突水預(yù)測預(yù)報決策支持系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

副題名

外文題名

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

論文作者

孫晉非著

導(dǎo)師

岳建華指導(dǎo)

學(xué)科專業(yè)

學(xué)位級別

工學(xué)博士

學(xué)位授予單位

中國礦業(yè)大學(xué)

學(xué)位授予時間

2012

關(guān)鍵詞

煤礦 突水 預(yù)測技術(shù) 決策支持系統(tǒng) 數(shù)據(jù)模型

館藏號

TD745

唯一標(biāo)識符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.006115996

館藏目錄

2012\TD745\12

2100433B

礦井水災(zāi)的預(yù)測是指礦井在開采前，根據(jù)地質(zhì)勘探的水文地質(zhì)資料及專門進行的水害調(diào)查資料，確定礦井水災(zāi)的危險程度，并編制礦井水災(zāi)預(yù)測圖 。

突水礦井水災(zāi)危險程度的確定

①用突水系數(shù)來確定礦井水害的危險程度。突水系數(shù)是含水層中靜水壓力(kPa)與隔水層厚度(m)的比值，其物理意義是單位隔水層厚度所能承受的極限水壓值。

②按水文地質(zhì)的影響因素來確定礦井水害的危險程度。該方法是按水文地質(zhì)的復(fù)雜程度將礦區(qū)的水害危險程度劃分為5個等級。

突水礦井水災(zāi)預(yù)測圖的編制

根據(jù)隔水層厚度和礦區(qū)各地段的水壓值，計算某開采水平的突水系數(shù)，編制相應(yīng)比例的簡單突水預(yù)測圖，然后根據(jù)礦區(qū)突水系數(shù)的臨界值，圈定安全區(qū)和危險區(qū)。水災(zāi)預(yù)測圖的另一種編制方法是在開采平面圖上圈定地下水災(zāi)的等級區(qū)域，據(jù)此制定最佳礦井規(guī)劃和防治水害的措施，加強危險區(qū)域的監(jiān)測，保證安全生產(chǎn)。

前言

第1章緒論

1.1引言

11.2隧道超前地質(zhì)預(yù)報的作用和意義

1.3超前地質(zhì)預(yù)報發(fā)展與現(xiàn)狀

1.l.1鉆爆法施工隧道超前地質(zhì)煩報的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.3.2TBM施下隧道超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.3.3隧邊施工綜合超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1隧道超前地質(zhì)預(yù)報存在的問題

1.5本書的主要內(nèi)容

第2章隧道突水突泥災(zāi)害源的地質(zhì)特征

2.1引言

2.2突水突泥災(zāi)害源賦存特征

2.2.1突水突泥災(zāi)害類型

2.2.2巖濟突水突泥災(zāi)害源發(fā)育的某本規(guī)律

2.2.3右溶交水突泥災(zāi)吉源發(fā)育的主控四素

2.2.4典型突水突泥災(zāi)害源賦存特征

2.2.5隧邊交水突泥災(zāi)吉的災(zāi)變特征

2.3典型突水突泥案例與地質(zhì)分析

2.3.1裂隙型突水突泥典型案例

2.3.2斷層理突水突泥典理案例

2.3.3格洞恪院組突水突泥典型案例

2.3.4暗川型突水突泥典型案例

2.4本章小結(jié)

第3章隧道不良地質(zhì)超前地質(zhì)預(yù)報方法

3.1引言

3.2超前地質(zhì)預(yù)報方法的物性基礎(chǔ)和物性差異

3.2.1地震波超前預(yù)報方法的物性基礎(chǔ)

3.2.2地質(zhì)富達超前預(yù)報方法的物懺某礎(chǔ)

3.2.3電阻率超前預(yù)報方法的物性基礎(chǔ)

3.2.4激發(fā)極化超前預(yù)報方法的物性基礎(chǔ)

3.2.5且他超前預(yù)報方法的物性基礎(chǔ)

