1、采礦前沿結課論文姓名：班級：采礦1101班學號：1111104007指導老師：李海洲礦井突水與數字礦山研究與進展摘要：礦山行業在數字化方面的發展不容樂觀, 信息化建設的總體水平不高, 沒有形成企業信息化決策和礦業信息產業化發展的規模優勢, 信息基礎設施落后, 可共享的信息量少, 信息流向單一而無序, 嚴重地影響了礦山企業的市場競爭與可持續發展能力。關鍵詞：采礦 技術 突水 數字正文：隨著礦山開采的規模不斷擴大，深度不斷增加，出現的技術難題越來越多，而礦山突水又是礦山事故中比較常見的，對礦山人員安全以及礦井內材料設備產生很大的危險。對于國內的突水研究，已經取得了一定的進展。數字礦山是一個相對較為

2、新興的礦山方面研究，但正在越來越被重視起來。其實數字礦山就是一個礦山范圍內的以三維坐標信息及其相互關系為基礎而組成的信息框架，并在該框架內嵌入我們所獲得的信息的總稱。下面分別進行論述：一、目前頂板突水及水災害防治研究存在的問題 1、頂板突水機理 地下開采后巖層和土層的隔水性可能受到影響。隔水層位于垮落帶內時，其隔水性將完全被破壞；隔水層位于裂隙帶內時，其隔水性也被破壞，破壞的程度由裂隙帶的下部向上部逐漸減弱，隔水層位于覆巖彎曲帶下部時，其隔水性可能受到微小影響；隔水層位于覆巖彎曲帶中部或上部時，其隔水性不受采動影響。從巖層破壞程度來講，垮落帶和裂縫帶可統稱破裂帶或破壞影響帶

3、，彎曲帶稱為非破壞影響帶。在煤礦水文地質學上，將采動破壞的頂板垮落帶、裂隙帶統稱為導水裂隙帶或滲透性增強帶，而彎曲帶稱為滲透性微小變化帶。 采礦活動對上覆水體的影響有兩方面：一是上覆巖層的移動和破壞，形成了充水通道，使水體中的水滲透和潰入井下，影響礦井的安全生產；二是地表的移動、變形與破壞，使地表水體的附屬建筑物受到影響，如堤壩下沉量很大或斷裂時，河湖中的水就要出槽漫流。水體下采煤的重點之一就是要分析開采后覆巖冒落帶和導水裂隙帶對水體的影響，通常所說的“兩帶高度”即是垮落帶和裂隙帶的高度。下面將重點介紹一下導水裂隙帶高度的確定方法： (1)經驗公式 在建筑物、水體

4、、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程中，根據煤層的傾角和煤層覆巖巖性分別列出了兩種計算公式。經驗公式法概念明確，簡單易求，但每個礦區的具體地質條件、采礦條件、采煤方法皆不同，所以一般這個經驗公式得出的結果只能作為參考數據，需結合其它方法來綜合判定。 (2)物理模擬 可以模擬開采煤層開采時的覆巖破壞過程，覆巖破壞特征和規律，并且重點模擬在不同覆巖特性、不同開采煤厚、斷層活化時情況下的覆巖破壞規律和高度，得到導水裂隙帶發育高度及其計算方法，與上述經驗公式得到的結果對比，修正模型。 (3)數值模擬 數值模擬法主要包括有限元法和離散元法，其中有限元法是迄今為止

5、在應力和變形方面最為成熟的方法之一。 劉紅元等在研究采動影響下覆巖垮落的動態發展過程中，應用自行開發的巖層破斷過程分析系統（RFPA），模擬了開挖后巖梁懸露在重力作用下發生離層、彎曲、沉降、端部和中部開裂直至冒落的全過程，再現了采動影響下覆巖破壞的動態發展過程。并且為了驗證數值模擬的正確性，也做了相似材料模擬，兩種方法相比較，結果相似。  近年來發展起來的快速拉格朗日分析（FLAC）法已被程序化、實用化，其基本原理類同于離散單元法。美國Itasca公司開發的FLAC-2D軟件，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析，對于煤層開采時的頂板應

