磁法和瞬变电磁法探测煤层火烧区边界及富水性

新疆天山某煤炭勘查区,需查明一水平内火烧煤层的下边界及其富水性。在综合分析该区地质资料及物性参数的基础上,采用了以磁法和瞬变电磁法为主的物探方法。磁法勘探测网设计为20m×80m,并在后期对西部测线进行了加长。根据测区实测磁异常分布图、低通滤波后磁异常分布图、向上延拓30m磁异常分布图及垂向二阶导数磁异常分布图,圈定火烧区主要分布在测区的北部。瞬变电磁法勘探测网设计为40m×80m,依据下1、下5及下10煤层底板富水异常分布图,解释下1、下5煤底板的富水性主要集中在测区的北部,与火烧区范围高度一致,而下10煤层底板富水性极不均匀,仅在测区北部煤层露头附近,受砂岩裂隙的影响,接受降水补给形成零星砂岩裂隙富水区。该解释成果经矿方钻孔验证,结论基本可靠。     

工作面富水区探测与矿井电法——音频电透视在工作面富水区探测中的应用效果

在影响我国煤矿安全生产的诸多因素中,矿井水害占有重大比例。本文介绍了我国煤矿综采工作面富水特性,以及探测富水区常用的矿井电法及其特点,着重阐述了音频电透视方法的基本原理、工作方法和资料解释,并附以实例说明音频电透视在工作面富水性探测方面的应用效果。     

地面核磁共振技术在隐伏火烧区富水性探测中的应用

煤层隐伏火烧区上覆基岩复合含水层(包括风化基岩和烧变岩含水层)是煤层开采的主要威胁之一, 明确隐伏火烧区的富水性对矿井水害防治具有重要意义。基于此, 以发生过较大突水事故的柠条塔煤矿为研究对象, 利用地面核磁共振(SNMR)技术开展隐伏火烧区含水层富水性探测并对其进行分析和验证。结果表明, 隐伏火烧区共有2个含水层位, 分别为第四系松散砂层含水层和1-2 上煤上覆基岩含水层; 第四系砂层含水层富水性受地表地形及其下隔水层顶部起伏形态影响水平变化较大; 1-2 上煤上覆基岩含水层富水性总体西南较低、北东较高, 该含水层厚度9~30 m, 局部相对较厚, 推测为1-2 上煤火烧区风化基岩和烧变岩含水层的叠加反映; 研究区内1-2 上煤上覆基岩含水层总体呈现出西部及中部偏东南区域富水性相对较大, 其余区域富水性相对较小。利用SNMR得到的含水层富水程度与探放水孔及水文孔的涌水量结果大致相同, 表明该方法的勘探结果相对可靠, 可用于隐伏火烧区富水性的探测。      

高精度磁测在陕北煤田火烧区的应用

通过对陕北某井田实测地面高精度磁测异常的解译,总结利用高精度磁测有效圈定煤层自燃边界的方法和经验,并通过钻孔加以验证,为以后此类工作提供了借鉴.     

