“煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”专题

来源：《煤炭学报》2020年第7期

本专题来源于《煤炭学报》，共30项研究成果。专题论文紧紧围绕“煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”论坛的5个主题进行报道，即：① 地质与水文地质条件勘察评价;② 隐蔽致灾地质因素精准探查;③ 矿井水害与煤岩动力灾害防治;④ 智能开采的三维地质透明化;⑤ 现代化煤矿的地质保障实践。

行业视野: 地质
类别; 151个
关键词; 162位
专家; 31篇
论文; 46442IP
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鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系地下水系统关键要素与格架模型

作者(Author)：焦养泉, 王双明, 范立民, 吴立群, 荣辉, 张帆

摘要：地下水与含煤岩系矿产资源密切共生，直接制约含煤岩系矿产资源的合理开发和长远规划。鄂尔多斯盆地是我国重要的能源盆地，几十年勘查实践表明侏罗纪含煤岩系除具有5套(组)可采煤层外，还伴生有丰富的砂岩型铀矿、砂岩型高岭土和石英砂等矿产资源。基于已往对鄂尔多斯盆地的认知和经验，认为地下水的补给水源和输导通道是侏罗纪含煤岩系地下水系统结构中的关键要素。其中，潜在的地下水补给水源包含3套地下水储层(直罗组底部含水层、下白垩统洛河组含水层和罗汉洞组含水层)和地表水系;地下水输导通道则包含了区域规模的骨架砂体、不整合界面、断裂系统和人工采动裂隙系统等四大类型。含煤岩系矿产资源开发过程中遇到的“水害”，通常是原有的地下水系统被动揭露或者被破坏的表现，是人为因素连通了地下水水源与人工作业面从而导致地下水的泄漏。聚焦侏罗纪含煤岩系矿产资源的安全开发，一方面需要深入总结地下水系统关键要素的基本特征和分布规律，更进一步则需要揭示地下水系统关键要素与矿产资源的空间配置关系，并在此基础上构建含煤岩系地下水的格架模型，以此为煤系资源开发和矿井水害防治提供沉积学-水文地质学基础。在鄂尔多斯盆地，由于构造背景的差异，在不同地区地下水水源类型、输导通道类型、含煤岩系产状、矿产类型组合等都不尽相同，构成的地下水格架模型也因地而异，因此需要区别对待和深入研究。

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再论含水层富水性评价的“富水性指数法”

作者(Author)：曾一凡, 武强, 杜鑫, 刘守强, 昝军才, 窦桂东, 吴章涛

摘要：针对现有含水层富水性评价方法中指标权重均为固定不变的常权，忽略了单个主控因素内部之间的变化和多个因素组合状态下的变化，在“富水性指数法”思想指导下，提出了一种基于分区变权理论的富水性指数法，不仅能确定不同评价指标的权重，而且能确定同一指标处于不同状态值时的不同权重。从影响含水层富水性的岩性差异、水力特性、构造因素、地球物理参数4个方面出发，建立了能够较为全面真实刻画富水性分布规律的四大类十六小类主控因素体系;提出了主控因素指标值标准化以及无量纲化处理方法，为多因素的信息融合分析奠定了基础;应用变权理论，运用动态聚类中的K-均值聚类方法划分了主控因素各指标的变权区间阈值，研究了状态变权向量的构建及调权参数的确定方法，定量确定各主控因素对含水层富水性的相互作用关系以及相对重要性大小;构建了基于变权理论的富水性指数评价方法和数学模型。同时以彬长矿区小庄煤矿巨厚洛河组砂岩裂隙含水层为例，详细说明了基于分区变权理论的富水性指数法的具体实施步骤，利用5组抽水试验数据对评价结果进行了校正;结果表明小庄煤矿洛河组充水含水层富水性强度从西北向东南呈递减趋势，较强~强富水区主要分布在二、三盘区，一盘区西部边界也有小范围分布;中等富水区呈条带状分布于矿区中部偏西和五盘区西北部，其余地区为较弱~弱富水区。最后，将其与传统常权评价结果对比，证明变权模型更能体现含水层非均质的特性，预测精度更高。