6、力分布狀態能直觀的反映出來，能很好的揭示頂板破壞過程及開采臨近斷層時對斷層的擾動情況，從而對斷層煤柱的合理留設起到重要的指導意義。新集礦將此法應用于導水裂隙帶高度預測中，也取得了較為滿意的效果。 (4)現場實測 現場實測是確定導水裂隙帶的主要途徑，其他的方法都是輔助手段。為了驗證現場實測的結果，可以結合物理模擬或者數值模擬的結果相比較，減少誤差。現場實測法主要有注水試驗法、高密度電阻率法、超聲成像法、聲波CT層析成像法等。 現行的各種計算公式是在總結了大量的實際資料的基礎上，歸納出的經驗公式，具有一定的代表性，但是如何利用計算結果來判斷頂板是否突水，不能單從導水裂

7、隙帶是否溝通了含水層來判斷，應結合煤層上覆巖層的具體地質條件加以分析。 2、頂板突水的影響因素 煤層頂板突水是應力場與滲流場共同作用導致圍巖破壞的結果，因此在分析其突水條件時，應從含水層特性、頂板巖體特性及原巖與采動應力場特征三個方面進行分析和研究。 (1)基本因素分析 含水層的特性包括巖層的儲水性能，導水性能和壓力水頭。壓力水頭的大小決定了水對頂板巖體破壞的程度。壓力水可以使巖層中原生裂隙擴展、張開，并沖刷裂隙中的充填物，弱化裂隙的粘結力，而含水層的儲水性能與導水能力的大小又直接決定了壓力水穿透上覆巖層的補給狀況。若含水層導水性能與儲水性能良好，則壓力

8、水的補給速度高，一旦發生突水，其突水量與危害是很大的，相反，若含水層導水性能與儲水性能弱，即使發生突水，突水量與危害也小。 (2)決定因素分析 頂板巖層條件包括各巖層的滲透性、巖層的強度和厚度，特別是巖層的裂隙發育情況和分布特征。巖層的滲透性與厚度直接決定了含水層水的越流能力，當巖層滲透性極低時，它對含水層的水起到了很好的阻隔作用，這就是所謂的隔水層。巖層的強度及裂隙發育與分布情況直接決定了頂板巖層在應力場與滲流場作用下抵抗變形的能力。當巖層強度較低，即使在較低的應力及水壓作用下，也同樣發生破壞，從而使巖層的導水性能急劇提高，發生突水災害，反之則不然。若巖層中含有垂直的裂隙

9、，當采動使頂板巖層卸壓時，裂隙寬度增加，致使裂隙的滲透性能急劇增大，也易于發生突水。 (3)控制因素分析 采場頂板圍巖系統所受的原始應力場、采動應力場構成了頂板突水的控制因素。當煤層未被采動時，空隙、裂隙等均處于閉合狀態，含水層中的水處于相對平衡狀態。當煤層開采后，頂板懸露，圍巖由三向受壓轉變為二向或單向受壓，甚至部分巖體出現拉應力，而導致破壞，極大地增高了其滲透性能，從而導致突水事件。 總而言之，影響頂板突水的因素是多方面的，不僅與含水體本身的水體類型、特征、賦存條件有關，而且還與煤層頂板各隔水巖層的水文地質條件、地層結構及采礦地質條件有關，因此應綜合各方面對其

10、進行分析研究。 3、頂板突水預測預報方法研究 在突水水量預測方面，現場常用的方法是類比法和大井法，有的學者采用了統計學方法、力學平衡和能量平衡方法，并在研究、驗證、預測突水量的數學模型研究方面做出了大量工作。中國礦業大學的武強等提出了解決煤層頂板突水災害定量評價的“三圖一雙預測法”，即頂板直接充水含水層的富水性分區圖，頂板冒落安全性分區圖，頂板突水條件綜合分區圖以及回采工作面整體和分段工程涌水量預測、頂板直接含水層采前預疏放方案預測，其中突水條件綜合分區圖是由富水性和冒落安全性分區圖復合疊加而成的；營志杰等利用礦井地質工作方法及礦井直流電法分析了頂板潛在突水構造對安全生產的

