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基于优化常规双参时间函数的煤矿开采动态沉陷预测研究

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金属矿山 2024年

作者：周华安戴广礼李怀展刘超元亚菲中国矿业大学环境与测绘学院江苏省老工业基地资源利用与生态修复协同创新中心江苏省地质矿产局第五地质大队

煤矿开采动态沉陷预测对于保证开采过程中地面建（构）筑物安全及实施边采边复具有重要作用。针对基于常规双参Weibull、MMF、Logistic及Bertalanffy时间函数进行煤矿开采动态沉陷预测时存在的预测精度偏低及模型拟合程度不高问题，提... 详细信息

煤矿开采动态沉陷预测对于保证开采过程中地面建（构）筑物安全及实施边采边复具有重要作用。针对基于常规双参Weibull、MMF、Logistic及Bertalanffy时间函数进行煤矿开采动态沉陷预测时存在的预测精度偏低及模型拟合程度不高问题，提出了一种自适应混合寻优人工鱼群算法实现了双参时间函数参数最优值的求解。该算法采用自适应视野和步长对人工鱼群算法的固定视野和步长进行改进，并将相对成熟但易陷入局部极值的粒子群算法与尚未广泛应用于地表动态沉陷预测的人工鱼群算法相结合，实现了利用寻优算法求取双参时间函数参数精度的提升。同时以静态概率积分预测模型为基础，通过复化辛普森公式优化地表点静态沉降值的求解过程，并基于此构建了煤矿开采地表动态沉陷预测理论模型。通过实测数据验证得出：利用优化求解双参的自适应混合寻优人工鱼群算法，基于Weibull、MMF、Logistic和Bertalanffy四种时间函数模型的总体相对误差精度分别提升了2.44%、0.35%、1.48%和3.11%，总体拟合误差在10.3%以内，算法用于反演双参时间函数参数以动态沉陷预测具有较高的精度。研究成果对于基于寻优算法反演双参时间函数参数的煤矿开采动态沉陷精准预测具有参考价值。

关键词：开采沉陷双参时间函数概率积分法动态预测人工鱼群算法

InSAR相位解缠最大流/最小割权值改进算法

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测绘学报 2024年第4期53卷 644-652页

作者：高延东贾义琨李世金陈宇李怀展郑南山张书毕中国矿业大学自然资源部国土环境与灾害监测重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116

InSAR已经在高精度DEM反演中得到了广泛应用,相位解缠技术是影响DEM获取精度的关键步骤之一,然而大梯度变化区域一直是影响解缠结果精度的核心问题。针对该问题,本文提出一种基于势函数改进权值的最大流/最小割相位解缠算法。首先,针对P... 详细信息

InSAR已经在高精度DEM反演中得到了广泛应用,相位解缠技术是影响DEM获取精度的关键步骤之一,然而大梯度变化区域一直是影响解缠结果精度的核心问题。针对该问题,本文提出一种基于势函数改进权值的最大流/最小割相位解缠算法。首先,针对PUMA模型权值设置不合理的问题进行研究,利用外部已有DEM获取相位梯度变化的先验信息,将窗口最大绝对相位梯度值代入相应的势函数公式中获取权值;然后,通过对势函数权值的设置进行阈值调节,解决由于势函数权值设置不合理导致PUMA势函数无法发挥作用引起的解缠错误问题,进而提高大梯度变化区域相位解缠精度;最后,通过仿真数据和真实TanDEM-X InSAR数据对本文算法进行验证,并与已有方法进行对比。结果表明,仿真数据中本文算法可以提高至少44.93%的解缠精度,真实数据中在大梯度变化区域,本文算法较已有算法可以获得更大范围的有效解缠结果。

关键词： InSAR 势函数最大流/最小割相位解缠

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地下气化场地地基稳定性评价及燃空区封存超临界二氧化碳初探

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采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 326-340页

作者：李怀展唐超郭广礼雷少刚李伟陈福周华安查剑锋黄建勇中国矿业大学矿山生态修复教育部工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省老工业基地资源利用与生态修复协同创新中心江苏徐州221116

为促进燃空区及其场地高效再利用,结合煤炭地下气化工艺特点及燃空区特征建立了气化隔离煤柱稳定性评价模型、覆岩裂隙发育高度计算模型及地表残余变形预测模型,进而提出了燃空区场地稳定性评价方法,为燃空区场地的再利用提供了技术支... 详细信息

