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Risk assessment of floor water inrush in coal mines based on MFIM-TOPSIS variable weight model 被引量:9
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作者 ZHANG Guan-da XUE Yi-guo +3 位作者 BAI Cheng-hao SU Mao-xin ZHANG Kai TAO Yu-fan 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第8期2360-2374,共15页
Floor water inrush is one of the main types of coal mine water hazards.With the development of deep mining,the prediction and evaluation of floor water inrush is particularly significant.This paper proposes a variable... Floor water inrush is one of the main types of coal mine water hazards.With the development of deep mining,the prediction and evaluation of floor water inrush is particularly significant.This paper proposes a variable weight model,which combines a multi-factor interaction matrix(MFIM)and the technique for order performance by similarity to ideal solution(TOPSIS)to implement the risk assessment of floor water inrush in coal mines.Based on the MFIM,the interaction between seven evaluation indices,including the confined water pressure,water supply condition and aquifer water yield property,floor aquifuge thickness,fault water transmitting ability,fracture development degree,mining depth and thickness and their influence on floor water inrush were considered.After calculating the constant weights,the active degree evaluation was used to assign a variable weight to the indices.The values of the middle layer and final risk level were obtained by TOPSIS.The presented model was successfully applied in the 9901 working face in the Taoyang Mine and four additional coal mines and the results were highly consistent with the engineering situations.Compared with the existing nonlinear evaluation methods,the proposed model had advantages in terms of the weighting,principle explanation,and algorithm structure. 展开更多
关键词 floor water inrush risk assessment multi-factor interaction matrix(MFIM) technique for order performance by similarity to ideal solution(TOPSIS) variable weight
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煤层采动底板隐伏断裂扩展突水机制及突水判据
