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矿山环境正效应开发利用适宜性评价理论与方法 被引量：1
1
作者 武强 张守成 +1 位作者 刘宏磊 曾一凡 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期114-130,共17页
改革开放以来,矿产资源开发为国家经济发展做出巨大贡献,由于多数矿产资源具有不可再生性,相当数量的矿山面临着资源枯竭、关闭。如何开发利用这些矿山所留下的矿山环境正效应资源将成为延长矿业产业链、保障能源绿色低碳发展、实现“... 改革开放以来,矿产资源开发为国家经济发展做出巨大贡献,由于多数矿产资源具有不可再生性,相当数量的矿山面临着资源枯竭、关闭。如何开发利用这些矿山所留下的矿山环境正效应资源将成为延长矿业产业链、保障能源绿色低碳发展、实现“碳达峰、碳中和”战略目标的重要支撑。为了科学开发矿山适宜的环境正效应资源,以矿山环境正效应开发利用中的“资源、能源、科普文娱、生态碳汇”4类目标为研究对象,基于矿山供给本体特征、特定市场需求及开发利用条件的“供给(Supply)-需求(Demand)-开发(Development)”(SDD)约束组合,创建了包含6类一级约束、38个相应属性二级约束的矿山环境正效应开发利用评价约束体系;根据开发利用目标导向的原则,依据目标特征组建了18项实施项目单目标评价指标集;构建了单目标适宜性评价模型,引入三角模糊数确定指标权重,并依据适宜性指数划定了“适宜、较适宜、较困难、困难”四类适宜性分级标准。此外,鉴于矿山环境正效应开发利用系统复杂性,剖析了各开发利用目标的逻辑关系,提出了基于经济、生态、社会效益综合最优理念的矿山环境正效应开发利用多目标线性评价理论,通过理想点法或单目标线性规划求解,获取矿山环境正效应开发利用多目标效益综合最优解或最适宜集。最后,从国家战略、社会需求、流域生态、正效应市场开发等角度,展望了矿山环境正效应开发利用及其系统评价落地的重要意义。 展开更多
关键词 矿山环境 环境正效应 评价指标体系 三角模糊数 多目标评价
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煤矿防治水“三区”划分方法及其水害防治意义 被引量：10
2
作者 曾一凡 于超 +7 位作者 武强 赵菱尔 尹尚先 张博成 刘泽洋 崔雅帅 阚雪冬 黄浩 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期3605-3618,共14页
为系统性认识矿井各类水害问题,规范化管理矿井防治水工作,国家矿山安全监察局于2022年6月将针对老空水防治的“三区”管理工作推广到顶板水害、底板水害以及构造水害等更多水害类型中。然而各地煤矿在防治水“三区”划分过程中暴露出... 为系统性认识矿井各类水害问题,规范化管理矿井防治水工作,国家矿山安全监察局于2022年6月将针对老空水防治的“三区”管理工作推广到顶板水害、底板水害以及构造水害等更多水害类型中。然而各地煤矿在防治水“三区”划分过程中暴露出水害致灾因素和水害治理情况等与划分标准结合不紧密,并且技术上未针对不同煤层和采区进行区别划分,同时划分区域范围和划分结果的规范性和时效性存在不统一。据此,结合防治水“三区”划分的目的,对比了新“三区”划分与老空水“三区”划分的异同,明确了以水文地质条件勘查程度、水害隐患分析、水害治理情况为要素的划分原则,理清了“三区”划分的技术路径;结合我国常见的5种煤矿水害类型特征,提出了不同类型水害的划分方法,即:地表水害应根据井田内地表水体的分布发育特征以及大气降水、滑坡等地质灾害对开采的影响程度等进行划分。顶板水害应根据导水裂隙带范围内是否存在富水性强或者富水性中等静储量丰富含水层、松散含水层等对开采造成威胁进行划分。底板水害应根据煤层带压开采区域底板隔水层厚度与矿压破坏带深度之间的关系以及底板突水系数大小进行划分。老空水害应根据矿井及周边矿井老空积水分布范围、积水量情况进行划分,构造水害应根据井田内断层、陷落柱、溶洞等地质构造和不良地质体的富水性、含水性、与水源导通情况进行划分;总结了划分工作的要点和难点,即:明晰划分时空范围、综合分析划分标准、明确“三区”管理职责、动态转换划分结果等;在此基础上,选择水害类型多样和水文地质条件复杂的典型煤矿井,遵循划分原则,根据划分标准,分煤层、分采区划分了可采区、缓采区、禁采区,并加以详细的解释说明;阐明了开展“三区”划分工作具有提升综合探测水平、强化预测预报能力、找准水害治理方向的水害防治意义,以期指导和规范我国煤矿防治水“三区”划分工作。 展开更多
