智能开采透明工作面地质模型梯级优化试验研究

煤矿智能开采工艺与装备对于地质条件适应性不足,亟需在各种复杂地质条件下构建高精度透明化的煤层地质模型。以山西某地质条件复杂的矿井为例,选择陷落柱、断层、褶曲等较为发育的XY-S工作面,利用勘查、生产阶段获取的地质数据,递进式构建了设计阶段的黑箱模型、掘进阶段的灰箱模型、回采前的白箱模型和开采中的透明模型;以XY-S工作面总长7 400 m掘进巷道、1 470 m推采范围的实测数据作为统计依据,对不同模型的地质建模精度进行实证分析。试验结果表明:①煤层底板标高的建模误差:黑箱模型10～20 m(仅有钻探数据时)、5～10 m(钻探+三维地震),灰箱模型和白箱模型0～5 m,透明模型0～1.0 m;②断层、陷落柱的控制程度:槽波解释的3条落差为1.5 m以上断层验证可靠,直径为20 m以上陷落柱的解释准确率平均75%,但是槽波探测的陷落柱范围明显偏大、推断的异常区偏多;③煤厚预测误差:主采煤层平均厚度2.70 m,黑箱、灰箱、白箱模型煤厚预测最大误差为1.5 m、均方误差0.5 m左右,透明模型的煤厚预测误差小于0.30 m,但是可统计的实证点偏少。按照智能开采工作面地质模型梯级构建的思路,智能开采前白箱模型的建模精度只能满足自适应截割模拟开采的需求,急需研发随采智能探测、孔中地质雷达、视频煤岩识别等新技术新装备,实现工作面高精度三维地质建模,为煤矿智能开采提供可靠的地质保障。     

基于单纯形-最短路径射线追踪的微震震源混合定位算法

震源定位精度是评价微震监测效果的最重要指标。最短路径射线追踪法是一种求解复杂速度模型下地震波走时场及检源路径的算法,是一种重要的地震波走时正演方法。本文将该方法引入到矿山微震监测领域,与基于平均速度模型的常规单纯形定位方法相结合,建立了单纯形-最短路径射线追踪混合定位算法。首先采用最短路径射线追踪方法,计算观测系统中每个检波点到潜在震源点的反向射线路径及走时;然后基于均匀速度模型,采用单纯形算法计算得到一个初始解;最后在初始解的一个小区间内,计算各节点"走时-到时"差之和,取求和值最小值对应的节点作为震源点。层状速度模型和空区速度模型正演模拟实验表明,最短路径射线追踪方法计算得到的检源路径符合地震波传播基本规律。基于神东某矿31101工作面坚硬顶板压裂案例,以标定炮为参考,新方法定位误差4.35m,常规单纯形方法定位误差为19.63m;该方法可为层状及含空区等复杂地层微震监测等提供重要的理论支撑和技术支撑。     

基于应力集中系数的巷道断面优化及支护研究

为突破传统“应力集中程度”的定性概念, 提出了表征巷道断面应力集中程度的线系数K₁和面系数K₂。以舞阳铁矿典型巷道为例, 建立了数值计算模型, 用有限元法对不同矢跨比下的巷道断面模型进行了应力分析, 并计算了对应的线系数K₁和面系数K₂, 同时研究了最优支护方案。结果表明: 应力集中系数K₁、K₂能够较好地反映一定围岩条件和应力场环境下巷道断面的应力集中程度, 可为巷道断面优化及支护问题提供依据。舞阳铁矿最优巷道断面为矢跨比1/3型, 支护层最优厚度为200 mm, 优化结果与实际情况一致。     

基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法探索

“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策,也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者,在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题,是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则,寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO₂封存的有机结合点,提出基于功能性充填的CO₂储库构筑与封存方法学术构想,探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO₂封存储库构筑→CO₂物理与化学协同封存→CO₂封存安全及环境风险评价”的CO₂封存新途径。具体开展工作包括：（1）创新了镁渣源头改性技术,研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO₂封存用功能性充填材料;（2）提出了短-长壁充填无煤柱开采方法,初步构筑满足稳定性要求的CO₂封存空间,结合功能性充填理论与技术,进一步构筑满足密封性要求的CO₂...     

“双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路

在“双碳”目标背景与当前技术条件下,“煤”“废”“碳”构成了煤炭的“不可能三角”,严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废”“从哪里来到哪里去”的原则,着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角,探索“煤”“废”“碳”协同发展路径,为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体包括：①阐明了“煤”的减损化开采科学内涵,明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题,提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术;②阐明了“废”的功能化利用科学内涵,明确了固废功能化利用的科学问题,包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面,形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系;③阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵,提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径,厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存...     

煤矿充填固碳理论基础与技术构想

在国家“双碳”目标背景下,如何减少煤炭行业的碳排放、实现碳封存已成为亟待解决的难题。煤炭行业作为高碳化石能源生产者和主体碳排放源提供者,在生产和消费过程中引发的大宗固废堆存、大型采空区形成和大量CO₂排放是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的瓶颈所在。为协同解决二氧化碳封存与矿山固废消纳问题,将大宗固废处置、固废高值化利用、CO₂封存、采空区利用有机结合,提出了二氧化碳充填的理念,从碳汇能力评估角度界定了二氧化碳充填的3种类型。具体开展工作包括：(1)分析了CO₂充填料浆输运过程和矿化反应过程涉及到的基础理论,给出了各个过程的数学方程以及碳封存量计算公式,指出了温度、湿度等因素对矿化反应机理、碳封存量和充填体强度的影响规律。(2)总结了现阶段CO₂矿化的工艺方法、主要碱性工业固废的CO₂封存能力和CO₂矿化强化措施。在此基础上提出了基于直接湿法矿化和间接矿化的2种CO₂充填材料制备工艺,满足矿井充填的流动性、凝固特性和强度要求。(3...     