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作者 张文泉 邵建立 +1 位作者 史俊伟 李梁宁 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第10期161-171,共11页
【背景】煤层底板隐伏断裂具有分布随机性、隐蔽性等特点,突水致灾能力强且防范难度大。【目的和方法】为研究煤层采动影响下底板隐伏断裂突水灾变机制,采用理论分析方法,建立渗透水压力条件下隐伏断裂的起裂力学模型与翼裂纹扩展模型,... 【背景】煤层底板隐伏断裂具有分布随机性、隐蔽性等特点,突水致灾能力强且防范难度大。【目的和方法】为研究煤层采动影响下底板隐伏断裂突水灾变机制,采用理论分析方法,建立渗透水压力条件下隐伏断裂的起裂力学模型与翼裂纹扩展模型,分析底板隐伏断裂最大扩展高度及扩展后隔水层的安全厚度,提出突水判据并与数值模拟、现场资料验证。【结果和结论】结果表明:(1)分析张开型与闭合型隐伏断裂的起裂条件,获得其起裂角θ0、起裂应力σci和临界水压力pⅠc,并构建考虑渗透水压力条件下的隐伏断裂翼裂纹扩展模型。(2)将开采条件带入得到底板隐伏断裂最大扩展高度lmax,根据隐伏断裂扩展后顶端与底板破坏带之间的距离及有效隔水层的安全厚度,提出煤层采动底板隐伏断裂扩展突水判据。(3)现场案例分析底板隐伏断裂的扩展显著降低了隔水层厚度,梧桐庄矿182602工作面应用判据计算隐伏断裂最大扩展高度12.4 m,与数值模拟损伤高度11.5 m基本一致,剩余有效隔水层不足所需的安全厚度,存在突水危险,经现场治理后实现安全回采。判据经新安煤矿13151工作面底板突水事故进一步验证。研究成果可为煤层底板隐伏断裂扩展突水灾害机理和预防提供理论依据和应用价值。 展开更多
关键词 底板突水 隐伏断裂 力学机制 突水判据
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基于GMS的岩溶隧道涌水量预测
3
作者 陈风光 何恩洋 +3 位作者 段建新 孟中华 赵英凡 王全荣 《安全与环境工程》 北大核心 2025年第5期209-219,共11页
岩溶区的隧道工程对现代交通和水利建设具有重要意义,但复杂的水文地质条件和隧道突水及其次生灾害给岩溶深长隧道建设带来了巨大的挑战。依托湖北某高速公路项目,通过深入分析岩溶隧址区的工程地质和水文地质条件,查明了隧址区地下水... 岩溶区的隧道工程对现代交通和水利建设具有重要意义,但复杂的水文地质条件和隧道突水及其次生灾害给岩溶深长隧道建设带来了巨大的挑战。依托湖北某高速公路项目,通过深入分析岩溶隧址区的工程地质和水文地质条件,查明了隧址区地下水流系统的发育特征及其补给、径流和排泄方式;运用地下水模拟系统(groundwater modeling system,GMS)软件构建隧址区三维地质模型,并采用Drain模块模拟了隧道完全开挖后隧址区的三维地下水水流模型;基于隧道围岩级别划分对隧道进行了分段,并分段预测了隧道完全开挖且周围水流系统基本稳定后的最大涌水量;同时,将该预测结果与大气降水入渗法和地下径流模数法的预测结果进行了对比。结果表明:采用数值模拟法、大气降水入渗法和地下径流模数法预测的最大涌水量分别为5044、6337和4270 m^(3)/d,其中采用大气降水入渗法预测的最大涌水量最大,数值模拟法预测的最大涌水量介于地下径流模数法与大气降水入渗法预测的最大涌水量之间;采用数值模拟法预测的最大涌水量1239.0 m^(3)/d出现在崖屋沟和白峪庵水库的周边地带,该地段涌水量较大的主要原因是隧道开挖使含水层应力释放,导致地表水与隧道之间的水力梯度增大,致使该地段内地表水补给含水层;隧道开挖后至水流系统基本稳定期间,白峪庵水库对含水层的补水量为748 m^(3)/d,崖屋沟引水隧洞对含水层的补给量为13 m^(3)/d。研究结果可为隧道施工和安全运营提供水文地质依据,也可为岩溶区隧道涌水量预测提供理论模型支撑,且通过分析不同方法预测结果的差异性,可为实际隧道的涌水量预测研究提供指导。 展开更多
关键词 岩溶隧道 涌水量预测 高速公路 数值模拟 地下水模拟系统(GMS)
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基于A-Star算法的深部煤层开采含断层底板突水路径智能识别研究
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作者 孙文斌 孙志辉 +1 位作者 刘红强 褚怡心 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第3期101-114,共14页
