煤层底板水害三维监测与智能预警系统研究

针对华北型煤田煤层底板突水监测点覆盖不全、智能化水平不高等问题,以底板"下三带"理论为基础,提出集多频连续电法充水水源监测、"井-地-孔"联合微震采动底板破坏带监测以及监测大数据智能预警为一体的煤层底板突水三维监测与智能预警技术思路。其中多频连续电法监测系统以伪随机多频序列为人工场源,利用伪随机相关辨识技术提取强噪声背景中的弱信号,采用拟高斯-牛顿法对预处理数据进行三维电阻率反演,实现对煤层底板充水水源变化过程的自动化三维监测;"井-地-孔"联合微震监测系统主要通过研制带推靠的孔中传感器及回收装置,实现微震传感器"井-地-孔"三维立体布署,采用井下有线(IEEE1588)和地面无线(GPS)时钟同步方式解决地面与井下采集设备的时钟同步问题,建立起"井-地-孔"监测数据的实时传输网络,基于偏振分析联合反演的三分量定位算法,实现采动底板破坏深度时空精细定位与实时监测;智能预警系统利用时序大数据挖掘技术与计算机深度学习技术对电法、微震多元时序监测数据进行分析和处理,采用指标预警和模型预警方法对监测数据空间展布和预警级别以三视热力图形式输出,实时显示煤层底板各网格的预警等级,从而形成煤矿底板水害三维监测与智能预警技术体系。最后,以河北葛泉矿东井11916采煤工作面为应用对象,采用多频连续电法监测系统、"井-地-孔"联合微震监测系统,以及基于时空监测数据的智能预警系统对煤层底板岩溶水害进行三维监测与智能预警,为我国华北型煤田煤层底板水害监测预警提供了新的技术与装备支撑。     

基于云服务的煤矿水害监测大数据智能预警平台构建

针对华北型煤田煤层底板突水监测预警问题,以底板"下三带"理论为基础,开展了微震-电法耦合系统水害监测预警。在分析微震-电法耦合系统监测数据基础上,采用Flume设计数据迁移子系统,以流处理方式对监测源数据进行预处理,对关键目标数据进行采集、聚合和传输,实现了有效监测数据的实时迁移。此外,针对煤矿水害多源监测预警过程中数据规模大、数据实时处理要求高等特点,结合多源异构数据关联分析和时空属性数据分析处理需求,基于Spark和HDFS设计实现了具备TB级数据存储处理能力的煤矿水害多源监测大数据存储平台。该平台采用HDFS设计构建统一的多源时序大数据存储体系,通过MapReduce实现大数据并行处理,利用YARN实现资源的调度与管理,为海量数据存储提供支撑。平台采用Spark Streaming框架搭建了数据实时处理中心,通过流处理方式实现监测数据高速处理,并通过智能预警算法模块和远程服务接口为预警系统现场应用提供支撑。在智能预警技术方面,结合监测数据的时空属性特点,提出了基于深度学习时空序列预测方法——长短时记忆循环网络智能预警模型的底板突水模型预警技术。该预警技术基于LSTM方法,以"下三带"理论为基准对模型进行初始化,形成初始预警判据;将电法、微震监测数据作为输入变量,实际涌(突)水事件作为干预输出量,对智能预警模型进行半监督分类学习训练,形成动态化、参数最优的模型预警准则,将监测数据动态划分为4个预警等级,从而实现了水害智能动态预警和数据可视化表达。在冀中能源葛泉矿东井的实际应用中发现,该平台能够基本达到预期目标。     

有机-无机联合矿井突水水源判别方法

溶解性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM)在随地下水运移过程中,不同含水层水中DOM含量、类别、荧光强度等均存在较明显差异,因此结合无机水化学,开展了有机-无机联合的矿井突水水源判别方法研究,结果表明:地下水中无机组分浓度分布具有垂向分带性,利用pH、矿化度(TDS),HCO3,SO4等无机指标,可以判别浅部含水层和深部含水层水化学特征差异; DOM进入含水层后发生氧化还原反应强烈,其浓度(TOC含量和UV254)变化快、差异大,可以识别地表水与第四系水的水化学特征;第四系与白垩系含水层,以及覆岩破坏范围内的细分含水层,水中无机组分和有机组分含量非常接近,而荧光指纹技术灵敏度高,可以根据3DEEM光谱图分析DOM类型和荧光峰强度等差异,区分相邻含水层的水化学特征差异。陷落柱等地质异常体作为特殊的地质环境体,其内部水体中DOM相对丰富,其DOM含量和荧光指纹特征与奥灰水差异显著。将有机-无机联合开展不同含水层水化学特征分析,能够很好地区分不同水源,为矿井突水事故发生时快速判别水源提供科学依据。     

青藏高原多年冻土区热融滑塌模型试验研究

热融滑塌是青藏高原多年冻土区一种特有的浅层滑坡现象,也是伴随着青藏公路建设和运营过程中出现的一种灾害性的地质现象。国内仅对这一特殊的冻土地貌现象在一定范围内引起关注,没有从科学方法上做过系统的研究,为了适应工程实践的需要,开展相关研究工作非常必要。本文以青藏公路K3035里程的热融滑塌体为原型,以原状土样作为试验材料,以相似理论为基础,按1∶10的比例制作了相似模型,通过模型试验揭示了冻土斜坡在冻融循环过程中的某些特有现象及温度-变形耦合规律。     

