油气开发 | 底板突水的物理模拟:新技术如何预测和防范灾害?

文摘   2024-07-27 06:22   湖北  

摘要:
【目的】底板突水受特定地质构造、水-岩-应力及采掘扰动等因素叠加作用影响,具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获取灾变各阶段多源数据信息,因而在底板突水研究方面具有独特优势。【结果和结论】对底板突水经典理论、标准规范、模拟试验及工程实践等方面的研究成果进行了回顾,重点梳理了试验加载装置及水压模拟方式、相似材料研制及其特性指标、监测技术及其观测系统设计3个方面的研究进展,其中在模拟水-岩-应力耦合环境下的三维模型底板突水全过程信息捕捉方面有较大突破。面对数智化研究大背景,分析当前底板突水物理模拟试验领域存在的不足,并据此指出未来应重点关注大型三维底板突水综合试验平台研制、基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立、多相多场多维耦合监测预警系统构建、人工智能等数智化技术融合应用研究等发展方向。提出的思考有助于从装置、材料、技术等方面提升未来物理模拟试验水平,从而更好支撑煤矿底板水害数智化防治基础研究工作高质量发展。

作者|张平松 欧元超

原题|煤层采动底板突水物理模拟试验研究进展与展望

来源|煤田地质与勘探

小编|小油

这是"油气研究前瞻"的第216篇文章


我国是世界上矿井水文地质条件最为复杂的国家,长期以来,煤炭资源安全开采面临底板承压水、老空水、顶板水、离层水、构造、陷落柱等水害危险源的严峻挑战,涉煤储量占全国近四分之一[1-3]。面对矿井水害这一工程灾害问题,党-政-企-院校多方长期共同努力,先后完善制定了《煤矿防治水工作条例》《煤矿防治水规定》《煤矿防治水细则》等[4-5]政策法规标准,创新提出了突水系数法[6]、关键层理论[7]、“下三带”[8]、递进导升[9]、脆性指数法[10]等经典基础理论方法,自主研发了瞬变电磁、高密度电法、三维地震、并行电法、微震、震-电一体等一系列“地-巷-孔”多方位协同观测的探水智能化技术及装备[11-12]。上述成绩的取得有力支撑了煤矿防治水工作高质量发展,煤矿水害事故也呈总体下降趋势[13]
随着煤炭资源开采强度、开采深度不断增加以及开发重心持续西移,新形势下所面临的水压、地应力、岩层隔水能力等水文地质隐蔽致灾因素更为复杂且不利,作为煤矿水害防治工作中的主要研究对象之一,底板突水极易造成淹井等重大经济损失,故全面深入开展数智化背景下的底板突水理论研究与技术装备研发应用工作迫在眉睫。
煤矿底板突水是特定地质地层结构、水-岩-应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体力学灾害问题[14],具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。目前,底板突水相关研究的主要手段包括理论分析、经验公式、模拟试验及工程实践[15]。其中,理论分析是支撑底板突水机制研究的基础;经验公式是基于理论分析并结合大量工程实践得到的获普遍认可的计算关系式;模拟试验是检验理论分析、经验公式等是否正确的重要手段,具有极大的经济性、适用性、高效性及可行性,其包含的数值模拟、物理模拟两类研究方法可进行对比验证以及为工程实践提供参考;工程实践是采用适宜性智能技术装备开展采场全生命周期底板突水监测预警及主动治理工作,获得的一手原位测试结果可作为验证其他研究方法准确性的标准。由于物理试验能直观展现底板裂隙演化及突水运移全过程,并可获取采动底板突水灾害演化的多源数据信息,现已成为研究承压水上开采的重要手段。目前,学者围绕试验加载装置及水压模拟方式[16-17]、相似材料研制及其特性指标[18]、监测手段及综合判识技术[19]3个主要方面已取得了诸多研究成果,有效提升了底板突水物理模拟(简称物模)试验的科学、精细、智能化水平。
然而,底板突水物理模拟还面临很多问题亟待解决,如模型试验平台如何更真实模拟采动底板水赋存环境,新型相似材料与监测技术间的地球物理参数相似性问题,人工智能如何更好地结合多源数据(图像)信息进行自洽融合处理、异常识别、预测预警等。对此,笔者重点围绕试验装置、相似材料及监测技术3个方面对底板突水物模试验研究进展进行阐述,同时针对存在的问题给出相应认识和发展建议,以期为数智化背景下的底板突水物模试验研究提供参考。


