[發明專利]采煤工作面頂、底板突水災害的監測預報方法及其裝置

在審

• 申請號: 201410765917.0
• 申請日: 2014-12-15
• 公開（公告）號: CN104459808A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 侯彥威;寧殿艷;王信文;程建遠;勒德武;江浩;范濤;趙兆;石顯新;魯晶津;王冰純;趙春虎
• 申請（專利權）人: 中煤科工集團西安研究院有限公司
• 主分類號: G01V3/20
• 分類號: G01V3/20
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 李罡

技術領域

本發明屬于地球物理勘探技術領域，具體涉及一種采煤工作面頂、底板突水災害的監測預報方法及其裝置。

背景技術

煤炭資源是我國主要能源之一，隨著開采設備的更新，開采量的增加，礦井的開采深度逐漸增大，來自煤層頂、底板含水層的高承壓水威脅也日益加劇，對工作面的安全回采和礦工生命安全是一種潛在的危險。

煤層頂板水包括上部煤層采空積水和含水層的水，上部采空積水可根據相關資料進行判斷，并提前疏放，而含水地層中水的賦存和強弱與地層巖性和孔隙、裂隙等的發育，以及補給源等因素有密切關系。遠距離的頂板水，因其距離較遠，定位探測和疏放均非常困難，但可通過回采過程中頂板垮落增大的原生裂隙和新裂隙導入采煤工作面；底板水多為高承壓水，在工作面開采過程中，一旦底板巖層抵擋不了底板含水層的水壓，則下面的承壓水體會發生突出，特別是在主采石炭二疊紀煤層的華北型煤田，煤層底板下方幾十米處即為含水量巨大的奧陶紀灰巖含水層，突水事故一旦發生，破壞性大，往往導致人員傷亡和財產損失。另外，水害事故也具有搶救難度大、經濟損失大、礦井恢復周期長、恢復期間安全隱患多等特點。

國內外對底板突水機理的研究較多，如相繼提出的突水系數法、“下三帶”理論、原位張裂與零位破壞理論、薄板模型關鍵層理論等。這些理論對認識和評價突水問題有重要的指導意義，但是也都有相應的缺陷，如：突水系數法所利用的參數是隔水層厚度和水壓值，參數偏少，并且只是利用局部點的信息，因而預測結果和實際情況存在著較大差別；“下三帶”理論定性分析了三帶的存在，但是對于這三帶的具體劃分和轉化關系并未定量提及，因此它只能作為一個理論存在；原位張裂與零位破壞理論從采礦學角度提出，認為礦壓、水壓聯合作用于工作面對煤層的影響范圍可分為三段，即超前壓力壓縮段、卸壓膨脹段和采后壓力壓縮——穩定段；薄板模型關鍵層理論提出了底板巖層由采動導水裂隙帶和底板隔水帶組成的概念，采用半無限體一定長度上受均勻豎向荷載的彈性解，結合Griffith強度理論和Coulomb-Mohr強度理論分別求得了底板采動影響的最大破壞深度。總之，這些理論都有很大的局限性，在實踐中很難推廣和應用。

在突水預警方面，董書寧，王經明等(1998)研制了煤層底板突水監測預報的實時監測系統，其主要監測設備為應力、應變、水壓、溫度傳感器，基于8098單片機的監測站與地面微機。通過監測水壓、水溫的變化，作為預測預報的依據，其前提是水必須流經傳感器位置；太原理工大學于2003年申請了名為“奧灰水突出的監測預報方法”的發明專利，其實施方法是利用煤層底板下的一個含水層，作為監測層，打鉆孔至該層，下套管，在孔口安裝水位傳感器、壓力表以及數據采集系統，監測水位的變化，獲得水位分布圖和突水預報結果。該發明仍需鉆孔鉆進至有水位置，或者突水必須流經該鉆孔，否則監測失效；程久龍于2006年申請了名為“基于信息融合的礦井突水預測系統”的發明專利，因未繳費終止失效；華北科技學院尹尚先于2009年申請了名為“礦井突水災害監測預警系統及其控制方法”的發明專利，其實施方法是在煤層底板易發生水害事故處施工兩個鉆孔，分別埋設水溫傳感器、水壓傳感器、應力傳感器、應變傳感器、位移傳感器組成原位測量子系統，并把數據導入預置的預警模式，以圖形曲線和數字的形式顯示出來，如果有險情就會以圖像、聲音、移動通信等多種方式發出警情；2009年劉盛東、王勃等做了“基于地下水滲流中地電場響應的礦井水害預警試驗研究”，通過建立滲流–電測模型，在滲流過程中采集電場參數試驗，以電位、電流等時線和視電阻率等時面特征為依據，發現滲流過程中自然電場在時空域均表現為上升趨勢，自然電位等時線的極值點指示滲流位置，并具有超前感應能力，實際應用過程中將測量電極布置在巷道內，回采期間工作面內部滯后出水則無法實現監測，另外，出水水壓較大時，水流速偏大，預警的時間大大縮減，甚至來不及預警。

突水災害性事故是建設安全、高產、高效礦井的攔路虎，盡管許多學者在這方面進行了不懈的努力，并針對不同的情況，提出了各種各樣的防治措施與突水預測預報理論，就其理論本身而言，相對較完善，但其應用價值受到限制，尤其是種類繁多的參數，工程中可能無法獲取或難以反映實際情況，這給現場應用帶來了困難，有的甚至根本無法使用。

對于任何一次突水災害性事故的發生都有一個過程，在其中的不同階段均會呈現不同的變化信息，及時有效的監測到這些信息，對于實現采煤工作面頂、底板突水的監測預報至關重要。成功的監測和預報，可以為排水工作和人員回撤留出時間，減小或完全避免人員傷亡及經濟損失。因此，研發一種有效實用的對采煤工作面頂、底板突水災害進行監測預報的方法，具有重要的現實意義和經濟價值。