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基于“空天地”一体化技术的岩层采动损伤监测与应用

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煤炭学报 2023年第1期48卷 402-413页

作者：李全生李晓斌张凯曹志国郭俊廷阎跃观张村徐祝贺赵勇强煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102209 北京低碳清洁能源研究院北京102211 国家能源投资集团有限责任公司北京100011 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083

矿区采动损伤监测是研究地表移动变形规律、开采损害预警、减损设计的重要依据。由于西部特殊开采地质条件、生态损伤累积效应和传统开采沉陷监测技术在观测精度、数据处理、成本投入和监测效率等方面的缺陷,从煤炭开采全生命周期角度出... 详细信息

矿区采动损伤监测是研究地表移动变形规律、开采损害预警、减损设计的重要依据。由于西部特殊开采地质条件、生态损伤累积效应和传统开采沉陷监测技术在观测精度、数据处理、成本投入和监测效率等方面的缺陷,从煤炭开采全生命周期角度出发,提出采动损伤科学内涵并构建矿区“空天地”一体化监测技术体系。以神东矿区上湾煤矿12401工作面为研究背景,利用BDS+GPS进行控制测量,为地表形变监测提供高精度空间三维坐标;基于InSAR技术探究地表沉降量和形变速率的时空演化规律;采用无人机与现场实测方法厘清地裂缝发育规律与工作面推进速度、来压步距的对应关系;运用固定站式三维激光扫描精确获得地表下沉量;通过高密度电法和探地雷达揭示地下深层隐伏裂缝的发育趋势与部分岩层的离层现象。研究成果发现开采后地表存在抬升现象,在抬升与下沉交界处容易形成地裂缝。中部动态裂缝宽度变化存在“单峰裂隙”与“双峰裂隙”演化规律,前峰裂缝宽度约为后峰的1.5倍,前后峰值间隔10 d左右。通过InSAR精细观测区、GNSS控制点与三维激光扫描结果进行多源数据融合,得到工作面地表沉降云图和采动损伤数据信息,厘清基本顶周期来压、主关键层破断与地表主裂缝的周期性传导关系。

关键词：采动损伤 “空天地”一体化监测技术地表沉降地裂缝

采矿对植被变化的影响提取与生态累积效应量化分析

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煤炭学报 2022年第6期47卷 2420-2434页

作者：李全生许亚玲李军张成业郭俊廷佘长超宋子恒王菲煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102209 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 国家能源投资集团有限责任公司北京100011 北京低碳清洁能源研究院北京102211 神华北电胜利能源有限公司内蒙古锡林浩特026015

为将采矿活动和其他因素产生的生态扰动分离开,揭示采矿活动单独对植被的影响规律和特性,基于长时序多源数据提出了提取采矿干扰的两阶段法TS-EMD(Two Stage-Extracting Mining Disturbance),并定义了采矿活动对植被覆盖度的扰动量FVC-M... 详细信息

为将采矿活动和其他因素产生的生态扰动分离开,揭示采矿活动单独对植被的影响规律和特性,基于长时序多源数据提出了提取采矿干扰的两阶段法TS-EMD(Two Stage-Extracting Mining Disturbance),并定义了采矿活动对植被覆盖度的扰动量FVC-MD(Fractional Vegetation Cover-Mining Disturbance)。首先,利用采矿前的长时序遥感、气候气象、社会经济等数据构建植被变化的驱动过程模型;然后,利用上述模型预测无采矿活动条件下的植被演变过程,进而与遥感监测的采矿活动背景下实际的植被演变进行对比计算FVC-MD。以内蒙古胜利矿区为研究区开展实验,量化分析了胜利矿区煤炭开采对植被覆盖度的扰动时空特征,揭示了采矿扰动量存在3个主要特性:①距离衰减特性。高扰动多集中在矿坑附近,离矿坑越远扰动程度越低,扰动量与到矿坑的距离呈显著的对数关系;②方向异质性。煤炭开采对植被覆盖度的扰动量在不同方向上具有显著的差异,地形是产生方向异质性的主要原因;③空间累积效应。2个矿之间位置尽管离2个矿都有一定距离,但由于叠加影响导致中间位置存在高扰动区,且高扰动区范围随着时间推移在扩张。实验结果验证了TS-EMD方法在一定程度上能够解决从矿区植被变化的多因素耦合影响中单独提取并量化煤炭开采影响的问题,为矿区生态环境保护与修复活动决策提供理论数据支撑。

关键词：煤炭开采采矿影响提取植被覆盖度长时序遥感生态累积效应

考虑垮落岩体应变硬化特性的采场覆岩破坏特征研究

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煤炭科学技术 2022年第3期50卷 46-52页

作者：张广超陶广哲曹志国赵勇强徐祝贺李友左昊无山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102209 北京低碳清洁能源研究院北京102211