11、影響程度；底青云等利用高分辨V6系統對礦山頂板突水隱患進行預測，通過該系統使得礦體中的溶洞、斷層、含水破碎帶以及可能的與含水層的聯系在成果圖上反映的非常清晰，為礦山頂板突水隱患的治理提供了一份明確的資料；陳朝陽等根據各含水層典型水樣的化學資料，用判別分析方法建立頂板突水的水源判別模型，以指示測試突水點水樣來自哪個含水層和給出歸屬該含水層的概率；洪雷等利用最大效果測度值法對燕子煤礦工作面突水水源及成因進行了研究；馬廣明等利用井下直流電法與紅外測溫技術預測回采工作面頂板隱伏含水區；煤炭科學研究總院西安研究院鄭綱以東灘煤礦十四采區為例，采用模糊聚類分析法預測頂板砂巖含水層突水量；劉小松、張海榮等基于

12、GIS對東灘煤礦頂板突水進行了預測預報，從建立突水的概念模型到運用Gls的手法進行建模并得出最終結果；周笑綠、楊國勇等將穩定涌水量通過比擬方法換算為最大突水量的近似計算方法對東灘礦三煤頂板突水量進行了預測；山東大學的李樹忱等進行了礦井頂板突水模型試驗多場信息的歸一化處理方法，通過這個方法發現滲透壓力、視電阻率和應力信息是較為理想的突水預報信息源，滲透壓力在突水前很長時間就出現異常波動，視電阻率和應力在突水發生前會突然增大，且視電阻率的變化早于應力的變化中國，以此來對礦井突水進行有效地預測；礦業大學的秦軻等利用巖性地震反演方法來評價煤層突水的危險性。國外動態預測軟件Zone Budge

13、t對預測精度要求較高的回采工作面的整體和分段工程涌水量動態預測問題的研究，具有一定優勢。4、頂板水防治技術方法研究 從頂板水的防治角度出發，主要考慮兩種情況：一是上覆水體（或強含水層）水量大、壓力高，開采活動不能波及，此時頂板水以防為主，防止上覆水體大量涌入井下；二是頂板突水量不太大并且礦井排水能力及相應措施滿足要求，此時頂板水防治先預計突水量，然后根據突水量大小設計實施排水工程，制定防治水措施，避免頂板水在工作面產生積聚而影響正常生產。 礦井頂板水的防治需要做好以下幾點：對煤層頂板突水因素進行分析和預測；留設防水煤（巖）柱；對頂板水進行超前疏干；注漿截流；改變采煤技術。根

14、據防治水的“預測預報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，堅持“防、堵、疏、排、截”5項綜合治理措施。建立全方位的安全監控體系和相應的安全保障系統，做到有效預測，及時救援，盡可能降低頂板突水造成的損失。 經過長期的工作實踐和理論認識，我國在礦井水害防治方面，已有了比較成熟的技術和措施，如疏干降壓、帷幕截流、帶壓開采、坑內防排水、注漿堵水、突水預測和探放水等。眾多的礦井水研究者已經提出和使用了各具特色的頂板水防治理論，如豐城礦務局的陳福生等利用高抽巷疏放頂板水，利用瓦斯預抽的高抽巷疏放頂板含水層，以解決水體下被壓煤層的安全開采；淮北礦業集團的張立標等采用“大井法”使頂板含水層的水位降

15、至其底板，相鄰區段煤層頂板含水層水同時被疏放，為工作面采掘生產消除了隱患，達到防治水的目的；河南煤業化工集團等大馬會華等創新性的用建筑垃圾粉來控制頂板富含水層突水，既使得頂板水得到控制，改善了掘進面工作環境，提高了掘進進尺，保證采掘接替和礦井安全，同時又極大地降低了注漿成本；西安科技學院的毛明倉采用礦井直流電法探測頂板構造水技術，探測煤礦工作面頂板隔水層厚度、隔水層內潛在突水通道的空間位置及含水層富水性分布規律，該技術能科學地指導頂板水害防治工作，保障煤礦生產安全。 二、數字化礦山關鍵技術及當前任務1、我國礦山信息化建設概況 礦山行業在這方面的發展卻不容樂觀, 信息化建設的總體水平不高, 沒有

16、形成企業信息化決策和礦業信息產業化發展的規模優勢, 信息基礎設施落后, 可共享的信息量少, 信息流向單一而無序, 嚴重地影響了礦山企業的市場競爭與可持續發展能力。我國礦山企業信息化建設大體處在以下3 個層次上:第1 層次“無路無車”。處于這個層次上的礦山企業既沒有起碼的計算機網絡設施, 又沒有可共享的“硅質信息資源”使得這類礦山企業在激烈變化的市場競爭中和在以信息為主導的知識經濟面前無所適從。第2 層次“有路無車”。沒有形成符合本企業實際的軟件體系; 企業基礎信息的采集、整理、處理與利用工作做的很不夠, 沒有建立本企業統一的大型基礎數據庫(數據倉庫) , 網絡上可共享的數據寥寥無幾, 結果造成

