煤层底板突水突变模型

煤层底板突水评价方法煤层底板突水评价方法是一种新型的地质勘查方法，它可以有效地识别煤层底板的水位变化状态。

通过对煤层底板地质情况、水文特征及其变化规律的研究，可以准确地确定煤层底板突水的时间和位置。

煤层底板突水评价方法具有以下优点：1.及时准确。

煤层底板突水评价方法可以及时准确地识别煤层底板的水位变化状态，为抗突水措施的采取提供有力的技术支撑。

2.有效预测。

煤层底板突水评价方法不仅能够及时准确地识别煤层底板的水位变化状态，同时还可以有效预测煤层底板突水的时间和位置，从而帮助采矿工作者提前采取防御措施，降低采矿风险。

3.高精度。

煤层底板突水评价方法能够提供高精度的评估结果，可以更准确的了解煤层底板的水位变化及其变化规律。

4.灵活性强。

煤层底板突水评价方法可以根据实际情况进行调整，具有较强的灵活性，可以满足不同地质环境的要求。

煤层底板突水评价方法主要包括三个步骤：1.煤层底板地质勘查。

首先，对煤层底板进行细致的地质勘查，包括煤层底板的厚度、煤层底板材料的类型、煤层底板与上部岩层之间的界面形态以及煤层底板与下部岩层之间的界面形态等。

2.水文特征评价。

其次，根据煤层底板地质情况，对煤层底板的水文特征进行评价，如水位变化幅度、水位变化趋势、水位变化周期等，以及影响煤层底板水位变化的因素，如地下水渗透性、底板渗透性等。

3.煤层底板突水预测。

最后，根据煤层底板的水文特征及其变化规律，建立相应的煤层底板突水预测模型，可以准确地预测煤层底板突水的时间和位置。

煤层底板突水评价方法是一种新型的地质勘查方法，它可以有效地识别煤层底板的水位变化状态，及时准确地预测煤层底板突水的时间和位置，为抗突水措施的采取提供有力的技术支撑，有效降低采矿风险。

基于GIS的煤层底板突水预测理论模型
石秀伟;胡耀青;张和生
【期刊名称】《太原理工大学学报》
【年(卷),期】2008(000)0S2
【摘要】以分析煤层底板水文地质条件、突水因素,突水机理为切入点,介绍了应用GIS技术进行煤矿底板突水预测的方法和步骤,并以太原东山煤矿为例,建立了预测煤层底板突水的多因素突水模式,对突水危险性进行了预测分区,取得了较好的效果,为煤层底板突水预测预报提供了一条新的途径。

【总页数】1页(P)
【作者】石秀伟;胡耀青;张和生
【作者单位】太原理工大学矿业工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TD74
【相关文献】
1.基于二项logistic回归模型与CART树的煤层底板突水预测 [J], 刘再斌;靳德武;刘其声
2.GIS在刘桥二矿煤层底板突水预测中的应用 [J], 汪茂连;李定龙
3.煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅴ:基于GIS的ANN型、证据权型、Logistic 回归型脆弱性指数法的比较 [J], 武强;张波;赵文德;刘守强
4.基于GIS保德煤矿8煤层底板突水危险性评价 [J], 周露;刘启蒙
5.基于GIS的煤层底板突水预测 [J], 高卫东;渠立权
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煤层底板突水危险性评价的RS-GSVM模型路亚彬;马良俊【摘要】针对煤层底板突水危险性评价存在影响因素多、样本数量少的问题,提出了一种粗糙集(Rough sets,RS)融合支持向量机(Support vector machine,SVM)的煤层底板突水危险性评价模型(RS-GSVM模型).该模型通过RS对初选的6项属性指标进行冗余约简,得到4项核心影响属性指标,并收集了对应的20组样本数据作为训练样本.以煤层底板突水危险性情况作为模型的输出值,采用径向基函数(Radial basis function,RBF)作为核函数,同时利用遗传算法(Genetic algorithm,GA)对SVM模型的关键参数进行了优化,经参数寻优和学习样本训练最终得到优化后的RS-GS-VM评价模型.利用RS-GSVM模型对5组典型工作面的突水数据进行了测试,并与GSVM、PNN等模型的评价结果进行了对比分析,结果表明:RS-GSVM模型精简了输入维数并提高了有效样本数量比例,评价精度和运行效率较GSVM、PNN模型均有所提高,泛化能力更强.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2018(034)001【总页数】5页(P90-94)【关键词】煤层突水;危险性评价;粗糙集;支持向量机;径向基函数;遗传算法【作者】路亚彬;马良俊【作者单位】北京中安科创科技发展有限公司;北京中安科创科技发展有限公司;中国安全生产科学研究院【正文语种】中文随着矿井开采深度和强度不断加大，煤层底板突水问题日益严重，因突水灾害造成的矿井人员伤亡和经济损失一直居高不下[1]。