煤炭开采引起的覆岩运动、变形和破坏直接影响地下水库的储水库存与水源补给能力,为了科学精确化计算地下水库库容,有必要考虑采空区垮落岩体在渐进压实过程中体现出的应变硬化力学特性对采场覆岩“两带”高度分布特征的影响作用。以李... 详细信息

煤炭开采引起的覆岩运动、变形和破坏直接影响地下水库的储水库存与水源补给能力,为了科学精确化计算地下水库库容,有必要考虑采空区垮落岩体在渐进压实过程中体现出的应变硬化力学特性对采场覆岩“两带”高度分布特征的影响作用。以李家壕煤矿为工程背景,基于垮落岩体在压实过程中体现出的应变硬化力学特性,采用双屈服模型和提出的反演计算方法对采场覆岩破坏特征进行研究,推导得出垮落岩体应力表达式,分析其影响因素,提出了数值仿真计算方法,并采用理论分析与现场实测等研究手段揭示了垮落岩体应变硬化特性对采场覆岩“两带”发育规律的影响作用。研究结果表明:(1)随着应变的增加,垮落岩体的应力先缓慢增大,当达到某一临界应变后,应力呈近似指数型快速增长;且随着碎胀系数的增加,应力呈现指数型增长所对应的临界应变亦随之增大。(2)基于FLAC^(3D)内置的双屈服模型,并提出了盖帽压力与材料特性的反演计算方法,实现了采空区垮落岩体应变硬化特性的仿真计算。(3)模拟结果表明,当考虑垮落岩体的压实和支撑作用时,顶板岩层运动范围和程度降低,引起的塑性区破坏范围亦随之降低,垮落带高度为15 m,减少16%,断裂带高度为65 m,减少13.3%,并基于现场实测结果,验证了上述仿真计算方法的可行性。

关键词：应变硬化垮落带断裂带地下水库覆岩破坏

基于离散裂隙网络的岩体各向异性莫尔-库仑表征方法研究

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岩石力学与工程学报 2023年第S1期42卷 3266-3280页

作者：王培涛刘操马驰任奋华蔡美峰北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

结构面的空间分布及几何粗糙度对岩体的各向异性力学特性影响显著,是影响工程稳定性的重要因素。通过建立粗糙裂隙网络数值模型,分别开展不同加载角度、不同双轴围压下的节理岩体数值试验研究,分析不同尺寸、几何类型条件下岩体的破坏... 详细信息

结构面的空间分布及几何粗糙度对岩体的各向异性力学特性影响显著,是影响工程稳定性的重要因素。通过建立粗糙裂隙网络数值模型,分别开展不同加载角度、不同双轴围压下的节理岩体数值试验研究,分析不同尺寸、几何类型条件下岩体的破坏模式和声发射特性;基于最小二乘原理分析各向异性莫尔圆分布特征。结果表明:粗糙节理网络模型与直线型节理网络模型在破坏模式、声发射模拟、尺寸效应方面均表现出显著的差异性,节理岩体抗压强度、抗剪强度参数呈现出的一定的各向异性,不同加载方向条件下,节理岩体的峰值强度、莫尔圆形态与抗剪指标均呈现显著变化,节理几何形态对岩体的强度和破坏模式影响显著。研究结果对岩体的各向异性抗剪力学特性的分析具有重要参考价值。

关键词：岩石力学离散裂隙网络分形莫尔-库仑准则各向异性抗剪强度

基于高频雷达波的煤岩层位识别与追踪方法研究

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煤炭科学技术 2022年第7期50卷 50-58页

作者：许献磊王一丹朱鹏桥马正中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083

煤岩层位的识别与追踪是煤炭智能化开采的重要难题,常规的煤岩层位探测方法存在精度低、实时性差等问题,提出一种基于高频空气耦合雷达的煤岩层位识别与追踪方法,相比于传统方法,本方法可实现非接触式探测,并且能实时进行层位的追踪与... 详细信息

