矿井突水预测理论方法及监测技术总结

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推测的理论方法及监测技术。

关键词：矿井突水突水征兆突水推测监测
我国经济连续高速进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峻，专门是近几年，矿井突水事故频繁发生，给人民生命财产造成重大缺失，严峻阻碍和制约着矿山的安全生产。

因此，开展采动条件下矿井突水推测预报理论及监测技术研究，关于采动岩体突水推测与防治、开采方法的改进、安全度的评判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，进展到突水的期间内，在工作面及其邻近往往会显现一些征兆。

a. 承压水与承压水有关断层水突水征兆：①工作面顶板来压、掉渣、冒顶、支架倾倒或折梁断柱现象；②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，在采掘面围岩内显现裂缝，当突水量大、来势猛时，会伴有“底爆”响声；③先出小水后出大水也是较常见的征兆；④采场或巷道内瓦斯量显著增大。

b.冲积层水突水征兆：①突水部位岩层发潮、滴水，且逐步增大，认真观看可发觉水中有少量细砂；②发生局部冒顶，水量突增并显现流砂，流砂常呈间歇性，水色时清、时混；③发生大量溃水、溃砂，这种现象可能阻碍至地表，导致地表显现塌陷坑。

c.老窑水突水征兆：①煤层发潮、色暗无光；②煤层“挂汗”；③采掘面、煤层和岩层内温度低“发凉”；④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；⑤老窑水一样呈红色，含有铁，水面泛油花和臭鸡蛋味。

2 矿井水源的识别
采掘过程中发觉突水征兆，及时警告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，则是矿井显现突水后的一个重要问题。

水源识别要紧有以下方法：
2.1 地质、水文地质分析法
熟悉把握井田或采区内已存在或可能存在的断层位置、性质、落差、两盘含水层错动情形；断裂构造的组合特点、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；矿层与直截了当或间接充水含水层的距离、隔水层厚度、强度、稳固性；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。

通过上述方法能够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状分析法
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进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。

这些前兆是突水推测、预报的依据，通过传感器对应力、水压的变化幅度等信息进行分析处理，来反演突水区域，进而运算突水点的位置。

突水形状是指水从突水点流出依旧冒出；是一阵大一阵小，依旧缓慢增大；是上翻出水、喷射，依旧缓流水，以此判定水压的相对大小，同时也反映出动水量大小。

2.3 突水携出物分析法
不管是地表水或井下承压含水层中的水，溃入采掘工作面时，一样都能携出突破点邻近围岩物质；可通过观看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稳态，在疏放流场中，其流向、水力坡度、水质、水温都相对稳固。

突水后，势必打破原平稳状态，在水位、水质、水量等方面应有所反映。

通过动态分析法，能够分析判定突水水源。

2.5 水化学法
水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，必须第一搞清不同水源之间的区别和各自特点，并把握其形成特点的自然规律。

地下水在形成过程中，由于受到含水层的沉积期、地层岩性、建筑和地化环境等诸多因素的阻碍，使储存在不同含水层中的地下水要紧化学成分有所不同。

近年来，由于运算技术和运算机技术得到迅速进展，一些定量、半定量的方法差不多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。

针对不同情形，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推测。

3 矿井突水推测
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，提出了采纳突水系数作为推测、预报底板突水与否的标准。

突水系数确实是单位隔水层所能承担的极限
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。

用突水系数评判底板稳固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担的最大水压。

若T < Ts说明底板稳固，突水可能性小；反之，T > Ts则说明底板不稳固，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,运算公式为
Z = P /R,
式中, Z为阻水系数; R 为裂缝扩展半径, 一样取R= 40～50; P为岩体破裂压力, P = 3σ2- σ1 +σT -P0；σ2、σ1 为底板岩层最大、最小主应力;σT为岩
体抗拉强度; 为岩体孔隙压力。

利用阻水系数法推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= Z h )相比,假如有效隔水层总阻力能力大于水压,则可不能发生突水,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固电流，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点。

