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“矿井水害防治”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“矿井水害防治”主题论文。

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再论含水层富水性评价的“富水性指数法”

作者(Author)：曾一凡, 武强, 杜鑫, 刘守强, 昝军才, 窦桂东, 吴章涛

摘要：针对现有含水层富水性评价方法中指标权重均为固定不变的常权，忽略了单个主控因素内部之间的变化和多个因素组合状态下的变化，在“富水性指数法”思想指导下，提出了一种基于分区变权理论的富水性指数法，不仅能确定不同评价指标的权重，而且能确定同一指标处于不同状态值时的不同权重。从影响含水层富水性的岩性差异、水力特性、构造因素、地球物理参数4个方面出发，建立了能够较为全面真实刻画富水性分布规律的四大类十六小类主控因素体系;提出了主控因素指标值标准化以及无量纲化处理方法，为多因素的信息融合分析奠定了基础;应用变权理论，运用动态聚类中的K-均值聚类方法划分了主控因素各指标的变权区间阈值，研究了状态变权向量的构建及调权参数的确定方法，定量确定各主控因素对含水层富水性的相互作用关系以及相对重要性大小;构建了基于变权理论的富水性指数评价方法和数学模型。同时以彬长矿区小庄煤矿巨厚洛河组砂岩裂隙含水层为例，详细说明了基于分区变权理论的富水性指数法的具体实施步骤，利用5组抽水试验数据对评价结果进行了校正;结果表明小庄煤矿洛河组充水含水层富水性强度从西北向东南呈递减趋势，较强~强富水区主要分布在二、三盘区，一盘区西部边界也有小范围分布;中等富水区呈条带状分布于矿区中部偏西和五盘区西北部，其余地区为较弱~弱富水区。最后，将其与传统常权评价结果对比，证明变权模型更能体现含水层非均质的特性，预测精度更高。

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煤炭学报

2020年第07期

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基于集对分析-可变模糊集耦合法的砂岩含水层富水性评价

作者(Author)：韩承豪, 魏久传, 谢道雷, 徐建国, 张伟杰, 赵智超

摘要：我国西北地区的侏罗系煤炭资源开采过程中面临顶板水害威胁，其危害程度与煤层上覆地层的水文地质结构有关，对煤层顶板含水层富水性进行合理有效的预测评价，有利于对顶板水害防治做出科学的决策，从而实现安全开采。以宁东矿区金家渠煤矿为例，基于岩性，选取了砂岩等效厚度，砂岩岩性系数，砂泥互层数3个评价因素，建立了岩性影响指数评价指标;基于构造，针对断层、褶皱，选取了断层交端点密度、断层规模密度、煤层倾角变异系数3个指标作为主采煤层上覆直接充水含水层-直罗组砂岩含水层富水性的评价指标。在此基础上，引入集对分析-可变模糊集耦合评价方法，构建了基于集对分析-可变模糊集耦合评价法的直罗组含水层富水评价模型。利用“联系度”实现了富水评价指标与评价等级间的反映联系，利用“相对隶属度函数”实现了富水评价指标值之间的有机融合。在富水性相对分区的基础上，以研究区钻孔抽(放)水试验的单位涌水量为基准，综合确定了研究区富水性分区，结果表明，研究区整体富水性较弱，具有中等、弱2个等级分区，其中富水性中等区域主要位于研究区中北部，富水性弱区主要位于南部、东部及西部。