为促进燃空区及其场地高效再利用,结合煤炭地下气化工艺特点及燃空区特征建立了气化隔离煤柱稳定性评价模型、覆岩裂隙发育高度计算模型及地表残余变形预测模型,进而提出了燃空区场地稳定性评价方法,为燃空区场地的再利用提供了技术支撑。同时,针对燃空区治理难题,结合CO_(2)地质封存面临的瓶颈提出了煤炭地下气化耦合超临界CO_(2)封存的思路,分析了气化炉参数对燃空区封存超临界CO_(2)后盖层裂隙发育规律的影响,并建立了燃空区封存超临界CO_(2)过程中隔离煤柱稳定性评价方法,为面向煤炭地下气化耦合CO_(2)封存的生产设计提供了科学依据。最后,提出了煤炭地下气化耦合CO_(2)封存目前存在的主要问题,并强调了迫切需要开展的相关研究工作。研究成果对促进燃空区及其场地再利用具有一定的理论和实践指导意义。

关键词：煤炭地下气化场地稳定性 CO_(2)地质封存煤柱稳定性评价燃空区封存

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巨厚弱胶结覆岩开采地表沉陷规律研究

金属矿山 2024年

作者：李天雨郭广礼宫亚强李怀展郑辉张连贵王鑫中国矿业大学环境与测绘学院新疆大学建筑工程学院兖矿能源集团股份有限公司地质测量部

目前针对陕蒙矿区巨厚弱胶结覆岩开采沉陷机理问题的研究较少，且缺乏对地表沉陷特征长期的监测与分析，导致现有研究无法全面解释地表下沉偏小、动力灾害发生及阶段性突变等现象，严重制约了巨厚弱胶结矿区安全高效生产。石拉乌素煤矿... 详细信息

目前针对陕蒙矿区巨厚弱胶结覆岩开采沉陷机理问题的研究较少，且缺乏对地表沉陷特征长期的监测与分析，导致现有研究无法全面解释地表下沉偏小、动力灾害发生及阶段性突变等现象，严重制约了巨厚弱胶结矿区安全高效生产。石拉乌素煤矿位于陕蒙交界处，覆岩中普遍分布有多层不同粒级的厚至巨厚层状弱胶结砂岩。在其首采面及前几个工作面开采时出现地表下沉值严重偏小的现象，且伴随着频繁的能量事件，这与我国东部矿区传统认识存在较大偏差。为此，采用理论分析与数值模拟相结合的方法对石拉乌素煤矿开采沉陷规律及其与能量事件的关系展开了的研究。结果表明：① 石拉乌素煤矿覆岩中砂岩分层较厚且厚砂岩层数多和软硬岩层交错分布，在一定程度上能有效减缓地表下沉；② 在矿井生产接续的基础上，对工作面进行模拟开挖研究，计算获得采区南翼4个接续工作面回采结束后地表下沉率分别为0.033、0.127、0.577、和0.716；③ 证实了区域地表最大下沉值、地表相对下沉值与能量事件存在关系，并根据地表相对下沉值趋势预测了接续工作面回采期间可能发生较大能量事件的位置，提出了相应的防范措施。研究成果可为陕蒙矿区弱胶结覆岩矿井安全高效开采提供指导。

关键词：开采沉陷弱胶结数值模拟地表下沉率微震监测

采动影响下浅埋输油气管线变形监测与风险性评价方法及应用实践

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金属矿山 2024年第3期 183-189页

作者：张连贵刘峰建张鑫郭广礼李怀展宫亚强兖矿能源集团股份有限公司山东济宁273500 兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿山东济宁273512 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116

目前,我国油气资源主要以埋地管线的形式输送,穿越采空区时采动造成的地表移动变形必然会对埋地输油气管线产生一定的影响和危害。鲁皖管道济宁支线穿越兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿,与煤矿三采区3308工作面最近水平距离仅85 m。... 详细信息

