煤矿底板突水定量预警准则及预警系统研究

刘德民，尹尚先，连会青，赵东云

(华北科技学院 河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 101601)

底板突水是煤矿开采过程中遇到的最主要的水害形式之一，特别是我国华北型煤田由于受加里东运动的影响，石炭—二叠纪煤系地层直接假整合于奥陶系石灰岩或寒武系石灰岩之上，煤层开采受底板岩溶水威胁严重，且近年来随着煤矿上组煤逐渐开采枯竭而转入下组煤开采，底板防治水形势将更加严峻，很有必要开展煤矿底板突水机理及监测预警的研究，以避免或减少底板水害事故的发生[1-3]。针对以煤层底板突水机制和突水机理为基础的煤矿突水预警系统的研究，国外如日本、英国、德国等开发了相应监测传感器，利用摄影法、水质监测法及应力应变监测法等开展了采煤突水的监测预警的研究及实践，取得了较好的实用效果。我国煤炭科学研究总院早在20世纪90年代中期就研发了煤层底板突水征兆监测设备，实现了底板位移、监测钻孔水压和弹性波等的监测。中煤科工集团西安研究院，先后研发了松散层突水监测预警系统、底板突水灾害预警系统等，在全国多家煤矿开展了推广应用，并提出了当前矿井突水预警系统存在的主要问题及需要解决的关键技术[4]。华北科技学院尹尚先、王经明等也在矿井突水预警方面展开了深入研究，研发了全面监测和重点监测的预警监测布置方式和信息获取技术，提出了突水的判别标准和预警级别确定方法，开发了矿井突水监测预警硬件系统和软件系统[5-7]。尽管当前矿井突水预警系统取得了较大的突破，但仍存在一些问题亟待解决，如监测设备的稳定性与精确度有待进一步提高，监测位置精准确定评价技术还要进一步研究，特别是矿井突水预警准则即预警阈值，大多采用定性预警准则，而定量预警准则即监测指标多大时需要报警，目前还没有合适的理论、公式或者经验来确定预警阈值，为此在前人研究的基础上[8-16]，采用矿井水文地质分析、力学分析、地球物理勘探等技术手段，对煤矿底板突水预警准则及相应的监测预警技术进行了研究，对提高矿井突水预警精度及促进预警系统进一步完善具有一定的借鉴意义。

1 底板突水预警系统监测指标及布置方式

煤矿底板突水是一个复杂的非线性动力过程，在形成水灾事故之前往往有一些征兆，如：工作面压力增大，底板鼓起；工作面底板产生裂隙，并逐渐增大；沿裂隙或煤帮向外渗水，随着裂隙的增大，水量增加；底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并伴有“嘶嘶”声或刺耳水声；底板发生“底爆”，伴有巨响，地下水大量涌出，水色呈乳白或黄色等。这些征兆主要是根据现场经验总结而来，现场工作人员可以通过感官捕捉到突水征兆信息，然后结合相关生产经验对矿井突水做出预判预警。另外还有一些征兆只有通过借助相关监测设备才能捕捉到，如应力、应变的突变，水温水压异常，隔水层视电阻率变化等，这些征兆往往发生在感官突水征兆之前，因此更具突水预测预警价值。经过理论分析及现场试验，综合考虑现有测试水平及预警性能，本文选择底板隔水层电阻率、水温、水压和应力应变作为底板突水预警指标。布置方式采用全面监测与重点监测相结合的布置方式，如图1所示。

图1 底板预警系统全面监测与重点监测布置示意图

在现场布置监测设备之前，应根据预警区域的隔水层厚度、含水层水压、含水层富水性、断层、陷落柱、封闭不良钻孔等，建立底板突水评价模型，对研究区突水危险性进行分区评估，将突水危险性较小的区域划定为全面监测区域，而突水危险性较大的区域划定为重点监测区域。在全面监测区域，通过在工作面进风巷或回风巷底板每隔1～5m布置一个电极，利用井下采集主机实时采集底板隔水层视电阻率，并上传地面监测预警主机，实现底板视电阻率预警指标全面监测。重点监测区域主要是通过施工监测钻孔，并埋设传感器实现重点监测，实现实时监测重点区域的水温、水压、应力及应变，其中水温水压传感器主要埋设于目标含水层(如奥灰含水层)和采煤工作面之间的弱含水层中，具体为在钻孔底放置约20cm砂子，然后用传送杆将水压-温度传感器放至孔底，再在上面覆盖40cm砂子，再放置约40cm胶泥用探杆捣实，用于监测目标含水层的水是否向上渗透进入弱含水层。应力应变传感器主要埋设于底板完整隔水层之中，具体为在钻孔内注入40cm水泥浆，将应力应变传感器插入水泥浆内，并用传送杆控制传感器导向板与煤层巷道平行，然后用注浆管注入水泥浆，确保应力、应变传感器周围水泥浆凝结致密，用于实时监测应力、应变，并反演监测位置是否发生塑性破坏。同时，根据现场水文地质条件及巷道布置情况，也可以在重点监测区域通过加密布置电极或采煤工作面推近重点监测区域时缩短监测间隔等方法实现重点监测。

