坑道突水预测技术

直流电法

直流电法灵活，根据不同探测目的，可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。

“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0～150m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、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:

①选择有效的、灵敏度较高的、有一定超前量的预测指标;

②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;

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、综合判断;

⑤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。

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世界上唯一的直接找水技术，可以清楚地探测到150m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。

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、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，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。

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。

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密切的关系，突水点一般分布规律如下。

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断层消失端。 因此，利用遥感数据解译区域断裂构造，进而寻找井下主要涌水补给通道是可以实现的。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害进行预测。

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，可以在远区观测，也可在近区进行观测，选择不同时间窗进行观测，可以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定电流，从而在回线中间及周围一定区域便产生稳定磁场（称一次场或激励场）。若一次电流突然断开，则一次磁场随之消失，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。所以通过研究瞬变场随时间的变化规律，就可达到探测地下各种地质体的分布情况。

突水概率指数方法

突水概率指数是指应用赋权的方法，将影响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预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影响，而且能够反映研究区的突水规律。经过计算机程序化后，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，阐述了该方法在预测煤矿底板突水中的应用。

底板突水的突变理论预测

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征,属于突变理论研究的范畴。因此，采用突变理论的方法对煤层底板突水问题进行研究,是符合其本质特征的，并有助于寻求底板突水危险性预测的新途径。

上部为煤层底板突水系统状态突变流形(平衡曲面),下部为uov平面,其中u,v表示控制煤层底板突水的两类基本因素：底板导水裂隙发展因素和突水阻抗因素。平衡曲面由上、中、下三叶构成,其中上、下两叶是稳定的,中叶是不稳定的。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。底板处于稳定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衡位置，突水过程则是系统状态变量x由下叶跃迁到上叶的过程。

地质、水文地质分析法

熟悉掌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。

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。

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。

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。

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。

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，在采掘面围岩内出现裂缝，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，且逐渐增大，仔细观察可发现水中有少量细砂；

②发生局部冒顶，水量突增并出现流砂，流砂常呈间歇性，水色时清、时混；

③发生大量溃水、溃砂，这种现象可能影响至地表，导致地表出现塌陷坑。

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 老窑水一般呈红色，含有铁，水面泛油花和臭鸡蛋味。

富水导水结构破坏

发生坑道突水的直接原因是掘进和采矿过程揭穿或沟通了富水和导水结构，以及暴雨、山洪等暴发水源,使地下水或地表水大量而突然地涌入坑道。富水、导水结构主要指断裂带、破碎带、风化带、含水层(带)、喀斯特洞穴、暗河、积水老塘等地下水体和河流、湖泊、堰塘、水库等地表水体。

影响坑道突水的因素很多，涉及补给水源、富水、含水和导水结构、突水途径和通道，以及影响突水性质和特征等地质和水文地质条件，并与现代地应力作用和工程作用密切相关。

某一坑道是否会发生突水，由该坑道在地下（地表）水补给、径流和排泄的统一流场中所处部位，以及工程和采矿对围岩的影响来决定。例如，在深采矿区有富水的喀斯特矿床，在顶、底板和围岩中有较厚高压含水层（带）分布的矿区，在构造破碎和喀斯特塌陷地段等，常易发生严重突水。

瓦斯爆炸

除坑道突水外，另一主要煤矿地质灾害是瓦斯爆炸，全国有8个省(区)不同程度地存在瓦斯爆炸问题，近10年来共发生200次以上，死亡1400人，其中较严重的省份有山西(Ⅱ级以上瓦斯矿44个，仅1991、1992年两次爆炸就死亡187人)、贵州(10座瓦斯矿发生过爆炸、死290人)、广东(死3人以上的爆炸就达31次，共死348人)。此外，宁夏、青海、云南、新疆、辽宁等地也都不同程度地存在瓦斯爆炸问题。

全国由此造成的直接经济损失也是很大的。据全国17次大、中、小型瓦斯爆炸事故的统计，每次直接经济，损失6.9—295万元，平均每次46.88万元，全国近10年来共200次以上，直接经济损失达9376万元，平均每年近0.1亿元。

近年来瓦斯爆炸趋于强烈、频度有所增大。其主要原因之一是个体、集体采矿增加、安全措施不完善，第二是大量的假冒伪劣矿用机电设备流人矿区，在矿井使用中放电打火引起爆炸。如1991年4月山西洪洞县三交河煤矿的爆炸(死147人，损失295万元)和1992年4月24日大同碾盘沟军民联营煤矿的爆炸(死40人)，皆因使用了假冒伪劣矿用机电设备而引起。

矿区坑道突水

中国北方的煤矿区地处中朝准地台，寒武纪、奥陶纪灰岩受其控制形成开阔性褶皱大型储水构造。溶隙充水矿床赋存于巨大的奥陶系岩溶水系统中，分布面积广，储量丰富，矿床底板突水严重地危害煤矿开采。

