矿山微震智能处理基础模型构建及应用

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作者 曹安业 李茂涛 +4 位作者 杨旭 杨耀 李森 刘耀琪 王常彬 《煤炭学报》 北大核心 2025年第6期2823-2836,共14页

矿山智能化建设背景下,微震信号智能处理是矿山动力灾害精确预警的基础。矿山的复杂地质条件与作业环境导致微震信号呈现强噪声、高维、强非线性等特征,传统的微震数据自动处理方法精度低,通常需要人工干预来完成微震震源参数计算,难以... 矿山智能化建设背景下,微震信号智能处理是矿山动力灾害精确预警的基础。矿山的复杂地质条件与作业环境导致微震信号呈现强噪声、高维、强非线性等特征,传统的微震数据自动处理方法精度低,通常需要人工干预来完成微震震源参数计算,难以满足矿山动力灾害智能预警的需求。为此,结合大数据与深度学习相关理论与方法,初步构建了基于Transformer的矿山微震智能处理基础模型。建立了包含30万余条微震波形的数据集,设计了微震多尺度卷积模块,研究了微震特征自适应融合策略,提出了基于特征聚合多头注意力机制的微震时序建模方法,并构建了微震智能处理多种任务解码器,可同时实现矿山微震事件检测、P波到时拾取、S波到时拾取以及初动极性判别的智能处理。矿山微震基础模型测试结果表明:事件检测准确率达到95.4%,96.6%的P波到时误差在50ms以内,65.5%的S波到时误差也在50ms以内,初动极性判别的准确率达到93.38%,可满足矿山微震数据智能实时处理的需求。在甘肃某冲击地压工作面开展了基于基础模型的矿山微震自动定位与自动震源机制反演应用。结果表明:以所构建的微震基础模型为基础,可实现矿山微震事件检测—到时拾取—初动极性判别—震源定位—震源机制求解全流程智能化处理。研究结果可为矿山动力灾害智能精确监测预警提供支撑。 展开更多

关键词 智能矿山 微震 基础模型 事件检测 到时拾取 深度学习

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循环水浸作用下煤体孔隙与损伤演化机制实验研究 被引量：2

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作者 王方田 张村 +3 位作者 汤天阔 贾胜 成家章 窦凤金 《矿业科学学报》 CSCD 北大核心 2024年第4期608-618,共11页

煤柱坝体作为矿井采空区水库的主要承载结构,在多场耦合影响下的损伤失稳机制直接制约采空区水库的长期安全稳定运行。本文借助核磁共振(NMR)研究了“单侧”浸水条件下不同次数循环浸水下煤样T2谱图、孔喉、孔隙率变化和核磁图像演化规... 煤柱坝体作为矿井采空区水库的主要承载结构,在多场耦合影响下的损伤失稳机制直接制约采空区水库的长期安全稳定运行。本文借助核磁共振(NMR)研究了“单侧”浸水条件下不同次数循环浸水下煤样T2谱图、孔喉、孔隙率变化和核磁图像演化规律,分析了单侧循环浸水次数不断增加下煤样内部孔隙演化规律以及单轴压缩破坏形态特征,揭示了煤样水浸损伤破坏机制,结果表明,随循环浸水次数的增加,煤样孔隙数、孔喉占比、孔隙率均保持增长的态势,分别增长了67.18%、3.48%、3.49%。煤样单轴抗压强度与残余强度逐渐减小,煤样的平均峰值强度由15.74 MPa依次下降到11.76、9.65、8.41 MPa,循环浸水9次煤样相较于初始状态煤样的平均单轴抗压强度下降46.56%,平均残余强度从未循环浸水的5.55 MPa依次下降到3.08、2.44、0 MPa。煤样单侧循环浸水水分子由浸水侧逐渐向煤样内部渗流,最后扩展至整个煤样,进一步造成孔隙率增加。长期的循环浸水对煤样的软化作用十分显著。研究结果为采空区水库空间结构稳定性控制提供了科学依据。 展开更多

关键词 循环水浸 采空区水库 煤柱坝体 孔隙演化 水浸弱化

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顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法 被引量：4

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作者 郭世斌 胡国忠 +3 位作者 朱家锌 许家林 秦伟 杨南 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期203-213,共11页

顶板瓦斯抽采巷因具有大流量和连续抽采的优点,被广泛用于高瓦斯或突出矿井回采工作面瓦斯治理。如何确定合理的顶板巷布置位置,以高效抽采采空区卸压瓦斯,是保障工作面瓦斯治理效果的关键。为此,在深入分析顶板瓦斯抽采巷布置原则及其... 顶板瓦斯抽采巷因具有大流量和连续抽采的优点,被广泛用于高瓦斯或突出矿井回采工作面瓦斯治理。如何确定合理的顶板巷布置位置,以高效抽采采空区卸压瓦斯,是保障工作面瓦斯治理效果的关键。为此,在深入分析顶板瓦斯抽采巷布置原则及其布置位置影响因素的基础上,提出了一种基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法;采用灰色关联分析法确定了GA–BP神经网络模型的预测指标,并设计开发了顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测系统。研究结果表明:①工作面的采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度等5个物理指标是顶板瓦斯抽采巷布置位置的主控因素,且其权重值排序由大到小依次为采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度。②随着遗传代数的增加,GA–BP神经网络适应度不断减小,且当遗传代数为60时其适应度变化基本稳定,表明GA–BP神经网络初始权重和偏置效果较好。③在当前训练样本数据集的前提下,基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置的预测结果与实际工况值的相对误差仅为0.43%~11.27%,在可接受的范围内。该研究可为顶板瓦斯抽采巷精准设计提供一定的参考。 展开更多

