《煤田地质与勘探》2024年上半年编委及其团队成果

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《煤田地质与勘探》2024年上半年编委及其团队成果

来源：煤田地质与勘探

专题来自于《煤田地质与勘探》2024年上半年，共17篇研究成果。

行业视野: 煤田地质与勘探
类别; 86个
关键词; 100位
专家; 17篇
论文; 1871IP
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煤矿用自动化钻机远程控制系统的研制

作者(Author)：董洪波, 姚宁平, 王天龙, 马斌, 彭光宇

摘要：针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题，采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术，研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主体，实现了视距内控制、井下集控以及地面远程监控3种控制模式，并构建了云端自动化钻机管控平台。具体而言，视距内监控模式通过遥控器、控制器及配套传感器，实现了对井下视觉范围内钻机的精确操作；井下集控模式则集成了集控舱、隔爆兼本安型计算机、本安显示器、隔爆兼本安型交换机、本安摄像头以及本安操控箱等设备，实现了对井下危险钻场的钻机远距离安全监控；地面监控模式则通过地面操控台、地面服务器、显示器、交换机以及AI智能分析盒子等设备，为自动化钻机的地面远程监控提供了有力支持。此外，云端自动化钻机管控平台则主要用于自动化钻机群运行状态和施工状态的数据统计与分析。研制的远程控制系统应用于ZDY4500LFK、ZDY6500LDK型钻机，并实现了视距内遥控、井下集控以及地面远距离控制等多种控制方式的稳定运行。现场试验和测试研究结果表明：(1)钻机视距内遥控系统遥控器按键丰富、控制器具有CAN、RS485等丰富的接口，手机升级便捷方便，可广泛应用于钻机电控化升级和改造。(2)远程集中控制系统可以实现10 km距离的远程控制，控制响应时间小于200 ms。视频、参数采集数据响应及时无卡滞，可以满足井下钻机远程监控的需求。(3)地面远程监控系统可以实现地面钻机远程监控并具有AI识别功能，可实现人员闯入预警和停机功能。(4)自动化钻机管控平台经过功能、压力、并行、访问测试，功能正常，响应及时，系统无崩溃，可用于自动化钻机数据和工况的统计分析。该控制系统的应用在保证钻孔施工安全的同时也为煤矿钻机实现少人化、智能化、信息化提供了借鉴。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

111

21
机器学习方法在矿井水防治理论体系研究中的应用思考

作者(Author)：姚辉, 尹慧超, 梁满玉, 尹尚先, 侯恩科, 连会青, 夏向学, 张金福, 吴传实

摘要：致灾机理、危险性评价、灾变预测共同构成矿井水防治理论体系基本内容，其在过去20多年里快速发展，目标是理解矿井水行为特征，预测演化趋势，服务矿区水害防治工作。机器学习是大数据时代进行数据分析和挖掘的有力工具。将机器学习应用于矿井水防治理论体系研究，已得到相对广泛的关注。针对理论体系的3项基本内容，重点讨论了机器学习在各内容建设中的具体应用，主要包括：根据不同水害类型分类简述致灾机理研究现状，指出机器学习应用暂为空白的原因为其不具备做出假设的能力。认为未来致灾机理研究方法依然以传统方法(理论分析、数值模拟、相似模拟等)为主，机器学习促进地质数据获取与处理，对机理研究作出贡献；分析方法优势，指出机器学习作用于危险性评价的主要方式为非结构化数据的处理及丰富评价方法；分析基于物理和基于数据的单一预测模式弊端，论述物理模型与数据驱动相结合的必要性，相应给出“模型−数据”双驱动预测模式的3种实现形式，并讨论了基于图像的灾变预测方法可行性。随着生产数据及地质数据的丰富，机器学习方法可推动理论体系研究快速发展，并为矿井水防治学科系统方法论研究作出贡献。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