关键词 煤矿水害防治 “三区”划分 水文地质条件 水害致灾因素 水害治理措施
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矿井突水巷道涉水人员稳定性物理模拟试验研究
3
作者 武强 姚义 +5 位作者 杜沅泽 李会平 赵颖旺 徐华 刘守强 王潇 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期13-22,共10页
考虑矿井水害中多因素影响下涉险人员危险性的科学评价是人员应急疏散救援工作的重要研究内容。目前在水害中涉险人员的危险判断主要依赖经验,带有一定的盲目性,试验研究却鲜有报道。鉴于此,构建矿井突水巷道涉水人员稳定性物理模拟试... 考虑矿井水害中多因素影响下涉险人员危险性的科学评价是人员应急疏散救援工作的重要研究内容。目前在水害中涉险人员的危险判断主要依赖经验,带有一定的盲目性,试验研究却鲜有报道。鉴于此,构建矿井突水巷道涉水人员稳定性物理模拟试验模型,开展不同巷道坡度上多种水流条件下圆柱体模型力学监测、人员涉水站立稳定性和涉水行走速度测试研究。通过试验数据分析,提炼矿井水害应急逃生过程中人员涉水稳定性和涉水行走安全速度潜在关系,以揭示矿井突水巷道中人员涉水逃生和巷道坡度、水流等因素的规律。试验研究结果表明:①圆柱体模型力学监测试验中,随着进入巷道模型来流的单宽流量增大,距坡面5 cm高处传感器其60 s监测力的时均值和最大值均呈正相关性;其中力学监测值以一个范围“带”的方式出现,在均值水平上下波动变化,服从近似正态或正态分布;而45 cm高处的传感器出现被拉伸状态,表明人体在巷道水流作用下会出现滑移失稳的危险可能;②人体站立稳定性测试中,在涉水逃生中同一水流条件人员不同站立姿态下,涉水稳定性差异明显,表明人体的有效迎流面积大小变化对稳定性影响关键且敏感;③巷道10°、15°和20°斜坡上人员涉水行走试验分析中,人员涉水行走平均速度下降为0.2 m/s左右时,人体涉水站立相当困难,可称其为涉水行走安全速度阈值;同时,提出“上游水位×拟合斜率+无水速度截距”式表征涉水行走安全速度与进水水位之间的线性负相关性,并可拟合确定预测函数;④在巷道斜坡上人员进行逆水上坡行走、顺水下坡行走和无水上坡、无水下坡多种测试,通过数据统计分析揭示人员在巷道斜坡上逆水上坡和顺水下坡与坡度的线性负相关性,提出“坡度×拟合斜率+水平速度截距”式拟合确定具体预测函数。开展矿井水害中巷道上涉水人员稳定性物理模拟试验,揭示人员涉水疏散的稳定性和安全速度阈值潜在规律,以期推动水害智能应急救援的理论优化和定量模型研究发展,为矿井水害智能应急救援系统辅助决策等研究建设提供科学支撑。 展开更多
关键词 矿井水害 涉险人员 物理模拟试验 涉水稳定性 涉水行走安全速度
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我国煤矿水害事故特征、致因与防治对策 被引量：67
4
作者 曾一凡 武强 +5 位作者 赵苏启 苗耀武 张晔 梅傲霜 孟世豪 刘晓秀 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第7期1-14,共14页
