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1、中国矿井水害防治 新理论与技术,施龙青 教授、博士生导师 山东科技大学,1 中国煤矿水害现状,地表水体水害事故 4.9% 冲积层水水害事故1.4 % 砂岩类含水层水害事故1.4% 灰岩类岩溶水水害事故92.3%,底板突水机理 研究历史及现状,早在20世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用 40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念。 60年代至70年代，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水层厚度的概念列入矿业安全规程 70年代至80年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时，研究了底板的破坏机理,我国在底板突水规律研究方面起始于60年代， 70年代中期，
2、国家派科技人员去匈牙利考察， 70年代后期，修改了原有的突水系数概念，并应用于实践。 80年代开始，以煤炭科学研究总院西安分院、山东科技大学(原山东矿业学院)及煤炭科学研究总院特采所为代表，不仅各自独特的理论，而且具有一个完整的研究梯队。 目前，我国防治水的研究工作处于世界领先地位。,关于突水系数,T=P/M T=P/(M-C),关于突水理论,“下三带”理论 “下三带”的理论观点最早是由原山东矿业学院、井陉矿务局、峰峰矿务局等一批科技人员在实践中提出的，并在实践中进行应用和发展，最后由山东科技大学的一批科研人员完善和发展 底板破坏带；完整岩层带；承压水导高带。,原位张裂与零位破坏理论 煤炭科学
3、总院北京开采所王作宇、刘鸿泉提出 板模型理论 煤科总院北京开采所刘天泉院士，张金才等 关键层理论 中国矿业大学钱鸣高 院士 “四带”理论 施龙青,3 底板突水及水害防治研究存在的问题,底板突水机理理论研究方面 “下三带”理论理论基础为弹性力学理论；为浅部开采理论 底板突水的预测预报方法 一直束缚于“突水系数”的概念,造成这种局面的原因主要有两点： 一是人们对深部煤层开采突水机理研究的认识不足。 二是研究人员受到专业限制。,4 突水类型的划分,地表水害 老窑水害 老空水害 底板水害 顶板水害,底板水害类型,5 采场底板 “四带”划分理论,1)第带（h），矿压破坏带是指矿山压力对底板的破坏作用显著
4、，底板岩石的弹性性能遭到明显伤失的层带。其特点为：岩石处于粘弹性状态；各种裂隙不仅交织成网，而且惯通性好、导水性能很强；岩层的连续性彻底破坏，完全伤失了隔水能力；承压水沿该带突出所消耗的能量仅仅用于克服突水通道中的沿程阻力。,2)第带（h2）, 新增损伤带是指受矿山压力破坏的影响作用明显，岩石弹性性能发生了明显改变的层带。其特点为：底板岩层的原有抗压强度明显降低，但岩层的弹性性能尚未完全伤失，即岩石乃处于弹性状态；岩层的原有裂隙得到了明显地扩展，但尚未相互贯通；岩层具有一定的连续性和隔水能力；承压水要沿该带突出，其消耗的能量主要用于贯通裂隙。,3)第带（h3）, 原始损伤带是指不受矿山压力破坏
5、作用的影响或影响甚微，岩石弹性性能保持不变的层带。其特点为：岩石保持原有弹性性能；岩层内的裂隙保持原先的非相互贯通状态；岩层的连续性和隔水能力良好；底板水要沿该带突出，其消耗的能量主要用于破坏岩石及贯通裂隙。,4)第带（h4）, 原始导高带是指不受矿山压力作用的影响，并发育有承压水的原始导高的层带。其特点为：因水化学作用，岩石处于弹塑性、塑性状态；裂隙发育差参不齐，并已成为突水通道；岩层的连续性差；底板水从该带突出只需克服沿程阻力。,各带厚度的确定,矿压破坏带,新增损伤带,原始导高带及原始损伤带,底板破坏型突水条件,1)若h30，则不突水； 2)若h30，h2，且P(1-D)，则突水； 4)若
6、h3=0，h20，则突水。,“四带”理论应用 断层防水煤柱留设,6 物探技术在煤矿水害防治中的应用,一、电法勘探的分类,瞬变电磁法,瞬变电磁原理 瞬变电磁分类 瞬变电磁探测深度 瞬变电磁应用,瞬变电磁探测深部奥灰水,以新汶潘西矿为例,地面物探工作,地面物探工作采用了瞬变电磁探测法，使用仪器为PEOTEM 67D瞬变电磁探测系统。 历时40余天 共完成瞬变电磁测线23条，剖面总长35.77km。完成瞬变电磁探测点774个 质量符合煤田电法勘探规范(MT/T898-2000)要求。,工作量完成情况统计表,瞬变电磁设计图,成果验证,探测成果得到4196工作面井下放水钻孔验证，效果较好 。施工成功的奥
7、灰放水孔单孔涌水量最大达260m3/h时，钻孔总放水量达400m3/h以上,水压有明显下降。,奥灰顶面下10m富水区分布图,奥灰顶面下30m富水区分布图,奥灰顶面下50m富水区分布图,物探工作取得的主要成果,查明了后四采区煤层底板岩层的富水性，基本查明了后六采区煤层底板岩层的富水性。 绘制了19层底板徐灰、奥灰顶面下10米、下30米、下50米及下100米富水性评价图 划分出徐灰富水8个异常区；奥灰顶面下10米12个富水异常区；奥灰顶面下30米10个富水异常区；奥灰顶面下50米12个富水异常区；奥灰顶面下100米12个富水异常区。,后四、后六富水异常区统计表,基本查明了边界断层的含、导水性。找出
