《煤田地质与勘探》“煤矿隐蔽灾害探查与治理地质综合保障技术”虚拟专题

来源：煤田地质与勘探

煤矿隐蔽致灾因素一直是影响矿井安全、高效、绿色、智能化开采的关键问题。近年来，随着地质探测技术的不断进步，很多新技术为隐蔽致灾因素的精准探测和治理提供了有力支持。编辑部整理了相关技术进展和应用案例，旨在汇聚前沿科技与应用实践成果，促进学术互动与技术革新。

行业视野: 煤田地质与勘探
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“天窗”隐蔽致灾因素地质−工程一体化普查技术

作者(Author)：董敏涛

摘要：目的“天窗”作为陕北侏罗纪煤田榆神矿区南部矿井的主要隐蔽致灾因素，其隐蔽性和难探查性使得该区域“天窗”空间分布不明，安全隐患凸显，需研究有效的探测技术手段，解决空间探测难题，保障矿井安全。方法以研究区典型矿井为研究对象，采用地质分析、科学评价和工程探测为一体的“天窗”隐蔽致灾因素地质−工程一体化普查技术，对研究区“天窗”隐蔽致灾因素的空间分布特征及其灾害类型进行探查。结果和结论结果表明：区内“天窗”发育主要受古河道控制，同时与现代河流有一定的继承性；高密度直流电法、微动勘探对研究区“天窗”发育的范围、电性和声波信号明显、显著表现为高电阻率和波速异常的特征，而瞬变电磁勘探物性特征响应不明显；“天窗”发育区为古河道沉积形成的岩性组合，具有明显的二元结构特征和红土层二次沉积与河道沙土层混合或互层沉积的岩性组合特征；红土层发育区具有钻孔缩径、钻孔漏失量少、岩层成层性直立性好等特征。“天窗”发育区黄土层的渗透系数为2.21×10−2 m/d，红土层渗透系数为7.18×10−3 m/d，红土的隔水能力大于黄土。综合物探能够在平面上快速识别红土异常区，为精细勘探工程准确圈定“天窗”提供依据，同时，精细勘探结果也验证了综合物探对 “天窗”发育区在电性和声波信号反映特征的准确性。研究成果为区域内红土缺失性“天窗”隐蔽致灾因素普查、治理提供技术支撑，为地质条件相似矿区提供“天窗”有效探测的技术手段指导，进而为煤矿安全、高效、绿色、智能化开采提供地质保障技术。

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煤田地质与勘探

2025年第02期

55

0
智能时代的矿井地质工作展望—矿井开采智能地质保障技术体系架构

作者(Author)：夏玉成, 孙学阳, 苗霖田, 郭晨, 杜荣军

摘要：背景和意义面临碳达峰碳中和(“双碳”)目标的严峻挑战，煤矿智能化是新时期煤炭产业高质量可持续发展的必由之路和重要标志。矿井地质工作为地下煤矿开采提供地质基础和保障，在煤炭产业转型升级高质量发展中的重要性将日益增强。通过“矿井地质+人工智能”，构建“矿井开采智能地质保障技术体系”，为矿井安全高效绿色智能开采提供全方位和全过程地质保障，是新时期矿井地质工作契合煤矿智能化建设目标的发展方向与必然趋势，必将成为助推矿井地质工作提质增效的新质生产力。方法和结果在探讨矿井开采智能地质保障技术体系科学内涵的基础上，初步搭建了矿井开采智能地质保障技术体系架构，并对构成该技术体系的5个子体系：基础地测信息智能化管理、矿井地质灾害的智能化预测预警、矿区生态环境的智能化监测预测预警、开采有利区块的智能化辨识、透明工作面子体系，及其核心工作模块进行系统梳理。结论同时特别强调，在地质探测、检测技术手段不断进步的前提下，矿井开采智能地质保障技术体系的有效性取决于原始数据的准确性和可靠性，归根结底取决于地测人员的数量和专业素养，呼吁进一步加强矿井地质专业人才的引进与培养。

