水文水害预警方案正文部分.docx

1、水文水害预警方案正文部分（技术方案）哈尔滨华夏矿安科技有限公司水文灾害预警系统技术方案（上位正文部分）目录参考文献 01 水害预警系统设计概述与意义 11.1 水害预警系统设计依据 12 突水灾害形成条件与发生原因 12.1.1 自然地质条件 12.1.2 人为条件 22.2 研究的目的和意义 43 顶板水害 53.1 三图双预测法概念 53.2 基于GIS的AHP方法的富水性分区图实现 63.3 基于GIS的AHP&灰色神经串联型富水性分区法 错误！未定义书签。3.4 涌水量预测 134 底板突水危险性 104.1 五图双系数法概念及意义8 105 剖面图的实现 136 矿井水位（淹没）实现

2、 20水害预警系统设计概述与意义水害预警系统设计依据根据煤矿安全规程第二百八十五条第一款，矿井必须做好水害分析预报和充水条件分析，坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的防治水原则，建立采掘工作面水害分析预报表，并将预测图显示在GIS地图相应位置。表及预测图按矿井水文地质规程附录六制定，制定模式参见附录六。矿井水文地质规程第七十六条明确指出：“在矿井疏干开采过程中，应当进行定性、定量分析，可以应用“三图双预测法”进行顶板水害分区评价和预测。有条件的矿井可以应用数值模拟技术，进行导水裂缝带发育高度、疏干水量和地下水流场变化的模拟和预测。”矿井水文地质规程第七十九条明确指出：“有条件的矿井可以

3、采用“脆弱性指数法”或者“五图双系数法”等方法，对底板突水危险性进行综合分区评价，可以采用比拟法、解析法和数值模拟法等方法预计最大涌水量。”煤矿水害一般分为突水、涌水两种情况。其中，突水有多种类型，通常分为顶板突水、底板突水和构造型突水，一般突水类型，尤以底板突水为主。按照矿井水文地质规程中明确指出的方法，进行本煤矿水文预警系统方案的制定。主要分为两部分：顶板水害、底板突水危险性。突水灾害形成条件与发生原因 自然地质条件我国大约有80%的煤田受暴雨、洪水、江河湖泊、地下水、老窿水等多种水源的严重威胁;许多煤田地质、水文地质条件复杂,断裂和导水通道发育;大部分煤田开采深度大,势水头压力高,不仅容

4、易诱发突水,而且一旦发生突水,就非常猛烈10。突水矿床大多分布在气候温暖潮湿、大气降水较为充沛的地区。在地貌上一般位于河谷、山间盆地、大型平原、低山丘陵地带,地形相对切割程度较弱,地面相对平坦低洼,一般处在当地侵蚀基准面上下,有利于大气降水汇集与径流。矿区及其附近有河流、水库、湖泊乃至大江、大海等地表水体或有冲沟等暂时性水流。矿区地质构造复杂,褶皱、断裂和裂隙发育,矿体和围岩地层发育齐全,岩石物理力学性质相差悬殊,直接顶底板岩石强度较低,现今构造活动较强烈。矿体厚度和规模变化大,埋藏深,矿层的主要部分位于当地侵蚀基准面或地下水位以下。矿区和区域地下水丰富;局部有地下暗河径流,或规模较大的老窿积

5、水。矿体顶底板或围岩的含水层,以碳酸盐岩的裂隙、岩溶裂隙含水层为主。主要岩溶裂隙含水层,在地质历史时期经受多次构造运动和强烈岩溶化作用,构造裂隙、溶蚀裂隙、溶孔、溶洞和溶蚀管道发育,彼此纵横交错,连通性好。渗透性、富水性强,含水丰富;而且含水层的延展范围广,接受大气降水和区域地下水补给面积大,具有巨大的静储量和动储量,一般不容易疏干。矿区位于碳酸盐岩裸露区或有薄层第四纪松散沉积盖层的隐伏岩溶区,有岩溶漏斗、落水洞、落水井和岩溶塌陷坑分布,而且与矿层顶底板岩溶含水层的裂隙、溶孔、溶洞系统相通。矿区内有切割矿层及其顶底板的含水层,或发育有断距较大的张性含水导水断裂。矿层及其顶底板含水层之间,或含水