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煤炭学报

2020年第07期

964

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邢东矿深部带压开采底板突水特征及控制技术

作者(Author)：王朋朋, 赵毅鑫, 姜耀东, 张村, 刘文超, 翟江澎

摘要：针对深部带压开采工作面区域注浆治理后底板突水仍频发的难题，以邯邢矿区邢东矿深部带压开采为工程背景，通过现场调研和理论分析已突水工作面突水过程和开采地质条件，获得了邢东矿深部带压开采底板突水特征和影响因素，确定了邢东矿深部带压开采底板突水主控因素;应用弹塑性力学理论从动静载角度分析了不同来压步距对底板破坏深度和宽度影响规律，进而采用数值模拟研究不同来压步距下底板应力场和塑性区演化规律。研究结果表明:工作面顶板剧烈来压突水是邢东矿深部带压开采底板突水主要特征，顶板难以及时垮落是其关键诱因;随来压步距增大，底板应力集中带和卸荷应力拱逐渐向底板深部岩体传播扩展，顶板垮落易产生强烈来压动载效应，底板采动破坏深度和宽度增大，诱发隐伏导水构造活化及深部岩体破坏，贯通底板隐伏构造带等导水通道诱发底板突水。为此，提出了顶板水力压裂卸压以及底板微震监测、采动应力监测、围岩变形监测和承压水水位监测等多参量监测的防治技术。现场监测表明，试验工作面顶板水力压裂后周期来压步距缩短为9.53 m，相比邻近未压裂工作面减小了61.42%，来压动载系数、应力集中系数和围岩变形速度均较小，奥灰水位相对稳定，未形成底板突水通道，底板突水得到有效控制。

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煤炭学报

2020年第07期

1174

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基于GWO-Elman神经网络的底板突水预测

作者(Author)：施龙青, 张荣遨, 徐东晶

摘要：我国是世界最大的煤炭生产国和消费国，特别是在我国的华北地区，煤炭储量非常丰富，但由于华北地区的水文地质条件复杂，煤炭实际生产过程中事故频发，特别是煤层底板突水事故，一旦发生往往会造成较为严重的人员伤亡和财产损失。因此煤层底板突水预测已经成为煤矿安全生产领域研究的重点。巨野煤田红旗煤矿是典型的华北型煤田，其主要可采煤层3煤层平均厚度5.48 m，实际生产过程中受底板突水威胁严重，在矿井的建设及生产过程中多次出现底板突水。为了对3煤层进行底板突水预测，在分析收集红旗煤矿相关矿井水文地质资料的基础上，选取断裂分维值、取心率、隔水层厚度、单位涌水量、渗透系数、底板含水层总厚度、承压含水层水压共7个因素，作为进行底板突水预测的主要影响因素;以现场实际数据为输入样本，通过灰狼优化算法(Grey Wolf Optimizer,GWO)得到Elman神经网络优化的最佳权重和阈值，分别为18.7482和0.014435，之后建立相应的GWO-Elman神经网络底板突水预测模型;在此基础上通过测试样本输入模型验证，结果准确率达到100%，再用熵值法确定权重的脆弱性指数法进行对比，证明神经网络模型准确度更高，可以用于工程实际。最后，利用所建立的神经网络模型对2个未开采工作面进行了底板突水预测，将预测结果指导矿井实际安全生产。

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煤炭学报

2020年第07期

1080

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矿井TEM与地震联合反演导水陷落柱的试验研究

作者(Author)：李飞, 程久龙, 杨思通, 温来福, 董毅

摘要：D TEM正演算法的矿井拟二维(Pseudo-2D)TEM反演算法。矿井Pseudo-2D TEM反演算法既满足交叉梯度联合反演算法对2D模型的需要，又具有较快的反演计算速度。然后，通过去掉常规联合反演目标函数中的地震正演项，只在交叉梯度项中保留地震波阻抗模型参数，建立了单向交叉梯度联合反演算法。在单向交叉梯度联合反演算法中，地震波阻抗模型只对TEM反演进行约束，电阻率模型不对地震反演进行约束，地震波阻抗反演可以通过商业软件完成，TEM反演采用矿井Pseudo-2D TEM反演算法。通过对地震波阻抗模型进行双三次插值处理，实现地震波阻抗模型和电阻率模型之间的模型网格匹配。通过基于K-means算法的地震波阻抗模型聚类分割处理方法消除地震波阻抗模型中的次要结构变化，增加联合反演稳定性。最后，建立了含导水陷落柱地质-地球物理模型，采用有限差分方法分别进行了3D矿井TEM和3D地震勘探正演计算，对正演模拟数据进行了单独反演和联合反演计算。结果表明:联合反演能够同时重建理论模型的形状和电性特征，联合反演结果不仅具有较高的空间分辨率，而且能够反映陷落柱的富水性，优于单独TEM和单独地震方法反演结果。相比传统联合反演方法主要应用于大尺度目标体探测或浅地表成像，基于矿井TEM和地震的单向交叉梯度联合反演方法可以实现大深度小尺度目标体的精细探测。