3.3地質(zhì)分析法

3.3.1工程地質(zhì)調(diào)查法

3.3.2屆前導(dǎo)洞(坑)法

3.3.3屆前水平鉆孔法

3.4地震波超前預(yù)方法

3.4.1基于直線類觀測方式的地震超前頂報方法

3.4.2基于三維空間觀測方式的地震超前放報方法

3.4.3某于極小偏移距觀測方式的地震超前預(yù)報法

3.4.4TBM施工隧過專用的地震超前預(yù)報方法

3.5電法類超前預(yù)報方法

3.5.1地質(zhì)古達超前地質(zhì)預(yù)報方法

3.5.2瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報方法

3.5.3激發(fā)極化/山陽率法超前地質(zhì)預(yù)報法

3.6其他超前地質(zhì)預(yù)報方法

3.6.1巖體溫度法

3.6.2紅外探水法

3.7本章小結(jié)

第4章中遠(yuǎn)距離含水構(gòu)造瞬變電磁預(yù)報理論與方法

4.1引言

1.2隧道瞬變電磁超前探測基本方法和原理

4.2.1瞬變電磁法基本理論與超前探訪時方法

1.2.2瞬變電磁隧道探測改進

4.3隧道多點陣列式瞬變電醋探測方法與不良地質(zhì)體響應(yīng)規(guī)律

1.3.1隧道多點陣列瞬變電磁探測方法原理

1.3.2隧道多點陣列式瞬變電磁探測三維響戚朋律

4.3.3隧道多點陣列式瞬變電磁探測工作方法

4.4隧道多點陣列式瞬變電磁探測數(shù)據(jù)解釋技術(shù)

4.4.1均勻半空間中回線源瞬變電磁中心點視電阻率公式

4.4.2含偏移觀測點瞬變電磁水平和垂在磁場頻率域響山

4.4.3含偏移距觀測點瞬變山磁時間域響應(yīng)及晚期視山陽半公式

4.4.4方法驗證與模型算例

4.4.5矢量合成山阻率

4.5鐘家山隧道左洞瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用案例

1.6本章小結(jié)

第5章近距離含水構(gòu)造激發(fā)極化超前預(yù)報理論與方法

5.1引言

5.2激發(fā)極化基本原理

5.3隧道激發(fā)極化超前探測的多同性源陣列式觀測方式與正演模擬

5.3.1多同性源陣列激發(fā)極化法觀測模式法

5.3.2多同仲源陣列式激發(fā)極化超前探測的正演模擬及其對介水構(gòu)足的響應(yīng)

5.4多同性源陣列激發(fā)極化超前探測的三維反演成像方法

5.4.1基于加權(quán)函數(shù)的三維電阻率反演成像理論與方法

5.4.2多同性源陣列激發(fā)極化法超前探測的反演數(shù)值算例

5.5激發(fā)極化超前探測水量定量估算技術(shù)

5.5.1二電流半衰時之差參數(shù)區(qū)分自由水和束縛水的微觀機理

5.5.2二電流半衰時之差與水量關(guān)系的物理模型試驗

5.6隧道含水構(gòu)造三維定位與水量估算技術(shù)

5.7隧道超前地質(zhì)預(yù)報專用的激發(fā)極化儀

5.7.1時域激發(fā)極化儀

5.7.2多同性源陣列式激發(fā)極化儀

5.8多同性源陣列式激發(fā)極化超前探測方法的應(yīng)用案例

5.8.1地質(zhì)分析與測線布置

5.8.2激發(fā)極化超前探測數(shù)據(jù)處理與解釋

5.8.3頒報結(jié)果與開挖情況對比

5.9多同性源陣列式激發(fā)極化技術(shù)用于TBM施工隧道的展望

5.10本章小結(jié)

第6章鉆孔精細(xì)三維探測理論與方法

6.1引言

6.2電阻率跨孔CT約束反演成像方法

6.2.1含不等式先驗信息約束的電阻束CT反演方和

6.2.2偏導(dǎo)數(shù)矩陣的并行解析快速求解方法

6.3跨孔電阻率CT超前地質(zhì)預(yù)報方法

6.3.1跨孔山陽率CT探測的某卒原理

6.3.2二維跨孔電阻率CT組合觀測模式及影響四素分析

6.3.3三維跨孔山阻率CT探測影響阿素分析

6.3.4跨孔電阻率CT測物理模型試驗

6.3.5跨孔山陽率CT探測應(yīng)用案例

6.3.6跨孔電阻率CT超前探測技術(shù)小結(jié)

6.1鉆孔(單孔)電阻率成像超前探測技術(shù)

