Relationship between hydraulic conductivity of karst collapse column and its surrounding lithology

Groundwater inrush from karst collapse column (KCC) is a serious water hazard in North China. The factors determining the hydraulic conductivity of KCC remain unclear. This study analyzes the hydraulic conductivity of two KCCs from the same coal mine region and one KCC from different strata and statistically compares lithology-related data for KCCs from 11 coal mines in North China. Finally, we calculated the probability of the hydraulic conductivity of KCC and compared these calculations with field data. The results indicate that the hydraulic conductivity of KCC is mostly affected by surrounding lithology formation and closely correlated with mudstone content. When the thickness ratio of mudstone in the surrounding strata is less than 0.5, the hydraulic conductivity of KCC is more likely to be permeable. This observation of the mudstone thickness ratio provided here can be used as a criterion to qualitatively assess the hydraulic conductivity of KCCs.     

范各庄矿12煤底板突水过程模拟分析

以范各庄煤矿水文地质条件为基础,建立了承压水上采煤的岩体水力学模型,应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(RFPA2D-Flow)模拟分析了范各庄矿12煤层底板开采扰动下,裂隙形成、扩展到突水通道最终贯通形成突水的全过程。通过对损伤区分布、应力场和渗流场的演化分析,揭示了开采扰动及水压驱动下完整泥岩底板由隔水岩层到突水通道的演化过程,对突水通道进行了模拟定位,并对不同水压条件下含水砂岩层对底板突水的影响进行了分析。结果表明:12煤底板突水问题取决于含水砂岩中的水压力,在假设隔水层厚度不变时,水压力与突水系数呈正相关关系,随着水压的增大突水越易发生。该研究为12煤底板突水预测与防治提供了理论依据。      

煤层底板突水综合监测技术及其应用

底板岩溶水害是华北型煤田较为普遍存在的问题，因其具有隐蔽性、突发性的特点，防治水工作面临巨大的问题和挑战，因此，底板突水监测预警已成为煤矿安全生产过程中的必要措施。底板水害的形成和发生都有一个从孕育、发展到发生的演变过程，在此过程的不同阶段，底板裂隙、岩层视电阻率等均会释放出对应的突水征兆，及时、准确、有效地采集这些信息，根据这些信息判别突水过程中的具体水文地质特征，为建立突水监测系统奠定了基础。根据突水三要素，在葛泉煤矿东井11916工作面，利用井-地-孔微震监测技术和视电阻率监测技术构建了底板突水综合监测系统，对引起突水的导水通道和水源2个要素进行实时监测。监测结果表明:正常情况下，11916工作面回采过程中底板破坏深度为20~25 m，但是在2019年9月14日工作面推进到中间巷道时，运料巷和中间巷来自顶板的压力对底板破坏的叠加作用，以及附近的陷落柱原有破裂，致使该位置底板破坏深度加大，达到30~35 m，底板本溪灰岩水通过导水通道进入运料巷，底板出水2 m3/h，从视电阻率监测结果中不难发现1个低阻异常体从底板下逐步向上发育的过程。利用井-地-孔微震监测技术和视电阻率监测技术构建的底板突水综合监测系统能够捕捉到底板突水征兆，对于预测重特大水害事故的发生具有重要意义和实用价值。      

基于LSTM神经网络的煤矿突水预测

针对煤层底板突水预测问题,在总结现有突水预测方法和理论的基础上,通过特征选择实验得出水压、距工作面距离、砂岩段厚度、煤层厚度、煤层倾角、断层落差、裂隙带、开采面积、采高、走向长度是影响突水发生的主要因素,这些因素具有复杂、非线性的特点。提出基于长短时记忆（LSTM）神经网络构建的突水预测模型,将煤矿突水实例的数据作为样本数据对模型进行训练。最后,将LSTM神经网络模型与遗传算法-反向传播（GA-BP）神经网络模型和反向传播（BP）神经网络模型进行对比实验。实验结果表明,LSTM神经网络模型在测试集上的预测正确率更高,稳定性更好,更适用于煤层底板突水预测。      

考虑卸荷作用的底板突水破坏机制研究

在依据摩尔图解及断裂力学理论对底板卸荷突水破坏分析的基础上,运用损伤断裂力学并结合统一强度理论,建立了考虑渗透水压作用下分支裂纹端部形成的塑性区范围计算方程与岩体发生贯穿破坏时的损伤阀值。将裂纹扩展过程与岩体损伤耦合起来,确定了裂纹的损伤断裂能量计算公式并分析了其影响因素。结果表明：侧压系数 0.5时,最大主应力完全卸荷状态下裂纹端部应力强度因子比双轴应力状态下大,岩体易发生破坏。考虑了裂纹端部塑性区的影响,裂纹损伤断裂能量相比于不考虑其影响时偏大,增大了煤层底板突水的危险性。裂纹损伤断裂能量 与裂纹半长 、裂纹面连通面积与总面积之比 、裂纹面渗透水压 及最小主应力 呈正相关,与裂纹面摩擦系数 及岩体的弹性模量 呈负相关。分析结果为底板突水破坏机制研究提供了一定的参考依据。     