为更精准预测深部煤层开采条件下底板突水风险,采用理论分析、相似材料等研究方法,针对深部煤层开采过程中底板突水路径的智能识别问题开展系统研究。研究结果表明:基于工作面开采过程中的水压-应力监测数据,绘制了底板突水预测图;依据... 为更精准预测深部煤层开采条件下底板突水风险,采用理论分析、相似材料等研究方法,针对深部煤层开采过程中底板突水路径的智能识别问题开展系统研究。研究结果表明:基于工作面开采过程中的水压-应力监测数据,绘制了底板突水预测图;依据各监测节点的水压与应力数据,量化计算了各节点位置的突水概率指数,得出其数值越大突水风险越高;将突水概率指数空间分布作为约束条件,运用A-Star路径规划算法实现了导水裂隙空间路径的有效识别,在此研究基础上,开发出突水路径智能识别系统。最后,通过相似材料模拟试验进行了证实,所提方法规划的路径特征与模型实际导水裂隙演化轨迹高度吻合,且与电法监测结果高度一致,验证了A-Star算法在突水路径识别中的有效性。研究成果为深部开采条件下底板突水灾害的实时监测预警与智慧矿山安全保障提供了新的技术途径,具有明确的应用价值和工程参考意义。 展开更多
关键词 防治水 A-STAR算法 底板突水 综合权重 突水概率指数
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动力扰动下底板突水前兆特征及危险性评价
5
作者 王俊光 杨松 +2 位作者 马峥 辛天宇 韦忠跟 《力学学报》 北大核心 2025年第7期1671-1687,共17页
为深入研究动力扰动作用下底板突水灾变机制,设计了一种可施加动力扰动的巷道突水突泥试验系统,结合多场信息监测系统和动力扰动机械装置,开展了不同扰动频率和扰动幅值的底板突水相似模拟试验.试验结果表明,底板突水是开挖扰动、动力... 为深入研究动力扰动作用下底板突水灾变机制,设计了一种可施加动力扰动的巷道突水突泥试验系统,结合多场信息监测系统和动力扰动机械装置,开展了不同扰动频率和扰动幅值的底板突水相似模拟试验.试验结果表明,底板突水是开挖扰动、动力扰动和承压水渗流共同作用的结果,突水前兆特征为土压力下降、水压力急剧上升和声发射事件大量产生.随着扰动幅值和频率增大,突水压力逐渐下降、突水时土压力逐渐增大、突水时间逐渐提前,三者对扰动幅值敏感程度更高.基于Hoek-Brown强度破坏准则,引入岩体扰动系数,建立了动力扰动作用下底板突水点的P-M临界方程,该方程在矿井底板突水危险性预测评价时综合准确度达87.6%,适用性良好.通过动力扰动下P-M临界曲线对唐家会矿井钻孔结果预测,发现矿井南部部分钻孔P-M结果高于临界曲线,结合矿区实际情况,判定矿场北部安全度最高,中部(主采区)较低,南部和西南部突水风险最高.研究成果为巷道底板突水预测预防提供了理论指导,对保障煤矿安全生产具有重要意义. 展开更多
关键词 底板突水 相似模拟试验 动力扰动 前兆特征 危险性评价
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基于组合赋权法和脆弱性指数模型的煤层底板突水危险性评价 被引量:2
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作者 邱梅 赵建飞 +5 位作者 邵振东 张伟强 郑妍 尹心雨 盖贵超 韩昭帝 《煤炭工程》 北大核心 2025年第1期160-168,共9页
针对煤层底板突水危险性评价模型中主控因素赋权问题,提出了一种基于模糊层次分析法(FDAHP)、熵权法(EWM)与偏差平方和法(SSD)组合赋权的脆弱性指数模型。以良庄井田15煤层底板奥灰突水危险性评价为例,选取含水层富水性、含水层水压、... 针对煤层底板突水危险性评价模型中主控因素赋权问题,提出了一种基于模糊层次分析法(FDAHP)、熵权法(EWM)与偏差平方和法(SSD)组合赋权的脆弱性指数模型。以良庄井田15煤层底板奥灰突水危险性评价为例,选取含水层富水性、含水层水压、隔水层厚度、脆塑性岩石厚度比、断层交点和尖灭点密度、断层强度指数等6个主控因素。采用FDAHP法和EWM法分别确定主控因素的主、客观权重,并利用SSD法有效融合主、客观权重构建最优组合权重。在此基础上,建立脆弱性指数模型对煤层底板突水危险性进行评价,将研究区划分为4大区域:安全区、过渡区、危险区、强危险区。结果表明,该方法将主控因素主观、客观权重有效融合,突水危险性评价结果与工程实践相吻合,预测效果较好,为煤层底板突水危险性评价提供了新思路。 展开更多
关键词 脆弱性指数法 煤层底板突水 模糊层次分析法 熵权法 危险性评价
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深部高承压“Y”型分支断层底板突水机理模拟试验研究 被引量:1
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作者 李昂 张文忠 +3 位作者 周永根 王伟东 田胜祺 杨宇轩 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第7期223-233,共11页