01


试验装置及水压模拟


针对采动底板突水灾害问题,为模拟真实复杂的地下环境(地应力、承压水、采掘应力扰动等),研制可施加围岩载荷的试验台系统以及实现承压水的模拟控制等对于深入系统开展突水物模实验研究具有重要意义。

1.1二维模型试验装置

由于二维试验台结构较为简单、尺寸相对较大、开展实验工作量较小等优势,基于二维试验台架的采动底板突水模拟研究较多。如,冯梅梅等[20]通过在二维模型试验台内铺设压力水袋,用以模拟承压水对底板岩层的作用力;姜耀东等[21]通过加装固定于模型底部的36个特定刚度弹簧组模拟承压水加压装置,该装置既可模拟承压水对底板岩层垂直载荷,也可模拟卸压特征(图1a);张培森[22]、王进尚[23]等基于二维模型试验台架研发设计了底板承压水导升监测系统,该类系统在考虑了承压水对底板岩体作用力的同时,实现了对导升情况的动态监测(图1b)。上述方法考虑了动压和水压共同作用下的底板裂隙形成演化,但研究中承压水并未与岩体直接接触,以至于其并不能沿形成的导水裂隙通道自由流动直至发生底板突水,同时模型材料选择及配制并未考虑到非亲水性等问题,没有真正实现对采动底板突水流固耦合相似模拟。

1.2三维模型试验装置

虽然三维模拟实验相较而言工程量大,但由于其可对物理模型围岩施加载荷、突水试验密封性好、能更真实模拟流固耦合模型实验等,近年来,相关方面研究取得了长足进展。如,弓培林等[24]研制了大型三维流固耦合模拟试验台,其外形尺寸为3 000 mm×2 000 mm×2 000 mm(长×宽×高,下同),可实现轴向加载;王丹丹[25]基于设计改装的高压三维突水模型试验系统开展了不同地质构造条件下底板突水危险源演化特征及突水模式研究(图1c);张文忠[26]开发了陷落柱突水三维大型模拟试验系统,该系统可实现对水压、围压、轴压等的控制和监测;孙文斌等[16]自主研制了采动煤层底板突水模拟试验系统,该试验台有效尺寸为1 200 mm×400 mm×800 mm,具有三维可视化、密封性好、侧部分区独立加载及覆岩柔性加载等特点,可实现突水灾变各阶段水压流量分区动态监测(图1d)。

图1 突水物理模拟试验装置

Fig.1 Devices for physical simulation experiments on water inrushes

1.3承压水模拟系统

对底板突水模拟试验装置研究成果进行梳理总结,发现承压水水压模拟目前主要可分为以下4类:(1)底板承压水压力采用特定刚度弹簧组件模拟[21]。(2)使用水袋模拟承压含水层,加载模块作用在模型底部,间接给水袋施压或者通过液压泵向水袋直接加压,通过观测采动底板裂隙发育位置或位移变化进而判断底板突水危险性[20]。(3)埋设于模型底部的水囊上连接多根柔性导升管模拟预设导水通道,导升管连接模型外部的监测管,用以观察底板不同区域承压水导升高度及水量变化,水压调控主要由连接水囊至模型外部的调节管水柱高度或者加压罐实现[22-24]。(4)通过外部水压加载系统直接实现对模型内部的稳定恒压供水,观察承压水在岩体内裂隙的渗流导升过程及水压流量等信息变化,分析突水演化过程[15-17,25-26]。
上述前两类系统采用弹簧组件或水袋等模拟水压,该方式关注点更集中在复杂应力影响下的底板裂隙场发育特征,基于此间接分析突水危险性。相较而言,其对试验各方面条件要求不高、易于操作,但忽略了水压控制与水头边界设置等模拟环节,水位监测与流态分析也无法实现。后两类模拟方式则考虑了这些问题,实现水压可控与水位监测,但预埋导升管这类方式属于设定水流路径且水岩未耦合;第4类则在很大程度上弥补了前3类的不足。需要说明的是,不同模拟方式的选择可能因试验目的、模型尺寸、材料选取等因素而有所不同。在实际模拟研究中,应根据具体情况选择合适的模拟方式,以获得准确可靠的模拟结果。


