謝興楠，葉根喜

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007)

1 概 述

煤礦水害[1-9]是與瓦斯、火災(zāi)、粉塵、動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害并列的礦山建設(shè)與生產(chǎn)過程中的五大安全災(zāi)害之一。長(zhǎng)期以來，因?yàn)槊旱V水害而給國(guó)家和人民帶來的經(jīng)濟(jì)損失和人事傷亡極為慘重，尤其近年來，隨著開采強(qiáng)度加大，煤礦水害事故已經(jīng)到了觸目驚心的地步?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020年)》已將“國(guó)家公共安全應(yīng)急平臺(tái)建設(shè)和重大生產(chǎn)事故預(yù)警與救援”確立為優(yōu)先主題，“礦井瓦斯、突水、動(dòng)力性災(zāi)害預(yù)警與防控技術(shù)”作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目——“煤礦突水機(jī)理與防治基礎(chǔ)理論研究項(xiàng)目”已將煤礦突水災(zāi)害的研究推向一個(gè)新的高峰。

水源、水量和突水通道是煤礦突水的三大基本要素水源，作為對(duì)水源和水量起決定作用的含水層，其補(bǔ)給和排泄條件具有區(qū)域性和面狀分布的特點(diǎn)，也是研究較為成熟的領(lǐng)域，本文不作探討；在煤層開采前，對(duì)潛在突水通道(如隔水關(guān)鍵層的薄弱帶、軟弱巖體區(qū)域、裂隙體區(qū)域)的探測(cè)研究的比較少，尤其是對(duì)突水通道的“靜態(tài)”原位研究更少涉足；在煤層開采期間，對(duì)突水通道(包括構(gòu)造體)的“動(dòng)態(tài)”破裂失穩(wěn)過程和活化規(guī)律的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和研究則更少。巖體“靜態(tài)”存在特征和“動(dòng)態(tài)”破壞過程研究的不足，貫穿了煤礦防治水工程的全過程，是突水事故頻發(fā)不斷的主要原因。

地球物理測(cè)井和高分辨率三維地震勘探技術(shù)及耦合分析技術(shù)，是開展原位巖體性質(zhì)定量描述與研究的可靠手段，筆者將其稱為“煤礦工程師的眼睛”，用于“探測(cè)”巖體性質(zhì)的原位情況，具有“原位”研究和超前預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)；高精度微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山巖體的小尺度空間條件下，可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行隔水關(guān)鍵層破裂與失穩(wěn)過程、巖體裂隙導(dǎo)升過程及范圍、構(gòu)造體活化規(guī)律及失穩(wěn)程度的監(jiān)測(cè)工作，筆者將其稱為“煤礦工程師的耳朵”，具有“原位”研究和“臨場(chǎng)”突水預(yù)警的優(yōu)勢(shì)。

采用“將巖體性質(zhì)‘靜態(tài)’存在特征和巖體‘動(dòng)態(tài)’破裂過程作為一個(gè)整體”，對(duì)突水進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警研究，以期為煤礦突水領(lǐng)域的研究邁出探索的一步。

2 綜合預(yù)警的理論和技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 巖層性質(zhì)的“靜態(tài)”原位研究的基礎(chǔ)

對(duì)同一種地球物理測(cè)井方式，不同性質(zhì)的巖體有著不同的測(cè)井響應(yīng)。不同的測(cè)井類型可以描述巖體不同的物理性質(zhì)。利用對(duì)測(cè)井響應(yīng)來定量描述巖體物理性質(zhì)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過多年的研究[11-17]，形成了較為完善的經(jīng)驗(yàn)表述公式，基本上能夠滿足各類工程的需要。