因此，如何快速、准确地预测矿井突水，对于保障矿山安全生产意义重大。

经典的矿井突水预测方法和理论有突水系数法[2]、“下三带”理论[3]、脆弱性指数法[4]等，该类方法和理论对于有效开展矿井突水灾害防治工作发挥了积极作用。

近年来，随着各领域研究工作的交叉性、耦合性愈发凸显，一些学者将模糊数学[5]、聚类分析[6]、证据理论[7]等方法创新性地应用于矿井突水预测领域，大大丰富了该领域的理论研究成果，为高效开展井下涌水防治工作拓宽了思路。

煤层底板突水理论现状研究我国的煤炭资源的开采受水害威胁严重，尤其是随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大，来自底部灰岩发育的裂隙岩溶高承压水的威胁日趋严重，煤层底板在采动的影响下其破坏也日趋加剧，许多矿井突水事故与之密切相关。

矿井突水机制是一个涉及采矿工程、工程地质、水文地质、岩体力学、岩体水力学、渗流力学等多门学科的理论课题，弄清楚突水理论机制对于防范底板突水以及底板岩层控制与管理具有重要的理论意义和实际应用价值。

2.底板突水理论研究2.1底板相对隔水层[1]早在20世纪初，欧洲的一些学者就注意到煤矿开采过程中底板隔水层的作用，并从若干次底板突水资料中认识到，只要煤层底板有隔水层，突水次数就少，突水量也小，隔水层越厚则突水次数及突水量越少。

20世纪40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出“底板相对隔水层”的概念。

他指出，煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压力有关。

突水条件受相对隔水层厚度的制约。

相对隔水层厚度是等值隔水层厚度与水压力值之比。

同时提出，在相对隔水层厚度大于1.5m/atm的情况下，开采过程中基本不突水，而80%～88%的突水都是相对隔水层厚度小于此值。

由此，许多承压水上采煤的国家引用了相对隔水层厚度大于2m/atm就不会引起煤层底板突水的概念。

这期间前苏联学者B.斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁，并结合强度理论，推导出底板理论安全水压值的计算公式。

20世纪70年代至80年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时，研究了底板的破坏机理。

其中最有代表性的是C.F.Santos(桑托斯)，Z.T.Bieniawski(宾尼威斯基)。

他们基于改进的Hoek-Brown岩体强度准则，引入临界能量释放点的概念分析了底板的承载能力。

2.2突水系数理论我国的底板突水规律研究始于20世纪60年代，当时注意到匈牙利底板相对隔水层理论在实践中的应用，在焦作矿区水文地质大会中，以煤科总院西安勘探分院为代表，提出了采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准。

《邯邢矿区深部开采煤层底板突水规律及灾变模式研究》篇一一、引言随着我国经济的飞速发展，对煤炭资源的需求持续增加。

特别是在煤矿开发的主要地区如邯邢矿区，煤炭开采活动愈发深入地下。

随之而来的是，煤炭开采所引发的各种地质问题也愈发严重，其中，煤层底板突水成为了亟待解决的重大难题。

本研究针对邯邢矿区深部开采过程中出现的煤层底板突水问题，进行突水规律及灾变模式的研究，以期为矿区安全生产提供理论依据和决策支持。

二、邯邢矿区概况邯邢矿区位于华北平原地区，煤田储量丰富，地质构造复杂。

该区域深部煤炭资源在开发过程中，经常出现煤层底板突水现象，给矿工生命安全及矿井生产带来极大威胁。

因此，研究该区域的突水规律及灾变模式具有极其重要的现实意义。

三、煤层底板突水规律研究1. 突水影响因素分析突水现象的频繁发生受多种因素影响，包括地质构造、地下水压力、采煤方法等。

其中，地质构造是影响突水的主要因素之一。

在邯邢矿区，断层、裂隙等地质构造发育，为地下水的渗透提供了通道。

2. 突水规律总结通过长时间对邯邢矿区的观测与记录，发现底板突水现象呈现出一定的规律性。

突水主要发生在特定类型的地质构造附近，如断裂带、褶皱区域等。

此外，随着开采深度的增加，突水的规模和频率也有所增加。

四、煤层底板突水灾变模式研究1. 灾变模式分类根据突水的特点及原因，将煤层底板突水灾变模式分为自然型和人为型两大类。

自然型突水主要由地质因素引起；人为型突水则与采煤方法、开采强度等因素有关。

2. 灾变模式分析自然型突水往往具有突然性、不可预测性等特点，给矿井安全带来极大威胁。

人为型突水则与采矿活动密切相关，不当的采煤方法和过度的开采强度都可能诱发突水事故。

五、防治措施与建议针对煤层底板突水问题，提出以下防治措施与建议：1. 加强地质勘探工作，准确掌握矿区地质构造情况，为安全生产提供可靠的地质资料。

2. 优化采煤方法，减少对底板的破坏，降低突水的可能性。

3. 建立完善的监测系统，实时监测地下水压力、水位等参数，及时发现异常情况并采取措施。

煤层底板突水机理的初步探讨1、以位于永夏煤田的新桥井田为例，系统总结了研究区煤层底板的水文地质结构特征以及水文地质条件的区块化特征，阐明了底板岩层厚度、岩层强度（含岩性）以及岩层组合关系的空间差异性。