02


相似材料研制及其特性指标


在水岩耦合物理实验研究中,由于有水体的参与,常规相似材料(砂、碳酸钙、石膏;砂、石灰、石膏)难以实现实验过程中材料力学性能和水理性能相似,故研制配制简单、成本低廉、性能优良且能满足实验需求的非亲水相似材料是该类流固耦合实验成功的前提和保证。
对此,前人在相似准则的建立与完善、相似材料的研制与规范方面做了大量工作并取得了长足进展。笔者基于时间脉络,将该领域发展大致划分为初步探索阶段、快速发展阶段和新发展阶段。

1)初步探索阶段(2007年以前)

20世纪90年代,煤炭科学研究总院西安分院、西安科技学院等高校科研院所考虑到常规材料无法满足实验需求,对此,尝试性开展了流固耦合材料研制工作,但都因没有找到合适的模拟材料而未取得良好效果;2004年,张杰等[27]从前人对各类岩石材料模拟研究中获得启发,针对富水风积沙层下煤层开采模拟实验需求,最终确定以砂、石蜡、太白粉按适当配合比获得的相似材料可进行流固耦合试验研究;但直至21世纪初,流固耦合相似理论研究仍属空白,这导致研制出力学和水理性质相似的非亲水材料难度极大。对此,弓培林[24]、胡耀青[28]等运用相似理论系统推导了流固耦合相似模拟理论准则,在此基础上选择砂子、石膏、滑石粉、水泥、可赛银(克晒嬴,calcimine)、石子,通过测试配比试件的强度、渗透性、隔水性等主要指标,开展流固耦合相似材料配制及实验工作。至此,流固耦合相似理论基本形成,为后来学者开展相似材料特性研究提供了理论依据。

2)快速发展阶段(2008-2019年)

在胡耀青等[28]建立的流固耦合相似模拟理论基础上,孙文斌[16,29]、陈军涛[18]、Zhang Shichuan[30]等为更好地分析深部开采承压水上底板隔水层的破裂规律,选取以石蜡、凡士林为胶结剂,河沙、碳酸钙为骨料,液压油为调节剂,研制出可模拟深部底板隔水层的新型流固耦合相似材料,基于自主研制的采动底板突水模拟试验系统,开展了大量物理模拟研究工作并取得良好效果。该时期内,诸多高校针对不同工程灾害问题也同步开展各类相似材料研制工作,研究成果丰硕。
随着研究逐步深入,科研人员逐渐看到以往针对相似材料配制采用反复配比的方式工作量大、各参数影响因素仅定量分析以及所做工作难以为后续研究提供参考等问题。对此,一些学者考虑采用统计分析软件获得各材料占比与性能的定量关系,进一步给出性能参数与材料之间的经验公式[31-32]。可以说,这在一定程度上切实提高了其在相似材料研制过程中的配比效率及准确性。

3)新发展阶段(2020年至今)

