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; 41003IP
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矿井并行电法技术体系与新进展

作者(Author)：刘盛东, 刘静, 戚俊, 曹煜, 吕荣其

摘要：并行电法(Parallel Electrical Method，PEM)是集阵列式、全电极、全波形3种电场(自然电场、激励电场和感应电场)的同步采集和处理于一体的地电场勘探方法，它以时空域地电场的并行测试与并行处理为核心思想:通过每个电极1个ADC及开关装置的集成，实现全部电极的并行激励与采集，获得包括AM法和ABM法两种形式的地电场数据体;按照电极的空间组合与时序关系，解编出激励电流序列和对应的自然电场(零次场)、激励电场(一次场)和感应电场(二次场)的电位响应序列，再根据电位响应与电流激励的传递原理解析出探测介质的电阻抗属性(包括自然电位、电阻率和极化率等参数)，由此实现3种电场信息的并行解析。矿井并行电法(Mine-PEM)充分利用了巷道空间、钻孔空间及其组合形式，进而实现了对煤层顶底板充水水源、导(含)水断层、岩溶陷落柱及注浆改造效果的有效探查，对采动围岩破坏特征及富水异常区的动态检测，以及对地下水渗流演化的实时远程监测及水害超前预警等，这些技术于过去15 a间在全国煤矿防治水领域得到推广应用，发展、形成了矿井并行电法技术体系。矿井物联网技术的普及，使网络并行电法的智能特色得以发挥，实现了矿井地电场定时激励采集与实时动态监测的在线远程控制;双模式电极测试技术(Double-mode Electrode Testing Technique)的引入与应用，解决了常规地电场测试技术(如高密度电法)中激发、接收共用同一电极而导致自然电场、感应电场数据误差大甚或失效的问题，保证了3种电场并行测试数据的有效性;由此，并行电法技术实现了对主动源电法勘探与被动源地电场监测的有效融合，这对矿井灾害源动态、精细探测尤其是水害预警来说意义重大，形成的并行电法国家能源行业标准已得到实施。并行电法不仅可为智能矿山、透明矿山的建设提供技术保障，而且在工程与环境物探领域以及城市地下空间精细探查中也已得到推广。当前，地电场多参数的并行解析与联合反演是其重点研究内容，通过对介质电阻抗成像理论的深入研究，有望为岩土体多相介质多场耦合作用及其演化特征的探查提供有效手段。

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煤炭学报

2019年第08期

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基于钻进参数聚类的含煤地层岩性模糊识别

作者(Author)：张幼振, 张宁, 邵俊杰, 钟自成

摘要：通过钻进参数进行煤矿巷道围岩特征描述可为煤矿安全绿色开采提供地质信息保障。针对煤矿井下坑道钻探中随钻地层岩性识别难度大、精度低的问题，提出了一种基于钻进参数核模糊C均值聚类(Kernel Fuzzy C-means,KFCM)算法的含煤地层岩性模糊识别方法。结合钻进试验台上开展的模拟岩样钻进试验，获得了包括钻速、转速和钻压等敏感钻进参数的训练样本，利用KFCM算法对获取的钻进参数训练样本进行学习，构造钻进参数样本空间并映射到高维空间进行聚类处理。建立了以典型含煤地层分类为目标的聚类模型，采用高斯核函数分别确定了软弱夹层、煤层和泥岩层的分布结构以及对应的聚类中心。其中，对比线性核函数，高斯核函数在垂向上的分类效果符合沉积岩构造的特征，且聚类时间节约了7.2%。进一步基于钻进参数的聚类结果，将钻速作为衡量各类岩石钻进性能的关键参数，通过分析钻进参数数据集的变化规律，建立了钻速与转速、钻压幂函数表达形式的地层岩性预测模型，采用数据插值拟合方法完成了典型软弱夹层、煤层和泥岩层的空间划分。并应用模糊数学方法通过构建钻速的分段三角形隶属度函数，得出样本地层钻速对典型含煤地层钻速的隶属度公式，根据隶属度公式将地层岩性划分为5个级别，实现了对样本地层岩性的模糊识别。在实钻试验中，对提出的模糊识别方法的有效性进行了验证。结果表明，该方法能够在PDC锚杆钻头回转钻进条件下快速识别典型含煤地层岩性，识别的正确率为92%，研究结果为实现煤矿井下巷道隐蔽致灾因素动态智能探测提供了借鉴。

