礦井突水預(yù)測(cè)理論方法及監(jiān)測(cè)技術(shù)總結(jié)

　　礦井突水預(yù)測(cè)理論方法及監(jiān)測(cè)技術(shù)總結(jié)

　　摘要：本文詳細(xì)闡述了礦井突水征兆和突水水源的識(shí)別方法，并總結(jié)了近年來礦井突水預(yù)測(cè)的理論方法及監(jiān)測(cè)技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：礦井突水 突水征兆 突水預(yù)測(cè) 監(jiān)測(cè)

　　我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展與國家安全戰(zhàn)略離不開能源和礦產(chǎn)資源的強(qiáng)有力支撐，而地下開采方式是目前我國獲得多種能源資源與礦產(chǎn)資源的重要途徑。隨著開采深度、開采強(qiáng)度、開采速度、開采規(guī)模的增加和擴(kuò)大，礦井突水問題日益嚴(yán)重 ，尤其是近幾年，礦井突水事故頻繁發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失，嚴(yán)重影響和制約著礦山的安全生產(chǎn)。因此，開展采動(dòng)條件下礦井突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，對(duì)于采動(dòng)巖體突水預(yù)測(cè)與防治、開采方法的改進(jìn)、安全度的評(píng)價(jià)具有重大理論意義和實(shí)際價(jià)值。

　　1 礦井突水征兆

　　從開拓工作面開始，發(fā)展到突水的期間內(nèi)，在工作面及其附近往往會(huì)出現(xiàn)一些征兆。

　　a. 承壓水與承壓水有關(guān)斷層水突水征兆：①工作面頂板來壓、掉渣、冒頂、支架傾倒或折梁斷柱現(xiàn)象;②底軟膨脹、底膨張裂。這種征兆多隨頂板來壓之后發(fā)生，且較普遍，在采掘面圍巖內(nèi)出現(xiàn)裂縫，當(dāng)突水量大、來勢(shì)猛時(shí)，會(huì)伴有“底爆”響聲;③先出小水后出大水也是較常見的征兆;④采場或巷道內(nèi)瓦斯量顯著增大。

　　b.沖積層水突水征兆：① 突水部位巖層發(fā)潮、滴水，且逐漸增大，仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)水中有少量細(xì)砂;②發(fā)生局部冒頂，水量突增并出現(xiàn)流砂，流砂常呈間歇性，水色時(shí)清、時(shí)混;③發(fā)生大量潰水、潰砂，這種現(xiàn)象可能影響至地表，導(dǎo)致地表出現(xiàn)塌陷坑。

　　c.老窯水突水征兆：① 煤層發(fā)潮、色暗無光;②煤層“掛汗”;③ 采掘面、煤層和巖層內(nèi)溫度低“發(fā)涼”;④在采掘面內(nèi)若在煤壁、巖層內(nèi)聽到“吱吱”的水呼聲時(shí)，表征因水壓大，水向裂隙中擠壓發(fā)出的響聲，說明離水體不遠(yuǎn)了，有突水危險(xiǎn);⑤ 老窯水一般呈紅色，含有鐵，水面泛油花和臭雞蛋味。

　　2 礦井水源的識(shí)別

　　采掘過程中發(fā)現(xiàn)突水征兆，及時(shí)告誡并采取必要防范措施，以減緩或防止突水事故發(fā)生。礦井突水后，如何查清水源，達(dá)到有針對(duì)性的治理，則是礦井出現(xiàn)突水后的一個(gè)重要問題。水源識(shí)別主要有以下方法：

　　2.1 地質(zhì)、水文地質(zhì)分析法

　　熟悉掌握井田或采區(qū)內(nèi)已存在或可能存在的斷層位置、性質(zhì)、落差、兩盤含水層錯(cuò)動(dòng)情況;斷裂構(gòu)造的組合特征、含水層數(shù)目、厚度、含水類型、水壓大小、富水性、裂隙或巖溶發(fā)育程度;礦層與直接或間接充水含水層的距離、隔水層厚度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性;老窯邊界、舊鉆孔位置及封孔質(zhì)量;地表水是否與礦坑水有聯(lián)系。通過上述方法可以初步確定井田內(nèi)突水的類型和位置。

　　2.2 突水點(diǎn)位置和突水形態(tài)分析法

　　在采礦過程中，由于煤層底板或斷層應(yīng)力場發(fā)生了變化，承壓水的入侵高度沿?cái)鄬訋Щ蚱茢嗟牡装逑蛏习l(fā)展產(chǎn)生遞進(jìn)導(dǎo)升現(xiàn)象，以致造成突水。因此，突水過程具有巖體應(yīng)力、滲透性變化、水壓升高、涌水量增大等一系列前兆。這些前兆是突水預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的依據(jù)，通過傳感器對(duì)應(yīng)力、水壓的變化幅度等信息進(jìn)行分析處理，來反演突水區(qū)域，進(jìn)而計(jì)算突水點(diǎn)的位置。突水形態(tài)是指水從突水點(diǎn)流出還是冒出;是一陣大一陣小，還是緩慢增大;是上翻出水、噴射，還是緩流水，以此判斷水壓的相對(duì)大小，同時(shí)也反映出動(dòng)水量大小。