磁法探测煤火区的外推解释

本文阐述了磁法探测煤层火区、在没有磁性的烧变岩烧烤部分，利用该地区的地质规律及煤层烧变的规律进行外推解释。     

基于全卷积神经网络的钻孔瞬变电磁法岩层富水性预测研究

巷道掘进前方采用钻探或地球物理方法进行超前探测含水层的位置及富水性,提前做好防治水工作对煤矿安全生产至关重要。利用钻孔瞬变电磁法(BTEM)进行超前探测优势明显,目前解释方法是根据计算的电阻率进行岩层富水性的定性分析,还无法实现对含水层富水性等级进行预测。提出利用钻孔瞬变电磁法探测,采用全卷积神经网络(FCNN)方法进行钻孔外围含水层富水性等级的准确预测。首先,依据阿尔奇公式、Kozeny–Carman公式、导水系数公式和单位涌水量公式,建立砂岩含水层单位厚度的电阻率与按钻孔单位涌水量划分的含水层富水性4个等级的对应关系;其次,建立全空间条件下不同富水性岩层的地质–地球物理模型,采用三维时域有限差分法(FDTD)进行全空间瞬变电磁场数值模拟;为了接近实际情况,在正演结果中加入了5%～15%的随机噪声,提取与岩层富水性等级关联的特征参数,采用全卷积神经网络(FCNN)进行了岩层富水性等级预测的训练和仿真测试,测试集预测的富水性等级平均准确率为91.8%;最后,利用某矿煤层水力压裂后的钻孔瞬变电磁法实测数据进行煤岩层富水性等级预测,检验FCNN方法预测效果。研究结果表明:采用全卷积神经网络...     

瞬变电磁法勘探在煤层采空积水区的应用

山西翼城某矿在巷道掘进时,发现煤壁挂汗,巷道渗水等现象,疑为采空破坏区。为查明勘探区内是否存在采空破坏区及导水断层、陷落柱等构造,圈定煤层积水区及其范围,对该区进行了瞬变电磁法勘探。数据采集使用美国ZONGE公司的GDP-32II电法仪器,采用大定源中心回线方法施工测线11条,经资料处理和解释,在勘探区内没有发现较大的断层和陷落柱,仅在勘探区西南角一处推断存在采空区(积水),另外圈出3处富含水区,3处含水区。该勘探成果为解决矿井建设和开采中的地质难题,提供了可靠的地质信息。     

煤矿采空富水区瞬变电磁法探测及三维可视化应用

随着煤矿采空区探测难度及精度的逐渐增大,基于物性数据体的三维可视化分析已成为煤矿采空区精细化识别的主要发展方向。采空区探测方面,瞬变电磁法是目前采空富水区探测的主要方法,利用瞬变电磁仪能有效采集电磁信号并反演视电阻率数据体;三维可视化分析方面,利用三维可视化软件显示物性数据体能细致反映物性异常,提升采空区解译识别精度。本文以川南某煤矿采空富水区瞬变电磁法探测及三维可视化应用为例,采用瞬变电磁仪采集电磁数据并利用三维可视化软件开展视电阻率数据体三维可视化分析,经钻探验证,最终有效识别了煤矿采空富水区空间分布。     

基于Wyllie平均方程的煤系岩溶陷落带富水性预测

在岩溶陷落带孔隙发育,原来坚硬致密的岩石改变了性质,造成岩石密度、波速、电阻率等物性参数发生变化,这些物性异常引起地震波波场改变,从而导致地震波特征参数如时间、反射系数、波阻抗等的变化。利用Wyllie时间平均方程可以建立充水岩体的地震波速度和孔隙度之间的关系。根据密度平均方程建立充水岩体密度和孔隙度之间的关系,进而建立波阻抗和孔隙度之间的关系。因为岩溶陷落带孔隙发育情况和导通性决定了其是否能成为导水通道,利用波阻抗属性可预测岩溶陷落带孔隙度发育情况,这可为判断富水性提供重要参考依据。     

基于GIS的煤层顶板含水层富水性评价

为减少单一赋权法在评价含水层富水性方面的不足,以韩家湾煤矿为例,在综合分析矿井地质、水文地质条件的基础上,选取含水层的厚度、岩心采取率、砂岩粒度指数、砂地比以及砂泥交互层数作为影响富水性的主控因素,分别利用模糊层次分析法、CRITIC法获得各主控因素的主、客观权重,通过博弈集合理论得到综合权重,进而基于GIS平台对含水层的富水性进行分区评价。结合钻孔单位涌水量、矿井出水点的分布结果对含水层的富水性分区结果进行验证。结果表明:研究区富水性整体呈现由中部向两侧逐渐减弱的趋势,该模型的评价结果与实际情况相吻合。     