GSR[13-16](Geophysical Strata Rating)是由Peter Hatherly教授首次提出的利用地球物理測(cè)井分析技術(shù)，來定量評(píng)價(jià)巖體性質(zhì)的一種方法。它是采用地球物理測(cè)井方法直接原位獲取沉積巖體的強(qiáng)度(strength)、孔隙率(porosity)、含水量(moisture)、黏結(jié)力(bedding contact/cohesion)等參數(shù)，進(jìn)而反演分析巖體的性質(zhì)，是整合巖體力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的一種跨學(xué)科綜合分析方法。筆者所在課題組有幸參與了Peter Hatherly教授的課題[17]，并在澳大利亞開展了大量研究工作，為本研究提供了研究基礎(chǔ)。其基本思路如圖1所示。

圖1 巖層性質(zhì)的“靜態(tài)”原位研究思路

通過測(cè)井探測(cè)，獲得的是孔壁處巖體的性質(zhì)，但無法準(zhǔn)確獲取鉆孔之間巖體的變化情況。盡管鉆孔間距可以達(dá)到500m以內(nèi)，但從防治水的角度來說，我們依然有必要弄清楚鉆孔之間巖體性質(zhì)的變化情況，以探測(cè)局部分布的潛在突水通道。高精度三維地震勘探技術(shù)提供了一種非常有效的耦合途徑，通過對(duì)比相鄰鉆孔的測(cè)井響應(yīng)，可以分析空間巖層性質(zhì)的變化趨勢(shì)或規(guī)律。目前，地震勘探的精度可達(dá)5～10m，可為識(shí)別構(gòu)造型突水通道(斷層、陷落柱等)提供很好的幫助。

2.2 巖體破裂過程和破裂場(chǎng)的原位研究的基礎(chǔ)

微震[21-29]波蘊(yùn)含著震源的豐富信息，通過對(duì)能量、頻率、功率譜密度等信息的反演分析，可以進(jìn)一步推測(cè)震源機(jī)制類型。這是微震監(jiān)測(cè)技術(shù)用于巖體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域研究的理論基礎(chǔ)。

突水前的一個(gè)基本征兆是發(fā)生震耳的聲響，這是突水通道的最終貫通失穩(wěn)的前兆信息。巖石破裂[30-32]過程的試驗(yàn)表明，巖體破裂過程是一個(gè)能量逐漸釋放的過程，而對(duì)失穩(wěn)前破裂信號(hào)的采集，是我們獲得失穩(wěn)前兆信息并進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的物理基礎(chǔ)。微震監(jiān)測(cè)通過對(duì)采動(dòng)巖體進(jìn)行大范圍的監(jiān)測(cè)、高精度震源定位和時(shí)空序列的描述，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體破裂失穩(wěn)過程的反演分析。

3 突水臨場(chǎng)預(yù)警的綜合應(yīng)用與探討

微震監(jiān)測(cè)及突水預(yù)測(cè)，是針對(duì)既定突水危險(xiǎn)區(qū)實(shí)施臨場(chǎng)預(yù)警的最為直接的手段之一，它具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。圖2描述的是突水危險(xiǎn)區(qū)超前預(yù)測(cè)與突水危險(xiǎn)性臨場(chǎng)預(yù)警的研究思路。

圖2 突水預(yù)測(cè)預(yù)警的研究思路圖

3.1 關(guān)鍵層[33]靜態(tài)探測(cè)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的突水預(yù)警模型

近年來，眾多學(xué)者都在嘗試研究關(guān)鍵層在防治水中的作用，但關(guān)鍵層在什么部位，分布形態(tài)、性質(zhì)是什么，確很少有原位試驗(yàn)的報(bào)道。GSR是根據(jù)力學(xué)強(qiáng)度、裂隙分布等參數(shù)對(duì)巖層性質(zhì)的一個(gè)綜合評(píng)估，GSR的評(píng)估方法使得對(duì)關(guān)鍵層分布的綜合描述成為可能。圖3是某煤礦沿著工作面推進(jìn)方向，通過測(cè)井資料推演的GSR巖層性質(zhì)分布圖，并在此基礎(chǔ)上了建立了微震監(jiān)測(cè)的臨場(chǎng)預(yù)警模型。GSR描述的不是關(guān)鍵層的真實(shí)厚度，類比的講，是該關(guān)鍵層能夠起到隔水作用質(zhì)量較高的部位。