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煤炭学报

2020年第07期

984

6225
基于云服务的煤矿水害监测大数据智能预警平台构建

作者(Author)：乔伟, 靳德武, 王皓, 赵春虎, 段建华

摘要：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。

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煤炭学报

2020年第07期

1485

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煤层底板水害三维监测与智能预警系统研究

作者(Author)：靳德武, 赵春虎, 段建华, 乔伟, 鲁晶津, 李鹏, 周振方, 李德山

摘要：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。

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煤炭学报

2020年第06期

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1921
深部底板奥灰薄灰突水机理及全时空防治技术

作者(Author)：尹尚先, 王屹, 尹慧超, 徐斌, 王铁记, 杨俊文, 田午子, 徐维, 曹敏

摘要：奥陶系灰岩+厚隔水层夹薄层灰岩+煤层的地层结构模式是我国石炭二叠系煤田带压开采的典型存在形式。尽管隔水层巨厚,由于其中夹有薄层灰岩含水层,导致深部开采时突水灾害仍然频发。由于突水系数的局限性,依据隔水层厚度、底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和、突水系数将底板隔水层类型综合划分为极薄、薄、中、厚及巨厚5种类型,淡化突水系数在极薄、厚及巨厚隔水层中的应用。阐述了薄层灰岩在串连奥灰与煤层形成水害的独特作用,定义了深部底板奥灰及薄灰水害概念及突水模式,总结了其五维度特征,概括为充水水源的总源递进、充水通道的面状分散、充水强度的台阶增长、充水时间的滞后出水、充水水源水质的交换吸附,阐明了奥灰水渗透、扩容、压裂、导升经薄灰中转储运形成面状散流的突水机理,提出了相应的突水危险性评价公式P0>3σ3-σ1-Pp+Rm。针对巨厚隔水层且传统井下底板加固甚至区域治理仍无法完全控制深部突水的现状,创新了全时域与全空域四维度奥灰及薄灰水害的“全时空”综合防治理念,空域上井上下相结合、奥灰及薄灰多层次区域治理与井下薄灰钻孔探治验相结合的全空间多层次立体网状防控布局,创建了全空域立体交叉网络探查、治理、验证、补充的“全空域”立体防治模式,形成了条件评估、探治验补、检验评价、监测保障的全时域“四位一体”技术质量控制流程,创立了“四位一体”立体网状全时空深部底板奥灰及薄灰水害防治方法。以邯邢矿区梧桐庄井田2603工作面为工程案例,确定奥灰顶面以下40~60 m和20~30 m、薄灰大青和山伏青灰岩为目标实施多层段地面超前区域治理及补充治理,配合野青和山伏青为目标井下补充治理和验证,形成立体网络治理;采用奥灰薄灰水文地质条件评估确定治理目标,用地面区域探查治理、补充探查治理以及传统井下查缺补漏验证前期治理效果,以治理效果检验、底板完整性评价、突水危险性评价、涌水量预测、排水能力评价等全面评估能否回采工作面,回采过程中采取水文监测、微震系统、矿压系统等综合监测手段紧盯薄层灰岩关键层,实现了工作面安全回采。

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煤炭学报

2020年第05期

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