摘要：矿山生态环境监测与治理是国家生态文明建设和“双碳”目标下的重中之重,其信息化、智能化建设在新一代信息技术革命的助推下成为数字中国建设的重要一环,也是当下时代发展的必然趋势。然而,现有矿山生态环境监测系统仍然停留在单一专题、要素不全、基础量测、本地管理的初级阶段,无法满足现实环境中对矿山生态环境多要素、长时序、高频次监测与分析的需求。基于此,提出一种B/S架构下的矿山生态环境定量遥感监测与智能分析系统——矿山生态天眼,并详细介绍了其研发需求、技术架构、关键技术及核心功能。系统依托卫星遥感技术及其他监测手段,获取并聚合不同来源、信息丰富的矿山生态大数据,形成矿山分布一张图和数据资源服务;进而基于定量遥感反演矿山生态环境各生态参数,形成一套长时序、多要素的矿山生态监测产品,涵盖人类活动、自然地理条件和“植−土−水−气”各生态要素;在此基础上,系统提供GIS时空分析、统计分析及综合定量评价等工具集,分别实现对矿区土地利用、归一化植被指数(NDVI)等参数伴随采矿活动在空间上的变化监测,对土壤含水量、水体悬浮物浓度等生态要素历史统计值在不同时空位置和区域下的查询与可视化,对顾及多项生态因子的矿山生态环境质量综合定量评价,并最终形成矿山生态扰动与治理监测报告。矿山生态天眼的应用将服务于矿山生态环境全过程变化监测、数据管理、智能分析和决策应用,有望提高矿山生态环境监测与治理的效率和智能化水平,为推动生态文明信息化建设提供参考方案。

摘要：准确认识深部条件下气体和水分的赋存状态、相对含量及分布特征,对煤层气高效勘探开发具有重要指导意义。基于理论模型、分子模拟和气水演变分析,明确了煤层中气、水的赋存状态,揭示了气、水动态运聚界限和动态演化过程。考虑煤-水界面作用、水的可动性及赋存状态,煤中水可分为可动水(重力水和毛细水)、束缚水(吸附水、沸石水、结晶水和层间水)、结构水,其中毛细水、重力水和吸附水由孔隙主导,沸石水、结构水、结晶水和层间水由矿物主导。分子模拟结果显示,水分子在0.7 nm孔隙中可以饱和充填,吸附和解吸路径一致,在更大孔隙中出现弱吸附层和自由态。水分子吸附过程表现为单分子含氧基团吸附、单层强吸附、多层弱吸附、水团簇形成和充填孔隙等阶段。甲烷分子在1.5 nm孔隙可存在3层稳定充填吸附,在较大孔隙中(>1.5 nm)即以单层吸附和游离态共存,游离态在介孔及更大孔隙中普遍存在。结合上述吸附-游离气存在界限,改进了游离气和吸附气理论计算公式,为含气量计算提供新思路。深部热成因煤层气是煤大规模生排烃之后的残余气,在排烃过程中发生气驱水和水分蒸发扩散,残余水分为束缚水和结构水,后期无法改变。假定静水压力20 MPa,在0、5、10、15和20 MPa储层压力下,外来水分可入侵最大孔径为7、9、13、27 nm和不侵入。受差异保存条件控制,煤成气除了形成超压和欠压等差异含气系统外,还可能在煤系形成多类型含气模式。上述研究明确了煤层气、水微观赋存机制及形成演化模式,对深部煤层气富集特征及高效开发设计具有指导意义。

摘要：煤岩界面识别技术是煤矿智能化开采的关键技术之一。基于高频雷达波探测技术可实现煤岩界面的随采高精度探测,但仍存在矿井超大采高(≥6 m)片帮垮落带来设备的安全风险及采高突变(采高≤2 m)时空间限制设备通过的问题。在前期工作基础上提出了一种矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统并进行了煤岩界面探测实验研究,主要内容包括:①阐述矿井节点式雷达观测系统原理,根据矿井工作面实际环境设计煤岩界面识别观测系统方案及雷达传感单元安装方式;②研究并提出节点式采集控制系统和信息交互传输设计方案,实现数据动态采集控制及存储;③针对节点式采集方式及煤岩界面雷达反射回波特征,研究提出了节点探测数据增强处理方法、煤岩界面识别算法,可有效的实现煤岩界面智能识别与追踪、煤层厚度及空间坐标解算。为验证该方法的可行性,采用多个中心频率为1.5 GHz的探地雷达传感单元进行物理模型验证实验,并对节点式数据采集和连续数据采集结果进行了对比分析,实验结果表明:节点式采集方法与连续采集方法均可有效识别出煤岩界面,与连续采集方法相比,本文提出的节点式探测方法可实现数据的快速动态重复性采集,单次采集时长控制在10 s以内,煤层厚度探测结果平均误差为1.07 cm,最大误差为1.47 cm,平均误差百分比为7.64%。本方法为矿井智能化开采中煤岩界面的动态高精度探测提供技术支撑。

