1、题目： 矿井突水预测理论方法及监测技术总结姓名： 学号： 班级： 矿井突水预测理论方法及监测技术总结摘要：本文详细阐述了矿井突水征兆和突水水源的识别方法，并总结了近年来矿井突水预测的理论方法及监测技术。 关键词：矿井突水 突水征兆 突水预测 监测我国经济持续高速发展与国家安全战略离不开能源和矿产资源的强有力支撑，而地下开采方式是目前我国获得多种能源资源与矿产资源的重要途径。随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大，矿井突水问题日益严重 ，尤其是近几年，矿井突水事故频繁发生，给人民生命财产造成重大损失，严重影响和制约着矿山的安全生产。因此，开展采动条件下矿井突水预测预报理论及监测技
2、术研究，对于采动岩体突水预测与防治、开采方法的改进、安全度的评价具有重大理论意义和实际价值。1 矿井突水征兆从开拓工作面开始，发展到突水的期间内，在工作面及其附近往往会出现一些征兆。a. 承压水与承压水有关断层水突水征兆：工作面顶板来压、掉渣、冒顶、支架倾倒或折梁断柱现象；底软膨胀、底膨张裂。这种征兆多随顶板来压之后发生，且较普遍，在采掘面围岩内出现裂缝，当突水量大、来势猛时，会伴有“底爆”响声；先出小水后出大水也是较常见的征兆；采场或巷道内瓦斯量显著增大。b.冲积层水突水征兆： 突水部位岩层发潮、滴水，且逐渐增大，仔细观察可发现水中有少量细砂；发生局部冒顶，水量突增并出现流砂，流砂常呈间歇性
3、，水色时清、时混；发生大量溃水、溃砂，这种现象可能影响至地表，导致地表出现塌陷坑。c.老窑水突水征兆： 煤层发潮、色暗无光；煤层“挂汗”； 采掘面、煤层和岩层内温度低“发凉”；在采掘面内若在煤壁、岩层内听到“吱吱”的水呼声时，表征因水压大，水向裂隙中挤压发出的响声，说明离水体不远了，有突水危险； 老窑水一般呈红色，含有铁，水面泛油花和臭鸡蛋味。2 矿井水源的识别 采掘过程中发现突水征兆，及时告诫并采取必要防范措施，以减缓或防止突水事故发生。矿井突水后，如何查清水源，达到有针对性的治理，则是矿井出现突水后的一个重要问题。水源识别主要有以下方法：2.1 地质、水文地质分析法熟悉掌握井田或采区内已存
4、在或可能存在的断层位置、性质、落差、两盘含水层错动情况；断裂构造的组合特征、含水层数目、厚度、含水类型、水压大小、富水性、裂隙或岩溶发育程度；矿层与直接或间接充水含水层的距离、隔水层厚度、强度、稳定性；老窑边界、旧钻孔位置及封孔质量；地表水是否与矿坑水有联系。通过上述方法可以初步确定井田内突水的类型和位置。2.2 突水点位置和突水形态分析法在采矿过程中，由于煤层底板或断层应力场发生了变化，承压水的入侵高度沿断层带或破断的底板向上发展产生递进导升现象，以致造成突水。因此，突水过程具有岩体应力、渗透性变化、水压升高、涌水量增大等一系列前兆。这些前兆是突水预测、预报的依据，通过传感器对应力、水压的变
5、化幅度等信息进行分析处理，来反演突水区域，进而计算突水点的位置。突水形态是指水从突水点流出还是冒出；是一阵大一阵小，还是缓慢增大；是上翻出水、喷射，还是缓流水，以此判断水压的相对大小，同时也反映出动水量大小。2.3 突水携出物分析法无论是地表水或井下承压含水层中的水，溃入采掘工作面时，一般都能携出突破点附近围岩物质；可通过观察和分析这方面的资料来确定突水位置。2.4 地下水动态分析法井巷突水前，地下水运动处于相对动平衡态，在疏放流场中，其流向、水力坡度、水质、水温都相对稳定。突水后，势必打破原平衡状态，在水位、水质、水量等方面应有所反映。通过动态分析法，可以分析判断突水水源。2.5 水化学法水