关键词 瓦斯抽采 顶板瓦斯抽采巷 巷道布置 遗传算法 智能预测

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粉砂影响下的甲烷水合物相平衡和生成规律实验 被引量：2

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作者 唐青隽 李国亮 +2 位作者 胡广文 刘慧 付玮琪 《中国海上油气》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期100-107,共8页

由于天然气水合物储层存在低温高压、出砂强度大、井底气液分离效率低等问题,天然气水合物开采井内流体实际为甲烷-水-粉砂三相流,并存在水合物堵塞风险。研发了适用于甲烷-水-粉砂三相条件下的甲烷水合物反应釜,并开展考虑粉砂影响的... 由于天然气水合物储层存在低温高压、出砂强度大、井底气液分离效率低等问题,天然气水合物开采井内流体实际为甲烷-水-粉砂三相流,并存在水合物堵塞风险。研发了适用于甲烷-水-粉砂三相条件下的甲烷水合物反应釜,并开展考虑粉砂影响的甲烷水合物相平衡和生成规律实验。实验结果表明:粉砂可以改善气液间传热和传质速率,在粉砂影响下甲烷水合物相平衡曲线将向右水平移动1.0~1.2℃;随着粉砂含量增加,水合物生成速率和水合物生成过程中水转化率均随之升高,因此粉砂会增加深水油气和天然气水合物开采管线内水合物堵塞风险。本研究成果可为制定高效的水合物流动保障方案提供理论基础。 展开更多

关键词 甲烷水合物 粉砂 水合物堵塞 相平衡

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煤矿覆岩矿震关键层及其破断释能机制 被引量：1

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作者 窦林名 曹晋荣 +5 位作者 曹安业 蔡武 巩思园 鞠明和 周坤友 阚吉亮 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期180-192,共13页

覆岩型矿震已成为部分煤矿面临的主要动力现象之一,理论判识矿震发生的主控岩层是实现矿震精准防治的基础。采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究方法,梳理了煤矿震动事件和煤矿矿震的内涵及类型,厘清了煤矿震动事件与煤矿矿震... 覆岩型矿震已成为部分煤矿面临的主要动力现象之一,理论判识矿震发生的主控岩层是实现矿震精准防治的基础。采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究方法,梳理了煤矿震动事件和煤矿矿震的内涵及类型,厘清了煤矿震动事件与煤矿矿震之间的关系。提出了覆岩矿震关键层概念,总结了覆岩矿震关键层特征及其与关键层之间的区别联系,給出了覆岩矿震关键层判识方法。通过分析覆岩矿震关键层破断过程中的裂隙发育和能量演化规律,揭示了覆岩矿震关键层破断释能机制。结果表明:①煤矿震动事件包括微型震动、高能震动和矿震,煤矿矿震可划分为覆岩型、断层型、煤柱型、底板型、褶曲型和复合型;②覆岩矿震关键层是指顶板中一层或数层对覆岩型矿震的发生和分布具有控制作用的关键岩层(组),根据空间赋存位置,可将其分为高位和低位2种类型;③考虑厚硬岩层破断条件和能量条件,提出了覆岩矿震关键层判别方法,案例分析表明该方法具有一定的正确性和适用性;④除采空区两侧的裂隙带外,覆岩矿震关键层与低位顶板之间出现水平剪切裂隙,层间节理应变能和剪切耗散能集中,岩层间发生剪切–错动。此外,覆岩矿震关键层内部还出现了水平向的层内裂隙,层内存在节理应变能和剪切耗散能聚集区,覆岩矿震关键层具有分层破坏特征;⑤当岩体所承受的实际最大应力超过岩层或结构接触面强度极限时,覆岩矿震关键层出现破断或结构失稳,形成覆岩型矿震,该过程中部分弹性应变能和重力势能转化为矿震能量以及各类耗散能等。研究结果可为覆岩型矿震防控提供理论指导。 展开更多

关键词 覆岩型矿震 矿震关键层 裂隙演化 释能机制 离散元模拟

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煤储层改造背景下深部煤层气藏物质平衡方程的建立与应用 被引量：1

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作者 石军太 徐凤银 +9 位作者 曹运兴 李相方 黄红星 王凯 陈明 张硕 吉义天宇 王伟 孙政 李靖 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第3期200-217,共18页