　　2.3 突水?dāng)y出物分析法

　　無論是地表水或井下承壓含水層中的水，潰入采掘工作面時(shí)，一般都能攜出突破點(diǎn)附近圍巖物質(zhì);可通過觀察和分析這方面的資料來確定突水位置。

　　2.4 地下水動(dòng)態(tài)分析法

　　井巷突水前，地下水運(yùn)動(dòng)處于相對(duì)動(dòng)平衡態(tài)，在疏放流場中，其流向、水力坡度、水質(zhì)、水溫都相對(duì)穩(wěn)定。突水后，勢(shì)必打破原平衡狀態(tài)，在水位、水質(zhì)、水量等方面應(yīng)有所反映。通過動(dòng)態(tài)分析法，可以分析判斷突水水源。

　　2.5 水化學(xué)法

　　水化學(xué)法是研究地下水自身組分的變化，從微觀上判別和認(rèn)識(shí)不同水源間差異和聯(lián)系的一種方法。要判別井下突水水源，必須首先搞清不同水源之間的區(qū)別和各自特征，并掌握其形成特征的自然規(guī)律。地下水在形成過程中，由于受到含水層的沉積期、地層巖性、建造和地化環(huán)境等諸多因素的影響，使儲(chǔ)存在不同含水層中的地下水主要化學(xué)成分有所不同。

　　近年來，由于計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)得到迅速發(fā)展，一些定量、半定量的方法已經(jīng)應(yīng)用到對(duì)礦井突水水源的判別中，如模糊綜合評(píng)判法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)分析等等。每種方法有其自身的特點(diǎn)，同時(shí)也存在一定的局限性。針對(duì)不同情況，如何從方法上揚(yáng)長避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井突水水源的準(zhǔn)確判別及預(yù)測(cè)。

　　3 礦井突水預(yù)測(cè)

　　3.1 突水系數(shù)法

　　我國學(xué)者早在1964年就開始了底板突水規(guī)律的研究，提出了采用突水系數(shù)作為預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)底板突水與否的標(biāo)準(zhǔn)。突水系數(shù)就是單位隔水層所能承受的極限水壓值，表達(dá)式為

　　

 

　　式中， p ——作用于底板的水壓，MPa;

　　M ——底板厚度，m。

　　用突水系數(shù)評(píng)價(jià)底板穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于確定臨界突水系數(shù) Ts，可定義為每米隔水層厚度所能承受的最大水壓。若 T < Ts說明底板穩(wěn)定，突水可能性小;反之，T > Ts則說明底板不穩(wěn)定，發(fā)生底板突水的可能性大。

　　3.2　阻水系數(shù)法

　　阻水系數(shù)法是通過現(xiàn)場底板鉆孔水壓致裂法底板巖石的平均阻水能力,計(jì)算公式為

　　Z = P /R,

　　式中, Z為阻水系數(shù); R 為裂縫擴(kuò)展半徑, 一般取R= 40～50; P為巖體破裂壓力, P = 3σ2 - σ1 +σT -P0 ;σ2、σ1 為底板巖層最大、最小主應(yīng)力;σT 為巖體抗拉強(qiáng)度; 為巖體孔隙壓力。

　　利用阻水系數(shù)法預(yù)測(cè)底板突水性的原則是:

　　a.巖石破裂壓力大于水壓,則不產(chǎn)生突水;

　　b.若巖石破裂壓力小于水壓,則用水壓與有效隔水層總阻力能力Z總( Z總= Zh )相比,如果有效隔水層總阻力能力大于水壓,則不會(huì)發(fā)生突水,否則,有突水可能性。

　　3.3 礦井直流電法

　　3.3.1 原理

　　直流電法勘探是以煤、巖層的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過人工向地下供入穩(wěn)定電流，觀測(cè)大地電流場的分布規(guī)律，從而確定巖、礦體物性(如貧、富水區(qū)域)的分布規(guī)律或地質(zhì)構(gòu)造的特征。

　　3.3.2 工作方法及特點(diǎn)

　　直流電法靈活，根據(jù)不同探測(cè)目的，可以采用多種工作裝置形式。井下探測(cè)通常應(yīng)用對(duì)稱四極測(cè)深裝置、三極測(cè)深裝置和三點(diǎn)三極超前探裝置。直流電法具有理論成熟、儀器簡便、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可用于探測(cè)巷道掘進(jìn)工作面前方富水體范圍、劃分頂?shù)装鍘r層貧富水區(qū)域、確定工作面回采時(shí)的易突水地段、評(píng)價(jià)工作面回采時(shí)的水害安全性等。

