突水预测预报决策支持系统关键技术研究

副题名

外文题名

Research on the key technologies of forecasting decision support system of mine water inrush

论文作者

孙晋非著

导师

岳建华指导

学科专业

学位级别

工学博士

学位授予单位

中国矿业大学

学位授予时间

2012

关键词

煤矿 突水 预测技术 决策支持系统 数据模型

馆藏号

TD745

唯一标识符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.006115996

馆藏目录

2012\TD745\12

2100433B

矿井水灾的预测是指矿井在开采前，根据地质勘探的水文地质资料及专门进行的水害调查资料，确定矿井水灾的危险程度，并编制矿井水灾预测图 。

突水矿井水灾危险程度的确定

①用突水系数来确定矿井水害的危险程度。突水系数是含水层中静水压力(kPa)与隔水层厚度(m)的比值，其物理意义是单位隔水层厚度所能承受的极限水压值。

②按水文地质的影响因素来确定矿井水害的危险程度。该方法是按水文地质的复杂程度将矿区的水害危险程度划分为5个等级。

突水矿井水灾预测图的编制

根据隔水层厚度和矿区各地段的水压值，计算某开采水平的突水系数，编制相应比例的简单突水预测图，然后根据矿区突水系数的临界值，圈定安全区和危险区。水灾预测图的另一种编制方法是在开采平面图上圈定地下水灾的等级区域，据此制定最佳矿井规划和防治水害的措施，加强危险区域的监测，保证安全生产。