近些年深部煤层气发展迅速,在多个深部煤层气区块都取得单井日产万方的突破,为了更加科学高效地开发深部煤层气,大幅提高煤层气的采收率,建立合理、可靠且考虑因素全面的煤层气物质平衡方程,并研究深部煤层气藏或气井控制储量、平均煤... 近些年深部煤层气发展迅速,在多个深部煤层气区块都取得单井日产万方的突破,为了更加科学高效地开发深部煤层气,大幅提高煤层气的采收率,建立合理、可靠且考虑因素全面的煤层气物质平衡方程,并研究深部煤层气藏或气井控制储量、平均煤储层压力、不同类型气体产量占比、产能评价指标和最终可采储量具有重要的理论与现实意义。目前考虑游离气、煤基质收缩、溶解气、吸附气富集的微孔与游离气和水占据的介孔之间的压差和煤储层改造影响的煤层气物质平衡方程鲜有报道。首先基于深部煤层气藏物质平衡原理,在常规物质平衡方程考虑应力敏感引起的孔隙压缩、基质收缩、水的膨胀和产水因素的基础上,进一步考虑吸附气富集的微孔与游离气和水占据的介孔之间的压差、煤储层改造引起的煤储层物性参数变化和溶解气的影响,建立了基于煤储层改造背景下的深部煤层气藏物质平衡方程;然后提出了深部煤层气线性拟合的吸附气−游离气−溶解气储量评价方法、平均地层压力显式计算方法、吸附气−游离气−溶解气产量占比评价方法、深部煤层气井产能评价方法和最终可采储量EUR预测方法;最后对提出的方法进行了实例应用,评价了实例井控制的吸附气−游离气−溶解气储量,揭示了深部煤层气井生产过程中吸附气−游离气−溶解气产量占比变化规律,剖析了产能指标变化特征并预测了不同废弃压力下的EUR和煤层气采收率。研究表明:提出的深部煤层气储量评价方法,仅需实测2次以上的平均煤储层压力和对应的累计产气量和产水量数据,即可采用线性拟合的方法,评价出深部煤层气井吸附气−游离气−溶解气的储量;提出的深部煤层气平均地层压力计算方法为显式表达式,避免了隐式求解方法中复杂的计算机编程计算;提出的深部煤层气井吸附气−游离气−溶解气产量占比评价方法,无需在井口安装碳同位素监测装置,可实时评价出不同气体产量占比;提出的综合流体、游离气、吸附气、溶解气和水井底采出指数可以用于识别深部煤层气井工作制度的合理性;提出的深部煤层气井EUR预测方法,可将生产数据整理成视压力p/Z^(*)与累计产气量Gp的直线表达式,给定某一废弃压力,即可预测出深部煤层气井的EUR;实例井生产初期游离气日产气量占比和吸附气日产气量占比相当,在生产过程中,游离气日产气量占比先快速上升后缓慢降低最后逐渐稳定在29%,吸附气日产气量占比则先快速降低后缓慢上升最后逐渐稳定在70%,而溶解气日产气量占比一直较低;当废弃压力分别为4、3和2 MPa时,该深部煤层气井的煤层气采收率分别为37.8%、44.2%和52.4%,降低废弃压力是提高深部煤层气藏采收率较为有效的手段。 展开更多

关键词 深部煤层气 物质平衡方程 游离气 储量评价 煤储层压力 产量占比 产能评价 最终可采储量EUR预测

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深部软岩大变形巷道变径分区卸压围岩控制技术及应用 被引量：1

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作者 吴锋锋 谷浩源 +4 位作者 杨培举 刘长友 魏民涛 蒋与飞 王平 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期53-67,共15页

为解决深部软岩巷道围岩大变形、返修次数多难题,以泉店煤矿21运输下山为工程背景,采用理论分析、数值模拟及工程实践等方法,提出了巷道变径分区卸压技术,建立了卸压参数理论模型,得出了卸压关键参数选取区间与弹性应变能密度分布规律,... 为解决深部软岩巷道围岩大变形、返修次数多难题,以泉店煤矿21运输下山为工程背景,采用理论分析、数值模拟及工程实践等方法,提出了巷道变径分区卸压技术,建立了卸压参数理论模型,得出了卸压关键参数选取区间与弹性应变能密度分布规律,揭示了钻孔卸压能量耗散原理,确定了卸压关键参数的最佳取值。研究表明:(1)通过变径分区卸压技术改善了浅部围岩能量环境,减少了顶底板能量升高区面积,并将肩角和底角区域聚集能量向深部转移,实现了巷道精准卸压控制。(2)随着浅部小直径钻孔长度(L1)、深部大直径钻孔长度(L2)、深部大直径钻孔半径(r)增加,其弹性应变能密度曲线相应的前峰值、后峰值以及后峰值升高,整体呈正相关。(3)随着深部大直径钻孔间距(D)增加,孔间弹性应变能密度峰值变化呈现先升高后降低再稳定的特点,而钻孔间联合卸压效果与其呈现负相关,依据弹性应变能量峰值增幅得出了影响卸压效果的关键参数权重顺序依次为:L1、L2、r、D。(4)依据理论分析和数值模拟确定了21采区运输下山巷道卸压技术关键参数合理值,巷道实施变径分区卸压技术后,两帮及顶底板变形量分别降低了58.7%、23.7%以及27.4%,巷道稳定得到有效控制,证实了变径分区卸压技术的有效性。 展开更多

关键词 深部大变形巷道 软岩 能量释放 弹性能密度 变径分区卸压技术

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三轴加卸载下煤岩强度及变形破坏特征 被引量：1

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作者 蒋力帅 李丕茂 +3 位作者 王庆伟 王宗可 李春盎 黄屹峰 《中国煤炭》 北大核心 2025年第1期109-121,共13页

深部煤岩体处于高应力的三向应力状态在掘进与回采等工程扰动影响下,煤岩体的三向应力平衡状态被打破。为研究煤岩体的变形破坏特征与其所处应力状态之间的关系,开展了煤岩体在不同围压下的三轴压缩实验和不同加卸载路径下的三轴加卸载... 深部煤岩体处于高应力的三向应力状态在掘进与回采等工程扰动影响下,煤岩体的三向应力平衡状态被打破。为研究煤岩体的变形破坏特征与其所处应力状态之间的关系,开展了煤岩体在不同围压下的三轴压缩实验和不同加卸载路径下的三轴加卸载实验,借助应力应变曲线、煤样破坏形态素描图及裂隙面分形维数,探究了围压与不同卸载路径对其强度与变形破坏特征的影响。研究结果表明:煤岩三轴压缩强度与围压呈现非线性关系,弹性模量与围压呈现二次函数关系;在卸载条件下,其力学特性和破坏形式与加载条件下有着本质的区别;三轴加卸载下煤岩最大主应力大幅度减小,有明显的扩容现象,表现出明显的脆性破坏;经历卸载过程的煤样,与同等围压下三轴压缩相比,破坏后裂隙面分形维数普遍增大,破碎程度加剧。 展开更多

