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“矿井水害防治”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“矿井水害防治”主题论文。

行业视野: 安全
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弱富水软岩水-沙混合型突水机制与防治技术 ——以上海庙矿区为例

作者(Author)：吕玉广, 肖庆华, 程久龙

摘要：近年来我国西北侏罗纪煤田弱富水软岩水-沙混合型间歇式突水事故多发，短时水(沙)量大，缺少有效的防范技术措施，严重威胁矿井安全生产。为揭示其形成机制以便于制定相应的防范措施，以内蒙古上海庙矿业新上海一号煤矿为研究对象，室内测试了岩石力学强度、软化系数等参数，井下实测了围岩松动圈，综合判定为典型的软岩地层;正交偏光镜下显示砂岩成熟度低，黏土质矿物胶结;水理性试验表明砂岩颗粒间泥质胶结物易产生溶蚀现象，能够形成固-液双相混合物，在水动力下具有流沙属性;泥岩极易吸水膨胀、泥化。根据含水层水位和地表岩移长期观测结果，推定低位覆岩内和高位覆岩内均可以产生离层裂隙，且离层裂隙具有汇集水源功能。将111084工作面突水溃沙过程中含水层水位历时曲线与水量历时曲线叠合考察，突水量与突水含水层水位升降变化之间有明显的相关性。初时突水量大、水位下降幅度也大;水量在趋于衰减过程中出现几次跃升，含水层水位在趋于回升过程中出现几次相应的跃降;跃升(跃降)的幅度梯次减小;两次跳跃时间间隔梯次延长。综合以上信息，提出离层裂隙的汇水作用可以强化弱含水层短时突水强度观点，弱胶结砂岩提供了混合突水的沙源;离层水体释放过程中水动力发生强弱变化，随着离层水体释放水动力减弱，大量泥沙封堵突水通道，表现出泥沙自封堵效应。覆岩持续压缩，离层裂隙储水能力逐渐弱化，表现为突水量梯次减小;离层水补给路径逐渐扩展，表现为突水休止期梯次延长。汇水—突水—封堵—再汇水—再突水—再封堵的过程交替进行，揭示了间歇性水-沙混合型突水模式的突水机制。离层水害发生需要具备水源(富水性)、时间、空间、通道、压力等5个必要条件，强调导水裂隙突水通道的重要性。工程应用表明，顶板水预疏干可以改变含水层的富水性条件，预置导流管改变突水通道和压力条件，可以有效避免此类事故发生，保障矿井安全生产;同时可实现无顶板淋水、采空区无涌水状态下开采，优化采场作业环境、弱化软岩效应，促进矿井高效生产。

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煤炭学报

2019年第10期

1133

410
基于RFPA2D-Flow软件对裂隙岩体渗透特性表征单元体的研究

作者(Author)：王振伟, 马克, 田洪圆, 李全生

摘要：大型水利水电工程多依附于高陡裂隙岩体边坡而建，而边坡的渗控结构成为研究重点。为进一步研究裂隙岩体渗透特性及其各向异性的影响因素，本文基于C语言程序，考虑不同迹长、密度的概率分布，通过蒙特卡罗方法生成随机裂隙，然后将随机裂隙导入有限元渗流计算软件RFPA2D-Flow，形成渗流裂隙网络模型。通过对不同的方位、不同尺寸上的等效渗透系数的模拟计算，得到不同工况下的渗透张量，结合类张量特性和类常量特性判定依据，确定渗流表征单元体，并自定义渗透特性各向异性系数，研究裂隙的密度、迹长对岩体渗透张量、表征单元体尺寸和各向异性系数的影响。结果表明:① 裂隙密度和裂隙迹长对裂隙岩体的渗透主值影响较大，但对渗透主方向几乎无影响，随密度或者迹长的增大，裂隙岩体的渗透主值逐渐增大;② 在一定范围内，随着裂隙密度或迹长的增大，裂隙岩体的渗透表征单元体尺寸逐渐减小;③裂隙岩体渗透特性的各向异性系数r随密度增大逐渐减小，随裂隙迹长增大呈现先减小后增大的趋势。在此基础上，以锦屏一级水电站坝区左岸边坡裂隙岩体为例，根据地质勘探所获的裂隙概率分布特征及相关参数，利用本文研究方法进行渗流数值模拟计算，确定锦屏左岸裂隙岩体的渗透张量和表征单元体尺寸，并结合现场压水试验结果对本文数值模拟结果进行修正，修正系数在一个数量级之内，说明本文模拟计算结果与实测结果相近。

