基于RFPA-Strata的吴四圪堵矿岩层移动数值模拟
河北承德铁马哈叭沁超贫铁矿床的成因与成矿时代
２０１２年 １０月 Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１２岩 矿 测 试 ＲＯＣＫＡＮＤＭＩＮＥＲＡＬＡＮＡＬＹＳＩＳ文章编号：０２５４ ５３５７（２０１２）０５ ０８９８ ０８Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．５ ８９８～９０５河北承德铁马哈叭沁超贫铁矿床的成因与成矿时代李立兴１，李厚民１ ，王德忠２，刘明军３，杨秀清３，陈 靖１（１．中国地质科学院矿产资源研究所，北京 １０００３７； ２．河北省地质矿产勘查开发局第四地质大队，河北 承德 ０６７０００； ３．中国地质大学（北京），北京 １０００８３）摘要：河北承德一带基性 －超基性岩中的超贫铁矿石（全铁 ＴＦｅ含量 ＜２０％）资源在河北的铁精矿产量中占有重要地位，其中以铁马哈叭沁超贫铁矿床贡献最大。
本研究以铁马哈叭沁岩体中的超贫铁矿石即钒钛磁铁矿化的角闪石岩中的角闪石为研究对象，通过电子探针分析和４０Ａｒ／３９Ａｒ测年，结合野外地质特征，探讨了超贫铁矿床的成矿时代及矿床成因。
野外和岩相学特征表明，铁马哈叭沁超贫铁矿床为岩浆晚期分异型铁矿床。
电子探针分析表明，角闪石岩中角闪石主量元素变化范围较小，具有富 Ｃａ、富 Ｍｇ、富 Ｎａ、贫 Ｋ的特征，属于韭闪石和镁绿钙闪石。
角闪石成因矿物学研究表明，角闪石岩主要为幔源成因，并受到了地壳物质的混染。
角闪石岩中角闪石单矿物的４０Ａｒ／３９Ａｒ年龄为 ３７９～４０１Ｍａ，表明成岩成矿时代为泥盆纪，形成于白乃庙岛弧与华北克拉通北缘发生弧 －陆碰撞后的伸展阶段。
关键词：超贫铁矿床；角闪石；４０Ａｒ／３９Ａｒ定年；铁马哈叭沁；华北克拉通中图分类号：Ｐ５９７．３；Ｐ６１２文献标识码：ＡＯｒｅＧｅｎｅｓｉｓａｎｄＯｒｅｆｏｒｍｉｎｇＡｇｅｏｆｔｈｅＴｉｅｍａｈａｂａｑｉｎＵｌｔｒａｌｏｗｇｒａｄｅ ＩｒｏｎＤｅｐｏｓｉｔｉｎＣｈｅｎｇｄｅ，ＨｅｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，ＣｈｉｎａＬＩＬｉｘｉｎｇ１，ＬＩＨｏｕｍｉｎ１ ，ＷＡＮＧＤｅｚｈｏｎｇ２，ＬＩＵＭｉｎｇｊｕｎ３，ＹＡＮＧＸｉｕｑｉｎｇ３，ＣＨＥＮＪｉｎｇ１（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｅｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｈｅ４ｔｈＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＴｅａｍ，ＨｅｂｅｉＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＭｉｎｉｎｇＢｕｒｅａｕ，Ｃｈｅｎｇｄｅ ０６７０００，Ｃｈｉｎａ； ３．ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｕｌｔｒａｌｏｗｇｒａｄｅＦｅｏｒｅｒｅｓｏｕｒｃｅ（ｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｏｔａｌＦｅｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ２０％）ｈｏｓｔｅｄｉｎｍａｆｉｃｕｌｔｒａｍａｆｉｃ ｃｏｍｐｌｅｘｅｓｉｎＣｈｅｎｇｄｅｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｉｒｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＨｅｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｏｒｅｆｏｒｍｉｎｇａｇｅａｎｄｏｒｅｇｅｎｅｓｉｓｏｆｔｈｅＴｉｅｍａｈａｂａｑｉｎｕｌｔｒａｌｏｗＦｅｄｅｐｏｓｉｔ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｏＣｈｅｎｇｄｅ′ｓｉｒｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｅｓｅｎｔｓｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅａｎｄ４０Ａｒ／３９Ａｒｉｓｏｔｏｐｉｃｄａｔａｏｆ ｔｈｅｈｏｒｎｂｌｅｎｄｅｓｆｒｏｍ ｉｒｏｎｂｅａｒｉｎｇｈｏｒｎｂｌｅｎｄｉｔｅｓ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅｄａｔａｓｈｏｗｓｔｈａｔｍａｊｏｒｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅ ｈｏｒｎｂｌｅｎｄｅｓｆｒｏｍ ｈｏｒｎｂｌｅｎｄｉｔｅｓｏｆｔｈｅＴｉｅｍａｈａｂａｑｉｎｃｏｍｐｌｅｘａｒｅＣａｒｉｃｈ，Ｍｇｒｉｃｈ，ＮａｒｉｃｈａｎｄＫｐｏｏｒｗｉｔｈ ｌｉｍｉｔｅｄａｖｉａｔｉｏｎｒａｎｇｅ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｐａｒｇａｓｉｔｅｓｏｒｍａｇｎｅｓｉｏｈａｓｔｉｎｇｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅｇｅｎｅｔｉｃｍｉｎｅｒａｌｏｇｙｓｔｕｄｙ ｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｍａｎｔｌｅｓｏｕｒｃｅｄｅｒｉｖｅｄｈｏｒｎｂｌｅｎｄｅｓｗｅｒｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄｗｉｔｈｃｒｕｓｔｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ４０Ａｒ／３９Ａｒｐｌａｔｅａｕ ａｇｅｓｏｆｔｈｅｈｏｒｎｂｌｅｎｄｅｆｒｏｍ ｈｏｒｎｂｌｅｎｄｉｔｅｓｙｉｅｌｄｅｄ３７９－４０１Ｍａ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｏｒｅｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓ ｆｏｒｍｅｄｉｎｔｈｅＤｅｖｏｎｉａｎｐｅｒｉｏｄ．Ｔｅｃｔｏｎｉｃａｌｌｙ，ｔｈｅｉｒｏｎｂｅａｒｉｎｇｈｏｒｎｂｌｅｎｄｉｔｅｓａｒｅｐｒｏｂａｂｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｐｏｓｔｃｏｌｌｉｓｉｎｏａｌ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｆｔｅｒｔｈｅａｒｃｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌｃｏｌｌｉｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅＢａｉｎａｉｍｉａｏａｒｃｂｅｌｔａｎｄｔｈｅｎｏｒｔｈｅｒｎｍａｒｇｉｎｏｆｔｈｅＮｏｒｔｈ ＣｈｉｎａｃｒａｔｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｌａｔｅｓｔＳｉｌｕｒｉａｎｐｅｒｉｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｌｏｗｇｒａｄｅｉｒｏｎｄｅｐｏｓｉｔ；ｈｏｒｎｂｌｅｎｄｅ；４０Ａｒ／３９Ａｒｄａｔｉｎｇ；Ｔｉｅｍａｈａｂａｑｉｎ；ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎ收稿日期：２０１２－０２－２０；接受日期：２０１２－０７－２４ 基金项目：国土资源部公益性行业专项经费项目“我国北方沉积变质型、岩浆型铁矿富矿成矿地质作用研究”（２０１１１１００２）；中国地质大调查项目（１２１２０１１１２０９８８） 作者简介：李立兴，博士研究生，矿产普查与勘探专业，从事铁矿床研究工作。
吴四圪堵煤矿修改稿
目录前言 (1)1矿井概况 (3)1.1交通位置及隶属关系 (3)1.2井型、开拓方式及生产能力 (5)1.3瓦斯 (6)1.4煤层 (7)1.5煤质特征 (9)1.6水文地质特征 (16)2地质构造及控制特征研究 (20)2.1矿区地质构造演化及分布特征 (20)2.2井田地质构造演化及分布特征 (22)2.3地质构造对瓦斯赋存的控制 (25)3矿井瓦斯地质规律研究 (26)3.1断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响 (26)3.2顶底板岩性对瓦斯赋存的影响 (26)3.3煤层埋深对瓦斯赋存的影响 (27)3.4水文地质条件对瓦斯赋存的影响 (27)4 矿井瓦斯涌出量预测 (29)4.1矿井瓦斯抽采资料统计及分析 (29)4.2矿井瓦斯涌出资料统计及涌出量的预测 (29)5煤与瓦斯区域突出危险性预测 (33)6 煤层气资源量计算 (33)7矿井瓦斯地质图编制 (34)7.1编图资料 (34)7.2编图内容和表示方法 (35)8 结论和建议 (37)8.1结论 (37)8.2建议 (38)参考文献 (39)前言瓦斯地质图，内容丰富、区带分明；层次清晰、一目了然；直观简明、使用方便，是煤矿瓦斯地质资料最好的档案，是瓦斯预测、瓦斯灾害防治、瓦斯抽采成果的高度集中。
瓦斯地质规律是瓦斯预测的基础，能够准确预测瓦斯涌出量、瓦斯突出危险性、瓦斯资源量。
使得各级领导和工程技术人员进行瓦斯综合治理有了共同语言，它直接用于安全生产管理、瓦斯（煤层气）抽采利用和煤矿规划，是我国煤炭工业发展必不可少的技术和图件，随着煤矿开采深度的日趋增加和地质条件的复杂性，显得越来越重要。
2007年，经国家安全生产监督管理总局批准，中煤协会科技[2007]54号文下达了《矿井瓦斯地质图编制方法》行业标准的通知。
为深入推进煤矿瓦斯防治工作，根据国家发展改革委办公厅《关于印发煤矿瓦斯防治2008年工作总结和2009年工作安排的通知》（发改办能源【2009】239号），由国家能源局组织开展全国新一轮煤矿瓦斯地质图编制工作，旨在整理全国煤矿多年地质勘探和开采、测试揭露的瓦斯地质资料，利用瓦斯地质和瓦斯治理研究成果，揭示全国煤矿瓦斯地质规律，为瓦斯灾害治理和煤层气资源开发利用提供基本依据。
石圪台煤矿第四系松散含水层保水采煤方案研究
在保障侏罗纪煤田资源安全开发的前提下,最大程
km,面积 ６５
２５km２ , 井 田 位 于 陕 北 黄 土 高 原 北
部,毛乌素沙 漠 东 南 缘.风 积 沙 区 位 于 井 田 北 部,
度地实现对水 资 源 的 保 护, 从 而 实 现 控 水 保 安 全、
地形相对比 较 平 坦,相 对 高 差 较 小,水 系 不 发 育;
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作者简介:张瑞昭 (１９８６－ ), 陕西西安人, 硕士研究生, 工程师, 环保科科长, 主要从事矿井生 态 治 理、 环 境 保 护、 节 能 减 碳 等 方 面 的 研 究
北、东、西 以 陕 蒙 边 界 为 界, 南 以 石 圪 台 煤 矿 为
是针对特殊保水开采区,提出了局部充填开采隔水
等技术;张玉军等
[
８]
综合考虑煤矿安全、经济合理
以及低损害 等 重 要 因 素, 提 出 并 发 展 了 “控 水 采
界.井田西为乌兰木伦河,南邻石圪台井田,北与
巴图 塔 井 田 接 壤, 东 西 长 约 １０km, 南 北 宽 约 ８
鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现及成因初探