普遍分布于淮南矿区的“Y”型分支断层由于其特殊的构造特征,较常规断层更容易发生活化突水,为揭示深部开采高承压水“Y”型分支断层底板突水机理,提出安全开采关键性技术参数,以刘庄煤矿8号煤工作面底板为研究对象,研发了一种新型原岩... 普遍分布于淮南矿区的“Y”型分支断层由于其特殊的构造特征,较常规断层更容易发生活化突水,为揭示深部开采高承压水“Y”型分支断层底板突水机理,提出安全开采关键性技术参数,以刘庄煤矿8号煤工作面底板为研究对象,研发了一种新型原岩相似材料及与之匹配度较高的承压水模拟系统,依托自制的相似试验平台,采用数字图像相关法、水压传感器、水流量监测系统及红外热成像等多种定量及定性监测手段,对开采扰动与承压水导升协同作用下底板突水机理进行模拟研究。结果表明:可循环使用的新型棒体、块体材料与硅胶水囊承压水系统契合良好,能够科学可靠地模拟现场情况;工作面推进63 cm是“Y”型分支断层进入活化阶段的临界点,此后承压水沿主断层向分支断层内导升,水压逐渐增大;当工作面推进至71 cm,底板分支断层完全活化,工作面发生突水,主断层水压降低、水流量增大;采动应力对底板裂隙发育具有显著的影响,分支裂隙呈现出沿垂直方向扩展发育的规律,工作面推过79 cm,底板裂隙逐渐闭合,突水情况得到缓解。结合模拟结果及现场实际情况,探讨了3种“Y”型分支断层底板突水应对治理措施和预案,为类似断层底板防治水研究提供一定的参考。 展开更多
关键词 “Y”型分支断层 底板突水机理 相似模拟试验 数字图像相关法 红外热成像
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渗流-应力耦合下断层带裂隙岩体渗透演化规律 被引量:1
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作者 赵德康 韩冰 +6 位作者 曾一凡 冯国瑞 席永红 常波峰 李政昊 王鹏威 王立三 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第7期154-165,共12页
【背景】断层构造是煤矿底板突水的重要通道之一,对矿井安全生产构成严重威胁,深入研究渗流–应力耦合下断层带裂隙岩体渗透特性演化规律对煤矿底板断层突水防治具有重要意义。【方法】以山西潞安高河煤矿为工程背景,首先分析断层带裂... 【背景】断层构造是煤矿底板突水的重要通道之一,对矿井安全生产构成严重威胁,深入研究渗流–应力耦合下断层带裂隙岩体渗透特性演化规律对煤矿底板断层突水防治具有重要意义。【方法】以山西潞安高河煤矿为工程背景,首先分析断层带裂隙岩体的微观物理性质及孔裂隙结构特征;然后通过三轴渗流实验研究重复加卸载条件下断层带裂隙岩体渗透性演化规律,建立渗透系数与围压的定量耦合关系;最后以高河煤矿Fw159断层为研究对象,结合力学模型分析,建立断层突水数值模型,分析底板断层带突水通道形成演化规律。【结果和结论】断层带裂隙岩体孔裂隙结构复杂、边缘粗糙、呈不定向发育的微观特征对岩体的渗透性能具有控制作用;渗透系数与围压之间存在负指数关系,渗透压变化对底板破碎带位移及导水通道形成具有显著影响;开采过程中应力扰动先于位移效应发生,且在应力达到峰值后,位移效应逐渐显现,当孔隙水压达到3MPa时,承压水在断层底部聚集,沿断层破碎带向上导升,直至失稳破坏。研究成果阐明了断层带裂隙岩体渗透特性与煤矿底板断层突水之间的内在联系,为煤矿底板突水防治与矿井安全开采提供了理论依据。 展开更多
关键词 底板水害 裂隙岩体 渗流失稳 断层突水 流固耦合 潞安高河煤矿
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基于底板“双关键层”控水模型优化地面区域水害治理方案
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作者 苗葳 武强 +2 位作者 李国栋 许延春 李兴国 《中国煤炭》 北大核心 2025年第6期17-26,共10页
为防止焦作矿区底板承压含水层突水,基于底板“双关键层”理论建立了力学稳定控水关键层力学模型,剖析了在底板赋存多条富水性强高承压含水层条件下,加固单一含水层与加固双含水层所形成的“双关键层”控水效果差异。研究结果表明,加固... 为防止焦作矿区底板承压含水层突水,基于底板“双关键层”理论建立了力学稳定控水关键层力学模型,剖析了在底板赋存多条富水性强高承压含水层条件下,加固单一含水层与加固双含水层所形成的“双关键层”控水效果差异。研究结果表明,加固单一含水层无法抵御深部高承压水,而加固双含水层形成了浅部力学稳定控水、中部渗透控水、深部力学稳定控水与底部渗透控水的复合型“双关键层”控水组合,具备对深部高承压含水层的控水能力。通过对比分析地面区域水害治理双含水层加固模式、井上下联合治理双含水层模式及井下治理单含水层模式的安全与经济效果,采用地面区域水害治理双含水层加固模式的控水安全效果最佳,井下验证工程工期最短,但其经济成本最高,该模式在底板水患危害严重的矿区可进行推广。 展开更多
关键词 底板突水 多含水层 底板“双关键层” 地面区域水害治理 注浆加固
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基于混淆矩阵的带压开采底板突水危险性评价