近些年,随着绿色开采[33]理念深入,煤炭资源开采与水资源保护协调发展问题逐渐突显,而建设煤矿地下水库技术思路的提出有效解决了这一难题,例如,文志杰等[34]从研究煤矿地下水库底板岩层渗流问题入手,围绕砂子、碳酸钙、石蜡(58号)、凡士林、调节剂5种材料,开展了流固耦合相似材料研制工作,并将其用于底板渗流模拟材料铺设,取得了良好的试验效果;张振杰等[35]指出当前流固耦合相似准则是基于连续介质的流固耦合理论,未考虑高地应力和高渗透压等复杂环境影响,为此,其推导得到了高地应力和高渗透压耦合作用下的流固耦合相似准则,并以此为指导研制了流固耦合相似材料,该成果较好解决了深部复杂条件下的流固耦合相似理论适用性问题。部分矿井流固耦合相似材料配比信息见表1。

表1 部分矿井流固耦合相似材料配比信息

Table 1 Proportioning of similar materials for flow-solid coupling in some mines

注:σc为单轴抗压强度,MPa;E为弹性模量,MPa;K为渗透系数,cm/s;Wa为吸水率,%;η为软化系数;ρ为密度,g/cm3;n为孔隙率,%;σt为抗拉强度,MPa。


03


监测技术及其观测系统设计


采动岩体裂隙扩展诱发突水过程伴随着力、电、声、光、热等不同形式能量信号的释放与迁移。现阶段,各类监测仪器装备趋于智能化、集成化、小型化,基本具备了对各类能量信号的快速灵敏感知、智能监测及可视化表达能力[12]。对此,在物理试验中通过采用监测技术手段捕捉岩体破坏突水过程中物理化学信号变化,来开展更加深入的基础试验已较为普遍,其也为复杂条件下底板突水形成过程及临灾前兆信号判识等突水机制研究提供了技术支撑。目前,测试方法主要包括地球物理测试、应力应变测试、水环境测试、其他测试方法等,表2对几类主要监测技术原理及其优缺点进行了概括分析。下文将重点围绕上述主要监测技术在底板突水物模试验中的观测系统设计及测试结果等方面的研究进展总结讨论。

表2 几类主要的煤层采动底板突水物理模拟监测技术概述

Table 2 Overview of several major monitoring technologies for physical simulations of mining-induced water inrushes from coal seam floors

3.1地球物理测试方法

作为切实解决煤矿生产过程中面临的底板地质(包括隐蔽致灾因素)问题的一类重要技术手段,长期以来,以电法和微震为代表的地球物理方法更多是被用于井下开展采动底板破坏范围及突水危险性原位工程监测,相较而言,其应用基础研究时滞性明显,难以支撑(匹配)当前煤炭精准智能安全开采发展目标,尤其是在物理模型测试技术研究方面仍有较大进步空间。
对此,一些学者围绕上述问题也开展了具体研究并获得了诸多新的认识[37-38]。在电法方面,孙文斌等[39]在物理模型工作面位置铺设电法电极16通道,用于观测采动底板突水各阶段的电阻率响应特征,研究发现采空区相对高阻而主要突水通道区域阻值最低,结果可作为断层突水“三阶段”特征识别与划分的重要依据(图2);刘静等[40]通过布设在模型采场围岩处的电极系,观测发现水流动过程中的自然电位信号存在显著波动规律,据此提出了水岩耦合演化自然电场近源效应,并阐述其特征、意义及临灾判识与预测方法(图3);欧元超[15]在物理模型底板全区布设观测电极系,开展隐伏断层活化突水试验,基于电流变化率数据可视化表征了采动底板破坏与断层活化承压水导升全过程,据此划分出底板“下三带”“横六区”结构特征区段,研究认为电流变化率信息对于岩体受力破坏及水体渗透等过程有着良好的响应辨识能力(图4)。
围绕震/声波测试[41]试验方面,张平松等[42]测试分析了不同断层构造物理模型下的震波CT信号响应特征与反演效果,结果显示,当断层构造倾角大于30°时识别效果显著,试验研究为优化震波CT观测系统布设以及精准捕捉底板断层演化过程提供指导;吕岗岗等[43]将声发射、电磁辐射等多种测试技术相结合,应用于矿井突水相似物理模型,开展突水前兆信息多场感测与识别,研究发现各信号波动特征与底板岩层破裂、突水过程相关性显著,多技术结合可有效提高底板突水预警准确性;王朋朋[44]通过在工作面顶底板布设多个声发射传感器,用以监测煤层开挖过程中顶底板岩层破断所产生的声发射事件、能量释放特征,试验发现,顶板来压时能量急剧释放并扰动底板岩层,进而诱导底板裂隙扩展、构造活化,形成突水通道(图5)。值得一提的是,在实际工程应用中,以微震-电法并行技术为代表的多地球物理监测系统研发及多源信息耦合解析,已成为底板突水监测研究热点方向[45-46]。