据不完全统计，涌水量在10立方米/分以上的突水事太累计达200余次，给矿区造成严重损失。其中，太行山东麓的煤矿区在开采石炭、二叠纪煤层时，频繁发生突水事故，特别是当矿区断裂异常发育，岩溶水处于积极交替状态，富水性极强时，更导致矿区突水次数和强度增大。

究其原因，绝大部分是由于矿层底板隔水层太薄或断层破碎带削弱了底板隔水层强度，因而承受不了底板水头压力及矿山压力的结果，有时由于中奥陶统发育岩溶隐落柱，使上覆岩层陷溶，塌陷裂隙把岩溶水引入矿坑造成突水。例如开滦煤矿范各庄矿1984年6月特大突水顺陷落柱溃入矿坑，殃及四个大矿井，最大突水量达2 053立方米/分，损失巨大。

中国南方主要为岩溶充水矿床。在长江中下游及南岭一带的大多数金属矿床及湘、赣、鄂、奥等地的二叠纪煤矿，充水岩层主要为泥盆、石炭、二叠、三叠纪的碳酸盐岩。

湖南的恩口煤矿自1958年建矿以来因底板突水曾经多次发生淹井事故。其中，娄底镇煤矿突水量达38.3立方米/分，经济损失惨重，突水原因主要是底板二叠系第四组灰岩中的溶洞裂隙水高压突水来源。

据1981年统计，矿区岩溶塌陷坑达559个之多，塌陷导致地表水灌进矿坑，河水灌入量达86.94立方米/分。其中，石炭、二叠系岩溶水与大气降水、河水有明显联系，暗河管道流量随降雨而暴涨暴落，因此矿坑突水量变化极大，矿区采矿受到严重威胁。如四川红岩煤矿开采三叠系龙潭煤层，开采层位于当地侵蚀基准面以下，煤系顶底板为富水的长兴灰岩、茅口灰岩岩溶含水层。

在茅口灰岩中发育有四条暗河，汇水面积大，1974年9月暴雨后发生矿井突水，最大突水使矿坑涌水量达77.7立方米/分，给生产带来严重困难。

中国矿区突水特征与分布规律表明，矿区突水与自然地理、气候、大地构造、水文地质条件等因素有关，而至关重要的是矿区所处岩溶水系统的天然资源量的大小和水压。所以，矿坑突水量和突水次数基本能够反映矿区所受危害的程度。

根据对淄博、焦作、开滦、峰峰、韩城等矿的统计资料，80年代矿井突水量比60年代增加了近4倍。如淄博煤矿自1934年开采以来，到1987年共发生突水164次，其中主要因素是岩溶发育程度及富水性共同决定了突水程度的大小。

地下水触发岩土体滑动

在外动力地质现象中，由于重力、地下水及地表水冲刷等作用造成的岩土体滑动，分布比较广泛。其中地下水流起着重要作用，有时甚至成为起主导作用的因素。据调查，黄河流域和长江流域外力地质现象较为发育，其中岩土体滑动的危害十分严重。

黄河流域的黄土地区主要是土体滑动危害严重，而且有一定区域性和地带性。甘肃和青海省的黄土地区，黄河及其支流切割深度达数百米。当下伏为第三纪粘土层时，沟谷下切至粘土层后，地下水汇集并软化粘土层顶部，因受侧向荷载影响，形成瞬间急剧大滑动、滑动土体体积达数百至数千万立方米，滑距数百米至千余米。陕西渭河北岸黄土塬边，在各级阶地上覆盖有巨厚的黄土，在地下水作用下，产生黄土体的滑动。

在长江流域西部到中部的高山、中山及低山丘陵区，大面积分布有食泥质或云母质较高的千枚岩、砂泥岩等，层理和节理发育，含水性好，浸水易软化，其中的层理及软弱泥化夹层易构成滑动带，尤其是当斜坡遭受暴雨袭击时，坡体中含水岩层水量猛增，地下水位迅速抬高，增大了静水压力，造成斜坡变形，促使岩体滑动。

坑道突水的工程防治措施很多，其原理都是尽可能地保持固有地质体及其水文地质的平衡状态，强化抗突能力，削弱突水条件。

常用的基本上分为地面和地下两类针对性设施和手段，包括排水疏干、工程与水源之间保留防水矿柱、修建水闸墙、门、灌注水泥浆、堵塞可能的渗透途径和通道等。 2100433B

涌水量在短期内突然成倍剧增的现象称为突水。通常按突水时涌水的主要水源，将突水划分为断层、地表、底板、陷落柱和采空区积水等五类。我国为底板突水事故多发性的国家。据统计，底板突水事故约占我国各类突水事故总次数的1/4，并且这类突水往往造成重大的灾害性损失。