“双碳”目标下煤炭开采扰动空间CO2地下封存途径与技术难题探索

煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变,但煤炭工业发展面临着“碳达峰,碳中和”目标的新挑战,积极推动煤炭资源绿色开采与低碳利用,充分发挥煤炭安全供给的兜底作用,是保障国家能源安全的重大现实需求。而CO₂排放是煤炭工业可持续发展面临的最大制约,探索大规模、低成本CO₂封存技术是煤炭资源低碳化利用必须面对及破解的难题。在对煤层自然封存CO₂和CO₂气藏赋存地质条件研究基础上,探讨和展望利用煤炭开采、地下气化及原位热解等形成的扰动空间进行CO₂地下封存的技术途径,并明确了实现CO₂地下高效封存的必备条件：（1）煤层上部存在不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO₂封存的先决要求;（2）构建功能性充填空间是实现CO₂地下封存的核心工作;（3）由功能性充填体围限的碎裂岩体、气化煤灰及热解半焦等封存载体物性特征是影响CO₂封存量及封存效果的重要因素。据此,剖析了进行CO₂...     

煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术

随着国家大力推进工业化与信息化融合,煤炭智能精准开采已经成为行业大趋势,众多煤炭企业和科研院所开展了一系列试验研究和工业示范工程。然而,地质条件的适应性不足已经成为制约煤炭智能精准开采的技术瓶颈,迫切需要构建高精度、透明化的工作面三维地质模型。以黄陵煤矿某智能化工作面为例,分析了智能精准开采对地质透明化的时空需求,一方面要确保工作面前方未采区域一定范围内地质条件的"透明化",另一方面要在采煤机完成一次截割的时间内完成透明化工作面三维地质模型的动态更新。统筹分析工作面地质探测技术现状和智能开采的集控水平,提出了构建透明工作面三维地质模型的总体思路:按照不同的地质、采掘阶段,将回采工作面地质模型分为4个层级,即黑箱模型、灰箱模型、白箱模型和透明模型。在工作面设计阶段,基于地面钻探与采区三维地震资料,可以构建工作面的"黑箱模型",其精度处于"十米级";在工作面掘进阶段,开展三维地震资料地质动态解释,可以构建工作面的"灰箱模型",其精度处于"十米级～米级";在工作面采前阶段,综合利用槽波、坑透等工作面地质勘探技术,可以构建工作面的"白箱模型",其精度能够达到"米级～亚米级";在工作面回采阶段,动态融入回采揭露的地质信息,并进行随采地震动态监测,可以构建起工作面前方50 m的工作面"透明模型",其精度达到"亚米级"。为此,亟需研发一批关键技术与装备,主要包括三维地震资料地质动态解释技术、煤矿井下孔中物探技术与装备、回采工作面随采地震监测技术、工作面监测数据地质信息提取和多源异构地质信息动态融合技术等,逐级构建智能开采工作面的地质模型,渐次实现工作面的三维地质透明化,为煤炭智能精准开采提供地质保障。     

微震P波到时拾取的PAI-k-MFV算法改进及应用

为了充分发挥PAI-k-MFV算法参数自适应的优势,同时提高P波到时正确拾取率和拾取精度,通过引入STA/LTA算法和改进MFV准则,对PAI-k-MFV算法进行改进。首先,根据预先设置的时窗长度和置信概率的取值范围及步长,采用PAI-k算法拾取得到一组P波到时集;然后,运用STA/LTA算法初步计算P波到时区间,并将到时集中不在该区间内的到时元素剔除,得到更新后的到时集;最后,在新到时集的基础上,根据改进的最大频遇值(MMFV)准则最终确定P波到时。改进算法继承了PAI-k-MFV算法的参数自适应优点,无需人为调整太多参数,同时能够有效克服原MFV准则容易失效和拾取点滞后真实到时点等问题。对比其他算法,改进算法在拾取背景噪声段有强噪声的微震信号和弱微震信号P波到时具有明显优势。利用改进算法和PAI-k-MFV算法拾取冬瓜山铜矿115个实测低信噪比微震信号的P波到时,以人工拾取结果为参考标准,误差在5ms以内(对应30个采样点)视为正确拾取,结果显示:改进算法正确拾取率为96.52%,正确拾取的到时误差绝对值均值为1.1 ms,标准差为1.0 ms;较PAI-k-MFV算法,正确拾取率和拾取精度都大幅度提高。     

超高流动性改性镁渣基充填材料的性能

针对超远距离输送过程中，特殊管路布置等充填技术中堵管、爆管风险大，管道磨损严重等问题，采用改性镁渣（MMS）和粉煤灰（FA）在不同配比下制备超高流动性新型膏体充填材料（UH-MFPB），探究其早期强度、流动性以及流变特性，并建立流动性和流变参数的相关关系。研究结果表明:（1）UH-MFPB样品的单轴抗压强度随FA含量增加呈先增大后减小的趋势。当FA质量分数为20%时，样品的抗压强度最大，养护28 d可达到6.759 MPa，后期强度持续增加；（2）新鲜UH-MFPB料浆的坍落度为25.6～29.2 cm，扩展度为61～93.1 cm，具有很好的流动性；（3）新鲜UH-MFPB料浆的流变特性符合Herschel?Bulkley模型，流变参数（屈服应力、塑性黏度和触变性）随FA含量的增大而减小，且FA质量分数达到20%时，料浆出现剪切增稠的现象；（4）新鲜UH-MFPB料浆的流动性和流变参数满足二次多项式关系，呈现出负相关性。