煤层顶板次生离层水体透水机理及防治技术

为了研究以煤层顶板弱富水含水层为直接充水水源的顶板透水机理,并探索防治方法,以宁夏宁东煤田红柳煤矿1121工作面开采期间发生的4次大规模透水为切入点,通过理论分析、数值模拟并结合井下钻探等工程技术手段,得出该工作面透水是由煤层开采后顶板岩移形成的次生离层水体引发,提出了煤层顶板覆岩中隔水关键层是造成次生离层水体透水的必要条件;研究了隔水关键层位置、尺寸及其水理性质对次生离层水体周期性透水的控制作用;确定了临界隔水关键层厚度为18 m,并提出了次生离层水体致灾前疏放的最佳时机为次生离层水体形成且周期垮落前,最佳位置垂向上为煤层A主隔水关键层顶板,平面上位于下顺槽距煤帮1/6~1/3工作面斜长范围。      

岩溶隧道涌突水破坏模式分类及防突厚度研究

在岩溶山区进行隧址选择时,隧道与溶洞之间的防突岩体厚度是重要因素之一.在岩溶隧道修建过程中,若岩墙厚度保留过小,则岩溶水涌出造成安全事故、经济损失和工期延误.目前涌突水破坏分类较为笼统且大多忽略了隧道围岩的岩体结构对防突厚度的影响.本文首先从岩溶隧道围岩的结构类型、溶洞与隧道之间的相对大小和相对位置的角度进行涌突水破坏...     

巷道防突岩柱厚度对断层带延期突水的控制机理

为了探讨防突岩柱厚度与巷道延期突水的相互关系,首先根据泥岩的三轴蠕变试验结果,结合材料本构关系建立了相应的"六元件"非线性黏弹塑性流变模型,并利用Matlab中的最小二乘法对模型进行了拟合;其次,在分析承压断层带与泥岩防护岩柱相互作用的基础上,探讨了防护岩柱的蠕变特性对巷道工作面延期突水的影响机理,由此推导出泥岩防护岩柱的蠕变失稳时间公式。根据该公式中应变的弹性力学方程,并通过蠕变失稳时间t在主破裂面走向上的积分,建立了防护岩柱厚度L与延期突水时间T的函数关系;最后,利用Gauss数值分析方法,对不同泥岩防护厚度所对应的时间T进行了计算。开滦赵各庄煤矿实例计算表明:巷道工作面延期突出时间T与防护厚度L存在直接函数关系,当防护岩柱厚度分别为10 m、20 m、30 m、40 m时,相应的延期突水时间分别为20 d、42 d、67 d、94 d。这一计算结果与该矿相应工况条件下的历次滞后突水事故（滞后1~3个月）较为吻合,对矿井实际地下水害防治具有一定的指导意义。      

华北煤田岩溶陷落柱及其突水研究综述及展望

华北煤田岩溶陷落柱（简称“陷落柱”）是地质历史演化过程中形成的产物。80多年来,在中国华北煤田39个矿区煤矿开采过程中共揭露10 000多个陷落柱,因其导致的重大突水淹井事故20余起,研究岩溶陷落柱对系统认识中国矿山岩溶水文地质条件以及防治岩溶水害具有十分重要的理论与现实意义。文章系统梳理、总结了华北煤田陷落柱的发育特征、成因机理、突水机理、探查与防治方法,归纳出近年来华北南缘陷落柱的研究成果,并结合目前华北煤田生产过程中陷落柱研究与水害防治中存在的问题,从陷落柱形成机理与演化过程、小型隐伏陷落柱精细化探查与解译、陷落柱“动态监测—预测模型—突水机理”模式以及陷落柱水害防治技术体系等方面展望了其今后研究趋势及水害防治的方向。      

