王目軍，王術(shù)睿，丁凌霄

淺析礦井突水的預(yù)測方法

王目軍1，王術(shù)睿2，丁凌霄2

(1.淮北礦業(yè)股份有限公司桃園煤礦，安徽 宿州 234000;2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

近年來，礦井突水事故不斷發(fā)生，嚴重威脅煤礦的安全生產(chǎn)，為了保障礦工的人身安全，達到安全、經(jīng)濟、高效的目的，在煤礦開采之前進行礦井突水預(yù)測很有必要，也具有顯著意義。本文介紹了礦井突水預(yù)測的理論方法，如突水系數(shù)法、突水概率指數(shù)法、“下三帶理論”預(yù)測法等，雖然每個理論方法都存在各自的優(yōu)缺點，但是能夠為突水預(yù)測提供理論的基礎(chǔ)依據(jù)，為預(yù)防礦井突出事故提供幫助。

突水機理;突水預(yù)測理論;預(yù)測方法

近幾年，礦井頻繁發(fā)生各類突水事故，不僅制約了礦井安全生產(chǎn)，更嚴重的是職工的人身安全得不到保障。2010年3月28日14時30分許，山西省王家?guī)X煤礦發(fā)生透水事故，致使百余人被困，震驚全國。為了達到安全生產(chǎn)的目的，保障工人的安全，在煤礦開采之前進行礦井突水預(yù)測很有必要，也具有顯著意義。

1 礦井突水的發(fā)生機理

礦井充水定義為在礦井開采中，種類不同的水資源逐步流到礦井巷道空間的過程，進入到井巷內(nèi)的水便成為礦井水。礦井充水不是單一的，它具有多種形式，諸如流入、淋入、滴入、涌入等，當涌入巷道的水源逐漸變大且迅猛，則定義為礦井突水［1］。礦井突水其形成過程機理很復(fù)雜，與其地質(zhì)條件有很大的關(guān)聯(lián)，但主要包括水源、通道以及其它影響因素三個方面。

2 礦井突水的理論

2.1 斯列薩列夫理論

我國礦井突水預(yù)測最早實施應(yīng)用是從蘇聯(lián)引進的斯列薩列夫理論。該理論精髓就在于如何確定老頂隔水層及底板的隔水層，它們所能夠承受的最大的安全水頭，并采用數(shù)學(xué)的計算方法，得到數(shù)據(jù)，從而達到預(yù)測推斷礦井突水的目的。

2.2 突水系數(shù)法

在20世紀六七十年代，中國的科研學(xué)者便著手研究底板突水變化的相關(guān)規(guī)律，制定底板突水的發(fā)生的標準時應(yīng)用了突水系數(shù)［2］。其定義為每米隔水層最大承受水的壓強值，即：

式中：

TS—突水系數(shù);

P—水的壓強，MPa;

h—隔水層厚度，m。

該理論的提出，對礦井水文的科研起到了重要的作用。

2.3 突水系數(shù)的修正法

突水系數(shù)法的公式并沒有考慮到下述兩點影響，一是巷道底板在圍巖壓力下的破壞，二是巷道底板在圍巖性質(zhì)的組合影響下的破壞。鑒于此，我國煤炭研究院西安分院引用了歐洲學(xué)者的觀點，并且在這個基礎(chǔ)上改進了突水系數(shù)法，并對公式進行了一系列修正，新的公式為：

式中：

h—隔水層第i分層厚度，m;

a—hi等效厚度的換算系數(shù);

hp—底板在圍巖壓力下的破壞厚度，m。

因為該理論簡明扼要，采用的算式簡單易懂，至今仍在使用。在該理論下的統(tǒng)計，大部分都是斷層突水，基于上述，該理論突出強調(diào)是在斷裂薄弱帶的突水情況。

2.4 下三帶原理探測法

該理論預(yù)測方法是根據(jù)現(xiàn)場實際測得數(shù)據(jù)，并結(jié)合相關(guān)的相似材料模擬實驗以及數(shù)值模擬實驗，多方面總結(jié)提煉出來的下三帶原理［3］。在這個預(yù)測法中，對底板的突水機理有兩種觀點：一是水的壓強對底板的作用影響，其強度沒有水的壓強值高，從而導(dǎo)致了失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生;二是水壓和礦山壓力共同作用下使底板含水層升高而導(dǎo)致的。一旦底板的含水層和導(dǎo)水帶相互交匯，便發(fā)生了水害事故［2］。

2.5 突水概率指數(shù)法

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)［4］。它是結(jié)合現(xiàn)場實際情況，通過一系列實驗研究所總結(jié)得到的。該方法最大特點就是能將其編寫成計算機程序，并且在現(xiàn)場應(yīng)用中效果理想，具有很強的可操作性。

2.6 地球物理學(xué)預(yù)測方法

1)電阻法。

a)電阻法的機理。

電阻法是研究直流電流通過地下巖層物質(zhì)所產(chǎn)生的電阻值以及隨時間的變化，通過此規(guī)律來判定不同種類物質(zhì)的界面，通過測量得到的便是地電阻率剖面。