水害作为煤矿“五大灾害”之一,在威胁煤矿安全生产和职工生命安全方面,已成为仅次于瓦斯事故的第二大“杀手”。2000—2022年,全国煤矿共发生水害事故1206起、死亡5018人,其中较大以上水害事故103起,死亡2039人。为总结事故教训,探寻... 水害作为煤矿“五大灾害”之一,在威胁煤矿安全生产和职工生命安全方面,已成为仅次于瓦斯事故的第二大“杀手”。2000—2022年,全国煤矿共发生水害事故1206起、死亡5018人,其中较大以上水害事故103起,死亡2039人。为总结事故教训,探寻事故规律,用事故教训推动水害防治工作,从地理区域、年代、季节、水文地质类型、突水水源和煤矿企业所有制等对水害事故特征进行了不同维度的统计和分析。结果表明,在事故特征方面,矿井水文地质类型复杂程度与水害事故发生频率高度一致;华南地区事故起数和伤亡人数位居首位,且全年内水害事故高发期主要集中在3—5月和7—8月;老空水是水害事故的主要充水水源,具有极强的隐蔽性和危害性,并且主要发生在技术探查及管理能力更弱的乡镇所有制煤矿中。在事故致因方面,客观上开采环境复杂,主观上重视不够,即管理不当和违法违规开采,是事故发生的主要原因;点状的陷落柱和线状断层构造等隐蔽导水内边界以及老空水等未按规定探放,是事故发生的主要技术原因。最后,采用文献计量学可视化分析发现,当前煤矿水害方面聚焦的研究主题可以很好地对应“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的煤矿防治水原则。从破解煤矿水害“风险查不清”“有险断不准”“出险治不了”等困境出发,相应从矿井充水因素和隐蔽致灾地质因素普查、立体充水水文地质条件分析以及分类源头精准防治等3大方面提出相应的对策;并顺应水害防控信息化和智能化发展趋势,提出透明矿山、水害灾变监测预警和应急救援等保障技术措施。 展开更多
关键词 矿山安全 矿井突水 隐蔽致灾因素 探放水 水害防治
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我国不同类别煤层顶板水害致灾机理与防控路径 被引量：12
5
作者 曾一凡 朱慧聪 +6 位作者 武强 王皓 郭小铭 崔芳鹏 庞振忠 刘守强 杨维弘 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期1539-1555,共17页
我国是世界上成煤和赋存条件最复杂的国家,煤层顶板水文地质条件的多样性和复杂性,采动覆岩裂隙场与渗流场耦合的相互性和时变性以及煤层顶板突水的独特性和危害性,造成顶板水害是我国尤其是西部煤矿区的主要矿井灾害之一。为了更好地... 我国是世界上成煤和赋存条件最复杂的国家,煤层顶板水文地质条件的多样性和复杂性,采动覆岩裂隙场与渗流场耦合的相互性和时变性以及煤层顶板突水的独特性和危害性,造成顶板水害是我国尤其是西部煤矿区的主要矿井灾害之一。为了更好地认识顶板水害和推广现有技术和探索新技术防控此类矿井灾害,在全面分析近年来我国煤层顶板水害事故规律与顶板充水含水层的赋存条件、突水模式、动力特征、力学行为等基础上,系统划分了顶板水害的类型、特征、主要类别的致灾机理及梳理了现有顶板水害的防治技术,并展望了未来顶板水害防治领域的发展方向。研究发现:①顶板水害主体架构包括巨厚基岩含水层涌(淋)水、薄基岩弱胶结层水-砂耦合溃涌、离层空间蓄水储能突水、天窗补给型突水、围岩烧变增透致突等5种类别,集中分布于秦岭—淮河沿线以北地区,陕、蒙、宁是顶板水害主要聚集地。②采动诱发巨厚基岩含水层下覆岩原生裂隙互馈-贯通发育“Z”型离层空间,导致采场出现大面积涌(淋)水现象;基于复合关键层破断力学条件,阐明了薄基岩弱胶结层水-砂耦合溃涌致灾的动力源;构建了离层失稳突水临界判别准则,将离层突水划分为静载扰动、“动+静”载复合扰动、复合煤层开采重复扰动3种模式;红土隔水层缺失及红土薄弱区采动劣化损伤是产生天窗越流补给的主要根源;围岩烧变增透,孔隙度增大,接受临近水源补水后形成新的含水结构体,在采动诱发下烧变岩水涌入采场发生水害事故。③梳理了当前煤层顶板水害“探-放-治”三位一体的解危防控技术体系,提出了井上下共轭联动、钻-采(掘)高位协同地质勘探系统,以防治水“三区”划分为导向的地质保障工作,“煤-水-生态”多目标齐抓共管的绿色开采和防治水理念,以及数智化、透明化矿山水文地质灾害信息维护系统等未来发展方向。 展开更多
关键词 顶板水害 矿井防治水 离层突水 致灾机理 防控技术
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我国煤层水害基本架构及发展情势
6
作者 武强 朱慧聪 +10 位作者 胡辰睿 魏新疆 侯柱平 肖璇 刘学 李俊杰 赵佳 程一帆 杨亮 邢一迪 曾一凡 《煤炭工程》 北大核心 2024年第10期12-21,共10页
