矿井水害安全评价技术(初稿)课件

矿井水害安全评价技术矿井水害安全评价技术杨国勇 副所长矿山水害防治与水资源研究所资源与地球科学学院中国矿业大学目录n矿井水害安全评价的依据与内容n矿井水害类型n矿井突水危险性评价n矿井涌（突）水量评价n结论与展望1 矿井水害安全评价的的依据与内容n依据依据煤矿安全评价导则煤安监技装字2003114号煤矿安全评价目的与基本原则为了贯彻“安全第一，预防为主”的方针，提高煤矿的本质安全程度和安全管理水平，减少与控制煤矿建设项目和煤矿生产中的危险、有害因素，降低煤矿生产的安全风险，预防事故发生，保护建设单位和煤矿的财产安全及人员的健康和生命安全。1 矿井水害安全评价的的依据与内容n依据依据阶段评价n煤矿建设项目安全预评价n煤矿建设项目安全验收评价n煤矿安全现状综合评价4、识别煤矿生产中的危险、有害因素，确定其危险度；5、评价生产系统和辅助系统，明确是否形成了煤矿安全生产系统，对可能的危险、有害因素，提出合理可行的安全对策措施及建议。1 矿井水害安全评价的的依据与内容n依据依据煤矿安全评价程序前期准备；前期准备；危险、有害因素识别与分析；危险、有害因素识别与分析；划分评价单元；划分评价单元；现场安全调查；现场安全调查；定性、定量评价；定性、定量评价；提出安全对策措施及建议；提出安全对策措施及建议；作出安全评价结论；作出安全评价结论；编制安全评价报告；编制安全评价报告；安全评价报告评审等。安全评价报告评审等。1 矿井水害安全评价的的依据与内容n水害安全评价水害安全评价是危险的、有害的因素，需要识别与分析；是危险的、有害的因素，需要识别与分析；水害影响因素需要定性、定量评估；水害影响因素需要定性、定量评估；需回到以下问题：需回到以下问题：n突水危险？如何定性、定量评估水害危险与水害规模突水危险？如何定性、定量评估水害危险与水害规模n避免水害？防治水技术避免水害？防治水技术评价内容评价内容n水害（突水）危险性评价水害（突水）危险性评价n水害预防与治理技术经济评价水害预防与治理技术经济评价(灾前预测、灾后评估灾前预测、灾后评估)2 矿井水害类型n水害概念水害概念矿井水害矿井水害地表水、地下水、老窑水等以不同的形式进入井下，并对矿井安全生产或经济效益产生不良影响的现象。包括：突水、涌水、淋水、漏水、积水、酸性水等。矿井突水矿井突水在未能预见的情况下，矿井充水水源通过一定的通道，突然涌入矿井而产生的出水事故。特点：存在通道，有充水水源，不可预见性2 矿井水害类型n我国水害分区1 华北区华北区：石炭、二叠岩溶裂隙水水害2 华南华南区区：晚二叠统岩溶水水害3 东北区东北区：侏罗系裂隙水水害4 西北西北区区：侏罗系裂隙水水害5 藏藏滇区滇区：中生界裂隙水水害6 台湾区台湾区：第三系裂隙孔隙水水害我国矿井水害主要分布在华北和华南两大区2 矿井水害类型n我国水害分区华北区华北区：石炭、二叠岩溶裂隙水水害为突水特大事故多发区。特点：水害事故频繁，突水量大，淹井事故多，承担巨额排水费用。华南区华南区：晚二叠统岩溶水水害区特点：突水频繁，突水量大，常影响矿井生产，承担巨额排水费用。2 矿井水害类型n我国水害分区东北区东北区：侏罗系裂隙水水害主要为砂岩裂隙水，特点：一般不影响生产，局部水害严重，有时淹井。西北区西北区：侏罗系裂隙水水害特点：水害集中于浅部，地表水影响大，但该区缺水严重，多研究保水采煤问题。2 矿井水害类型n我国水害分区藏滇区藏滇区：中生界裂隙水水害特点：水文地质条件简单，水害影响不严重，煤炭储存量仅占全国总量的0.1%，主要研究露天矿问题。台湾区台湾区：第三系裂隙孔隙水水害特点：水害不多，水害影响不严重。