㊀第46卷第4期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.46㊀No.4㊀㊀2021年4月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYApr.㊀2021㊀鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现及成因初探刘㊀超1,2,孙蓓蕾1,2,曾凡桂1,2,畅向东1,2,郭盛强3,王宇红3,刘彦峰3,张绍韡2,4,陈建伟2,4,李㊀健2,4(1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原㊀030024;2.煤与煤系气地质山西省重点实验室,山西太原㊀030024;3.华新燃气集团有限公司,山西晋城㊀048204;4.山西省地质矿产研究院,山西太原㊀030024)摘㊀要:氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性资源㊂我国氦气资源匮乏,对外依存度达98%以上㊂基于鄂尔多斯盆地东缘石西区块25口井81个天然气样分析资料,发现氦气体积分数为0.02%~0.23%,平均值为0.089%,具备潜在利用价值㊂石西区块内天然气氦稳定同位素组成(3He /4He )为0.02ˑ10-6~0.05ˑ10-6,R /R a ((3He /4He )样品/(3He /4He )大气)值为0.01~0.08,属于典型的壳源氦㊂石西区块位于离石鼻状构造带,区块东部柳林尖家沟发育燕山期金伯利岩带(B.P.180~100Ma ),该岩带之北百余公里发育与其同源的燕山期紫金山碱性岩体(B.P.158.0~130.4Ma )㊂航磁异常图显示,石西区块位于北东向展布的正磁异常带边缘㊂这些地质背景条件表明,石西区块内氦气的来源可能与尖家沟 紫金山岩体深部放射性元素衰变生气有关,该区东部离石断裂带可能提供了氦气运移的主要通道,区内多套储盖层组合为氦气提供了良好的保存条件㊂石西区块含氦天然气的发现及关于其地质成因的认识,表明鄂尔多斯盆地在适宜的地质条件下可能形成富氦天然气,为该盆地富氦天然气资源进一步调查提供了新的依据㊂关键词:鄂尔多斯盆地;煤系;氦气;富集中图分类号:P618.13㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2021)04-1280-08移动阅读收稿日期:2021-01-22㊀㊀修回日期:2021-03-05㊀㊀责任编辑:韩晋平㊀㊀DOI :10.13225/ki.jccs.2021.0152㊀㊀基金项目:山西省能源革命关键核心技术重大专项资助项目(20181101013);国家自然科学基金资助项目(41802184);山西省应用基础研究资助项目(201801D221050)㊀㊀作者简介:刘㊀超(1989 ),女,山西运城人,讲师,博士㊂E -mail:tyutliuchao@ ㊀㊀通讯作者:曾凡桂(1965 ),男,江西上犹人,教授,博士㊂E -mail:zengfangui@㊀㊀引用格式:刘超,孙蓓蕾,曾凡桂,等.鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现及成因初探[J].煤炭学报,2021,46(4):1280-1287.LIU Chao,SUN Beilei,ZENG Fangui,et al.Discovery and origin of helium-rich gas on the Shixi area,eastern mar-gin of the Ordos Basin[J].Journal of China Coal Society,2021,46(4):1280-1287.Discovery and origin of helium-rich gas on the Shixi area ,easternmargin of the Ordos BasinLIU Chao 1,2,SUN Beilei 1,2,ZENG Fangui 1,2,CHANG Xiangdong 1,2,GUO Shengqiang 3,WANG Yuhong 3,LIU Yanfeng 3,ZHANG Shaowei 2,4,CHEN Jianwei 2,4,LI Jian 2,4(1.College of Mining Engineering ,Taiyuan University of Technology ,Taiyuan ㊀030024,China ;2.Shanxi Key Laboratory of Coal and Coal Measure Gas Geol-ogy ,Taiyuan ㊀030024,China ;3.Huaxin Gas Group Co.,Ltd.,Jincheng ㊀048204,China ;4.Institute of Geology and Mineral Resources of Shanxi Province ,Taiyuan ㊀030024,China )Abstract :Helium is a kind of rare and strategic resources for national defense industry and global high-technology ap-plicati ons.However,the helium resource in China is short and the dependence on imported helium exceeds 98%.Based on analysis of the 81gas samples from 25wells in Shixi area,the helium volume contents range from 0.02%-0.23%,with average of 0.089%.3He /4He ratios are 0.02ˑ10-6-0.05ˑ10-6and R /R a ((3He /4He )sample /第4期刘㊀超等:鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现及成因初探(3He/4He)atmospheric)values are0.01-0.08,implying that helium in this area is typically of crustal origin.Shixi area is located in the Lishi nose structural belt.The Yanshanian Kimberlite belt(B.P.180-110Ma)in Liulin Jianjia-gou is situated at the east of Shixi area,and the Zijinshan alkaline(B.P.158-130.4Ma)rock is located in hundred miles north of Kimberlite belt.In mapping the aero-magnetic anomaly,Shixi area is located in the range of positive aeromagnetic anomalies belt.Thus,the helium of Shixi area may associate with the Jianjiagou-Zijinshan complex,the transcrust/crust deep fault have provided passage for helium gas,and the multilayer deposition strata is the excellent trap conditions.Therefore,a helium-rich gas enrichment area maybe formed in the Ordos basin owing to specific geo-logical conditions.This finding is important for the further evaluation and development of the resource.Key words:eastern of Ordos Basin;coal-series;Helium;enrichment㊀㊀氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性资源㊂氦气资源主要分布在美国㊁卡塔尔㊁阿尔及利亚和俄罗斯等国[1],2017年调查报告显示我国的氦气资源量为1.1ˑ109m3,仅占全世界的2.12%[2],我国氦气的对外依存度达98%以上,极大的影响到国防及高技术产业安全㊂氦气在自然界中主要作为非烃伴生气聚集于烃类气藏[1,3-4]㊂国内天然气中氦气体积分数相对较低,只有体积分数超过0.05%~0.10%的气田才具有工业价值[5-7]㊂近几年,我国在东部的松辽㊁苏北㊁渤海湾等盆地㊁中西部地区的四川㊁塔里木等气藏中陆续发现富氦天然气[8-12]㊂四川威远气田天然气中氦气体积分数为0.120%~0.342%,平均0.2%[8-10],是我国惟一一个实现工业开采利用的富氦气田㊂鄂尔多斯盆地不同气田不同层位天然气中氦体积分数为0~ 0.091%[9,11],整体为贫氦气田㊂该盆地东缘临兴区块上古生界砂岩气氦气体积分数在0.01%左右或更少[12]㊂笔者最近发现,鄂尔多斯盆地东缘石西区块天然气样品中氦气体积分数较高,为此报道了该区氦气体积分数分布,基于氦稳定同位素组成对氦气成因进行了初步探讨㊂1㊀地质背景离石断裂带是鄂尔多斯盆地东缘边界断裂[13]㊂石西区块位于盆地东缘晋西挠褶带中段(图1)㊂区内构造简单,总体为一走向NS㊁倾向W的单斜,倾角5ʎ~9ʎ,局部被断层切割,发育次级低幅度褶曲㊂区内共揭露5条断层,包括3条逆断层和两条正断层(图2)㊂DF1逆断层最深切割层位至奥陶系风化面,落差18m,倾向W,倾角30ʎ㊂F1逆断层南北向贯穿整个区块,切割较浅,只影响到下三叠统刘家沟组至下二叠统下石盒子组八段底之间地层,断距50m,倾角20ʎ~40ʎ㊂F3逆断层与F2逆断层距离较近,切割刘家沟组底部,倾向W,倾角30ʎ,落差40m,图1㊀石西区块构造位置[14]Fig.1㊀Tectonic location of Shixi area[14]1821煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷图2㊀石西区块构造纲要及井位分布Fig.2㊀Structural map and wells location in Shixi area延伸长度约1100m㊂F2正断层位于区内北东部,切割刘家沟组底至上石盒子组顶部,倾向W,断距45m,倾角70ʎ㊂DF2正断层位于区内西北边界,距离DF1断层100m 左右,切割下石盒子组八段底至奥陶系马家沟组三段底,断距20m,倾向S,倾角78ʎ㊂㊀㊀石西区块晚古生代以来的地层包括石炭系㊁二叠系㊁三叠系及新生界,其中本溪组㊁山西组和太原组是区内含煤地层(图3)㊂本溪组与奥陶系呈区域不整合接触,主要发育海陆交互相的泥岩㊁砂岩夹薄煤层㊂太原组与本溪组连续沉积,形成于海陆交互环境,厚度在120~130m,主要由泥岩㊁粉砂岩㊁泥质灰岩及煤层组成,为区内主要含煤地层㊂山西组地层厚度稳定,为100~140m,岩性主要包括中~细粒砂岩㊁粉砂岩㊁砂质泥岩㊁灰黑色~黑色泥岩及煤层㊂石盒子组和石千峰组为典型的陆相河流沉积,发育浅灰绿色砂岩夹红棕色㊁灰绿色泥岩㊁粉砂岩㊂新生界沉积较厚,下部主要为一套以红色为主的碎屑沉积岩,上部为灰黄㊁浅黄色粉砂质黏土㊂2㊀样品及测试结果2.1㊀气样采集石西区块在区内西部埋深较大,以砂岩气为主;东部埋深相对较浅,以煤层气为主㊂根据测井及试井数据,区内含气砂岩层主要分布在石盒子组的盒8段㊁山西组的山2段和太原组,煤层气井抽采层位为8号和4号煤层(图3)㊂采集了区块内25口气样(煤层气井2口,其余为砂岩气井),每口井每次采集2个样品为平行样,每月采集1次,采集3次,共采集81个气样,得到气样的化学组成(表1)㊂气体化学组分测试分别由山西省地质矿产研究院㊁中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心完成,氦同位素分析由西北生态环境资源研究院油气资源研究中心完成㊂其中,山西省地质矿产研究院采用Agilent 7890B 气相色谱仪进行天然气组分分析,油气资源研究中心采用Noble-less SFT 型稀有气体质谱仪完成氦含量和同位素测试,测试条件㊁方法及精度参见文献[4]㊂2.2㊀气样中氦体积分数测试发现,石西区块煤层气和砂岩气样品中均有氦气显示,氦气体积分数分布在0.01%~0.23%,多为0.05%~0.15%,为含氦天然气(图4,表1)㊂其中,SX -17,SX -T -06-H1两口井氦气体积分数超过0.20%,达到0.23%,产气层位分别为石盒子组㊁山西组砂岩和太原组8号煤层㊂3㊀氦气成因与来源探讨3.1㊀氦气成因自然界中氦有3种来源:一般认为,壳源氦气3He /4He 