烧变岩富水特征与采动水量损失预计

自燃煤层围岩在不同高温作用下会引起不同程度的结构损伤,导致其物理力学性质和工程地质效应发生显著变化。为深入认识烧变过程中岩石的结构演化规律,以徐州某矿底板灰岩为研究对象,开展不同温度作用下的热破裂试验,从多尺度上探究岩石热破裂的规律,并结合数值模拟和微观结构测试揭示其发育机理。结果显示：(1)方解石填充裂隙、层理等相对软弱结构面的热破裂温度阈值在300~400℃,完整岩石结构的热破裂温度阈值在500℃左右;600℃之前的热破裂形态较简单,基本是直线型裂纹,且宽度较小、数量较少;700℃以上出现宽度和长度显著增大的弧形热裂纹,热裂纹两侧试样的颜色有明显区别,靠近热裂纹的白色部位还发育一些连通弧形裂纹的次级小裂纹;800℃时,试样颜色全部变白,结构完全破碎,成散体状。(2)从微观结构和热应力角度阐释灰岩热破裂发育机理,发现试验温度路径下试样的热破裂主要发育在降温过程中,且最大热应力差主要在靠近试样表面的近似环形带上分布。500℃以下的热破裂成因主要为热应力在试样的原始缺陷处集中,并超过了部分软弱结构的抗拉强度;500℃以上受热应力与矿物分解共同控制,500℃以上升降温过程中的最大热应力基本超过灰岩的抗拉强度,且菱镁矿、白云母、白云石等矿物逐渐分解,逐渐增多的内部缺陷为应力集中提供有利条件,加剧了热破裂的发育;当温度达到800℃时,热破裂发育程度很高,且白云石和方解石快速分解,生成CaO,部分CaO在冷却过程中与空气接触生成Ca(OH)₂,热裂纹与主体矿物分解共同导致试样结构的破碎。研究成果可为岩体破裂和地质结构演化分析奠定基础。

     

基于时间序列分析法的岩溶泉水位预测

济南城区岩溶泉是当地主要的供水水源,查明泉水动态规律并科学合理的预测泉水位对于泉域岩溶水资源的开发利用和保护具有重要意义。本文首先应用时间序列分析法将趵突泉和黑虎泉自2012年5月2日至2018年10月31日的逐日水位数据分解为趋势项、周期项和随机项,分析其水位动态变化规律并建立水位预测模型,结果显示泉水位动态在该阶段无显著趋势性;但受降水的影响,泉水位动态变化呈现两个主要的周期,多年性变化（3.2年）和季节性变化;同时由于受到各种无规律干扰因素的影响,泉水位动态呈现随机波动的随机项。其次,利用2018年11月1日至2020年8月24日的逐日泉水位数据验证上述水位预测模型的预测精度,结果表明该模型运行合理,预测效果较好,具有一定的实用价值。最后利用该模型预测了2020年8月25日至2022年10月31日泉水位动态变化,为当地岩溶水资源开发和管理提供了依据。     

基于人工神经网络模型的岩石特性预测

近年来,软计算技术被用作替代的统计工具。如人工神经网络（ANN）被用于开发预测模型来估计所需的参数。在本研究中,通过利用冲击钻进过程中的一些钻进参数（气压、推力、钻头直径、穿透率）和所产生的声级,建立了预测岩石性质的神经网络模型。在实验室中所产生的数据,用于开发预测岩石特性（如单轴抗压强度、耐磨性、抗拉强度和施密特回弹数）的神经网络模型,并使用各种预测性能指标对所建模型进行检验,结果表明人工神经网络模型适用于岩石性质的预测。     

基于P波模量的岩石单轴抗压强度预测

传统获取岩石单轴抗压强度参数需要钻进取样、加工制作等严格的试验步骤,需要建立一种参数易于获取且准确的岩石单轴抗压强度预测公式。基于岩石物理力学参数的内在联系,建立了岩石单轴抗压强度与岩石P波模量的关系式。根据英安斑岩和页岩两种岩石的干密度、P波速度及单轴抗压强度的测试数据,采用线性拟合的方法建立了岩石基于P波模量的单轴抗压强度预测公式,并采用统计检验的方法对上述预测公式与传统基于P波速度的预测公式进行了对比分析。结果表明,所建立的强度预测通式简单、精度高,模量容易获取,具有很强的实用性。     