微震監(jiān)測(cè)則是針對(duì)在開采過程中，底板破裂(或?qū)?的深度，如果微震活動(dòng)沒有突破關(guān)鍵層，這說明開采條件是安全的；相反，如果突破了關(guān)鍵層部位，就要實(shí)施臨場(chǎng)突水預(yù)警。

圖3中，主采煤層下方存在一個(gè)連續(xù)、局部厚度變化的隔水關(guān)鍵層，微震監(jiān)測(cè)反演定位的導(dǎo)水通道范圍突破了關(guān)鍵層，則說明要實(shí)施臨場(chǎng)預(yù)警，并采取必要的超強(qiáng)防治措施。

關(guān)鍵層突水模型的臨場(chǎng)預(yù)警的科學(xué)前提是很樸素的：首先清楚原位關(guān)鍵層的性質(zhì)、分布規(guī)律；其次是開采活動(dòng)對(duì)關(guān)鍵層實(shí)時(shí)破壞的情況如何，綜合起來，該預(yù)測(cè)模型是三維時(shí)空事件的耦合。地球物理探測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，是解決該類型突水預(yù)警的基礎(chǔ)。

圖3 鍵層靜態(tài)探測(cè)(基于GSR)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的突水預(yù)警模型

3.2 構(gòu)造體靜態(tài)探測(cè)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的突水預(yù)警模型

定量描述構(gòu)造體(斷層、陷落柱等)的靜態(tài)分布情況，是突水預(yù)測(cè)的一項(xiàng)基本任務(wù)。很多研究學(xué)者都進(jìn)行了較為深入的研究，其中以高分辨率三維地震勘探領(lǐng)域的研究最為活躍，應(yīng)用的也最為成功，但對(duì)構(gòu)造體受采動(dòng)影響而導(dǎo)致的活化情況，確因缺少監(jiān)測(cè)手段而研究的不夠深入。微震監(jiān)測(cè)的高精度定位使得實(shí)時(shí)判斷構(gòu)造體活化、并實(shí)施臨場(chǎng)突水預(yù)警成為現(xiàn)實(shí)?？梢哉J(rèn)為，構(gòu)造體位置的靜態(tài)探測(cè)和活化監(jiān)測(cè)，是進(jìn)行構(gòu)造導(dǎo)水的預(yù)警的有效綜合手段和方法(圖4)。

圖4 構(gòu)造體靜態(tài)探測(cè)(基于高分辨三維地震和GSR)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的突水預(yù)警模型

3.3 突水臨場(chǎng)預(yù)警的問題探討

礦井突水是一個(gè)地下巖體系統(tǒng)性失穩(wěn)而導(dǎo)致的一個(gè)綜合結(jié)果。地應(yīng)力、水溫、水壓等影響因素可認(rèn)為僅為導(dǎo)水通道的孕育提供了外力，其綜合表現(xiàn)形式可認(rèn)為是導(dǎo)水通道形成的微震活動(dòng)。因此，把微震活動(dòng)看作是系統(tǒng)性失穩(wěn)的標(biāo)示，是有一定的實(shí)踐意義的。

4 突水預(yù)測(cè)的模糊定理預(yù)測(cè)初探

水源、水量、突水通道三大因素，僅有任意兩個(gè)組合均不能造成突水災(zāi)害，因此，從對(duì)突水災(zāi)害的“貢獻(xiàn)”而言，其影響權(quán)重是相互獨(dú)立的，即缺一不可的關(guān)系。因此，賦予水源、水量、突水通道三大因素的影響權(quán)重均為1/3。