摘要：煤粉在煤储层裂隙中沉积会降低裂隙导流能力,制约煤层气井高效稳产开发。设计了裂隙中煤粉运移及解堵可视化物理模拟实验方案,通过裂隙中煤粉运移可视化物理模拟实验,分析了裂隙不同位置煤粉颗粒沉积面积的变化和沉积形态特征,揭示了煤粉运移、沉积的动态规律;通过裂隙中煤粉解堵可视化物理模拟实验,分析了解堵时间和流速对裂隙中沉积煤粉解堵面积的影响,揭示了煤粉启动、解堵的动态规律。实验结果表明:煤粉颗粒在裂隙不同方向和位置聚集状态不同,裂隙喉道由入口向垂直主运移方向的两端及主运移方向煤粉颗粒沉积面积逐渐减少,支路通道沿主运移方向煤粉颗粒沉积面积逐渐增加。裂隙喉道、支路通道和主路通道处煤粉沉积的形态分别呈鹰嘴状、层状和流线型,其原因是裂隙不同位置对含煤粉流体的阻力不同,导致煤粉在不同位置的沉积形态不同。在相同流速下,随解堵时间增长,煤粉解堵效果越好,但前期解堵面积大,后期解堵面积小,裂隙喉道处煤粉解堵效果明显优于支路通道,其原因是松散、易于解堵的煤粉颗粒会被首先解堵,随时间进行,剩余未被解堵的煤粉颗粒需要更大的启动流速。流速越大,裂隙喉道处和支路通道处的煤粉解堵面积越大,其原因是提升流速能增强煤粉颗粒的流动性。

摘要：生态系统服务功能是人类从生态系统中获得的直接收益,因此从服务功能角度评估矿区生态系统状况具有重要意义。以大型煤炭基地宁东为例,在阐述矿区生态系统状况遥感监测研究现状和进展的基础上,设计了遥感数据驱动的气候调节、防风固沙、固碳释氧、水源涵养和土壤保持5项生态系统服务功能计算方案,利用长时间序列连续数据评估了上述功能的时空演变,衡量了矿区生产活动对地表生态系统的影响。应用Mann-Kendall非参数检验实现对研究区生态系统服务功能的时空动态评估。研究结果表明:(1)从2001年—2019年,宁东基地生态系统服务功能整体呈改善趋势,其中气候调节、固碳释氧、防风固沙改善趋势非常显著,水源涵养出现轻微下降现象,土壤保持处于基本不变的状态。(2)空间分布上,远离采煤工作面的区域生态系统服务功能比较强,反之则比较弱。(3)矿区与非矿区对照分析表明,矿区生产活动迟滞了生态系统服务功能的增加,其中非矿区的气候调节功能的上升速率约为矿区上升速率的两倍,非矿区防风固沙和固碳释氧功能的上升速率约为矿区上升速率的1.5倍。研究区生态系统服务功能的整体改善,可能是气候环境变化和人工修复活动的综合结果,但鉴于其整体改善速率明显低于非矿区,说明煤炭开采活动造成了一定的负面影响,仍然需要加大对生态系统保护和修复的力度。

摘要：为弥补矿井突(涌)水蔓延过程试验研究空白,科学揭示矿井巷道系统中水流蔓延规律,提出了矿井巷道系统突(涌)水蔓延过程物理仿真试验方法,并深入探讨了突(涌)水蔓延范围演变规律、巷道水深分布规律、水速影响特征以及巷道局部水流流动效应.基于巷道类型、布置方式、几何和结构特征,设计了矿井巷道系统试验原型,并依据重力相似准则按1∶10的比尺建立了矿井巷道系统突(涌)水蔓延过程正态试验模型.根据突(涌)水位置分布及其流量曲线演变特征分析,建立了多组试验工况,采用重力式循环供排水系统实现了不同工况下突(涌)水蔓延过程.研究结果表明:巷道水流蔓延具有以突(涌)水点为中心按高程分布的分区分级演变特性;巷道水深时变关系与突(涌)水流量呈正相关,正相关性下蔓型水深比上涨型水深显著;巷道整体水速与突(涌)水流量曲线增长幅度有关,增幅越大蔓延水速越快,累积突(涌)水量越多.单流程水速与突(涌)水量、水深和巷道坡度呈正相关,与巷道断面宽度呈负相关,其中水速对水深和巷道坡度变化最敏感;巷道局部结构突变位置下蔓水流会发生偏转效应,沿程或沿断面呈现水深和流速双值分布特性.试验结果与实际井下涌水数据相吻合,在水害智能防控与应急救援工程实践中具有广泛的应用价值.