关键词 三轴加卸载 煤岩体 应力应变 强度特征 破坏特征

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岩层控制的全柱状学术思想与实践

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作者 许家林 朱卫兵 +11 位作者 轩大洋 王晓振 秦伟 金洪伟 鞠金峰 胡国忠 谢建林 屈庆栋 吴仁伦 汪锋 何昌春 李竹 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期166-179,共14页

岩层控制是通过控制采动岩层破断运动来减轻或消除采动损害的一门科学,目的是为了保障煤炭安全、高效、绿色开采。传统岩层控制研究思想与方法存在2方面局限:对覆岩进行均化而不能抓住主要矛盾,仅关注局部岩层运动而缺乏对全地层覆岩运... 岩层控制是通过控制采动岩层破断运动来减轻或消除采动损害的一门科学,目的是为了保障煤炭安全、高效、绿色开采。传统岩层控制研究思想与方法存在2方面局限:对覆岩进行均化而不能抓住主要矛盾,仅关注局部岩层运动而缺乏对全地层覆岩运动的研究。针对这些问题,在关键层理论应用研究过程中,形成了岩层控制的“全柱状”学术思想,其内涵包括2方面:一是“抓主要矛盾”,找到对岩层运动起主要控制作用的关键层(即主要矛盾),避免对覆岩均化处理。二是“关注全局”,将采动覆岩作为整体研究,充分考虑关键层所处的复杂地层场景条件可能对关键层破断的影响,从整个岩层移动角度研究矿压显现、水与瓦斯运移、开采沉陷等。按照全柱状学术思想研究岩层控制时,首先需要获取研究区域内不同开采尺度(矿井、采区、工作面及块段)地层的钻孔“全柱状”,即包含从开采煤层直到地表所有岩层信息的全取心完整柱状,根据研究区域内多个钻孔柱状的关键层判别,形成研究区域内岩层赋存特征的整体画像,避免仅采用局部柱状或综合柱状,也不能对全柱状进行均化处理。充分考虑原岩应力、地质构造、地形地貌、水体载荷、开采部署等多种具体场景因素可能导致的关键层受载差异与破断异常,以及不同区域柱状关键层位置的变化可能对岩层运动产生的影响。在此基础上,建立关键层运动与各种采动损害的联系,据此分析问题发生机理并提出针对性的岩层控制方法。全柱状学术思想推进了岩层控制理论发展与实践创新,解决了压架、突水、沉陷等灾害防控的系列工程难题,取得了显著成效。利用全柱状学术思想取得的岩层控制理论创新主要包括:揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应,建立了采动覆岩“关键层-松散层拱”结构模型,提出了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法,建立了基于关键层结构的地表沉陷预计方法,为工程应用奠定了基础。全柱状学术思想在工程应用方面的典型实例包括:找出了浅埋煤层沟谷上坡段、松散承压含水层下等特定条件下开采压架的根本原因,彻底解决了压架防治工程难题;量化关键层位置对“导高”的影响,解决了顶板异常突水防治难题;提出了煤层群卸压瓦斯的“三带”分布,指导了卸压瓦斯抽采实践;研发了覆岩隔离注浆充填技术,创建了地面钻孔一注式高效充填绿色开采新模式,解决了地表沉陷控制等难题,已得到全面推广应用。 展开更多

关键词 全柱状 关键层 卸荷膨胀累积效应 岩层控制 绿色开采

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深部开采强动载波形分类特征及震源参量响应规律

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作者 李家卓 邱航 +3 位作者 窦林名 王剑 刘舜 马衍坤 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第2期73-89,共17页

为了揭示深部开采过程中强动载震源机制及震源参量响应规律,以古城煤矿3105工作面为工程背景,分析了开采期间强动载事件分布特征与震源机制,并采用HHT方法对不同类型的强动载波进行了时频特征分析,定量计算了3类动载的震源参量,揭示了... 为了揭示深部开采过程中强动载震源机制及震源参量响应规律,以古城煤矿3105工作面为工程背景,分析了开采期间强动载事件分布特征与震源机制,并采用HHT方法对不同类型的强动载波进行了时频特征分析,定量计算了3类动载的震源参量,揭示了不同类型动载的能量释放特征与破裂模式。研究结果表明:强动载可分为顶板运动型、煤柱失稳型和断层错动型。断层区域动载断层两侧应力出现变化,发生压缩破坏;顶板区域动载受顶板破坏机制影响,主要发生压缩破坏和剪切破坏;煤柱区域动载主要发生压缩破坏。断层型强动载倾向角范围主要为30°~45°,顶板型强动载为10°~65°,煤柱型强动载为40°~50°。3类动载波在频率分布、能量分布上存在较大差异,其震源破裂时能量释放特征各不相同。顶板型强动载波边际谱呈单峰分布,频率主要集中在50~90 Hz;断层型强动载波边际谱呈双峰分布,频率主要集中在0~50 Hz;煤柱型强动载波边际谱呈宽频谱分布,频率主要集中在10~100 Hz。煤柱型强动载的地震矩最大,其次为顶板型,断层型最小。在震源半径相同的情况下,断层型动载的非弹性变形导致体积增大程度最大,煤柱型强动载次之,顶板型强动载最小。研究结果可为冲击地压矿井分源防控提供一定的理论参考。 展开更多

