《煤田地质与勘探》“预防为先，科技赋能：地质灾害监测预警”专题

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《煤田地质与勘探》“预防为先，科技赋能：地质灾害监测预警”专题

来源：煤田地质与勘探

安全生产，责任如山。安全生产月，特别推出“预防为先，科技赋能：地质灾害监测预警”专题，分享最新研究成果，诚邀大家共同参与讨论，为矿山安全生产贡献智慧与力量，共筑安全防线，提升安全生产保障能力。

行业视野: 安全
类别; 52个
关键词; 49位
专家; 10篇
论文; 2862IP
点击量; 1213次
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基于BOTDR的区段煤柱水平变形监测

作者(Author)：柴敬, 郝鸿儒, 杨健锋, 高登彦, 高奎英, 陈建华, 杨磊, 刘泽宇

摘要：针对煤柱内部微裂纹萌生、变形破坏等潜在安全隐患，利用布里渊光时域反射(BOTDR)分布式光纤传感技术进行煤柱水平变形监测。首先，根据煤柱破坏碎胀特性理论分析，建立了光纤轴向应变与水平变形的转化方法；其次开展室内试验确定了金属基索状传感光纤轴向拉伸响应情况，并根据煤柱变形破坏规律修正了应变系数，最后以陕西大柳塔煤矿活鸡兔井为工程背景，对22206工作面区段煤柱水平变形实现现场监测。监测结果表明：区段煤柱采动侧和未采动侧存在明显的水平变形差异，采动侧变形量最大，约为未采动侧的5倍，但煤柱整体水平变形较小，仅出现弹性变形，煤柱较稳定；煤柱变形分区明显，呈现中部为弹性核区，两侧为塑性破坏区的分区特征；工作面从测点前20 m推进至测点后40 m时，煤柱水平应变呈指数增长，远离测点之后变形趋于稳定，反映煤柱变形与采动应力扰动之间的动态关联；通过分析煤柱水平应变与垂直应力，发现两者呈指数相关关系，定量建立了煤柱水平应变与垂直应力关系式，说明煤柱变形与破坏很大程度上取决于采动应力的分布与演化。利用BOTDR技术对区段煤柱内部变形进行监测可以精确获取区段煤柱内部的微观变形信息，对于煤柱留设尺寸确定、围岩控制及采空区压力评估等具有重要指导意义。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

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4
矿山救援钻孔中井涌井漏事故预警预测

作者(Author)：陈卫明, 王家文, 凡东, 郝世俊, 赵江鹏, 邱雨

摘要：为解决矿山应急救援钻孔作业过程中井涌井漏事故预警预测困难等问题，建立了基于机器学习的钻进过程井涌井漏事故预警预测模型。首先对井涌井漏事故发生初期时的钻进参数进行事故表征参数分析；其次对事故表征参数进行数据清洗处理，在此基础上，通过XGBoost事故诊断预警模型对井涌井漏事故进行早期诊断识别；随后建立PSO-LSTM事故发展预测模型，对事故发生后的孔底压力参数发展趋势进行预测，提前掌握钻进事故发展状态；最后通过实际钻进数据对预警预测模型的有效性进行验证。结果表明：XGBoost事故诊断预警模型能根据总池体积、立管压力、出入口流量差和动力头负荷这4种钻进参数的异常变化，快速准确诊断钻进过程中的井涌井漏事故；PSO-LSTM事故发展状态预测模型能充分学习孔底压力参数发展规律，综合$ {E_{{mathrm{MAP}}}} $、$ {E_{{mathrm{MA}}}} $、$ {E_{{mathrm{RMS}}}} $、$ {R^2} $这4项误差评价指标，PSO-LSTM模型相较于BP、RNN、SVM模型的预测性能最佳，能准确预测事故发生之后的孔底压力发展趋势，提前掌握井涌井漏事故的严重程度和发展态势。研究结果丰富了钻进过程井涌井漏事故预警预测方法，提高了矿山事故地面救援的可靠性，对矿山应急救援钻孔作业过程中事故控制有着借鉴与指导作用。