同位素比值0.02ˑ10-6,幔源氦为1.1ˑ2821第4期刘㊀超等:鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现及成因初探图3㊀石西区块地层柱状及含气层分布Fig.3㊀Stratigraphic column and the gas reservoirs in Shixi area图4㊀石西区块样品中氦体积分数Fig.4㊀Helium volume of gas in Shixi area10-5,大气氦为1.4ˑ10-6[5,7,15]㊂测试结果显示,石西区块天然气样3He /4He 同位素比值分布在0.02ˑ10-6~0.05ˑ10-6,平均0.03ˑ10-6;R /R a 值为0.01~0.08,平均0.025(表1)㊂这一分布范围,与DAI等[11]总结的鄂尔多斯盆地94个气样(3He /4He 值0.03ˑ10-6~0.12ˑ10-6,R /R a 为0.022~0.085)及李玉宏等[7]测得的渭河盆地天然气样(3He /4He 值0.021ˑ10-6~0.761ˑ10-6)氦同位素组成一致,与我国东部典型的天然气氦同位素组成存在显著差异(图5)[5,11,16]㊂陶明信等[6]得到苏北地区南部万金塔构造区域上氦气的同位素值为6.3ˑ10-6~7.2ˑ10-6,其中幔源氦体积分数为60%~70%;渤海湾盆地内氦气3He /4He 比值最高为52.4ˑ10-8,R /R a 值为0.01~6.45,其幔源氦体积分数超过80%[11];三水盆地二氧化碳气藏伴生氦气的同位素比值为1.6ˑ10-6~6.39ˑ10-6,R /R a 值为1.143~4.56,幔源氦体积分数可达56%㊂相较于幔源氦气,壳源氦气的3He /4He 同位素和R /R a 值均偏低,四川盆地威远气田中氦气3He /4He 同位素值在1.8ˑ10-8~3.03ˑ10-8,R /R a 值为0.01~0.02[9];渭河盆地天然气样中氦气3He /4He 值为0.021ˑ10-6~0.761ˑ10-6,R /R a 值为0.03~0.56[7]㊂与之对比,石西区块内的氦均属于典型的壳源成因气,没有来自幔源的氦㊂壳源氦气主要来自于地壳中放射性元素U 和Th的衰变[17-19]㊂氦气生成以后运移,与地层中石油㊁天然气㊁热水等混合,形成含氦~富氦气田㊂含氦天然气田分为壳源同源型㊁壳源异源型和壳幔复合型[18]㊂为此,石西区块天然气中氦气的来源与其他层系岩石中放射性元素衰变生成的氦气有关,可能属于壳源异源型㊂3.2㊀氦气来源我国壳源氦气大多位于中西部地区,东部郯庐断裂带两侧的氦气以幔源成因为主,壳源成因为辅[1,19-20]㊂壳源氦气生成通常与基底的古老变质岩㊁混合岩㊁花岗岩等有关[2,11-12,20]㊂氦气生成后,与天然气一起通过运移通道发生运移,在有利圈闭条件下聚集成藏㊂即,壳源含氦天然气藏的形成与富放射性元素的岩体分布㊁断裂及圈闭条件有关㊂航磁异常图显示,在山西中北部北纬38ʎ带附近存在一个局部正磁异常带,兴县附近的异常高值区与出露的紫金山岩体相对应(图6)[21]㊂石西区块位于兴县异常区南缘,异常值在100~150nT,推测该区域高的磁力异常高可能是由于在其深部存在燕山期的隐伏岩浆岩体或磁性基底㊂㊀㊀石西区块东北部柳林尖家沟发育燕山期金伯利岩带(距今180~100Ma),该岩带之北百余公里发育燕山期紫金山碱性岩体(图7)[22]㊂紫金山岩体由二3821煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷表1㊀石西区块天然气中氦气体积分数及同位素特征Table 1㊀Helium volume contents and isotopic values in nature gases from Shixi area井号层位样品数量体积分数/%N 2CO 2HeH 2R /R a (3He /4He)/10-8SX -1盒850.620.12~1.230.050~0.140.090.06~0.120.050.03~0.100.01 2.01SX -1-1盒840.330.17~0.610.180.13~0.210.090.07~0.140.050~0.140.02 2.71SX -1-2盒840.700.04~0.690.090~0.210.080.07~0.120.030~0.110.02 3.41SX -1-3盒840.460.50~1.380.040~0.220.100.05~0.120.060~0.07SX -14盒7㊁盒8㊁山240.510.21~0.880.820.54~1.220.070.05~0.120.050.04~0.060.02 3.18SX -14-1盒8㊁山2㊁太原组30.860.08~1.640.300.18~0.400.070.06~0.1100.02 3.02SX -14-2山24 1.010.71~2.010.610.40~0.820.070.05~0.0800.02 2.64SX -14-3千4㊁盒647.115.23~10.140.200~0.400.150.12~0.160.230.22~0.40 SX -15-1山西组㊁太原组40.430.12~0.590.970.75~1.130.070.06~0.090.060.04~0.080.02 2.24SX -15-2盒8㊁太原组40.150.07~0.280.640.44~0.860.060.05~0.0800.02 2.81SX -15-4盒4㊁盒7㊁山西组4 1.961.52~2.370.100.06~0.240.160.14~0.1700.0810.90SX -15-L1山西组㊁太原组10.170.160.0500.02 2.66SX -16盒7㊁山24 1.320.83~2.080.260.23~0.310.080.06~0.1100.04 5.01SX -16-2盒6㊁盒840.420.39~0.710.350.25~0.450.060.02~0.1000.02 2.14SX -16-3盒7㊁盒84 1.970.97~3.880.110.05~0.280.090.05~0.130.080.02 2.14SX -16-5盒84 1.110.41~2.050.050~0.160.100.08~0.140 SX -17石盒子组㊁山西组411.002.53~19.4600.180.13~0.230 SX -17-2盒8㊁山2㊁太原组10.950.780.090.16 SX -17-L1石盒子组㊁山西组10.300.200.0600.02 2.41SX -17-SL1石盒子组㊁山西组10.080.610.050.040.02 2.49SX -T -012盒6㊁盒85 1.020.25~2.0500.090.07~0.1200.03 3.74SX -032-L2盒81 1.1600.1300.03 3.55SX -35-L2盒810.350.080 57.10SX -018-L24号50.910.77~1.130.290~0.850.090.05~0.110 SX -T -06H18号10.061.290.23㊀㊀注:He 体积分数为测试的平均值;R 为样品中3He /4He 值;R a 为大气中3He /4He 值; 为未测数据;数据格式为平均值最小值~最大值㊂4821第4期刘㊀超等:鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现及成因初探图5㊀氦体积分数-氦同位素关系及与我国其他盆地的对比[5,11,16]Fig.5㊀Relation of the helium volume fraction-helium isotopeand comparison of other basin in China [5,11,16]图6㊀山西省及其邻区航磁异常[21]Fig.6㊀Aeromagnetic anomaly of Shanxi Province and itsadjacent areas [21]长岩㊁霓辉正长岩㊁暗霞正长岩和霓霞钛辉岩呈环带组成复式岩体(距今158.0~130.4Ma [22-24]),与尖家沟金伯利岩同源,构成二长岩-碱性岩-金伯利岩组合的金伯利岩建造[24]㊂中国陆壳中U,Th 元素的平均丰度分别为0.83ˑ10-6~1.76ˑ10-6和3.16ˑ10-6~6.69ˑ10-6[25],紫金山岩体U 丰度在0.36ˑ10-6~2.36ˑ10-6,Th 丰度为0.89ˑ10-6~9.73ˑ10-6[22],可以看出,紫金山岩体中的U,Th 丰度较高,部分高于地壳丰度,表明岩体中的U,Th 元素可以作为放射性衰变产生氦气提供来源㊂因此,石西区块氦气的可能来自于深部燕山期岩浆岩体的放射性元素衰变㊂1 超壳深断裂;2 壳内深断裂;3 地幔次级隆起轴;4 地幔次级坳陷轴;5 磁性基底层隆起轴;6 磁性基底层坳陷轴;7 燕山早期中碱性岩群;8 燕山早期碱性岩;9 燕山早期金伯利岩;10 研究区范围图7㊀石西区块及周边地区深部构造[22]Fig.7㊀Deep structure sketch map of Shixi area and itsadjacent areas [22]3.3㊀氦气聚集与保存条件断裂是氦气富集的重要原因,在地应力活跃地区的地质体会释放出氦气,并造成局部范围的聚集[7,19]㊂在研究区西部吴堡地区,可能存在断距较大的断裂构造[3,26](图1)㊂深部构造图显示,石西区块东西两侧存在地幔次级隆起轴和地幔次级坳陷轴,北东部发育一套以离石为节点的三联结构超壳/壳内深断裂系(图7)㊂石西区块深部存在的富含放射性元素的岩浆岩体不断衰变生成氦气,氦气沿断裂带产生的裂隙不断运移,这些断裂构成氦气运移的通道㊂区域范围内地层向西倾斜,地下水自东部露头区补给而向西顺地层流动,推测离石断裂带是深部氦气向上运移的主要通道,氦随地下水运移,在地下水滞留区富集㊂除岩体和构造外,保存条件对氦气富集也至关重要㊂石西区块含气层发育在上古生界,中生代下三叠统刘家沟组和和尚沟组㊁中三叠统纸坊组㊁中-上三叠统延长组为区内气藏的主要盖层㊂石西区块含氦气藏形成可能是多套盖层累加封盖的结果,阻止了气5821煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷体上移扩散,形成有效气藏㊂4㊀结㊀㊀论(1)天然气组分测试结果表明鄂尔多斯东缘中部石西区块天然气中氦气体积分数为0.02%~ 0.23%,平均0.089%,部分气样潜在工业开采利用价值㊂天然气氦稳定同位素组成3He/4He为0.02ˑ10-6~0.05ˑ10-6,R/R a值为0.01~0.02,属于典型的壳源氦㊂(2)石西区块东部柳林尖家沟发育燕山期金伯利岩带,该岩带之北百余公里发育与其同源的燕山期紫金山碱性岩体㊂物探资料显示石西区块基底存在与花岗岩有关的磁性体,表明石西区块内的壳源氦气主要来源于尖家沟-紫金山岩体深部放射性元素衰变㊂区块东部离石断裂带可能提供了氦气运移的主要通道,多套储盖层组合为氦气的保存提供了良好条件㊂(3)鄂尔多斯盆地在适宜的地质条件下可以形成富氦天然气,其富集成藏条件的研究将丰富和发展氦气成藏理论㊂参考文献(References):[1]㊀陶小晚,李建忠,赵力彬,等.我国氦气资源现状及首个特大型富氦储量的发现:和田河气田[J].地球科学,2019,44(3): 1024-1041.TAO Xiaowan,LI Jianzhong,ZHAO Libin,et al.Helium resources and discovery of first supergiant Helium reserve in China:Hetian-he gas field[J].Earth Science-Journal of China University of Geo-sciences,2019,44(3):1024-1041.[2]㊀HAMAK J E.Mineral commodity summaries,2017,Helium[R].Washington D C:United Stated Geological Survey,2017:78-79.[3]㊀戴金星,李剑,侯路.鄂尔多斯盆地氦同位素的特征[J].高校地质学报,2005,11(4):473-478.DAI Jinxing,LI Jian,HOU Lu.Characteristics of Helium isotopes in the Ordos Basin[J].Geological Journal of China Universities, 2005,11(4):473-478.[4]㊀张云鹏,李玉宏,卢进才,等.柴达木盆地北缘富氦天然气的发现 兼议成藏地质条件[J].