6.4.1鉆孔(單孔)電阻率成像超前探測的觀測模式

6.4.2鉆孔(單孔)電阻率成像超前探測正演響應(yīng)特征

6.4.3鉆孔(單孔)電阻率成像超前探測反演成像

6.4.4鉆孔(單孔)電阻率成像超前探測物理模型試驗

6.5本章小結(jié)

第7章隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報與聯(lián)合解譯方法

7.1引言

7.2綜合超前地質(zhì)預(yù)報基本原則

7.3隧道施工綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法

7.3.1常用且前地質(zhì)預(yù)報方法的特點分析

7.3.2隧遠(yuǎn)不良地質(zhì)綜合超前預(yù)報方案與流程

7.3.3"同階段全過程"的突水突泥災(zāi)害源綜合膽前預(yù)報方法與體系

7.4基于空間結(jié)構(gòu)約束聯(lián)合反演的隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報

7.4.1多元超前預(yù)報數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演思想

7.4.2專問結(jié)構(gòu)約束聯(lián)合反演方法

7.4.3以空間結(jié)構(gòu)約束聯(lián)合反演為基礎(chǔ)的綜合地球物理探測的典型案例

7.5隧道施工許可機制與突涌水災(zāi)害綜合預(yù)警

7.5.1施工許可機制

7.5.2施工許可流程

7.5.3施工許可原則

7.5.4突涌水災(zāi)害綜合預(yù)測頂警

7.6本章小結(jié)

第8章代表性工程應(yīng)用案例

8.1引言

8.2山嶺隧道超前地質(zhì)預(yù)報實踐

8.2.1湖北滬蓉西高速公路齊岳隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用案例

8.2.2湖北滬蓉西高速公路龍?zhí)端淼谰C合起前放報與塌方災(zāi)害頂警案例

8.2.3湖北宜巳高邊公路馬家坡隧道綜合超前地質(zhì)頂報與聯(lián)合反演應(yīng)用案例

8.2.4錦屏二級電站輔助洞綜合超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用案例

8.2.5成蘭鐵路躍龍門隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用案例

8.3海底隧道超前地質(zhì)預(yù)報實踐

8.3.1青島膠州灣海底隧道工程概況

8.3.2青島膠州灣海底隧近綜合超前地質(zhì)預(yù)報的作用和內(nèi)容

8.3.3青島膠州灣海底隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法與體系

8.3.4青島膠州灣海底隧近綜合超前地質(zhì)預(yù)報代表性案例

8.1城市地鐵隧道超前地質(zhì)預(yù)報實踐

8.4.1城市地鐵超前預(yù)報方法的選擇

8.4.2城市地鐵超前預(yù)報方法的實施

8.4.3大連地鐵某仄間超前地質(zhì)煩報代表性案例

8.4.4大連地鐵某醫(yī)間重點地段超前預(yù)報實踐

8.4.5廣州地鐵某午站超前地質(zhì)煩報代表性案例

8.5隧道施工許可機制與綜合超前地質(zhì)預(yù)報的聯(lián)合應(yīng)用案例

8.5.1工程概況

8.5.2初步評估

8.5.3二次評估與動態(tài)評估

8.5.4ZK19 240~ZK19 420段風(fēng)險擰制

8.5.5ZK19 120~ZK19 /160段風(fēng)階控制

8.5.6ZK19 460~ZK19 509段風(fēng)險擰制

8.5.7ZK19 509~ZK19 610段風(fēng)階控制

8.5.8ZK19 610~ZK20 180段風(fēng)險控制

8.6本章小結(jié)

第9章展望

參考文獻

彩圖 2100433B

直流電法

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。

“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(zhǔn)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(zhǔn)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?dāng)鄬?、?dǎo)(突)水陷落柱、潛在導(dǎo)水?dāng)嗔寻l(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(biāo);

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(biāo)參數(shù)。

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(yuǎn)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(zhǔn)確地探測清楚的。按照核磁共振測水技術(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(zhǔn)確性。

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、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(zhǔn)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?dāng)?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。

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。

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。

①兩條主干斷裂的復(fù)合部位及其銳角一側(cè)形成富水區(qū)。

②主干斷層旁側(cè)的入字型小構(gòu)造。

③斷裂密集帶。

④主干斷裂的橫張結(jié)構(gòu)面形成的巖溶水的脈狀溶水帶。

⑤斷層消失端。 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。

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(yuǎn)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(dāng)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。

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。

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。

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。