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煤炭学报

2019年第10期

1206

381
基于图像纹理特征的矿井水灾感知方法

作者(Author)：孙继平, 曹玉超

摘要：水灾是煤矿重特大事故之一。现有水灾监测报警方法存在着适应性差、误报和漏报率高等问题,难以满足煤矿安全生产需求。为此,提出了基于图像纹理特征的矿井水灾感知方法:在巷道顶部或巷帮、采煤工作面支架等设置摄像机,实时采集采掘工作面和巷道底板图像;通过双树复小波变换,提取水、煤、岩石图像纹理特征,建立水灾图像识别模型;对学习样本进行双树复小波变换, 提取 1,2 级系数,统计其方差与期望值,利用相应的方差与期望值构造泊松分布模型,并估计其各个方向模型的强度参数。对待测样本同样进行双树复小波变换后,利用 1,2 级系数的方差与期望值构成的模型强度参数向量与样本参数向量进行皮尔逊相似性比较,最终确定待测样本分类。根据水灾图像识别模型,对实时监测的图像进行识别,当分割图像具有水灾纹理特征时,进行水灾报警。采集了水灾模拟实验图像,建立了图像数据库。对所提出的模型编制了相应的实验程序,进行了模型的训练和实验验证。研究了水、煤、岩石在双树复小波域泊松分布下系数统计值的分布规律,并对模型的性能进行了参数化的评估。通过实验验证了基于图像纹理特征的矿井水灾感知方法的可行性。实验表明,基于图像纹理特征的矿井水灾感知方法,识别水灾准确率大于 81% 。

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煤炭学报

2019年第09期

1230

410
动态权-集对分析模型在矿井突水水源识别中的应用

作者(Author)：王甜甜, 靳德武, 刘基, 杨建, 王心义, 赵伟

摘要：矿井突水是煤矿生产的主要威胁之一,准确判定矿井突水水源是突水灾害防控的重要环节。为进行矿井突水水源识别,基于动态权和集对分析理论,针对葫芦素井田 5 种不同含水层中所提取的 53 组水样,选取 K+ +Na+ ,Ca2+ ,Mg2+ ,Cl- ,SO2-4 及 HCO-3 六项水化学指标作为识别因子,确立了其水源识别区间,构建了矿井突水水源识别的数学模型。然后利用 10 组已知矿井水样验证水源识别模型,最后使用该模型对 2015-04-26 葫芦素井田 21102 工作面突水进行水源识别。结果表明:动态权重综合考虑主客观权重,既削弱了人为因素的影响,又考虑了识别指标的实际情况,权重赋值合理。利用动态权计算的 6 项识别因子中,SO2-4 ,Cl- ,K+ +Na+的权重值分别为 0.38,0.25 及 0.20,远大于其他 3 项指标且其权重之和占总权重的 83% ,在突水水源识别中起决定性作用。利用 10 组已知矿井水样验证动态权-集对分析水源识别模型,9 组识别结果与实际情况完全吻合,仅有 1 组第四系水样识别结果与实际不符,为建模时第四系样本数据少,待测水样超出识别区间所致。使用已建模型识别葫芦素井田 21102 工作面突水水源,判别结果与实际完全一致,因 21102 工作面突水几乎均来自直罗组与白垩系,而直罗组与白垩系建模样本量大,所建识别区间合适。大量的水质数据及准确的识别区间是动态权-集对分析模型进行准确突水水源识别的基础与保障。

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煤炭学报

2019年第09期

1202

361
时域电性源地空电磁系统在煤炭采空积水区勘查中的应用

作者(Author)：张庆辉, 田忠斌, 林君, 黎东升, 嵇艳鞠, 马玉龙, 贾伟

摘要：为实现山区复杂地形条件下，对沁水盆地东南地区煤炭采空区及采空积水区的快速、精确勘查，采用时域电性源地空电磁法对上述区域进行地球物理勘查。时域地空电磁法采用地面发射空中接收的方式，在地面布设接地长导线源，利用大功率发射机向地下发射时域方波信号，在空中利用无人机搭载接收系统沿平行于发射源的预定航线进行飞行探测获取电磁信号和测点坐标信息，发射与接收的电磁数据通过GPS时钟进行同步。利用时域电性源地空电磁探测系统，采集到了信噪比高的电磁数据，同时开展了地空电磁基线校正方法、地空电磁噪声抑制方法及视电阻率成像方法的研究，进一步提升电磁数据的质量和成像分辨率。通过对时域电性源地空电磁数据和空间坐标信息进行处理获得反应测区地电信息时间的电性源地空电磁法视电阻率，结合已知地质信息进行解释，推断解释了煤炭采空区和采空积水区的空间分布特征。时域电性源地空电磁法在极大减少地面工作量的同时，兼顾了勘探深度，因此兼具航空电磁法快速高效和地面电磁法勘探深度大的特征。本次勘查表明:利用该系统开展地空电磁勘查，可以实现工作效率4~5倍的提升，且勘探效果与已知地质信息基本吻合，表明时域电性源地空电磁探测系统可以实现对煤炭采空区的快速、精确勘查。针对本次勘查的效果，可以预期时域电性源地空电磁探测系统将在复杂地形条件下的深部资源探测、环境、工程、灾害地质调查中发挥重要的作用。