地质通报,2016,35(S1):364-371.ZHANG Yunpeng,LI Yuhong,LU Jincai,et al.The discovery and or-igin of helium-rich gas on the northern margin of the Qaidam Basin [J].Geological Bulletin of China,2016,35(S1):364-371. [5]㊀徐永昌.天然气中的幔源稀有气体[J].地学前缘,1996,3(3/4):63-71.XU Yongchang.The mantle noble gas of natural gases[J].Earth Sci-ence Frontier,1996,3(3/4):63-71.[6]㊀陶明信,沈平,徐永昌,等.苏北盆地幔源氦气藏的特征与形成条件[J].天然气地球科学,1997,8(3):1-8.TAO Mingxin,SHEN Ping,XU Yongchang,et al.Characteristics andFormation conditions of mantle source helium reservoir in North Jian-gsu Basin[J].Natural Gas Geoscience,1997,8(3):1-8. [7]㊀李玉宏,卢进才,李金超,等.渭河盆地富氦天然气井分布特征与氦气成因[J].吉林大学学报(地球科学版),2011,41(S1): 47-53.LI Yuhong,LU Jincai,LI Jinchao,et al.Distribution of the Helium-rich wells and Helium derivation in Weihe Basin[J].Journal of Jilin University(Earth Science Edition),2011,41(S1):47-53. [8]㊀张子枢.四川盆地天然气中的氦[J].天然气地球科学,1992(4):1-8.ZHANG Zishu.Helium of nature gas in Sichuan Basin[J].Natural Gas Geoscience,1992(4):1-8.[9]㊀戴金星.威远气田成藏期及气源[J].石油实验地质,2003,25(5):473-480.DAI Jinxing.Pool-forming periods and gas sources of Weiyuan Gas-field[J].Petroleum Geology&Experiment,2003,25(5):473-480.[10]㊀魏国齐,王东良,王晓波,等.四川盆地高石梯 磨溪大气田稀有气体特征[J].石油勘探与开发,2014,41(5):533-538.WEI Guoqi,WANG Dongliang,WANG Xiaobo,et al.Characteris-tics of noble gases in the large Gaoshiti-Moxi gas field in SichuanBasin[J].Petroleum Exploration and Development,2014,41(5):533-538.[11]㊀DAI Jinxing,NI Yunyan,QIN Shengfei,et al.Geochemical charac-teristics of He and CO2from the Ordos(cratonic)andBohaibay(rift)basins in China[J].Chemical Geology,2017,469(10):192-213.[12]㊀YU Kun,JU Yiwen,QI Yu,et al.Geological process of Late Paleo-zoic shale gas generation in the eastern Ordos Basin,China:Revela-tions from geochemistry and basin modeling[J].International Jour-nal of Coal Geology,2020,229:103569.[13]㊀姜波,许进鹏,朱奎,等.鄂尔多斯盆地东缘构造-水文地质控气特征[J].高校地质学报,2012,18(3):438-446.JIANG Bo,XU Jinpeng,ZHU Kui,et al.Structural and hydrogeo-logical controls of coalbed methane preservation in the Eastern Or-dos Basin[J].Geological Journal of China Universities,2012,18(3):438-446.[14]㊀李勇,汤达祯,方毅,等.鄂尔多斯盆地东缘煤层气甲烷碳同位素分布及成因[J].中国科学:地球科学,2014,44(9):1940-1947.LI Yong,TANG Dazhen,FANG Yi,et al.Distribution of stable car-bon isotope in coalbed methane from the east margin of Ordos Basin[J].Scientia Sinica(Terrae),2014,44(9):1940-1947.[15]㊀戴金星.中国天然气地质学[M].北京:石油工业出版社,1992.[16]㊀张雪.渭河盆地天然气及氦气成藏条件与资源量预测[D].西安:长安大学,2015.ZHANG Xue.Accumulation Conditions and resource predictionof nature gas and Helium gas in Weihe Basin[D].Xi an:Changan University,2015.[17]㊀OZIMA M,PODOSEK F A.Noble gas geochemistry[M].Cam-bridge:Cambridge University,2002.[18]㊀WANG Xiaofeng,LIU Wenhui,LI Xiaobin,et al.Radiogenic heli-um concentration and isotope variations in crustal gas pools from Si-6821第4期刘㊀超等:鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现及成因初探chuan Basin,China[J].Applied Geochemistry,2020,117:104586.[19]㊀韩伟,刘文进,李玉宏,等.柴达木盆地北缘稀有气体同位素特征及氦气富集主控因素[J].天然气地球科学,2020,31(3):385-392.HAN Wei,LIU Wenjin,LI Yuhong,et al.Characteristics of rare gasisotopes and main controlling factors of radon enrichment inthe northern margin of Qaidam Basin[J].Natural Gas Geoscience,2020,31(3):385-392.[20]㊀LI Yuhong,ZHANG Wen,WANG Li,2017.Henry s law and accu-mulation of weak source for crust-derived helium:A case studyof Weihe Basin,China[J].Journal of Natural Gas Geoscience,2017,2(5-6):333-339.[21]㊀刘金兰.重磁位场新技术与山西断陷盆地构造识别划分研究[D].西安:长安大学,2008.LIU Jinlan.Development new technologies for potential field pro-cessing and research on the tectonic recognition&divisionof Shanxi Fault Basin[D].Xi an:Chang an University,2018.[22]㊀谢英刚,秦勇,叶建平,等.临兴地区上古生界煤系致密砂岩气成藏条件分析[J].煤炭学报,2016,41(1):181-191.XIE Yinggang,QIN Yong,YE Jianping,et al.Accumulation condi-tions of tight gas in the Upper Paleozoic of Linxing Block[J].Jour-nal of China Coal Society,2016,41(1):181-191. [23]㊀YING Jifeng,ZHANG Hongfu,SUN Min,et al.Petrology and geo-chemistry of Zijinshan alkaline intrusive complex in Shanxi Prov-ince,western North China Craton:Implication for magma mixingof different sources in an extensional regime[J].Lithos,2007,98(1-4):45-66.[24]㊀徐俊.山西地块的深部构造和金伯利建造:兼论金刚石矿与稳定地块的深部过程[J].中国地质,2013,40(3):790-799.XU Jun.Deep structure of Shanxi massif and kimberlite formation:A discussion on the deep process of the stable massif inrelation to diamond deposits[J].Geology in China,2013,40(3):790-799.[25]㊀WANG Y,SUN Z M.Crustal composition of China continent con-strained from heat flow data and Helium isotope ratio of under-ground fluid[J].Acta Geologica Sinica,2010,84(1):178-184.[26]㊀王同和.晋陕地区地质构造演化与油气聚集[J].华北地质矿产杂志,1995(3):283-398.WANG Tonghe.Evolutionary characteristics of geological structureand oil-gas accumulation in Shanxi-Shaanxi area[J].Journal Geol-ogy and Mining Research North China,1995(3):283-398.7821。
基于地质雷达探测技术的巷道围岩松动圈测定
３３
２０１３ 年第 ３ 期
煤炭科学技术
第 ４１ 卷
最大可达 １２ ｍꎮ 由雷达测试的波形图看出测线波 雷达波形图纵向不规律处表现为裂隙等地质构造影
导线点以东 ５������ ６ ｍ 底板 １������ ７ ３������ ５ 左帮 ２������ ５ ３������ ０ 顶板 ２������ ０ ３������ ４ 右帮 ３������ ５ ４������ ６
表 １㊀ 松动圈测试范围
项目 最小值 / ｍ 最大值 / ｍ 导线点以东 ９７������ ０ ｍ 左帮 ２������ １ ３������ ２ 顶板 １������ ２ ４������ ３ 右帮 １������ ７ ４������ ２
㊀ ㊀ 通用的地质雷达测量方法为剖面法ꎬ 即发射天 数据处理ꎬ可得到深度 － 平距正演图像ꎬ 进而利用地 质㊁钻探资料或其他方法所获结果并结合对图像的 得到地质雷达探测波形图ꎮ 波形图能够很好地反映
不同层次的岩石破坏并逐步由周边向纵深扩展ꎬ 形 定的松动圈直接影响巷道稳定性控制ꎬ 探测松动圈
收稿日期:２０１２－１０－１８ꎻ责任编辑:曾康生 作者简介:伍永平( １９６２
ꎬ 这个不稳
基金项目:国家自然科学基金重大研究计划资助项目(９０２１００１２) ꎻ陕西省重点实验室重点资助项目(０５ＪＳ２３)
引用格式:伍永平ꎬ翟㊀ 锦ꎬ解盘石ꎬ等. 基于地质雷达探测技术的巷道围岩松动圈测定[ Ｊ] . 煤炭科学技术ꎬ２０１３ꎬ４１(３) :３２－３４ꎬ３８.