3.3.2 工作方法及特点
直流电法灵活，依照不同探测目的，能够采纳多种工作装置形式。

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畴、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、评判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.它依照同一地质构造(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,能幸免因钻探等“直截了当接触式”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,又减小了物探说明的多解性. 该技术应用方便、成本低,能准确推测边界大断层及其分支断层的位置及其导水、含水性,能有效保证煤矿生产安全.
b.该方法适用于一样(煤)矿带水压掘进(或开采)巷道正前方0～150m的灾难
性地质构造(如老窑采空积水区、导水断层、导(突)水陷落柱、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)边界大断层邻近的掘进超前推测预报,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:①选择有效的、灵敏度较高的、有一定超前量的推测指标;②确定各种“场”的预报临界值;专门临界值的确定需要许多差不多资料,并按照一定规律进一步调整;③进行各场之间相关的同步性、趋势性、灵敏性分析;④定性与定量相结合,各参数相互印证、综合判定;
⑤以煤层为要紧研究对象.煤层在煤矿中揭露最多,具有可塑性与流淌性,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方法受地质因素阻碍小。

例如,用电阻率法和电磁测深法卡尼亚视电阻率在某一范畴内无法区分裂隙中泥质充填物和自由水,而NMR方法能够清晰地显示出他们的界线。

可能给煤矿坑道造成突水灾难的水,必须有一定的量,必须在坑道邻近不远的范畴内,必须有一定的破裂带、裂隙、断层、岩溶陷落柱、疏松带、废弃坑道等地质或人为构造。

这些差不多上能够用核磁共振测水方法准确地探测清晰的。

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,在地面能够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独的直截了当找水技术,能够清晰地探测到150m范畴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推测,将会极大地提高推测的速度与准确性。

3.6 基于神经网络的煤矿底板突水推测
煤矿突水的阻碍因素要紧有四个: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，则煤矿突水模型能够表示为:
Q=f(KT，WP，T，DF)
实际研究中，需要依照一系列的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。

本次要紧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的逐次靠近，最终得到中意的推测模型。

人工神经网络具有分布式经历、自学习、自适应性等特点，因此，应用于在煤矿底板突水等地质灾难推测模型的建立过程中，能够获得显著的推测成效。

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邻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 利用物探信息推测煤矿水害
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,为顶底板突水推测提供准确详实的水文地质资料,以补偿常规手段所猎取资料的不足,并为非量化因素的量化提供新的研究途径。

依照钻孔测井数据(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,推断地层岩性在平面上的变化情形,确定导水裂隙带的分布范畴。

研究煤矿顶底板突水的机理和阻碍因素;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推测模型,确定合适的参数及分类阈值,以提高突水推测的精度。

建立比较确切的推测与评判模型,实现地质资料的信息化、数字化和可视化,为突发性水害应变计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,为顶底板突水推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、综合分析后建立推测模型,对煤矿水害进行推测。

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 遥感技术推测矿区突水的可行性
众所周知,遥感图像对矿区构造解译,专门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操纵着与突水有直截了当关系的强径流带。

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、方庄断层强径流带等均属此类构造。

同时突水点空间分布又与这些主干断层有着紧密的关系,突水点一样分布规律如下。

①两条主干断裂的复合部位及其锐角一侧形成富水区。

②主干断层旁侧的入字型小构造。

③断裂密集带。

④主干断裂的横张结构面形成的岩溶水的脉状溶水带。

⑤断层消逝端。

因此,利用遥感数据解译区域断裂构造,进而查找井下要紧涌水补给通道是能够实现的。

另外,遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)技术,对多源信息进行复合处理,可对富水矿区的突水灾难进行推测。

3.9 应用GIS进行突水推测
将阻碍底板突水的5种要紧因素、10种数据的专题文件输入运算机,进行复合处理,初步构造出突水的数学模型,再通过拟合校正,建立突水模式。

通过多种模型的运算与反复拟合,最终选定拟合程度最好的突水模式为:
式中n——突水指数;
F——断层密度,条/km2;
H——水头压力,MPa;
M——底板阻水能力MPa;
a、b——权重系数,分别为0.8和0.2;
c——修正系数,水压为0时取0,否则取1。

依照上述突水模式运算结果与实际突水资料的拟合程度,确定杨村井田17煤分区阈值如下:
安全区n<1.5
可能突水区1.5<n<3
突水危险区n>3
3.10 瞬变电磁法探测煤矿水害
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method）简称TEM，属于感应类电
磁探测方法。

该方法具有勘探深度大，穿透高阻层能力强，随机干扰小，能够在远区观测，也可在近区进行观测，选择不同时刻窗进行观测，能够获得不同深度的地质信息等优点。

广泛的应用于矿产资源勘探、环境地质调查、水文地质与工程地质调查等领域，已成为煤矿水害探测最为有效的方法，为矿井安全生产提供了有力的保证
当探测地下地质体时，向地面敷设的发送回线中通以一定的稳固电流，从而在回线中间及周围一定区域便产生稳固磁场（称一次场或鼓舞场）。