　　3.4 “地質(zhì)-電法-測(cè)溫”多參數(shù)綜合超前探測(cè)技術(shù)

　　綜合超前探測(cè)技術(shù)是結(jié)合地質(zhì)信息分析、井下直流電法超前探測(cè)、紅外測(cè)溫的綜合超前探測(cè)法.它根據(jù)同一地質(zhì)構(gòu)造(源)引起的地層形變場(定性)、電磁場(定量)、地溫場(定性)等多種參數(shù)變化趨勢(shì)同步、靈敏性不同的特點(diǎn),利用“同源異場”聚焦的作用,定性與定量相結(jié)合,能提高探測(cè)準(zhǔn)確度,為“非接觸式”井下綜合超前探測(cè)法,或稱“地電熱”綜合超前探測(cè)技術(shù).

　　a. 該技術(shù)綜合了地層形變場、電磁場、地溫場的優(yōu)點(diǎn),定量與定性相結(jié)合,具有“同源異場”的聚焦作用,多參數(shù)變化趨勢(shì)同步、靈敏性不同之特點(diǎn),屬“非接觸式”綜合探測(cè)法,比目前國內(nèi)外常規(guī)單一探測(cè)技術(shù)優(yōu)越得多,能避免因鉆探等“直接接觸式”探測(cè)法突然遇到或揭露高壓富水地段而大量突水的可能性,又減小了物探解釋的多解性. 該技術(shù)應(yīng)用方便、成本低,能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)邊界大斷層及其分支斷層的位置及其導(dǎo)水、含水性,能有效保障煤礦生產(chǎn)安全.

　　b.該方法適用于一般(煤)礦帶水壓掘進(jìn)(或開采)巷道正前方0～150m的災(zāi)害性地質(zhì)構(gòu)造(如老窯采空積水區(qū)、導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)(突)水陷落柱、潛在導(dǎo)水?dāng)嗔寻l(fā)育帶、煤層突變帶等)的超前探測(cè)預(yù)報(bào),及類似(高水壓、高風(fēng)險(xiǎn))邊界大斷層附近的掘進(jìn)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),可進(jìn)行近距離定性定量相結(jié)合的綜合超前探測(cè).

　　c.在應(yīng)用該“同源異場”預(yù)報(bào)理論預(yù)報(bào)時(shí),要注意:①選擇有效的、靈敏度較高的、有一定超前量的預(yù)測(cè)指標(biāo);②確定各種“場”的預(yù)報(bào)臨界值;異常臨界值的確定需要許多基本資料,并按照一定規(guī)律進(jìn)一步調(diào)整;③進(jìn)行各場之間相關(guān)的同步性、趨勢(shì)性、靈敏性分析;④定性與定量相結(jié)合,各參數(shù)相互印證、綜合判斷;⑤以煤層為主要研究對(duì)象.煤層在煤礦中揭露最多,具有可塑性與流動(dòng)性,含最活躍的指標(biāo)參數(shù).

　　3.5 核磁共振技術(shù)在煤礦突水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　NMR方法受地質(zhì)因素影響小。例如,用電阻率法和電磁測(cè)深法卡尼亞視電阻率在某一范圍內(nèi)無法區(qū)分裂隙中泥質(zhì)充填物和自由水,而NMR方法可以清楚地顯示出他們的界線?？赡芙o煤礦坑道造成突水災(zāi)害的水,必須有一定的量,必須在坑道附近不遠(yuǎn)的范圍內(nèi),必須有一定的破碎帶、裂隙、斷層、巖溶陷落柱、疏松帶、廢棄坑道等地質(zhì)或人為構(gòu)造。這些都是可以用核磁共振測(cè)水方法準(zhǔn)確地探測(cè)清楚的。按照目前的核磁共振測(cè)水技術(shù),需要進(jìn)一步研究解決的一是天線在坑道中的布設(shè)方法;二是所測(cè)到的富水構(gòu)造的方位確定問題。換言之,在地面可以任意大小地鋪設(shè)的天線,而在空間受到限制的坑道內(nèi)需要研究如何設(shè)計(jì)與鋪設(shè)天線才能測(cè)到NMR信號(hào)。

　　核磁共振找水技術(shù)是目前世界上唯一的直接找水技術(shù),可以清楚地探測(cè)到150m范圍內(nèi)含水構(gòu)造的含水量、導(dǎo)水條件(滲透率)。將此技術(shù)用于煤礦突水預(yù)測(cè),將會(huì)極大地提高預(yù)測(cè)的速度與準(zhǔn)確性。

　　3.6 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦底板突水預(yù)測(cè)

　　煤礦突水的影響因素主要有四個(gè):含水層巖溶發(fā)育程度(KT)、水壓(WP)、隔水層厚度(T)和斷裂構(gòu)造的復(fù)雜程度(DF)。設(shè)突水水量為Q，則煤礦突水模型可以表示為:

　　Q=f(KT，WP，T，DF)

　　實(shí)際研究中，需要根據(jù)一系列的Q一(尺T，WP，T，DF)樣本數(shù)據(jù)序列，推算出映射函數(shù)f的具體形式。本次主要是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)功能，以簡單函數(shù)的多次疊代，實(shí)現(xiàn)對(duì)映射函數(shù)f的逐次逼近，最終得到滿意的預(yù)測(cè)模型。

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布式記憶、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)性等特點(diǎn)，因此，應(yīng)用于在煤礦底板突水等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)模型的建立過程中，可以獲得顯著的預(yù)測(cè)效果。同時(shí)，研究過程中尚存在著諸如有時(shí)模型滯留于區(qū)域極小值附近而使學(xué)習(xí)效率降低等不足，有待在今后的工作中加以改進(jìn)。

　　3.7 利用物探信息預(yù)測(cè)煤礦水害

　　利用地面三維地震、地面瞬變電磁法等物探手段,查明采區(qū)內(nèi)斷層的分布、導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度及分布、隔水層的厚度及分布、含水層的厚度及分布,為頂?shù)装逋凰A(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確詳實(shí)的水文地質(zhì)資料,以彌補(bǔ)常規(guī)手段所獲取資料的不足,并為非量化因素的量化提供新的研究途徑。

　　根據(jù)鉆孔測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(聲速、密度、電阻率、自然電位、自然伽瑪?shù)?,求取巖石物性參數(shù)。對(duì)孔間地震資料進(jìn)行反演,推斷地層巖性在平面上的變化情況,確定導(dǎo)水裂隙帶的分布范圍。

　　研究煤礦頂?shù)装逋凰臋C(jī)理和影響因素;研究有關(guān)的非量化因素的合理化手段,并建立有針對(duì)性的礦井突水預(yù)測(cè)模型,確定合適的參數(shù)及分類閾值,以提高突水預(yù)測(cè)的精度。建立比較確切的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)模型,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資料的信息化、數(shù)字化和可視化,為突發(fā)性水害應(yīng)變對(duì)策的制定提供技術(shù)支撐。簡單模擬圖如圖1。

　　

 

　　利用地面三維地震、地面瞬變電磁法、無線電波透視法等物探手段,查明采區(qū)內(nèi)斷層的分布、導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度及分布、隔水層的厚度及分布、含水層的厚度及分布,為頂?shù)装逋凰A(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確詳實(shí)的水文地質(zhì)資料。利用GIS作為平臺(tái),把三維地震、瞬變電磁、構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)等多源信息進(jìn)行復(fù)合、綜合分析后建立預(yù)測(cè)模型,對(duì)煤礦水害進(jìn)行預(yù)測(cè)。它的研究成果為煤礦水害預(yù)報(bào)提供了新的手段,對(duì)我國煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義。

　　3.8 遙感技術(shù)預(yù)測(cè)礦區(qū)突水的可行性

　　眾所周知,遙感圖像對(duì)礦區(qū)構(gòu)造解譯,特別是對(duì)礦區(qū)外圍的區(qū)域構(gòu)造解譯是常規(guī)地質(zhì)和物探手段無法比擬的。而這些區(qū)域斷裂構(gòu)造往往控制著與突水有直接關(guān)系的強(qiáng)徑流帶。強(qiáng)徑流帶內(nèi)巖溶發(fā)育,含水性強(qiáng),對(duì)礦井突水起決定性作用。如焦作礦區(qū)的鳳凰嶺斷層強(qiáng)徑流帶內(nèi)巖溶發(fā)育,含水性強(qiáng),對(duì)礦井突水起決定性作用。如焦作礦區(qū)的朱村斷層強(qiáng)徑流帶、方莊斷層強(qiáng)徑流帶等均屬此類構(gòu)造。同時(shí)突水點(diǎn)空間分布又與這些主干斷層有著密切的關(guān)系,突水點(diǎn)一般分布規(guī)律如下。

　?、賰蓷l主干斷裂的復(fù)合部位及其銳角一側(cè)形成富水區(qū)。

　?、谥鞲蓴鄬优詡?cè)的入字型小構(gòu)造。

　?、蹟嗔衙芗瘞А?/p>

　?、苤鞲蓴嗔训臋M張結(jié)構(gòu)面形成的巖溶水的脈狀溶水帶。

　?、輸鄬酉Ф?。

　　因此,利用遙感數(shù)據(jù)解譯區(qū)域斷裂構(gòu)造,進(jìn)而尋找井下主要涌水補(bǔ)給通道是可以實(shí)現(xiàn)的。另外,遙感(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù),對(duì)多源信息進(jìn)行復(fù)合處理,可對(duì)富水礦區(qū)的突水災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)。

　　3.9 應(yīng)用GIS進(jìn)行突水預(yù)測(cè)