6、层与地表水体(包括大气降水后的片流、暂时径流及洪水)之间,因沉积间断、断层、溶洞、岩溶陷落柱、落水洞、岩溶漏斗、岩溶塌陷等发生直接或间接沟通,而具有较强的水力联系。矿层顶底板的含水层为承压含水层,所含地下水有很高的承压水头,相对于矿层(体)顶底板的单位面积水压力高。 人为条件目前,我国煤矿管理水平、生产技术和灾害防治能力还比较差,特别是矿业秩序比较混乱,大量乡镇和个体小煤矿,不仅生产技术水平落后,而且无证开采和违规生产十分严重,使突水及其他矿难事故难以得到有效控制11,12。水文地质勘探程度不够,水文地质资料的详细可靠程度较低,即使是详查阶段获得的资料也存在较大误差;尤其是对与矿层(体)并无明

7、显直接关系的地表水、含水丰富的岩溶含水层水对矿床开采的影响,未予充分评价;甚至水文地质边界条件不明,矿井(坑)涌水量预测存在较大误差。大量地质及水文地质勘查钻孔洞穿矿层及其顶底板含水层与隔水层后,起到人为沟通作用;一些未封闭或封孔质量不好的钻孔,往往成为矿床开采的地下水通道。井、巷的空间布置不够合理,矿井及矿坑地面排水、泄洪不畅。开采条件下,由于矿井(坑)长期排水和矿层采空引起顶底板岩石变形位移,矿区地面发生下沉、裂缝、岩溶塌陷等。开采条件下,矿区地下水虽经长期排水疏干,但稳定的排水降落漏斗始终未完全形成,降落漏斗的浸润曲线陡、水力坡度大,因此对矿床开采有严重威胁的主要含水层的地下水,基本未受

8、矿山排水影响,潜水位或承压水位基本未变,相对于生产巷道,仍有很大的水位差、压力差,对采矿井巷仍存在很大威胁。矿床大规模开采条件下,由于井巷工作面推进和岩矿石大量采空,矿层及其直接顶底板岩层之间的地应力平衡受到破坏,井巷及采空区因地应力解除而受到巨大的矿山压力,因此使井巷及采空区的顶、底板及边部岩石变形位移,并形成大量新生张性裂隙、剪切裂隙的采矿裂隙带,沟通了巷道与矿层顶底板含水层的联系。矿区存在废弃的古洞坑和采空区,未经详细勘测,进入老采空区采煤。随意堆弃煤矸石而堵塞山谷、河床,洪水暴发导致灌井。违规生产如井口位置不当;防水煤柱太薄或乱采滥挖破坏防水矿柱;采掘生产中,发现透水预兆不进行探水防水

9、等。矿山水文地质监测系统不完善,地下水动态及突水灾害预测预报能力差。矿井防水救护设备不足,设计泵房的最大排水量与可能出现的最大涌水量相差太大。没有有效的灾害预案,面对出现的突水危险,管理人员不能采取果断有效措施加以防治;矿工缺乏救灾知识。研究的目的和意义随着科技发展和对煤炭资源需求量的增加，深部综采程度不断提高。一方面向深部的矿压增大，承压水的水头压力也越来越大;一方面，随着开采范围扩大，矿井水文地质条件中的不确定因素也随着面积扩大而增多，潜在危险性也随之加大;第三，机械化综采要求的条件较高，需要疏干顶板含水层;同时带压开采成为受底板灰岩承压水威胁煤层开采的主要方法，为底板涌突水研究提出了更高