2、提出了研究区底板水文地质结构的“三层段”划分方法，并以此将研究区煤层底板隔水层划分成四类结构模型；在此基础上，探讨了岩层厚度、岩层强度（含岩性）以及岩层组合关系对底板采动破坏及阻隔水能力的定性与定量影响。

3、基于底板岩层的抗破坏能力（强度比值系数）、阻隔水能力（质量比值系数）以及隔水层厚度等关键因素，提出了综合反映底板岩层结构组合关系的“结构比值系数”概念以及底板阻隔水能力的定量计算与评价方法，为定量评价煤层底板的阻隔水能力奠定了方法基础。

徐智敏，男，1981年6月生，四川简阳人，中共党员，副教授，博士生导师，中国矿业大学水文与水资源系主任。

主持国家自然科学基金项目2项、国家“973”计划项目子课题1项、国家重点研发计划项目子课题2项、企业横向课题25项。

在国内外学术期刊上发表论文40余篇（SCI、EI检索20余篇），授权国家发明专利5项，获省部级科技进步奖12项，出版专著3部。

研究方向矿井水害防治、地下水科学与工程、矿井水污染防控理论与技术主要成果长期从事矿井水害监测预报与防治方面的基础理论与实践研究，尤其在西部矿区含水介质条件与水动力学特征、西部干旱半干旱矿区水资源保护性开采、大型地表水体下采煤、高承压底板水上采煤、闭坑矿井水害形成机制与绿色关闭等方面取得了诸多创新性成果，获得多项专利，发表多篇高水平论文，为我国煤矿的安全、高效生产以及“绿色闭坑”提供了有力的水文地质技术保障。

主持的“衰老矿区松散含水层下残煤资源安全回收上限关键技术与应用”获2021年度中国煤炭工业科技进步一等奖。

《邯邢矿区深部开采煤层底板突水规律及灾变模式研究》篇一一、引言随着煤炭资源的不断开采，深部矿井的开采已成为煤炭工业发展的重要方向。

然而，深部矿井的开采面临着诸多挑战，其中煤层底板突水是威胁矿井安全的重要问题之一。

邯邢矿区作为我国重要的煤炭产区之一，其深部开采过程中也面临着底板突水的风险。

因此，研究邯邢矿区深部开采煤层底板突水规律及灾变模式，对于保障矿井安全和促进煤炭工业的可持续发展具有重要意义。

二、研究背景及意义邯邢矿区地处华北地区，地质构造复杂，煤层赋存条件多变。

随着矿井向深部开采，地应力增大，煤层底板岩层的稳定性变差，突水事故频发。

因此，研究邯邢矿区深部开采煤层底板突水规律及灾变模式，有助于深入了解矿区地质条件，预测和防范突水事故，提高矿井安全水平，保障矿工生命财产安全。

同时，对于指导煤炭资源开发利用、推动煤炭工业的技术进步和可持续发展也具有重要意义。

三、研究方法与数据来源本研究采用文献综述、现场调查、实验室测试、数值模拟等方法，结合邯邢矿区的地质资料和开采数据，进行系统研究。

首先，通过文献综述了解国内外煤层底板突水的研究现状和趋势；其次，对邯邢矿区进行现场调查，了解矿区地质条件和开采情况；然后，通过实验室测试获取岩层物理力学参数；最后，利用数值模拟软件对煤层底板突水过程进行模拟，分析突水规律和灾变模式。

四、煤层底板突水规律分析通过对邯邢矿区深部开采煤层底板突水现象的分析，发现突水主要受地质因素和开采因素影响。

地质因素包括地层结构、岩性、地质构造等，开采因素包括开采深度、开采方法、支护方式等。

在多种因素的综合作用下，煤层底板岩层的稳定性逐渐降低，当达到一定限度时便发生突水。

突水过程具有突发性、瞬间性、灾害性等特点，对矿井安全和生产造成严重影响。

五、灾变模式研究根据数值模拟结果和现场调查数据，将邯邢矿区深部开采煤层底板突水灾变模式分为以下几种：1. 断裂型突水：在地质构造断裂处，由于岩层破碎、裂隙发育，底板岩层失去支撑，发生突水。

煤层底板突水的数值模拟试验及其工程应用长期以来，煤层底板突水一直是严重影响我国煤矿资源安全开采的一个主要因素。

煤层底板突水是涉及地质学、煤矿开采学、岩体水力学和岩石断裂力学等学科的一个复杂问题。

本文首先分析了影响煤层底板突水的主要因素，包括开采矿压、承压水和地质构造等，通过分析找出影响煤层底板破坏、形成突水通道及发生突水事故的主要因素。

然后，利用由西安科技大学刘怀恒教授等开发并经改进后的有限元计算程序NCAP-2D-w对煤层底板突水进行多方案的数值模拟
试验研究。

主要内容包括： (1)考虑在承压水不变的条件下，设
计不同裂隙分布状态，探讨单裂隙、多裂隙、不同长度裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙顶部破坏的影响； (2)考虑承压
水的变化，分别考虑单裂隙和多裂隙两种分布状态，探讨裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙底部破坏的影响。

