第14讲我国煤层底板突水问题的研究现状及展望

第14讲我国煤层底板突水问题的研究现状及展望煤炭科学研究总院西安分院主讲人：靳德武CCRI.XI’ANBRANCH保持煤炭资源的高效高产与可持续开发将是我国目前乃至今后相当长时期内能源开发与利用重大战略问题。但是，在煤炭资源开发中所遇到的一个重大问题是地下水涌入矿井引起的地质灾害。煤层底板突水问题的研究是保证煤炭工业可持续发展、减轻煤矿区地质灾害的一项长期的战略任务和重大课题。CCRI.XI’ANBRANCH煤层底板突水问题的历史由来华北聚煤区是国家加大开发力度的首选煤炭工业基地，全国600多处生产矿井有285处分布在这里，担负全国煤炭产量的60%以上，在能源工业中一直起着举足轻重的作用。但这一地区煤层底板保护层完整性较差，煤层下伏巨厚的奥陶系灰岩含水层，其水压、水量大，对煤炭的开采威胁程度均居于我国五大聚煤区之首。因此，煤层底板突水问题成为华北聚煤区一个重大的安全隐患，这就是煤层底板突水问题的历史由来。煤层底板突水问题的研究现状煤矿水文地质条件综合研究八十年代以后，由于政府对华北水害问题的关注，国家计委立项研究，其支持力度在水害防治史上是空前的。相应地，煤矿水文地质条件的研究进入综合性研究的新时期，各种现场测试方法相互配合和验证，提高了水患诊断的水平。值得提到的是煤炭科学研究总院西安分院研制了多种仪器和测试方法，如MTS—I型矿井突水前兆检测系统，BX—I型应力仪和DW—II型位移测量仪、SWX—I型钻孔水位遥测系统及井下电测深法等。煤炭科学研究总院西安分院的氡射气环境同位素方法查找地下水补给通道也是煤矿水文地质条件研究方法中最为突出的一种。CCRI.XI’ANBRANCH煤层底板突水预报研究50年代——提出煤层底板突水问题60、70年代——突水系数法时代，其中60年代为古典突水系数时代，70年代为修正突水系数时代80年代——岩体工程地质力学时代90年代——泛决策分析理论时代泛决策分析理论一些软科学方法如决策论、模糊数学、随机理论、信息理论、专家系统、人工神经网络、非线性科学（非线性动力学分析、突变理论、混沌学）等在处理煤层底板突水问题方面所形成的一类预测方法的通称煤层底板带(水)压安全采煤技术研究确立了煤层底板突水的类型，即通道型突水与渗透型突水；提出了带压系数和煤层底板保护层的概念突水机理研究现场试验、室内模拟研究以及理论研究是突水机理研究的三大组成部分CCRI.XI’ANBRANCH八十年代中期，作为第一期工业性试验专题研究的煤层底板突水机理相似模拟研究在我国开展起来，以峰峰矿区的小青煤层和下架煤层的开挖试验为例检验应变测量方法的适用性，同时观测顶、底板破坏情况，初步取得了一系列试验研究成果。通过探索突水机理试验模型，基本上解决了相似模拟技术应用于突水机理研究的可行性问题，为制作具有实用价值的相似模型提供了技术途径。CCRI.XI’ANBRANCH九十年代中、后期，中国矿业大学黎良杰、钱鸣高等人的相似材料模型法采用定性立体模型和平面应力模型对无断层条件和有断层条件的底板突水机理进行模拟研究，提出了煤层底板突水的关键层理论体系(KeyLayerTheorySystem)。实验结果表明：①在没有断层条件下，承压水的作用使煤层底板容易在工作面上、下出口处产生突水通道。②断层突水的实质是断层在承压水作用下断层两盘关键层向上产生张开位移，而且断层越容易产生最大张开量就越容易发生突水事故。③断层是否突水与工作面布置及推进方向有关。CCRI.XI’ANBRANCH在突水机理的理论研究方面，相继出现了“下三带说”、“强渗流说”、“岩-水应力关系说”等新理论。上述理论分别是由山东矿业学院、中国科学院地质研究所、煤炭科学研究总院西安分院与有关矿务局或生产单位共同实践的结果。