[发明专利]采煤工作面顶、底板突水灾害的监测预报方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，具体涉及一种采煤工作面顶、底板突水灾害的监测预报方法及其装置。

背景技术

煤炭资源是我国主要能源之一，随着开采设备的更新，开采量的增加，矿井的开采深度逐渐增大，来自煤层顶、底板含水层的高承压水威胁也日益加剧，对工作面的安全回采和矿工生命安全是一种潜在的危险。

煤层顶板水包括上部煤层采空积水和含水层的水，上部采空积水可根据相关资料进行判断，并提前疏放，而含水地层中水的赋存和强弱与地层岩性和孔隙、裂隙等的发育，以及补给源等因素有密切关系。远距离的顶板水，因其距离较远，定位探测和疏放均非常困难，但可通过回采过程中顶板垮落增大的原生裂隙和新裂隙导入采煤工作面；底板水多为高承压水，在工作面开采过程中，一旦底板岩层抵挡不了底板含水层的水压，则下面的承压水体会发生突出，特别是在主采石炭二叠纪煤层的华北型煤田，煤层底板下方几十米处即为含水量巨大的奥陶纪灰岩含水层，突水事故一旦发生，破坏性大，往往导致人员伤亡和财产损失。另外，水害事故也具有抢救难度大、经济损失大、矿井恢复周期长、恢复期间安全隐患多等特点。

国内外对底板突水机理的研究较多，如相继提出的突水系数法、“下三带”理论、原位张裂与零位破坏理论、薄板模型关键层理论等。这些理论对认识和评价突水问题有重要的指导意义，但是也都有相应的缺陷，如：突水系数法所利用的参数是隔水层厚度和水压值，参数偏少，并且只是利用局部点的信息，因而预测结果和实际情况存在着较大差别；“下三带”理论定性分析了三带的存在，但是对于这三带的具体划分和转化关系并未定量提及，因此它只能作为一个理论存在；原位张裂与零位破坏理论从采矿学角度提出，认为矿压、水压联合作用于工作面对煤层的影响范围可分为三段，即超前压力压缩段、卸压膨胀段和采后压力压缩——稳定段；薄板模型关键层理论提出了底板岩层由采动导水裂隙带和底板隔水带组成的概念，采用半无限体一定长度上受均匀竖向荷载的弹性解，结合Griffith强度理论和Coulomb-Mohr强度理论分别求得了底板采动影响的最大破坏深度。总之，这些理论都有很大的局限性，在实践中很难推广和应用。

在突水预警方面，董书宁，王经明等(1998)研制了煤层底板突水监测预报的实时监测系统，其主要监测设备为应力、应变、水压、温度传感器，基于8098单片机的监测站与地面微机。通过监测水压、水温的变化，作为预测预报的依据，其前提是水必须流经传感器位置；太原理工大学于2003年申请了名为“奥灰水突出的监测预报方法”的发明专利，其实施方法是利用煤层底板下的一个含水层，作为监测层，打钻孔至该层，下套管，在孔口安装水位传感器、压力表以及数据采集系统，监测水位的变化，获得水位分布图和突水预报结果。该发明仍需钻孔钻进至有水位置，或者突水必须流经该钻孔，否则监测失效；程久龙于2006年申请了名为“基于信息融合的矿井突水预测系统”的发明专利，因未缴费终止失效；华北科技学院尹尚先于2009年申请了名为“矿井突水灾害监测预警系统及其控制方法”的发明专利，其实施方法是在煤层底板易发生水害事故处施工两个钻孔，分别埋设水温传感器、水压传感器、应力传感器、应变传感器、位移传感器组成原位测量子系统，并把数据导入预置的预警模式，以图形曲线和数字的形式显示出来，如果有险情就会以图像、声音、移动通信等多种方式发出警情；2009年刘盛东、王勃等做了“基于地下水渗流中地电场响应的矿井水害预警试验研究”，通过建立渗流–电测模型，在渗流过程中采集电场参数试验，以电位、电流等时线和视电阻率等时面特征为依据，发现渗流过程中自然电场在时空域均表现为上升趋势，自然电位等时线的极值点指示渗流位置，并具有超前感应能力，实际应用过程中将测量电极布置在巷道内，回采期间工作面内部滞后出水则无法实现监测，另外，出水水压较大时，水流速偏大，预警的时间大大缩减，甚至来不及预警。

突水灾害性事故是建设安全、高产、高效矿井的拦路虎，尽管许多学者在这方面进行了不懈的努力，并针对不同的情况，提出了各种各样的防治措施与突水预测预报理论，就其理论本身而言，相对较完善，但其应用价值受到限制，尤其是种类繁多的参数，工程中可能无法获取或难以反映实际情况，这给现场应用带来了困难，有的甚至根本无法使用。

对于任何一次突水灾害性事故的发生都有一个过程，在其中的不同阶段均会呈现不同的变化信息，及时有效的监测到这些信息，对于实现采煤工作面顶、底板突水的监测预报至关重要。成功的监测和预报，可以为排水工作和人员回撤留出时间，减小或完全避免人员伤亡及经济损失。因此，研发一种有效实用的对采煤工作面顶、底板突水灾害进行监测预报的方法，具有重要的现实意义和经济价值。