井上下联合处理工艺处理矿井水过程中溶解性有机质变化特征

井上下联合处理工艺处理矿井水过程中,利用三维荧光光谱分析了矿井水中溶解性有机质的组成和变化特征。结果表明：不同处理工艺段对矿井水中DOM去除效果存在较大差异,采空区处理对矿井水中TOC和UV254的去除率分别达到67.453%和65.396%,深度处理可完全去除大分子有机物和芳香族化合物。三维荧光光谱显示,矿井水中表征出3类DOM,酪氨酸类芳香族蛋白质、色氨酸类芳香族蛋白质、溶解性微生物代谢产物。经过采空区处理后,3类有机质荧光强度都有较大降低,下降率分别为50.1%,54.4%和47.2%;深度处理使酪氨酸类有机质荧光峰消失,色氨酸类和溶解性微生物代谢产物荧光强度下降了75%左右。矿井水、采空区出水、常规处理出水中 DOM主要为生物来源;膜过滤出水中残留的DOM主要源于陆生植物和土壤有机质;总体上,矿井水处理过程中来自生物或水生细菌的新近自生源组分比例逐渐增加。     

采场三维充水结构地质建模及动态可视化实现

为了精细刻画采场水文地质结构和跟踪充水要素的动态变化信息,提高矿井水害监测预警技术水平,笔者提出了三维充水结构可视化概念。三维充水结构由静态模型和动态可视化模型组成,静态模型是实体模型,动态可视化模型是在静态模型基础上嵌套充水水源和充水通道时空变化信息的可视化模型。静态模型依据地质、物探、水文地质等勘探数据,在三维开源几何内核Open CASCADE与DSI离散光滑插值算法、克里金插值算法相结合基础上构建而成的,用来展示采场尺度水文地质结构体的静态特征。动态可视化模型是根据工作面推采过程中水压、水温、应力-应变、视电阻率、破裂范围等动态信息,形成水压导升面、破坏深度包络面等动态衍生信息,在静态模型上嵌入上述动态衍生信息,实现充水要素(充水水源与充水通道)时空展示功能,该模型对数据更新响应时间少于10～20 s;以底板"下三带"理论为基础,提出依据"水压导升面"与"破坏深度包络面"是否叠置作为建立突水预警判据的技术思路。以葛泉矿东井11916工作面为例,通过采集地质、物探、水文地质、采掘工程信息,并融合传感器、网络连续电法、微震等充水要素动态监测信息,构建了采场三维充水结构可视化模型,将其应用于底板突水综合监测预警工程实践中,为11916工作面底板水害监测工程设计及智能化预警提供了新的技术平台。     

三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律

深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me~(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10~(-14)～10~(-10) m~2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10~(11)m~(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。     

焦作演马庄井田综合水文地质分区研究

焦作煤田是全国著名的大水矿区，位于煤田中部的演马庄井田又是焦矿区受水害威胁最严重的井田之一。     

榆神矿区浅埋煤层减水开采中预疏放标准确定方法

榆神矿区地处干旱半干旱地区,生态环境十分脆弱。疏放水是榆神矿区顶板水害防治的主要手段,但过度疏放不仅增加矿井排水负担,而且不利于保护浅层地下水资源。因此,在确保防治水安全的前提下,计算预疏放残余水头、确定预疏放阶段和回采阶段第四系松散含水层漏失量,从而实现总漏失量最小是煤炭减水开采中的重点研究问题之一。以榆神矿区锦界煤矿为例,在分析井田含、隔水层赋存特征的基础上,建立了煤层开采的2种充水模式,并对顶板含水层进行了富水性分区;以矿井涌水量实测数据为基础,分析了涌水量变化规律及其构成比例;采用Drain边界刻画多工作面连续回采内边界,建立了锦界煤矿采掘扰动条件下地下水流数值模型,研究了两种充水模式下预疏放残余水头在不同工况下的第四系松散含水层总漏失量变化规律,确定了工作面预疏放结束标准。结果表明:锦界煤矿煤层顶板为典型的沙(层)-土(层)-基(岩)型结构,主要充水水源为风化基岩水,主要充水模式为土层未缺失风化基岩充水型及土层缺失风化基岩和松散层混合充水型。采用GIS多元信息融合技术划分的井田富水性分区结果显示,相对强富水区位于井田二盘区局部地段、三盘区和四盘区大部分地段,与现场实际基本一致。矿井疏放水量与工作面回采残余涌水量曲线变化趋势基本一致,各占矿井涌水量的50%左右。通过数值模型计算得出两种充水模式下工作面预疏放结束标准为将充水含水层疏放至煤层底板以上15~20 m,保留一定的残余水头可进行回采,无需继续疏放。此时,第四系松散含水层水资源总漏失量最小,可起到减水采煤的作用。研究成果为榆神矿区浅埋煤层提供了“减水开采”的新思路。