浅析矿井突水的预测方法

王目军，王术睿，丁凌霄

浅析矿井突水的预测方法

王目军1，王术睿2，丁凌霄2

(1.淮北矿业股份有限公司桃园煤矿，安徽 宿州 234000;2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

近年来，矿井突水事故不断发生，严重威胁煤矿的安全生产，为了保障矿工的人身安全，达到安全、经济、高效的目的，在煤矿开采之前进行矿井突水预测很有必要，也具有显著意义。本文介绍了矿井突水预测的理论方法，如突水系数法、突水概率指数法、“下三带理论”预测法等，虽然每个理论方法都存在各自的优缺点，但是能够为突水预测提供理论的基础依据，为预防矿井突出事故提供帮助。

突水机理;突水预测理论;预测方法

近几年，矿井频繁发生各类突水事故，不仅制约了矿井安全生产，更严重的是职工的人身安全得不到保障。2010年3月28日14时30分许，山西省王家岭煤矿发生透水事故，致使百余人被困，震惊全国。为了达到安全生产的目的，保障工人的安全，在煤矿开采之前进行矿井突水预测很有必要，也具有显著意义。

1 矿井突水的发生机理

矿井充水定义为在矿井开采中，种类不同的水资源逐步流到矿井巷道空间的过程，进入到井巷内的水便成为矿井水。矿井充水不是单一的，它具有多种形式，诸如流入、淋入、滴入、涌入等，当涌入巷道的水源逐渐变大且迅猛，则定义为矿井突水［1］。矿井突水其形成过程机理很复杂，与其地质条件有很大的关联，但主要包括水源、通道以及其它影响因素三个方面。

2 矿井突水的理论

2.1 斯列萨列夫理论

我国矿井突水预测最早实施应用是从苏联引进的斯列萨列夫理论。该理论精髓就在于如何确定老顶隔水层及底板的隔水层，它们所能够承受的最大的安全水头，并采用数学的计算方法，得到数据，从而达到预测推断矿井突水的目的。

2.2 突水系数法

在20世纪六七十年代，中国的科研学者便着手研究底板突水变化的相关规律，制定底板突水的发生的标准时应用了突水系数［2］。其定义为每米隔水层最大承受水的压强值，即：

式中：

TS—突水系数;

P—水的压强，MPa;

h—隔水层厚度，m。

该理论的提出，对矿井水文的科研起到了重要的作用。

2.3 突水系数的修正法

突水系数法的公式并没有考虑到下述两点影响，一是巷道底板在围岩压力下的破坏，二是巷道底板在围岩性质的组合影响下的破坏。鉴于此，我国煤炭研究院西安分院引用了欧洲学者的观点，并且在这个基础上改进了突水系数法，并对公式进行了一系列修正，新的公式为：

式中：

h—隔水层第i分层厚度，m;

a—hi等效厚度的换算系数;

hp—底板在围岩压力下的破坏厚度，m。

因为该理论简明扼要，采用的算式简单易懂，至今仍在使用。在该理论下的统计，大部分都是断层突水，基于上述，该理论突出强调是在断裂薄弱带的突水情况。

2.4 下三带原理探测法

该理论预测方法是根据现场实际测得数据，并结合相关的相似材料模拟实验以及数值模拟实验，多方面总结提炼出来的下三带原理［3］。在这个预测法中，对底板的突水机理有两种观点：一是水的压强对底板的作用影响，其强度没有水的压强值高，从而导致了失稳现象的发生;二是水压和矿山压力共同作用下使底板含水层升高而导致的。一旦底板的含水层和导水带相互交汇，便发生了水害事故［2］。

2.5 突水概率指数法

应用赋权的方法，将影响底板突水的各种因素在底板突水中所起的作用进行定量化，通过一定的数学模型求得的总体量化指数即为突水概率指数［4］。它是结合现场实际情况，通过一系列实验研究所总结得到的。该方法最大特点就是能将其编写成计算机程序，并且在现场应用中效果理想，具有很强的可操作性。