关键词 冲击地压 深部开采 强动载 时频特征 震源机制

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基于B-GFP荧光菌的煤层注水扩散的空间特征及隙网渗流规律的生物示踪研究

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作者 肖栋 彭苏萍 +1 位作者 李学臣 何海伦 《煤炭学报》 北大核心 2025年第6期3085-3099,共15页

辨识煤层中裂隙发育特征对于评价煤层渗透性和水力压裂等措施作用效果方面具有重要意义,随着煤矿开采深度的增加,在地应力及构造应力等因素的作用下,煤层裂隙发育的复杂性更加显著,传统的探测技术难以准确识别水力化措施裂隙的渗流路径... 辨识煤层中裂隙发育特征对于评价煤层渗透性和水力压裂等措施作用效果方面具有重要意义,随着煤矿开采深度的增加,在地应力及构造应力等因素的作用下,煤层裂隙发育的复杂性更加显著,传统的探测技术难以准确识别水力化措施裂隙的渗流路径。为此,利用煤层杆菌与蓝绿荧光(B-GFP)表达质粒融合,构建具有荧光特征的人工基因改造蓝绿荧光菌,结合其在煤层环境中的优良适应性及稳定的表面吸附特性,确定B-GFP荧光菌生物示踪技术,系统分析不同稀释倍数的荧光菌在煤表面的吸附特征及其在煤层裂隙中的渗流路径,为煤层水力化措施效果评价提供了新途径。结果表明:菌液在煤层中的扩散受有机代谢物含量和裂隙特征双因素的影响,高浓度时具有较强的浸润性,易在煤表面形成菌-液两相膜,导致菌体聚集成易于观测的菌斑;而在高稀释倍数下,菌液的浸润性减弱,菌体更依赖鞭毛在粗糙表面分散吸附。50倍稀释度被发现是构建均匀菌膜的最佳条件,且具有最高的多类型的示踪可辨识度。此外,B-GFP荧光菌在预裂煤样贯通裂隙中能够稳定附着,不受裂隙二次发育和扩展的影响,能够可靠地标记出贯穿型大裂隙、缝网以及半封闭型裂隙分布。回采工作面煤层注水影响半径的生物示踪法评价研究发现,该项技术能够准确地刻画出不同裂隙的分布区域,且刻画出注入水的空间渗流特征。煤层注水的实际影响半径大于4m,钻孔间距可扩展至8m。该研究为优化煤矿瓦斯防治和水力化措施设计提供了重要的理论支持和实践依据,对提高水力化措施的有效性研究具有显著的应用价值。 展开更多

关键词 裂隙发育 煤层注水 生物示踪 水力化措施 矿山安全

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矿山采空区卸压底板岩层资源化利用技术体系构建及展望

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作者 朱卫兵 李竹 +2 位作者 赵波智 郭春雷 宁杉 《煤炭学报》 北大核心 2025年第5期2355-2366,共12页

迄今为止,通过充填开采实现地表沉陷控制、降低导水裂隙带发育高度等相关研究均是从顶板岩层入手,充填空间主要聚焦于工作面后方未垮落采空区和覆岩离层区,并未关注到采动底板卸压区亦可作为潜在充填区域。为此,将采空区卸压底板岩层作... 迄今为止,通过充填开采实现地表沉陷控制、降低导水裂隙带发育高度等相关研究均是从顶板岩层入手,充填空间主要聚焦于工作面后方未垮落采空区和覆岩离层区,并未关注到采动底板卸压区亦可作为潜在充填区域。为此,将采空区卸压底板岩层作为可用资源加以开发,即向采空区卸压底板岩层要空间、找资源、借力量,提出了“采空区卸压底板注浆充填、采空区卸压底板注水膨胀造拱、采空区卸压底板爆破致裂扩容增胀”3项源头减损绿色开采理念与技术方法,并对矿山采空区底板空间资源综合利用进行了深度展望。采空区卸压底板注浆充填岩层控制技术,即充分利用煤层开采后在采空区底板岩层中的卸压效应,从地面或井下施工钻孔至卸压底板岩层中的目标注浆层,向卸压底板目标层位进行高压注浆。注浆目标层及其上覆岩层在注浆压力作用下发生上凸隆起,借此大幅降低采空区顶板岩层回转下沉空间以降低采动裂隙发育高度和减小开采沉陷。采空区卸压底板注液膨胀造拱岩层控制技术,即针对卸压底板岩层中膨润土、蒙托石、伊利石等亲水矿物成分占比较高情形,充分利用其遇水膨胀特性,在底板岩层注水压裂形成高密缝网,而后大量注液激活水岩深度作用,诱导底板注水岩层体积大幅增胀,促进底板均匀破裂带及底板破坏带向上鼓起,形成拱桥结构以支撑采空区上覆岩层,达到降低导高和减缓沉陷的效果。采空区卸压底板爆破致裂扩容增胀岩层控制技术,即充分利用卸压底板岩层的爆破致裂碎胀效应和隆起特性,通过定向爆破手段对煤层底板进行精准致裂和破碎处理,借此增加底板岩层破碎程度以消弭部分煤层采出空间,等效增加煤层开采后垮落带中岩层综合碎胀系数,降低顶板岩层破断下沉运动空间。作为矿山采空区卸压底板岩层资源化利用的重要扩展,进一步提出了地下水资源自重导流转移与含水层再造重构技术,可将易与采动裂隙沟通的顶板含水层迁移至底板目标储水层。研究成果对进一步激发矿山采空区卸压底板资源化利用的科学思考,引导卸压底板岩层资源利用技术落地具有重要意义。 展开更多

