编者按:为促进煤矿水害防治技术领域的基础理论研究、应用基础研究及学术交流,陕西省煤矿水害防治技术重点实验室(依托中煤科工西安研究院(集团)有限公司)特设立开放基金项目,瞄准煤矿水害防治及煤矿水资源保护亟需解决的关键科学需求和重大工程技术问题,构建产–学–研–用研发体系,形成实用的煤矿水害防治及煤矿水资源保护基础理论、技术,促进煤炭安全高效绿色智能开采以及防治水技术在其他行业扩展应用等。我刊设立专题对开放基金项目成果进行系列报道, 本期为第一期专题,选登论文5 篇,通过专题报道,以期引起高校、科研院所、企业相关研发技术人员更多关注,进一步推进开放基金工作。
煤层底板突水多源信息综合评价系统设计开发与实现
李博1, 2, 3, 4, , 罗玉岚3, 樊娟1, 2, 郭小铭1, 2, 李梦华3
1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；3.贵州大学 喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025；4.贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025
摘要: 多源信息融合评价技术是煤层底板突水预测的重要手段，该方法在应用过程中存在专业技术要求高、评价过程复杂繁琐且智能化水平不足的问题。根据突水危险性评价技术流程特点，系统阐述煤层底板突水多源信息综合评价系统的设计原则、设计思路、开发模式和开发方式。构建具有普适性的煤层底板突水评价指标体系、权重计算方法和危险性评价模型等系统核心功能。以GIS技术为基础支撑，依托Visual Studio开发平台，合理调用三方控件(WindowsForm控件、DevExpress控件、ArcEngine控件)，引入随机森林机器学习方法，集成开发从数据处理、存储、权重运算、专题图制作到评价结果可视化输出等多功能一体化的煤层底板突水危险性综合评价系统，实现从源数据到评价结果可视化呈现的“一”系统，使煤层底板突水评价技术更加简便和高效，解决了现有技术依赖多平台计算、评价步骤分离化大且智能化水平低的问题。
基于VMD-DBN的矿井涌水量预测方法
刘慧1, 2, 3, , 刘桂芹1, 宁殿艳1, 2, 樊娟1, 2, 陈卫明3, ,
1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；3.中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074
摘要: 在煤矿采掘过程中，因矿井涌(突)水造成的人员和财产损失极为严重。为预防涌(突)水灾害事故的发生，掌握涌水量的发展变化规律，开展涌水预测预报尤其是矿井涌水量的精准预计尤为重要，是矿井水害防治中一项重要的工作任务。为提高矿井涌水量的预测准确性，针对随时间无明显变化规律的涌水量序列，提出了变分模态分解(Variational Mode Decomposition，VMD)和深度置信网络(Deep Belief Network，DBN)相结合的高效时间序列预测模型。首先通过VMD模态分解技术对原始数据进行去噪，将原始矿井涌水量时间序列分解为若干个本征模态函数(Intrinsic Mode Function，IMF)分量，使各个IMF分量都具有原始时间序列在不同时间尺度下的统计学特征量，降低了原始时间序列的强震荡性和非稳定性。其次针对每个IMF分量，分别建立各自的DBN模型进行训练学习，进而建立起相应的预测网络模型。最后融合各分量预测值得到最终结果。结果显示，VMD-DBN的EMA、EMAP、ERMS和R2分别为9.23、0.76%、11.55和0.97，通过与GA-BP、LSTM、VMD-LSTM、RBM、VMD-RBM和DBN模型的预测值进行对比发现，VMD-DBN模型进行矿井涌水量预测具有更高的预测精度。VMD-DBN模型对于涌水量随时间无明显变化规律、且具有较强震荡性和非平稳的工况具有相对明显的优势，丰富了矿井涌水量预测方法，为智慧矿山的安全监测提供一种新型的技术手段，具有一定的理论价值和现实意义。
矿用丙烯酸盐灌浆材料的制备与性能研究
曾娟娟1, 2, 3, 4, , 李惠枝3, 4, 韦代东3, 4, 薛炜3, 4 , 朱开鹏1, 2
1.中煤科工西安研究院 (集团)有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；3.中科院广州化灌工程有限公司，广东 广州 510650；4.广东省化学灌浆工程技术研究开发中心，广东 广州 510650