2 矿井水害类型n矿井水害类型划分矿井水害类型划分划分标准 按突水水源、突水通道、来水方向等突水水源地表水突水松散层孔隙水突水砂岩裂隙孔隙水突水基岩裂隙水突水岩溶水突水老空水突水2 矿井水害类型n矿井水害类型划分矿井水害类型划分突水通道断层突水岩溶陷落柱突水钻孔突水采动裂隙突水采动垮落突水来水方向顶板突水底板突水2 矿井水害类型n矿井水害类型划分矿井水害类型划分其它按采掘工作阶段，分掘进突水与回采突水；按突水点与煤层相对位置，分顶板突水、底板突水；按突水与采掘活动时间差，分即时突水与滞后突水；按突水点水量大小，分小型突水(Q60m3/h)、中等突水(Q=60m3/h600m3/h)、大型突水(Q=600m3/h1800m3/h)和特大型突水(Q1800m3/h)2 矿井水害类型n矿井充水影响因素矿井充水影响因素水源水源通道通道其它影响因素其它影响因素1.大气降水大气降水2.地表水地表水3.地下水地下水孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水4.老窑水老窑水1.断裂构造断裂构造2.岩溶陷落柱岩溶陷落柱3.构造和地震裂隙构造和地震裂隙4.采动裂隙采动裂隙5.导水钻孔导水钻孔6.岩溶塌陷和天窗岩溶塌陷和天窗1.含水层富水性及补给含水层富水性及补给条件条件2.边界条件边界条件3.地质构造地质构造4.地形条件地形条件5.隔水层隔水层6.地下水动态类型地下水动态类型2 矿井水害类型n矿床充水强度分析矿床充水强度分析矿床开采后矿井充水强度除取决于充水含水层的富水性、导水性、厚度和分布面积外，还取决于以下3个因素：充水含水层出露和接受补给源的条件；充水含水层侧向边界的导水与隔水条件；矿层顶、底隔水岩层的隔水条件。3 矿井突水危险性评价n规定规定要求内容要求内容从矿井水文地质类型划分、水文地质补充调查与勘探、矿井防治水、井下探放水、水体下采煤、露天煤矿防治水、水害应急救援等方面都做了明确的要求。矿井水文地质类型划分矿井水文地质类型划分n规定规定要求内容要求内容矿井水文地质类型划分要求有区域水文地质内容；矿区所处水文地质单元或地下水系统名称、范围、边界；地下水补给、径流、排泄条件；强径流带展布规律及岩溶泉群流量等。资料是矿井水害安全评价的基础。3 矿井突水危险性评价n规定规定要求内容要求内容水文地质补充调查与勘探n水文地质补充调查n地面水文地质观测n井下水文地质观测n水文地质补充勘探（地面、井下）资料是矿井水害安全评价的基础。3 矿井突水危险性评价n规定规定要求内容要求内容防隔水煤(岩)柱留设(附录3 的9种)煤层露头防隔水煤(岩)柱含水或导水断层防隔水煤(岩)柱煤层与强含水层或导水断层接触防隔水煤(岩)柱煤层位于含水层上方且断层导水时防隔水煤(岩)柱水淹区或老窑积水区下采掘时防隔水煤(岩)柱保护地表水体防隔水煤(岩)柱保护通水钻孔防隔水煤(岩)柱相邻矿(井)人为边界防隔水煤(岩)柱以断层为界的井田防隔水煤(岩)柱3 矿井突水危险性评价n规定规定要求内容要求内容导水裂缝带最大高度经验公式法、现场实测法、数值模拟法3 矿井突水危险性评价n规定规定要求内容要求内容导水裂缝带最大高度n经验公式法3 矿井突水危险性评价n规定规定要求内容要求内容安全隔水层厚度与突水系数(附录4)3 矿井突水危险性评价n规定规定要求内容要求内容安全水头压力(附录5)3 矿井突水危险性评价262024/7/92 评价的技术手段与方法突水危险性评价方法n层次分析法n多源信息复合技术n底板突水的“脆弱性指数法”n“三图双预测法”n模糊数学法n灰色理论模型法n神经网络模型法3 矿井突水危险性评价n突水危险性评价方法层次分析法多源信息复合技术顶板突水的“三图双预测法”底板突水的“脆弱性指数法”模糊数学法神经网络模型法突水水源判别n层次分析法建立层次结构模型构造判断矩阵和标度求解判断矩阵最大特征根及其相对应的特征向量层次单排序及其一致性检验层次总排序层次总排序的一致性检验准则层同目标层之间判断矩阵的建立层次总排序没有探水(C9)探堵不成功(C10)防水闸门失效(C11)=补救措施不力(C12)泵管失修(C7)工人不知道出水征兆(C13)水仓未清理(C6)电力不足(C8)设计不合理(C2)=开采煤岩柱(C3)含水层或老空富水(C5)断层富水(C1)地表积水(C4)。