6、化学法是研究地下水自身组分的变化，从微观上判别和认识不同水源间差异和联系的一种方法。要判别井下突水水源，必须首先搞清不同水源之间的区别和各自特征，并掌握其形成特征的自然规律。地下水在形成过程中，由于受到含水层的沉积期、地层岩性、建造和地化环境等诸多因素的影响，使储存在不同含水层中的地下水主要化学成分有所不同。近年来，由于计算技术和计算机技术得到迅速发展，一些定量、半定量的方法已经应用到对矿井突水水源的判别中，如模糊综合评判法、人工神经网络、灰色关联分析等等。每种方法有其自身的特点，同时也存在一定的局限性。针对不同情况，如何从方法上扬长避短，发挥各自的优势，实现对矿井突水水源的准确判别及预测。3
7、 矿井突水预测3.1 突水系数法我国学者早在1964年就开始了底板突水规律的研究，提出了采用突水系数作为预测、预报底板突水与否的标准。突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值，表达式为式中， p 作用于底板的水压，MPa；M 底板厚度，m。用突水系数评价底板稳定性的关键在于确定临界突水系数 Ts，可定义为每米隔水层厚度所能承受的最大水压。若 T Ts则说明底板不稳定，发生底板突水的可能性大。3.2阻水系数法阻水系数法是通过现场底板钻孔水压致裂法底板岩石的平均阻水能力,计算公式为Z = P /R,式中, Z为阻水系数; R 为裂缝扩展半径, 一般取R= 4050; P为岩体破裂压力, P =
8、32 - 1 +T -P0 ；2、1 为底板岩层最大、最小主应力;T 为岩体抗拉强度; 为岩体孔隙压力。利用阻水系数法预测底板突水性的原则是:a.岩石破裂压力大于水压,则不产生突水;b.若岩石破裂压力小于水压,则用水压与有效隔水层总阻力能力Z总( Z总= Zh )相比,如果有效隔水层总阻力能力大于水压,则不会发生突水,否则,有突水可能性。3.3 矿井直流电法3.3.1 原理直流电法勘探是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地下供入稳定电流，观测大地电流场的分布规律，从而确定岩、矿体物性(如贫、富水区域)的分布规律或地质构造的特征。3.3.2 工作方法及特点直流电法灵活，根据不同探测目的，可
9、以采用多种工作装置形式。井下探测通常应用对称四极测深装置、三极测深装置和三点三极超前探装置。直流电法具有理论成熟、仪器简便、抗干扰能力强的优点，可用于探测巷道掘进工作面前方富水体范围、划分顶底板岩层贫富水区域、确定工作面回采时的易突水地段、评价工作面回采时的水害安全性等。3.4 “地质-电法-测温”多参数综合超前探测技术综合超前探测技术是结合地质信息分析、井下直流电法超前探测、红外测温的综合超前探测法.它根据同一地质构造(源)引起的地层形变场(定性)、电磁场(定量)、地温场(定性)等多种参数变化趋势同步、灵敏性不同的特点,利用“同源异场”聚焦的作用,定性与定量相结合,能提高探测准确度,为“非接
10、触式”井下综合超前探测法,或称“地电热”综合超前探测技术.a. 该技术综合了地层形变场、电磁场、地温场的优点,定量与定性相结合,具有“同源异场”的聚焦作用,多参数变化趋势同步、灵敏性不同之特点,属“非接触式”综合探测法,比目前国内外常规单一探测技术优越得多,能避免因钻探等“直接接触式”探测法突然遇到或揭露高压富水地段而大量突水的可能性,又减小了物探解释的多解性. 该技术应用方便、成本低,能准确预测边界大断层及其分支断层的位置及其导水、含水性,能有效保障煤矿生产安全.b.该方法适用于一般(煤)矿带水压掘进(或开采)巷道正前方0150m的灾害性地质构造(如老窑采空积水区、导水断层、导(突)水陷落柱