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煤炭学报

2019年第08期

964

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开采扰动下逆冲断层滑动面应力场演化特征

作者(Author)：王宏伟, 邵明明, 王刚, 邓代新

摘要：复杂地质构造与煤矿冲击地压关系密切，也是世界范围内煤矿安全开采的重要课题，断层滑移失稳诱发冲击地压的机理及前兆信息是煤炭安全高效开采的理论前提和重要保障。工作面开采扰动时，以断层滑动面上应力场演化特征为研究对象，通过相似模拟和数值模拟，研究断层滑移失稳时的前兆信息。以义马千秋矿21221工作面为工程背景，建立了F16逆冲断层赋存条件下的水平加载相似材料模型，运用应力监测和声发射监测的手段，分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征，研究了工作面开采过程中断层面上声发射事件数的分布规律;通过建立断层赋存条件下的工作面开采的数值模型，研究了断层区域岩层裂隙发育情况，分析了断层滑移失稳时切应力分布和能量释放的动态演化特征;通过相似模拟和数值模拟中应力场、声发射和能量场的分布规律，总结了断层滑移失稳的前兆信息。研究结果表明:断层滑动面切应力和声发射分布特征表现出3个不同的阶段，即水平载荷施加阶段，工作面开采阶段和断层滑动失稳阶段。载荷施加阶段，断层滑动面不断积聚能量，声发射事件数激增;工作面开采过程中，断层频繁受开采扰动，正应力与切应力两者变化不同步。开采初期，正应力处于较大值而切应力较小。随着工作面的开采，正应力与切应力的变化情况相反，正应力逐渐降低，切应力逐步增大。工作面接近断层时，断层滑动面切应力表现为逐步降低的过程中陡然增加的特征;断层滑动前期，断层构造在失稳前仍然积聚大量应变能，声发射事件数出现较少或者缺失的现象;当岩层垮落诱发断层滑移失稳时，能量在不断释放;断层区域内声发射事件数则在近似恒定不变时突然激增。断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与微震监测中的“缺震”现象较为吻合，即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少，发生后激增的现象。因此，断层滑动面应力和声发射事件数的激增变化特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。

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煤炭学报

2019年第08期

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矿井构造预测及其在瓦斯突出评价中的意义

作者(Author)：姜波, 李明, 程国玺, 李凤丽

摘要：矿井构造是制约煤炭生产的最重要因素之一，不仅直接影响到煤矿生产效率，同时对矿井瓦斯突出和突水等严重威胁煤矿安全生产的地质灾害具有重要的控制作用。因此矿井构造预测与评价不仅是煤矿生产中亟待解决的实际问题，也是一个重要的科学难题。本文较为系统地评述了我国矿井构造预测以及矿井构造对瓦斯赋存与突出的控制作用的研究现状，并以阳泉矿区新景矿为例阐释了依据区域地质背景-矿井构造-煤体变形特征-构造煤发育及其瓦斯特性进行瓦斯赋存与突出预测的研究思路、内容与技术方法。研究表明，20世纪80年代以前矿井构造研究以定性评价和预测为主;20世纪90年代至21世纪初，矿井构造预测从定性的描述到定量评价取得了实质性的进展，但近年进展较为缓慢，指出基于地质实际的数理方法、地球物理探测和计算机技术的多源信息融合预测理论与方法是矿井构造定量预测和评价重要发展方向;分别从断裂、褶皱和层滑构造等方面阐释了瓦斯赋存与突出的构造控制的研究现状，指出目前多限于某些特定因素或静态的分析，而以矿井构造预测为基础，深入剖析矿井构造控制下的不同类型构造煤的发育、演化及分布规律，揭示不同类型构造煤的瓦斯地质特征是瓦斯突出预测的发展趋势;新景矿的实例剖析表明，EW向与NNE—NE向褶皱叠加复合独具特色的矿井构造对构造煤发育和瓦斯赋存具有关键控制作用，揭示了瓦斯非均质性分布的构造动力学机制。