17、資源的極大浪費, 信息建設的投入也見不到實效, 影響企業決策者繼續投入的興趣和信心。第3 層次“車貨不一”。合理地處理了資金投入比例。 但由于缺少全局性統籌規劃, 各礦在軟件選型和數據格式方面各自為戰,出現了“車”型不一、“貨”規不同的局面。 各礦的信息化水平是提高了, 但全局的整體信息化水平并沒有得到大的提升。2、數字礦山的關鍵技術 DM 的理論研究與戰略實施, 必須圍繞以下9 項關鍵技術進行攻關。Ø 礦山數據倉庫技術針對礦山信息的“五性四多” (復雜性、海量性、異質性、不確定性和動態性, 多源、多精度、多時相和多尺度) 特點, 為統一管理和共享數據, 必須研究一種新型的數據倉庫技

18、術,包括礦山數據分類組織、分類編碼、元數據標準、高效檢索、快速更新與分布式管理。 其中, 研究提出一種適合多源異質礦山數據集成與共享、且獨立于應用軟件與數據模型的數據組織結構為當務之急。Ø 礦山數據挖掘技術由于礦山空間信息的“五性四多”特點, 為了從礦山數據倉庫中快速提取專題信息, 發掘隱含規律, 認識未知現象和進行時空發展預測等, 必須研究一種高效、智能、透明、符合礦山思維、基于專家知識的數據挖掘技術。Ø 真3DGM 與可視化技術只有通過真3DGM對鉆孔、物探、測量、傳感、設計等數據進行過濾和集成, 并實現動態數據維護(局部快速更新、修改、補充等) , 才能對三維地層環境

19、、礦山實體、采礦活動、采礦影響等進行真實的、實時的真3D 的可視化再現、模擬與分析。Ø 礦山3D 拓撲建模與分析技術礦山信息的拓撲空間查詢、分析與應用及許多采礦安全問題的模擬、分析與預測等, 均以礦山3D 實體的屬性、幾何與拓撲數據的統一組織為基礎。 因此, 必須立足礦山3D 數據的矢柵集成, 盡快攻克礦山3D 拓撲描述、表達、組織與動態維護這一技術難題。Ø 井下多媒體通訊與無線傳輸技術在礦井通信方面, 除寬帶網絡之外, 如何快速、準確、完整、清晰、實時地采集與傳輸礦山井下各類環境指標、設備工況、人員信息、作業參數與調度指令等數據, 并以多媒體的形式進行地面- 井下雙向、無

20、線傳輸, 也是有待改進的技術問題。Ø 智能采礦機器人“班組”技術在礦山自動化方面, 要突破過去關于采礦機器人的個體行為方式, 要從群體協同的角度, 從采礦設備整體與整個作業流程中的自動控制、協調、適應、保護、調整、修復甚至再生的角度, 去理解、研究和設計新一代智能化采礦機器人“班組。Ø 礦山3S , OA , CDS（指揮調度系統） 五位一體技術為實現全礦山、全過程、全周期的數字化管理、協作、指揮與調度, 必須基于礦山GIS 對礦山信息統一管理與可視化表達, 無縫集成自動化辦公(OA) 和指揮調度系統(CDS);并集成RS 和GPS 技術, 真正做到從數據采集、數據處理、數據融合、設備跟蹤、動態定位、過程管理、流程優化到調度指揮的全過程一體化。3、 數字礦山建設當前的任務（1）建立企業級共享的MGIS 辦公系統建立企業(集團公司) 級中心數據庫, 統一管理全企業的基礎數據和各礦山的重要生產數據, 并確定數據在流動共享過程中的訪問與使用權限; 結合礦山特點和辦公需求, 開發便于礦山工程技術與管理人員使用的業務化辦公MGIS 系統, 提供多種功能模塊, 滿足礦山日常生產和辦公決策的需求; 進行使用人員培訓, 提高各級使用MGIS 進行自動化辦公的人員的素質, 使MGIS 真正成為礦山企業日常辦公的必備工具;