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1、国家重点基础研究发展计划 （973 计划） 课题任务书项目名称： 煤矿突水机理与防治基础理论研究课题编号： 2007CB209406 课题名称： 矿井突水的水量预测理论与方法中华人民共和国科学技术部制2007-71 一、研究内容本课题主要围绕该项目拟解决的第三个科学问题“ 矿井突水预测与控制的基础理论与方法” ，重点通过地下水运动规律及开采条件下含水层渗透性能变化规律研究， 建立主要矿井突水模式的突水的水量预测模型，为矿井突水的定量预测和突水防治提供可靠依据。1天然条件下导水构造的渗流特征围绕矿井突水的含导水构造，以主要充水含水层发育及地下水赋存运动规律为基础，重点研究华北型煤田底板奥陶系的岩
2、溶空间特征演化及地下水运移概念模型，通过数值模拟及典型矿区的现场试验，取得主要含导水构造的地下水运动参数；改进天然流场条件下水量计算方法，建立若干典型矿区地下水数值模拟模型和水量预测模型。2 开采条件下突水通道类型及渗流特征在采动岩体结构破坏与裂隙演化研究的基础上，根据矿井突水导水结构模式，概化突水通道类型及特征； 以渗流突变理论为基础， 分析导水构造水文地质参数的变化规律， 重点阐明采动导水裂隙带的地下水流特征；通过模拟分析， 得出导水通道内水流运动特征。 选取典型突水案例， 反演不同导水通道类型水量计算参数。3 矿井突水的水量预测模型及计算方法通过理论分析、 数值模拟和突水实例测试分析，
3、分别建立天然采动耦合通道条件 下矿井突水水量的预测模型；重点研究若干主要突水模式的突水水量计算的方 法， 初步形成基于岩溶 裂隙介质水流模型的矿井突水水量预测的基础理论和方 法，为矿井突水预测的定量评价和进一步深入研究提供基础。2 二、预期目标本课题预期研究目标为：（1） 阐明天然条件下矿井主要充水含水层发育及赋存规律，分析含导水构造的水文地质参数的时空分布特征；（2） 实验测试与现场实测相结合， 揭示不同岩性层在不同围压条件下渗流性能；（3） 调查研究开采条件下不同突水通道的类型及分析研究其中的地下水运动特征，划分导水通道类型；（4） 建立不同类型导水通道的水文地质-采动概念模型，部分上升为
4、物理模型和数学模型；（5） 建立不同富水性含水层和不同导水通道的突水水量预测的数值模型，筛选和构建突水量预测的指标体系；（6） 提出突水水量预测计算方法，选择典型矿区验证计算方法的有效性；（7） 在国内外高水平学术期刊发表论文18-20 篇（其中 10-13 篇 SCI、EI收录论文），出版专著2-3 部，申请发明专利2-3 项；（8） 培养博士生 3-5 名、硕士生 20 名。3 三、研究方案及技术路线1、总体研究思路应用水文地质学、数学、力学理论，进行野外地质调查和现场试验、观测、测试；室内完成不同岩性不同围压条件下岩石全应力-应变过程的渗透性实验、破碎岩体渗流实验，获得不同岩性、不同围压
5、条件下渗透系数；结合数值模拟、物理模拟、现场测试等手段及地质调查评价和预测技术，提取天然条件下导水构造的渗流特征，针对开采条件下不同突水通道类型及涌水规律，建立相应的矿井突水的水量预测模型并提出计算方法，为突水防治提供理论和技术基础依据。2、技术路线提取不同含水层的水文地质参数以确定含水层的富水性及其空间分布规律，分析隔水层不同厚度与岩性构成以确定突水通道类型及其演化规律，研究突水通道几何形态以确定过水的流态、水断面及变化，概化突水通道的地质-采矿模型，建立数学模型和相关的指标体系。矿井突水的水量预测理论与方法主要研究内容导水构造天然渗流特征突水通道类型及演化规律突水量预测模型及计算方法理论分
6、析实验测试现场试验与观测数值模拟与物理模拟主要研究方法含水构造天然渗流参数4 3、研究方案（1）理论分析：用水文地质学理论对现场资料进行分析，确定含水层富水性的空间展布规律、天然导水构造的形成、演化、分布规律，用岩石力学和渗流理论分析各岩层岩石的渗流特性、突水通道的演化及突变特征、突水量预测模型和方法（2）现场试验与室内实验测试： 测试含水层水文地质参数以确定突水的物资基础水的赋存状况，测试导水通道渗流参数以确定突水通道的水动力学类型和突水形式。（3）数值 -物理模拟：研究天然流场、突水后流场变化、导水通道及流态变化规律和特征，与现场试验共同检验、修正突水量预测的理论与方法的正确性。4、组织分
7、工中国矿业大学负责室内实验取样、加工与测试及相应辅助设备的试制，矿井突水案例调查及突水通道类型划分，研究不同突水通道类型的水动力特征，建立突水量预测的系列模型及相关指标体系，对比研究不同岩层渗透性能与埋深（围压）的关系。中国煤田地质总局负责野外水文地质参数的试验、收集与整理， 野外试验方法及试验辅助设备的试制并获得发明专利，含导水构造渗透能力的空间分布与时间演化规律的研究5、可行性分析本课题各参加单位是我国从事矿井突水防治和水资源评价与开发研究工作的主要力量，拥有全国现已获取的突水防治和煤田水资源勘探与开发的相关资料，对我国矿井水防治和水资源利用基本状况和开发存在的关键科学问题认识清晰，研究积