4.1 突水水源模糊分析

水源指采掘空間周圍獨(dú)立水文單元中所含有的水的總量R，記為R1，設(shè)構(gòu)成突水災(zāi)害的水源臨界值為Xm3，則有：

當(dāng)水源R>Xm3時(shí)，則水源R1對(duì)于突水事故的隸屬度μR為：

μR=1

當(dāng)水源R=0m3時(shí)，則水源R1對(duì)于突水事故的隸屬度μR為：

μR=0

當(dāng)水源Xm3≥R>0m3時(shí)，則水源R1對(duì)于突水事故的隸屬函數(shù)μR為：

μR=R/X

4.2 水量模糊分析

水量是指從水源由通道涌出的單位時(shí)間內(nèi)的水量，設(shè)構(gòu)成突水災(zāi)害的涌水量臨界值為Ym3/h。

當(dāng)涌水量Q>Ym3/h時(shí)，則涌水量Q對(duì)于突水事故的隸屬度μQ為：

μQ=1

當(dāng)涌水量Q=0m3/h時(shí)，則涌水量Q對(duì)于突水事故的隸屬度μQ為：

μQ=0

當(dāng)涌水量Ym3/h≥Q>0m3/h時(shí)，則涌水量Q對(duì)于突水事故的隸屬函數(shù)μQ為：

μQ=Q/Y

4.3 突水通道模糊分析

突水通道在這里用突水危險(xiǎn)區(qū)的概念代替，它涉及兩個(gè)方面：一是回采前的“靜態(tài)”研究，預(yù)測(cè)出潛在突水危險(xiǎn)區(qū)；二是開采過程中監(jiān)測(cè)研究，指出的潛在突水危險(xiǎn)區(qū)。為了使突水預(yù)測(cè)的模型更具有實(shí)用性，結(jié)合突水危險(xiǎn)區(qū)的探測(cè)和監(jiān)測(cè)情況，以下做突水通道μP對(duì)于突水事故的模糊權(quán)定為：

當(dāng)開采位置臨近 “靜態(tài)”描述指出的潛在突水危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，如果危險(xiǎn)區(qū)沒有受到擾動(dòng)(通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)判斷)，則：

μP=0

當(dāng)開采位置臨近 “靜態(tài)”定量描述指出的潛在突水危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，如果危險(xiǎn)區(qū)受到擾動(dòng)(通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)判斷)，則：

μP=1

設(shè)隔水層厚度為G，底板破裂高度為H，則μP對(duì)于突水事故的模糊權(quán)定為：

μP=H/G

當(dāng)開采位置臨近監(jiān)測(cè)研究描述指出的潛在突水危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，如果危險(xiǎn)區(qū)附近水源、水量條件達(dá)不到突水事故危險(xiǎn)程度，則：

μP=0

當(dāng)開采位置臨近監(jiān)測(cè)研究描述指出的潛在突水危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，如果危險(xiǎn)區(qū)附近水源、水量條件達(dá)到或接近突水事故危險(xiǎn)程度，則：

μP=1

4.4 突水可能性的定理模糊預(yù)測(cè)

在得到了上述三大因素的隸屬度之后，便可以通過計(jì)算獲得突水可能性的指標(biāo)μ，即表1。

μ=μR/3+μR/3+μR/3

表1 突水災(zāi)害預(yù)測(cè)

5 結(jié)論

1)礦井突水預(yù)測(cè)預(yù)警是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須貫穿防治水的全部過程，其應(yīng)該涵蓋巖體性質(zhì)“靜態(tài)”存在特征探測(cè)和巖體“動(dòng)態(tài)”破裂過程監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面。

2)綜合測(cè)井的GSR定理評(píng)估及與三維地震勘探耦合分析，是巖體性質(zhì)“靜態(tài)”探測(cè)和定量描述的有效方法和手段。

3)高精度微震監(jiān)測(cè)及定位，是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)巖體破裂失穩(wěn)、突水臨場(chǎng)預(yù)警的有效方法和手段。

4)建立基于測(cè)井-三維地震探測(cè)結(jié)果和高精度微震定位監(jiān)測(cè)結(jié)果的礦井突水臨場(chǎng)預(yù)警定量描述和預(yù)測(cè)模型，是防治水工程的一個(gè)重要發(fā)展方向。

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