开题报告 刘晓艳 改后

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1、论文答辩硕士论文答辩煤层顶板突水地质条件及其危险性评价导 师：孟召平 教授 硕士生：刘晓艳 专 业：地质工程学 号：ZSP090101104Q中国矿业大学（北京）地测学院主要内容选题背景和研究意义、国内外研究现状及 存在的问题 研究目标和内容、拟解决的关键问题 拟采取的研究方法、技术路线及可行性研 究 本论文课题的特色与创新之处 研究计划和预期研究结果 选题背景p煤层顶板突水问题一直是困扰华北型煤田部分矿区煤炭工 业可持续性发展的一个水患。p煤层顶板突水具有突发性、水量大的特点，给矿井造成的 灾难是极其严重的。近年来煤层顶板突水灾害频繁发生。p 一般来讲, 顶板水害是由于采矿活动产生的导水裂隙

2、带沟 通了煤层上覆含水层,含水层水涌入矿井而造成的灾害或 恶化工作面工作条件。（1）开滦矿区构造地质和水文地质条件复杂，矿井突水类 型多，成因机制和防治方法也渐趋复杂化。 （2）在生产过程中受到煤层上覆的第四系冲击层、地表水 体和煤层顶、底板砂岩裂隙水以及底部奥陶系石灰岩岩溶 裂隙承压含水层的威胁，历史上曾发生过多种类型的突水 ，给开滦矿区煤炭安全生产造成重要影响。 （3）随着矿区开采深度的不断增大，强富水、高承压水含 水层顶底板水造成的突水威胁日趋严重。因此开展煤层顶、底板突水危险性评价研究有效遏制矿井 突水事故的发生，保障煤矿安全生产，是目前开滦矿区煤 炭生产需要的首要问题 选题背景l顶板

3、突水是威胁矿井安全生产的一个重要问题，不仅恶 化了生产环境，而且给生产带来不安全因素；l顶板涌水等级的不同，对生产的影响程度也不同，尤其 是对矿井巷道开拓布置、防排水工程的施工安排以及生 产计划调整的影响更为明显。因此，煤矿顶板涌水预测及等级评价的研究，对于预计 覆岩冒落带、导水裂隙带的高度、空间形态，掌握覆岩 的移动破坏规律及两带与上覆水体之间的联系，从而确 定煤层合理的开采上限，以达到既多采煤炭又保证安全 、合理的使用防排水费用的目的。研究意义国内外研究现状n1.GIS在矿井突水中的应用现状n2.煤层顶板突水机理及突水模型的研究 n3.煤层顶板突水的预测预报方法研究 n4.煤层顶板突水的防

4、治措施研究 1.GIS在矿井突水中的应用现状地理信息系统(GIS)是运用系统工程和信息科学的 理论,科学管理和综合分析并具有空间内涵的地理 数据,以提供对规划、管理、决策和研究所需信息 的技术系统,是综合处理和分析空间数据的一种技 术系统,是各种空间数据和属性数据的最佳载体。在煤矿的矿图管理、生产过程的监测、模拟、调 度以及灾害事故的预测预报等领域具有明显的应 用优势。本文仅就GIS在矿井突水预测预报方面的 现状作简要总结：n中南大学的谢雄刚等人确定了用虚拟GIS技术来预 防煤矿水灾事故的方法。n中国矿业大学的张海荣等人，应用分维理论对影 响顶板突水的褶曲、断层构造因素实施量化并用 于复合分析

5、。n中国矿业大学的刘小松等建立突水的概念模型， 运用 GIS的手法进行建模。n由于煤层顶板的空间分布性,具有空间信息管理和 分析功能的地理信息系统(GIS)是进行煤层顶板突 水危险性评价的理想工具。1.GIS在矿井突水中的应用现状l中国工程院院士刘天泉提出了覆岩破坏学说，认为长壁开 采后，覆岩变形特征及导水性能将上覆岩层分为“三带”， 目前国内主要以此作为研究顶板突水机理的基础。l此后山东科技大学高延法教授突破了传统的三带观念，提 出岩移“四带”模型，将基岩依其破坏后的力学结构特征划 分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲层带，进一步加深 了对顶板突水机理的认识。l有些学者还提出顶板“抽冒”理论；

6、中国科学院院士宋振骥 等提出了煤矿水害事故的预测和控制的理论及相关信息基 础，为煤矿安全高效开采及管理的信息化提供了基础。2.煤层顶板突水机理及突水模型的研究1）“上三带”理论概述n由于受埋藏深度和赋存条件限制，我国许多煤矿 开采一直受到来自第四系或其上覆含水层的威胁 ，在煤层开采后的覆岩运动和破坏特征研究方面 ，煤炭科学研究总院刘天泉院士提出了覆岩破坏 学说。根据长壁开采后覆岩变形破坏特征及其导 水性能，将上覆岩层分为“三带”，即冒落带、裂 隙带和整体弯曲下沉带。2.煤层顶板突水机理及突水模型的研究覆岩破坏分带示意图 冒落带裂隙带弯曲 带垂向裂隙离层裂 隙2）岩移四带模型理论 最下部的两侧为