关键词 底板资源 采空区卸压底板 绿色开采 注浆充填 固废处置 岩层控制 生态保护

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碳纤维相似材料模拟采动岩体损伤破裂表征方法及试验研究

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作者 朱卫兵 赵波智 +1 位作者 宁杉 项佳豪 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第7期70-80,共11页

相似材料模拟试验是探究煤炭开采过程中覆岩破坏、岩层移动及岩层控制的重要手段,然而传统相似模拟材料难以对采动岩层内部损伤破裂及其动态发育过程进行有效监测。为此,将碳纤维引入矿山相似材料模拟实验领域,借助该复合材料电阻率变... 相似材料模拟试验是探究煤炭开采过程中覆岩破坏、岩层移动及岩层控制的重要手段,然而传统相似模拟材料难以对采动岩层内部损伤破裂及其动态发育过程进行有效监测。为此,将碳纤维引入矿山相似材料模拟实验领域,借助该复合材料电阻率变化对损伤的灵敏反馈,实现了相似模拟实验中采动岩层内部损伤与破裂规律的实时监测,并据此研发了一种具有损伤自感应功能的碳纤维相似模拟复合材料。研究发现随着碳纤维掺量的增加,相似材料电阻率变化与损伤系数演化规律趋于一致,且当相似模拟材料中碳纤维掺量≥2%,相似材料电阻率变化与损伤系数始终保持同步增长。基于此,探明了碳纤维相似模拟材料电阻率变化量与岩层损伤程度的关联效应,开展了近距离煤层过煤柱开采岩层结构动态演化与关键层破断时序物理模拟试验,分析了煤层开采全过程中的碳纤维相似材料电阻率变化特征,精准辨识了覆岩采动裂隙的发育程度、分布范围及各岩层损伤破裂时序,形成了适用于采矿工程相似模拟实验中的岩层损伤破裂动态过程新型量化与表征方法,为揭示采动岩层损伤破裂演化规律与优化岩层控制技术措施提供了科学依据。 展开更多

关键词 相似材料模拟 碳纤维 损伤自感应 损伤系数 采动裂隙 矿山压力 岩层控制

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循环加卸载作用下水浸煤体渐进损伤机理试验研究

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作者 王方田 汤天阔 +4 位作者 张村 窦凤金 魏学谦 孙暖 成家章 《工程科学与技术》 北大核心 2025年第4期89-102,共14页

煤矿地下水库技术已成为实现矿井水资源保护与利用的有效途径。在应力与水浸作用下,煤柱坝体强度劣化效应将直接影响地下水库工程的稳定性。基于此,开展不同含水状态煤样循环加卸载试验,利用声发射设备监测试验中煤样的损伤特征,并采用... 煤矿地下水库技术已成为实现矿井水资源保护与利用的有效途径。在应力与水浸作用下,煤柱坝体强度劣化效应将直接影响地下水库工程的稳定性。基于此,开展不同含水状态煤样循环加卸载试验,利用声发射设备监测试验中煤样的损伤特征,并采用核磁共振(NMR)设备检测煤样孔隙发育,揭示不同含水状态及循环应力下煤体渐进损伤演化机理。结果表明:不同含水状态煤样随循环级数的增加,声发射信号逐渐增加,裂隙发育程度逐渐加大;循环应力作用下煤体的损伤破坏主要发生在首次达到每级峰值荷载时,随后仅发生小幅度损伤。水岩作用对声发射具有弱化效应,含水煤样在循环应力作用下易发生应力突变,对煤体造成瞬时损伤破坏,且随含水程度的增加,突变次数也有所增加。在3级循环加卸载后,各级干燥煤样的T_(2)曲线幅值相较于未循环加卸载煤样均增大,干燥煤样孔隙数量随循环级数的增加而增多;自然和饱和煤样在前两级循环加卸载后T_(2)曲线幅值增加,曲线范围变宽并向右半部分偏移,煤样孔隙数量增加,第Ⅲ级循环加卸载后,中微孔数量降低幅度较大,大孔数量均有小幅增长,煤样总体孔隙数量降低。含水煤体随着循环应力的增大,煤体的孔隙变化呈现低幅的增大—降低—增大的趋势,水浸煤体在应力作用下孔隙变化加剧,更易产生大孔孔隙结构,造成煤体累积损伤破坏。Ⅰ、Ⅱ级循环加卸载后,各煤样的孔隙度上升,Ⅲ级循环后干燥煤样孔隙度上升,自然与饱和煤样孔隙度下降。Ⅲ级循环加卸载后,干燥煤样的抗压强度为14.27 MPa,较未进行循环加卸载时的平均值降低了9.85%;饱和煤样的抗压强度为8.49 MPa,较未进行循环加卸载时的平均值降低了24.87%;煤样的强度随含水程度及循环级数的增加而降低。 展开更多

关键词 煤柱 水浸煤体 循环加卸载 孔隙变化 渐进损伤

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基于深度学习的稀有金属花岗岩岩性细粒度分类研究

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作者 赵恒谦 王盼 +6 位作者 刘志国 苗群峰 李智斌 唐广龙 齐云飞 谢雨 王蒙萌 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第3期408-417,共10页