前言

第1章绪论

1.1引言

11.2隧道超前地质预报的作用和意义

1.3超前地质预报发展与现状

1.l.1钻爆法施工隧道超前地质烦报的发展与现状

1.3.2TBM施下隧道超前地质预报的发展与现状

1.3.3隧边施工综合超前地质预报的发展与现状

1.1隧道超前地质预报存在的问题

1.5本书的主要内容

第2章隧道突水突泥灾害源的地质特征

2.1引言

2.2突水突泥灾害源赋存特征

2.2.1突水突泥灾害类型

2.2.2岩济突水突泥灾害源发育的某本规律

2.2.3右溶交水突泥灾吉源发育的主控四素

2.2.4典型突水突泥灾害源赋存特征

2.2.5隧边交水突泥灾吉的灾变特征

2.3典型突水突泥案例与地质分析

2.3.1裂隙型突水突泥典型案例

2.3.2断层理突水突泥典理案例

2.3.3格洞恪院组突水突泥典型案例

2.3.4暗川型突水突泥典型案例

2.4本章小结

第3章隧道不良地质超前地质预报方法

3.1引言

3.2超前地质预报方法的物性基础和物性差异

3.2.1地震波超前预报方法的物性基础

3.2.2地质富达超前预报方法的物忏某础

3.2.3电阻率超前预报方法的物性基础

3.2.4激发极化超前预报方法的物性基础

3.2.5且他超前预报方法的物性基础

3.3地质分析法

3.3.1工程地质调查法

3.3.2届前导洞(坑)法

3.3.3届前水平钻孔法

3.4地震波超前预方法

3.4.1基于直线类观测方式的地震超前顶报方法

3.4.2基于三维空间观测方式的地震超前放报方法

3.4.3某于极小偏移距观测方式的地震超前预报法

3.4.4TBM施工隧过专用的地震超前预报方法

3.5电法类超前预报方法

3.5.1地质古达超前地质预报方法

3.5.2瞬变电磁超前地质预报方法

3.5.3激发极化/山阳率法超前地质预报法

3.6其他超前地质预报方法

3.6.1岩体温度法

3.6.2红外探水法

3.7本章小结

第4章中远距离含水构造瞬变电磁预报理论与方法

4.1引言

1.2隧道瞬变电磁超前探测基本方法和原理

4.2.1瞬变电磁法基本理论与超前探访时方法

1.2.2瞬变电磁隧道探测改进

4.3隧道多点阵列式瞬变电醋探测方法与不良地质体响应规律

1.3.1隧道多点阵列瞬变电磁探测方法原理

1.3.2隧道多点阵列式瞬变电磁探测三维响戚朋律

4.3.3隧道多点阵列式瞬变电磁探测工作方法

4.4隧道多点阵列式瞬变电磁探测数据解释技术

4.4.1均匀半空间中回线源瞬变电磁中心点视电阻率公式

4.4.2含偏移观测点瞬变电磁水平和垂在磁场频率域响山

4.4.3含偏移距观测点瞬变山磁时间域响应及晚期视山阳半公式

4.4.4方法验证与模型算例

4.4.5矢量合成山阻率

4.5钟家山隧道左洞瞬变电磁超前地质预报应用案例

1.6本章小结

第5章近距离含水构造激发极化超前预报理论与方法

5.1引言

5.2激发极化基本原理

5.3隧道激发极化超前探测的多同性源阵列式观测方式与正演模拟

5.3.1多同性源阵列激发极化法观测模式法

5.3.2多同仲源阵列式激发极化超前探测的正演模拟及其对介水构足的响应

5.4多同性源阵列激发极化超前探测的三维反演成像方法

5.4.1基于加权函数的三维电阻率反演成像理论与方法

5.4.2多同性源阵列激发极化法超前探测的反演数值算例

5.5激发极化超前探测水量定量估算技术

5.5.1二电流半衰时之差参数区分自由水和束缚水的微观机理

5.5.2二电流半衰时之差与水量关系的物理模型试验

5.6隧道含水构造三维定位与水量估算技术

5.7隧道超前地质预报专用的激发极化仪

5.7.1时域激发极化仪

5.7.2多同性源阵列式激发极化仪

5.8多同性源阵列式激发极化超前探测方法的应用案例

5.8.1地质分析与测线布置

5.8.2激发极化超前探测数据处理与解释

5.8.3颁报结果与开挖情况对比

5.9多同性源阵列式激发极化技术用于TBM施工隧道的展望

5.10本章小结

第6章钻孔精细三维探测理论与方法

6.1引言

6.2电阻率跨孔CT约束反演成像方法

6.2.1含不等式先验信息约束的电阻束CT反演方和

6.2.2偏导数矩阵的并行解析快速求解方法

6.3跨孔电阻率CT超前地质预报方法

6.3.1跨孔山阳率CT探测的某卒原理

6.3.2二维跨孔电阻率CT组合观测模式及影响四素分析

6.3.3三维跨孔山阻率CT探测影响阿素分析

6.3.4跨孔电阻率CT测物理模型试验

6.3.5跨孔山阳率CT探测应用案例

6.3.6跨孔电阻率CT超前探测技术小结

6.1钻孔(单孔)电阻率成像超前探测技术

6.4.1钻孔(单孔)电阻率成像超前探测的观测模式

6.4.2钻孔(单孔)电阻率成像超前探测正演响应特征

6.4.3钻孔(单孔)电阻率成像超前探测反演成像

6.4.4钻孔(单孔)电阻率成像超前探测物理模型试验

6.5本章小结

第7章隧道综合超前地质预报与联合解译方法

7.1引言

7.2综合超前地质预报基本原则

7.3隧道施工综合超前地质预报方法

7.3.1常用且前地质预报方法的特点分析

7.3.2隧远不良地质综合超前预报方案与流程

7.3.3"同阶段全过程"的突水突泥灾害源综合胆前预报方法与体系

7.4基于空间结构约束联合反演的隧道综合超前地质预报

7.4.1多元超前预报数据的联合反演思想

7.4.2专问结构约束联合反演方法

7.4.3以空间结构约束联合反演为基础的综合地球物理探测的典型案例

7.5隧道施工许可机制与突涌水灾害综合预警

7.5.1施工许可机制

7.5.2施工许可流程

7.5.3施工许可原则

7.5.4突涌水灾害综合预测顶警

7.6本章小结

第8章代表性工程应用案例

8.1引言

8.2山岭隧道超前地质预报实践

8.2.1湖北沪蓉西高速公路齐岳隧道综合超前地质预报应用案例

8.2.2湖北沪蓉西高速公路龙潭隧道综合起前放报与塌方灾害顶警案例

8.2.3湖北宜巳高边公路马家坡隧道综合超前地质顶报与联合反演应用案例

8.2.4锦屏二级电站辅助洞综合超前地质预报应用案例

8.2.5成兰铁路跃龙门隧道综合超前地质预报应用案例

8.3海底隧道超前地质预报实践

8.3.1青岛胶州湾海底隧道工程概况

8.3.2青岛胶州湾海底隧近综合超前地质预报的作用和内容

8.3.3青岛胶州湾海底隧道综合超前地质预报方法与体系

8.3.4青岛胶州湾海底隧近综合超前地质预报代表性案例

8.1城市地铁隧道超前地质预报实践

8.4.1城市地铁超前预报方法的选择

8.4.2城市地铁超前预报方法的实施

8.4.3大连地铁某仄间超前地质烦报代表性案例

8.4.4大连地铁某医间重点地段超前预报实践

8.4.5广州地铁某午站超前地质烦报代表性案例

8.5隧道施工许可机制与综合超前地质预报的联合应用案例

8.5.1工程概况

8.5.2初步评估

8.5.3二次评估与动态评估

8.5.4ZK19 240~ZK19 420段风险拧制

8.5.5ZK19 120~ZK19 /160段风阶控制

8.5.6ZK19 460~ZK19 509段风险拧制

8.5.7ZK19 509~ZK19 610段风阶控制

8.5.8ZK19 610~ZK20 180段风险控制

8.6本章小结

第9章展望

参考文献

彩图 2100433B

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。