n多源信息复合技术资料收集与整理数据信息预处理建立突水模式进行预测分区n多源信息复合技术影响因素与量化火成岩因素量化存在取1无取0采厚顶板隔水层厚度n多源信息复合技术建立突水模型n多源信息复合技术划分突水预测分区n顶板突水的“三图双预测法”顶板冒裂安全性分区图顶板冒裂安全性分区图顶板含水层富水性分区图顶板含水层富水性分区图 顶板突水条件综合评价分区图顶板突水条件综合评价分区图n顶板突水的“三图双预测法”天然状态下工作面涌水量预测天然状态下工作面涌水量预测人为改造状态下工作面涌水量预测人为改造状态下工作面涌水量预测底板突水的“脆弱性指数法”底板突水的“脆弱性指数法”n脆弱性指数法采用的基本模型就是将具有强大空间信息分析处理功能具有强大空间信息分析处理功能的的GISGIS与可确定底板突水多种主控因素权重系数的信息融合耦合于一体的评价模型，即式中：VI煤层底板突水的脆弱性指数；Si第i个主控因素对底板突水的“贡献”或相对权重；Ii 第i 个主控因素归一化后的无量纲值。GIS专题图 图2.2 构造密度构造密度专题层图图2.3 隔水隔水层等效厚度等效厚度专题层图图2.4 充水含水充水含水层水水压专题层图图图2.5 奥灰古奥灰古风化壳厚度化壳厚度专题层图图2.6 含水含水层富水性富水性专题层图图2.7 断断层断距断距专题层图 图图2.8 矿压破坏破坏带以下脆性岩厚度以下脆性岩厚度专题层图图2.9 本溪灰岩厚度本溪灰岩厚度专题层图应用非用非线性性ANN方法，根据已知突水方法，根据已知突水样本，本，对模型模型进行行训练，确定确定8 8个因素的个因素的权重系数，建立底板突水重系数，建立底板突水评价的脆弱性指数价的脆弱性指数模型。模型。+底底 板板 突突 水水 脆脆 弱弱 性性 分分 区区 图图（2）奥灰水压专题图奥灰水压专题图构造密度专题图构造密度专题图奥灰含水层富水性专题图奥灰含水层富水性专题图+本溪灰岩厚度专题图本溪灰岩厚度专题图奥奥灰灰上上部部古古风风化化壳壳厚厚度度量量化化专专题题图图断层断距专题图断层断距专题图矿矿压压破破坏坏带带以以下下脆脆性性岩岩厚厚度度量量化化专专题题图图隔水层等效厚度量化专题图隔水层等效厚度量化专题图4 矿井涌（突）水量评价n地下水运动定律Darcy定律定律多孔介质的压缩理论多孔介质的压缩理论质量守恒定律质量守恒定律4 矿井涌（突）水量评价n含水介质性质4 矿井涌（突）水量评价n含水介质性质4 矿井涌（突）水量评价n矿坑涌水量正常涌水量一般指平水期和枯水期的涌水量。最大涌水量指雨季期间的最大涌水量。井巷工程涌水量矿坑疏干排水量矿坑突水量4 矿井涌（突）水量评价n定量评价方法水文地质比拟法n(1)降深比拟法n(2)采面比拟法n(3)单位采长比拟法n(4)采面采深比拟法富水系数法相关分析法稳定流解析法(大井法)非稳定流解析法数值法 n水文地质比拟法(1)降深比拟法(2)采面比拟法n水文地质比拟法(3)单位采长比拟法 (4)采面采深比拟法n富水系数法n相关分析法一种数学统计法，利用抽水、放水、矿井排水和水位等实测资料，找出涌水量与水位降深、开采面积、地表水补给和大气降水补给等因素之间的相关关系，建立相应回归方程，推算预测未知矿坑涌水量。回归方程Qs曲线 已知某矿区多年排水量与主要充水含水层水位下降值，利用相关因素统计分析法分析建立矿区排水最与水位降深之间的相关函数关系，并预测当水位降深达到24m与26m时，矿区所需的总排水量。n相关分析法Qs曲线 n稳定流解析法(大井法)n稳定流解析法(大井法)n非稳定流解析法n非稳定流解析法数值法数值法 自自从从地地下下水水非非稳稳定定运运动动理理论论问问世世以以来来，解解地地下下水水运运动动问问题题的的解解析析方方法法有有了了很很大大的的发发展展，并并且且被被广广泛泛地地应应用用到到生生产产实实践践中中去去。但但是是一一般般说说来来，解解析析方方法法只只适适用用于于含含水水层层几几何何形形状状简简单单，并并且且是是均均质质、各各向向同同性性的的情情况况，因因而而限限制制了了它它的的应应用用范范围。围。