华北型煤田矿井突水机理及预警技术——以赵庄矿为例

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文华北型煤田矿井突水机理及预警技术——以赵庄矿为例学院：地球科学与测绘工程学院学号：WBP090101016Q作者：刘德民学科专业：地球探测与信息技术导师：曹代勇教授2015年6月中图分类号：P642密级：公开单位代码：11413博士学位论文中文题目：华北型煤田矿井突水机理及预警技术——以赵庄矿为例英文题目：MechanismofWater-InrushandEarlyWarningTechnologyinNor

2、th-China-TypeCoalfield:ACaseStudyofZhaozhuangMine作者：刘德民学号：WBP090101016Q学科专业：地球探测与信息技术研究方向：地学信息系统导师：曹代勇职称：教授论文提交日期：2015年4月15日论文答辩日期：2015年6月6日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）摘要随着开采深度和强度的增加以及下组煤的大规模开发，华北型煤田开采条件日趋复杂多变，水压、地应力和水温不断增大，矿井突水灾害问题更加突出，突水频率和突水强度不断加大，急需矿井突

3、水灾害监测预警技术对矿井突水进行适时监测和预警，确保煤矿安全回采。目前国内外对矿井水害监测预警技术进行了一定的研究，但很多理论技术还不成熟，特别是突水判据和预警准则等更是处于探索阶段需要进一步系统研究。本文以赵庄煤矿和矿井水害监测预警系统为主要研究对象，针对研究区主要水害类型突水机理及力学判据、矿井突水监测预警模式、监测预警指标体系、预警准则以及矿井突水监测预警关键技术展开了相关研究工作，在此基础上，设计研发了矿井突水监测预警系统，并在赵庄煤矿5303工作面展开了现场应用。1.分析了赵庄煤矿矿井水文地质条

4、件，确定了主要突水类型。赵庄矿主采煤层3＃和15＃煤主要受峰峰组灰岩水、太原组灰岩水、山西组砂岩裂隙水、下石盒子组K8砂岩裂隙水等水源的影响，矿井导水通道主要有断裂构造、陷落柱、封闭不良钻孔、顶底板导水裂隙带，主要突水类型有封闭不良钻孔突水、断层突水、陷落柱突水、采空区突水和底板突水。2.研究总结了封闭不良钻孔突水、断层突水、陷落柱突水、采空区突水和底板突水等突水机理，总结提出了相应的突水判据。利用厚壁圆筒理论，提出了封闭不良钻孔侧壁突水力学模型，得出了封闭不良钻孔侧壁突水的主要影响因素：采场破坏范围、孔

5、径、孔内水压、围岩力学性质等，建立了封闭不良钻孔侧壁突水判据。揭示了断层在采动影响下活化机理，提出了断层活化影响因素：断层的富水性、断层倾角、断层带特性、断层所处的位置等，建立了断层活化判据及突水判据。系统研究了老空区突水模式及突水机理，分别建立了顶板有效隔水层抗剪破坏力学模型、顶板有效隔水层抗拉破坏力学模型、邻近老空区突水力学模型，提出了顶板老空区和邻近老空区突水判据。总结了前人关于陷落柱突水和底板突水机理的研究成果，给出了研究较为成熟的突水判据。3.提出了监测预警指标体系和矿井突水监测预警模式。综合考

6、虑预警指标的易获取性和可预警性，结合现场实践经验，提出了矿井预警监测指标，主要包括：隔水煤岩柱电阻率、矿井水温水压、岩层的应力应变和常规水化学指标，其中常++2+2+-2--规水化学指标包括TDS、Na+K、Ca、Mg、CL、SO4、HCO3、PH等水化学指标。并根据监测指标将水害预警划分为物理预警模式和化学预警模式，制订了隔水层电阻率参数动态全面监测和关键部位单点多参数监测的现场实时监测方式，提出了物理预警模式和化学预警模式监测预警原理及方法。I4.提出了矿井突水灾害监测预警准则关键参数有效隔水煤岩柱厚

7、度的实时监测反演方法。综合分析了煤层开采隔水煤岩破坏带在有地下水参与和无地下水参与两种情况下视电阻率变化规律，提出了利用视电阻率实时监测反演采动破坏范围的方法，即分析对比采前、采中和采后隔水煤岩柱视电阻率变化趋势，判读隔水煤岩柱破坏范围，然后求取效隔水煤岩柱厚度，该方法得到了现场验证。5.研究了关键监测预警位置确定的方法，开发了基于GIS组件和ANN耦合技术的关键监测预警位置确定的系统软件。提出了关键监测位置确定评价指标体系主要包括：充水水源水压、水量、防隔水煤岩柱厚度、断层影响指数、陷落柱影响指数和封闭

8、不良钻孔影响指数，构建了断层影响指数、陷落柱影响指数和封闭不良钻孔影响指数计算公式，并利用所建立的突水判据，提出了影响指数计算公式中相关参数的求解方法，得出了所有评价指标的量化方法。研发了基于GIS组件和ANN耦合技术的关键监测预警位置确定的系统，系统分为6个子系统：地图控制子系统、地图显示输出子系统、地图辅助工具子系统、数据库管理子系统、信息检索子系统、预测分析子系统，该系统能够利用GIS强大空间分析功能和ANN强大非线性功