7、煤柱及顶板 岩层，中部为垮落岩石和断 裂岩块，这些岩层已丧失了 结构的连续性，只对上部岩 层起支承作用，称为破裂带 ；破裂带之上，各岩层呈分层叠和 结构，彼此层面为滑动接触，垂 向各层间结构连续，各层自身的 结构连续各自独立弯曲变形，称 为离层带最上部是具有独立结构特征和力学性质 的松散冲积层，称为松散冲积层带离层带之上，各岩层层面为 原有的弹性接触，保持原有 的力学结构性质，以整体形 式弯曲下沉，称为弯曲带3）顶板“抽冒”理论n“抽冒”理论是指在回采过程中，由于断层的影响 ，使煤层局部倾角变大，变为急倾斜煤层，急倾 斜煤层开采后，采动区上边界上方的煤柱在压力 作用下破坏、片帮落入采空区，冒落

8、带和裂隙带 超过了开采上边界而发展到煤柱以内，进一步向 上发展，如果上部己经回采，就会使上部原采空 区重新扰动，形成上部抽冒 抽冒特征一般是先掉细末碎碴，继而由小往大抽冒，直到形 成冒落拱为止。当有断层破碎带切割顶板，且断层破碎带较 宽、倾角较大时，由于煤层开采的扰动，使断层活化，沿断 层破碎带也会发生抽冒，如果断层破碎带垂直矿体走向展布 ，并且直接顶板厚度较小，则断层破碎带的抽冒还会继而引 起顶板的折断垮冒，同样，当抽冒高度发展到一定高度时， 含水层中的水将和断层破碎带混合在一起，形成泥状的流体 ，溃入矿井，严重的会造成淹井以及人员伤亡。 3.煤层顶板突水的预测预报方法研究 (1)在顶板含水

9、层富水性研究方面，有传统的水文地质分析方 法，也有学者运用多源地学信息复合叠加原理； (2)在突水水源的研究上，矿井地质工作方法及矿井直流电法 ，判别分析方法，最大效果测度值法与红外测温技术 。 (3)在突水水量预测方面，现场常用的方法是类比法和大井法 ， “三图一双预测法”，模糊聚类分析法 (4)在研究覆岩空间结构对顶板含水层突水性影响研究方面， 综合物探技术，微地震定位监测技术(5)在顶板水害预测方面，刘小松、张海荣等基于GIS对东滩 煤矿顶板突水进行了预测预报。 (6)在研究手段方面，主要是相似模拟实验，其中有固体相似 模拟实验和“固一液”祸合相似模拟实验，也有数值模拟分 析，“大采高F

10、EM一NTA拟合模型”，采用应力法预测最大 导水裂隙带高度，取得了一定成果；以上的研究虽然在预测防治顶板水方面取得了一些成果和 进展，但是还不能满足煤矿生产的需要，不能解决大量的 顶板突水问题，有待于进一步的深入研究和工程实践。3.煤层顶板突水的预测预报方法研究4.煤层顶板突水的防治措施研究n目前国外防治顶板突水主要采用主动防护法，即采用地面 垂直钻孔，用潜水泵专门疏干含水层。n国外堵水截流方法也有很大发展，建造地下帷幕方法愈来 愈受到重视。n综合国外情况，国外对导水裂隙带发育规律研究不足，对 覆岩结构的分析研究不如我国。n在国内，按照突水水源的不同，我国煤矿防治水的科研人 员和工程技术人员对

11、顶板突水的突水机理、突水过程、突 水模型以及预测预报进行了比较深入的研究。目前存在的问题n煤层顶板水害预测研究的关键在于分析顶板含水层的富水性及其突水 机理，含水层的富水性取决于顶板含水层的多少及其含水裂隙空间的 发育程度。顶板突水量的大小与含水层的富水性和突水点的汇水条件 有关。含水裂隙空间的发育程度及汇水条件受地质构造影响而在空间 上变化。此外， 采矿活动改变了自然地质环境，给顶板水害预测增加 了新的不确定因素。n传统上，顶板水害预测的方法大体上可分为：条件分析法与模型拟合 法2大类。前者侧重于定性分析，即根据工作面地质、水文地质条件 的分析、对比，指出有无发生顶板突水的可能性；后者具有一