然然而而，实实际际的的水水文文地地质质条条件件往往往往是是比比较较复复杂杂的的，如如含含水水层层是是非非均均质质的的，含含水水层层的的厚厚度度随随坐坐标标而而变变化化，隔隔水水底底板板起起伏伏不不乎乎，边边界界形形状状不不规规则则，边边界界条条件件复复杂杂，地地下下水水的的补补给给来来源源除除侧侧向向补补给给外外还还存存在在垂垂向向补补给给，由由于于抽抽水水而而使使含含水水层层中中的的一一部部分分承承压压水水转转变变为为无无压压水水等等等等。对对于于这这样样的的地地区区，用用解解析析法法求求解解就就很很困困难难，甚甚至至暂暂时时无无法法解解决决，或或者者即即使使得得到到了了解解析析表表达达式，仍难以进行通常的数值计算。式，仍难以进行通常的数值计算。数数值值法法为为研研究究这这类类问问题题开开辟辟了了新新的的途途径径，它它和和电电字字计计算算机机结结合合起起来来可可以以解解决决很很多多过过去去难难以以解解决决的的复复杂杂问问题题。因因此此，它它能能够够使使所所考考虑虑的的数数学学模模型型更更接接近近于于实实际际的的水水文文地质条件。地质条件。数数值值法法本本身身是是一一种种求求近近似似解解的的方方法法。但但应应指指出出，实实际际工工作作中中所所碰碰到到的的问问题题往往往往只只要要求求得得到到具具有有一一定定准准确确程程度度的的近近似似解解。当当近近似似解解的的近近似似程程度度能能满满足足实实际际工工作作的的精精度度要要求求时时，这这种种近近似似解解的的价价值值显显然然是是毫毫不不低低于于严严格格的的精精确确解解（解解析析解解）的的。更更何何况况数数值值法法能能使使所所考考虑虑的的数数学学模模型型更更接接近近于于实实际际的的水水文文地地质质条条件件，而而解解析析法法在在这这点点上上是是难难以以做做到到的的。而而且且严严格格说说来来，在在推推导导基基本本微微分分方方程程时时，已已经经作作了了一一些些简简化化和和假假定定，由由于于定定解解条条件件本本身身也也或或多多或或少少地地有有一一定定的的近近似似性性，所所以以，所所谓谓严严格格的的精精确确解解其其实实也也还是近似的。还是近似的。在在水水文文地地质质计计算算中中常常用用的的数数值值法法有有有有限限差差分分法法和和有有限单元法等。限单元法等。示例n矿区水文地质概念模型与数学模型水文地质概念模型计算范围和边界条件的概化；含水层结构的概化；含水层水力特征的概化。水文地质数学模型与水文地质概念模型对应n矿区水文地质概念模型与数学模型数值模型有限差分法与有限元法。参数反演与边界条件n某矿区地下水系统断层导水的突水量预测数值模拟断层导水的突水量预测数值模拟断层突水特征：断层突水特征：（1）多数情况下是由于断层缩短了煤层与含水层之间的距离所致。（2）突水位置多为正断层上盘。因为在正断层的上盘开采时，产生的矿山压力作用于断层面使裂隙产生剪切运动，而下盘开采产生的矿山压力对断层面没明显的影响。（3）断层的交汇处或尖灭端极易发生突水。断层的交汇处和尖灭端是应力集中的地段，导致裂隙发育，易发生突水。（4）小断层密集带是易发生突水的部位。大断层派生的小断层导致裂隙发育，有利于导水通道的形成，易诱发突水。（5）突水水源多为高承压的岩溶裂隙水。（6）在长时间的矿压作用下，不导水的断层（带）可能活化，使导水裂隙沟通含水层造成滞后突水。断层导水的突水量预测数值模拟断层导水的突水量预测数值模拟断层导水的突水量预测数值模拟断层导水的突水量预测数值模拟断层导水的突水量预测数值模拟断层导水的突水量预测数值模拟图1 地层剖面示意图断层导水的突水量预测数值模拟断层导水的突水量预测数值模拟图1 地层剖面示意图断层导水的突水量预测数值模拟断层导水的突水量预测数值模拟图1 地层剖面示意图断层导水的突水量预测数值模拟断层导水的突水量预测数值模拟图1 地层剖面示意图断层导水的突水量预测数值模拟断层导水的突水量预测数值模拟图1 地层剖面示意图软弱覆岩环境下突水软弱覆岩环境下突水图1 地层剖面示意图结论与展望新的探测技术获取可靠的水文地质参数结论与展望新的探测技术获取可靠的水文地质参数测试应变仪与探头结论与展望新的探测技术获取可靠的水文地质参数模型化方法与软件应用nModflownFeflownGMS