摘要: 煤矿顶板渗漏水治理是采煤过程中难以绕开的难题，化学灌浆是解决这一问题的有效手段。采用合成的丙烯酸镁溶液与交联剂、引发剂、促进剂等为原料制备丙烯酸盐灌浆材料。研究丙烯酸镁浓度、交联剂的种类和用量、引发剂用量对丙烯酸盐灌浆材料凝胶体性能的影响。结果表明：交联剂的种类和用量对凝胶体的性能起决定性作用，与常规的二乙二醇二丙烯酸酯交联剂制备的丙烯酸盐灌浆材料相比，采用甲基丙烯酸二甲氨基乙酯交联剂制备的丙烯酸盐灌浆材料具有更优的综合性能，其固砂体抗压强度大于200 kPa，遇水膨胀率超50%，断裂伸长率高于1000%。该高弹丙烯酸盐灌浆材料兼具优异的可灌性、抗渗性能、抗挤出性能以及与岩样的黏结性能，可用于煤矿顶板渗漏水治理。
煤层底板区域注浆浆液扩散数值模拟及影响因素分析
郭艳1, 2, 3, 4, , 桂和荣3,, 魏久传5, 洪荒6, 郭祥东3, 崔亚利6, 叶爽6, 李俊3, 4
1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；3.国家煤矿水害防治工程技术研究中心(宿州学院)，安徽 宿州 234000；4.中国科学技术大学 地球和空间科学学院，安徽 合肥 230000；5.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；6.安徽恒源煤电股份有限公司煤矿，安徽 淮北 235000
摘要: 地面高压超前区域注浆已成为煤矿水害防治的首选工程方法，注浆浆液扩散机理受到普遍关注，且分支孔间距设计多依赖现场经验，具有一定的盲目性，制约着工程效果及效益。基于淮北煤田恒源煤矿注浆现场实际工况，利用COMSOL Multiphysics软件，开展地面定向钻煤层底板区域高压注浆浆液扩散数值模拟研究及浆液扩散影响因素分析，探讨地面高压注浆浆液扩散机理。结果如下：(1) 煤层底板石炭系太原组第三薄层灰岩(简称三灰)裂隙发育，通过模拟发现，8~12 MPa高压注浆时很可能发生劈裂作用，期间渗透系数增大4~5个数量级。(2) 不考虑重力影响时，以分支孔为中心，浆液向周边扩散距离相等，且在分支孔附近，浆液浓度较大，体积分数达20%以上；考虑重力作用时，水平向浆液扩散范围相对增大，垂向上浆液主要向下扩散，表现为“上短下长”。(3) 浆液扩散模拟得出，扩散范围为41.2 m；浆液扩散范围现场实测显示，扩散范围为38.3~44.0 m，浆液扩散现场实测验证了扩散模型的正确性。(4) 浆液扩散范围与浆液相对密度、静水压力、浆液动力黏度、浆液屈服强度及孔隙率呈负相关，与裂隙隙宽、渗透系数呈正相关。其中浆液相对密度越小，其扩散范围响应越明显；随动力黏度增加，扩散范围减小得越来越慢。研究成果可为煤系底板水害区域注浆治理工程合理设计提供参考，具有较好的参考应用价值。
木里地区煤系天然气水合物储层中CO2封存试验研究
吕文玉1, 2, 3, , 吕超3, 张文忠1, 2, 孙强4, 贾海梁5, 汤理安3
1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；3.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；4.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；5.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054
摘要: 二氧化碳地质封存(CGS)是减少温室气体排放和缓解气候变化最有前景的技术之一，以水合物形式将CO2封存在废弃的天然气水合物储层中，能够在CGS中发挥关键性作用。基于青海木里地区煤系天然气水合物储层的基本物性特征，研制水合物储层人造岩心，分析岩心密度、孔隙率及渗透率随石英砂粒径的变化特征。通过低场核磁共振技术研究岩心中CO2水合物饱和度演化特征，阐明水合物生成期间岩心孔隙结构特性。结果表明：随石英砂粒径减小，岩心孔隙率与渗透率呈先上升后下降变化特征；岩心孔径主体分布在0.004~0.050 μm，主要为小孔与微孔孔隙。CO2水合物核磁饱和度变化可划分为4个阶段：初始期、诱导期、合成期及稳定期，合成期内核磁信号强度降低，岩心中水合物饱和度快速增大。水合物生成期间，岩心孔隙体积比例曲线逐渐由两边向中间靠拢，孔隙分布范围逐渐减小，岩心中超大孔孔隙随水合物生成逐渐消失，微孔孔隙对水合物的生成起决定作用。岩心孔隙率越大，水合物生成效率及饱和度相对较高。研究成果为掌握天然气水合物储层中CO2封存机理与封存效率提供科学基础。