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煤炭学报

2019年第08期

1318

623
积水采空区地面-钻孔瞬变电磁探测技术

作者(Author)：王鹏, 程建远, 姚伟华, 李明星, 王益

摘要：小煤窑积水采空区威胁煤矿安全生产，为有效识别钻孔旁侧遗漏的积水采空区并确定其空间位置，采用地面发射阶跃磁场、钻孔中接收三分量感应场的观测方式进行地面-钻孔瞬变电磁探测。通过构建积水采空区地电模型，正演分析了异常的响应特征及异常场随异常体电阻率、规模和相对钻孔距离变化的规律。计算结果表明:异常场的3个分量均响应明显，X，Y分量过零点与Z分量极值点对应异常体深度;X，Y分量幅值相对较小，但为纯异常场，便于识别和提取;Z分量幅值相对较强，但异常场为背景场的千分之一，不易识别和提取;由于更接近异常体，地面-钻孔观测方式相比地面瞬变电磁采集到的Z分量异常信号更强;异常响应强度随异常体电阻率降低、规模增大、距离减小而增强。基于等效电流环理论，设计了最小二乘约束反演算法，通过反演拟合异常场能获得异常体的中心坐标、倾角、尺寸等参数，实现异常体的空间定位。在陕西省榆林市某煤矿使用地面-钻孔瞬变电磁法开展积水采空区探测实验，采集的X，Y分量数据在目标层附近表现明显的异常响应特征，通过对1.0 ms和1.3 ms的异常场数据进行反演拟合，发现并推断钻孔北侧存在小煤窑积水采空区，反演结果得到后期钻孔验证，与实际揭露情况吻合。理论分析与现场实验证明:地面钻孔瞬变电磁法能有效探测到钻孔旁侧的积水采空区，实现“一孔多用”并突破“一孔之见”，为小煤窑积水采空区的精细探查提供了一种新的地球物理勘探手段。

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煤炭学报

2019年第08期

1388

611
基于承压水单孔放水实验的底板水害精准注浆防治

作者(Author)：李涛, 高颖, 艾德春, 杨军伟, 冯海, 薛卫锋, 赵国杰

摘要：我国华北型煤田普遍受底板承压水威胁，底板注浆改造是承压水害防治的有效途径。但注浆改造层位多为非均质的灰岩，其注浆地质条件复杂多变，使得注浆工程效率有限。为了提高底板注浆水害防治的效率，开展基于承压水单孔放水实验的底板精准注浆研究。以渭北煤田，特别是澄合矿区董家河煤矿为研究背景。在分析研究区底板水害防治特征的基础上，结合底板精准注浆内涵，针对性研发了单孔放水实验装置及配套使用技术。在开展单孔放水实验的基础上，结合突水优势面理论提出了底板分类注浆技术。研究结果表明:通过设置定流量控制阀，可以实现单孔放水实验，获取承压水的渗透系数K和富水系数q等参数。结合环向非完整井的设计，可以获取承压水水平方向上主要的径流方向。依据单孔放水实验获取的水文参数，结合突水优势面理论，注浆条件类型可以划分为5大类7小类，包括不富水型、Q-S曲线直线Ⅰ型、Q-S曲线直线Ⅱ型、Q-S曲线抛物线Ⅰ型、Q-S曲线抛物线Ⅱ型、Q-S曲线幂函数型、Q-S曲线对数型。依据钻孔注浆条件的重要性，给出了每种类型钻孔的注浆工艺。通过工程实践应用，采用分类注浆技术的注浆工程提高了注浆效率，有效控制了底板水害。研究成果为华北型煤田底板承压水害信息化防治提供了新的技术和设备。

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煤炭学报

2019年第08期

1199

659
多模型融合评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性

作者(Author)：施龙青, 曲兴玥, 韩进, 邱梅, 高卫富, 秦道霞, 刘海松

摘要：在我国华北型石炭——二叠系煤田中，煤层底板灰岩岩溶突水现象尤为突出。为准确地评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性，防治煤矿水害事故，实现承压水体上煤层安全开采。基于未知测度-集对分析理论，选用含水层厚度、单位涌水量、充水含水层渗透性、水压、断层影响因子、含水层厚度、含水层岩性组合特征以及底板破坏深度8个指标评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性。采用有序二元比较量化法和区间数模糊决策矩阵EA-TOPSIS排序模型分别确定煤层底板灰岩岩溶突水主控因素权重。在此基础之上，基于冲突证据理论将二者进行耦合，得到煤层底板灰岩岩溶突水主控因素组合权重，保证了对动态模型指标相对重要性的有效评价。基于未知测度-集对分析理论，构建单指标直线型未知测度函数及非直线型未知测度函数，并以新汶煤田煤层开采为例，将30个监测点处实测的8个指标值代入，建立多指标综合测度矩阵。引入“置信度”评价准则判定样本数据Xi所属的危险性等级。并通过集对分析，进一步表征新汶煤田煤层开采过程中煤层底板灰岩岩溶突水风险总体态势。研究表明，评价结果与矿山实际情况相吻合。在此基础之上，依据搜集的大量华北煤矿突水案例，以其中典型的15个为例，将建立的模型推广到整个华北煤田底板突水危险性的评价。通过与矿井实际突水情况对比可以发现，模型确定的矿井突水危险性等级与实际相吻合，表明该模型对于评价整个华北煤田底板灰岩岩溶突水危险性具有一定的适宜性。

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煤炭学报

2019年第08期

1170

358