摘要：针对同步定位与地图构建(SLAM)在无全球定位系统(GPS)信号、缺乏环境特征纹理的退化环境中出现定位失败、建图重叠漂移和无法实时运行的问题,提出了一种基于空间几何特征的激光SLAM方法。算法前端设计了一种基于空间线面几何特征的特征点提取方式,依据点线面约束构建点云配准残差函数,采用高斯-牛顿法优化残差以实现点云配准。算法后端基于关键帧构建子图,通过子图间的map-to-map匹配来获得精确位姿,采用插值融合前后端位姿,实现了全局定位优化。仿真与实际退化环境中的实验结果表明:所提算法在20 m的里程计测试中位姿估算误差小于5%;退化环境中的建图效果优于Hector、Gmapping和Cartographer算法,地图更新平均速度提高近4倍。

摘要：生物量是植被碳的重要组成部分,对于评估矿山生态环境修复效果至关重要。在淮北矿业闸河矿区,生态破坏与修复并存,地表植被类型丰富多样,有林木、草本和农作物等。在这种多植被类型交叉覆盖的地区,传统的单一物种生物量模型难以应用。为准确反演该区域综合植被的生物量,以sentinel卫星数据为基础,利用植被指数和波段运算方法构建的光谱指数作为特征数据集,通过不同特征和模型的组合构建该区域生物量反演模型。在特征选择阶段,利用随机森林和相关性分析两种方法对特征进行综合评价,最终筛选出关键的5个光谱指数(增强植被指数、归一化差分水体指数、改进的归一化差分水体指数、Sentinel-2红边位置、陆地叶绿素指数)以及5个基于波段运算的自建光谱特征(1/B1、1/B2、1/B7、B1/B2、B5/B6)。基于这些筛选出的特征,设计了5种不同的特征组合方案,并结合传统方程回归和机器学习模型,在林地和综合植被数据上分别构建了生物量反演模型。研究结果表明,相较于传统回归模型,机器学习模型在生物量反演领域具有更高的精度。基于波段运算的自建光谱特征可以提高机器学习模型生物量反演的精度,其中支持向量回归(SVR)模型结合自建光谱特征与原始波段得到的反演结果精度最高,模型验证集的决定系数R^(2)为0.74,均方根误差为8.14kg·m^(-2)。将SVR模型应用于研究区进行生物量反演,得到的结果与当地植被分布特征高度一致。本研究成果不仅为矿区生态修复评价提供了数据支撑,而且为类似生态系统的后续研究提供了借鉴和经验。

摘要：【目的】明确煤力学性质和地应力的分布特征及其对人工裂缝形态和扩展行为的控制机制,对深部煤层压裂设计、井网部署和煤层气资源开发至关重要。【方法】以鄂尔多斯盆地东缘北部神府区块太原组8+9号煤为研究对象,基于声波测井、密度测井、注入/压降试井和排采资料,系统分析煤层及其顶底板岩层的力学性质和地应力分布特征,揭示力学性质和地应力对水力裂缝的控制机理。【结果和结论】结果表明:(1)8+9号煤层与顶底板形成了泥岩−煤−泥岩(占77.4%)、砂岩−煤−泥岩(15.5%)等6种组合。(2)基于声波和密度测井计算的力学参数显示,煤弹性模量在4.83~13.69 GPa(平均6.28 GPa),泊松比0.31~0.41(平均0.37),区域上南北脆性高,中部塑性高。(3)注入/压降试井计算结果显示,研究区最大水平主应力介于31.11~39.11 MPa,最小水平主应力变化范围为25.78~29.94 MPa;声波测井计算结果显示,垂向应力(平均49.12 MPa)>最大水平主应力(平均39.50 MPa)>最小水平主应力(平均33.80 MPa),煤层与顶底板最小水平主应力差在0~12.75 MPa。(4)Abaqus和Fracpro PT模拟结果显示,煤弹性模量越大,裂缝高度相对越大,当顶板与煤层的力学强度差较小时防止穿层;煤层水平主应力差增大,容易沿最大水平主应力形成单一裂缝;煤层水平主应力较顶底板水平主应力越小,易在煤层内形成较长、较低、较宽的裂缝,且不易穿层。研究认为实施较大的压裂规模、缝内暂堵技术和控制裂缝净压力等手段是提高神府区块8+9号煤水力压裂效果的主要途径。

摘要：三维地质结构模型是地质空间内地质构造和地质体对象边界的数字化表征模型。随着地质数据矢量栅格一体化集成和地质数据空间查询分析需求增多,构建统一表达地质结构的一体化空间数据模型成为三维地质信息科学领域需要解决的基础性问题之一。针对规则网格、PillarGrid和SBRT模型等难以实现复杂地质结构的精细表达问题,本研究提出InterfaceGrid数据模型,充分考虑地质结构和属性的地下分布具有极强的非均匀性、不连续性和空间多尺度性,且表现出纵向分层特性和多属性场耦合的相关性。基于InterfaceGrid设计理论模型和数据结构,构建统一描述三维地质结构的InterfaceGrid数据模型,实现复杂地质结构的矢量栅格一体化表达。基于GeoAtom地原子理论构建InterfaceGrid的形式化表达框架,提出InterfaceGrid的构建流程,以及基于InterfaceGrid模型设计数据更新和空间查询算法。采用GPU光线投射和自适应采样策略实现地质网格的体可视化和在线浏览,结果显示,与SBRT模型相比较,InterfaceGrid能够更加真实地描述地质边界情况,提高了三维地质结构模型的准确性。在全球岩石圈三维网格化构建应用InterfaceGrid,验证了InterfaceGrid在大规模地质数据组织管理中的适用性,相比较PillarGrid数据量减少约1/3,更加适合基于大数据量的网络地学应用服务。