若一次电流突然断开，则一次磁场随之消逝，使处于该磁场中的良导地质体内部由于磁通量Φ的变化而产生感应电动势ε= dΦ／dt（法拉第电磁感应定律），感应电动势在良导地质体中产生二次涡流场，二次涡流又因焦耳热消耗而不断衰减。

其二次场也随之衰减。

由于感应二次场的衰变规律与地下地质体导电性有关，导电性越好，二次场衰减越慢，导电性越差，二次场衰减越快。

因此通过研究瞬变场随时刻的变化规律，就可达到探测地下各种地质体的分布情形
3.11 突水概率指数方法
突水概率指数是指应用赋权的方法，将阻碍底板突水的各种因素在底板突水中所起的作用进行定量化，通过一定的数学模型求得的总体量化指数即为突水概率指数。

突水概率指数法是一种结合现场实际来推测采场底板突水的一种新方法，它不仅考虑了多种因素对突水的综合阻碍，而且能够反映研究区的突水规律。

通过运算机程序化后，其现场可操作性十分方便。

施龙青教授运用突水概率指数法，以肥城煤田为例，阐述了该方法在推测煤矿底板突水中的应用
3.12 底板突水的突变理论推测
在承压水上开采煤层后, 底板岩层的原始应力状态被破坏, 致使应力重新分布, 从而导致底板岩层失稳破坏形成导水裂隙, 其结果往往造成底板承压水通过采动裂隙突然涌入开采作业空间, 形成底板突水。

整个过程具有非连续突变特点,属于突变理论研究的范畴。

因此,采纳突变理论的方法对煤层底板突水问题进行研究,是符合其本质特点的,并有助于寻求底板突水危险性推测的新途径。

图1上部为煤层底板突水系统状态突变流形(平稳曲面),下部为uov平面,其中u,v表示操纵煤层底板突水的两类差不多因素:底板导水裂隙进展因素和突水阻抗因素。

平稳曲面由上、中、下三叶构成,其中上、下两叶是稳固的,中叶是不稳固
的。

下叶代表煤层底板非突水状态,上叶代表煤层底板突水状态。

底板处于稳固状态时静态的承压水(下叶)和底板岩层失稳破裂产生突水通道后处于动态的承压水(上叶)是煤层底板突水系统所处的两个平稳位置,突水过程则是系统状态变量x由下叶跃迁到上叶的过程。

3.13 “下三带”法
对承压水体上采煤底板岩层突水机理研究说明，在煤层开采过程中，煤层底板岩层由上到下形成底板导水破坏带、有效隔水层爱护带和承压水导升带，称为“下三带”。

底板导水破坏带是指由于采动矿压的作用，底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带；有效隔水层爱护带是保持采前岩层的连续性及其阻抗水性能的岩层；承压水导升带是指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙
或断裂带上升的高度。

设煤层隔水底板总厚度为h，底板导水破坏带、有效隔水层爱护带与承压水导原始高带的厚度依次为h1、h2和h3，则
当h > h1 +h3时，则爱护层存在，当h < h1 +h3时，则爱护层不存在。

明显，当h <h1 +h3时，承压水会直截了当涌入矿井，导致底板突水；当h > h1 +h3时，是否会发生底板突水则取决于有效隔水层爱护带的厚度及其阻抗水能力；若有效
等于阻水系爱护层阻水水压Z 总大于实际水压，则安全，反之则不安全。

Z
总
数Z 乘以有效爱护层厚度h 2，即：
3.14 三维数值模拟推测
采动岩体导水裂隙仅在一定高度范畴内发育已被现有研究结果证明。

然而随着采煤工作面推进，在顶底板岩层破坏运动过程中，导水裂隙在工作面推进不同时期、不同区域的动态进展分布规律，原有传统体会公式仍旧难以描述。

然而通过FLAC3D 三维数值模拟软件，利用软件中的固流耦合功能，能够形象的描述底板承压水上开采过程中，导水裂隙随着煤层开采在不同时期的动态发育过程，并可据此进行底板突水推测。

3.15 高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用
为了监测导水通道(断层、陷落柱等)在采动阻碍下的动力学活动和失稳过程，以及对其造成的突水危险性进行实时推测预报，利用高精度微震监测技术进行煤矿突水危险监测的工程实践。

采纳全局寻优定位技术，充分考虑内、外场震源定位的不同阻碍因素，结合速度结构、检波器一致性等校正技术，实现微震震源的高稳固、高精度定位；优化布置微震监测台网，对大断层、陷落柱等隐伏构造进行实时监测，通过对定位结果的三维展现和分析，得到地质构造的活化规律、底板破裂深度、顶板破裂高度、合理煤柱尺寸等实测参数，实现对突水危险性的推测预报。