通过分析受采动荷载、岩层结构变化、煤层底板中裂隙分布状态及承压水变化等因素影响的数值试验，获得了随开采工作面不断推进煤层底板破坏区的发展、突水导升高度的递增、突水通道的形成等相关规律。

最后，结合淮北杨庄矿某工作面实际工程情况，对其开采过程进行数值模拟，并对其开采过程中是否会发生突水做出预测，预测结果与现场实测数据符合很好。

《煤层底板突水量的距离判别分析预测方法》
1.突水量判别分析
2.煤层底板岩溶管道的距离预测模型
根据近几年所做课题进行探索和研究,并在煤矿实际工作中应用和验证。

建立了基于煤层、底板岩石参数综合评价指标的距离预测模型。

模型表明:不同埋藏条件下各种底板突水类型有其特定的侵入范围;通过计算和对比分析,得到了比较合理的结论是:
①突水量距底板管道孔隙顶部越远,危害性就愈小(即密度梯度大);②相邻煤层间的突水量平均值随埋深增加而减少;③不同煤层之间的隔水能力存在差异,突水高点一般位于强含水层内侧或者厚煤层顶界附近。

《邯邢矿区深部开采煤层底板突水规律及灾变模式研究》篇一一、引言随着我国经济的持续发展和工业的日益兴盛，煤炭资源的开采工作逐步深入至地下深处。

邯邢矿区作为我国重要的煤炭产区之一，其深部开采的煤层底板突水问题，已经成为矿区安全生产中的一大挑战。

本文针对邯邢矿区深部开采煤层底板突水的规律及其灾变模式进行研究，旨在为矿区安全生产提供理论依据和技术支持。

二、研究背景及意义随着矿产资源的不断开采，矿区逐渐进入深部开采阶段，地质条件日益复杂。

邯邢矿区因其丰富的煤炭资源和较深的矿床，面临更加严峻的底板突水问题。

突水事故不仅会对煤矿生产造成严重影响，还可能引发重大的人员伤亡和财产损失。

因此，研究深部开采煤层底板突水的规律及灾变模式，对于预防和控制突水事故具有重要意义。

三、煤层底板突水的规律性研究（一）地质条件与突水规律的关系通过对邯邢矿区地质构造、地下水分布及水压变化等关键因素的研究，我们发现，底板岩性、断层发育和地下水位等因素与突水事件的发生产生密切相关。

例如，在某特定地质条件下，断裂发育的区域更容易发生突水事故。

（二）突水的时间与空间分布特征根据历史数据和现场调查，我们发现底板突水在时间和空间上呈现出一定的规律性。

在时间上，突水事件往往集中在特定的季节或时段；在空间上，某些区域或采区的突水频率较高。

四、煤层底板突水的灾变模式研究（一）突水的发生机制根据研究发现，煤层底板突水的发生主要与地下水位的快速变化、采动应力的影响以及底板岩层的强度降低等因素有关。

其中，断层的活化及岩层的裂隙发育是突水发生的重要诱因。

（二）灾变模式及其特点基于大量的案例分析，我们将底板突水的灾变模式归纳为以下几种类型：断层型突水、裂隙型突水、岩溶型突水等。

这些模式各有其特点，如断层型突水往往具有突然性和爆发性，而岩溶型突水则具有水量大且持续的特点。

五、防治措施与建议针对底板突水的规律和灾变模式，我们提出以下防治措施：一是加强地质勘探工作，准确掌握矿区地质构造和地下水情况；二是完善防水工程设施，如加强底板注浆加固等；三是强化监测预警系统建设，及时发现和处理安全隐患。

1工程概况山西潞安集团潞宁煤业有限公司位于宁武县城西南，井田位于吕梁山北段芦芽山脉东麓，东依汾河。

井田内总体地势北西高，东南低，地形标高在1575～1675m之间，属低中山区，井田东侧为汾河，南侧为汾河支流西马坊河，井田范围内含煤地层为侏罗系中统大同组，共有2层可采煤层，自上而下为2、3号煤层。

2#煤层位于大同组上段的三亚段上部，上距云岗组底部K砂岩约15m。

煤层厚0.35～6.18m，平均3.28m，煤层顶板岩性多为炭质泥岩、泥岩，底板岩性绝大部分为泥岩，煤层底板直接充水水源是来自大同组的砂岩裂隙水。

据勘探试验资料，含水层以中细粒砂岩为主，单位涌水量0.08～0.256l/s·m，由于煤层富水性强弱不均一，故在煤层底板充水强度大的位置处，会对煤层开采构成一定的威胁，故需采取有效手段对2#煤层底板的底板突水危险性进行有效评价。