图 ２㊀ 巷道失稳现场
２㊀ 围岩松动圈测试及分析
２������ １㊀ 测试设备及测试原理 ㊀ ㊀ 地质雷达的工作原理是利用高频电磁波以宽频 带短脉冲的形式ꎬ由地表通过发射天线向地层发射
基于RFPA-3D含裂隙矿体破裂扩展数值模拟研究
世界有色金属 2023年 10月上10C omputer automation计算机自动化基于RFPA-3D 含裂隙矿体破裂扩展数值模拟研究邵陆航（首钢滦南马城矿业有限责任公司，河北 唐山 ０６３５００）摘 要：为了深入探究不同参数条件下含裂隙矿体的力学特性及破裂扩展路径、破坏模式及破裂扩展规律，借助ＲＦＰＡ－３Ｄ真实数值模拟仿真软件开展了３种不同长度预制裂隙及５种不同角度下的单轴压缩数值模拟试验。
结果表明：①随着裂隙长度增大，模型试样峰值应力逐渐降低；随着裂隙倾角增大，模型试样峰值应力出现“Ｖ”字型变化规律；当裂隙倾角为６０°时，模型试样峰值应力最低。
②张拉应力是引起模型试样裂隙尖端产生起裂的主要因素，剪切应力是造成裂隙横向扩展并形成破碎区的主要原因。
③０°~３０°模型试样以张拉劈裂破坏为主，４５°~６０°模型以剪切破坏为主，９０°模型试样呈现出明显的剪切－张拉组合破坏。
关键词：破裂演化特征；裂隙矿体；非均质性；力学特性中图分类号：ＴＤ３２７．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２３）１９－００１０－３Numerical simulation of fracture propagation of magnetite containing cracks based on RFPA-3DSHAO Lu-hang（Ｌｕａｎｎａｎ Ｍａｃｈｅｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．， Ｓｈｏｕｇａｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ． ，Ｌｔｄ．， Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３５００，Ｃｈｉｎａ） Abstract: Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｅｐｌｙ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐａｔｈ， ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ， ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｔｅ ｗｉｔｈ ｃｒａｃｋｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｃｒａｃｋｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｎｇｔｈｓ ａｎｄ ｆｉｖｅ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｇｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ＲＦＰＡ－３Ｄ ｒｅａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ： ① ａｓ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｌｅｎｇｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ， ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ； Ａｓ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ， ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓａｍｐｌｅ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ａ ＂Ｖ＂ ｓｈａｐｅｄ ｃｈａｎｇｅ ｐａｔｔｅｒｎ； Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｉｓ ６０°， ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ． ② Ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ａｔ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｔｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎ， ｗｈｉｌｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｔｅｒａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ． ③ Ｔｈｅ ０°~３０° ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｍａｉｎｌｙ ｅｘｈｉｂｉｔ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ， ｔｈｅ ４５°~６０° ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｓｈｅａｒ ｆａｉｌｕｒｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ９０° ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｏｂｖｉｏｕｓ ｓｈｅａｒ ｔｅｎｓｉｌｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｆａｉｌｕｒｅ．Keywords: Ｉｒｏｎ ｔａｉｌｉｎｇｓ；Ｆｉｓｓｕｒｅ ｍａｇｎｅｔｉｔｅ；Ｍｉｘｉｎｇ ａｎｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ收稿日期：２０２３－０８作者简介：邵陆航，男，生于１９９２年，汉族，河北石家庄人，硕士研究生，矿山地质与选矿助理工程师，研究方向：矿山开采设计工作。
RFPA2D使用介绍
第四章
基本版【RFPA2D-Basic】 ............................................................12
பைடு நூலகம்
4.1 基本版【RFPA2D-Basic】介绍 ....................................................................... 12 4.2 基本版【RFPA2D-Basic】工作界面及基本操作 ............................................ 12 4.3 基本版【RFPA2D-Basic】典型算列 ............................................................. 21
第二章
RFPA2D软件的特点概述 .................................................................4
2.1 RFPA软件概述 ................................................................................................ 4 2.2 RFPA软件基本原理 ......................................................................................... 4
第三章
安装指南 ......................................................................................10
煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用
㊀第４９卷第４期煤炭科学技术Ｖｏｌ ４９㊀Ｎｏ ４㊀㊀２０２１年４月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀Ａｐｒ．２０２１㊀移动扫码阅读任怀伟，巩师鑫，刘新华，等．煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用［Ｊ］．煤炭科学技术，２０２１，４９（４）：１４９－１５８ ｄｏｉ：１０ １３１９９／ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２１ ０４ ０１８ＲＥＮＨｕａｉｗｅｉ，ＧＯＮＧＳｈｉｘｉｎ，ＬＩＵＸｉｎｈｕａ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｆｏｒｋｉｌｏ－ｍｅｔｅｒｄｅｅｐｃｏａｌｍｉｎｅ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，４９（４）：１４９－１５８ ｄｏｉ：１０ １３１９９／ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２１ ０４ ０１８煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用任怀伟１，２，巩师鑫１，２，刘新华１，２，吕㊀益３，文治国１，２，刘万财３，张㊀帅１，２（１．中煤科工开采研究院有限公司科创中心，北京㊀１０００１３；２．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京㊀１０００１３；３．中煤新集能源股份有限公司口孜东煤矿，安徽淮南㊀２３２１７０）摘㊀要：千米深井复杂条件煤层智能化开采是当前煤矿技术发展迫切需要解决的难题㊂以中煤新集口孜东煤矿１４０５０２工作面地质条件为基础，针对该工作面俯采倾角变化大㊁矿压显现剧烈㊁顶板煤壁破碎所致的采场围岩稳定控制难㊁液压支护系统适应性降低等问题，研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术，为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑㊂研发了基于ＬＯＲＡ的工作面液压支架（围岩）状态监测系统，同时获取立柱压力和支架姿态数据㊂提出了基于大数据分析的矿压分析预测方法，采用ＦＬＰＥＭ和ＡＲＭＡ两种算法组合预测提升精度和效率，采用数据分布域适应迁移算法解决了支护过程中时变工况导致预测模型失准的问题，模型预测精度达到９２％以上㊂研发了基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统，支撑复杂条件下的围岩控制和煤层跟随截割控制的智能决策㊂现场试验表明：工作面在试验期开采高度达到６．５ｍ，在１４ʎ １７ʎ俯采㊁顶板相对破碎㊁煤层硬度１．６的条件下，月产达到３１．５万ｔ㊂设备可靠性和适应性较之前该矿使用设备明显提升，工作面安全性大幅改善，实现了千米深井三软煤层的安全高效开采㊂关键词：千米深井；智能开采；位姿状态监测；大数据分析；分析决策中图分类号：ＴＤ６７㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：０２５３－２３３６（２０２１）０４－０１４９－１０Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｆｏｒｋｉｌｏ－ｍｅｔｅｒｄｅｅｐｃｏａｌｍｉｎｅＲＥＮＨｕａｉｗｅｉ１，２，ＧＯＮＧＳｈｉｘｉｎ１，２，ＬＩＵＸｉｎｈｕａ１，２，ＬＹＵＹｉ３，ＷＥＮＺｈｉｇｕｏ１，２，ＬＩＵＷａｎｃａｉ３，ＺＨＡＮＧＳｈｕａｉ１，２（１．ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，ＣＣＴＥＧＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎｉｎｇＢｒａｎｃｈ，ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３，Ｃｈｉｎａ；３．ＫｏｕｚｉｄｏｎｇＭｉｎｅＣｏａｌ，ＸｉｎｊｉＥｎｅｒｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＣｈｉｎａＮａｔｉｏｎａｌＣｏａｌＧｒｏｕｐＣｏｒｐ．，Ｈｕａｉｎａｎ㊀２３２１７０，Ｃｈｉｎａ）收稿日期：２０２１－０２－２８；责任编辑：曾康生基金项目：国家重点研发计划资助项目（２０１７ＹＦＣ０６０３００５）；国家自然科学基金重点资助项目（５１８３４００６）；国家自然科学基金面上资助项目（５１８７４１７７４）；中国煤炭科工集团科技专项重点资助项目（２０１９－ＴＤ－ＺＤ００１）作者简介：任怀伟（１９８０ ），男，河北廊坊人，研究员，硕士生导师，博士，中国煤炭科工集团三级首席科学家㊂Ｔｅｌ：０１０－８４２６３１４２，Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｈｕａｉｗｅｉ＠ｔｄｋｃｓｊ．ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｏｆｃｏａｌｓｅａｍｓｉｎｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｋｉｌｏ－ｍｅｔｅｒｄｅｅｐｃｏａｌｍｉｎｅｉｓａｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｒｇｅｎｔｌｙｎｅｅｄｓｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆＮｏ．１４０５０２ｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｉｎＫｏｕｚｉ⁃ｄｏｎｇＭｉｎｅＣｏａｌ，ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｎｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｃａｕｓｅｄｂｙｌａｒｇｅｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒ－ｍｉｎｉｎｇｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ，ｓｅｖｅｒｅｍｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｂｒｏｋｅｎｒｏｏｆａｎｄｃｏａｌｗａｌｌ，ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｏｆｃｏｍｐｌｅｘｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎｋｉｌｏ－ｍｅｔｅｒｄｅｅｐｃｏａｌｍｉｎｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｍｉｎｉｎｇｏｆｃｏｍｐｌｅｘａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔ－ｔｏ－ｍｉｎｅｃｏａｌｓｅａｍｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａＬＯＲＡ－ｂａｓｅｄｓｔａｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｓ（ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ）ｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎａｃｑｕｉｒｅｐｏｓｔｕｒｅｄａｔａｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｗｈｉｌｅａｃｑｕｉｒｉｎｇｃｏｌｕｍｎｐｒｅｓｓｕｒｅｄａｔａ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｍｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆＦＬＰＥＭａｎｄＡＲＭＡａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｗａｓｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄｄａｔａｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｏｍａｉｎａｄａｐｔｉｖｅｍｉｇｒａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｉｎａｃｃｕｒａｔｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｉｍｅ－ｖａｒｙｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｐｒｏｃｅｓｓｓｏｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｒｅａｃｈｅｄ９２％．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＵｎｉｔｙ３Ｄｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏ９４１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇｆｏｒｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｃｏａｌｓｅａｍｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｕｎｄｅｒｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｆｉｅｌｄｔｒｉ⁃ａｌｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｒｅａｃｈｅｄ６．５ｍｄｕｒｉｎｇｔｈｅｔｅｓｔｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅｍｏｎｔｈｌｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｈｅｄ３１５０００ｔｏｎｓｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆ１４ʎ １７ʎｏｆｓｌｏｐｉｎｇｍｉｎｉｎｇａｎｇｌｅ，ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｂｒｏｋｅｎｒｏｏｆ，ａｎｄ１．６ｏｆｃｏａｌｓｅａｍｈａｒｄｎｅｓｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｐｒｅｖｉｏｕｓｕｓｅｄｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｅｗｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｗａｓｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｃｈａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｓａｆｅａｎｄｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｔｍｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｓｏｆｔｃｏａｌｓｅａｍｉｎ１０００ｍｄｅｅｐｃｏａｌｍｉｎｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐｋｉｌｏ－ｍｅｔｅｒｍｉｎｅ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇ；ｐｏｓｉｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｌａｒｇｅｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ；ａｎａｌｙｓｉｓｄｅｃｉｓｉｏｎ０㊀引㊀㊀言开采自动化㊁智能化技术研究是当前煤炭领域研究的热点［１］㊂针对不同地质条件，国内外学者在采场状态感知与建模㊁自动控制技术以及开采装备创新方面开展了大量研究㊂澳大利亚联邦科学与工业研究组织研发出ＬＡＳＣ技术，采用军用高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法获知采煤机的三维坐标，实现工作面自动找直等智能化控制［２－３］㊂液压支架自动跟机㊁采煤机斜切进刀自动控制及基于位置感知的三机协同推进控制等在地质条件相对较好的陕北㊁神东等矿区已经得到推广应用，基本实现了 工作面无人操作，工作面巷道有人值守 的常态化开采［４－６］㊂对于地质条件相对复杂的薄煤层及中厚煤层，研发了基于动态修正地质模型的智能采掘技术，采用定向钻孔㊁随采探测等动态修正工作面地质模型，通过构建工作面绝对坐标数字模型实行自主智能割煤［７－９］㊂然而，对于我国东部山东㊁淮南等矿区埋深１０００ｍ左右的深部复杂条件煤层，已有的自动化㊁智能化技术难以达到预期效果㊂深部采场一般存在着高地温㊁高地压㊁大变形的特点，矿压显现强烈，顶板㊁煤壁破碎，工作面倾角变化幅度剧烈，巷道变形大［１０］㊂目前，工作面自动化㊁智能化开采还无法预知所有的地质条件变化情况，开采装备也无法适应大范围的地质参数变化，因而实现自动化㊁智能化难度非常大㊂但从另外的角度，这些深部开采工作面用人多，安全性差，生产环境恶劣，恰恰最需要实现自动化㊁智能化㊂实现煤矿深部智能开采，最重要的是实现采场围岩稳定性控制以及 移架－割煤－运煤 过程与围岩空间动态变化的适应性控制㊂采场围岩稳定性控制需考虑采场上覆围岩结构及参数㊁运移特征㊁支护参数等，提出能够自适应控制围岩的策略和方法［１１－１２］；工作面装备运行与围岩空间变化的适应性控制则涉及装备运行特征㊁围岩动态变化规律㊁空间位姿测量及表征等，给出运行趋势的分析方法和预测性控制算法［１３］㊂其中，支护系统状态测量㊁适应性设计以及装备运行态势的分析预测是首先需要解决的关键问题㊂笔者以中煤新集口孜东煤矿１４０５０２工作面为工业性试验点，针对工作面俯采倾角变化大㊁矿压显现剧烈㊁顶板煤壁破碎所带来的采场围岩稳定性控制难度大㊁液压支护系统适应性降低等问题，基于工作面煤层地质条件研发了７ｍ四柱式超大采高液压支架；建立了工作面状态监测系统，实时监测和解算支架支护状态和围岩定性；研发了基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统，突破千米深井智能开采围岩稳定性控制和装备运行适应性控制的关键技术瓶颈㊂１㊀千米深井工作面地质条件及开采特点１．１㊀口孜东煤矿５号煤煤层赋存条件口孜东煤矿５号煤埋深９６７ｍ，工作面沿倾斜条带布置，走向方向南部平缓，北部较陡，煤层平均倾角１４ʎ，局部２０ʎ，俯采最大角度１７ʎ㊂１４０５采区工作面布置如图１所示，首采１４０５０２工作面倾向倾角８ʎ １５ʎ，平均倾角１４ʎ，局部２０ʎ㊂煤层厚度２．８６９．７５ｍ，平均６．５６ｍ，普氏系数１．６㊂工作面顶㊁底板以泥岩为主，少数为细砂岩㊁粉砂岩及砂质泥岩，顶㊁底板围岩特点是岩层较软㊂图１㊀口孜东煤矿１４０５采区工作面布置Ｆｉｇ．１㊀ＬａｙｏｕｔｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎＮｏ．１４０５ｍｉｎｉｎｇａｒｅａｏｆＫｏｕｚｉｄｏｎｇＭｉｎｅ口孜东煤矿１４０５采区煤层厚度等厚线如图２所示，６．０ｍ煤层以上占总采区８０％，７．０ｍ以上煤层占总采区的５０％，８．０ｍ以上煤层占总采区的１０％㊂确定最小采高４．５０ｍ，最大采高７．００ｍ，平均０５１任怀伟等：煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用２０２１年第４期采高６．５６ｍ㊂图２㊀口孜东煤矿１４０５采区煤层厚度等厚线Ｆｉｇ．２㊀ＣｏａｌｓｅａｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｃｏｎｔｏｕｒｏｆＮｏ．１４０５ｍｉｎｉｎｇａｒｅａｉｎＫｏｕｚｉｄｏｎｇＭｉｎｅ１．２㊀工作面装备选型配套根据口孜东煤矿５号煤层地质赋存条件，通过对比分析不同采煤方法㊁支架方案选择的优缺点，综合分析产量和效率因素㊁资源采出率因素㊁采空区遗煤自然发火因素㊁工作面超前段巷道维护因素㊁工作面支护因素㊁人员因素㊁智能化开采因素等，确定选择７．０ｍ大采高一次采全高采煤方法进行开采㊂淮南地区地质构造与国内其他地区有较大不同，具体表现为埋深大㊁ 三软 煤层㊁倾角大㊁松散层厚㊁基岩薄等，工作面主要采用俯斜长壁采煤法㊂对于口孜东煤矿１４０５０２工作面而言，大采高开采可以充分发挥资源采出率高㊁开采工艺简单㊁工作面推进速度快㊁设备维护量少㊁易于实现自动化和有利于工作面 一通三防 等优势，但需要对液压支架与围岩适应性进行深入分析研究，要综合考虑支护强度㊁顶梁前端支撑力㊁合力作用点调节范围㊁防片帮冒顶㊁防扎底等多种因素，对液压支架和成套装备参数进行针对性设计㊂确定支架最大高度７．２ｍ，最小高度考虑运输与配套尺寸，确定为３．３ｍ㊂１４０５０２工作面配套装备见表１㊂表１㊀１４０５０２工作面成套装备Ｔａｂｌｅ１㊀ＣｏｍｐｌｅｔｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎＮｏ．１４０５０２ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ序号设备设备主要技术参数参考型号１中部支架工作阻力１８０００ｋＮ；高度３．３ ７．２ｍ；支护强度１．７３ １．７８ＭＰａＺＺ１８０００／３３／７２Ｄ过渡支架工作阻力２２０００ｋＮ；高度２．９ ６．０ｍ；支护强度１．５３ＭＰａＺＺＧ２２０００／２９／６０Ｄ端头支架工作阻力２４２００ｋＮ；高度２．９ ５．５ｍ；支护强度１．５ＭＰａＺＺＴ２４２００／２９／５５Ｄ２采煤机总功率２５９０ｋＷ；采高４．５ ７．０ｍ；滚筒直径３．５ｍ；截深０．８６５ｍＭＧ１０００／２５９０－ＧＷＤ３刮板输送机功率３ˑ１２００ｋＷ；运输能力４０００ｔ／ｈ；卸载方式交叉侧卸ＳＧＺ１２５０／３ˑ１２００４转载机输送能力４５００ｔ／ｈ；长度约５０ｍ；功率７００ｋＷＳＺＺ１３５０／７００５破碎机破碎能力５０００ｔ／ｈ；功率７００ｋＷ；电压３３００ＶＰＣＭ７００７乳化液泵站工作压力３７．