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煤田地质与勘探

2025年第01期

91

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矿震诱发高应力巷道厚顶煤动力失稳机制

作者(Author)：周坤友, 窦林名, 曹安业, 马衍坤, 阚吉亮, 李家卓, 马小涛

摘要：目的厚煤层沿底掘进煤巷普遍存在厚顶煤，工作面矿震对巷道厚顶煤产生动载作用，易诱发厚顶煤动力失稳和冒顶−冲击复合灾害，亟需探究矿震动载作用下巷道厚顶煤动力失稳机制。方法以陕西彬长矿区深部厚顶煤巷道为工程背景，调研分析深部高应力巷道厚顶煤动力失稳特征，数值模拟研究不同静动载作用下巷道厚顶煤多场演化规律，提出矿震诱发高应力巷道厚顶煤动力失稳机制。结果和结论结果表明，巷道厚顶煤冒顶区域距回采工作面较远，冒顶后裸露平整顶板，顶板锚索拉断，冒顶区域附近均发生大能量矿震，呈现冒顶−冲击复合灾害现象。随静载增加，巷道围岩裂隙发育深度及变形不断增加；随动载作用时间和动载强度增大，顶煤震动速度、加速度及裂隙发育程度不断增大，顶煤离层量显著增加；顶板锚杆索均位于顶煤裂隙发育区，支护性能大幅降低。静动载作用下巷道厚顶煤累积损伤及离层量不断增大，大能量矿震动载使浅部破碎顶煤震动速度及加速度显著增大，作用在锚索上载荷超过其承载能力，锚索被拉断，浅部破碎煤体以较高速度冒落，诱发厚顶煤动力失稳和冒顶−冲击复合灾害。在此基础上，提出了采用重建厚顶煤主被动支护和加强卸压的深部巷道厚顶煤动力失稳灾害的防治方法。

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煤田地质与勘探

2024年第10期

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弱动力扰动作用下岩石微裂隙演化特征及灾害防控

作者(Author)：姜明伟, 梁运涛, 冯文彬, 李海涛, 周睿, 郭宝龙, 刘洋, 马举

摘要：目的高应力叠加弱动力扰动是诱发冲击地压的关键因素，但不同扰动幅值、频率、卸载范围下的岩石微裂纹扩展特征和能量耗散规律尚不明确，无法为冲击地压防治提供技术支撑。方法基于真三轴卸载动力扰动试验，分析了不同扰动幅值(5、10 MPa)、频率(4、10 Hz)、三向应力卸载(0、12 MPa)下深部围岩失稳破坏规律，并结合SEM扫描分析了岩石微裂隙特征。通过锚杆拉拔试验，优化了锚杆肋间距和肋高，提高了其吸能支护作用，提出了“吸能锚杆−低阻抗混凝土注浆−喷浆−挂网”组合支护技术。利用传感器对巷道进行长期监测，得到治理前后压力与振动数据。结果和结论研究表明：(1)随着扰动幅值和频率的增加，裂纹增加显著且不规则，岩石断口的方向分形维数降低。当扰动为10 MPa、10 Hz时，分形维数降至最低值0.62，孔隙方向角80°~120°孔隙定向频率达到最大值的52%，约为原始岩石的1.68倍。说明岩石受扰动后颗粒的应力不均匀，导致应力集中，断裂方向明显。(2)随着扰动幅值和频率的增加，SEM图像的微孔隙面积先快速增加，后缓慢增加且增加趋势越来越小。扰动频率每增加2 Hz，岩石微裂隙面积增加约24.13%。(3)现场测试表明随着锚杆肋间距和肋高增加，拉拔曲线形态由“弹塑性阶段−破坏失效阶段−残余阶段”逐渐过渡为“弹塑性阶段−微量屈服阶段−大量强化阶段−破坏失效阶段−残余阶段”，肋间距48 mm、肋高2 mm的螺纹钢锚杆吸能效果最好。经现场监测可将巷道压力稳定在36 N左右，峰值加速度控制在8 000 mm/s2以内。研究揭示了卸载动力扰动作用下围岩破坏及能量释放规律，提出的“吸能锚杆−低阻抗混凝土注浆−喷浆−挂网”支护技术，可为类似深部工程提供理论指导。

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煤田地质与勘探

2024年第10期

169

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基于信息量−机器学习耦合模型的采煤沉陷区滑坡敏感性评价

作者(Author)：牛晨昊, 焦润成, 韩建锋, 王晟宇, 郭学飞, 刘畅, 韩玉成, 宋国峰

摘要：目的采煤沉陷区由于其特殊的地质条件和采煤背景，极易引发地面裂缝和地面塌陷，进而导致滑坡等地质灾害，选择适用的影响因子和训练模型在该地区开展滑坡敏感性评价十分必要。方法以北京西山煤矿区为例，采用斜坡单元与数学统计模型和机器学习模型耦合方法，开展采煤沉陷区的滑坡敏感性评价。在地理信息系统环境中，选取坡度、坡向、地表湿润度等地形地貌因子，并加入地质背景的地层岩性和与断层距离因子，采煤背景的与采煤巷道距离和与井口距离等共10个因子作为评价指标，通过相关性分析优化滑坡敏感性评价体系。同时以水文分析法划分的地形斜坡单元为评价基础，分别应用信息量模型(I)信息量−随机森林(I-RF)、信息量−多层感知机(I-MLP)耦合模型对滑坡敏感性进行空间预测。结果和结论结果表明，耦合模型(I-RF、I-MLP)的精度均高于独立模型(I)，3种模型的AUC值分别为0.861、0.845、0.761，I-RF模型具有更强的预测能力和精度。此外地质和采煤背景因子的加入，优化了滑坡敏感性的评估效果。为了验证滑坡敏感性分区结果的实用性，以北京市“23·7”强降雨事件为时间节点，利用大比例尺航空摄影测量、时序InSAR技术等手段对滑坡敏感性评估结果进行佐证。结果表明，基于斜坡单元和耦合模型的滑坡敏感性评估结果与诱导事件后的滑坡灾害发育情况，有很大程度的吻合性。滑坡敏感性评价结果在一定程度上可以反映各斜坡的滑坡发生概率，对于采煤沉陷区滑坡灾害的预测和防治工作的开展有一定的参考性。

