大同礦區(qū)老空區(qū)水害探測及遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)研究

【供稿：晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（大同）技術(shù)中心 臧歡歡】

研發(fā)起止時間：2018.09～2019.12

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司、太原理工大學(xué)、晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司

成果水平：國際先進(jìn)

1 項目背景

我國煤炭資源豐富，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，是世界上礦山水害最嚴(yán)重的國家之一。老空區(qū)突水是山西省近幾年來最主要的水害形式，對礦井安全生產(chǎn)造成巨大威脅。大同礦區(qū)主要賦存古生代石炭二疊紀(jì)煤系和中生代侏羅紀(jì)煤系，下組煤開采時會受到上覆侏羅紀(jì)采空區(qū)積水的影響。再加上大同礦區(qū)煤層埋藏淺，露頭廣泛，易于開發(fā)，故還存在大量歷史久遠(yuǎn)且無規(guī)則開采的老空區(qū)。

項目針對大同礦區(qū)老空區(qū)突水的機(jī)理認(rèn)識不夠深刻、采空區(qū)積水準(zhǔn)確位置難以確定、監(jiān)測預(yù)警手段不夠完善等問題，以大同礦區(qū)典型礦井作為工程背景，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬及程序開發(fā)、室內(nèi)實驗、現(xiàn)場實測等方法，從老空區(qū)積水高精度綜合探測技術(shù)、老空區(qū)充水水源判別、擾動條件下老空區(qū)圍巖裂隙演化規(guī)律及突水通道形成機(jī)制等方面展開研究，最終建立老空區(qū)水害遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)。

2 研究內(nèi)容

（1）將變分模態(tài)分解方法（VMD）引入瞬變電磁信號處理領(lǐng)域，構(gòu)建均勻半空間模型和具有低阻異常構(gòu)造的層狀模型，結(jié)果表明變分模態(tài)分解方法在不同地電參數(shù)模型中降噪效果穩(wěn)定。并建立不同充水狀態(tài)下的采空區(qū)模型，利用瞬變電磁軟件Maxwell，通過正演所得衰減電壓曲線來研究其電磁響應(yīng)特征規(guī)律，并在大同礦區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場地面瞬變電磁法勘探試驗驗證，通過后期井下探放水驗證，表明該方法顯著提高了現(xiàn)場探測精度。

（2）在分析上覆侏羅系積水采空區(qū)充水水源特征的基礎(chǔ)上，通過采集各充水水源的水樣及水化學(xué)特征分析，基于費(fèi)希爾理論采空區(qū)充水水源進(jìn)行判別，根據(jù)最短距離判別原則，最終判別突水的水源以大氣降水和頂板砂巖水為主。

（3）從開采擾動和掘進(jìn)擾動兩個方面分別對采空區(qū)突水通道的形成機(jī)制進(jìn)行研究，以大同礦區(qū)典型礦井為工程背景，構(gòu)建流固耦合數(shù)值模型對開采擾動下“應(yīng)力場-位移場-滲流場”的演化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過設(shè)計不同含水狀態(tài)下煤巖體的破壞損傷試驗，綜合運(yùn)用局部應(yīng)變監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測等手段對含水煤巖體損傷破壞過程進(jìn)行分析，深入探究含水煤體“聲發(fā)射-應(yīng)力-局部應(yīng)變”多維前兆破壞信息規(guī)律。

（4）通過分析有效隔水層抗剪和抗拉兩種破壞力學(xué)模型，建立了煤層頂板老空區(qū)突水綜合判據(jù)。從“礦井積水采空區(qū)與覆巖含水層水位動態(tài)監(jiān)測”和“礦井采礦擾動導(dǎo)水通道發(fā)育的動態(tài)監(jiān)測”兩個方面確定為隔水煤巖柱電阻率、礦井水壓、應(yīng)力、水化學(xué)指標(biāo)等礦井突水預(yù)警監(jiān)測指標(biāo)。并利用分布式光纖技術(shù)對大同礦區(qū)老空區(qū)突水通道的動態(tài)演化進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，并最終確定裂縫帶最大發(fā)育高度。

（5）在對研究區(qū)主要水害類型、突水機(jī)理及力學(xué)判據(jù)、礦井突水監(jiān)測預(yù)警模式、監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系、預(yù)警準(zhǔn)則以及礦井突水監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)了大同礦區(qū)老空區(qū)水害遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)，并在進(jìn)行了現(xiàn)場推廣應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

3 主要研究成果

（1）在構(gòu)建均勻半空間模型和具有低阻異常構(gòu)造的層狀模型的基礎(chǔ)上，建立了基于變分模態(tài)方法的瞬變電磁信號降噪模型，研究了變分模態(tài)分解方法在不同地電參數(shù)模型中降噪效果穩(wěn)定，有效去除了模擬信號中的工頻噪聲和天電噪聲。

（2）建立全充水、充1/2水、未充水、全充水含垮落巖體、充1/2 水含垮落巖體、未充水含垮落巖體6 種模型，通過正演所得衰減電壓曲線來研究其電磁響應(yīng)特征規(guī)律。不同積水狀態(tài)下采空區(qū)的瞬變電磁響應(yīng)特征模型如圖1所示。

圖1 不同狀態(tài)積水采空區(qū)模型

（3）提出了煤層頂板老空區(qū)突水綜合判據(jù)，從“礦井積水采空區(qū)與覆巖含水層水位動態(tài)監(jiān)測”和“礦井采礦擾動導(dǎo)水通道發(fā)育的動態(tài)監(jiān)測”等方面建立了礦井突水預(yù)警監(jiān)測指標(biāo)體系。

（4）在對突水機(jī)理及力學(xué)判據(jù)、礦井突水監(jiān)測預(yù)警模式、監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系、預(yù)警準(zhǔn)則以及礦井突水監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)了大同礦區(qū)老空區(qū)水害遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)在光纖監(jiān)測技術(shù)、水化學(xué)監(jiān)測技術(shù)、水溫-水壓傳感器、應(yīng)力-應(yīng)變傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控系統(tǒng)等硬件的支持下，實現(xiàn)水源識別、水溫-水壓、應(yīng)力-應(yīng)變、礦壓等多種預(yù)警指標(biāo)的監(jiān)測和融合。

針對礦井采礦擾動導(dǎo)水通道發(fā)育的動態(tài)監(jiān)測，利用分布式光纖技術(shù)對馬脊梁礦老空區(qū)突水通道的動態(tài)演化進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。在監(jiān)測周期中，通過測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔測試傳感光纜主要呈現(xiàn)拉應(yīng)變，但在拉應(yīng)變顯現(xiàn)中不同鉆孔深度表現(xiàn)出不同應(yīng)變特征（如圖2所示）。

圖2 監(jiān)測孔光纖應(yīng)變分布與地層對應(yīng)關(guān)系圖

4 應(yīng)用效益

研究成果在馬脊梁煤礦8117工作面、8210工作面進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，實現(xiàn)了老空區(qū)水害的監(jiān)測預(yù)警，為老空水威脅下的煤炭開采奠定了堅實的理論基礎(chǔ)，解決了老空水突水治理的難題，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益，提升了企業(yè)的安全生產(chǎn)技術(shù)水平，為老空區(qū)水害的探測和監(jiān)測預(yù)警開創(chuàng)了新的技術(shù)途徑。

本項目于2021年4月8日通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定，研究成果達(dá)到國際先進(jìn)水平。