[发明专利]煤矿老空区突水监测与判定方法

说明书

本发明公开了一种煤矿老空区突水监测与判定方法，涉及煤矿老空区的水害监测领域。老空区由于开采的影响，在其顶底板一定范围内发育塑性破坏区域，即顶板导水裂隙带和底板破坏带（深度记为h₁），当老空区下方煤层开采时所产生的顶板导水裂隙带（高度记为h₂）与上覆老空区底板破坏带之间的完成岩层（有效隔水层，厚度记为h）较薄时，在上覆岩体和老空区水压的作用下，有效隔水层可能产生塑性破坏，形成导水通道，从而引发顶部老空区积水进入下方煤层开采工作面内引发突水事故。顶板老空区有效隔水层可能发生剪切破坏或拉张破坏，所以制定了综合判据，可以较为直观的看出是否具有突水的危险性，能够反映突水发生的前兆信息。

技术领域

本发明涉及煤矿老空区的水害监测领域，具体为一种煤矿老空区突水监测与判定方法。

背景技术

据国家安全生产监督管理总局统计，煤矿水害在煤矿重、特大事故中是仅次于瓦斯爆炸的重大灾害。水害矿难不仅容易造成井下作业人员重大伤亡，而且在经济损失严重程度、事故抢险救援难度和恢复矿井生产所需时间等方面在煤矿灾害事故中最为突出。在这些水害事故中，老空区水害占较大的比例。据不完全统计，矿井恶性水害事故90％以上是由于存在老空水而引发的。老空水突水具有时间短、水量大、破坏性强等特点，极易造成重大事故，严重威胁矿井的安全生产。而且这些老空区准确位置难以考证，且由于埋藏浅其冒落裂隙可达地表，故受地表水和大气降水影响明显，导致其内积水量大，一旦发生突水会造成大量人员伤亡、且老空区内水呈酸性，这将影响隔离煤岩柱强度，且对井下设备具有强烈的腐蚀性，影响救灾的顺利进行。

基于国家现有出台的细则和要求，一定程度上规范了采空区积水的探查和防治技术、完善了老空水害防治的技术体系。一些形成年代久远的采空区积水由于资料缺失极难确定其准确位置，一些常用物探技术如瞬变电磁法、三维地震勘探等虽然各有长处，但目前仍难以获得理想效果。因此亟待开发高精度物探技术，达到理想探测效果。近年来发生多次老空区积水水害事故，其致灾机理并不完全清楚，积水量也不能准确预计，因此迫切需要开发一套老空水害远程预警系统或者监测方法，最起码可以量化的判定是否有突水危险，就可以及时掌握关键的灾害预兆和灾变信息，以便于尽早采取防治措施保证矿井安全生产。

发明内容

本发明为了解决老空区的积水准确位置难以确定、监测预警方法不够完善的问题，提供了一种煤矿老空区突水监测与判定方法。

老空区由于开采的影响，在其顶底板一定范围内发育塑性破坏区域，即顶板导水裂隙带和底板破坏带(深度记为h₁)，当老空区下方煤层开采时所产生的顶板导水裂隙带(高度记为h₂)与上覆老空区底板破坏带之间的完成岩层(有效隔水层，厚度记为h)较薄时，在上覆岩体和老空区水压的作用下，有效隔水层可能产生塑性破坏，形成导水通道，从而引发顶部老空区积水进入下方煤层开采工作面内引发突水事故；如图1所示。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种煤矿老空区突水监测与判定方法，包括如下步骤：

1)有效隔水层抗剪破坏力学模型及判据：

在水平或近水平的情况下，将老空区下方有效隔水层简化成四边固支的受均布载荷的薄板，如图2所示：

薄板上部受上部岩体的自重应力q₁和老空区水压p的作用，板的下部受下方煤层裂隙带的支撑作用q₂；对于四周固支受均布载荷q＝p+q₁+γh-q₂；

根据弹塑性力学薄板理论，有固支边界条件下有效隔水层中面的挠曲函数为：

有效隔水层的应变能为U，外力势能为V，根据理论分析及经验，取公式(1)第一项即m＝n＝1可满足现场要求，则根据最小势能原理有：