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作者 曹敏 尹尚先 +2 位作者 李书乾 王旭 苗钰龙 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第9期407-417,共11页
煤层底板突水是一种水文地质与采矿复合动态现象,受多因素影响,具有复杂的非线性动力特征。采取合适的危险性评价方法可以全面、准确地预测底板突水。选取郭二庄煤矿100组钻孔数据,以奥灰水压、隔水层厚度、煤层厚度、煤层埋深、顶板火... 煤层底板突水是一种水文地质与采矿复合动态现象,受多因素影响,具有复杂的非线性动力特征。采取合适的危险性评价方法可以全面、准确地预测底板突水。选取郭二庄煤矿100组钻孔数据,以奥灰水压、隔水层厚度、煤层厚度、煤层埋深、顶板火成岩厚度、断层规模指数、构造点与歼灭点和构造分形维数为底板突水影响因素,构建了基于混淆矩阵的底板突水危险性分类模型。运用Matlab软件对数据进行迭代训练,确定64组训练样本和36组检验样本,建立优化后的MAT-RIX模型,模型将郭二庄井田底板突水危险性分为安全、较安全、较危险和危险4个等级,依据井田不同坐标所属的评价等级绘制了9号煤层开采底板突水危险性评价分区图,每个等级对应的位置和面积在图中清晰可见:与传统的基于带压系数和突水系数的底板突水危险性分类方法相比,虽然两种判定标准存在明显差异,但各区域的评价结果没有出现大于1个等级的跳跃。该模型没有某个因素占绝对优势,充分发挥各因素的主控能力,模型准确率、精确率、召回率、F1分数、P-R曲线及ROC曲线等多项指标均高于期待值,预测分区精确度高,解决了“双系数”评价面临数据少和考虑因素不全面的问题,增加了突水评价分区的可信度,证实了混淆矩阵突水危险性分类模型的合理性。 展开更多
关键词 煤层底板突水 机器学习 突水危险性 混淆矩阵 MATLAB
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基于CNN-LSTM复合模型的岩溶隧道突涌水风险等级预测——以五福隧道为例
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作者 何军元 梁迪 +6 位作者 杨桂华 何世永 赖中玉 张朝禹 王维 曾美婷 王升 《隧道建设(中英文)》 北大核心 2025年第6期1131-1141,共11页
为准确预测西南地区岩溶隧道突涌水风险等级,避免因灾害引发工期延误、经济损失及人员伤亡等风险,基于国内外研究总结岩溶隧道突涌水影响因素,根据西南地区岩溶隧道水文地质特点,选取地层岩性、地形地貌、岩层产状、岩体质量指标RQD、... 为准确预测西南地区岩溶隧道突涌水风险等级,避免因灾害引发工期延误、经济损失及人员伤亡等风险,基于国内外研究总结岩溶隧道突涌水影响因素,根据西南地区岩溶隧道水文地质特点,选取地层岩性、地形地貌、岩层产状、岩体质量指标RQD、岩层渗透系数、突涌水量、地下水位、年平均降水量、隧道埋深共9个致灾指标构建综合评价体系;提出一种基于卷积神经网络(CNN)和长短期记忆网络(LSTM)复合的深度学习模型;以西南地区多个岩溶隧道施工实例作为样本数据进行训练与验证,并与LSTM和CNN单独模型进行对比分析。结果表明:1)预测模型对突涌水风险等级Ⅰ的预测准确率达到95%、等级Ⅱ的预测准确率为85%、等级Ⅲ的预测准确率为87%、等级Ⅳ的预测准确率为91%;2)CNN-LSTM复合模型在预测准确性和泛化能力方面均优于传统方法和单一模型。 展开更多
关键词 岩溶隧道 突涌水预测 卷积神经网络 长短期神经网络 深度学习
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基于RF-AHP模型的富水隧道突涌水风险预测
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作者 万飞 张念 +2 位作者 牛萌萌 卢佳乐 王耀耀 《人民长江》 北大核心 2025年第7期148-155,共8页
为实现对富水隧道开挖过程中发生突涌水风险等级的快速准确判断,提出了一种基于AHP改进的RF富水隧道风险预测模型。基于232个隧道断面突涌水事故的分析,遴选出涵盖水文地质条件、设计因素和施工因素的13个因素作为富水隧道突涌水风险的... 为实现对富水隧道开挖过程中发生突涌水风险等级的快速准确判断,提出了一种基于AHP改进的RF富水隧道风险预测模型。基于232个隧道断面突涌水事故的分析,遴选出涵盖水文地质条件、设计因素和施工因素的13个因素作为富水隧道突涌水风险的评价指标,构建了富水隧道突涌水风险指标评价体系;采用机器学习的方法,建立了富水隧道突涌水事故数据集,并对其进行预处理;通过数据集的应用及参数优化处理,计算出RF模型各指标权重,再通过AHP对其权重进行优化,建立了RF-AHP模型,将RF模型和RF-AHP模型的预测结果进行了对比分析,并针对RF-AHP模型进行了实例验证。结果表明:RF-AHP模型的准确率达到98%,优于RF模型,RF-AHP模型性能得到提升,在富水隧道突涌水风险预测方面具有较好的性能,可为富水隧道突涌水风险预测提供新的手段。 展开更多