基于SSA优化的GA-BP神经网络煤层底板突水预测模型与应用

随煤层开采深度的不断增加,煤矿生产过程中面临着复杂的突水机理和多变的突水主控因素,且各因素间相互联系的不确定性,使底板突水预测的难度不断增加。为准确预测底板突水危险性,针对底板突水的小样本、非线性问题,首先利用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)将网络随机赋值的初始权值和阈值初次优化,再选取搜索能力强、稳定性较好的麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)对权值和阈值进行二次寻优,从而建立SSA-GA-BP神经网络底板突水预测模型。分析整理山东省滨湖煤矿地质及水文地质资料,选取含水层水压、含水层厚度、隔水层厚度、断层密度、断层分维值、渗透系数、单位涌水量、底板破坏深度共8个因素,作为预测底板突水的主控因素,绘制各主控因素3D映射投影曲面图;利用Surfer软件中的克里金插值法提取50个数据点作为模型的输入样本(分为训练集40个,测试集10个),对模型进行训练学习,训练误差精度达到要求后,对滨湖煤矿3个未开采工作面的12个数据点进行突水危险性预测。为了验证所建模型的准确性,利用BP、GA-BP、SSA-GA-BP这3种模型对测试集进行预测;为避免模型仅与BP网络预测对比的片面性,同时选取以熵权法确定权重的模糊综合评判法对测试集进行预测;将各网络模型及方法的预测结果与实际值进行对比分析。结果表明:基于SSA优化的GA-BP神经网络模型突水预测误差较小,预测结果准确率更高,为矿井水害预测预报提供了科学的评价方法和理论依据。      

A GIS-based method of risk assessment on no. 11 coal-floor water inrush from Ordovician limestone in Hancheng mining area,China

The no. 11 coal seam in the deep area of Hancheng mining area is mining in recent years, which is threatened by the water inrush from the Ordovician limestone aquifer. Coal-floor water inrush is governed by the water abundance of coal-floor aquifer, the water-resisting performance of coal-floor aquitard, and the pathway connecting the water source and the working face. To make an accuracy risk assessment of water inrush from the no. 11 coal seam floor, a GIS-based vulnerability index method (VIM) is adopted for its superior comprehensive consideration of more controlling factors, powerful spatial analysis, and intuitively display functions. This study firstly established an index system including the water pressure of the coal-floor aquifer, the unit water inflow, the thickness, the core recovery percentage, the thickness ratio of brittle rocks to ductile rocks, the thickness of effective aquitard, and the accumulated length of faults and folds, of which the former six indexes governed the water abundance of the coal-floor aquifer which was combined with the last two factors to determine the risk of coal-floor water inrush. Secondly, the thematic map of each controlling factor is established by GIS using the geological prospecting data, and the weight of each factor is determined by the analytic hierarchy process (AHP) after consulting the expert review panel. At last, a vulnerability index is obtained and used to assess the risk of coal-floor water inrush of the no. 11 coal seam. The risk of water inrush of the no. 11 coal seam of the study area was ranked to three zones: the southeastern shallow area in red color is the dangerous zone, the wide northwestern area in green color is the safe zone, and the transition area in yellow color is the moderate-risk zone. Compared with the actual water-inrush incidents, the risk assessment result was verified to achieve an accuracy of 82.35%, which is proved to be a dependable reference for the prevention and controlling of coal-floor water inrush of the no. 11 coal seam in Hancheng mining area.     

“华北型”煤田岩溶水害及防治现状

“华北型”煤田的开采普遍受到煤层底板岩溶承压水的威胁，近年来，煤田岩溶水害的机理研究取得突破性进展，认为岩溶裂隙水网络是发生突水的物质基础，隔水层的岩石水学性质及厚度是突水的制约因素，断裂构造是突水的关键因素，采矿活动是突水的诱发因素；在水害防治方面，采用疏水降压、注浆改造、帷幕截流等技术方法，取得了明显的技术效果，本文旨在介绍水害现状，分析探讨治理对策，为治理煤田水害提供参考。     

有限元强度折减法在煤层底板破坏中的应用

采用有限元强度折减法,求得煤层开采后底板岩体破坏滑移面,并给出底板塑性区贯通过程,得出其滑移线与理论形态相近,底板塑性滑移形状类似Prandtl型,并与滑移线理论计算结算进行了对比,两者误差在10%以内,说明了采用有限元法求解煤层底板破坏情况是可行的。并用于模拟上保护层开采过程中底板及下伏煤层卸压范围,为保护层工作面回采过程中瓦斯来源提供理论依据。说明有限元强度折减法可用于确定承压水体上煤层开采其底板所需的临界厚度和上保护层开采过程中的有效层间距。     

基于高分辨率示踪技术的岩溶隧道涌水来源识别及含水介质研究

利用高分辨率示踪技术探讨了重庆三泉隧道突水来源,并对含水介质进行了刻画,结果表明:（1）隧道涌水段受长滩地下河影响,而麦阴槽落水洞为长滩地下河的补给来源之一;（2）试验段岩溶含水介质通畅,地下水流速快,为典型紊流态;地下河管道结构不均匀,发育两条过水通道,为主管道并联支管道,无溶潭和地下湖发育;利用Qtracer2软件,计算得到地下河几何参数及水文地质参数:地下管道储水体积为1 148.4 m3,表面积为1.30×106 m2,平均直径为1.37 m,长度为780 m;摩擦系数为0.51,舍伍德数为1 055.1,施密特数为1 140,水力深度为1.08 m,分子扩散边界层厚度为1.3 mm;（3）因试验时间短、试验为小流量期及存在其他地下河出口等条件制约,示踪剂天来宝的回收率较低,上湾洼地与隧道涌水段连通关系有待进一步研究;（4）由于三泉隧道涌水点与地表水具有直接水力联系,且涌水量大,建议引走地表洼地水源、填埋隧道上方麦阴槽落水洞或在隧道下方新建泄水洞排水。      