10、更迫切的要求。因此，认清煤矿顶板、底板涌、突水问题的现实状况，研究其预测预报方法，采取有效的防治措施，对于确保煤矿安全生产，保障我国煤炭工业持续稳定发展具有重要的现实意义。顶板水害文献论文讨论很多，但文献中涉及的数据，现实中一般很难采集，历史数据更难收集。在煤矿水文地质规程中，已经明确给出了安全隔水层厚度和突水系数计算公式，具体公式详见附录三；安全水头压力值计算公式，具体公式详见附录四。突水预测的具体流程与实现，矿井水文地质规程中提及的方法还在调研中。顶板水为疏干对象，因来源不同，水量大小不一，通常由每小时几方到数百方不等，或更大，对矿井正常开采影响较大。“三图双预测法”由中国矿业大学武强教授

11、发明，于2009年申请专利，并于2009年12月21日，由水文地质规程正式认定为进行顶板水害评价与预测的有效方法。故本方案水文水害预警中的底板部分采用本方法进行制定。三图双预测法概念矿井水文地质规程第七十六条明确指出：“在矿井疏干开采过程中，应当进行定性、定量分析，可以应用“三图双预测法”进行顶板水害分区评价和预测。有条件的矿井可以应用数值模拟技术，进行导水裂缝带发育高度、疏干水量和地下水流场变化的模拟和预测。” 概念“三图双预测”法，是中国矿业大学(北京)武强教授根据多年的研究理论、经验、成果，在解决制约我国华北型煤田煤炭工业可持续发展的主要水患实践过程中，提出的煤层顶板水害评价的方法，是解

12、决煤层顶板充水水源、通道和强度三大问题的顶板水害评价方法。顶板“三图双预测” 法在尽可能挖掘利用勘探、开采己有基础资料的前提下，应用多源地学信息复合研究方法，相互印证，避免了基岩含水层的非均质和各向异性特征以及其他多种因素的干扰影响，和因为含水层富水性条件相当复杂，富水程度不同位置多变，导致所得结论存在的局限性和片面性。达到对基岩充水含水层富水性综合分区评价的目的，实现了对采动前、后的顶板水量进行预测9。“三图”是指：煤层顶板充水含水层富水性分区图、顶板冒裂安全性分区图和顶板涌(突)水条件综合分区图；“双预测”是指：顶板充水含水层预处理前、后回采工作面分段和整体工程涌水量预测1-7。 算法流程

13、利用GIS强大的空间信息处理能力，对各种图形信息进行量化；用AHP法对各因素进行评价，计算出各因素对总目标的影响权重。再应用GIS的空间复合叠加功能对AHP的计算结果进行处理，以直观的富水性分区图和冒裂安全分区图叠加，生成顶板涌突水条件危险性分区图。 依据材料基于矿井基础资料，特别是钻孔资料、抽水试验资料，是充分挖掘各种地质资料的信息从而叠加出最后成果。因此，矿区的基础地质资料非常重要。基于GIS的AHP方法的富水性分区图实现AHP：层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP法），是一种定性与定量相结合的多准则决策（评价）方法。它是美国运筹学家T.L.Saat

14、y教授于20世纪70年代提出的一种简便、灵活而实用的多准则决策方法，是将半定性、半定量问题转化为定量问题的有效途径。实现步骤第一步：由用户根据专家经验对所在煤矿的主要控制因素进行分析，在水文灾害预警系统上建立“煤层直接充水含水层层次分析结构图”。结构图的主要构成形式如图3-1所示。图3-1 煤层直接充水含水层层次分析结构图其中：A层为模型的目标因素，即含水富水性的最终目的；B层：决定富水性的相关因素，但其影响方式还需通过与其相关的具体因素来体现，这是解决问题的中间环节，亦即模型的准则层(次)；C层：各个具体的主控因素指标，即本模型的决策层(次)，通过对该层次问题的决策，即可最终达到所要求解的目

15、标。软件实现：在页面建立文本框，提示指导用户自行录入。此图将研究对象划分为3个层次，在实际项目中，用户可以根据煤矿实际情况在页面文本框中输入数据建立多层结构。第二步：建构判断矩阵。根据第一步，领域专家或者煤矿专有工作者，根据本煤矿的实际情况，如众多的突水事故中各个因素所起作用的大小，以及他们在生产实践和科学研究中的亲身体验，依据自己的认识和观点，对影响煤层顶板充水含水层各地质因素中每个因素所起作用的大小进行相对重要性评价，运用“征集专家评分”的方法，来对影响突水的众多因素进行评分。打分标准是依照 T.LSaatyt创立的1-9标度方法（见表3-1）。以给出“B层”每一因素对“A层”的影响值，如