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煤田地质与勘探

2024年第03期

172

27
瓦斯抽采钻孔变形塌孔规律及精准监测技术研究

作者(Author)：肖鹏, 黄晓昇, 刘潇潇, 李秉昆, 陈丽萍, 陈紫溪, 张超, 程仁辉, 赵亚婕

摘要：为推进瓦斯抽采钻孔精准智能化发展水平，基于分布式光纤监测和布里渊光学时域分析技术(BOTDA)，以山西某矿为工程背景，开展了不同粒径配比下的钻孔堵孔模拟实验；构建了试验矿井堵孔率计算数学模型，揭示了钻孔变形塌孔发育规律，提出了适用于试验矿井的瓦斯抽采钻孔精准监测现场实施技术工艺，并通过现场试验对技术工艺的可行性和准确性进行了验证。结果表明：(1)光纤耦合体应变、模拟煤样堆积质量与钻孔变形塌孔间具有线性关系，随质量增加应变变化趋势相近，呈“陡−缓−陡”三阶段变化。通过分段拟合构建了适用于试验矿井的钻孔堵孔率计算数学模型。(2)通过误差分析，发现随着应变增加最大绝对误差先变大后变小再变大，中期最大绝对误差为19.48 %，后期完全堵孔状态下的质量极值越接近不同配比煤样的平均质量极值误差越小。(3)基于上述数学模型解算，揭示了模拟堵孔过程中煤块首先在钻孔底部呈“凸”状堆积，随后滑向两侧，最后又在顶部聚集的塌孔演化规律，以应变值0、45.95×10−6、72.19×10−6为临界值区分塌孔前、中、后期，构建了适用于试验矿井的瓦斯抽采钻孔精准监测技术。通过现场应变监测结果分析，发现在孔周应力、扰动等因素作用下，失稳孔段孔周裂隙更易发育，塌孔程度随时间加剧。结合钻孔沿程堵孔率计算结果，对钻孔沿程变形塌孔情况进行了判断，对比钻孔窥视图可得，该精准监测技术判断结果基本符合实际观测情况。提出的以分布式光纤耦合体和BOTDA技术为基础的钻孔精准监测技术工艺可行、可靠，可为推进瓦斯抽采钻孔精准智能化发展水平提供参考。

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煤田地质与勘探

2024年第03期

110

15
地层形变与地下水位分层监测数据的交叉小波分析

作者(Author)：孔祥如

摘要：地面沉降通常由于地下水的超采而引发，其发生发展相对于地下水位的变化具有一定滞后性。如何获取准确的地面沉降滞后时间一直是地面沉降研究的重要课题。基于北京平各庄地面沉降监测站2008—2018年地面沉降和地下水位长时间序列的分层监测数据，采用Mann-Kendall趋势检验、连续小波变换、交叉小波变换等方法，分析了不同层位地层形变对地下水位动态的滞后特征。结果表明：中–深层承压水具有1 a左右的主震荡周期，潜水和浅部承压水在大部分时域无显著周期；深部严重沉降层的形变量具有1 a左右的主震荡周期，地下水位与形变量共振周期显著，地层由浅到深形变时滞分别为（16.58±8.91）、（7.16±7.09）和（9.66±6.62） d；浅部弱沉降层中，埋深在32～63 m地层形变量具有1 a左右的主震荡周期，与中层承压水存在显著共振周期，形变时滞为（32.02±9.67） d，其他地层形变量与地下水位无显著周期及相关性。研究成果为构建地面沉降精细化模型、提高地面沉降预测精度以及研究更有效的地面沉降防控措施提供了新的技术思路。

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煤田地质与勘探

2022年第06期

115

83
煤矿井下钻孔内瓦斯浓度监测传感器研制

作者(Author)：丛琳

摘要：当前，煤矿井下钻孔作业时，瓦斯监测系统只能反映钻孔孔口处瓦斯抽采量，无法获得钻孔内某个区段的瓦斯抽采效果, 随着煤矿井下瓦斯抽采钻孔孔深增加，沿钻孔长度方向瓦斯抽采效果出现明显分区，不同孔深处有效抽采半径出现较大差异，导致煤矿井下瓦斯抽采钻孔布置难度较大，不确定性增加。针对此问题，设计一种煤矿井下钻孔内瓦斯浓度监测传感器，该传感器基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS) 原理，可实现钻孔内多点同时在线监测，保证了孔内无源，实现了本质安全。首先，分析TDLAS 瓦斯测量基本原理，从气体分子吸收光谱原理出发，介绍了激光光源的选择，并根据比尔−朗伯定律推算瓦斯气体浓度解算公式。然后，在此基础上进行瓦斯浓度监测传感器设计，包括光程设计、结构设计、保护工艺设计和孔中操作流程4 方面。最后，从性能和可靠性2 方面出发，进行相对误差测试、稳定性测试、响应时间测试、与非色散红外传感器性能对比和防水防尘测试。设计的瓦斯浓度监测传感器直径40 mm，长度80 mm，传感器本质安全，结构上能够很好地适用于煤矿井下钻孔内应用。性能测试中，传感器全量程最大相对误差2.8%，小于孔内瓦斯浓度±6% 的监测标准；稳定性测试中，传感器数据的波动范围在0.015%，稳定性为0.28%，满足稳定性小于1% 的要求；传感器的响应时间约为8 s，满足响应时间小于10 s 的要求；与非色散红外传感器对比测试中，设计的TDLAS 瓦斯浓度监测传感器的相对误差和响应时间都明显优于非色散红外传感器。可靠性测试中，传感器长时间处于高湿度环境中，其测量精度并未受到影响，保护工艺可有效防水。性能测试和可靠性测试结果表明，瓦斯浓度监测传感器能够很好地满足孔内瓦斯浓度监测需求，在煤矿井下孔中监测方面具有很好的应用前景。

