了工作区奥灰顶低阻异常区，以视电阻率为基本参数，分析评价了该区的地层赋水性强弱。根据奥灰顶视电阻率平面图以及地表径流，结合断层构造的分布特征，确定了导水通道存在及位置。最后通过钻孔验证表明:该方法处理探测深度精度误差小于5%，达到了对地面瞬变电磁资料的精细解释。

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煤炭学报

2019年第08期

890

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