底板突水又常按其突水的峰值流量、动态表现形式等进行分类。按突水的峰值流量可将突水事故分为特大型、大型、中型和小型突水，其峰值流量分别为大于50m³/min，20-49m³/min，5-19m³/min和小于5m³/min。据统计，我国发生的突水淹井事故约有85%以上的事故源于大型和特大型突水事故。峰值流量的大小反映了水源的富水程度、水压高低和突水通道的畅通程度。一般，直接由奥灰或由奥灰补给的含水层所形成的底板突水具备有富水和水压高的特点，大多为大型或特大型突水。因此，底板突水对矿井安全生产的威胁很大，常需特殊加以重视。

按底板突水的地点可分为掘进巷道突水和采煤工作面突水两类。前者的突水地点发生在开掘于煤层中的准备巷道，后者则发生在采煤工作面附近且多系因受到采动影响而发生底板突水。统计资料表明：这两类突水方式的突水次数约各占一半左右。应当指出：这两类突水的机理有所差别，由于防止发生采煤工作面突水所需的隔水层厚度更大，并且这类突水事故大多为大型或特大型突水事故，它们对安全生产的威胁也更大。所以一般应特别重视防治采煤工作面底板突水。

按照底板突水的动态表现形式又可分为爆发型、缓冲型和滞后型三类。爆发型突水多直接发生于采掘工作地点附近，并且一旦发生突水，其突水量在瞬间即达到峰值流量，然后，突水量逐渐减少和趋于稳定。这种突水的来势很猛，水中常夹有岩块碎屑，有很强的冲击力，危害最大。缓冲型突水也多发生在采掘工作地点附近，其突水量则经历由小到大逐渐增长的过程，往往要在突水后数小时、数日甚至数月才增长到最大流量，所以其突水的来势较缓，冲击力也较弱。滞后型突水一般是在采掘工作面推进了相当距离以后才在巷道或采空区中发生突水，其滞后发生突水时间可长达数日、数月甚至数年，突水量的增长也可急可缓。突水动态表现形式的差别反映了隔水层破坏方式的不同。隔水岩层（岩柱）因其拉、剪应力超限而突然破坏时大多形成爆发型突水；而缓冲型突水则往往是隔水层因渗流速度超限而逐渐破坏了隔水能力所形成的，至于滞后型突水则又往往与矿压的叠加影响有着密切的联系。不同的动态表现形式反映了不同的突水原因，需分别针对问题所在，采用不同的防治措施 。

指沿近似水平方向掘进的地下坑道。按其作用和空间位置的不同，分为平硐、石门、沿脉和穿脉，如图1所示。

平硐是直接通往地面的水平坑道。多掘进于地形较陡的矿区，其位置可与矿体走向平行或相交。作为通往地面的主要坑道，平硐横截面积比其他水平坑道大。坑道内布置有轨道、人行道、排水沟以及通风、供水、供电和供气等管道和线路。为了便于排水和运输，平硐通常保持3%～7%向硐口倾斜的坡度。

石门是在岩石内掘进的一种水平坑道。石门与矿体走向相交，与穿脉或沿脉相通。其作用与平硐相同，但石门与地面不直接相通。

沿脉是沿矿体走向掘进并与地面）不直接相通的一种水平坑道。沿脉多布置于矿体内或在矿体与围岩接触带，在破碎矿体或含有放射性、有害矿物时，常在脉外掘进沿脉坑道。

穿脉是从沿脉或石门向矿体掘进的、与地面无直接出口的一种水平坑道。要求垂直矿体走向掘进，以了解矿体及其顶、底板围岩在厚度方向的变化。穿脉是取得地质资料和样品的主要坑道。因此，对穿脉的方向、规格、间隔、深度以及取样工作面的平整度等都有较严格的要求。

突水一般预兆

(1)煤层变潮湿、松软；煤帮出现滴水、淋水现象，且淋水由小变大；有时煤帮出现铁锈色水迹 。

(2)工作面气温降低，或出现雾气或硫化氢气味(即臭鸡蛋味)。

(3)有时可闻到水的“嘶嘶”声。

(4)矿压增大，发生片帮、冒顶及底肢。

突水工作面底板灰岩含水层突水预兆

(1)工作面压力增大，底板股起，底殿量有时可达500mm以上。

(2)工作面底板产生裂隙，并逐渐增大。

(3)沿裂隙或煤帮向外渗水，随着裂隙的增大，水量增加，当底板渗水量增大到一定程度时，煤帮渗水可能停止，此时水色时清时浊：底板活动时水变浑浊，底板稳定时水色变清。

(4)底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并伴有"嘶嘶"声或刺耳水声。(5)底板发生"底爆",伴有巨响，地下水大量涌出，水色呈乳白或黄色。

突水松散孔隙含水层水突水预兆

(1)突水部位发潮、滴水、且滴水现象逐渐增大，仔细观察发现水中含有少量细砂。

(2)发生局部冒顶，水量突增并出现流沙，流沙常呈间歇性，水色时清时浊，总的趋势是水量、沙量增加，直至流沙大量涌出。

(3)顶板发生溃水、溃沙，这种现象可能影响到地表，致使地表出现塌陷坑。