为了解决煤炭资源安全高效开发过程中面临的煤层水害问题,基于近20余年间煤层水害事故的统汇分析,提出了“隐蔽突水致灾因素”萌生、煤层水害“三要素”定型、多要素耦合孕灾、突破临界状态激发灾变和灾变后负效应显现等5个煤层水害的... 为了解决煤炭资源安全高效开发过程中面临的煤层水害问题,基于近20余年间煤层水害事故的统汇分析,提出了“隐蔽突水致灾因素”萌生、煤层水害“三要素”定型、多要素耦合孕灾、突破临界状态激发灾变和灾变后负效应显现等5个煤层水害的主体构成阶段,依据各阶段独立属性特征,将煤层水害概括为顶板水害、底板水害和老空水害3个主类,以及巨厚基岩含水层高势能涌(淋)水、岩溶陷落柱导升突水、同位水平空间侧向涌水等11个子类,并对不同类型煤层水害的孕灾致灾诱因、发育发展过程机理、灾变显现特征等进行阐述。最后,对我国煤层水害的未来发展情势做了简要展望和分析。 展开更多
关键词 矿井水防治 煤层水害 隐蔽致灾因素 致灾机理 主动防控
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基于MRAU视频分割模型的矿井涌(突)水风险识别方法
7
作者 武强 张帅 +2 位作者 杜沅泽 徐华 赵颖旺 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期17-28,共12页
矿井涌(突)水视频识别是智能化矿井建设的关键之一,通过识别涌(突)水从无到有、从小到大的动态演变过程,有助于防止水量超出矿井排水能力并演变为水害。为此提出了一种基于多通道残差注意力机制的U^(2)Net视频分割模型(MRAU),旨在识别涌... 矿井涌(突)水视频识别是智能化矿井建设的关键之一,通过识别涌(突)水从无到有、从小到大的动态演变过程,有助于防止水量超出矿井排水能力并演变为水害。为此提出了一种基于多通道残差注意力机制的U^(2)Net视频分割模型(MRAU),旨在识别涌(突)水的演变过程。首先,基于卷积注意力模块(CBAM)改进U^(2)Net网络模型,以提高特征提取效果。通过多通道残差预处理,区分水流动态特征与静态背景,并将处理结果作为注意力机制输入模型,从而强化水流特征的学习。此外,使用中间帧掩码作为标签进行多帧融合学习,进一步提升网络对水流动态特征的识别能力。最终,通过学习不同场景下的水流特征,实现对未知场景中涌(突)水动态演变的有效识别。通过与Deeplab、LRASPP、FCN、U~2Net网络模型的对比试验,选用Dice和IoU作为评价指标。试验结果表明,MRAU模型的Dice和IoU分别达到92.88%和87.51%,相比U^(2)Net基础网络,识别结果分别提高了4.71%和7.41%。在未知的涌(突)水场景中测试时,MRAU的Dice和IoU得分分别达到了86.75%和80.23%。与其他模型相比,MRAU的识别精度最高,表明该模型在不同场景下对水流特征具有更强的泛化能力。此外,MRAU能够精准监测涌(突)水流量从小到大的演变过程。最后,通过在井下环境中模拟突水场景,进一步验证MRAU模型在实际生产中的实用性,为矿井水害监测提供了有效的技术手段。 展开更多
关键词 矿井涌(突)水 视频分割 MRAU 多通道残差预处理 注意力机制 U^(2)Net
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我国不同类别煤层底板水害致灾机理与防控远景导向
8
作者 曾一凡 朱慧聪 +9 位作者 武强 王厚柱 傅先杰 王铁记 王玺瑞 樊九林 胡荣杰 才向军 阚雪冬 高生保 《煤炭学报》 2025年第2期1073-1099,共27页