目前,我国油气资源主要以埋地管线的形式输送,穿越采空区时采动造成的地表移动变形必然会对埋地输油气管线产生一定的影响和危害。鲁皖管道济宁支线穿越兖矿能源集团股份有限公司东滩煤矿,与煤矿三采区3308工作面最近水平距离仅85 m。为保证鲁皖管道济宁支线在安全运行的前提下实现3308工作面安全高效开采,提出了浅埋输油气管线及地表变形监测与评价方法。基于3308工作面地表移动变形实测及管线应力监测数据,研究了鲁皖管道济宁支线沿线地表变形特征及对管道的影响,分析了采动影响下的管线监测应力变化,在此基础上对受采动影响埋地管线当前的风险性进行了评价并给出管线防护建议措施。结果表明:目前3308工作面开采造成的地表下沉及倾斜变形对管道变形影响较小,管道沿线地表的当前稳定性级别为Ⅳ级,危险程度较低;地表移动变形对管道应力状态有一定的影响,特别是初期开采区域距离管线较近,管道沿线地表下沉较活跃,导致管道轴向应力增大;对管道进行一定周期的应力监测,监测结果均低于管道预警规范的第三级阈值,管道运行始终处于绿色无风险范围内,后续需继续采取措施对采空区场地及埋地输油气管线进行变形监测和日常防护。研究结果对于埋地输油气管线下安全高效采煤具有一定的借鉴意义。

关键词：开采沉陷输油气管线地表变形风险性评价管线保护

陕蒙矿区深部开采导水裂隙带发育特征与高度预测方法

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金属矿山 2024年第4期 186-192页

作者：陈延康郭广礼孟浩张连贵郑辉李怀展张浩宇江苏省资源环境信息工程重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 兖矿能源集团股份有限公司地质测量部山东邹城273500

导水裂隙带发育高度是矿井防治水及安全开采的重要依据。由于陕蒙矿区地层沉积环境和沉积过程的特殊性,使得该区域导水裂隙发育高度与传统认识差别较大。考虑到目前围绕陕蒙矿区导水裂隙带发育高度计算方法缺失问题,以鄂尔多斯市营盘壕... 详细信息

导水裂隙带发育高度是矿井防治水及安全开采的重要依据。由于陕蒙矿区地层沉积环境和沉积过程的特殊性,使得该区域导水裂隙发育高度与传统认识差别较大。考虑到目前围绕陕蒙矿区导水裂隙带发育高度计算方法缺失问题,以鄂尔多斯市营盘壕煤矿2217工作面为工程背景,采用UDEC模拟研究了不同开采进度下导水裂隙带发育规律及演化特征,分析了大能量事件与导水裂隙带发育的关联关系,进而基于GA-SVR算法,建立了区域导水裂隙带发育高度精准预测方法。结果表明:直罗组砂岩巨厚的特性使得其在覆岩运动中表现出坚硬岩层的特点,裂隙带在其下充分发育,稳定后也形成“马鞍形”;微震监测数据能精准反映区域导水裂隙带发育高度,预测相对误差仅为3.90%;建立的导水裂隙带高度预测模型的决定系数R^(2)为0.81,相对平均误差r为14.55%,预测精度显著优于经验公式(R^(2)<0,r=59.57%)。研究成果对于陕蒙矿区保水开采与安全生产设计及矿井水防治具有重要的实践意义。

关键词：导水裂隙带陕蒙矿区深部开采支持向量机遗传算法预测方法

巨厚弱胶结覆岩深部开采大能量事件与地表沉陷关系研究

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中国矿业 2024年第3期33卷 100-112,84,85页

作者：郑灿广孙兢超汪铁宁郭广礼胡勇华李怀展刘峰建兖矿能源集团股份有限公司山东邹城273500 中国矿业大学环境与测绘工程学院江苏徐州221116

陕蒙矿区是我国重要的煤矿开采基地,区域侏罗系煤层覆岩中普遍存在巨厚弱胶结覆岩,虽然覆岩岩性总体呈中硬偏软弱,但实测地表下沉相对较小,且伴随频繁的大能量事件发生,给工作面安全高效开采带来了较大安全隐患。为研究巨厚弱胶结覆岩... 详细信息

陕蒙矿区是我国重要的煤矿开采基地,区域侏罗系煤层覆岩中普遍存在巨厚弱胶结覆岩,虽然覆岩岩性总体呈中硬偏软弱,但实测地表下沉相对较小,且伴随频繁的大能量事件发生,给工作面安全高效开采带来了较大安全隐患。为研究巨厚弱胶结覆岩深部开采大能量事件与地表沉陷的关系,对石拉乌素煤矿1203工作面与1208工作面进行了地表沉陷实测与矿震资料分析,获得了该地区地表移动变形规律和矿震数据,通过对比分析研究发现:巨厚弱胶结覆岩地表移动变形下沉分布集中,最大下沉处均位于工作面中部偏向已采工作面侧,整体地表下沉盆地形态及下沉增加过程与中东部相似,但在未达到充分采动时,西部巨厚弱胶结矿区地表下沉值相比中东部明显偏小;巨厚弱胶结矿区煤层回采过程中均存在微震事件的活跃期,该阶段微震事件的能量和次数较高,同时伴随着105 J≤E的大能量事件发生,105 J≤E的矿震事件虽然频次较低,但在能量释放上占据重要地位;弱胶结矿区地表沉陷与能量事件之间存在着关联性,随着工作面的推进,最大下沉值突变往往伴随着大能量事件的发生。