2底板突水模型及评价2.1底板突水主控因素通过对潞宁煤业地质条件及实测资料的详细分析，确定出2#煤层突水的主控因素有8个，分别为：含水层压力、富水性、隔水层厚度、断层褶皱分布、断层规模指数、破坏带下脆性岩厚度、陷落柱分布及断层与褶皱交端点分布，现对八种因素进行概述分析，并进行量化：1）含水层压力：煤层底板含水层水压的大小为底板突水的重要因素之一，随着含水层水压的增大，煤层底板发生突水的危险性会逐渐增大，2#煤层底板的水压在2.4~5.7MPa之间，从研究区域的西北部向东南部总体表现为逐渐减小的趋势[1]。

2）含水层富水性：底板砂岩含水层为突水的主要水源，2#煤层底板含水层的富水性通过矿井的抽水试验能够直接有效的反应出，基于抽水试验结果对钻孔的单位涌水量进行插值，进而得到研究区域单位涌潞宁煤业2#煤层底板突水危险性评价模型研究及应用尚小平（潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西宁武036700）摘要：为2#煤层底板突水的危险性进行有效的预测与分析，通过对煤层底板地质及水文条件的具体分析，确定采用随机森林算法建立底板突水的预测模型，根据2#煤层具体情况对算法的参数进行具体优化后进行底板突水危险性的评价。