煤岩层位的识别与追踪是煤炭智能化开采的重要难题,常规的煤岩层位探测方法存在精度低、实时性差等问题,提出一种基于高频空气耦合雷达的煤岩层位识别与追踪方法,相比于传统方法,本方法可实现非接触式探测,并且能实时进行层位的追踪与识别。首先通过正演模拟分析了天线悬空耦合条件下高频雷达波在“空气-煤-岩”层位的回波反射特征,提出了“空气-煤”和“煤-岩”层的定位方法;其次对不同煤层厚度条件下的界面探测精度和误差进行分析,提出了“煤-岩”层精确定位方法,并建立了种子层位点的位置关系模型;针对雷达天线悬空高度受煤层起伏变化的影响,研究推导出煤岩层位动态探测过程中煤层厚度的解算算法;再次,根据“煤-岩”层位种子点,提出以三级“窗口算子”为核心的煤岩层位追踪算法,实现了煤岩层位的快速追踪,提高了系统稳定性;最后开展了物理模型试验和现场探测试验,结果表明:物理模型探测中平均误差为±0.12 cm,平均误差百分比为2.18%,矿井工作面探测平均误差值为±0.71 cm,平均误差百分比为3.53%;基于1.2 GHz高频空气耦合雷达可在悬空条件下实时动态获取到1 m范围内煤岩层位信息,动态探测精度达到厘米级,研究成果为煤矿智能化开采以及透明地质模型的动态更新提供技术支撑。

关键词：煤岩识别空气耦合高频雷达煤岩层位实时动态探测识别与追踪窗口算子

矿山生态环境数字孪生:内涵、架构与关键技术

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煤炭学报 2023年第10期48卷 3859-3873页

作者：李全生刘举庆李军张成业郭俊廷王兴娟冉文艳煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102209 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 Department of Geomatics Engineering University of CalgaryCalgary T2N1N4 北京低碳清洁能源研究院北京102211

在双碳国家战略和新一代信息技术广泛应用的时代背景下,体系化、精准化和智能化是矿山生态环境治理的重要发展方向。我国矿山生态环境治理长期以来开展了较为丰富的信息化建设,但仍然面临缺乏综合性监测体系、生态演变建模不准确、生态... 详细信息

在双碳国家战略和新一代信息技术广泛应用的时代背景下,体系化、精准化和智能化是矿山生态环境治理的重要发展方向。我国矿山生态环境治理长期以来开展了较为丰富的信息化建设,但仍然面临缺乏综合性监测体系、生态演变建模不准确、生态治理依赖专家经验、无信息化决策工具等问题。据此,提出了矿山生态环境数字孪生(Digital Twin of Mine Ecological Environment,DTME)的科学内涵,并介绍了其总体架构、功能特点与系统构建关键技术。定义了矿山生态环境数字孪生是以天-空-地多源监测、人工智能建模为基础,在虚拟空间建立与现实矿山生态环境要素一一对应、演变过程相互映射、作用机制相互匹配的孪生系统,进而通过方案优化或反馈控制支持矿山生态环境全过程科学治理。详细介绍了DTME的总体架构,包括物理矿山生态环境、监测终端、孪生数据、信息链路、云边端服务、虚拟矿山生态环境和控制终端7个组成部分。DTME以现实应用需求为导向,具有矿山生态质量动态监测与体检、生态演变模拟与影响因子解析、生态变化过程预测、生态风险预警、智能分级分区生态修复、生态修复效果评价和生态环境监管等功能。最后,归纳了构建矿山生态环境数字孪生系统涉及矿山生态数字底座搭建、矿山生态数字场景构建、矿山生态演变过程模拟与预测、矿山生态治理智能决策4方面关键技术。DTME的应用将支撑矿山生态全过程治理的感知、表达、监测、模拟、仿真、预测与控制,有望大幅提高治理质量和效率。

关键词：矿山生态环境治理数字孪生人工智能模拟仿真推演预测智能决策

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近距离煤层回采巷道底臌机理与防治技术研究

中南大学学报（自然科学版） 2022年第4期53卷 1392-1405页

作者：程辉赵洪宝张欢秦逢缘李金雨煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102200 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024

为探究近距离煤层回采巷道底臌机理与防治技术,以回坡底煤矿1021巷为工程背景,通过力学分析、数值模拟等研究方法,对巷道底板应力场、速度场、最大破坏深度进行研究;对底板铝质泥岩建立力学模型,探究影响压曲临界应力的因素,分析线性荷... 详细信息

为探究近距离煤层回采巷道底臌机理与防治技术,以回坡底煤矿1021巷为工程背景,通过力学分析、数值模拟等研究方法,对巷道底板应力场、速度场、最大破坏深度进行研究;对底板铝质泥岩建立力学模型,探究影响压曲临界应力的因素,分析线性荷载系数λ与底臌形态的关系;采用试验法对底板岩样的崩解性、膨胀软化特征进行分析。研究结果表明:巷道底板最大破坏深度为4.3 m,增大底板岩层黏聚力与内摩擦角可减小底板破坏深度。底板主应力方向受煤柱影响发生偏转,速度场方向指向远离煤柱一侧巷帮,导致巷道底臌呈非对称性分布;底板压曲时的临界应力与岩层跨度L、荷载q1(x)呈反比,与厚度t、弹性模量E、泊松比μ呈正比;当底板受到非对称荷载作用时,最大底臌量位置随λ的改变而发生转移;当岩样浸泡时间较长时,干.湿循环条件下岩样的崩解程度较自然浸水条件下岩样的崩解程度高,当岩样浸泡时间较短时,岩样力学强度随时间的延长而降低,但降低速率逐渐减缓;1021巷底板采用单体锚索平行布置的非对称支护,取得了较好的支护效果。