2 煤矿底板突水预警准则

突水预警准则是矿井突水预警系统发布警情的依据，是预警系统最重要的研究内容之一。在前人研究的基础上，通过调研，依据煤矿突水征兆及突水判据，提出了底板突水定性预警准则和定量预警准则两种预警准则。

2.1 底板突水定性预警准则

煤层底板突水是煤层开采过程中由于采动的影响，采场围岩的应力平衡被打破，隔水层在地下水水压及采场应力共同作用下发生变形，以致局部发生失稳破坏形成导水通道而产生集中涌水的过程，并伴有围岩应力、应变、水温、水压改变以及围岩物性电阻率变化，依据前人研究基础及监测突水征兆，制订以下定性预警准则：

1)随着工作面向监测位置推进，传感器应力、应变逐步上升，在上升的过程中如应力突然降低而应变急剧增大，则监测位置岩体发生塑性破坏，如有突水危险，则发布警情。

2)监测位置水温、水压发生变化，且有向目标水源接近的趋势，表明目标水源渗透至监测位置，存在突水危险，需发布警情。

3)隔水层底部视电阻率降低，且低阻范围逐渐扩展上移，则表明目标水源通过裂隙等通道向工作面渗流，有突水危险，需发布警情。

4)断层、陷落柱、封闭不良钻孔等导水通道在接近目标水源的部位视电阻率持续降低，且低阻范围逐步向工作面扩展，则表明在采动影响下目标含水层的水沿着导水通道向工作面渗流，需要发布警情。

上述4条预警准则特别是准则1和准则2，均只代表监测点的情况，在突水监测预警实践中应结合具体的情况，并参照工作面突水前兆信息(如片帮、挂汗、气温异常变化、底鼓等)灵活地加以应用。

2.2 底板突水定量预警准则

定量预警准则是依据煤层底板突水力学模型和煤矿安全规程、煤矿防治水细则等现行法律法规而制定的，其主控指标为煤层底板有效隔水层厚度和含水层水压。

当煤层底板隔水层较薄，与采煤工作面空间位置关系满足薄板力学模型条件时，张金才、张玉卓、刘天泉等建立了力学模型，如图2所示，并采用Ritz法进行了求解，得出了以H.Tresca屈服准则下完整底板所能承受的水压力[8]：

p1=A1(h-h1)2τ0+γh(1)

式中，p1为极限水压，MPa；h为底板隔水层厚度，m；h1为底板破坏深度，m；τ0为底板岩层平均抗剪强度，MPa；γ为底板岩层容重，N/m3；Lx，Ly分别为所研究区域的长及宽，其中，Lx=Max(Lx，Ly)，m；K1=1～2.5；v为泊松比。

图2 底板有效隔水层的力学模型

同时利用塑性理论的极限分析方法，以抗拉强度为准则，得出断层影响下底板所能成承受的极限水压P2：

p2=A2(h-h1)2St+γh(2)

式中，St为底板有效隔水层平均抗拉强度，MPa；K2=1～2.5。

也可以在含水层水压已知的情况下，结合现场调研或预计的底板破坏深度，分别利用式(1)和式(2)求解出理论有效隔水层厚度分别为Hv1、Hv2。 令理论计算得出的有效厚度记为Lv，Lv=max(Hv1，Hv2)，利用电阻率监测反演得出的工作面开采底板破坏深度为Lp，工作面距离充水水源或导水通道的实际距离为La，则监测有效隔水厚度为La-Lp，则根据监测有效厚度(La-Lp)与理论或判据有效厚度(Lv)的关系，根据现场经验及水害预警准则专家咨询和调研，将预警等级划分为蓝色预警、黄色预警和红色预警，制定预警准则及等级如下：

其中，La依据钻孔资料通过克里格插值求得；Lp根据现场预警系统监测数据求得，有两种方法：

1)视电阻率反演法：煤层开采会在底板一定范围内形成塑性破坏区，塑性破坏区形成以后其视电阻率较完整岩体会产生一定的变化，表现为视电阻率的升高或降低。一般情况下，塑性破坏区形成以后，如无地下水进入，则视电阻率较完整岩体高，反之如有地下水进入破坏区，则视电阻率将会降低。据此，利用全面监测方式实时监测底板视电阻率，通过对比分析煤层开采前后视电阻率变化范围，结合该地区水文地质条件就可以确定底板破坏深度Lp。

2)应力应变监测法：利用重点监测方式，施工监测钻孔，每隔2～5m埋设一个应力应变传感器，重点位置如经验公式计算破坏深度两侧加密埋设传感器。煤层开采过程中通过实时监测应力应变，然后利用定性预警准则1，判断各个监测位置是否发生破坏，从而可以监测得出底板破坏深度Lp。