108

9
自驱修孔钻头动力参数及钻齿结构研究

作者(Author)：刘勇, 李阳, 魏建平, 苑永旺, 代硕, 李林豫

摘要：自驱修孔钻头是修复失效长钻孔的有效技术手段，为进一步提高修孔速度和瓦斯抽采效果，本文基于射流反冲理论，分析了射流反冲力与喷嘴参数的关系，构建了自驱修孔钻头旋转力学理论模型。采用LS-DYNA开展不同结构钻齿破煤过程，分析了不同钻进压力和扭矩作用下钻齿对煤体破坏形式和钻齿破煤体积变化规律，并开展了破煤实验验证数值模拟结果。形成了自驱修孔钻头参数确定方法，设计了自驱修孔钻头，并在郑煤集团超化煤矿22煤柱面底抽巷进行了工程实验。研究结果表明：(1)喷嘴张角α和偏心角β是决定钻进压力和扭矩分配的关键参数，通过调控张角和偏心角可实现钻进压力和扭矩的最优匹配。(2)相同钻进参数条件下，钻齿结构对破煤体积影响较大，阶梯钻齿破煤效果最优。在钻进压力为120 N、扭矩0.6 N·m时，阶梯型钻齿结构的修孔钻头能够实现钻进压力和扭矩最优匹配。(3)确定了最优修孔钻头结构参数为：钻头外径28 mm；后置喷嘴张角20°，偏心角90°；前置喷嘴张角90°，偏心角0°。(4)工程应用结果表明：瓦斯抽采纯量提高了1.96倍，瓦斯抽采体积分数提高了3.98倍，修孔速度提高了1.2倍。通过改进钻头动力参数及优化钻齿结构，设计的自驱修孔钻头在工程实践中达到了提高修孔速度和瓦斯抽采效果的目的。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

94

3
基于CT扫描的重构土壤孔隙结构及其对水盐运移影响

作者(Author)：李华焜, 郑刘根, 陈永春, 李兵, 陶鹏飞, 李浩

摘要：煤矸石是煤矿沉陷区土地充填复垦的关键材料。但煤矸石质地较为粗糙，持水性较差，煤矸石重构土壤的孔隙结构和水盐运移都会与原状土壤产生一定差异。为研究煤矸石充填土壤孔隙结构变化以及对水盐运移的影响，利用CT扫描技术和图像分析方法，分析覆土、泥矸混合、矸石与原状土样品的孔隙结构差异，同时设计一种室内重构土壤水盐运移模拟装置，通过在实验装置不同深度布设传感器，连续记录重构土壤剖面水分与盐分的运移情况。结果表明，在原状土、覆土、泥矸混合与矸石4份样品中，矸石样品孔隙率高于其他样品，达到8.299%，导致其持水能力较差；泥矸混合样品小孔隙占比高，达到58.73%，孔隙连通性较差，缺乏水分运移通道，导致层间障碍带的形成；覆土样品与原状土样品孔隙结构非常接近。在土柱模拟实验中，土壤盐分含量随水分运移而变化，各土壤层含盐量均先升高后降低，入渗结束后，表层土壤完成脱盐，深层土壤呈现积盐状态。在注水6 d内，土壤层含盐量均先降低后升高，50 cm土壤层变化幅度最大，为38.34%。深层土壤盐分借助毛管力作用向上运移，表层土壤含盐量逐渐回升。由于层间障碍带的存在，矸石层水分与盐分均难以向上运移，其含量逐渐下降。研究结果可为沉陷区土地充填复垦和矿区生态修复提供参考。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

132

2
基于SSA-CG-Attention模型的多因素采煤工作面涌水量预测

作者(Author)：丁莹莹, 尹尚先, 连会青, 刘伟, 李启兴, 祁荣荣, 卜昌森, 夏向学, 李书乾

摘要：矿井工作面涌水量预测对确保矿山安全、优化资源配置、提高工作效率等都具有重要作用。为提高预测结果的准确性和稳定性，基于钻孔水位和微震能量数据与涌水量的强关联性，选择其作为多因素特征变量，提出SSA-CG-Attention多因素矿井工作面涌水量预测模型。该模型在门控循环单元(Gated Recurrent Unit，GRU)提取时序特征的基础上，与卷积神经网络(Convolutional Neural Network，CNN)融合形成新的网络结构提取数据的有效非线性局部特征，并且加入注意力机制(Attention)，在预测过程中将注意力集中在输入元素上，提高模型的准确性。最后通过麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm，SSA)优化模型参数，避免局部最优解的问题。将提出的模型分别与传统的BP神经网络、LSTM、GRU单因素涌水量预测模型以及MLP、SLP、SVR、LSTM、GRU、SSA-LSTM、SSA-GRU多因素涌水量预测模型的预测结果进行对比分析，结果表明：SSA算法以最少迭代次数快速寻优，避免了局部最优解的缺陷；SSA-CG-Attention多因素涌水量预测模型整体预测指标绝对误差(EMA)、均方根误差(ERMS)以及平均绝对百分比误差(EMAP)分别为5.24 m3/h、7.25 m3/h、6%，指标方差和为8.90。相较于其他预测模型预测精度更高，相较于单因素涌水量预测模型，多因素涌水量预测模型预测结果更加稳定。研究结果为矿井工作面涌水量预测提供了新的思路与方法，对矿井工作面涌水量预测及防控有着借鉴与指导作用，具有一定的理论价值和现实意义。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