淮北刘桥二矿七含涌(突)水机理研究

刘桥二矿在开采4煤过程中，七含突水次数达38次之多，严重影响煤矿安全生产。文章在系统地分析刘桥二矿七含涌突水概况的基础上，提出了该矿七含涌突水的主要机理为断裂构造的控制作用和矿山压力的促进作用；指出了砂岩含水层的裂隙发育程度和富水性强弱、煤层的厚度、断层的作用以及4煤与含水层之间隔水层厚度的大小等，是影响工作面涌水的主要因素。研究结果对煤矿砂岩水害的有效防治具有重要的指导意义。     

顶板离层水突涌模式及预防技术模拟研究

为预防顶板离层水突涌产生的安全事故,提出了部分充填方案进行模拟研究.首先通过现有资料总结分析全国发生的多种离层水害事故,深入研究离层积水致灾模式;然后以陕西某矿首采区1307工作面的离层水害事故为例,分析其水文地质条件、上部含水层和离层水突涌的关系,利用3DEC数值软件模拟工作面顶板离层空间发育特征;最后根据该矿的实际...     

滇东南高原岩溶盆地区普阳煤矿的深层涌水趋势分析

普阳煤矿位于一断陷盆地的浅部新近系地层中,矿区被3种类型的水文地质边界圈闭.煤层分布标高低于暗河出口100～230 m,煤田四周及盆地基底均为岩溶含水层,其承压水头高于煤层底板67～268 m,预计最低开采标高的平均承压水头约206 m.为解决矿区地下水突水威胁,监测普阳河水流入和流出的水量,根据水均衡原理及矿坑充水要...     

Risk assessment of water inrush in karst tunnels based on two-class fuzzy comprehensive evaluation method

A feasible and accurate method named two-class fuzzy comprehensive evaluation is put forward to assess the risk of water inrush in karst tunnels. In view of regarding tunnel face as the evaluation object, 12 influencing factors of water inrush are selected as the evaluation index system consisting of 4 first-class and 12 second-class indices. Based on fuzzy mathematics theory and expert evaluation method, all the indices are quantitatively graded according to five risk grades. The weights of indices affecting water inrush are rationally distributed by using analytic hierarchy process. Membership functions and weights of indices are utilized to stepwise compute the membership degree of indices corresponding to risk grade, and the principle of maximum membership degree is carried out to discern the risk grade of water inrush. The tunnel faces in seven segments of Qiyueshan tunnel are chosen as the case studies. Evaluation results are derived from the proposed method, and they are generally consistent with the actual results through comparisons. This method provides a cogent way for evaluating the risk of water inrush in karst tunnels.     

基于粒子群优化支持向量机的煤层底板突水量等级预测

为更好地解决支持向量机(SVM)核参数和惩罚因子的取值对煤层底板突水量等级预测精度的影响问题,提出利用全局搜索能力较强的粒子群优化(PSO)算法优化支持向量机参数。选取含水层水压、隔水层厚度、岩溶发育程度、断层规模等作为影响煤层底板突水量等级的因素,利用华北聚煤区煤层底板突水的实测数据进行训练,建立了煤层底板突水量等级预测的粒子群-支持向量机(PSO-SVM)模型,并将其应用于其他样本的预测。应用表明:模型能够较好地解决煤层底板突水量等级预测中存在的小样本、非线性等问题,预测结果与实际情况吻合程度高,具有较强的实用性和有效性。      

关于突水系数的讨论

煤层底板突水在我国华北型煤田矿井采煤过程中经常发生。带压开采条件下,预测底板突水和评价突水危险程度的主要方法是突水系数法,但是关于突水系数计算、临界突水系数的确定等还存在一些值得讨论和研究的问题。在阐述带压开采和突水系数理论的基础上,给出了突水系数的各种计算公式及公式中有关参数确定方法,详细说明了临界突水系数的由来和应用条件,提出了计算突水系数的新公式。新公式不仅考虑了水压和隔水层厚度,而且考虑了底板破坏深度、导升高度和奥灰顶部隔水段等因素,为计算和统计分析确定突水系数新的临界值奠定了基础。