评价煤层顶板涌（突）水条件的“三图-双预测法”摘要：针对我国煤矿日益严重的顶板涌（突）水问题，提出了解决煤层顶板涌（突）水条件定量评价的“三图-双预测法”，并在开滦荆各庄矿和东欢坨矿得到成功的应用.在对荆各庄矿煤9顶板直接充水含水层的富水性和开采顶板冒落的安全性进行分区研究的基础上，运用多源地学信息复合叠加原理，提出了煤9顶板冒落涌（突）水条件综合分区的划分方案.最后运用国际先进的VisualModflow专业软件对即将回采的2099，2393两工作面的工程涌水量和顶板直接充水含水层的采前预疏放方案进行了动态预测.关键词：“三图-双预测法”；顶板涌（突）水条件；工程涌水量预测；多源地学信息复合分类号：TD742文献标识码：A文章编号：0253-9993(2000)01-0060-06“Threemaps-twopredictions”methodtoevaluate waterburstingcoditionsonroofcoalWUQiang,HUANGXiao-ling,DONGDong-lin(BeijingCampus,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing 100083,China)YINZuo-ru,LIJian-min,HONGYi-qing,ZHANGHou-jun (KailuanMiningBureau,Tangshan063018，China)Abstract：Inthelightofmoreandmoreseriouswaterburstingproblemsonroofofcoallayer s,anewmethodwhichiscalledas“threemaps-twopredictions”isputforwardfir stly.Themethodhasbeensuccessfullyappliedtosolvetheroofwaterburstingpr oblemsatJinggezhuangandDonghuantuoCoalMineinKailuan.Onbasisofdivisi onresearchsforaquiferwater-enrichmentandinbreakinsafetyofcoalseamNo. 9inJinggezhuangCoalMine,thefinalcomprehensivedivisionprogramofwater burstingconditionsispresentedthroughoverlappingofmultiplesourcegeo-inf ormation.Finally,bothwaterburstinginflowsofminingfaces2099and2393and beforehanddewateringprogramforthewater-fillingaquiferarepredictedbyuti lizingadvancedprofessionalsoftwareVisualModflow.Keywords：“theremaps-twopredictions”;waterburstingconditionincoalroof;prediction ofengineeringinflow;overlappingofmultiplesourcegeo-information▲煤层底板突水问题一直是困扰华北型煤田煤炭工业可持续性发展的主要水患，其顶板水问题可用留设有效防水煤柱措施加以解决.但是，随着矿山开采深度逐渐加大和下组煤开采，顶板冒落沟通上覆含水层而导致顶板涌(突)水灾害发生或恶化工作面生产环境的实例日益增多，例如开滦矿务局目前近一半的生产矿井遭受顶板水害的严重威胁.以荆各庄矿为例，该矿自1979年正式投产以来，共发生了3次大的突水事故，均为煤9顶板突水，突水水源是煤9上覆的煤5顶板砂岩裂隙含水层，其最大突水量高达44m3/min，造成工作面整体被淹，生产被迫终止.另外，根据目前矿井涌水量实测资料统计，荆各庄矿煤5顶板砂岩裂隙水占矿井总涌水量的50%左右，即将开采的2099和2393工作面正位于断层带附近，故上覆充水含水层对矿井安全生产威胁很大.因此，如何解决煤9回采的顶板涌(突)水条件定量评价问题，对扭转荆各庄矿目前煤炭生产的被动局面具有极其重要的理论指导意义和实用价值.笔者根据多年工作实践，提出了解决煤层[换行]顶板涌(突)水灾害定量评价的“三图-双预测法”，即顶板直接充水含水层的富水性分区图、顶板冒落安全性分区图、顶板涌(突)水条件综合分区图及回采工作面整体和分段工程涌水量预测、顶板直接充水含水层采前预疏放方案预测.其中涌(突)水条件综合分区图由富水性和冒落安全性分区图复合叠加而成.1矿井水文地质背景根据对荆各庄矿井水文地质条件的系统综合分析认为，与煤9顶板突水关系密切的主要充水含水层为煤5顶板砂岩裂隙含水层和第四系底部卵砾石孔隙含水层，它们分别是煤9顶板突水的直接和间接充水含水层，在两含水层之间存在一粉粘土弱透水层.荆各庄井田东部和东南部以F1～F3断层组为界，其余部分以隐伏露头为界.由于第四系底部卵砾石含水层覆盖于整个井田之上，因此该含水层的边界条件属于二类流量边界；煤5顶板砂岩裂隙含水层四周均为隔水边界，在垂向上通过窄条状隐伏露头内边界接受上部含水层补给；底卵底部粘土层为一弱透水层，它的外边界均作为隔水边界，该层在矿区东南部不发育，致使底卵含水层几乎与基岩含水层直接接触，而在西北部发育较厚，底卵含水层与砂岩裂隙含水层的水力联系较弱.2煤9顶板充水含水层富水性分区研究针对矿井水文地质条件的复杂多变性、各种勘探资料在地域上的局限性和在观测精度上的不真实性，笔者运用多源地学信息复合叠加原理［1］，尽可能多地挖掘了荆各庄矿自建矿以来的所有勘探资料，对各种水文地质物理场的地学信息进行了系统综合叠加处理，信息源之间相互对比印证，取得了很好的效果.2.1第四系底部卵砾石孔隙含水层本含水层为煤9顶板突水的间接充水水源，根据现有资料对含水层厚度和渗流场特征进行了分析.