　　將影響底板突水的5種主要因素、10種數(shù)據(jù)的專題文件輸入計(jì)算機(jī),進(jìn)行復(fù)合處理,初步構(gòu)造出突水的數(shù)學(xué)模型,再通過擬合校正,建立突水模式。經(jīng)過多種模型的運(yùn)算與反復(fù)擬合,最終選定擬合程度最好的突水模式為:

　　

　　

 

　　式中 n——突水指數(shù);

　　F——斷層密度,條/km2;

　　H——水頭壓力,MPa;

　　M——底板阻水能力MPa;

　　a、b——權(quán)重系數(shù),分別為0.8和0.2;

　　c——修正系數(shù),水壓為0時(shí)取0,否則取1。

　　根據(jù)上述突水模式運(yùn)算結(jié)果與實(shí)際突水資料的擬合程度,確定楊村井田17煤分區(qū)閾值如下:

　　安全區(qū)n<1.5

　　可能突水區(qū)1.5

　　突水危險(xiǎn)區(qū)n>3

　　

 

　　3.10 瞬變電磁法探測(cè)煤礦水害

　　瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)簡稱 TEM，屬于感應(yīng)類電磁探測(cè)方法。該方法具有勘探深度大，穿透高阻層能力強(qiáng)，隨機(jī)干擾小，可以在遠(yuǎn)區(qū)觀測(cè)，也可在近區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，選擇不同時(shí)間窗進(jìn)行觀測(cè)，可以獲得不同深度的地質(zhì)信息等優(yōu)點(diǎn)。廣泛的應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘探、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域，已成為煤礦水害探測(cè)最為有效的方法，為礦井安全生產(chǎn)提供了有力的保證

　　當(dāng)探測(cè)地下地質(zhì)體時(shí)，向地面敷設(shè)的發(fā)送回線中通以一定的穩(wěn)定電流，從而在回線中間及周圍一定區(qū)域便產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(稱一次場或激勵(lì)場)。若一次電流突然斷開，則一次磁場隨之消失，使處于該磁場中的良導(dǎo)地質(zhì)體內(nèi)部由于磁通量Φ的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε = dΦ/dt(法拉第電磁感應(yīng)定律)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在良導(dǎo)地質(zhì)體中產(chǎn)生二次渦流場，二次渦流又因焦耳熱消耗而不斷衰減。其二次場也隨之衰減。由于感應(yīng)二次場的衰變規(guī)律與地下地質(zhì)體導(dǎo)電性有關(guān)，導(dǎo)電性越好，二次場衰減越慢，導(dǎo)電性越差，二次場衰減越快。所以通過研究瞬變場隨時(shí)間的變化規(guī)律，就可達(dá)到探測(cè)地下各種地質(zhì)體的分布情況

　　3.11 突水概率指數(shù)方法

　　突水概率指數(shù)是指應(yīng)用賦權(quán)的方法，將影響底板突水的各種因素在底板突水中所起的作用進(jìn)行定量化，通過一定的數(shù)學(xué)模型求得的總體量化指數(shù)即為突水概率指數(shù)。突水概率指數(shù)法是一種結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際來預(yù)測(cè)采場底板突水的一種新方法，它不僅考慮了多種因素對(duì)突水的綜合影響，而且能夠反映研究區(qū)的突水規(guī)律。經(jīng)過計(jì)算機(jī)程序化后，其現(xiàn)場可操作性十分方便。施龍青教授運(yùn)用突水概率指數(shù)

　　法，以肥城煤田為例，闡述了該方法在預(yù)測(cè)煤礦底板突水中的應(yīng)用

　　3.12 底板突水的突變理論預(yù)測(cè)

　　在承壓水上開采煤層后, 底板巖層的原始應(yīng)力狀態(tài)被破壞, 致使應(yīng)力重新分布, 從而導(dǎo)致底板巖層失穩(wěn)破壞形成導(dǎo)水裂隙, 其結(jié)果往往造成底板承壓水通過采動(dòng)裂隙突然涌入開采作業(yè)空間, 形成底板突水。整個(gè)過程具有非連續(xù)突變特征,屬于突變理論研究的范疇。因此,采用突變理論的方法對(duì)煤層底板突水問題進(jìn)行研究,是符合其本質(zhì)特征的,并有助于尋求底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的新途徑。

　　圖1上部為煤層底板突水系統(tǒng)狀態(tài)突變流形(平衡曲面),下部為uov平面,其中u,v表示控制煤層底板突水的兩類基本因素:底板導(dǎo)水裂隙發(fā)展因素和突水阻抗因素。平衡曲面由上、中、下三葉構(gòu)成,其中上、下兩葉是穩(wěn)定的,中葉是不穩(wěn)定的。下葉代表煤層底板非突水狀態(tài),上葉代表煤層底板突水狀態(tài)。底板處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)靜態(tài)的承壓水(下葉)和底板巖層失穩(wěn)破裂產(chǎn)生突水通道后處于動(dòng)態(tài)的承壓水(上葉)是煤層底板突水系統(tǒng)所處的兩個(gè)平衡位置,突水過程則是系統(tǒng)狀態(tài)變量x由下葉躍遷到上葉的過程。

