礦井突水預(yù)測理論方法及監(jiān)測技術(shù)總結(jié)

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

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

　　我國經(jīng)濟持續(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、開采強度、開采速度、開采規(guī)模的增加和擴大，礦井突水問題日益嚴重 ，尤其是近幾年，礦井突水事故頻繁發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成重大損失，嚴重影響和制約著礦山的安全生產(chǎn)。因此，開展采動條件下礦井突水預(yù)測預(yù)報理論及監(jiān)測技術(shù)研究，對于采動巖體突水預(yù)測與防治、開采方法的改進、安全度的評價具有重大理論意義和實際價值。

　　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，當突水量大、來勢猛時，會伴有“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，仔細觀察可發(fā)現(xiàn)水中有少量細砂;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，水色時清、時混;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，表征因水壓大，水向裂隙中擠壓發(fā)出的響聲，說明離水體不遠了，有突水危險;⑤ 老窯水一般呈紅色，含有鐵，水面泛油花和臭雞蛋味。

　　2 礦井水源的識別

　　采掘過程中發(fā)現(xiàn)突水征兆，及時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，達到有針對性的治理，則是礦井出現(xiàn)突水后的一個重要問題。水源識別主要有以下方法：

　　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、兩盤含水層錯動情況;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斷層帶或破斷的底板向上發(fā)展產(chǎn)生遞進導(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、預(yù)報的依據(jù)，通過傳感器對應(yīng)力、水壓的變化幅度等信息進行分析處理，來反演突水區(qū)域，進而計算突水點的位置。突水形態(tài)是指水從突水點流出還是冒出;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大小，同時也反映出動水量大小。

　　2.3 突水攜出物分析法

　　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，一般都能攜出突破點附近圍巖物質(zhì);可通過觀察和分析這方面的資料來確定突水位置。

　　2.4 地下水動態(tài)分析法

　　井巷突水前，地下水運動處于相對動平衡態(tài)，在疏放流場中，其流向、水力坡度、水質(zhì)、水溫都相對穩(wěn)定。突水后，勢必打破原平衡狀態(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，從微觀上判別和認識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，由于計算技術(shù)和計算機技術(shù)得到迅速發(fā)展，一些定量、半定量的方法已經(jīng)應(yīng)用到對礦井突水水源的判別中，如模糊綜合評判法、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，同時也存在一定的局限性。針對不同情況，如何從方法上揚長避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)對礦井突水水源的準確判別及預(yù)測。

　　3 礦井突水預(yù)測

　　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、預(yù)報底板突水與否的標準。突水系數(shù)就是單位隔水層所能承受的極限水壓值，表達式為

　　

 

　　式中， p ——作用于底板的水壓，MPa;

　　M ——底板厚度，m。

　　用突水系數(shù)評價底板穩(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,計算公式為

　　Z = P /R,

　　式中, Z為阻水系數(shù); R 為裂縫擴展半徑, 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 為巖體抗拉強度; 為巖體孔隙壓力。

　　利用阻水系數(shù)法預(yù)測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

　　直流電法靈活，根據(jù)不同探測目的，可以采用多種工作裝置形式。井下探測通常應(yīng)用對稱四極測深裝置、三極測深裝置和三點三極超前探裝置。直流電法具有理論成熟、儀器簡便、抗干擾能力強的優(yōu)點，可用于探測巷道掘進工作面前方富水體范圍、劃分頂?shù)装鍘r層貧富水區(qū)域、確定工作面回采時的易突水地段、評價工作面回采時的水害安全性等。

　　3.4 “地質(zhì)-電法-測溫”多參數(shù)綜合超前探測技術(shù)

　　綜合超前探測技術(shù)是結(jié)合地質(zhì)信息分析、井下直流電法超前探測、紅外測溫的綜合超前探測法.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)變化趨勢同步、靈敏性不同的特點,利用“同源異場”聚焦的作用,定性與定量相結(jié)合,能提高探測準確度,為“非接觸式”井下綜合超前探測法,或稱“地電熱”綜合超前探測技術(shù).