细粒度图像分类在实际应用中具有较高的研究价值和应用前景。目前,传统岩性细粒度分类方法多依赖研究者的经验与实验设备的质量,主观性强且时效性差。文中将细粒度图像分类技术引入花岗岩岩性识别领域,系统构建了肉红色、灰白色、含铁... 细粒度图像分类在实际应用中具有较高的研究价值和应用前景。目前,传统岩性细粒度分类方法多依赖研究者的经验与实验设备的质量,主观性强且时效性差。文中将细粒度图像分类技术引入花岗岩岩性识别领域,系统构建了肉红色、灰白色、含铁锰质和含天河石碱长花岗岩4类岩性的RGB图像数据集,并采用AlexNet、VGG16、ResNet50和Vision Transformer等典型网络模型开展对比试验。结果表明:所有模型分类精度均超过82%,其中VGG16模型最优,分类精度为88.57%,较AlexNet模型提升了5.71%;含天河石碱长花岗岩因特征矿物显著,识别准确率达100%,而灰白色碱长花岗岩识别效果最差;模型精度与训练样本量呈正相关,完整训练集时模型性能最优。未来,可通过改善岩石样本的数量和质量、优化模型算法,进一步提升稀有金属花岗岩岩性细粒度分类的精度。 展开更多

关键词 稀有金属花岗岩 岩性分类 细粒度分类 深度学习 RGB图像

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考虑动态拉压比影响的岩石损伤本构模型

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作者 胡学龙 汪亦显 +4 位作者 尹作明 张明 郭盼盼 殷志强 张向阳 《爆炸与冲击》 北大核心 2025年第6期53-64,共12页

基于连续介质损伤力学,建立了一个弹塑性损伤耦合的岩石动态本构模型。该模型以统一强度理论作为屈服准则,并引入动态拉压比充分反映应变率效应;采用有效塑性应变和体积塑性应变表示压损伤变量和用有效塑性应变表示拉损伤变量从而反映... 基于连续介质损伤力学,建立了一个弹塑性损伤耦合的岩石动态本构模型。该模型以统一强度理论作为屈服准则,并引入动态拉压比充分反映应变率效应;采用有效塑性应变和体积塑性应变表示压损伤变量和用有效塑性应变表示拉损伤变量从而反映拉压条件下岩石不同的损伤演化规律;采用分段函数来刻画岩石拉压条件下的不同塑性硬化行为;基于Fortran语言和LS-DYNA用户材料自定义接口(Umat)对所建立的本构模型进行数值实现;通过岩石单轴和三轴压缩试验、岩石单轴拉伸试验和岩石弹道试验等三个经典算例对所建立的本构模型展开验证。结果表明,该本构模型能全面刻画岩石的动静态力学行为。 展开更多

关键词 本构模型 损伤 拉压比 应变率

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甲酸改性煤气化灰渣充填材料的水化机理与碳足迹

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作者 郭强 张吉雄 +3 位作者 霍彬彬 李猛 周楠 刘思旭 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第6期224-235,共12页

煤气化灰渣(CGS)由于水化活性较低,制备胶凝材料替代水泥时性能不足,阻碍了其在充填材料领域中的应用。研究采用甲酸对CGS表面进行改性以改善CGS的活性,并研究了改性后CGS基充填材料(FCM)的力学性能、水化机理和碳足迹。结果表明,经甲... 煤气化灰渣(CGS)由于水化活性较低,制备胶凝材料替代水泥时性能不足,阻碍了其在充填材料领域中的应用。研究采用甲酸对CGS表面进行改性以改善CGS的活性,并研究了改性后CGS基充填材料(FCM)的力学性能、水化机理和碳足迹。结果表明,经甲酸改性后,CGS中的部分碳酸钙、钙长石等与甲酸发生反应生成了甲酸钙,该反应在CGS颗粒表面产生了原位孔隙。甲酸的最佳掺量为CGS的4%,在此掺量下,CGS颗粒的比表面积由6.32 m^(2)/g增加到9.35 m^(2)/g,总孔隙体积由0.0342 cm^(3)/g增加到0.0401 cm^(3)/g,此时,FCM的3 d和7 d的抗压强度提高了近一倍,72 h累计水化热达到最大值81.08 J/g。然而,进一步增加甲酸时,FCM水化活性降低,力学性能下降,主要是因为改性后增加的反应产物覆盖在CGS颗粒表面,导致CGS颗粒桥接结块,使得FCM中的水分子不容易渗透到颗粒内部。此外,碳足迹分析发现,使用4%的甲酸改性CGS替代水泥后,FCM的碳排放总量相比未替代水泥时减少了376.16 kg/t,显著降低了碳排放量,达到碳减排的目标。 展开更多

关键词 煤气化灰渣 充填材料 水化机理 改性 碳足迹

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煤矿瓦斯爆炸风险评估研究综述及进展

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作者 李敏 王丹 +3 位作者 贺珊 施式亮 王德明 鲁义 《中国安全科学学报》 北大核心 2025年第2期127-136,共10页