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煤田地质与勘探

2024年第09期

148

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深部矿井覆岩沉积环境–力学特性及冲击地压风险判识

作者(Author)：乔伟, 程香港, 窦林名, 贺虎, 孟祥胜, 任洋洋, 肖冲, 蔡进

摘要：目的灾害风险判识和预测是控制和治理灾害的前提，工程地质环境是冲击地压等矿井动力灾害最基本的孕灾条件，其沉积成因机制研究对冲击地压风险预测具有重要意义。方法以陕西彬长矿区高家堡煤矿为研究对象，分析不同沉积微相下岩体工程地质特性，探究不同沉积环境岩石变形破坏特征及岩体能量释放规律。结果和结论结果表明：沉积环境的差异导致岩石岩性和微观结构的差异，岩石加载破坏中能量演化过程大致分为3个阶段，分别为：能量耗散波动阶段、能量耗散平稳阶段、能量耗散阶段。沉积微相的差异导致岩石在能量耗散阶段能量占比变化具有显著差异，河道沉积的细砂岩、中砂岩以及心滩沉积的粗砂岩岩石破坏时能量占比变化较高，在27%以上，而泛滥平原沉积的泥岩岩石破坏时能量占比变化较小，为14%。在此基础上，以沉积微相、煤层厚度、煤层埋藏深度、顶板岩层厚度特征参数、顶板坚硬岩层厚度及其与煤层的间距、岩体质量评估参数、地质构造容量维、侧压系数和弹性能等工程地质环境因素，采用机器学习算法，构建冲击地压风险非线性判识模型。采用BP神经网络、支持向量机(SVM)、决策树(DT)和袋装树(Bagging)等4种机器学习算法进行了对比，各机器学习算法准确率，宏F1分数以及ROC曲线下面积AUC值均在0.7以上，表明各模型准确度高且稳定性较好。其中，Bagging模型性能最优，表明采用工程地质环境因素能够准确、有效地进行冲击地压风险判识和预测，能够为相似地质条件和开采条件的矿井冲击地压危险性评价提供借鉴，为煤矿防冲卸压设计提供指导和依据。

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煤田地质与勘探

2024年第10期

147

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复合关键层厚硬顶板诱冲机制与防治技术模式

作者(Author)：郑凯歌, 袁亮, 张平松, 王林涛

摘要：目的厚硬顶板是诱发煤矿冲击地压、矿震等灾害的关键因素，其中煤层顶板发育有复合关键层厚硬顶板条件下灾害更为严重，揭示复合关键层厚硬顶板诱冲机制，构建防治技术模式迫在眉睫。方法运用物理相似模拟和力学分析等方法，建立复合关键层硬顶板和其非协同破断判识方法，揭示复合关键层厚硬顶板诱冲机制，优选防冲技术模式。结果和结论结果表明：(1) 复合关键层厚硬顶板呈现“大−小”周期来压规律，来压期间声发射频次和微震能量分别为非来压的5.3倍与7.3倍；上、下位关键层厚硬顶板同步破断扰动叠加，叠合“周期”和“见方”来压效应诱发大型冲击地压灾害。(2) 建立了以中性轴线为基础的复合关键层判识模型，两层及以上关键层厚硬顶板形成复合关键层前提是梁模型横截面上剪切应力不超过对应的抗剪强度。(3) 形成了“悬臂梁”和“砌体梁”两种模式下合理破断线距离定量判识方法，提出了复合关键层厚硬顶板上、下单层和双层协同3种水力压裂卸压技术模式。(4) 分析显示下位关键层压裂主要改变了厚硬顶板关键层完整性和强度，缩短了来压步距，无法控制上位关键层“拱壳”结构大能量冲击地压；上位关键层压裂控制“大周期”破断扰动载荷，减弱了复合关键层耦合效应，大幅降低冲击地压危险性，是冲击地压主控层位，“上−下位”关键层协同压裂为最优卸压防冲模式。该研究成果将为复合厚硬顶板冲击地压地压、矿震灾害区域的精准防治提供重要依据。

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煤田地质与勘探

2024年第10期

153

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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的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。

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煤田地质与勘探

2024年第09期

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