我国成煤条件苛刻,赋煤环境复杂多变,资源呈全域性跨多地质类型、点散式分布,导致回采共(伴)生地质灾害频现。同时,伴随煤炭资源开发布局优化调控,煤层底板水害负面导向性越趋显著,高承压水水力驱动及强敏感性缺陷构造活化的协同作用导... 我国成煤条件苛刻,赋煤环境复杂多变,资源呈全域性跨多地质类型、点散式分布,导致回采共(伴)生地质灾害频现。同时,伴随煤炭资源开发布局优化调控,煤层底板水害负面导向性越趋显著,高承压水水力驱动及强敏感性缺陷构造活化的协同作用导致煤层底板水害宏观动力学表象威胁性显著提升,成为我国煤炭资源高质量转型发展的内生阻力。为全方位掌握我国煤层底板水害发展形势,探讨未来基于新技术开展防控作业的重点攻关方向,从时间、空间、突水量等多维视角下全方位展示了近年来我国煤层底板水害动态演变趋势,对类型进行了“总−分”式细划,并通过建立地质力学模型探讨了我国煤层底板水害力学互馈响应机制,基于灾害宏观表象等揭示了其内生致灾机理,指出了防控技术理念的新发展路径和远景导向。研究发现:统计分析了我国煤层底板水害多维视角下的演变规律和特征,探讨建立了我国煤层底板水害主体架构,依据事故核心致因体系及宏观致灾表象等将煤层底板水害划分为岩溶陷落柱突水、断层活化突水及裂隙导升(复合)灰岩水突涌3大类,进一步细化为全路径贯通增量导升型突水(岩溶陷落柱)、贯穿煤层型突水(断层)、单层随采卸荷直接型突水(裂隙)等12个子类,并针对性的独立分析了3个大类煤层底板水害地理空间分布规律;分析了地应力和承压水水压对岩溶陷落柱突水过程承压水导升路径异化发育作用机制,提出了覆岩顶板动/静载扰动诱发底板岩溶陷落柱突水模式,阐明了其力学启动条件及致灾机理;建立了煤层底板断层宏细观地质力学构造概化模型,基于诱发断层活化突水的核心致灾诱因识别并建立了不同类别煤层底板断层活化突水力学判据;以裂隙为基础单元,“由1至n”式建立了单一层位和复合层位承压含水层诱发裂隙型导升(复合)灰岩水突涌的临界判别条件,揭示了该类型底板水害全过程致灾机理;在总结现行煤层底板水害探查、预测及控制技术理念基础上,结合前沿发展方向,指出并建议在煤层底板本底地质基因的全生命周期采动诱变特征三维动态重构、适用于时空分异动态地质环境的煤层底板突水预测预报理念升级、低扰动强干预的随采随治保/控水互馈注浆治理技术应用、修复后地质生态系统长效监控诊断诊疗平台建立等方面展开攻关,构建煤层底板水害全时空防控大体系,紧跟新质生产力大背景下全煤行业新业态发展步伐。 展开更多
关键词 矿井水防治 底板水害 岩溶陷落柱 断层 致灾机理
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基于EWOA-VMD的钻孔弹性波处理与煤岩识别方法 被引量：2
9
作者 武强 王显辉 +1 位作者 曾一凡 刘春生 《中国矿业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期857-871,共15页
聚焦于当前煤炭智能化开采中对煤岩界面识别装备和技术的迫切需求,围绕当前煤岩识别技术受煤矿地质条件和复杂施工环境影响导致的识别精度低、效率差等难题,提出一种利用钻孔空间进行弹性波探测确定煤层厚度和煤岩界面层位的煤岩识别技... 聚焦于当前煤炭智能化开采中对煤岩界面识别装备和技术的迫切需求,围绕当前煤岩识别技术受煤矿地质条件和复杂施工环境影响导致的识别精度低、效率差等难题,提出一种利用钻孔空间进行弹性波探测确定煤层厚度和煤岩界面层位的煤岩识别技术.针对弹性波回波信号中煤岩界面反射回波特征信息受限于井下环境中多种噪声干扰难以准确识别的关键问题,首先在优化原鲸鱼优化算法(WOA)中3种搜索策略和引入池化机制的基础上提出了增强型鲸鱼优化算法(EWOA),以最小包络熵作为EWOA中的适应度函数自适应求解变分模态分解(VMD)所需关键参数组合(k,α)的最优化问题,结合相关系数阈值法识别本征模态函数(IMF)集合中包含煤岩界面特征信息的分量,构建了一种基于EWOA-VMD的组合优化算法;其次根据钻孔弹性波信号特征构建仿真信号,采用该算法、集合经验模态分解(EEMD)和互补集合经验模态分解(CEEMD)方法进行处理,通过对比均方根误差、波形相似系数和信噪比等评价指标验证该算法的有效性;最后将该算法应用于室内模型试验所得复杂弹性波回波信号的处理.结果表明:该算法可在实测复杂回波中准确识别出煤岩界面反射回波信号,所得煤层厚度误差在12 mm之内,煤岩界面位置平均误差为2.5%.该算法可为非稳态、非线性弹性波复杂回波信号的处理提供参考,并推进钻孔弹性波煤岩界面识别技术的进步. 展开更多
关键词 钻孔弹性波探测 煤岩界面识别 信号处理 变分模态分解
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