图2 底板突水通道演化电阻率监测

Fig.2 Resistivity monitoring of the water inrush channel form a coal seam floor

图3 采掘扰动岩体破坏SP瞬时增量平面演化特征

Fig.3 Planar evolution characteristics of SP instantaneous increment induced by coal mining

图4 底板下位隐伏断层采动突水一次场观测

Fig.4 Observation of water inrush during mining from concealed faults beneath a floor using primary electric

图5 深部高承压水上采动底板裂隙演化模型试验

Fig.5 Model-based experiment on mining-mduced fissure evolution above deep high confined water

3.2应力应变测试方法

该类物模测试主要为点式应力计、光纤类应变传感、DIC等。前两种方法因能有效捕捉采动过程中底板岩体应力场分布变化,并有效判识裂隙场发育范围,现已普遍应用于物模试验、现场实测等[47-49]不同场景中。如张玉军等[50]通过在模型隐伏断层上下盘等位置布置多个应力传感器,观测发现了采动底板破坏带应力呈水平“S”形分布形态,隐伏断层对采动应力分布起阻隔作用等规律特征,研究揭示了承压水上底板隐伏断层突水机制(图6);Zhang Pingsong等[37]利用分布式光纤等监测手段,研究了西部特厚煤层采动底板岩层应力分布及变形破坏特征,结合底板岩性及其组合,确定了底板破坏带、扰动影响带等发育深度以及工作面超前、滞后应力影响范围(图7)。需指出,上述技术方法是通过分析有效隔水层应力特征或者说阻水能力(破坏程度)来定性判断突水风险,其难以从面上刻画出底板水的实际渗流扩散演变过程及范围。

图6 煤层采动底板隐伏断层应力演化物模实验

Fig.6 Physical model experiment on mining-induced stress evolution of concealed faults in coal seam floor

相较于点式应力计、光纤类应变传感技术,DIC应变测量具备无损非接触式、区域应变可视化等优势。但目前主要是用于厘米级尺度的岩石加载(或渗流-应力耦合)作用下变形破坏、或是米级尺度的物理模型(无水参与)煤层开采围岩变形破坏等方面测试研究。如,彭守建等[51]将3D-DIC技术用于开展不同水压条件下渗流-应力耦合作用砂岩变形局部化破坏特征研究,基于可视化应变场数据,掌握了渗透水压增大过程中砂岩物理力学性能变化规律以及与变形局部化启动应力水平之间的相关性(图8)。上述研究为开展类似小尺度的岩石渗流-应力耦合3D-DIC应变监测研究提供了一定参考,而将DIC技术应用于较大尺寸底板突水物模实验研究仍较为鲜见。可预见的是,随着试验各方面条件进一步完善,该技术在底板突水物模实验方面将会有较大发展。

图7 工作面推进过程底板应变变化曲线

Fig.7 Strain variation curves of the bottom plate during the advancing process of the working face

图8 渗流-应力耦合作用下砂岩应变场演化

Fig.8 Evolution of strain field in sandstones under the seepage-stress coupling effect