　　

 

　　3.13 “下三帶”法

　　對(duì)承壓水體上采煤底板巖層突水機(jī)理研究表明，在煤層開采過程中，煤層底板巖層由上到下形成底板導(dǎo)水破壞帶、有效隔水層保護(hù)帶和承壓水導(dǎo)升帶，稱為“下三帶”。底板導(dǎo)水破壞帶是指由于采動(dòng)礦壓的作用，底板巖層連續(xù)性遭到破壞，導(dǎo)水性發(fā)生明顯改變的層帶;有效隔水層保護(hù)帶是保持采前巖層的連續(xù)性及其阻抗水性能的巖層;承壓水導(dǎo)升帶是指含水層中的承壓水沿隔水底板中的裂隙或斷裂帶上升的高度。設(shè)煤層隔水底板總厚度為h，底板導(dǎo)水破壞帶、有效隔水層保護(hù)帶與承壓水導(dǎo)原始高帶的厚度依次為 h1、h2和 h3，則

　　

 

　　當(dāng) h > h1 +h3時(shí)，則保護(hù)層存在，當(dāng) h < h1 +h3時(shí)，則保護(hù)層不存在。顯然，當(dāng) h

　　h1 +h3時(shí)，是否會(huì)發(fā)生底板突水則取決于有效隔水層保護(hù)帶的厚度及其阻抗水能力;若有效保護(hù)層阻水水壓 Z 總大于實(shí)際水壓，則安全，反之則不安全。 Z總等于阻水系數(shù)Z 乘以有效保護(hù)層厚度 h 2，即：

　　

 

　　3.14 三維數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

　　采動(dòng)巖體導(dǎo)水裂隙僅在一定高度范圍內(nèi)發(fā)育已被現(xiàn)有研究結(jié)果證明。但是隨著采煤工作面推進(jìn)，在頂?shù)装鍘r層破壞運(yùn)動(dòng)過程中，導(dǎo)水裂隙在工作面推進(jìn)不同階段、不同區(qū)域的動(dòng)態(tài)發(fā)展分布規(guī)律，原有傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式仍然難以描述。然而通過FLAC3D 三維數(shù)值模擬軟件，利用軟件中的固流耦合功能，可以形象的描述底板承壓水上開采過程中，導(dǎo)水裂隙隨著煤層開采在不同階段的動(dòng)態(tài)發(fā)育過程，并可據(jù)此進(jìn)行底板突水預(yù)測(cè)。

　　3.15 高精度微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦突水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　為了監(jiān)測(cè)導(dǎo)水通道(斷層、陷落柱等)在采動(dòng)影響下的動(dòng)力學(xué)活動(dòng)和失穩(wěn)過程，以及對(duì)其造成的突水危險(xiǎn)性進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，利用高精度微震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行煤礦突水危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的工程實(shí)踐。采用全局尋優(yōu)定位技術(shù)，充分考慮內(nèi)、外場震源定位的不同影響因素，結(jié)合速度結(jié)構(gòu)、檢波器一致性等校正技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微震震源的高穩(wěn)定、高精度定位;優(yōu)化布置微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，對(duì)大斷層、陷落柱等隱伏構(gòu)造進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過對(duì)定位結(jié)果的三維展示和分析，得到地質(zhì)構(gòu)造的活化規(guī)律、底板破裂深度、頂板破裂高度、合理煤柱尺寸等實(shí)測(cè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)突水危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。工程實(shí)踐證明，微震監(jiān)測(cè)能夠準(zhǔn)確診斷出斷層和陷落柱等構(gòu)造活化的強(qiáng)度、烈度以及相關(guān)的時(shí)空參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)突水預(yù)警預(yù)報(bào)的強(qiáng)有力的地球物理監(jiān)測(cè)手段。建立基于定位結(jié)果的巖體空間破裂場的定量描述模型、實(shí)現(xiàn)定位結(jié)果的多角度、多層次的展示技術(shù)，從防治水、礦山壓力等多學(xué)科角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)突水監(jiān)測(cè)的超前預(yù)警預(yù)報(bào)，是突水監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要的發(fā)展方向。

　　3.16 多源地學(xué)信息復(fù)合疊置法底板突水預(yù)測(cè)方法

　　煤層底板突水是多因素綜合影響的結(jié)果, 各自起著不同的作用, 用傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不可能很好地解決所面臨問題. 多源地學(xué)信息復(fù)合疊置法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙感技術(shù)發(fā)展起來的, 是多源地學(xué)信息(地理信息、地質(zhì)信息、遙感信息等) 進(jìn)行綜合處理的一種新方法, 該方法在地理信息系統(tǒng)(GIS) 平臺(tái)的支持下, 對(duì)多種地學(xué)信息進(jìn)行疊置復(fù)合后, 通過空間分析功能得到能夠供決策的新信息. 通過收集礦區(qū)的開拓圖、水文地質(zhì)圖、地質(zhì)報(bào)告和已有的突水資料等, 分析找出主要突水因素, 進(jìn)行采集與量化, 利用ArcGIS軟件的空間分析功能, 把影響煤層底板突水的多種因素經(jīng)過處理、加工, 形成可供量化的信息源, 進(jìn)行信息復(fù)合疊置, 從而構(gòu)建底板突水預(yù)測(cè)模型, 作出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào), 預(yù)測(cè)流程如圖1所示.