(1)含水层厚度本充水含水层位于冲积层下部，厚度随整个冲积层的沉积厚度变化而变化，具有北薄南厚的特点，大、小极值分别为1.12和53.10m，茅草营以北不足10m，向南最厚达53.10m.(2)渗流场特征根据底卵含水层抽水试验结果可知，其渗透系数由南向北逐渐增大，在井田南部大约为4m/d，而在井田北部可达32m/d，说明该含水层北部渗透性大于南部；含水层单位涌水量为0.93～2.25L/(s.m)，由西向东逐渐增大.综上可知，底卵含水层北部渗透性较好，南部却较差，而富水性从西向东逐渐增强，在东南部达到最佳.2.2煤5顶板砂岩裂隙充水含水层通过对该充水含水层的岩性岩相变化、构造场、水化学场、抽水试验场、突水事件渗流场和钻孔冲洗液消耗量变化等6个方面地学信息的综合分析，提出了煤5顶板砂岩含水层富水性分区的划分方案.(1)岩性岩相变化特征在分析岩性岩相变化时，主要考虑了充水含水层厚度和脆性岩（以砂岩、粉砂岩为主）、塑性岩（以泥、页岩为主）所占的比例.该含水层中间厚、两边薄，在向斜轴附近较厚，大约为170m.从轴线向东西两侧逐渐变薄，西部坡度较大，厚度变化明显，在边缘地带为30m左右，东部坡度较小，厚度变化缓慢，在荆1和湾水3号钻孔附近略有波状起伏，在东部边缘大约也为30m.煤5顶板砂岩裂隙含水层的厚度变化趋势与整个盆状向斜相符.煤5顶板砂岩裂隙含水层主要由砂岩、粉砂岩和页岩组成，脆性岩厚度远大于塑性岩，其厚度为2.65～185.1m，平均为80.81m；而塑性岩厚度为0.025～66.07m，平均12.73m.脆性岩与塑性岩比值变化较大，荆26孔最小，为0.42，荆27孔最大，为152.03，在轴线以东，比值相对较小，一般为0.42～30，而在轴线西部，比值较大，多为30～150.(2)构造场特征荆各庄矿地质构造以断裂为主，褶曲不发育.落差大于3～5m的断层共有50多条，走向主要为NEE向，其次为NW向，近似呈直角.因受来自南西和北西2个方向挤压力的作用，井田内节理裂隙以NEE向最为发育，其次为NNW（NNE）和NW向.在井田中部，地层产状平缓，节理面较陡，大部分在70°以上，有的甚至直立，而在边部，节理产状较缓.(3)水化学场特征根据钻孔水样六大常规离子的水质分析结果，井田东部水化学特征具有明显的一致性，故可划分为一个独立的水流系统.井田西部各钻孔的阴阳离子含量有所不同，这需要结合其它物理场信息进一步细化.(4)抽水试验场特征荆各庄矿煤5顶板砂岩含水层的单孔抽水试验资料显示，含水层的单位涌水量为0.206～1.942L/(s.m)，平均0.974L/(s.m)，渗透系数为1.586～8.945m/d，平均4.617m/d.二者的变化趋势为：单位涌水量由西向东逐渐变大，在湾水1号孔处达到最大，为 1.942L/(s[换行].m)，表明含水层西部富水性差，东部富水性强，且由西向东均匀增大.含水层的渗透系数在湾37号孔最大，为8.945m/d，其变化趋势与单位涌水量相同，由西向东逐渐增大，说明东部渗透性强于西部.但单位涌水量的最大点与渗透系数最大点却不重合，说明富水性最强的地段，其渗透性不一定最好，因此，仅据渗透系数不能说明含水层的出水能力.一个渗透系数较大的含水层，如果其厚度非常小，它的出水能力也是有限的.虽然湾37孔处渗透系数很大，但含水层的厚度较小，约为30m，因而它的富水性不是最强.(5)突水事件渗流场特征根据对1096和1093工作面两次突水全过程资料的系统分析认为，荆各庄井田东部富水性明显强于西部，并且在整个突水过程中，沿主渗透方向观测孔的水位变化幅度最大.这与前面各物理场分析结论相符.(6)冲洗液消耗量变化特征对所有勘探钻孔柱状图的分析表明，几乎所有钻孔通过本层时均有冲洗液消耗，消耗量大于5m3/h的钻孔占总数的58%，而且漏水严重的钻孔均分布在井田东部，这说明井田东部裂隙较为发育，其富水性较好.另外在井田西南的向斜轴附近，冲洗液消耗量也相当大，呈纺锤型，冲洗液消耗量大于15m3/h，说明此区富水性也较好.综合上述各物理场的水文地质特征，经过多源地学信息相互验证，复合叠加，确定了该充水含水层富水性分区的划分方案（见图1）.整个井田共分为5个区，富水性由强到弱依次为A，B，C，D，E.A区内又以FE9断层为界分为两个区，A-1区的富水性强于A-2区.图1煤5顶板砂岩裂隙充水含水层富水性分区Fig.1Water-richdivisionmapforsandstoneaquiferoncoalseamNo.53煤9开采顶板冒落安全性分区研究按照“上三带”理论，导水裂隙带发育高度是煤层开采顶板涌(突)水灾害发生的基础.目前我国大多数煤矿区均采用《矿井水文地质规程》的经验公式计算导水裂隙带发育高度［2］.但由于这些经验公式在考虑覆岩段的地层岩性组合和空间分布位置等方面较粗糙，实际应用误差较大.为此，笔者从覆岩段岩性岩相的变化入手，在系统查阅整理了144个勘探钻孔柱状图的基础上，对采用经验公式计算的导水裂隙带发育高度进行了合理的岩性岩相变化校正，效果较好.3.1煤9至煤5之间的覆岩段岩性岩相变化分析煤9与上覆煤5顶板砂岩裂隙含水层之间仅存在7.52～76.44m的覆岩段，主要以粉砂岩、砂岩和粘土岩为主，呈中间厚、两边薄的趋势，最厚处分布在荆21、荆19和湾39号钻孔附近，厚度大于70m，向两侧逐渐变薄，东部变化较缓，西部变化较快，到达边缘处为20m 左右.覆岩段中塑性岩大部分位于煤9顶板或与砂岩互层.由于塑性岩厚度较小，在煤9顶板发生冒落时，位于煤9顶的塑性岩基本处于冒落带，起不到隔水作用.与砂岩互层的塑性岩石虽然有一定的隔水作用，但因厚度有限，其隔水作用不会太大.3.2导水裂隙带发育高度的计算在开滦矿区，所采煤层均为缓倾斜煤层（0～35°），上覆岩石为砂岩、粉砂岩和泥岩等中硬型岩石，因而根据《矿井水文地质规程》采用如下计算公式，即式中，Hl为导水裂隙带高度；Mi为煤层累计厚度；n为开采分层数.3.3煤9顶板开采冒落安全性分区若导水裂隙带发育高度小于煤9至煤5之间覆岩段厚度，则顶板冒落时，煤5顶板裂隙水一般不会泄入巷道；反之，则会发生涌(突)水灾害.