　　a. 該技術(shù)綜合了地層形變場、電磁場、地溫場的優(yōu)點,定量與定性相結(jié)合,具有“同源異場”的聚焦作用,多參數(shù)變化趨勢同步、靈敏性不同之特點,屬“非接觸式”綜合探測法,比目前國內(nèi)外常規(guī)單一探測技術(shù)優(yōu)越得多,能避免因鉆探等“直接接觸式”探測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,能準確預(yù)測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(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)水斷層、導(dǎo)(突)水陷落柱、潛在導(dǎo)水斷裂發(fā)育帶、煤層突變帶等)的超前探測預(yù)報,及類似(高水壓、高風(fēng)險)邊界大斷層附近的掘進超前預(yù)測預(yù)報,可進行近距離定性定量相結(jié)合的綜合超前探測.

　　c.在應(yīng)用該“同源異場”預(yù)報理論預(yù)報時,要注意:①選擇有效的、靈敏度較高的、有一定超前量的預(yù)測指標;②確定各種“場”的預(yù)報臨界值;異常臨界值的確定需要許多基本資料,并按照一定規(guī)律進一步調(diào)整;③進行各場之間相關(guān)的同步性、趨勢性、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象.煤層在煤礦中揭露最多,具有可塑性與流動性,含最活躍的指標參數(shù).

　　3.5 核磁共振技術(shù)在煤礦突水監(jiān)測中的應(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水方法準確地探測清楚的。按照目前的核磁共振測水技術(shù),需要進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)計與鋪設(shè)天線才能測到NMR信號。

　　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,將會極大地提高預(yù)測的速度與準確性。

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

　　煤礦突水的影響因素主要有四個: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，實現(xiàn)對映射函數(shù)f的逐次逼近，最終得到滿意的預(yù)測模型。

　　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，因此，應(yīng)用于在煤礦底板突水等地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測模型的建立過程中，可以獲得顯著的預(yù)測效果。同時，研究過程中尚存在著諸如有時模型滯留于區(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。

　　3.7 利用物探信息預(yù)測煤礦水害

　　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)測提供準確詳實的水文地質(zhì)資料,以彌補常規(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)鉆孔測井數(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)。對孔間地震資料進行反演,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,并建立有針對性的礦井突水預(yù)測模型,確定合適的參數(shù)及分類閾值,以提高突水預(yù)測的精度。建立比較確切的預(yù)測與評價模型,實現(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)測提供準確詳實的水文地質(zhì)資料。利用GIS作為平臺,把三維地震、瞬變電磁、構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)等多源信息進行復(fù)合、綜合分析后建立預(yù)測模型,對煤礦水害進行預(yù)測。它的研究成果為煤礦水害預(yù)報提供了新的手段,對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)測礦區(qū)突水的可行性

　　眾所周知,遙感圖像對礦區(qū)構(gòu)造解譯,特別是對礦區(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)系的強徑流帶。強徑流帶內(nèi)巖溶發(fā)育,含水性強,對礦井突水起決定性作用。如焦作礦區(qū)的鳳凰嶺斷層強徑流帶內(nèi)巖溶發(fā)育,含水性強,對礦井突水起決定性作用。如焦作礦區(qū)的朱村斷層強徑流帶、方莊斷層強徑流帶等均屬此類構(gòu)造。同時突水點空間分布又與這些主干斷層有著密切的關(guān)系,突水點一般分布規(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,進而尋找井下主要涌水補給通道是可以實現(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),對多源信息進行復(fù)合處理,可對富水礦區(qū)的突水災(zāi)害進行預(yù)測。

　　3.9 應(yīng)用GIS進行突水預(yù)測

　　將影響底板突水的5種主要因素、10種數(shù)據(jù)的專題文件輸入計算機,進行復(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時取0,否則取1。