５ＭＰａ；流量６３０Ｌ／ｍｉｎ；电机功率５００ｋＷＢＲＷ６３０／３７．５８喷雾泵站工作压力１６ＭＰａ；额定流量５１６Ｌ／ｍｉｎ；电机功率１６０ｋＷＢＰＷ５１６／１６㊀㊀工作面成套装备地面联调试验情况如图３所示㊂图３㊀工作面成套装备地面联调Ｆｉｇ．３㊀Ｇｒｏｕｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｊｏｉｎｔｄｅｂｕｇｇｉｎｇｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ２㊀千米深井工作面智能开采技术路径针对千米深井复杂条件工作面开采，除成套装备功能㊁参数与围岩条件相匹配外，控制系统能否适应环境动态变化㊁控制围岩稳定并驱动装备跟随煤层自动推进是影响开采效率和安全㊁减少作业人员㊁降低劳动强度的关键［１４－１５］㊂目前，在地质条件简单㊁煤层变化小的工作面，智能化开采技术与装备主要实现开采工艺自动化和 三机 装备协调联动控制，以提升开采效率为目标［１６］㊂然而，上述口孜东煤矿５号煤１４０５０２工作面走向倾向都有倾角㊁顶板破碎㊁围岩大变形，是典型的复杂条件工作面㊂在该工作面实施７．０ｍ大采高开采，极易发生片帮㊁冒顶㊁扎底㊁飘溜㊁上窜下滑等问题，必须通过现场操作工人的经验提前实施预防措施，现有自动化技术无法完成上述功能㊂因此，复杂条件煤层智能开采必须在装备性能㊁参数足够满足要求的前提下，实现以围岩稳定支护和煤层跟随截割为目标的环境适应性控制，是一个不依赖人工操作的自适应自学习过程㊂１５１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷如图４所示复杂条件煤层智能开采技术路径图㊂环境适应性控制的前提是要首先知道环境的状态，然后对环境变化趋势进行分析和预测，最后通过智能控制技术给出 三机 装备运动参数㊂图４㊀复杂条件智能化开采技术路径Ｆｉｇ．４㊀Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐａｔｈｕｎｄｅｒｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ㊀㊀环境状态这里先考虑围岩压力和煤层赋存状态，主要采用压力传感器测量工作面来压情况，采用倾角传感器测量工作面倾角及设备姿态㊂以测量数据为基础，通过支架－围岩耦合关系模型，判断顶板㊁煤壁稳定性，通过三维力学模型判断支架受力状态及其动态变化，通过运动学模型判断工作面推进方向变化趋势㊂工作面装备智能控制综合实时控制㊁趋势控制㊁群组控制㊁模型跟随控制等技术，实现开采工艺工序优化㊁功能参数调整的多数据融合决策，完成工作面稳定支护㊁截割空间与煤层空间最佳重合的自主连续生产㊂３㊀７．０ｍ大采高复杂条件工作面智能化关键技术３．１㊀７．０ｍ超大采高液压支架适应性设计围岩支护和装备推进都离不开液压支架㊂复杂条件工作面开采首先要求液压支架要有适应围岩变化的能力㊂针对口孜东煤矿５煤的１４０５０２工作面条件，对液压支架结构和动态性能进行创新设计，研制出最高的ＺＺ１８０００／３３／７２Ｄ四柱式一次采全高液压支架，如图５所示㊂３．１．１㊀架型参数及支护强度设计根据口孜东煤矿５煤地质条件，以俯采为主且顶板相对破碎，煤层较软，底板主要为泥岩，因此重点考虑顶梁合力作用点控制，以及片帮㊁扎底和漏矸等异常状况㊂为此，采用四柱式液压支架，提升顶梁控制能力㊁防止底座扎底；同时为增强顶梁前端支撑力，采用前后立柱不同缸径设计㊂前立柱采用４００图５㊀ＺＺ１８０００／３３／７２Ｄ四柱式一次采全高液压支架Ｆｉｇ．５㊀ＺＺ１８０００／３３／７２Ｄｆｏｕｒ－ｃｏｌｕｍｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｍｉｎｉｎｇｆｕｌｌ－ｈｅｉｇｈｔｏｎｅｃｅｍｍ缸径，后立柱采用３２０ｍｍ缸径㊂当顶梁合力作用点前移㊁后立柱难以发挥作用时，支架仍有足够的支撑能力㊂根据计算，顶梁前端支撑力最大达到５０００ｋＮ，支架支护强度达到１．７２ＭＰａ，远超过同等高度㊁支护力的支架，这样可以很好的控制顶板，同时减少顶板对煤壁的压力，减轻片帮程度㊂３．１．２㊀护帮及稳定性设计为防止煤壁片帮㊁冒顶，采用伸缩梁＋铰接三级护帮的结构，当采煤机割过煤后，伸缩梁立即伸出并打开护帮板，实现及时支护，避免片帮㊁冒顶的发生㊂伸缩梁行程１０００ｍｍ，大于截割滚筒宽度８６５ｍｍ，在特殊情况下可伸入煤壁支护；三级护帮板回转２５１任怀伟等：煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用２０２１年第４期１８０ʎ后可上翘３ʎ，护帮总高度３５００ｍｍ，如图６所示㊂图６㊀ＺＺ１８０００／３３／７２Ｄ四柱式一次采全高液压支架护帮板结构Ｆｉｇ．６㊀ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＺＺ１８０００／３３／７２Ｄｆｏｕｒ－ｃｏｌｕｍｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｇｕａｒｄｐｌａｔｅｆｏｒｏｎｅ－ｔｉｍｅｍｉｎｉｎｇｆｕｌｌ－ｈｅｉｇｈｔ同时，针对工作面走向㊁倾向都有倾角的情况，充分考虑俯采情况下的支架稳定性，合理设计结构件质量和尺寸，使支架重心尽量靠后，适应俯采倾角２０ʎ以下的情况；优化后支架临界俯斜失稳㊁仰斜失稳㊁侧翻失稳分别为２２．２５ʎ，２３．７ʎ以及１８．６ʎ，均大于煤层在各个方向上的倾角㊂设置防倒防滑装置，在工作面两端角度较大的区域安装，辅助调整支架，保障工作面支护系统稳定性㊂３．１．３㊀密闭性及可靠性设计工作面在移架过程中可能有矸石冒落，为此支架需要加强密闭性设计㊂ＺＺ１８０００／３３／７２Ｄ四柱式一次采全高液压支架顶梁和掩护梁均设计双侧活动侧护板，顶梁与掩护梁的铰接处具备防漏矸功能；后连杆设计固定侧护板与挡矸板；尽可能让支架后部封闭，阻止矸石进入支架内部㊂同时，加强推移千斤顶和抬底千斤顶，增强抬底力和推移力，保证动作到位㊂为防止拔后立柱造成活柱固定销损坏，增加销轴直径至５０ｍｍ，大幅增加可靠性㊂３．２㊀工作面液压支架（围岩）状态监测系统研发通过安装在液压支架上的压力传感器反映顶板压力变化情况和岩层运移规律是普遍采用的研究工作面状态的方法［１７］㊂然而，对于走向㊁倾向均有倾角的千米深井复杂条件工作面，只有压力数据还不足以反映围岩情况，必须将立柱压力状态和支架姿态数据（工作面角度）结合起来㊂为同时获取支架压力和姿态数据，研发了基于ＬＯＲＡ的工作面液压支架（围岩）状态监测系统㊂系统结构如图７所示㊂在液压支架上安装双通道压力传感器和３个三轴倾角传感器，通过ＬＯＲＡ自组网与数据监测分站连接，实现数据传输；数据监测分站汇聚工作面局部数据后通过ＣＡＮ总线上传至主站㊂图７㊀基于ＬＯＲＡ的工作面液压支架（围岩）状态监测系统Ｆｉｇ．７㊀ＬＯＲＡ－ｂａｓｅｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ（ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ）主站与工作面集控中心通过ＯＰＣ数据接口通信，将数据通过井下工业以太环网上传至地面的三维仿真系统进行数据分析及控制应用㊂整个系统的通信链路为 集控中心－主（以太网）㊁主－分（ＣＡＮ总线）㊁分－传感器（ＬｏＲａ自组网） ㊂根据工作面地质条件㊁无线信号传输距离和数３５１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷据采集需求，现场每３台液压支架安装一套监测传感器（包括前㊁后立柱压力２个压力传感器和顶梁㊁掩护梁㊁底座３个倾角传感器），总计安装４０套；在工作面端头安装１台分站，在顺槽集控中心安装１台主站㊂布置方案如图８所示㊂图８㊀井下设备布置方案Ｆｉｇ．８㊀Ｌａｙｏｕｔｐｌａｎｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔ三轴无线倾角传感器布置方案如图９所示㊂传感器为本质安全型，测量角度范围ʃ９０ʎ，测量误差ʃ１ʎ，传输协议采用ＭｏｄｂｕｓＴＣＰ，采集周期：２０ｓ，延时小于１００ｍｓ，供电方式为干电池供电，可满足１年以上数据采集电量需求㊂主站和分站采用１２７Ｖ直流电源供电，如图１０所示㊂图９㊀倾角传感器布置方案Ｆｉｇ．９㊀Ｌａｙｏｕｔｐｌａｎｏｆｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ３．３㊀工作面三维仿真与运行态势分析决策平台㊀㊀工作面三维仿真与运行态势分析决策系统是复杂条件工作面智能开采的大脑㊂监测系统采集的数图１０㊀液压支架倾角传感器Ｆｉｇ．１０㊀Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ据会在平台上进行解算，得出液压支架受力状态和姿态，从而判定围岩稳定性和工作面倾角；同时，可基于历史数据进行趋势分析㊁推进方向路径规划及矿压动态预测；预测结果可通过自动或人工发送指令控制工作面装备调整开采工艺和参数㊂３．３．１㊀液压支架受力状态及位姿解算在倾斜工作面，液压支架受力分析必须考虑角度因素［１８］，如图１１所示㊂图１１㊀液压支架受力分析Ｆｉｇ．１１㊀Ｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ根据力平衡原理得ðＸｉ＝Ｆｃ－ｆｃ()ｓｉｎθｃ＋Ｆｓ＋ｆｂ()ｓｉｎθｂ＋Ｑｘ()ｓｉｎθｃ－Ｆｙｃｏｓθｙ－Ｆｂｃｏｓθｂ＝０（１）ðＹｉ＝Ｆｃ－ｆｃ()ｃｏｓθｃ＋Ｆｓ＋ｆｂ()ｃｏｓθｂ＋Ｆｂｓｉｎθｂ－Ｑｘ()ｃｏｓθｃ－Ｆｙｓｉｎθｙ－Ｇ＝０（２）式中：Ｆｃ和Ｆｓ为伸缩梁千斤顶和推移千斤顶推力；Ｆｙ为掩护梁在顶梁平面上的投影面积承载的顶板压力再分解至垂直掩护梁方向上的力；ｆｃ和ｆｂ分别为摩擦阻力；θｂ㊁θｙ㊁θｃ分别为液压支架底座㊁掩护梁和顶梁与水平夹角；Ｑ为液压支架顶板载荷；ｘ为液压支架顶板载荷位置；Ｇ为液压支架重力㊂由式（１）和式（２）可求得液压支架底座㊁掩护梁和顶梁在θｂ㊁θｙ㊁θｃ倾角情况下的受力状态，给出合力作用点位置㊁相对正常位置的偏移量㊁立柱平衡性等参数值㊂同时，基于倾角传感器数据可计算出４５１任怀伟等：煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用２０２１年第４期支架实时高度㊁立柱在来压期间下缩量等，如图１２所示㊂液压支护系统的整体受力㊁空间位姿也反映着工作面围岩的力学状态㊁角度及空间形态㊂这些数据均是三维仿真与运行态势分析㊁决策的依据㊂图１２㊀液压支架参数计算Ｆｉｇ．１２㊀Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ３．３．２㊀基于大数据的矿压分析预测技术千米深井软岩条件开采条件下，工作面矿压规律不明显，传统基于各种顶板结构模型的矿压分析预测方法难以适用，这里尝试采用基于大数据的矿压分析预测技术，分别从预测算法㊁模型输入输出特征工程以及数据分布３个方面进行研究㊂算法方面，液压支架工作阻力数据为典型的时间序列数据，分别基于支持向量机（ＳＶＲ）㊁函数链接预测误差法（ＦＬＰＥＭ）㊁极限学习机（ＥＬＭ）㊁长短期记忆网络（ＬＳＴＭ）㊁ＢＰ神经网络㊁自回归滑动平均模型（ＡＲＭＡ）㊁最小二乘支持向量机（ＬＳＳＶＭ）等机器学习算法建立液压支架工作阻力预测模型㊂经测试，ＦＬＰＥＭ和ＡＲＭＡ两种算法的预测精度比较高㊂模型输入输出特征工程方面，针对单个支架，选取该液压支架在采煤机第ｋ刀煤过程中的１２个工作阻力数据为模型的输入（一刀煤的时间大约为１ｈ，液压支架工作阻力数据采样时间为５ｍｉｎ），该液压支架在采煤机第ｋ＋２刀煤过程中的第一个工作阻力数据为模型的输出，确定１２维输入１维输出的工作阻力超前一刀预测模型㊂数据分布方面，针对支护过程中时变工况影响工作阻力数据分布㊁导致预测模型失准的问题，采用数据分布域适应迁移算法进行数据分布一致化处理，消除时变工况干扰㊂基于上述３个方面研究，对口孜东煤矿１４０５０２工作面液压支架工作阻力进行超前预测，采用ＦＬＰＥＭ算法，模型预测精度达到９２％㊂如图１３所示为某一液压支架前立柱工作阻力监测值和预测值对比㊂３．３．３㊀工作面空间态势分析和截割路径规划理想情况下，智能化开采要能够使煤机装备自图１３㊀液压支架工作阻力预测结果与相对误差Ｆｉｇ．１３㊀Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｗｏｒｋｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ动跟随煤层条件变化㊁做到自适应开采［１９］㊂这就需要根据感知数据分析拟合装备的状态和运行趋势，并规划后续推进控制参数㊂影响智能化开采的因素很多，这里集中讨论煤层倾角变化带来的问题㊂如前所述，１４０５０２工作面在走向和倾向方向都是倾斜的㊂有一定角度，且煤层顶底板曲面在揭露的巷道轮廓和切眼轮廓基础上仍有较大的起伏变化㊂因此，给工作面内成套装备的姿态控制和沿巷道的推进方向控制带来很大困难㊂１）工作面内装备姿态控制㊂工作面底板起伏影响液压支架姿态，在移架过程中会发生挤架㊁咬架显现，自动跟机程序无法正常运行㊂因此需根据感知到的工作面倾角变化情况，在跟机移架过程中，自动调整跟机速度㊁跟机架数以及架间的距离，目的是保障顺利移架，跟上采煤机割煤速度㊂因此，建立了以支架移架速度不小于采煤机速度为优化目标㊁以移架规则为约束条件的液压支架跟机规划模型：ｍｉｎ｛ＮＤ／Ｎ１ｔ１＋Ｎ２ｔ２＋Ｎ３ｔ３()－ｖｓｈｅａｒ｝ｓ．ｔ．