关键词：近距离煤层巷道底臌临界应力破坏深度底板支护

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低温下饱水粉砂岩的动态力学特性及本构模型研究

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应用力学学报 2022年第6期39卷 1096-1107,1134页

作者：翁磊张皓量张勇储昭飞徐翔宇武汉大学土木建筑工程学院武汉430072 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102200 北京低碳清洁能源研究院北京102200

寒区工程岩体常常受到动力荷载以及低温联合作用的影响,研究低温条件下岩石的动态力学响应对于寒区岩土工程建设有着十分重要的意义。围绕低温岩石动力学特性及损伤机理等问题,首先将饱水粉砂岩试样冻结至不同的负温水平(-10~-50℃),然... 详细信息

寒区工程岩体常常受到动力荷载以及低温联合作用的影响,研究低温条件下岩石的动态力学响应对于寒区岩土工程建设有着十分重要的意义。围绕低温岩石动力学特性及损伤机理等问题,首先将饱水粉砂岩试样冻结至不同的负温水平(-10~-50℃),然后采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对低温饱水试样开展动力冲击试验,研究不同低温和不同应变率下饱水粉砂岩试样的变形特征和动力学性能演变规律,最后基于Z-W-T非线性黏弹性模型构建了考虑应变率和低温效应的冻结粉砂岩动态本构模型。结果表明:试样的裂纹闭合应变随着应变率的增加而增大,而弹性应变和塑性应变随应变率没有明显变化规律;动态弹性模量和压缩强度随着温度的下降呈现先增大后减小的趋势,且在-30℃达到最大值;冻结岩石力学性能取决于其内部的水、冰混合物含量以及由此产生的弱化和强化联合作用;提出的考虑应变率和低温效应的动态本构模型可以较好地拟合应变率下(大于150 s^(-1))冻结粉砂岩的全阶段应力应变关系。

关键词：岩石动力学负温本构模型应变率水、冰含量

煤矿地下水库坝基层间岩体破坏及突渗力学模型

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煤炭学报 2023年第3期48卷 1192-1208页

作者：王路军曹志国程建超刘升贵周宏伟武洋王俊光欧阳迪薛东杰北京低碳清洁能源研究院煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102211 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 国能神东煤炭集团有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017219 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000

煤矿地下水库技术为西部矿区矿井水资源储存和利用提供了新的途径。煤矿地下水库安全稳定的科学问题之一是开采扰动下煤岩体渗透特性突变机理及量化表征。以陕西大柳塔煤矿为原型开展了煤矿地下水库层间岩体裂隙演化的物理相似模拟试验... 详细信息

煤矿地下水库技术为西部矿区矿井水资源储存和利用提供了新的途径。煤矿地下水库安全稳定的科学问题之一是开采扰动下煤岩体渗透特性突变机理及量化表征。以陕西大柳塔煤矿为原型开展了煤矿地下水库层间岩体裂隙演化的物理相似模拟试验和三轴循环加卸载渗流耦合试验。结果表明:下煤层工作面朝上部水库推进过程中层间岩层发生拉伸剪切破坏,裂隙逐渐向水库坝体方向延伸,采用数字散斑方法观测到坝基岩体裂隙网络由离散局部变形连通形成宏观裂缝,并贯穿至煤柱坝体;从几何和拓扑角度定量地分析了裂隙网络的幂律分布特征,证实了裂隙演化在空间上存在连通概率,岩层的裂隙网络连通属于渐进式,区别于岩石试件裂隙激增式扩展过程。综合考虑原岩应力、初始采动应力、循环加卸载等作用,发现采动应力导致煤体的体胀作用远大于砂岩,砂岩作为硬岩关键层有利于抑制裂隙扩展和渗透增加;采用基于分数阶理论的非达西渗透率公式计算瞬态法测试的渗透率,相比常规计算方法具有更好的灵敏性,渗透率突变伴随着应力突降、体应变激增、破裂信号陡增等行为,揭示了渗透率的本质是裂隙网络的拓扑连接,提出了突渗的力学定义和拓扑定义。采用逾渗理论将裂隙网络连通视为连续相至非连续相的跳跃行为,建立了煤岩体突渗的逾渗模型,经应力渗流、蠕变渗流等试验验证模型有效且形式简单,为突渗力学行为的数学描述奠定了基础。

关键词：煤矿地下水库煤岩体破坏突渗定义逾渗模型