已知電源極和測點，確定好其分布方式，然后對電壓值及電流值進行準確測量后，便可以通過下述公式確定它的電阻值：

因此，所得到電阻可以獲得相關(guān)的信息，特別是在應(yīng)力應(yīng)變過程中所形成的不同的變化。

b)測量方法：在巷道中，通過鉆孔后，將電極安裝在鉆孔的底部(0.4 ～2.1 m)，進行測量。

電阻法可采用：

①剖面法：剖面可布置在巷道的頂?shù)装寤騼蓭汀?/p>

②差值法一般應(yīng)用在老頂。

③兩幫中的鉆孔樁式測量。

④布置方式：對稱橋式。電流為常值，測量巖石電阻的變化規(guī)律，以此構(gòu)成整個測量系統(tǒng)。

c)處理測量數(shù)據(jù)。

2)單極－偶極電阻率法。

該方法是應(yīng)用在井下掘進時超前探查。該探測法對礦井的安全起到了明顯的積極作用，尤其是在探查巖體含水斷層方面效果突出。

其機理見圖1［5］。利用單點電源A供電，另一供電極B置于“無窮遠”，測量電極為M、N。介質(zhì)分布均勻的前提條件下，點電源A形成的等位面為球面，測量電極M、N所測電位差是MN之間球殼的體積范圍內(nèi)電位差。如果在整個球面輻射內(nèi)包括了電性異常體，相應(yīng)地，電阻率就會發(fā)生改變。基于此，視電阻率的變化都是在巷道的后方觀測完成的，從而來判定前方地質(zhì)異常體的存在。

圖1 單極－偶極法測量原理圖

受突水困擾的礦井，巷道掘進過程中通常要求先探后掘，以保障正常的掘進進行。常用的方法是鉆孔探查。近十年來，礦井電阻率探測法對礦井的安全起到了明顯的積極作用。

3)雷達法。

雷達法的機理。

當發(fā)射線圈達到數(shù)百伏電壓時，就會向外射出頻率在10.9～3 000.0 MHz內(nèi)、時間僅為納秒的雷達波，當雷達波射入地層中，會通過不同電性的地層界面，形成反射，從而返回到地面，并由已經(jīng)在地面布置好的儀器來接受該信號。由于接收到信號時間的長短不同與波型的改變，需要通過合理的數(shù)據(jù)計算后，才能達到推測目標的大概形狀。

巖體中電磁波在不同的介質(zhì)下的傳播特性為：

式中：

c—傳播的速度;

ε—電介質(zhì)常數(shù)。

如果電磁波在傳播過程中遇到不同電介質(zhì)的界面，則會發(fā)生反射，形成反射波。而反射波傳達回的時間在已知傳播速度的情況下，可對界面進行確定，例如巖體結(jié)構(gòu)中的斷層、裂隙、水平等［5］。

2.7 其它方法

其它方法主要有：基于GIS技術(shù)的多元信息擬合法、三圖—雙預(yù)測法、模糊綜合評判法灰色理論法、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型法。

盡管前人在礦井突水預(yù)測方面做了很多的工作，也提煉了豐富的理論方法，但能夠真正對礦井突水預(yù)測達到很好效果的，目前還未能實現(xiàn)。每種方法都有其優(yōu)缺點，礦井突水問題又很復(fù)雜，所以良好的效果還取決于根據(jù)實際情況進行正確的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)規(guī)模逐步加大，國家對能源的需求量日漸增多，特別是對于煤炭的需求更甚，為此煤礦的安全生產(chǎn)尤為重要。因此，煤礦更應(yīng)重視礦井水害的防治，加強對礦井突水的預(yù)測，做到先預(yù)測預(yù)報，達到安全生產(chǎn)的目的。

［1］ 楊孟達.煤礦地質(zhì)學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000：222－227.

［2］ 張立新，李長洪，趙 宇.礦井突水預(yù)測研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國礦業(yè)，2009(1)：18－19.

［3］ 李白英.預(yù)防礦井底板突水的“下三帶”及其發(fā)展與應(yīng)用［J］.山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報.1999，18(04)：8－11.

［4］ 施龍青，韓 進.底板突水機理及預(yù)測預(yù)報［M］.徐州：中國科學(xué)文化出版社，2004：87－89.

［5］ 竇林名，何學(xué)秋.采礦地球物理學(xué)［M］.中國科學(xué)文化出版，2002：123－125.

［6］ 吳 波，黃健良，王 碩.礦井突水原因及幾種地球物理預(yù)測方法分析［J］.科技信息，2009，24(6)：81－83.

Analysis on Prediction Method of Mine Water Inrush

Wang Mu－jun，Wang Shu－rui，Ding Ling－xiao

In recent years，the mine water inrush accident happens continuously，seriously threaten safety production in coal mine，in order to ensure the personal safety of the miners，reaches the purposes of safety，economy and high efficient，before coal mining，forecasts the mine water bursting，it is necessary，also has the significant.This paper introduces the theory of mine water bursting prediction methods，such as water bursting coefficient method，water bursting probability index method，"the down three zones theory"prediction method and so on，although each theory method has the advantages and disadvantages，but can provide the theory basis for water bursting prediction，for preventing the mine water inrush accident provides help.

Water inrush mechanism;Water bursting prediction theory;Prediction method

TD745+.21

A

1672－0652(2012)02－0054－03

2011－11－17

王目軍(1985—)，男，山東菏澤人，2008年畢業(yè)于山東科技大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦采礦工程(掘進)技術(shù)工作(E －mail)wsr231@126.com