关键词：弱胶结覆岩深部开采地表沉陷岩层移动矿震

单双目近景摄影测量联合监测弱胶结覆岩叠合式相似材料模型研究

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中国矿业 2024年第3期33卷 113-123页

作者：张国建臧耿晨郭广礼李怀展杨向升王荟钦于承新山东建筑大学测绘地理信息学院山东济南250101 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 山东能源集团技术研究总院山东济南250101 通用技术集团工程设计有限公司山东济南250031

相似材料模型是研究矿山开采岩层运动的重要手段,随着采深的增大,多采区采动联合影响的区域变形响应问题逐渐成为关注的焦点。为了克服常规相似材料模型研究深部开采问题的结果失真,以及常规监测技术在观测相似材料模型整体动态变形及... 详细信息

相似材料模型是研究矿山开采岩层运动的重要手段,随着采深的增大,多采区采动联合影响的区域变形响应问题逐渐成为关注的焦点。为了克服常规相似材料模型研究深部开采问题的结果失真,以及常规监测技术在观测相似材料模型整体动态变形及任意点动态变形的不足,本文提出叠合式相似材料模拟的新思路,并采用单双目近景摄影测量联合监测新技术研究弱胶结覆岩运动规律。实验结果表明,叠合式相似材料模拟充分考虑了相似原理及覆岩中的关键层结构,研究结果更加可靠,基于等距虚拟面的数字摄影技术监测精度达到0.12 mm,能够满足大几何相似比物理模型的监测精度。通过研究深部矿区覆岩破坏规律发现,宽深比为0.85是白垩系砂岩的临界破坏点,采空区面长大于临界尺寸时将导致显著的冲击地压甚至矿震。单双目近景摄影测量联合监测新方法为研究深部开采区域性岩层移动响应过程提供了技术支持。

关键词：弱胶结覆岩叠合式相似材料模型近景摄影测量岩层移动动态监测

营盘壕煤矿深部多煤层开采地表移动变形规律及最优错距研究

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煤矿安全 2024年第5期55卷 35-50页

作者：张国建付连龙郭广礼卫伟高鑫李怀展郭庆彪杨向升山东能源集团技术研究总院山东济南250101 山东建筑大学测绘地理信息学院山东济南250101 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院安徽淮南232001 通用技术集团工程设计有限公司山东济南250031

鄂尔多斯东胜煤田为侏罗系含煤地层,诸多深部矿区2-2煤层和3-1煤层全区可采,并且煤层间距较小。以营盘壕煤矿为地质原型,通过FLAC3D和UDEC数值模拟软件构建研究区域数值模型,围绕2-2煤层和3-1煤层开采引起的地表移动变形及应力场演化规... 详细信息

鄂尔多斯东胜煤田为侏罗系含煤地层,诸多深部矿区2-2煤层和3-1煤层全区可采,并且煤层间距较小。以营盘壕煤矿为地质原型,通过FLAC3D和UDEC数值模拟软件构建研究区域数值模型,围绕2-2煤层和3-1煤层开采引起的地表移动变形及应力场演化规律进行研究。结果表明:多煤层重复采动将引起沉陷盆地中心投影向下煤层采空区方向移动,进而逼近煤层初采中心投影,并最终越过之;两煤层连续开采后,地表最大下沉值小于两煤层单独开采最大下沉值之和,煤层复采下沉系数小于初采下沉系数;煤柱错距与地表移动参数关联密切,错距系数与地表下沉系数、水平移动系数和主要影响角正切分别呈对数正态函数、凹抛物线和凸抛物线函数关系,并且与宽深比作为共同因子对煤层初采及复采表征参数的比值产生耦合影响;另外,同时随着错距的增大,地表沉陷盆地范围先减小后增大的趋势发展,水平移动近盆地等值线由椭圆形向梭子形演化;综合卸压错距经验公式、地表损伤程度及煤柱卸压效果确定的研究区域多煤层开采最优错距为30 m。

关键词：开采沉陷地表变形巨厚弱胶结覆岩深部开采错距开采地表移动煤柱卸压