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煤炭学报

2019年第08期

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煤炭精准开采地质保障与透明地质云计算技术

作者(Author)：卢新明, 阚淑婷

摘要：煤炭精准开采的目标是以最少的人力实现煤炭资源的低损失、高产出、无事故、少破坏的全程智能化开采，除了开采工艺、采矿装备、传感感知、物联网、自动化和信息技术外，实现煤炭精准开采的技术关键就是基于四维空间的地质保障和透明地质的云计算技术。全面地论述了煤炭精准开采地质保障的技术内涵和目的，其核心是利用先进的装备和软件实现煤炭开采前、开采中和开采后全矿井地质体和隐蔽属性的精准化、可视化和透明化，并能够对地质灾害和危险源超前预知和防治，从地质层面确保精准开采工作的顺利进行。关于地质保障技术，阐述了地质体几何计算、地质灾害预测预报2个科学问题，凝练了构造地质、煤层地质、地质力学、地质扰动、瓦斯地质、水文地质、透明地质7项云计算技术，同时描述了这些科学问题和关键技术的研究进展。为了发挥地质保障技术在煤炭精准开采中的核心作用，首先，对构造地质精准建模、煤层煤质智能预测、开采扰动破坏分析、瓦斯参数反演和瓦斯灾害预报、水文地质分析和水害预警以及综合地质属性透明化处理等比较困难的科学问题和关键技术给出了解题思路。其次，论述了地质保障软件系统及其应用的云计算架构、主要功能以及在煤炭精准开采中的应用方式，并通过部分应用案例说明了这些技术方案的可行性。最后，指出只要在三轴绝对地应力传感器、宽频段微震传感器、宽量程风速传感器、富水区超前探测、煤层自然发火状态监测和在线水质化验等技术上取得进一步突破，就能为煤炭精准开采提供比较完整的地质保障。

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煤炭学报

2019年第08期

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煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术

作者(Author)：程建远, 朱梦博, 王云宏, 岳辉, 崔伟雄

摘要：随着国家大力推进工业化与信息化融合，煤炭智能精准开采已经成为行业大趋势，众多煤炭企业和科研院所开展了一系列试验研究和工业示范工程。然而，地质条件的适应性不足已经成为制约煤炭智能精准开采的技术瓶颈，迫切需要构建高精度、透明化的工作面三维地质模型。以黄陵煤矿某智能化工作面为例，分析了智能精准开采对地质透明化的时空需求，一方面要确保工作面前方未采区域一定范围内地质条件的“透明化”，另一方面要在采煤机完成一次截割的时间内完成透明化工作面三维地质模型的动态更新。统筹分析工作面地质探测技术现状和智能开采的集控水平，提出了构建透明工作面三维地质模型的总体思路:按照不同的地质、采掘阶段，将回采工作面地质模型分为4个层级，即黑箱模型、灰箱模型、白箱模型和透明模型。在工作面设计阶段，基于地面钻探与采区三维地震资料，可以构建工作面的“黑箱模型”，其精度处于“十米级”;在工作面掘进阶段，开展三维地震资料地质动态解释，可以构建工作面的“灰箱模型”，其精度处于“十米级~米级”;在工作面采前阶段，综合利用槽波、坑透等工作面地质勘探技术，可以构建工作面的“白箱模型”，其精度能够达到“米级~亚米级”;在工作面回采阶段，动态融入回采揭露的地质信息，并进行随采地震动态监测，可以构建起工作面前方50 m的工作面“透明模型”，其精度达到“亚米级”。为此，亟需研发一批关键技术与装备，主要包括三维地震资料地质动态解释技术、煤矿井下孔中物探技术与装备、回采工作面随采地震监测技术、工作面监测数据地质信息提取和多源异构地质信息动态融合技术等，逐级构建智能开采工作面的地质模型，渐次实现工作面的三维地质透明化，为煤炭智能精准开采提供地质保障。

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煤炭学报

2019年第08期

1982

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煤炭精准开采地质保障技术的发展现状及展望

作者(Author)：袁亮, 张平松

摘要：我国绿色煤炭资源量有限，实施煤炭精准智能开采是未来绿色采矿的必由之路，其中地质保障技术体系是重要的基础。从煤炭开采基础地质及其勘探、综合地球物理探测、地质钻探和矿井地质信息技术平台等方面，系统地分析了我国矿井地质保障技术体系的现状，提出了煤炭精准智能开采模式下矿井地质保障技术的发展趋势和方向。通过大数据、云计算、互联网等技术平台，采用地质调查、钻探、物探、化探、GIS等多种地学参数信息，构筑基于天空、地面、井孔、地下、采煤工作面、长钻孔等全空间、全方位地质动态模型的保障技术体系，为煤炭精准智能开采提供所需的透明地质条件;研发三维和四维地球物理精细探测新方法、新技术，研制震、电、磁、核、声、光等物理参数主、被动源综合探测与成像智能化仪器设备，实现对开采地质条件的精准判识;发展由探测到监测，以及与掘进机械、采煤机械等一体化的监控预报识别体系，对影响开采的多灾源地质因素进行智能预测及监控，不断建设和完善煤炭资源综合开发保障技术体系;结合移动智能终端APP，逐步完成煤炭资源开发过程中井下图、景、物、人、设备等人机共享共管，实现高度信息化和智慧化，切实保障矿井安全高效生产;通过进一步加强高素质复合型地质专业技术人才培养，开展大尺度模拟实验和技术攻关，做到创新发展和技术引领，着力推进煤炭资源开发利用的新发展。

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煤炭学报

2019年第08期

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