　　根據(jù)上述突水模式運算結(jié)果與實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

　　突水危險區(qū)n>3

　　

 

　　3.10 瞬變電磁法探測煤礦水害

　　瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)簡稱 TEM，屬于感應(yīng)類電磁探測方法。該方法具有勘探深度大，穿透高阻層能力強，隨機干擾小，可以在遠區(qū)觀測，也可在近區(qū)進行觀測，選擇不同時間窗進行觀測，可以獲得不同深度的地質(zhì)信息等優(yōu)點。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最為有效的方法，為礦井安全生產(chǎn)提供了有力的保證

　　當探測地下地質(zhì)體時，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)電動勢ε = dΦ/dt(法拉第電磁感應(yīng)定律)，感應(yīng)電動勢在良導(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間的變化規(guī)律，就可達到探測地下各種地質(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)場實際來預(yù)測采場底板突水的一種新方法，它不僅考慮了多種因素對突水的綜合影響，而且能夠反映研究區(qū)的突水規(guī)律。經(jīng)過計算機程序化后，其現(xiàn)場可操作性十分方便。施龍青教授運用突水概率指數(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

　　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裂隙突然涌入開采作業(yè)空間, 形成底板突水。整個過程具有非連續(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煤層底板突水問題進行研究,是符合其本質(zhì)特征的,并有助于尋求底板突水危險性預(yù)測的新途徑。

　　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態(tài)的承壓水(上葉)是煤層底板突水系統(tǒng)所處的兩個平衡位置,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

　　對承壓水體上采煤底板巖層突水機理研究表明，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、有效隔水層保護帶與承壓水導(dǎo)原始高帶的厚度依次為 h1、h2和 h3，則

　　

 

　　當 h > h1 +h3時，則保護層存在，當 h < h1 +h3時，則保護層不存在。顯然，當 h

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

　　

 

　　3.14 三維數(shù)值模擬預(yù)測

　　采動巖體導(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，在頂?shù)装鍘r層破壞運動過程中，導(dǎo)水裂隙在工作面推進不同階段、不同區(qū)域的動態(tài)發(fā)展分布規(guī)律，原有傳統(tǒng)經(jīng)驗公式仍然難以描述。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態(tài)發(fā)育過程，并可據(jù)此進行底板突水預(yù)測。

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

　　為了監(jiān)測導(dǎo)水通道(斷層、陷落柱等)在采動影響下的動力學(xué)活動和失穩(wěn)過程，以及對其造成的突水危險性進行實時預(yù)測預(yù)報，利用高精度微震監(jiān)測技術(shù)進行煤礦突水危險監(jiān)測的工程實踐。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)測臺網(wǎng)，對大斷層、陷落柱等隱伏構(gòu)造進行實時監(jiān)測，通過對定位結(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、合理煤柱尺寸等實測參數(shù)，實現(xiàn)對突水危險性的預(yù)測預(yù)報。工程實踐證明，微震監(jiān)測能夠準確診斷出斷層和陷落柱等構(gòu)造活化的強度、烈度以及相關(guān)的時空參數(shù)，是實現(xiàn)突水預(yù)警預(yù)報的強有力的地球物理監(jiān)測手段。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)實現(xiàn)突水監(jiān)測的超前預(yù)警預(yù)報，是突水監(jiān)測預(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)合疊置法是隨著計算機技術(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) 平臺的支持下, 對多種地學(xué)信息進行疊置復(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)報告和已有的突水資料等, 分析找出主要突水因素, 進行采集與量化, 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, 進行信息復(fù)合疊置, 從而構(gòu)建底板突水預(yù)測模型, 作出預(yù)測預(yù)報, 預(yù)測流程如圖1所示.