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煤田地质与勘探

2022年第02期

390

169
多源数据挖掘下潘谢矿区深部灰岩水突水预警研究

作者(Author)：毕波, 陈永春, 谢毫, 安士凯, 徐燕飞

摘要：深层灰岩水在长时间水岩耦合作用下各含水层的水化学成分有所不同，但随着地壳运动、采动影响等因素导致不同含水层产生水力联系。重大的突水事故都是深层高压灰岩水以浅层灰岩水为通道突入矿井发生的。依据对淮南煤田潘谢矿区9 对矿井2015—2018 年182 个地面水文观测孔的水位数据及潘二矿突水后各水文观测孔水位变化的时空规律，得出水文观测孔的水位变化数据比水位高程数据更灵敏，潘谢矿区深层灰岩水由下向上对浅层灰岩水进行补给，通过聚类分析算法识别出矿井与深层灰岩水存在补给关系的浅层灰岩含水层区域；另一方面基于改进的随机森林算法对收集的7 000 多条矿井水质化验资料进行分析，基于错分数据识别出与深层灰岩水水力联系紧密的各矿含水层信息。综合分析水位变化数据聚类分析结果，得出各矿井的突水风险区域。基于含水层分类显著因子、水化学空间分布特征，结合温度、流量、水位、水质等参数的高精度传感器，构建快速准确突水预警系统，对矿井出水点进行智能监测，为实施防治水措施提供快速、可靠的依据，可以极大地避免矿井发生突水事故和减少突水事故产生的损失。

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煤田地质与勘探

2022年第02期

344

85
煤矿用自动化钻机远程监测系统研制

作者(Author)：王天龙, 马斌, 董洪波

摘要：根据国家能源装备制造、煤矿机器人和煤矿智能化发展等政策要求，结合煤炭设备少人化、智能化发展趋势，针对现有煤矿井下钻机参数显示不全、缺乏有效监测、维修不便等问题，为实现自动化钻机地面远程监测，利用传感测量、软件开发、虚拟现实、网络通讯、视频监测等技术研制了一种煤矿用自动化钻机远程监测系统。该远程监测系统包括了钻机主体、机载设备、网络通讯部分和远程监测服务器。钻机主体为ZDY4500LFK 型煤矿用钻机；机载设备包括了控制器和传感器组，用于实现钻机参数采集；网络通讯部分包括了交换机、网关等，实现井下和地面的通讯；远程监测服务器实现钻机参数和工况的监测。该系统研制后在鄂尔多斯华兴能源有限责任公司唐家会煤矿进行了现场试验，结果显示，该系统数据传输准确，可实现自动化钻机的地面监测功能，为煤矿钻机的少人化、智能化提供了保障。

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煤田地质与勘探

2022年第01期

209

156
矿井电阻率法监测系统在采煤工作面水害防治中的应用

作者(Author)：鲁晶津, 王冰纯, 李德山, 段建华

摘要：煤矿智能化、无人化开采迫切需要水害隐患地质透明化为其保驾护航。矿井电阻率法监测系统针对工作面回采过程中的水害问题，采用伪随机信号发射和全波形数据采集提高设备的抗干扰能力，采用电极接地条件一致性校正和监测数据归一化处理等手段压制假异常，采用时移电阻率成像实现水害隐患电阻率异常响应的识别和提取，通过监测工作面回采过程中顶、底板电阻率变化对水害风险进行判识，实现采动工作面水害隐患的地质透明化。结合矿井电阻率法监测系统近年来的井下现场试验，分别介绍其在顶、底板水害监测中的应用案例。井下试验结果显示，电阻率法监测可以有效捕捉顶、底板出水过程的前兆信息。但在实际应用中，矿井电阻率法监测系统依旧面临着强电磁干扰以及采空区监测线缆难以保护等问题，并且采掘扰动对煤岩电阻率的影响机理研究不足，导致对电阻率异常进行分析解释时存在较大争议，还需要进一步开展相关研究工作。

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煤田地质与勘探

2022年第01期

339

169