Ｎ１ȡＮ２ȡＮ３３ɤＮ１＋Ｎ２＋Ｎ３ɤ３ＣｅｉｌΔｍ／Ｄ[]Ｎ＝ＣｅｉｌＮ１＋Ｎ２＋Ｎ３[]ìîíïïïï式中：Ｎ为支架总数；ｖｓｈｅａｒ为采煤机速度；Ｎ１㊁Ｎ２㊁Ｎ３㊁ｔ１㊁ｔ２㊁ｔ３分别为需要进行降架㊁移架㊁升架操作的支架数量与时间；Δｍ为安全距离；Ｄ为架宽；Ｃｅｉｌ［㊃］５５１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷为朝正向取整函数㊂根据上式，控制系统会根据工作面角度变化引起的液压支架姿态变化和相关位姿关系变化，同时考虑煤机位置㊁速度等参数，自动调整跟机移架策略，从而适应煤层在倾向方向的变化㊂２）截割推进方向控制㊂对于基于滚筒采煤机的长壁综采装备而言，截割推进方向调整一般情况下是靠调整滚筒截割高度和卧底量实现的［２０］㊂受装备配套尺寸限制，工作面每次调整的角度是有限的，因此必须在煤层角度变化之前提前调整，才能使装备逐渐改变推进方向，而调整量和每刀采煤机滚筒卧底抬高的高度需要超前规划和预测㊂基于采煤机滚筒高度在工作面各监测点数据，利用机器学习算法，以前３刀数据为模型输入，未来１刀数据为输出，建立滚筒高度预测模型，实现超前一步预测，从而可以进一步规划工作面倾向和推进方向的推进路径㊂图１４所示采煤机滚筒高度在整个工作面倾向方向的预测值和实际值对比㊂图１４㊀滚筒高度预测结果Ｆｉｇ．１４㊀Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｏｌｌｅｒｈｅｉｇｈｔ４ 现场试验与数据分析研发的７．２ｍ超大液压支架㊁工作面状态监测系统和三维仿真与运行态势分析决策平台于２０２１年２月安装在口孜东煤矿１４０５０２工作面（图１５），进行工业试验㊂图１５㊀口孜东煤矿１４０５０２工作面Ｆｉｇ．１５㊀Ｎｏ．１４０５０２ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｆＫｏｕｚｉｄｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｅ工作面液压支架状态监测系统也同步安装完成，图１６所示为现场安装的倾角传感器㊂图１６㊀液压支架倾角传感器安装情况Ｆｉｇ．１６㊀Ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｉｎｓｔａｌｌｅｄｏｎｓｉｔｅ根据液压支架顶梁㊁掩护梁和底座倾角传感器安装情况，可以对局部工作面液压支架的姿态进行实时监测，如图１７所示㊂图１７㊀液压支架倾角监测情况Ｆｉｇ．１７㊀Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ工作面三维仿真与运行态势分析决策平台安装在地面集控中心的服务器上，如图１８所示㊂图１８㊀工作面三维仿真与运行态势分析决策平台Ｆｉｇ．１８㊀Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ工作面三维仿真与运行态势分析决策平台分为３个区域：中间为工作面三维虚拟仿真系统，可根据感知数据实时驱动三维模型运动，从而反映井下工作面真实的情况；同时，也可根据后台预测㊁分析的结果，由优化后的运行参数驱动，提前对后续开采过程进行模拟仿真，从而验证优化结果的有效性；左侧６５１任怀伟等：煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用２０２１年第４期区域为工作面压力及截割轨迹的实时监测结果㊁预测结果的实时展现，直观看到工作面来压情况㊁即将来压的情况，截割过的轨迹以及即将截割的方向趋势，便于把握总体运行情况和趋势（图１９所示）；右侧区域为工作面主要设备运行参数显示及控制区，可事实查看设备的速度㊁方向㊁电机温度㊁高度㊁工作阻力等参数，并且在安全和许可的条件下，部分参数可由人工修改，以便更好地控制设备运行（图２０所示）㊂图１９㊀工作面总体运行情况和趋势界面Ｆｉｇ．１９㊀Ｏｖｅｒａｌｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓａｎｄｔｒｅｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ图２０㊀设备控制界面Ｆｉｇ．２０㊀Ｄｅｖｉｃｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ上述设备㊁系统和平台在１４０５０２工作面开采过程中发挥了重要作用㊂现场试验表明：工作面在试验期开采高度达到６．５ｍ左右，每天割煤４ ５刀，月产达到３１．５万ｔ㊂７ｍ四柱式超大采高液压支架在１４ʎ １７ʎ俯采㊁顶板相对破碎㊁煤层普氏系数为１．６的条件下使用，可靠性和适应性较之前该矿使用的支架明显提升，煤壁片帮㊁顶板漏矸情况较少，以前立柱受力为主，没有出现拔后柱情况，工作面安全性大幅改善㊂通过压力和姿态监测数据可实时解算支架合力作用点位置和稳定性，从而保证围岩稳定支护；在工作面三维仿真与运行态势分析决策系统中分析工作面推进方向的变化趋势，判断装备开采空间与煤层的叠加重合度，从而超前调整开采工艺参数以适应煤层变化，实现了千米深井三软煤层的安全高效开采㊂５㊀结㊀㊀论以中煤新集口孜东煤矿１４０５０２工作面地质条件为基础，研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术，并研发了成套装备和监测系统㊁虚拟仿真决策平台，为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑㊂１）深部开采中，煤层三维曲面分布及围岩变形是其主要特征，综采装备的三维空间姿态及受力状况感知㊁预测是安全㊁高效开采的核心，而非简单条件工作面设备的协同联动控制㊂基于预测结果的预警㊁提前启动工艺保障措施是顺利开采的关键㊂２）研发了基于ＬＯＲＡ的工作面液压支架（围岩）状态监测系统，形成 集控中心－主（以太网）㊁主－分（ＣＡＮ总线）㊁分－传感器（ＬＯＲＡ自组网） 的通信链路，同时获取立柱压力和支架姿态数据㊂３）提出了基于大数据分析的矿压分析预测算法，采用数据分布域适应迁移算法解决了支护过程中时变工况导致预测模型失准的问题，模型预测精度达到９２％以上㊂４）研发了基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统，通过监测感知数据实时驱动工作面装备三维模型，同时基于大数据分析结果预测㊁分析和模拟后续开采过程，支撑复杂条件下的围岩控制和煤层跟随截割控制的智能决策㊂针对复杂条件煤层智能开采技术的研究目前尚处于起步阶段，技术㊁工艺和管理上还有许多未解决的问题，需要在环境感知㊁数据分析㊁控制算法等方面加大研究力度，充分利用物联网㊁大数据㊁深度学习等先进技术，不断提高综采装备的智能控制水平，提升复杂条件煤层智能化综采技术的系统性适用性㊁稳定性和协调性，最终降低井下工作人员的劳动强度，提高采出效率和效益㊂参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］㊀ＷＡＮＧＧｕｏｆａ，ＸＵＹｏｎｇｘｉａｎｇ，ＲＥＮＨｕａｉｗｅｉ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄｅｃｏ⁃ｌｏｇｉｃａｌｃｏａｌｍｉｎｉｎｇａｓｗｅｌｌａｓｃｌｅａｎｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａ：ｒｅｖｉｅｗａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１９，２９（２）：１６１－１６９．［２］㊀ＫＥＬＬＹＭ，ＨＡＩＮＳＷＯＲＴＨＤ，ＲＥＩＤＤ，ｅｔａｌ．Ｌｏｎｇｗａｌｌａｕｔｏｍａ⁃ｔｉｏｎ：ａｎｅｗａｐｐｒｏａｃｈ［Ｃ］／／３ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ－ＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＭｉｎｅＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ａａｃｈｅｎ：ＣＲＩＳＯＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ＆Ｍｉｎ⁃ｉｎｇ，２００３：５－１６．［３］㊀李㊀森．基于惯性导航的工作面直线度测控与定位技术［Ｊ］．７５１。
COMSOL Multiphysics在岩土力学工程中的应用
p = 3MPa, T = 310K (温度升高为 10 K)
p(t = 0) = 3 MPa T(t = 0) = 10 K pw = 0.1 MPa Tw = 0 K A
100 m
内边界条件:
瓦斯压力 pw = 0.1MPa 煤层温度 Tw = 0
p / x 0 T / x 0
Gui , jj
G u j , ji Fi p,i K s ,i K T T,i 0 1 2
T——变温 吸附瓦斯含量，满足Langmuir 型曲线， 同时与煤层温度有关
s sgVsg
吸附应变系数
1.2 瓦斯运移方程（质量守恒方程）
m g q g Q p t
on matrix
Effect of gas desorption deformation, term s
√
0 exp v
p p s T T v 0 0 s 0 T T0 Ks Ks
2011.10.19
汇报的主要内容
1、煤层瓦斯运移的THM耦合模型及数值模拟 2、多场耦合条件下的岩体损伤模型及数值求解
1. 煤层瓦斯运移的THM耦合模型
1. 煤层瓦斯运移的THM耦合模型
瓦斯渗流场
孔隙率 有效应力， 渗透率 瓦斯吸附、解 吸引起的煤层 பைடு நூலகம்形
热对流
吸附瓦斯含量及 吸附瓦斯的解吸， 游离瓦斯的状态
煤岩体损伤过程的THM多场耦合模 型及及其在COMSOL中的实现
岩石破裂与失稳研究中心 资源与土木工程学院采矿工程研究所
滑坡碎屑流冲击挡桩的模型试验研究
地球科学与环境工程河南科技Henan Science and Technology总第876期第5期2024年3月收稿日期：2024-01-12作者简介：吴博（1998—），男，硕士生，研究方向：岩土工程与地质灾害；杨晓洁（2000—），女，硕士生，研究方向：工程地质与地质灾害。
滑坡碎屑流冲击挡桩的模型试验研究吴 博 杨晓洁（华北水利水电大学，河南 郑州 450046）摘 要：【目的】研究滑坡-碎屑流在真实三维地形上的运动冲击过程及其堆积形态。
【方法】使用PFC3D 数值模拟重现模型试验,分析碎屑流冲击力的影响因素。
【结果】较高的挡桩能更有效地减缓冲击力，并减少碎屑流的运移距离和堆积长度；颗粒粒径或体积增加时，碎屑流造成的冲击力会增大；挡桩所在截面颗粒冲击力大致呈正态分布,中部挡桩所受冲击力最大,往两侧冲击力逐渐减小。
【结论】通过数值模拟研究碎屑流冲击力，可为后续防治提供参考。
关键词：滑坡碎屑流；模型试验；PFC3D ；冲击力中图分类号：P642.22 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）05-0100-04DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2024.05.021Model Test Study on Impact of Landslide Debris Flow on Retaining PileWU Bo YANG Xiaojie(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China)Abstract: [Purposes ] Study the movement and impact process of landslide-debris flow on real three-dimensional terrain and its accumulation morphology.[Methods ] Use PFC simulation to reproduce the model test to analyze the influencing factors of debris flow impact force.[Findings ] Higher retaining piles can more effectively slow down the impact force and reduce the migration distance and accumulation length of the debris flow; when the particle size or volume increases, the impact force caused by the de⁃bris flow will increase; in the section where the retaining piles are located, the particle impact force is roughly normally distributed, with the middle pile receiving the greatest impact force, and the impact force gradually decreasing toward both sides.[Conclusions ] The impact force of debris flow is studiedthrough numerical simulation, which provides a reference for subsequent prevention and control.Keywords: landslide debris flow; model test; PFC3D; impact force0 引言高速远程滑坡-碎屑流是一种具有高度危险性的地质灾害，其主要特点包括运移距离较长、滑动速度快，能够造成广泛的冲击破坏［1-2］。