瓦斯爆炸灾害是煤矿重特大事故中占比最高、致灾最严重的灾害,为了阐述瓦斯爆炸风险评估的研究进展,首先识别瓦斯爆炸的风险因素,然后剖析现有风险评估方法存在的不足,整理相关文献得出以下结论:煤矿瓦斯爆炸风险源识别方法及其评估方... 瓦斯爆炸灾害是煤矿重特大事故中占比最高、致灾最严重的灾害,为了阐述瓦斯爆炸风险评估的研究进展,首先识别瓦斯爆炸的风险因素,然后剖析现有风险评估方法存在的不足,整理相关文献得出以下结论:煤矿瓦斯爆炸风险源识别方法及其评估方法存在主观性较强的问题,且风险因素还存在瓦斯来源与变化的不确定性、点火源的未知、通风与控风的不确定性,而应用基于数学理论的客观赋权方法与评估方法,能提高赋权及评估结果的准确性,但计算复杂性限制其广泛应用;虽然计算机模型可使评估煤矿瓦斯爆炸风险结果更加精确,但需要解决数据收集与深度学习的扩展融合问题;未来煤矿瓦斯爆炸风险评估可向多源数据融合技术方向发展,深度挖掘前兆预警信息,建立信息深度感知、数据挖掘的灾害信息智能化模型,以便动态评估煤矿瓦斯爆炸风险。 展开更多

关键词 煤矿瓦斯爆炸 风险评估 不确定性 风险指标 点火源

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联合震源破裂信息反演解析巨厚覆岩强矿震应力触发机制

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作者 杨耀 曹安业 +4 位作者 刘耀琪 白贤栖 王常彬 薛成春 王强 《煤炭学报》 北大核心 2025年第4期2077-2090,共14页

蒙陕矿区白垩系志丹群巨厚覆岩呈不整合沉积环境,深部开采导致引起地表震感的强矿震频发,已严重制约矿区高效生产。为解决矿区内强矿震震源破裂信息挖掘不准确、内部应力触发机制不明晰造成矿震灾害防控效果不理想的难题,以矿区内某矿... 蒙陕矿区白垩系志丹群巨厚覆岩呈不整合沉积环境,深部开采导致引起地表震感的强矿震频发,已严重制约矿区高效生产。为解决矿区内强矿震震源破裂信息挖掘不准确、内部应力触发机制不明晰造成矿震灾害防控效果不理想的难题,以矿区内某矿典型强矿震频发工作面为研究背景,在初步探明地层岩移特征基础上,通过主成分分析预处理提取波形有效成分,结合混合矩张量反演方法筛选合理震源机制解,修正应力反演模型、优化应力反演算法,联合震源破裂信息反演了强矿震发生前后覆岩应力场分布特征,引入不稳定系数评估了覆岩运移状态,定量解析了强矿震应力触发机制。结果表明:主成分分析方法能够快速提取井下复杂波形有效信息,应用于矩张量反演可显著降低波形理论振幅与观测振幅间误差,保证获取用于应力反演的震源破裂信息的准确度;改进后的应力反演算法满足典型张拉、压缩及复合破裂模式震源反演要求,将主应力方向、应力形因子等误差评估系数由改进前的60%降低至20%以下,验证了改进算法应用于煤矿开采复杂破裂模式震源应力场反演的合理性;强矿震孕育过程中,最大主应力相对其他主应力显著增大且作用方位转变为近似竖向方向,最大主应力偏转对诱发巨厚覆岩强矿震起控制作用,覆岩结构破断失稳与主应力场状态变化相互影响,其竖向单轴挤压作用导致巨厚覆岩剧烈运动并瞬时断裂释放大量弹性能是强矿震频发的主要原因。研究结论可为从应力调控方面实现源头弱化减震提供理论支撑。 展开更多

关键词 矿震 破裂信息 巨厚覆岩 应力反演 触发机制

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地下矿山微震响应空间探测概率特征与数据补偿方法

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作者 王常彬 曹安业 +4 位作者 SI Guangyao 王冰 杨旭 张宁 岳阳 《煤炭学报》 北大核心 2025年第5期2413-2422,共10页

深部复杂地质环境高强度开采造成煤岩动力灾害频发,但地下矿山微震监测台网在数据探测完整性仍存在不足,极大增加了灾害预警的误报漏报风险。因此,将地震学中基于概率的完整性震级评价方法(PMC)应用于某井工煤矿,分析了各微震台站的震... 深部复杂地质环境高强度开采造成煤岩动力灾害频发,但地下矿山微震监测台网在数据探测完整性仍存在不足,极大增加了灾害预警的误报漏报风险。因此,将地震学中基于概率的完整性震级评价方法(PMC)应用于某井工煤矿,分析了各微震台站的震动波拾波能力,探究了台网对采场微震响应探测概率的空间分布特征,并提出了基于探测概率的微震活动补偿方法。结果表明:相比于地震学中经典的最小完整性震级评价,PMC具有不依赖古登堡-里克特关系、计算简单、评价精度高的特点,更适用于地下矿山台网布置受限、震源来源复杂、震动波高噪音、强衰减的微震监测环境。微震台站对震动波的拾波能力受其所在区域采动煤岩体环境影响,对不同距离、不同能级微震事件的拾波概率具有显著差异:震源与台站距离越短、震源能级越高,台站对震动波到时标定的概率则越大。微震台网对微震事件的探测能力与震源能级直接相关,探测概率受台站布置影响在采场空间呈现高度非均匀分布特征。针对微震台网探测数据不完整的问题,提出了基于探测概率的微震活动补偿方法,还原了超前工作面煤体微震能级与频次的空间分布特征,其高能释放区域所在超前巷道位置与动力显现频发区域基本吻合,验证了采场微震数据补偿结果的有效性。研究成果可为地下矿山高质量微震监测与高效灾害防治提供理论与数据基础。 展开更多

关键词 煤岩动力灾害 探测概率 微震监测 完整性震级 微震数据集完整性

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