关键词 突涌水 富水隧道 数据预处理 RF-AHP模型 风险预测
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基于Stacking集成学习的隧道突水危险预测模型
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作者 卢佳乐 张念 +1 位作者 牛萌萌 万飞 《中国安全科学学报》 北大核心 2025年第4期137-144,共8页
为解决机器学习在隧道突水危险智能预测领域存在的模型较单一和预测精度不够理想等问题,提出一种基于Stacking集成学习方法的预测模型。首先,通过搜集95条隧道共计232组隧道突水灾害数据建立隧道突水灾害数据集,并进行数据预处理;然后,... 为解决机器学习在隧道突水危险智能预测领域存在的模型较单一和预测精度不够理想等问题,提出一种基于Stacking集成学习方法的预测模型。首先,通过搜集95条隧道共计232组隧道突水灾害数据建立隧道突水灾害数据集,并进行数据预处理;然后,选取3种基学习器和2种元学习器以不同组合方式训练出8组Stacking集成模型,并筛选出6组较优的集成模型;最后,使用网格搜索调参并结合5折交叉验证超参数调优模型,对比分析6组参数调优后的Stacking集成模型的预测结果,选择出最优Stacking集成模型。结果表明:采用Stacking集成学习方法改进最优单模型支持向量机(SVM)后得到SVM+朴素贝叶斯(NB)+线性回归(LR)集成模型,其精确率、召回率和F_(1)分数分别达到0.94、0.91和0.92,整体预测效果优于其他对比模型,可准确预测隧道突水危险等级。 展开更多
关键词 Stacking集成学习 隧道突水 预测模型 危险等级 机器学习
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特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究 被引量:2
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作者 李浩 唐世斌 +2 位作者 康志勤 杨栋 马立强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期2615-2629,共15页
特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特... 特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。 展开更多
关键词 特厚煤层 底板断层突水 顶底板联动效应 CFDEM程序 微震实验
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陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术 被引量:20
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作者 董书宁 樊敏 +5 位作者 郭小铭 刘英锋 郭康 姬中奎 李超峰 薛小渊 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期902-916,共15页
陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总... 陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总结区域水文地质结构特征,界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布,论述典型水灾的形成机理及特征,并提出了相应的防控技术。研究表明:(1)陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区,陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害,局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。(2)陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成,导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水,部分区域充水强度较大,在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾,在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害,导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾,当含水层下部隔水层厚度较大时,可能形成离层溃水灾害,当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时,会引发极为严重的底板突水灾害,该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。(3)各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等,底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。 展开更多