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基于集对分析-可变模糊集耦合法的砂岩含水层富水性评价

作者(Author)：韩承豪, 魏久传, 谢道雷, 徐建国, 张伟杰, 赵智超

摘要：我国西北地区的侏罗系煤炭资源开采过程中面临顶板水害威胁，其危害程度与煤层上覆地层的水文地质结构有关，对煤层顶板含水层富水性进行合理有效的预测评价，有利于对顶板水害防治做出科学的决策，从而实现安全开采。以宁东矿区金家渠煤矿为例，基于岩性，选取了砂岩等效厚度，砂岩岩性系数，砂泥互层数3个评价因素，建立了岩性影响指数评价指标;基于构造，针对断层、褶皱，选取了断层交端点密度、断层规模密度、煤层倾角变异系数3个指标作为主采煤层上覆直接充水含水层-直罗组砂岩含水层富水性的评价指标。在此基础上，引入集对分析-可变模糊集耦合评价方法，构建了基于集对分析-可变模糊集耦合评价法的直罗组含水层富水评价模型。利用“联系度”实现了富水评价指标与评价等级间的反映联系，利用“相对隶属度函数”实现了富水评价指标值之间的有机融合。在富水性相对分区的基础上，以研究区钻孔抽(放)水试验的单位涌水量为基准，综合确定了研究区富水性分区，结果表明，研究区整体富水性较弱，具有中等、弱2个等级分区，其中富水性中等区域主要位于研究区中北部，富水性弱区主要位于南部、东部及西部。

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邢东矿深部带压开采底板突水特征及控制技术

作者(Author)：王朋朋, 赵毅鑫, 姜耀东, 张村, 刘文超, 翟江澎

摘要：针对深部带压开采工作面区域注浆治理后底板突水仍频发的难题，以邯邢矿区邢东矿深部带压开采为工程背景，通过现场调研和理论分析已突水工作面突水过程和开采地质条件，获得了邢东矿深部带压开采底板突水特征和影响因素，确定了邢东矿深部带压开采底板突水主控因素;应用弹塑性力学理论从动静载角度分析了不同来压步距对底板破坏深度和宽度影响规律，进而采用数值模拟研究不同来压步距下底板应力场和塑性区演化规律。研究结果表明:工作面顶板剧烈来压突水是邢东矿深部带压开采底板突水主要特征，顶板难以及时垮落是其关键诱因;随来压步距增大，底板应力集中带和卸荷应力拱逐渐向底板深部岩体传播扩展，顶板垮落易产生强烈来压动载效应，底板采动破坏深度和宽度增大，诱发隐伏导水构造活化及深部岩体破坏，贯通底板隐伏构造带等导水通道诱发底板突水。为此，提出了顶板水力压裂卸压以及底板微震监测、采动应力监测、围岩变形监测和承压水水位监测等多参量监测的防治技术。现场监测表明，试验工作面顶板水力压裂后周期来压步距缩短为9.53 m，相比邻近未压裂工作面减小了61.42%，来压动载系数、应力集中系数和围岩变形速度均较小，奥灰水位相对稳定，未形成底板突水通道，底板突水得到有效控制。

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基于GWO-Elman神经网络的底板突水预测

作者(Author)：施龙青, 张荣遨, 徐东晶

摘要：我国是世界最大的煤炭生产国和消费国，特别是在我国的华北地区，煤炭储量非常丰富，但由于华北地区的水文地质条件复杂，煤炭实际生产过程中事故频发，特别是煤层底板突水事故，一旦发生往往会造成较为严重的人员伤亡和财产损失。因此煤层底板突水预测已经成为煤矿安全生产领域研究的重点。巨野煤田红旗煤矿是典型的华北型煤田，其主要可采煤层3煤层平均厚度5.48 m，实际生产过程中受底板突水威胁严重，在矿井的建设及生产过程中多次出现底板突水。为了对3煤层进行底板突水预测，在分析收集红旗煤矿相关矿井水文地质资料的基础上，选取断裂分维值、取心率、隔水层厚度、单位涌水量、渗透系数、底板含水层总厚度、承压含水层水压共7个因素，作为进行底板突水预测的主要影响因素;以现场实际数据为输入样本，通过灰狼优化算法(Grey Wolf Optimizer,GWO)得到Elman神经网络优化的最佳权重和阈值，分别为18.7482和0.014435，之后建立相应的GWO-Elman神经网络底板突水预测模型;在此基础上通过测试样本输入模型验证，结果准确率达到100%，再用熵值法确定权重的脆弱性指数法进行对比，证明神经网络模型准确度更高，可以用于工程实际。最后，利用所建立的神经网络模型对2个未开采工作面进行了底板突水预测，将预测结果指导矿井实际安全生产。