　　

 

　　3.17 模糊物元分析方法

　　運用可拓學(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，給出頂板涌水評價的物元模型，并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法，進行模糊物元分析，根據(jù)模型編制頂板涌水等級評價的軟件。用可拓性方法進行對礦井涌水等級評價的研究，以不相容問題為研究對象，研究其轉(zhuǎn)化規(guī)律及解決方法，實行定性與定量相結(jié)合的評價方法，避免了以往安全評價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)方法評價礦井涌水等級，就是把礦井涌水等級轉(zhuǎn)換成更容易定量描述的“替代物”來進行定量評價，以得到更準確的評價結(jié)果，因而為礦井涌水等級的評價提供了一種新的方法。該方法評價過程不受人為主觀因素的影響，因而評價結(jié)果更符合客觀實際。

　　3.18 三圖- 雙預(yù)測法

　　“三圖- 雙預(yù)測法”, 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、頂板直接充水含水層采前預(yù)疏放方案預(yù)測. 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)測法”從對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，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應(yīng)的部位富水性較強因此頂板涌突水條件分析不外乎包括兩個方面內(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。運用多源地學(xué)信息復(fù)合疊加原理，根據(jù)多個水文地質(zhì)物理場的不同特征，相互對比驗證，互相彌補不足，對充水含水層的富水性進行了系統(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)，認為造成底板突水需具備兩個條件: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。此時底板巖層由于強度下降，底板滲流強度增加，但未必一定產(chǎn)生突水;②水壓與應(yīng)力關(guān)系。當承壓水壓力大于或等于水平最小主應(yīng)力時，才會具備突水的充分條件，此時，底板水在水壓力的驅(qū)動下，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

　　當指數(shù)I>1時，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

　　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)。對第一組算出突水的可能性，用k1(x)表示。對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)報技術(shù)在煤礦水害預(yù)報中的應(yīng)用

　　TSP技術(shù)主要利用巖體波速的變化對探測成果進行解譯。用于預(yù)警預(yù)報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)運動中山脈形成時各巖層會產(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)用于探測地下水源的可行性從理論上是可以實現(xiàn)的,并已在隧道工程中得到了驗證。因此,完全可以應(yīng)用于煤礦地下水源的探測。

　　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)成功地對斷層、溶洞等地質(zhì)體進行了預(yù)報;在探測煤礦井下斷層中也有成功應(yīng)用的報道。因此,該技術(shù)也可以用來探測煤礦井下斷層等各種可能造成煤礦突水的通道。

　　3.22 紅外探測技術(shù)在煤巷突水預(yù)報中的應(yīng)用

　　巖層或煤層由于分子振動和晶格振動，每時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，確定隱伏目標是否存在及其性質(zhì)。當?shù)刭|(zhì)體中含地下水,那么地下水場源產(chǎn)生的紅外場會對地質(zhì)體場源所產(chǎn)生紅外場產(chǎn)生影響,使其場強發(fā)生變化。地質(zhì)體所形成的紅外場場強變化可用紅外線探測儀探測。根據(jù)圍巖紅外場強的變化來預(yù)報掌子面前方或洞壁四周是否隱狀含水體。

　　3 結(jié)論

　　本文詳細闡述了礦井突水征兆和突水水源的識別方法，并總結(jié)了近年來礦突水預(yù)測的理論方法及監(jiān)測技術(shù)。通過對突水預(yù)測方法的分析，認為采用多種方法聯(lián)合預(yù)測技術(shù)將是突水預(yù)測預(yù)報研究的發(fā)展趨勢。

　　參考文獻

　　1. 張立新，李長洪，趙宇.礦井突水預(yù)測研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國礦業(yè)，2009，18(11)：88～90

　　2. 張長文，付斌，徐毅.礦并突水問題的研究[J].煤炭技術(shù)，2004，23(5)：65～66

　　3. 韓德品.“地質(zhì)-電法-測溫”多參數(shù)綜合超前探測技術(shù)[J].煤炭學(xué)報，2009，34(11)：1449～1506

　　4，王應(yīng)吉 ,孫淑琴 ,李偉,王澤恒.核磁共振技術(shù)在煤礦突水監(jiān)測中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2007，66～69