8、了可能存在的导水通道2处 对后六石门沿线岩层的富水性进行了探查，基本查明了岩层富水性,成果创新,应用电磁法探测技术解决大深度灰岩水探测，在国内处于领先地位；在新汶矿区乃至全国受水威胁矿区的灰岩水富水性探测具有极大的推广应用价值。,利用多种技术手段（瞬变电磁、井下高密度电法、钻探等）对底板富水性、边界条件及地下水径流带进行探查，利用现场实测和室内模拟方法进行底板破坏规律研究，利用深降强排方式进行高水压条件下奥灰水防治，在国内外处于领先地位。对类似条件矿区的煤炭资源开发中具有重要的指导意义。,瞬变电磁探测顶板水,以新汶华丰矿为例,地面物探工作,地面物探工作采用了瞬变电磁探测法，使用仪器为PEOTE
9、M 67D瞬变电磁探测系统。 历时20余天 共完成瞬变电磁测线35条，剖面总长25.15 km。完成瞬变电磁探测点361个 质量符合煤田电法勘探规范(MT/T898-2000)要求。,工作量完成情况统计表,物探工作取得的主要成果,对测区4煤顶板富水性做了整体评价，又依据于本次瞬变电磁勘探的资料和以往地质、水文资料对测区做出水文分区。 测区内自西向东4煤层顶板富水性逐渐减小，存在有阶梯状的变化趋势。可以对整个测区划分为四个水文分区。,对测区底砾岩富水性做了整体评价，又依据于本次瞬变电磁勘探的资料和以往地质、水文资料对测区做出水文分区。 测区内自西向东底砾岩富水性逐渐减小，同样存在有阶梯状的变化趋
10、势。 测区底砾岩的富水性变化趋势同煤系地层砂岩的富水性变化趋势总体一致，反映了岩层中原始裂隙比较发育,影响砾岩电阻率的主要因素有岩性、胶结物、粘土含量及水。依据于“高阻里面找低阻的原则”，对瞬变电磁勘探的资料和以往地质、水文资料对测区不同层位的含水层相互联系进行了分析。得出一个重要结论：在电阻率等值线出现“顶牛”部位，往往是砾岩和煤系地层含水层相互发生水力联系的部位。,联系通道：裂隙通道、断层、采后斑裂线。因此含水层之间即有垂向联系，又有斜向和横向联系。 物探资料反映了原始的沉积环境特征为：西部是上游，东部是下游，砾石成分是西高东低，且越往东部粘土含量越高。,三维网络电法 探测工作面底板水,以
11、新汶孙村矿为例,孙村矿41119工作面平面图,沿工作面斜长每个10m剖面图,不同深度水平切面图,网络电法 动态监测工作面底板水,以良庄矿为例,良庄煤矿51302工作面 网络电法动态监测系统,项目的研究内容,网络电法动态监测的关键技术研究； 网络电法动态监测的实现； 工作面三维动态监测与处理解析系统的编制； 工作面底板破坏的动态变化规律； 工作面底板涌（突）水过程动态监测,技术方法的研究及仪器技术改造,自2004年3月份，开始着手该项目技术方法的研究和仪器设备的改造工作。3月7月，完成了课题考察、调研、论证，具体设计出了网络电法动态监测系统，为在51302面进行实地应用进行了各项准备工作，包括电
12、缆的设计、定购，仪器的改进，处理软件的编制及完善等工作。 4月15日完成仪器设备及电极电缆购置，改装及改造工作，4月21日仪器及专用电缆和电极到位。,电极、电缆的安装和井下探测工作,电极电缆的安装和采前探测工作于6月18日19日进行并完成，6月20日进行了第1次（采前）探测，效果较好。经探测，该方法对于扫描底板岩层电性情况较为有效，对底板采动破坏反映也较好。 7月4日进行了第二次探测，资料处理后，进行了对比，找出一些规律。 7月14日、27日进行了第三、四次探测。8月5日工作面突水，当日进行了第五次探测，8月7日进行第六次探测。,月日底板情况,月日底板破坏情况,月日底板破坏情况,月日底板破坏情
13、况,8月5日底板破坏情况,8月7日底板破坏情况,主要成果,解决了网络电法动态监测系统的关键技术，包括系统仪器、电缆电极制作、数据采集方法、资料处理方法等方面，建立了工作面网络电法动态观测系统； 实现了工作面网络电法动态监测；包括底板破坏的动态变化、底板涌（突）水过程监测，突水通道的查找等。 实现了工作面三维电法探测、完成了资料处理解析系统的编制； 数据采集使用了四极、三极、工作面偶极等3种采集方式，观测断面15条，采集数据点11000多个,项目的主要特色与创新点、 推广应用前景,解决了网络电法动态监测系统的关键技术，包括探测仪器、数据采集、探测方法、处理软件等一系列技术，尤其是工作面偶极（暂名）探测方法为国内外首创； 实现了对工作面底板采前、采中、采后的观测，监测时间、密度可根据需要随时调整；尤其是采后底板（采空区底板）的监测为国内外首创,工作面三维电法探测技术为国内外首创，处理解析系统为国内首创。 实现了工作面底板破坏的动态变化监测及工作面底板涌（突）水过程动态监测。 该项技术是地球物理勘探中的常规电法勘探、高密度电法勘探技术的延续与创新。对于底板破坏动态发展过程、底板水情变化的监测具有明显的效果。在受底板水威胁的矿区，具有广阔的推广应用前景。,谢 谢！ 联系方式 13789879107(青岛) (0532)6057150 (青岛) 13953807693(泰安) ,