烧变岩体特性及其注浆扩散行为研究

烧变岩是煤层自燃引起周围围岩变质而形成的特殊类岩石。通过现场取样,在实验室对烧变岩试样进行了物理力学性质测试,试验结果表明：烧变岩的含水率略有降低,而力学强度普遍增强,泊松比略变小,烧变岩体裂隙发育。注浆压力作用下,分析了裂隙尖端的劈裂情况,在此基础上,利用宾汉浆液扩散模型编制了浆液在裂隙网络中的流动扩散程序,可以模拟浆液在非贯通裂隙网络内的流动扩散范围。最后对柠条塔井田烧变岩体进行注浆试验,利用浆液流动模拟程序进行了注浆压力的优化选择,并将实际浆液扩散范围与程序模拟浆液扩散范围进行对比,二者结果较吻合,该程序可以用来指导现场注浆工程参数设计和施工,同时烧变岩体注浆试验也为类似工程注浆施工提供一定的参考依据。     

基于HHT方法的岩石钻进振动信号分析

为了分析岩石在钻头破岩工作时产生的振动与岩石性质的关系,利用数值模拟软件提取了岩石钻进时的振动信号,并通过希尔伯特-黄变换（HHT）分析方法进行了信号特征分析,获得不同岩石的振动信号的边际谱,从频域特性上分析了岩石的性质与岩石振动之间的关系。研究表明：岩石的性质和岩石振动有着密切关系,不同性质的岩石在不同频率范围内出现振动特征集中现象,并且存在一个与岩石固有频率相接近的特征峰值频率。研究冲击钻进过程岩石的振动特性,对钻进参数设置以及岩性的识别有重要意义。     

瞬变电磁法探测岩浆岩侵入煤层范围浅析

岩浆岩侵入煤层后,破坏了煤质,造成了煤炭资源的浪费,同时更给煤矿的安全生产带来隐患,探测岩浆岩侵入煤层范围具有重要意义。本文总结了岩浆岩侵入煤层后的电性特征,简要叙述了瞬变电磁法（TEM）的原理及特点,并以山西大同煤田同忻井田为例,介绍了瞬变电磁法探测岩浆岩侵入煤层范围的方法：岩浆岩侵入煤层后,引起二次场电位、视电阻率值这两个电性参数产生异常特征,根据这些异常特征可以有效探测岩浆岩侵入煤层范围。通过实例证明,利用瞬变电磁法探测岩浆岩侵入煤层的范围,是可行有效的。     

基于能量跟踪法研究岩石破碎对滚石运动轨迹的影响

首次采用能量跟踪法(energy tracking method, ETM)研究岩石破碎对边坡滚石运动轨迹的影响。能量跟踪法是在冲量法的基础上发展多点能量守恒算法,提高了计算精度。相比于传统罚函数法,冲量法的优点在于:无需试算确定罚参数取值,减少了模拟计算量;能量跟踪法是解析解和数值解耦合算法,极大提高了计算速度。与传统的序列冲量法和同步冲量法相比,由于能量跟踪法能够模拟碰撞过程中多接触点之间的能量传递,可有效地和准确地模拟数千个碰撞体之间的高频碰撞。运用Weibull分布的破裂模式识别仿真法模拟滚石在下落过程中的破裂过程,并用于预测滚石运动轨迹。结果表明,(1)ETM能够合理地模拟三维边坡滚石运动轨迹;(2)当考虑岩石破碎效应时滚石碎块运动轨迹较之未考虑破碎时发生明显改变,水平侧向位移显著增加,需扩大边坡设计防护范围。研究成果验证了ETM和破裂模式识别仿真法在模拟滚石运动过程中的有效性,为研究滚石灾害的影响范围提供了有效的模拟工具。