关键词 陕西省煤矿 溃水溃沙 烧变岩水灾 离层溃水 泥砂溃涌 底板奥灰水灾
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煤层采动底板突水物理模拟试验研究进展与展望 被引量:7
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作者 张平松 欧元超 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期44-56,共13页
【目的】底板突水受特定地质构造、水-岩-应力及采掘扰动等因素叠加作用影响,具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获... 【目的】底板突水受特定地质构造、水-岩-应力及采掘扰动等因素叠加作用影响,具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获取灾变各阶段多源数据信息,因而在底板突水研究方面具有独特优势。【结果和结论】对底板突水经典理论、标准规范、模拟试验及工程实践等方面的研究成果进行了回顾,重点梳理了试验加载装置及水压模拟方式、相似材料研制及其特性指标、监测技术及其观测系统设计3个方面的研究进展,其中在模拟水-岩-应力耦合环境下的三维模型底板突水全过程信息捕捉方面有较大突破。面对数智化研究大背景,分析当前底板突水物理模拟试验领域存在的不足,并据此指出未来应重点关注大型三维底板突水综合试验平台研制、基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立、多相多场多维耦合监测预警系统构建、人工智能等数智化技术融合应用研究等发展方向。提出的思考有助于从装置、材料、技术等方面提升未来物理模拟试验水平,从而更好支撑煤矿底板水害数智化防治基础研究工作高质量发展。 展开更多
关键词 底板突水 物理模拟 试验装置 相似材料 监测技术 展望
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隧道富水断层破碎带突涌预报与工程对策研究 被引量:2
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作者 林之恒 袁东 徐正宣 《铁道标准设计》 北大核心 2024年第9期113-121,共9页
为解决高原隧道断层破碎带易发突泥冒顶灾害的问题,采用现场调查、地面物探、洞内地震波反射法、瞬变电磁法、超前钻孔等超前地质预报方法,推广洞内物探三维分析,对富水断层破碎带突泥灾害特征、超前地质预报综合成果和工程应对加固措... 为解决高原隧道断层破碎带易发突泥冒顶灾害的问题,采用现场调查、地面物探、洞内地震波反射法、瞬变电磁法、超前钻孔等超前地质预报方法,推广洞内物探三维分析,对富水断层破碎带突泥灾害特征、超前地质预报综合成果和工程应对加固措施进行研究。结果表明:三维物探成果能快速精准查明富水破碎带空间形态,成果直观,有效指导风险判识和工程处置措施;对富水断层带预报应充分结合勘察期成果,宏观初判断层分布特性,洞内采用物钻结合、长短结合的方法;首次提出按照“探明破碎带规模形态,查明破碎带物质组分性状,观测地下水特征变化情况”的思路,研判突泥涌水风险;施工处置应按照“探泄结合,先固后进,回堵再泄”的总体原则有序开展。研究成果和手段可为类似突涌灾害超前地质预报和工程应对措施提供参考。 展开更多
关键词 高原隧道 富水断层破碎带 突涌预报 物探三维分析 超前地质预报 工程对策
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新集矿区深部1煤层底板奥灰岩溶突水危险性评价 被引量:2
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作者 韩锋 詹润 +3 位作者 孙贵 顾承串 李宏泽 雷震 《合肥工业大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2024年第8期1080-1086,共7页