因此，将覆岩段厚度减去导水裂隙带发育高度，即可确定冒落[换行]安全区与非安全区的界限.但由于影响导水裂隙带发育高度的因素很多，除采厚外，开采方法、覆岩段岩性岩相变化及地质构造等均是其控制因素.因此综合考虑多方因素，确定了煤9顶板冒落安全性分区方案（见图2）.图2煤9开采顶板冒落安全性分区Fig.2DivisionmapofcavinginsafetyforminingcoalseamNo.9整个井田分为A，B，C，D，E5个区域.最安全的区域是A区，该区导水裂隙带发育高度小于覆岩段厚度，E区最危险，其导水裂隙带高度远大于覆岩厚度.4煤9开采顶板涌(突)水条件综合分区研究开采深部煤层导致顶板涌(突)水灾害发生，其充分必要条件是煤层回采形成的导水裂隙带沟通了上覆充水含水层,且直接充水含水层在回采工作面对应位置的富水性较强.根据上述煤9开采顶板冒落安全性分区和煤5顶板砂岩裂隙含水层富水性分区的研究成果，笔者复合叠加两个分区所有地学信息，提出了煤9开采顶板涌(突)水条件定量评价的综合分区划分方案（见图3）.整个井田以向斜轴为界，分为A和B两大区.其中A区突水危险性小，因为该区上覆充水含水层的富水性较差，即使煤层开采顶板冒落至上覆含水层，也不会诱发大的涌(突)水灾害；B区则突水危险性较大，因为该区上覆充水含水层的富水性较好，而且在该区范围内，大部分区域导水裂隙带发育高度均大于覆岩段厚度.A区可进一步细分为2个子区，B区可细分为4个子区，其突水危险性由小到大依次为A-1区→A-2区→B-1区→B-2区→B-3区→B-4区.图3煤9开采顶板冒落涌(突)水条件综合分区Fig.3Syntheticdivisionmapofcavinginwater- burstingconditionforminingcoalseamNo.95煤9回采工作面顶板工程涌(突)水量动态预测根据煤9顶板涌(突)水量预测的水文地质概念模型，应用国际上先进的VisualModflow专业软件系统建立了三维数值模拟模型［3］，并利用1393工作面突水资料进行了模型识别，其拟合结果见图4和图5.图4煤5顶板砂岩裂隙含水层第四时段观测孔水位与计算水位对比Fig.4Comparisonmapbetweenobservationlevel andcalculationleveloffourthtermin sandstoneaquiferoncoalseamNo.5图5煤5顶板砂岩裂隙含水层观测孔的水位拟合Fig.5Waterlevelfittingmapforobservation holesinsandstoneaquiferoncoalseamNo.5应用VisualModflow先进的ZoneBudget功能，根据相邻工作面周期来压规律，对即将回采的2099和2393工作面的工程涌水量进行了随工作面不断向前推进（以周期来压步距为单位）的动态预测.随2099工作面的推进，其涌水量变化不大，变化范围为 1.685～1.592m3/min （见图6(a）).2393工作面涌水量则随其推进逐渐增大，由1.125m3/min 增加到2.17m3/min（见图6(b)）.[换行]图6回采工作面工程涌水量动态变化曲线Fig.6Dynamicvariationcurvesofengineeringinflowsinminingface(a)2099回采工作面；(b)2393回采工作面6煤9顶板砂岩充水含水层采前预疏放渗流场预测上述2个回采工作面的顶板涌水量预测结果表明，其涌水量比较大.因此，从荆各庄矿目前工作面的排水能力和提高及排水效益角度考虑，笔者对煤9顶板砂岩裂隙充水含水层进行了回采前预先疏放的预测计算.在此基础上，对煤9回采的2099和2393两工作面又进行了涌水量的二次动态预测，结果其预测涌水量大幅度减少.这些结论为荆各庄矿最终制定合理的防治水决策方案提供了极其重要的科学依据.7结论与建议（1）“三图-双预测法”从对煤层顶板涌(突)水条件的定性综合分析，到回采工作面工程涌(突)水量和采前预疏放量的定量模拟预测，形成了一整套系统的研究思路和研究方法.（2）煤层回采导致的顶板涌(突)水灾害发生的根本原因，就是煤层回采形成的顶板导水裂隙带沟通了上覆直接充水含水层，并且含水层在回采工作面冒落范围对应的部位富水性较强.因此顶板涌(突)水条件分析不外乎包括两个方面内容：煤层回采顶板冒落安全性分析和顶板直接充水含水层富水性分析.（3）运用多源地学信息复合叠加原理，根据多个水文地质物理场的不同特征，相互对比验证，互相弥补不足，对充水含水层的富水性进行了系统综合分析.（4）尽管本文在顶板导水裂隙带发育高度计算上未能彻底摆脱沿用《矿井水文地质规程》经验公式的弊病，但通过对大量勘探钻孔柱状图岩性岩相变化特征的系统研究，对裂隙带发育高度计算结果进行了岩性校正，因而其计算结果相对比较符合实际.笔者建议在有条件的情况下，应该采用应力应变分层数值仿真模拟方法计算煤层顶板“上三带”的发育高度.（5）ZoneBudget是目前国际上通用专业软件系统VisualModflow 的一个独特功能，对预测精度要求较高的回采工作面的整体和分段工程涌水量的动态预测具有一定优势.■作者简介：武强(1959-)，男，教授，博士生导师.1991年在中国地质大学(北京)获得博士学位.主要从事矿井防治水、地质灾害和生态环境方面的研究工作.出版《华北型煤田矿井防治水决策系统》等专著3部，发表“GIS技术在预报煤层回采前方小构造的应用潜力”等论文60余篇. 作者单位：武强(中国矿业大学北京校区，北京100083)黄晓玲(中国矿业大学北京校区，北京100083)董东林(中国矿业大学北京校区，北京100083)殷作如(开滦矿务局，河北唐山063018)李建民(开滦矿务局，河北唐山063018)洪益清(开滦矿务局，河北唐山063018)张厚军(开滦矿务局，河北唐山063018)参考文献：［1］武强.华北型煤田矿井防治水决策系统［M］.北京：煤炭工业出版社，1995［2］赵全福主编.煤矿安全手册［M］.北京：煤炭工业出版社，1992 ［3］薛禹群.地下水动力学原理［M］.北京：地质出版社，1989。