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矿井张量电阻率法理论基础研究

作者(Author)：岳建华, 杨海燕, 苏本玉, 李锋平, 刘志新, 姜志海, 宋雷

摘要：煤矿采掘活动诱发的局部和微观电各向异性特征时空演变规律有望成为煤矿动力灾害预测预报的新机制。张量电阻率测量是掌握和认识电各向异性特征的重要方法途径，煤矿井下具有开展张量电阻率测量的独特优势。在岩石电各向异性物理机制分析的基础上，结合煤矿井下实际，提出了适合煤矿井下条件的张量电阻率测量方法。以层状各向异性介质模型为例，采用模拟计算的方法对地层倾角、走向变化时的视电阻率方向特性进行了分析;建立了巷道底板岩溶发育全空间模型，从宏观电各向异性的角度分析和验证了电阻率测量所具有的方向性。研究结果表明，采动影响使煤岩体具有电各向异性特征，采动裂隙内的水气富集程度也对煤层横向和纵向电阻率产生明显影响;含水量越大，各向异性系数越高。受上覆和下伏地层电阻率影响，各向异性地层的张量电阻率幅值显示出层状地层的综合反映;其电阻率幅值与裂隙带倾角大小有关，不受地层走向影响，但视电阻率的椭圆分布会随地层走向而发生旋转，旋转的角度依赖于地层走向的变化。这说明采动岩体变形、破坏与流体运移必然会引起含煤地层电各向异性特征的规律性时空演变。通过实时动态测量煤岩体的张量电阻率，可以识别和发现因采掘活动、流体运移引起的局部、微观电各向异性特征。在应力峰值未到达之前，及时捕捉煤矿动力灾害孕育、发展的先兆信息，并在应力释放前的可逆阶段采取预防措施，可从源头上避免煤矿重大动力灾害的发生。

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矿井TEM与地震联合反演导水陷落柱的试验研究

作者(Author)：李飞, 程久龙, 杨思通, 温来福, 董毅

摘要：D 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。

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基于透射槽波的工作面煤层厚度高精度反演方法

作者(Author)：崔伟雄, 王保利, 王云宏

摘要：矿井地质条件复杂，煤岩体的非均质性和各向异性、煤层结构和煤岩层组合特征、以及巷道条件导致炮检点环境的差异，均会影响槽波的形成及传播，使实际槽波传播特征与理论“岩-煤-岩”模型差别甚远，增加了透射槽波方法反演煤层厚度的准确性和难度。为提高煤矿井下采煤工作面煤层厚度变化的预测精度，提出了基于槽波频散理论和分频处理技术反演煤层厚度变化的方法，通过理论情况下Love型槽波传播规律建立了不同频率下槽波群速度与煤层厚度的关系，采用窄带滤波方法分析了成像频带对反演精度的影响，提出了层析成像频带优选策略，提高了群速度反演煤层厚度的精度;将该方法应用于陕西铜川焦平矿区2408工作面煤层厚度探测，该工作面平均煤层厚度7.6 m，选择50~80 Hz的频率区间对层析成像频带进行研究，定义了煤层厚度采样点与槽波群速度的分类关系，利用87个巷道采样点评价了各成像频段对群速度和反演煤层厚度的影响，优选60~75 Hz频带的成像群速度与巷道采样点和回采揭露点的相关性分别为81.6%和85.1%;将优选频带反演的煤层厚度与回采前后181个实际煤层厚度数据进行误差分析，煤层厚度预测误差绝对值小于0.40 m(误差小于5%)和0.80 m(误差小于10%)的点数，分别达到48.62%和85.64%。结果表明:透射槽波层析成像预测工作面煤层厚度的精度与层析成像的频带有关，成像主频越高、频带越窄，层析成像对煤层厚度的反演精度就越高，但可反演最大煤层厚度变小。因此，成像主频应考虑层析成像对研究区煤层大部分区域都有良好效果，选择槽波群速度变化率极大值曲线上平均煤层厚度对应的频率，使层析群速度与煤层厚度采样点相关性更高的最小频率范围为最佳频带宽度。

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