95

3
蒙陕接壤区煤层顶板涌水水源智能判别方法

作者(Author)：王皓, 孙钧青, 曾一凡, 尚宏波, 王甜甜, 乔伟

摘要：蒙陕接壤区煤炭高强度开采诱发的煤层顶板水害问题日益凸显，高效智能地判别煤层顶板涌水水源是顶板水害防治的关键。以蒙陕接壤区3个典型矿井为研究对象，将无机指标K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl−、SO4 2−、HCO3 −、TDS和有机指标UV254、TOC、溶解性有机质(DOM)的荧光光谱作为判别指标，利用主成分分析法(PCA)对80组地下水水样数据进行主成分提取，提出一种人工鱼群算法(AFSA)改进随机森林(RF)的PCA-AFSA-RF顶板涌水水源智能判别方法。首先，建立PCA-RF判别模型，其准确率(Ac)、精确率(Pr)、召回率(Rc)和F-measure指数(f1)分别达到了83.00%、83.17%、80.42%和79.57%；其次，通过AFSA对PCA-RF判别模型中决策树数目、树深和内部节点分裂所需的最小样本数进行寻优，在AFSA中引入遗传机制以避免陷入局部最优，建立基于PCA-AFSA-RF的煤层顶板涌水水源智能判别模型，该模型Ac、Pr、Rc、f1分别达到92.18%、91.11%、87.58%和88.82%，较PCA-RF分别提高9.18%、7.94%、7.16%和9.25%，回代准确率达到97.50%；最后，利用该模型对12个矿井水水样进行判别，结果与现场实际相一致，表明AFSA改进后的PCA-RF模型具有更好的准确性和泛化能力。研究结果可为煤层顶板涌水水源的准确判别提供新方法。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

131

7
煤系水平井定向射孔压裂裂缝扩展机制

作者(Author)：庞涛, 姜在炳, 惠江涛, 贾秉义

摘要：复杂含煤地层顶板水平井射孔压裂是增加煤层透气性、提升瓦斯抽采效率的关键，而地层结构和射孔位置影响裂缝扩展形态。考虑地层结构特征及射孔位置，建立压裂工程地质模型；基于有限元方法构建数值模型，研究射孔位置、地层条件、垂向应力与水平应力差对裂缝扩展的影响，并进行工程验证，提出施工建议。结果表明：射孔孔眼位置存在全部位于煤层中、全部位于顶板岩层中和部分位于顶板部分位于煤层3种情况。孔眼位于煤层中，裂缝受到界面的“阻隔”作用，对煤层改造有利；孔眼位于顶板，当顶板层理发育，垂向应力与最小水平主应力差大于2 MPa时裂缝能够穿越层理和界面进入煤层，而顶板完整时，应力差大于−2 MPa裂缝即可在孔眼诱导作用下进入煤层，顶板层理和界面对裂缝垂向扩展具有“阻挡”作用，结构完整地层有利于裂缝的垂向穿层扩展；孔眼部分进入煤层，对裂缝起裂、扩展产生明显诱导作用，形成沿界面的水平缝和进入煤层的垂直缝，无论顶板是否完整，都能形成有效改造裂缝。当射孔孔眼距煤层较远、孔眼与煤层间弱面发育、水平应力大于垂向应力或压裂施工规模不足时，建议采用深穿透射孔、分支孔等能够沟通煤层的工程措施，以保证压裂效果。研究结果在陕西韩城某煤矿的井下分段压裂施工中进行了应用，试验孔瓦斯抽采效果良好，可为类似地质、工程条件下的压裂施工提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

122

10
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

155

8