3.3水环境测试方法

水环境测试方法则是一类直接观测采动过程中底板承压水物理化学信息时空变化的技术方法。相对而言,其能宏观上直观反映底板突水的动态演变及阶段特征。现阶段,针对底板突水物模实验方面的水环境测试主要包括水压、流量、水位、水化学成分等参数信息。
在水压-流量一体化监测方面,已取得良好试验效果。如李杨杨等[17]基于自主研制的底板突水可视化试验系统中设计的水压控制模块与突水流量监测模块,实现了对底板特定区域突水过程水量及水压的实时监测,研究发现突水通道形成发展存在多个阶段特征,将突水过程水压-流量作为主要监测指标,并与其他监测信息相结合,可实现对煤层底板突水的预测预警(图9)。

图9 采动底板突水演变可视化表征试验

Fig.9 Visualization characterization experiment of mining-induced water inrush evolution from mining floor

对于水位高度信息的判断,目前主要有3种方式,其一是直接肉眼观察模型采动底板承压水(染色)导升高度,其二是利用预先埋设在模型内不同位置导水软管出水情况判断;其三是通过不同监测技术捕捉底板温度场、渗流场分布变化来间接确定底板水导升高度。上述方式各有优势,但可以发现,方式二没有真正开展水岩作用下的底板突水物模实验,从科学严谨的角度看,试验中采用方式一、方式三更合理些。例如,张平松等[19]基于分布式温度光纤测试技术(方式三)开展的底板突水岩层温度场变化监测研究,结果表明该技术能够对模型底板突水导升过程中温度场分布进行快速捕捉,进而有效圈定温度异常区并给出突水风险等级(图10)。

图1 0 底板突水室内模拟光纤监测

Fig.10 Simulated optical fiber monitoring in floor water inrush chamber

底板水化学场特征与地下水原生化学背景及其流动特征有着紧密联系,因此,对底板水中水化学场进行分析是矿井底板突水危险源识别与定位的常用方法[52-54]。围绕这方面,一些研究人员也开展了相关物理实验测试。如丁立等[54]根据华北C-P煤田水文地质条件在沙槽含水层内构建了陷落柱及断层等导水构造,通过于测区内布设40个水化学浓度传感观测点,系统研究了突水过程中水文地质效应及定位技术,为进一步开展底板工程应用提供了依据(图11)。


04


发展思考


经过近20 a的发展,煤层采动底板突水物模试验研究在诸多方面取得了长足进步,其严谨性、精细度、智能化水平显著提升,为持续深化对复杂环境下底板突水机理认识提供了科学指导。但也必须清醒地认识到,围绕试验装置、相似材料、监测技术及其数智化等方面仍面临不少挑战(图12),主要表现在以下几个方面。

图1 1 导水构造在流场稳定后的数据等值线

Fig.11 The data contours of the water conducting structure after the flow field stabilizes

图1 2 底板突水物模试验发展方向

Fig.12 Development direction of physical model-based experiment on bottom plate water inrush

4.1大型三维底板突水智能加载综合试验平台研制

当前,底板突水物模加载试验装置由二维发展成三维、模型尺寸由小型变为中型、受力加载由单向发展为双向,承压水模拟由最初弹簧组发展为非接触式的水囊、水袋+导水管以及目前的接触式恒压供水,针对模拟装置的优化不断发展。未来的试验装置应围绕深部化、复杂化环境下的精细控制及稳定运行性能等方面取得进展,重点研发大型三维底板突水智能加载综合试验平台,具体围绕大尺寸高强度密闭透明围压箱、三向分级柔性加载模块、不同特征水害差异性模拟、(隐蔽)致灾因素透明化模拟空间展示、底板渗流及防治同步模拟(地下水库、底板突水注浆)、模型装置集成化数智化操控等方面需要取得突破。