奥灰岩溶裂隙含水层是影响华北型煤矿深部开采的重要水害,在水-岩相互作用下奥灰含水层易导致煤层底板突水。为进一步认识奥灰岩溶突水问题,文章以新集矿区深部1煤层开采为例,利用矿区近些年最新积累的奥灰钻孔资料,选取断层强度指数、... 奥灰岩溶裂隙含水层是影响华北型煤矿深部开采的重要水害,在水-岩相互作用下奥灰含水层易导致煤层底板突水。为进一步认识奥灰岩溶突水问题,文章以新集矿区深部1煤层开采为例,利用矿区近些年最新积累的奥灰钻孔资料,选取断层强度指数、断层交叉点与尖灭点、含水层水压、富水性、隔水层等效厚度、脆塑比7个因素作为奥灰岩溶突水的主控因素,并结合层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)确定各主控因素影响权重。运用地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析功能建立各主控因素专题图,通过对专题栅格图归一化处理,将各主控因素按照权重进行空间复合叠加,最终获得1煤层底板奥灰岩溶突水危险性评价分区结果。将评价结果与突水系数法计算结果对比分析可知,基于GIS的煤层底板突水危险性评价方法更符合矿区实际地质情况,可以为矿区深部煤层开采与水害防治工作提供参考依据。 展开更多
关键词 层次分析法(AHP) 地理信息系统(GIS) 新集矿区 1煤层 底板 奥陶系灰岩 突水
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基于微震监测的工作面底板破坏曲面提取方法 被引量:3
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作者 李萍 姜旭 +1 位作者 段建华 丛琳 《煤炭工程》 北大核心 2024年第11期140-148,共9页
我国矿山安全生产形势明显好转,但水害事故是矿井主要灾害之一,准确预测工作面回采过程中底板破坏程度是承压水上采煤水害防治的关键技术之一。根据葛泉矿东井地质特征和11916工作面具体情况,利用“井-地-孔”联合微震监测技术,对回采... 我国矿山安全生产形势明显好转,但水害事故是矿井主要灾害之一,准确预测工作面回采过程中底板破坏程度是承压水上采煤水害防治的关键技术之一。根据葛泉矿东井地质特征和11916工作面具体情况,利用“井-地-孔”联合微震监测技术,对回采中底板破坏过程进行监测,在微震定位的基础上,采用微震事件数量直方图和密度图的统计方法,初步获得底板破坏深度为15 m;根据地质数据建立三维地质模型并划分均匀网格,结合微震发生位置、释放能量及数量等震源参数,计算每个网格的能量密度,采用MC算法最终获得底板破坏曲面。结果表明,底板破坏深度不仅与微震事件数量有关,还与微震释放能量、破坏半径以及巷道底板起伏有关,从底板破坏曲面分析得出回风巷道底板破坏深度约为10 m,运输巷附近底板破坏深度约为15 m。最后,将其与钻孔压水试验测试得到的数值对比,证明基于微震监测底板破坏曲面预测方法能更加准确、精细获得底板破坏分布情况。 展开更多
关键词 导水通道 微震监测 底板破坏曲面 微震能量密度 压水试验
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煤层底板隐伏陷落柱突水机理及工程应用 被引量:3
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作者 李昂 李远谋 +5 位作者 刘朝阳 姬亚东 王峰 刘洋 马政和 方刚 《煤炭科学技术》 CSCD 北大核心 2024年第S2期142-152,共11页
华北煤田隐伏陷落柱难勘探、易突水、隐患大,是煤矿安全隐患的典型代表。以澄合矿区山阳煤矿1501工作面底板下隐伏陷落柱为工程地质背景,根据陷落柱的含(导)水特性,将突水事故分为整体剪切破坏和尖端劈裂破坏2种模式,结合高等岩石力学... 华北煤田隐伏陷落柱难勘探、易突水、隐患大,是煤矿安全隐患的典型代表。以澄合矿区山阳煤矿1501工作面底板下隐伏陷落柱为工程地质背景,根据陷落柱的含(导)水特性,将突水事故分为整体剪切破坏和尖端劈裂破坏2种模式,结合高等岩石力学与断裂力学,分别建立突水力学模型,通过临界平衡条件与断裂判据,理论推导得到了底板隔水层可抵抗的临界水压解析解与隔水层厚度的安全阈值。结果表明,临界突水压力由2部分组成,即底板自身抵挡水压力值和围岩抵挡水压力值;临界突水压力与关键层厚度呈正相关,与陷落柱顶部宽度呈先减小后增大的关系;现场实际以陷落柱顶部宽度11.2m为界,小于该值时极限水压力主要受控于有效隔水层厚度,大于该值时围岩水平应力对极限水压力影响较大;陷落柱周边裂隙扩展长度与水压力正相关,与覆岩压力负相关;陷落柱轴线角度在60°~90°更易诱发突水灾变。将研究成果应用于1501工作面底板危险性评价,理论分析给出了在受开采扰动影响下底板临界突水压力0.95MPa不足以抵抗奥灰承压水压力1.2MPa,且开采后陷落柱周边次生裂隙增长发育威胁陷落柱顶部隔水稳定性。根据陷落柱内部疑似的空洞,科学构筑了“堵水塞+双液注浆”处理方法,治理后工作面涌水量由65m^(3)/h降低至0.3m^(3)/h,工作面成功开采。 展开更多
关键词 隐伏陷落柱 煤层底板 突水机理 澄合矿区 “堵水塞+双液注浆”方法
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