CCRI.XI’ANBRANCH数据库及计算机成图技术与煤层底板突水问题相关的水文地质信息量非常大而复杂，包括钻孔柱状信息、地下水观测信息(观测网分布、运行区间、水位、水质、水量)、矿井突水信息(井下突水卡片所提供的信息)以及气象、测量、水文信息等，迫切需要建立煤矿水文地质信息处理系统，从而形成与煤层底板突水问题研究直接相关的各种平面图、曲线图、等值线图、剖面图等图表。煤炭科学研究总院西安分院、中国矿业大学、山东科技大学分别建立了具有上述功能的矿井水文地质信息系统。CCRI.XI’ANBRANCH煤层底板注浆堵水技术注浆技术用于我国水患治理至今已有40余年的历史。通过生产实践与试验研究，无论是注浆堵水先期条件勘查，还是注浆工艺、设备配套及材料试验等方面都有长足进步。80年代以来形成的连续灌注设备系统以及近年从国外引进的定向钻具，造浆设备及制备浆液的有机添加剂配方标志着我国在注浆技术硬件上有了质的飞跃。范各庄煤矿、任楼煤矿、东庞煤矿岩溶陷落柱特大突水事故注浆堵水的成功多次证明了我国煤矿水文地质工作者在治理国内外罕见突水灾害上的勇气和驾驭大型堵水工程的能力。煤层底板突水课题研究中存在的问题CCRI.XI’ANBRANCH煤矿水文地质条件与水文地质概念模型的关系由煤矿水文地质条件向水文地质概念模型之间的转变，需要应用综合水文地质分析方法这一方法的关键是解决任何煤层底板突水问题首先应当回答的边界的控水条件(边界性质、进水位置、进水量大小等)、断层的导水性等一系列重要的水文地质问题(或井田充水条件)，CCRI.XI’ANBRANCH尽快完善各类突水预测软件及测试方法，增强其功能一方面在软件所需数据的采集、过滤及数据库管理上尚有大量的工作要做；另一方面，突水预测软件应当向前发展，与水患治理的工程实践相适应，在最优化、信息化、实时控制上与地质工程学等学科同步前进。需要强调的是，突水预测仅仅是一种中间性成果，只有与带压开采、水患治理技术等协调一致才会发挥其应有的作用。因此，基于人工神经网络系统、GIS系统等的带压开采技术和水患治理技术将会具有强大的生命力。CCRI.XI’ANBRANCH在注浆堵水技术方面紧密结合水文地质条件研究，即应强调地质、水文地质分析的效用。开滦范各庄矿特大突水事故的成功治理的一个重要方面就是突出了对地质因素的分析，当然这并不是否认定量水文地质研究或模型技术的重要性，只是强调注浆技术与水文地质定性研究(概念模型)之间相互依赖的辩证关系重视材料配方研究。不断积累注浆材料的使用经验，在正交试验设计等科学方法的指导下，加强材料配方的实验室研究工作，提高注浆材料的堵水效能。煤层底板突水问题研究展望CCRI.XI’ANBRANCH煤层底板突水减灾理论的形成是其核心问题煤层底板突水问题有其自身内在规律和研究方法，属于减灾理论研究范畴，底板突水灾害的形成机制、预测预报及减灾措施(防治方法)构成煤层底板突水减灾理论的基本格架。这一理论的形成是煤层底板突水问题研究的一个新的里程碑。CCRI.XI’ANBRANCH以临突预报为中心的时间预报问题将会受到重视目前，突水监测与实时预警正在成为临突预报的研究的焦点。CCRI.XI’ANBRANCH非线性科学在煤层底板突水问题研究中有着广阔的应用前景非线性科学在近二十年中得到了飞速发展，由于它具有面向复杂现象的独特魅力及揭示研究对象深刻本质的双重特点而占据了当今工程科学领域的一席之地。国家自然科学基金资助项目“煤层底板突水的非线性动力学预测理论和预测模型研究”的完成，标志着在煤层底板突水领域拉开了非线性研究的序幕，在即将到来的新世纪，这一研究热潮还会持续相当长一段时间。CCRI.XI’ANBRANCH结束语煤层底板突水问题，无论在理论或实际应用方面尚处在不断地发展之中，还有不少问题有持进一步研究和探讨。要从根本上解决这一问题，并形成完备的理论体系应在产、学、研结合上下功夫。也只有这样，我们才能够在知识创新和技术创新方面取得更大的进展，进而形成具有中国地域特色的煤矿水害防治技术体系。CCRI.XI’ANBRANCH