4.2基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立

目前所研制的流固耦合相似材料仍具不透明性,这就导致模型材料内部裂隙扩展及突水路径等关键演变过程难以直观观察;另外,常规人工制样/模方式难以制作复杂模型,且人为操作存在离散性较大等诸多问题。对此,围绕适用于三维物模试验的透明流固耦合相似材料研制、基于3D打印的多尺度含构造(缺陷)等复杂非均质模型精细制作等方面展开深入研究,将成为解决上述问题的有效途径。在当前数智化监测背景下,长期被忽视的仪器测试参数与材料特性相似问题亟待研究,考虑地球物理参数(电性、波速、导热等)相似的新型材料研制至关重要,其可为形成力-流-电-声-热等复杂环境下多场耦合效应的相似理论与监测技术研究奠定基础,进一步提出材料多特性标准化配制、测试及分析方案,从而为加快建立普适性或区域性的流固耦合材料配比数据库提供支持。

4.3多相多场多维耦合监测预警系统构建

各类测试技术数据信息展示形式丰富多样,监测技术各有优势。但是,当前的测试技术研究仍较为单一,针对多相(固-液)多场(应力场-渗流场)耦合演变过程系统科学问题,基于点-线-面(体)多维多参量协同监测及综合判识技术研究仍不足。应重点监测底板应力场、裂隙场、渗流场的时空演化及其相互关系,要清楚岩体发生破坏并不一定导致渗流,但岩体出现渗流则表明该处极可能已产生破坏。在数据观测方面,也应由二维模型表面观测向三维模型内部空间透明化立体监测认识过渡,监测设备在多源信息并行采集与融合分析、突水通道实时可视化表征、临灾前兆自主变频采集、突水风险区动态分级预警等方面要进一步强化,同时,微细观结构信息一体化感知也是未来发展方向。

4.4基于人工智能的物模试验数智化技术研究

当前在装置、材料和技术等各方面工作仍是完全独立开展,研制集试验装置智能调控、物理模型精细制作、多源传感布设及实时感知等一体化先进智能底板突水物模综合试验平台更符合未来科学发展。对此,未来的底板突水智能综合试验平台基于海量的物理试验全过程数据及比照信息分类,进而建立各环节基础数据库,同时融入大数据、机器学习及人工智能技术对智能试验系统展开训练,在此基础上实现装置自主模拟加载、材料智能配比制作,以及综合了多源数据集成-处理-融合-挖掘的异构数据精确融合分析与判识,最终构建集感知、学习、理解、决策、执行于一体的智慧大模型;从而提升试验信息集成处理、融合分析、预测预警的时效性及可靠度,为推动底板突水研究数智化发展水平提供软硬件支持。


05


结论


(1)底板突水具有复杂性、隐蔽性、突发性特点,一旦发生所造成的危害显著、影响范围广。鉴于此,室内物理模拟试验以其水文地质结构、赋存环境等因素可控、可模、可复盘且兼具低成本、高时效等优势而被广泛采用,为持续深化对各类复杂环境下底板突水机理及水害防治认识提供了重要参考。
(2)底板突水物模试验水平日趋完善,在试验装置方面,模拟载荷实现了双向分区独立加载控制,承压水模拟系统具备再现水岩耦合环境下水压控制与水头边界设置;在相似材料方面,为提高其相似性和可靠性,开展了各类新型流固耦合配比材料及制作工艺研究,建立指标参数与材料之间的经验公式;在监测技术方面,受动压和水压叠加作用影响,应力、位移及流态相伴变化,围绕裂隙场和渗流场同步演化多采用地球物理、应力应变、水环境等测试手段,从而更准确反映底板突水动态过程。
(3)未来仍需加强大模型装置综合化可视化、柔性加载系统及过程状态长时稳定可控等研究,试验材料需在结构透明化、制作精细化和过程标准化等方面取得实质性进展,监测技术应向多相多场多参数信息融合感知、多维立体可视化表征方向发展,同时,应将人工智能、大数据、云计算等技术全流程融入物理试验一体化中,实现材料、结构、构造融合构建,智能监测、数据分析、异常判识与远程控制协同作业,不断提升模拟试验的智慧程度。通过工作思路与手段的不断创新,必将有力推动未来数智化底板突水物模试验研究高质量发展,逐步提升矿井水害防治基础研究水平。


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参考资料:

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