16、B1=1，B2=5，-，Bn=3这样的值；“C层”每一因素对“B层”的影响值，如C1=1，C2=5，-，Cnn+n=3这样的值。表3-1 数字1-9及其倒数标度及涵义标度含义1表示两个因素相比，具有相同重要性3表示两个因素相比，前者比后者稍重要5表示两个因素相比，前者比后者明显重要7表示两个因素相比，前者比后者强烈重要9表示两个因素相比，前者比后者极端重要2，4，6，8表示上述相邻判断的中间值倒数若因素 EMBED Equation.3 _与_ EMBED Equation.3 _的重要性之比为_ EMBED Equation.3 _，那么因素_ EMBED Equation.3 _与_ EM

17、BED Equation.3 _因素重要性之比为_ EMBED Equation.3 _软件用户页面实现：领域专家或者煤矿工作者，通过页面文本框录入每一层因素对上一层因素的影响值，系统依据算法函数自动生成判断矩阵，将计算出影响顶板突水各主控因素的权重。软件算法函数实现：具体计算方法，我已经在matlab环境下实现了核心部分，现在没有时间做理论能实现的功能：将matlab代码生成动态链接库，实现与C#互调。第三步：煤矿顶板富水性分区图的实现。得出第二步计算出的各个地质因素对富水性的影响权重后，将这些地质因素叠加，依据煤矿具体分区的划分，得出相应的充水含水层富水性分区图。软件实现：依据所选GIS软

18、件提供的功能，进行实验后确定。存在的问题：图中各因素的数据来源还没确定，分区的行业标准还没找到。拟解决的方法：数据来源：能测量的给测量值，不能测量的请相应煤矿给经验值；富水分区行业标准：能找到行业标准时，按行业标准执行；不能找到行业标准时，按聚类算法，将最终值分成：非常安全、安全、有点危险、危险、非常危险五大类。优点、不足与拟解决方案优点：基于GIS的AHP方法的富水性分区，可以比较准确地反映煤矿的富水性情况。不足：需要领域专家或者煤矿专有工作者，根据煤矿实际情况给出经验值；如果煤矿没有这样的专门性人才，此方法不能实现。拟解决方案：有专家提供经验值时，富水性分区图采用基于GIS的AHP法没有专

19、家经验值时，根据各钻孔实时监测的涌水量数据，按煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准附录C中的C1中的方法：按钻孔单位涌水量（q）富水性注分为以下四级：弱富水性：q0.1L/sm；中等富水性：0.1L/ smq1.0 L/ sm；强富水性：1.0 L/ sm5.0 L/ sm。注：此种方法虽然简单，但适合度很差，是否采用，还需要进一步考虑认证。顶板冒落安全性分区图依据煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准附录F的冒落带导水裂隙带最大高度经验公式表煤层倾角（）岩石抗压强度（MPa）岩石名称顶板管理方法冒落带最大高度m导水裂隙带（包括冒落带最大高度）m0544060辉绿岩、石灰岩、

20、硅质石英岩、砾岩、砂砾岩、砂质页岩等全部陷落_ EMBED Equation.3 _ _ EMBED Equation.3 _ EMBED Equation.3 _ EMBED Equation.3 _2040砂质页岩、泥质砂岩 、页岩等全部陷落_ EMBED Equation.3 _ _ EMBED Equation.3 _ EMBED Equation.3 _ EMBED Equation.3 _20风化岩石、页岩、泥质砂岩、粘土岩、第四系和第三系松散层等全部陷落_ EMBED Equation.3 _ _ EMBED Equation.3 _ EMBED Equation.3 _ EMB