　　5.王延?！〗挛洹≡G京.礦井煤層底板突水預(yù)測新方法研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1999，4：33～37

　　6. 王懷洪，強孟東.利用物探信息預(yù)測煤礦水害的方法探討[J].山東煤炭科技，2006，4：50～51

　　7. 康高峰,雷學(xué)武,萬余慶,王成福,閻永忠 .遙感技術(shù)在煤礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用[J].中國煤田地質(zhì)，2000，12(2)：23～25

　　8. 王玉芹.煤層底板突水機理分析與預(yù)測分區(qū)[J].煤炭科技，2000，2：16～17

　　9. 許崇寶 ,孫立新 ,張心彬.利用多源信息方法預(yù)測煤礦水害[J].華北地震科學(xué)，2008，26(8)：26～29

　　10. 李興春，李興高.紅外探測技術(shù)在煤巷突水預(yù)報中的應(yīng)用[J].紅外技術(shù)，2007，29(2)：118～120

　　11. 黃憶龍.紅外線探水法在隧道超前探水預(yù)報中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2007，29(4)：126～127

　　12. 劉志新.礦井瞬變電磁場分布規(guī)律與應(yīng)用研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2007

　　13. 梁爽.瞬變電磁法探測煤礦水害應(yīng)用研究[D]. 長安大學(xué)，2008

　　14. 王連國，宋揚.煤層底板突水突變模型[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2000，160～163

　　15. 中國生，江文武，徐國元.底板突水的突變理論預(yù)測[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007，26(2)：216～218

　　16. 王凱，位愛竹，陳彥飛，俞啟香.煤層底板突水的突變理論預(yù)測方法及其應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2004，14(1)：11～14

　　17. 劉志新,岳建華,劉仰光.礦井物探技術(shù)在突水預(yù)測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2007，4(1)：9～14

　　18. 孫曉光.煤層底板突水預(yù)測及防治研究 [D].中國礦業(yè)大學(xué)，2008

　　19. 黃河，李沖.承壓水體上底板突水預(yù)測方法與防治措施[J].金屬礦山，2008，6：126～129

　　20. 姜福興，葉根喜，王存文，張黨育，關(guān)永強.高精度微震監(jiān)測技術(shù)在煤礦突水監(jiān)測中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(9)：1932～1937

　　21. 吳波，黃健良，王碩.礦井突水原因及幾種地球物理預(yù)測方法分析[J].高校理科研究，81～83

　　22. 張和生, 薛光武, 石秀偉, 劉鴻福, 胡耀青.基于地學(xué)信息復(fù)合疊置分析對煤層底板突水的預(yù)測[J].煤炭學(xué)報，2009，34(8)：1100～1104

　　23. 尹會永,魏久傳,劉同彬,郭建斌.基于多源信息復(fù)合的煤層底板突水評價[J].山東科技大學(xué)學(xué)報，2008，27(2)：6～9

　　24. 武強,黃曉玲,董東林，殷作如,李建民,洪益清,張厚軍.評價煤層頂板涌(突) 水條件的“三圖- 雙預(yù)測法”[J].煤炭學(xué)報，2000，25(1)：60～65

　　25. 劉志軍.承壓水上采煤斷層失穩(wěn)突水的研究[D].太原理工大學(xué)，2004

　　26. 俞海玲.基于模糊物元模型的礦井頂板涌水預(yù)測方法研究[D].山東科技大學(xué)，2006

　　27. 李貴炳,黃坤福.隧道超前地震預(yù)報技術(shù)在煤礦水害預(yù)報中的應(yīng)用探討 [J].礦業(yè)安全與環(huán)保 ，2009，36(6):88～90