11、、潜在导水断裂发育带、煤层突变带等)的超前探测预报,及类似(高水压、高风险)边界大断层附近的掘进超前预测预报,可进行近距离定性定量相结合的综合超前探测.c.在应用该“同源异场”预报理论预报时,要注意:选择有效的、灵敏度较高的、有一定超前量的预测指标;确定各种“场”的预报临界值;异常临界值的确定需要许多基本资料,并按照一定规律进一步调整;进行各场之间相关的同步性、趋势性、灵敏性分析;定性与定量相结合,各参数相互印证、综合判断;以煤层为主要研究对象.煤层在煤矿中揭露最多,具有可塑性与流动性,含最活跃的指标参数.3.5 核磁共振技术在煤矿突水监测中的应用NMR方法受地质因素影响小。例如,用电阻率法和
12、电磁测深法卡尼亚视电阻率在某一范围内无法区分裂隙中泥质充填物和自由水,而NMR方法可以清楚地显示出他们的界线。可能给煤矿坑道造成突水灾害的水,必须有一定的量,必须在坑道附近不远的范围内,必须有一定的破碎带、裂隙、断层、岩溶陷落柱、疏松带、废弃坑道等地质或人为构造。这些都是可以用核磁共振测水方法准确地探测清楚的。按照目前的核磁共振测水技术,需要进一步研究解决的一是天线在坑道中的布设方法;二是所测到的富水构造的方位确定问题。换言之,在地面可以任意大小地铺设的天线,而在空间受到限制的坑道内需要研究如何设计与铺设天线才能测到NMR信号。核磁共振找水技术是目前世界上唯一的直接找水技术,可以清楚地探测到1
13、50m范围内含水构造的含水量、导水条件(渗透率)。将此技术用于煤矿突水预测,将会极大地提高预测的速度与准确性。3.6 基于神经网络的煤矿底板突水预测煤矿突水的影响因素主要有四个:含水层岩溶发育程度(KT)、水压(WP)、隔水层厚度(T)和断裂构造的复杂程度(DF)。设突水水量为Q，则煤矿突水模型可以表示为:Q=f(KT，WP，T，DF)实际研究中，需要根据一系列的Q一(尺T，WP，T，DF)样本数据序列，推算出映射函数f的具体形式。本次主要是利用人工神经网络的自适应性和学习功能，以简单函数的多次叠代，实现对映射函数f的逐次逼近，最终得到满意的预测模型。人工神经网络具有分布式记忆、自学习、自适应
14、性等特点，因此，应用于在煤矿底板突水等地质灾害预测模型的建立过程中，可以获得显著的预测效果。同时，研究过程中尚存在着诸如有时模型滞留于区域极小值附近而使学习效率降低等不足，有待在今后的工作中加以改进。3.7 利用物探信息预测煤矿水害利用地面三维地震、地面瞬变电磁法等物探手段,查明采区内断层的分布、导水裂隙带的发育高度及分布、隔水层的厚度及分布、含水层的厚度及分布,为顶底板突水预测提供准确详实的水文地质资料,以弥补常规手段所获取资料的不足,并为非量化因素的量化提供新的研究途径。根据钻孔测井数据(声速、密度、电阻率、自然电位、自然伽玛等),求取岩石物性参数。对孔间地震资料进行反演,推断地层岩性在平
15、面上的变化情况,确定导水裂隙带的分布范围。研究煤矿顶底板突水的机理和影响因素;研究有关的非量化因素的合理化手段,并建立有针对性的矿井突水预测模型,确定合适的参数及分类阈值,以提高突水预测的精度。建立比较确切的预测与评价模型,实现地质资料的信息化、数字化和可视化,为突发性水害应变对策的制定提供技术支撑。简单模拟图如图1。利用地面三维地震、地面瞬变电磁法、无线电波透视法等物探手段,查明采区内断层的分布、导水裂隙带的发育高度及分布、隔水层的厚度及分布、含水层的厚度及分布,为顶底板突水预测提供准确详实的水文地质资料。利用GIS作为平台,把三维地震、瞬变电磁、构造地质、水文地质等多源信息进行复合、综合分析后建立预测模型,对煤矿水害进行预测。它的研究成果为煤矿水害预报提供了新的手段,对我国煤矿的安全生产具有重要意义。3.8 遥感技术预测矿区突水的可行性众所周知,遥感图像对矿区构造解译,特别是对矿区外围的区域构造解译是常规地质和物探手段无法比拟的。而这些区域断裂构造往往控制着与突水有直接关系的强径流带。强径流带内岩溶发育,含水性强,对矿井突水起决定性作用。如焦作矿区的凤凰岭断层强径流带内岩溶发育,含水性强,对矿井突水起决定性作用。如焦作矿区的朱村断层强径流带、方庄