21、ED Equation.3 _55854060辉绿岩、石灰岩、硅质石英岩、砾岩、砂砾岩、砂质页岩等全部陷落_ EMBED Equation.3 _ EMBED Equation.3 _40砂质页岩、泥质砂岩 、页岩、粘土岩、风化岩石、第三系和第四系松散层等全部陷落_ EMBED Equation.3 _ _ EMBED Equation.3 _ EMBED Equation.3 _ EMBED Equation.3 _注：表中：_ EMBED Equation.3 _累计采厚，_ EMBED Equation.3 _；_ EMBED Equation.3 _煤分层层数；_ EMBED Equa

22、tion.3 _煤层厚度，_ EMBED Equation.3 _；_ EMBED Equation.3 _采煤工作面小阶段垂高，_ EMBED Equation.3 _。冒落带、导水裂隙最大高度、对于缓倾斜和倾斜煤层，系每日从煤层顶面算起的法向高度；对于急倾斜煤层，系指从开采上限算起的垂向高度。岩石抗压强度为饱和单轴极限强度。顶板涌（突）水条件综合分区图顶板涌（突）水双预测实现底板突水危险性矿井水文地质规程第七十九条明确指出：“有条件的矿井可以采用“脆弱性指数法”或者“五图双系数法”等方法，对底板突水危险性进行综合分区评价，可以采用比拟法、解析法和数值模拟法等方法预计最大涌水量。”五图双系数

23、法概念及意义8带压开采：是指在具有承压水压力的含水层上进行的采煤。“五图双系数”法：是一种煤层底板水害评价方法。 “五图”是指：底板保护层破坏深度等值线图、底板保护层厚度等值线图、煤层底板以上水头等值线图、有效保护层厚度等值线图、带压开采评价图。双系数是指：带压系数和突水系数。1.“五图”概念和意义如下：第一图：在工作面回采过程中，由于矿压等因素综合作用的结果，在煤层底板产生一定深度的破坏，这种破坏后的岩层具有导水能力，故称之为“导水破坏深度”，通过实验和计算可以获得该值的分布状况。据此绘制“底板保护层破坏深度等值线图”。第二图：煤层底面至隔水层顶面之间的这段岩层称之为“底板保护层”。它是阻止

24、承压水涌入采掘空间的屏障，需查明其厚度及其变化规律。据此绘制“底板保护层厚度等值线图”。第三图：煤层底板以下含水层的承压水头将分别作用在不同标高的底板上。根据计算绘制“煤层底板上的水头等值线图”。第四图：把导水破坏深度从底板保护层厚度中减去，所剩厚度称之为“有效保护层”。它是真正具有阻抗水头压力能力且起安全保护作用的部分。据此绘制“有效保护层厚度等值线图”。第五图：最后根据有效保护层的存在与否和厚度大小，依照“双系数”和“三级判别”综合分析，即可绘制带压开采技术的最重要图件“带水头压力开采评价图”。2.“双系数”的概念和意义带压系数：在研究保护层时要同时进行保护层的阻抗水压能力的测试，根据所获

25、参数计算保护层的总体“带压系数”，它是表示每米岩层可以阻抗多大水压的指标，是双系数之一。突水系数：另一系数是“突水系数”，是“有效保护层厚度”与作用其上的水头值之比。3.“三级判别”的概念“三级判别”：是与双系数配合用来判别突水与否、突水形式和突水量变化的三个指标：I级判别：是判别工作面必然发生直通式突水的指标；II级判别：是判别工作而发生非直通式突水可能性及其突水形式的指标；III级判别：是判别己被n级判别定为突水的工作面其突水量变化状况的指标。4“五图双系数法”的流程，参见下图。_ EMBED Visio.Drawing.11 _图1-1“五图双系数法”流程框图第一图 底板保护层破坏深度等

26、值线图实现方法11底板活动全貌如图3-2所示。在计算保护层破坏深度时，主要考虑无明显损伤底板破坏深度、明显损伤底板破坏深度两部分。_图3-2 底板活动全貌无明显损伤底板破坏深度回归分析底板破坏深度：是指底板岩层产生移动变形，裂隙率发生变化以及采动裂隙(主要是层向裂隙)率大于一定数量的底板岩层厚度求解过程：第一步：建立非线性方程，公式为：_ EMBED Equation.3 _ (3-1)其中：_ EMBED Equation.3 _为影响采场底板破坏深度，_ EMBED Equation.3 _为煤矿开采深度，_ EMBED Equation.3 _为煤层倾角，_ EMBED Equation

