《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; 75个
关键词; 74位
专家; 14篇
论文; 3145IP
点击量; 1212次
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西部矿区采动损害及减损开采的地质保障技术框架体系

作者(Author)：王双明, 孙强, 耿济世, 袁士豪, 谷超, 杨多兴, 牛超, 路拓, 郭晨, 张唤兰, 黄海鱼, 师庆民

摘要：【目的】煤炭在我国的主体能源地位短期内难以发生改变，是我国能源发展的兜底保障。煤炭资源大规模、高强度的开采损害煤矿区地质环境，同时导致突水、冲击地压等灾害。【方法】围绕煤矿安全高效开采面临的地质环境损害预测预警难和减损开采保障压力大等难题，基于煤炭采动损害预测与减损地质保障多学科交叉特点，突出地质条件的控灾机理和采动致灾模式，强调煤炭开采模式与地质结构演化全时空多场响应，分析采动效应下地质条件物质场、能量场、信息场的耦合机制，厘清损害模式和预警信息关键参量的映射关系，形成安全高效开采的地质保障策略和减损控灾工程技术体系。【结果和结论】研究思路为“孕灾环境→损害机制→过程响应→损害预测→防灾减损”，技术路线是“煤矿开采地质环境条件→地质结构演化规律及损害模式→多物理场演化全时空信息响应→损害监测及预测预警→减损保障工程技术”。核心内容包括：(1)剖析地质条件与致灾地质体的空间关系和成因联系，构建高精度的三维地质力学模型，阐明地质结构、开采条件和损害模式的映射关系，建立主控要素的特征参量数据库；(2)构建采动效应下的工程地质力学模型，研究开采方式、空间布局、采动速率等影响下地质条件结构时空演化特征和损害机制，提出考虑地质体关键结构破坏演化规律的损害模式判识方法；(3)获取采动过程地质结构演化背景下的全时空多源信息响应，提出主控参量作用下的损害模式识别标准，进而厘清裂隙场、应力场、渗流场与地球物理场信息参量的镜像关系，建立基于地质条件物质场、能量场和信息场耦合响应的全时空信息映射模型；(4)构建地面-钻孔-井下的全空间、多方位、主被动的一体化多源监测体系，提出煤矿采动损害预测模型和预报方法；(5)构建基于损害源、损害模式、损害动力、损害通道剖析以及减损技术与效果评价于一体的减损控灾体系，追求煤炭安全开采与地质环境保护协调发展，破解资源开发与地质环境制约之间的矛盾，为煤矿安全高效开采和防灾减损提供地质、力学、物理基础的科学依据。

煤田地质与勘探

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煤层采动底板突水物理模拟试验研究进展与展望

作者(Author)：张平松, 欧元超

摘要：【目的】底板突水受特定地质构造、水-岩-应力及采掘扰动等因素叠加作用影响，具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获取灾变各阶段多源数据信息，因而在底板突水研究方面具有独特优势。【结果和结论】对底板突水经典理论、标准规范、模拟试验及工程实践等方面研究成果进行了回顾，重点梳理了试验加载装置及水压模拟方式、相似材料研制及其特性指标、监测技术及其观测系统设计3个方面研究进展，其中在模拟水-岩-应力耦合环境下的三维模型底板突水全过程信息捕捉方面有较大突破。面对数智化研究大背景，分析当前底板突水物模试验领域存在的不足，并据此指出未来应重点关注大型三维底板突水综合试验平台研制、基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立、多相多场多维耦合监测预警系统构建、人工智能等数智化技术融合应用研究等发展方向。提出的思考有助于从装置、材料、技术等方面提升未来物模试验水平，从而更好支撑煤矿底板水害数智化防治基础研究工作高质量发展。

煤田地质与勘探

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煤电基地CO2和CH4遥感监测及时空特征分析

作者(Author)：徐燕飞, 陈永春, 李静, 刘晓舟, 苗伟, 赵得荣, 芮成奇

摘要：CO2和CH4是煤电基地能源生产活动中的主要温室气体排放种类。为研究煤电基地CO2和CH4时空特征,以安徽淮南市为例,利用GOSAT、OCO-2和Sentinel-5P这3种卫星数据进行研究区CO2和CH4浓度监测,得到XCO2和XCH4浓度变化和分布情况,采用源清单法分析CO2行业和区域排放特征,同时采用Pearson相关系数和多元回归方法分析影响研究区XCO2和XCH4浓度的主控因素。结果表明:(1)基于GOSAT和OCO-2卫星融合数据分析显示,淮南市2016—2020年XCO2和XCH4浓度整体呈增长趋势,期间XCO2浓度增加12×10-6、XCH4浓度增加23×10-9;XCO2浓度和累计发电量的Pearson相关系数为0.98,XCH4浓度和累计煤炭产量的Pearson相关系数为0.99,均呈现极强相关。(2)利用Sentinel-5p卫星搭载的对流层观测仪(TROPOMI)高分辨产品数据分析淮南市各区域XCH4浓度分布时空特征发现,研究区秋季XCH4浓度高于夏季,XCH4浓度受能源生产和农业生产两方面的影响。(3)源清单法得出淮南市一级源分类CO2排放最多的为化石燃料固定燃烧源,占全市CO2总排放量的89.59%,化石燃料固定燃烧源中电力供热占比99%以上;主要为淮南市潘集区和凤台县燃煤电厂CO2排放;源识别显示集中分布在淮南市北部的火力发电厂为研究区CO2最主要排放源。(4)影响研究区XCO2浓度的主控因素为地区生产总值、累计发电量和第二产业产值,影响XCH4浓度的主控因素为累计煤炭产量、第一产业产值、播种面积。研究结果对我国“双碳”目标下煤电基地碳监测体系构建与完善具有重要的参考意义。

煤田地质与勘探

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煤矿微震监测系统在回采工作面顶板水害防治中的应用

作者(Author)：樊鑫, 程建远, 栗升, 段建华, 范涛, 李博凡, 王艳波

摘要：随着煤矿开采深度增加，工作面顶板水害风险日益突出，制约了我国煤矿绿色安全高效开采，亟需新型顶板水害监测预警技术。探索“井-地”联合微震监测系统在回采工作面顶板水害防治中的应用，有助于实现顶板水害风险的透明化智能监测预警。在工作面上方地表和井下两侧巷道同步布置微震传感器阵列，增加垂向采集空间，提高震源定位精度；提取监测数据时域和频域特征构建样本数据集，利用支持向量机算法实现微震事件智能识别。以陕西彬长矿区某煤矿工作面为例，成功识别出3个煤层顶板应力集中区域，与电阻率监测成果吻合，显示导水裂隙带高达160 m，波及含水层，显示出回采期间顶板导水通道动态发育全过程。该“井-地”联合微震监测系统能够高精度识别微震事件，为回采工作面顶板水害风险监测预警提供了一种新的技术手段。研究有助于推进微震监测技术在煤矿顶板水害等领域的智能化应用，促进煤矿开采的安全绿色高效发展。

煤田地质与勘探

93
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

62

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

159

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

105

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

107

82