8、累深厚。在前期研究实践中，逐步明确了解决关键科学问题的学术思路，并提出了主线清晰、目标明确、重点突出、内容适度、操作性强的研究方案。课题组成员与世界上主要矿井水防治与水资源研发机构有着广泛的合作与交流，了解本领域及相关领域的国际前缘动态。5 中国矿业大学是国家自然科学基金委员会和教育部重点支持开展深部资源开发研究的研究群体单位，拥有目前国内唯一的“煤炭资源与安全开采”和“深部岩土力学与地下工程”等两个国家重点实验室和“煤矿瓦斯治理”国家工程研究中心，研究力量和技术装备雄厚。中国矿业大学是我国煤田地质、采矿工程、工程力学等专业人才培养的重要基地，在国内外采矿与安全工程以及煤田和煤矿地质研究中有重
9、要影响。中国煤炭地质总局是一支拥有地质测量、煤田地质、水文地质、工程地质、环境 与灾害地质、钻探、地球物理勘探、遥感、测绘及地理信息系统开发、计算机应 用、测试化验、 制图印刷等专业的综合地质勘查研究队伍。主要承担煤炭资源勘 探、煤矿床水文地质与煤矿区水源勘探、煤层气和煤系共伴生矿产等方面工作。 掌握了我国煤炭资源的基本情况，并馆藏了全国50 年来煤炭地质资料，拥有一 大批煤炭地质勘查专家。6 四、年度计划年 度研究内容预期目标第一年（1）对典型矿区进行取样测试不同围压不同岩性破裂和破碎岩体的渗透性能，（2）水文地质勘探信息和各类地质资料的收集整理，（3）调查全国典型突水案例，并进行初步分析研
10、究。（4）岩石渗透性辅助设备的试制（1）初步揭示部分典型矿区不同围压破裂岩体和破碎岩体渗透性变化规律（2）形成对全国含隔水层渗透性能空间展布规律的整体认识（3）完成渗透性实验辅助设备的试制第二年（1）野外试验辅助材料的加工与改进（2）继续进行取样测试不同围压不同岩性破裂和破碎岩体的渗透性能，（3）典型矿区水文地质现场试验，求取水文地质参数， 修正含导水体渗透性能分布规律的认识（4）室内渗透性能测试结果与现场渗透性能参数分布状态进行对比研究（1）揭示全国具有代表性的典型矿区不同围压破裂岩体和破碎岩体渗透性变化规律（2）寻求不同深度渗透性能与围压的关系（3）初步划分导水通道类型。7 年 度研究内容
11、预期目标第三年（1） （4）天然导水通道扩展演化分析与模拟研究（2）采动裂隙渗流演化与突变的模拟研究（4）继续进行典型矿区水文地质现场试验，求取水文地质参数（1）初步揭示突水过程中的天然成 因导水通道演化规律 （2）采动裂隙渗流演化与突变特征 与突变判据的建立（3）修正含导水体渗透性能分布规律的认识第四年（1）天然-采动耦合成因通道的演化特征分析（2）研究不同导水通道类型突水的 动力学特征 （3）建立天然、采动成因突水通道 的突水量预测模型（1）天然-采动耦合成因通道的演化 规律 （2）初步总结不同导水通道类型的 动力学特征 （3）典型矿区天然突水通道突水量 预测与验证第五年（1）建立天然 -
12、采动耦合成因突水量 预测模型 （2）结题报告及相关资料的整理和 撰写（1）典型矿区采动裂隙突水通道突 水量预测与验证 （2）典型矿区天然 -采动耦合裂隙突 水通道突水量预测与验证 （3）提交结题报告及相关资料8 五、科学数据汇交计划本课题科学数据分两次汇交：随同项目中期研究报告，首次提交科学研究数据；随同项目结题研究报告，第二次提交科学研究数据9 六、课题承担人员负 责 人姓名性 别身份证号码专业 技术 职务单位每年工作 时间(月) 签字刘树才男320311631001121 教授中国矿业大学6 参 加 人 员王佟男130403590517213 教授中国煤炭地质总局6 白海波男3203031
13、96002282433 教授中国矿业大学6 崔若飞男320311541002123 教授中国矿业大学6 刘盛东男340403196212251458 教授中国矿业大学6 沈智慧男220104196303052633 教授中国煤炭地质总局6 刘志新男34222219760527281X 讲师中国矿业大学8 杨国勇男32031119661010127X 副教授中国矿业大学3 郭英海男320311196307111256 教授中国矿业大学3 孙玉臣男132430196102091432 高级工程师中国煤炭地质总局3 白喜庆男130403630427211 高级工程师中国煤炭地质总局3 于景 邨男32
14、0311660215125 高级工程师中国矿业大学3 石少州男130402621005180 高级工程师中国煤炭地质总局3 研 究 生姜志海男博士研究生中国矿业大学6 胡博女博士研究生中国矿业大学6 沈玉林男博士研究生中国矿业大学6 李建慧男硕士研究中国矿业大学6 10 生赵贤任男硕士研究生中国矿业大学6 刘鑫铭男硕士研究生中国矿业大学6 陈酩知男硕士研究生中国矿业大学6 邢涛男硕士研究生中国矿业大学6 孟茜女硕士研究生中国矿业大学6 刘娟女硕士研究生中国矿业大学6 游奔男硕士研究生中国矿业大学6 11 七、签字盖章及意见课题负责人签字：我将严格遵守 973 计划项目和经费管理的各项规定， 根据本课题任务书，按计划组织课题组开展研究，确保完成课题研究计划，实现预期目标。课题负责人（签字）：年月日12 课题承担单位盖章：我单位严格遵守973 计划项目和经费管理的各项规定， 对参加研究的人员给予各方面的保障和支持，对课题的研究工作和经费使用进行监督，确保本课题顺利、圆满完成预期目标。负责人（签字）：（单位盖章）年月日13 项目首席科学家意见：首席科学家（签字）：年月日