12、定程度 的定量分析，如根据 “上三带” 理论计算的冒裂带高度来评价煤层顶 板含水层水害的影响。n由于影响煤层顶板突水的因素较多且各因素之间的相互关系较为复杂 ，因此，若根据水文地质条件分析，这些因素较为明确且突水规律明 显，上述方法行之有效。但是，在矿区反映这些因素的信息(如渗透 系数 K、 单位用水量 q)很少的情况下，直接进行水文地质条件判断 比较困难。在有限的水文地质资料条件下，用传统的技术方法较为准 确、直观地确定这些因素的作用和相互关系，预测煤矿顶板水害事故 困难大、成效小。n近年来，有关 GIS 技术应用于煤矿水害的预测，则是侧重于岩溶或底 板突水的分析。特别是GIS 中复合分析方

13、法的应用, 给一些难以用数 学方法建模的地学空间信息的运算、分析、拟合提供了新的思路。n本文旨在对研究区地质和水文地质条件进行深入分析的情况下，对影 响顶板突水的关键因素作量化，应用复合分析方法，建立基于GIS的 顶板水害预测模型，定性定量的对顶板突水危险性进行评价。目前存在的问题主要内容选题目的和研究意义、国内外研究现状及 存在的问题 研究目标和内容、拟解决的关键问题 拟采取的研究方法、技术路线、及可行性 研究 本论文课题的特色与创新之处 研究计划和预期研究结果 课题研究目标和内容、拟解决的关键问题研究目标本论文课题的研究目标是以开滦矿区范各庄矿和东欢坨 矿为依托，运用煤田地质学、构造地质学

14、、岩石力学 以及地理信息系统技术等理论方法。从地质因素和采 矿因素两方面，综合分析影响煤层顶板突水的各种因 素。应用地理信息系统的多源地学信息复合叠加方法对实际 突水点进行拟合，对开滦矿区范各庄矿5煤层顶板和东 欢坨矿8煤层顶板突水危险性进行定性定量评价与预测 ，为矿井安全生产提供理论依据。课题研究目标和内容、拟解决的关键问题n研究内容n1.煤层顶板突水控制因素分析及其定量化1）煤层顶板上覆含水层富水性分析 2）导水冒落裂隙带发育高度分析3）煤层顶板隔水层强度分析4）含水层水压分析5）地质构造分析 n2.研究区煤层顶板突水危险性评价n3.基于GIS的煤层顶板突水评价模型的建立n4.煤层顶板突水

15、防治措施与技术课题研究内容1.煤层顶板突水控制因素分析1）煤层顶板上覆含水层富水性分析 上覆含水层含水量是矿井顶板涌水的物质基础。 为了预测的准确性，我们首先进行顶板富水性分 区的研究，顶板富水性分区是在确定了水的来源 和补给条件和情况下进行富水性拟合因素分析， 这需要从多方面入手，包括区域地质构造、岩性 、孔隙特性、裂隙率、钻孔测井电性曲线反算的 孔隙率、赋存条件等。n影响水体下安全采煤的首要因素是上覆水体其类型特点和 赋存条件不同对采煤的影响及威胁程度也不同。 （1）范各庄井田5煤层上覆含水层的水体类型包括5煤层顶板 砂岩裂隙承压含水层。第四系冲击层含水层，其包括潜水 层、上部砂岩含水层、

16、中部卵石层含水层以及底部卵砾石 含水层。 （2）东欢坨矿8煤层上覆含水层的水体类型：8煤层顶板上方 3070m处是5煤层顶板砂岩裂隙承压含水层，此含水层对 8煤层的开采直接造成威胁，是8煤层顶板突水的直接充水 含水层。由于5煤层顶板砂岩裂隙承压含水层以倾伏向斜的 形式下伏于第四系松散层，第四系底部卵砾石孔隙含水层 垂向补给5煤层顶板砂岩裂隙承压含水层。因此，第四系底 部卵砾孔隙含水层是8煤层开采的顶板突水间接充水水源。1）煤层顶板上覆含水层富水性分析n拟对充水含水层富水性通过研究其岩性 、构造场、渗流场、抽水试验资料、突 水事故、长观资料以及地球物理场等相 关指标进行分析，然后对富水性综合分 区 1）煤层顶板上覆含水层富水性分析2）导水冒落裂隙带发育高度分析 n在含水层与开采煤层间距一定的条件下，顶板导水裂隙带 高度的发育程度与顶板涌水量的大小有直接关系，若导水 裂隙发育高度波及水体，则会引起矿井涌水量大增；若导 水裂隙带未波及水体，但由于破坏了煤层上覆隔水层，使 导水裂隙与透水层沟通，同样会增加矿井涌水量，此