　　

 

　　3.17 模糊物元分析方法

　　運(yùn)用可拓學(xué)的理論和方法，基于可拓學(xué)中的可拓集合變換和相關(guān)系數(shù)分析法，給出頂板涌水評(píng)價(jià)的物元模型，并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法，進(jìn)行模糊物元分析，根據(jù)模型編制頂板涌水等級(jí)評(píng)價(jià)的軟件。用可拓性方法進(jìn)行對(duì)礦井涌水等級(jí)評(píng)價(jià)的研究，以不相容問題為研究對(duì)象，研究其轉(zhuǎn)化規(guī)律及解決方法，實(shí)行定性與定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，避免了以往安全評(píng)價(jià)方法的單一定性方法或單一定量方法的局限性。應(yīng)用可拓學(xué)方法評(píng)價(jià)礦井涌水等級(jí)，就是把礦井涌水等級(jí)轉(zhuǎn)換成更容易定量描述的“替代物”來進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以得到更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果，因而為礦井涌水等級(jí)的評(píng)價(jià)提供了一種新的方法。該方法評(píng)價(jià)過程不受人為主觀因素的影響，因而評(píng)價(jià)結(jié)果更符合客觀實(shí)際。

　　3.18 三圖- 雙預(yù)測(cè)法

　　“三圖- 雙預(yù)測(cè)法”, 是指頂板直接充水含水層的富水性分區(qū)圖、頂板冒落安全性分區(qū)圖、頂板涌(突) 水條件綜合分區(qū)圖及回采工作面整體和分段工程涌水量預(yù)測(cè)、頂板直接充水含水層采前預(yù)疏放方案預(yù)測(cè). 其中涌(突) 水條件綜合分區(qū)圖由富水性和冒落安全性分區(qū)圖復(fù)合疊加而成. “三圖一雙預(yù)測(cè)法”從對(duì)煤層頂板涌突水條件的定性綜合分析，，到回采工作面工程涌突水量和采前預(yù)疏放量的定量模擬預(yù)測(cè)，形成了一整套系統(tǒng)的研究思路和研究方法。煤層回采導(dǎo)致的頂板涌突水災(zāi)害發(fā)生的根本原因，就是煤層回采形成的頂板導(dǎo)水裂隙帶溝通了上覆直接充水含水層，并且含水層在回采工作面冒落范圍對(duì)應(yīng)的部位富水性較強(qiáng)因此頂板涌突水條件分析不外乎包括兩個(gè)方面內(nèi)容煤層回采頂板冒落安全性分析和頂板直接充水含水層富水性分析。運(yùn)用多源地學(xué)信息復(fù)合疊加原理，根據(jù)多個(gè)水文地質(zhì)物理場的不同特征，相互對(duì)比驗(yàn)證，互相彌補(bǔ)不足，對(duì)充水含水層的富水性進(jìn)行了系統(tǒng)綜合分析。

　　3.19 巖一水應(yīng)力關(guān)系法

　　現(xiàn)場礦壓觀測(cè)與底板巖體變形規(guī)律的研究表明，底板突水是礦壓和底板承壓水壓力共同作用的結(jié)果。在工作面超前支承壓力作用下，底板巖層呈壓縮狀態(tài);而在煤壁邊緣和采空區(qū)內(nèi)部，底板巖體由于卸壓而處于膨脹狀態(tài)。底板巖體在由壓縮向膨脹的轉(zhuǎn)化過程中，將不可避免地產(chǎn)生剪切和張拉破壞。巖一水應(yīng)力關(guān)系法從物理和應(yīng)力概念出發(fā)，認(rèn)為造成底板突水需具備兩個(gè)條件:①存在導(dǎo)水破裂帶。無論是地質(zhì)構(gòu)造作用還是采掘引起的巖體破壞，只要使底板隔水層破壞至一定深度，且與下部導(dǎo)升高度相通或波及到下部含水層，就具備了突水的必要條件。此時(shí)底板巖層由于強(qiáng)度下降，底板滲流強(qiáng)度增加，但未必一定產(chǎn)生突水;②水壓與應(yīng)力關(guān)系。當(dāng)承壓水壓力大于或等于水平最小主應(yīng)力時(shí)，才會(huì)具備突水的充分條件，此時(shí)，底板水在水壓力的驅(qū)動(dòng)下，可以突破底板巖層裂隙帶水平方向應(yīng)力的約束，穿越巖體破裂帶構(gòu)成突水。巖一水應(yīng)力關(guān)系法建立的突水臨界指數(shù)為:

　　

 

　　式中Pw一作用于底板上的承壓水壓力，MPa

　　σ2一水平最小主應(yīng)力，MPa

　　當(dāng)指數(shù)I>1時(shí)，底板發(fā)生突水 。

　　3.20 基于Fuzzy邏輯和物元分析的礦井突水預(yù)測(cè)

　　將影響突水的主要因素按其重要性排序：沿礦井走向的深度落差(T)，采面走向長度(L)，隔水層厚度(H)，水壓(Pr)，采面面積(S)。根據(jù)原始資料，將上述5個(gè)因素分成兩組：第一組是落差(T)和水壓(Pr);第二組是采面走向長度(L)，隔水層厚度(H)，采面面積(S)。對(duì)第一組算出突水的可能性，用k1(x)表示。對(duì)第二組算出不突水的可能性，用k2(x)表示?？偼凰赡苄杂胟(x)表示，k(x)與 k1(x)、k2(x)有如下的關(guān)系：k(x)= k1(x)-k2(x)。運(yùn)用Fuzzy邏輯和物元分析法可分別求出k1(x)、k2(x) 及k(x)

　　3.21　隧道超前地震預(yù)報(bào)技術(shù)在煤礦水害預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

　　TSP技術(shù)主要利用巖體波速的變化對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行解譯。用于預(yù)警預(yù)報(bào)煤礦水害的可行性分析如下:

　　a. 煤礦地下巖層的賦存狀態(tài)。一般情況下,隧道所處的位置在山區(qū)、距離地表的深度較淺,在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中山脈形成時(shí)各巖層會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)、節(jié)理裂隙發(fā)育、巖石破碎,在其形成后的漫長歷史過程中又受到各種物理、化學(xué)作用的影響使其構(gòu)造變得更加復(fù)雜;而煤礦開采深度一般較大,地下巖層不會(huì)受到如隧道巖層那樣的不良影響,其總體賦存狀態(tài)優(yōu)于隧道的地質(zhì)情況。因此,從巖層的賦存狀態(tài)角度看,利用TSP技術(shù)預(yù)報(bào)煤礦井下地質(zhì)災(zāi)害是可行的。

　　b. 突水水源。煤礦井下發(fā)生突水的水源主要包括:老窯(空)水、含水層水、溶洞水和地表水等。TSP技術(shù)用于探測(cè)地下水源的可行性從理論上是可以實(shí)現(xiàn)的,并已在隧道工程中得到了驗(yàn)證。因此,完全可以應(yīng)用于煤礦地下水源的探測(cè)。

　　c. 突水通道。造成煤礦井下突水的通道包括斷層、陷落柱、淺部廢棄的井巷和溶洞等。TSP技術(shù)在隧道工程中已經(jīng)成功地對(duì)斷層、溶洞等地質(zhì)體進(jìn)行了預(yù)報(bào);在探測(cè)煤礦井下斷層中也有成功應(yīng)用的報(bào)道。因此,該技術(shù)也可以用來探測(cè)煤礦井下斷層等各種可能造成煤礦突水的通道。

　　3.22 紅外探測(cè)技術(shù)在煤巷突水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

　　巖層或煤層由于分子振動(dòng)和晶格振動(dòng)，每時(shí)每刻都在向外輻射紅外電磁波，并形成紅外輻射場，場具有能量、動(dòng)量、方向等特性，不同的地質(zhì)體產(chǎn)生不同的紅外輻射場。而紅外熱像儀的作用就是沿巷道探測(cè)紅外輻射場的變化，即通過熱像儀顯示出紅外輻射溫度的變化，確定隱伏目標(biāo)是否存在及其性質(zhì)。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體中含地下水,那么地下水場源產(chǎn)生的紅外場會(huì)對(duì)地質(zhì)體場源所產(chǎn)生紅外場產(chǎn)生影響,使其場強(qiáng)發(fā)生變化。地質(zhì)體所形成的紅外場場強(qiáng)變化可用紅外線探測(cè)儀探測(cè)。根據(jù)圍巖紅外場強(qiáng)的變化來預(yù)報(bào)掌子面前方或洞壁四周是否隱狀含水體。

　　3 結(jié)論

　　本文詳細(xì)闡述了礦井突水征兆和突水水源的識(shí)別方法，并總結(jié)了近年來礦突水預(yù)測(cè)的理論方法及監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過對(duì)突水預(yù)測(cè)方法的分析，認(rèn)為采用多種方法聯(lián)合預(yù)測(cè)技術(shù)將是突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究的發(fā)展趨勢(shì)。

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