27、.3 _为底板坚固系数，_ EMBED Equation.3 _为工作面斜长。注：这些参数由煤矿提供或在做地质分析时取得。第二步：利用所给参数，回归，计算各种参数的系数。“正规方程”采用列主元素高斯消去求解法。计算出最终结果。回归结果类似下图：_明显损伤底板破坏深度的计算由几何损伤原理启发，实践证明，当原始底板受到明显损伤破坏时，在同样的矿山压力作用下，采场底板破坏深度要比式(3-1)的计算结果大。依据文献11知，采场底板破坏深度同采场底板所承受的应力成正比，根据几何损伤原理，综合得到损伤底板破坏尝试的计算公式为：_ EMBED Equation.3 _ (3-1)其中：_ EMBED Equ

28、ation.3 _为明显损伤底板破坏深度，_ EMBED Equation.3 _为无明显损伤底板破坏深度，_ EMBED Equation.3 _为钻孔漏水段总长度，_ EMBED Equation.3 _为钻孔总长度。软件实现拟实现方法，依靠matlab强大的计算机能力，计算结果，传给C#函数，C#与GIS融合，动态生成底板保护层破坏深度等值线图。第二图 底板保护层厚度等值线图双系数实现方法双系数是指：带压系数、突水系数。带压系统实现方法依据文献10上带压系数公式，_ EMBED Equation.3 _其中：_ EMBED Equation.3 _为煤层承受（安全？）的水头压力；_ EM

29、BED Equation.3 _为煤层的隔水层厚度。安全水头压力_ EMBED Equation.3 _的求解公式依据矿井水文地质规程中附录五进行计算。计算公式：第一种情况：掘进巷道底板隔水层_ EMBED Equation.3 _ (5-1)式中 p底板隔水层能够承受的安全水压，MPa；t隔水层厚度，m；L巷道宽度，m；_ EMBED Equation.DSMT4 _底板隔水层的平均重度，MN/m3；Kp底板隔水层的平均抗拉强度，MPa。第二种情况：采煤工作面_ EMBED Equation.3 _ 式中 M-底板隔水层厚度，m；p-安全水压，MPa；Ts-临界突水系数，MPa/m。Ts值应

30、当根据本区资料确定，一般情况下，在具有构造破坏的地段按0.06MPa/m计算，隔水层完整无断裂构造破坏地段按0.1MPa/m计算。可知水涌水量预测矿井涌水量的预测是对矿坑充水条件的定量描述，预测涌水量的方法基本依托于当地矿井的水文地质资料的齐全与准确，目前我们研究通过在线监测水量的变化，再结合分析水文地质条件建立符合实际的模型，其结果才具有实用性，所以通过在线监测系统数据并采用先进的神经网络和专家系统的相结合的方法来建立数学模型在线进行分析预测可知水状态。影响涌水量的条件煤矿涌水量也受多种条件影响，主要有：水文地质条件对涌水量的影响1矿井水文地质条件是影响矿井排水量的关键因素，其中包括含水层厚度、富水性、节理、裂隙、岩溶发育程度和补给来源。一般规律是含水层厚度大，含水性强，附近补给来源丰富，矿井水涌水量就大，反之则小。其次是所处的地理位置，一是煤矿平面位置与附近井、泉、河水的关系，一般离井、泉、河水近，且水利关系密切，侧向补给来源大，则矿坑涌水量就大，反之则小；二是开采煤层与当地侵蚀面及区域地下水位关系，一般是位于当地侵蚀面和区域地下水位以下，且补给关系密切，则涌水量大，反之则小；三是与当地降水量、入渗系数大，降水可直接转化为矿井水，煤层开采后导水裂隙带影响到地面，则矿井涌水量就大，且季节性变化明