工程实践证明，微震监测能够准确诊断出断层和陷落柱等构造活化的强度、烈度以及相关的时空参数，是实现突水预警预报的强有力的地球物理监测手段。

建立基于定位结果的岩体空间破裂场的定量描述模型、实现定位结果的多角度、多层次的展现技术，从防治水、矿山压力等多学科角度动身实现突水监测
的超前预警预报，是突水监测预警的重要的进展方向。

3.16 多源地学信息复合叠置法底板突水推测方法
煤层底板突水是多因素综合阻碍的结果, 各自起着不同的作用, 用传统的方法差不多不可能专门好地解决所面临问题. 多源地学信息复合叠置法是随着运
算机技术和遥感技术进展起来的, 是多源地学信息(地理信息、地质信息、遥感信息等) 进行综合处理的一种新方法, 该方法在地理信息系统(GIS) 平台的支持下, 对多种地学信息进行叠置复合后, 通过空间分析功能得到能够供决策的新信息. 通过收集矿区的开拓图、水文地质图、地质报告和已有的突水资料等, 分析找出要紧突水因素, 进行采集与量化, 利用ArcGIS软件的空间分析功能, 把阻碍煤层底板突水的多种因素通过处理、加工, 形成可供量化的信息源, 进行信息复合叠置, 从而构建底板突水推测模型, 作出推测预报, 推测流程如图1所示.
3.17 模糊物元分析方法
运用可拓学的理论和方法，基于可拓学中的可拓集合变换和相关系数分析法，给出顶板涌水评判的物元模型，并结合模糊数学方法，进行模糊物元分析，依照模型编制顶板涌水等级评判的软件。

用可拓性方法进行对矿井涌水等级评判
的研究，以不相容问题为研究对象，研究其转化规律及解决方法，实行定性与定量相结合的评判方法，幸免了以往安全评判方法的单一定性方法或单一定量方法的局限性。

应用可拓学方法评判矿井涌水等级，确实是把矿井涌水等级转换成更容易定量描述的“替代物”来进行定量评判，以得到更准确的评判结果，因而为矿井涌水等级的评判提供了一种新的方法。

该方法评判过程不受人为主观因素的阻碍，因而评判结果更符合客观实际。

3.18 三图- 双推测法
“三图- 双推测法”, 是指顶板直截了当充水含水层的富水性分区图、顶板冒落安全性分区图、顶板涌(突) 水条件综合分区图及回采工作面整体和分段工程涌水量推测、顶板直截了当充水含水层采前预疏放方案推测. 其中涌(突) 水条件综合分区图由富水性和冒落安全性分区图复合叠加而成. “三图一双推测法”从对煤层顶板涌突水条件的定性综合分析，，到回采工作面工程涌突水量和采前预疏放量的定量模拟推测，形成了一整套系统的研究思路和研究方法。

煤层回采导致的顶板涌突水灾难发生的全然缘故，确实是煤层回采形成的顶板导水裂隙带沟通了上覆直截了当充水含水层，同时含水层在回采工作面冒落范畴对应的部位富水性较强因此顶板涌突水条件分析不外乎包括两个方面内容煤层回采顶板冒落安全性分析和顶板直截了当充水含水层富水性分析。

运用多源地学信息复合叠加原理，依照多个水文地质物理场的不同特点，相互对比验证，互相补偿不足，对充水含水层的富水性进行了系统综合分析。

3.19 岩一水应力关系法
现场矿压观测与底板岩体变形规律的研究说明，底板突水是矿压和底板承压水压力共同作用的结果。

在工作面超前支承压力作用下，底板岩层呈压缩状态;而在煤壁边缘和采空区内部，底板岩体由于卸压而处于膨胀状态。

底板岩体在由压缩向膨胀的转化过程中，将不可幸免地产生剪切和张拉破坏。

岩一水应力关系法从物理和应力概念动身，认为造成底板突水需具备两个条件:①存在导水破裂带。

不管是地质构造作用依旧采掘引起的岩体破坏，只要使底板隔水层破坏至一定深度，且与下部导升高度相通或波及到下部含水层，就具备了突水的必要条件。

现在底板岩层由于强度下降，底板渗流强度增加，但未必一定产生突水;②水压与应力关系。

当承压水压力大于或等于水平最小主应力时，才会具备突水的充分。