2.6 地球物理学预测方法

1)电阻法。

a)电阻法的机理。

电阻法是研究直流电流通过地下岩层物质所产生的电阻值以及随时间的变化，通过此规律来判定不同种类物质的界面，通过测量得到的便是地电阻率剖面。

已知电源极和测点，确定好其分布方式，然后对电压值及电流值进行准确测量后，便可以通过下述公式确定它的电阻值：

因此，所得到电阻可以获得相关的信息，特别是在应力应变过程中所形成的不同的变化。

b)测量方法：在巷道中，通过钻孔后，将电极安装在钻孔的底部(0.4 ～2.1 m)，进行测量。

电阻法可采用：

①剖面法：剖面可布置在巷道的顶底板或两帮。

②差值法一般应用在老顶。

③两帮中的钻孔桩式测量。

④布置方式：对称桥式。电流为常值，测量岩石电阻的变化规律，以此构成整个测量系统。

c)处理测量数据。

2)单极－偶极电阻率法。

该方法是应用在井下掘进时超前探查。该探测法对矿井的安全起到了明显的积极作用，尤其是在探查岩体含水断层方面效果突出。

其机理见图1［5］。利用单点电源A供电，另一供电极B置于“无穷远”，测量电极为M、N。介质分布均匀的前提条件下，点电源A形成的等位面为球面，测量电极M、N所测电位差是MN之间球壳的体积范围内电位差。如果在整个球面辐射内包括了电性异常体，相应地，电阻率就会发生改变。基于此，视电阻率的变化都是在巷道的后方观测完成的，从而来判定前方地质异常体的存在。

图1 单极－偶极法测量原理图

受突水困扰的矿井，巷道掘进过程中通常要求先探后掘，以保障正常的掘进进行。常用的方法是钻孔探查。近十年来，矿井电阻率探测法对矿井的安全起到了明显的积极作用。

3)雷达法。

雷达法的机理。

当发射线圈达到数百伏电压时，就会向外射出频率在10.9～3 000.0 MHz内、时间仅为纳秒的雷达波，当雷达波射入地层中，会通过不同电性的地层界面，形成反射，从而返回到地面，并由已经在地面布置好的仪器来接受该信号。由于接收到信号时间的长短不同与波型的改变，需要通过合理的数据计算后，才能达到推测目标的大概形状。

岩体中电磁波在不同的介质下的传播特性为：

式中：

c—传播的速度;

ε—电介质常数。

如果电磁波在传播过程中遇到不同电介质的界面，则会发生反射，形成反射波。而反射波传达回的时间在已知传播速度的情况下，可对界面进行确定，例如岩体结构中的断层、裂隙、水平等［5］。

2.7 其它方法

其它方法主要有：基于GIS技术的多元信息拟合法、三图—双预测法、模糊综合评判法灰色理论法、神经元网络模型法。

尽管前人在矿井突水预测方面做了很多的工作，也提炼了丰富的理论方法，但能够真正对矿井突水预测达到很好效果的，目前还未能实现。每种方法都有其优缺点，矿井突水问题又很复杂，所以良好的效果还取决于根据实际情况进行正确的应用。

3 结束语

随着我国经济建设规模逐步加大，国家对能源的需求量日渐增多，特别是对于煤炭的需求更甚，为此煤矿的安全生产尤为重要。因此，煤矿更应重视矿井水害的防治，加强对矿井突水的预测，做到先预测预报，达到安全生产的目的。

［1］ 杨孟达.煤矿地质学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2000：222－227.

［2］ 张立新，李长洪，赵 宇.矿井突水预测研究现状及发展趋势［J］.中国矿业，2009(1)：18－19.

［3］ 李白英.预防矿井底板突水的“下三带”及其发展与应用［J］.山东矿业学院学报.1999，18(04)：8－11.

［4］ 施龙青，韩 进.底板突水机理及预测预报［M］.徐州：中国科学文化出版社，2004：87－89.

［5］ 窦林名，何学秋.采矿地球物理学［M］.中国科学文化出版，2002：123－125.

［6］ 吴 波，黄健良，王 硕.矿井突水原因及几种地球物理预测方法分析［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

王目军(1985—)，男，山东菏泽人，2008年毕业于山东科技大学，助理工程师，主要从事煤矿采矿工程(掘进)技术工作(E －mail)wsr231@126.com