当煤层底板隔水层较厚，不满足薄板力学模型条件，利用突水系数及其演变公式，结合现场预警经验，制订了两条定量预警准则，即底板受构造破坏块段预警准则：

底板正常块段预警准则：

3 底板预警系统结构设计

根据底板水害预警监测指标及布置方式，结合系统的功能需求，将预警系统分为井下预警指标监测系统和井上监控及警情发布系统。

3.1 井下预警指标监测系统。

井下预警指标监测系统主要实现原位预警指标监测，并实时传输至井上监控及警情发布系统，主要由本安电源、采集分站、监测设备和通讯设备。其中本安电源为整个井下预警指标监测系统提供电源，采集分站实现定时从监测设备采集预警指标并进行缓存，同时将数据采集结果上传至井上监控及警情发布系统，监测设备主要包括电法仪和传感器，其中电法仪主要是用来实时监测煤层底板视电阻率，实现全面监测，传感器主要埋设于监测钻孔中，负责监测埋设点的应力应变和水温水压，实现重点监测。通讯设备有矿用环网交换机和本安型交换机，为采集分站提供协议转换，通过光纤实现长距离传输，本安型交换机，实现电法仪与主干网之间的连接。

3.2 井上监控及警情发布系统

井上监控及警情发布系统主要实现井下预警指标监测系统数据采集及控制，并将采集数据进行处理分析，依据预警准则实现警情发布。主要有监控主机、交换机、以太网路由器和GPRS数据发送终端等组成，其中监控主机通过交换机实现与主干网连接，完成数据采集及控制，并将数据整理分析，生成警情。路由器实现监控主机与因特网连接，实现数据的及警情的远程传输及发布。GPRS数据发送终端主要实现以短信的方式将预警发送至指定的手机上。

4 底板突水预警系统现场应用

以许厂煤矿下组煤首采工作面11603为研究对象，开展了底板突水预警系统的研究。11603工作面位于1160轨道上山东北侧；工作面倾斜宽度为53m，走向长度为1080m，底板标高-387.1～-336.3m，主要充水含水层为十三灰含水层，该含水层属富水中等、侧向补给条件好的间接充水含水层，工作面内部平均厚度6.2m，上距16上煤层在20.6～35.9m，平均27.2m，水位在+3.16～-123.6m之间，平均-65.7m，单孔最大涌水量129m3/h，突水系数为0.057～0.1459，具有一定的突水危险性。为确保首采工作面的安全回采，许厂煤矿在开展十三灰疏水降压的同时，布置了底板突水预警系统。根据现场情况，在工作面运输巷距离切眼49m处开始铺设电极，电极间距1.5m，共铺设48个电极，测线长度为72m，实际监测范围为距离切眼49～79m共计30m，重点监测范围为前10m，即49～59m段。重点监测区域采用工作面推近时缩短数据采集间隔实现。由于底板隔水层较厚，不符合薄板理论要求，该地区小断层发育，构造中等，且以电法全面监测为主，因此预警准则选择定性预警准则的3和4，定量预警准则选择的公式(4)。从监测结果中选择了采前和采后代表性的成果图，如图3—5所示，图中圈定部分为重点监测区域。

图3 工作面推进至监测点前30m处视电阻率监测结果

图4 工作面推进至监测点前15m处视电阻率监测结果

图5 工作面推过监测点5m处视电阻率监测结果

在人为参与下，预警系统根据重点监测区域采前和采后视电阻率变化可以有效圈定底板破坏深度，当工作面推进至监测点30m处，重点监测区表现为低阻，此时煤层开采对该区域视电阻率近无影响，可以认为该区域初始情况下具有一定的富水性，随着工作面的推进，由于采动影响，在工作面前方产生压应力集中，岩层孔隙减小，地下水向外渗流，视电阻率有较明显的增大趋势，当工作面推过监测点时，在底板一定范围内产生了塑性破坏，所形成的裂隙为地下水的聚集提供了通道和场所，产生了地下水富集，监测结果显示为低阻，根据低阻范围系统反演出底板破坏深度Lp=13m，结合该地区地质资料，该区域隔水层厚度为29m，十三灰水压为1.323MPa，代入式(4)，符合黄色预警标准，在监测过程系统多次发布黄色警情，现场工作人员根据警情，加强了水文地质观测和十三灰疏水降压，有效保障了首采工作面安全回采。

5 结 论

1)煤矿底板水温水压、应力应变、视电阻率等突水预警指标目前均具有较准确的可测性，且其反映底板突水而产生的异常往往早于感官突水征兆，更具突水预测预警价值。依据水温水压异常、应力释放降低应变剧增、视电阻率降低等建立的定性预警准则和依据力学模型、防治水规范规定所建立的定量预警准则相结合，可以有效提高底板突水预警的准确性。

2)建立了煤矿底板突水预警指标全面监测和重点监测布置方式，提出了2种利用水害预警系统监测数据反演解算底板破坏深度的方法，开发了水害预警系统，并以许厂矿11603工作面底板突水预警为例，验证了所研发的底板突水预警技术和预警系统具有较强的实用性，可以为防止煤层底板突水提供一定的保障。