坑道突水-突水预测中国学者早在1964年就开始了底板突水规律的研究，提出了采用突水系数作为预测、预报底板突水与否的标准。突水系数就是单位隔水层所能承受的极限水压值，表达式为式中， p ——作用于底板的水压，MPa;M ——底板厚度，m。用突水系数评价底板稳定性的关键在于确定临界突水系数 Ts，可定义为每米隔水层厚度所能承受的最大水压。若 T < Ts说明底板稳定，突水可能性小;反之，T > Ts则说明底板不稳定，发生底板突水的可能性大。2　阻水系数法阻水系数法是通过现场底板钻孔水压致裂法底板岩石的平均阻水能力,计算公式为Z = P /R,式中, Z为阻水系数; R 为裂缝扩展半径, 一般取R= 40～50; P为岩体破裂压力, P = 3σ2 - σ1 +σT -P0 ;σ2、σ1 为底板岩层最大、最小主应力;σT 为岩体抗拉强度; 为岩体孔隙压力。利用阻水系数法预测底板突水性的原则是:a.岩石破裂压力大于水压,则不产生突水;b.若岩石破裂压力小于水压,则用水压与有效隔水层总阻力能力Z总( Z总= Zh )相比,如果有效隔水层总阻力能力大于水压,则不会发生突水,否则,有突水可能性。坑道突水-原理1、工作方法及特点直流电法灵活，根据不同探测目的，可以采用多种工作装置形式。井下探测通常应用对称四极测深装置、三极测深装置和三点三极超前探装置。直流电法具有理论成熟、仪器简便、抗干扰能力强的优点，可用于探测巷道掘进工作面前方富水体范围、划分顶底板岩层贫富水区域、确定工作面回采时的易突水地段、评价工作面回采时的水害安全性等。2、 “地质-电法-测温”多参数综合超前探测技术综合超前探测技术是结合地质信息分析、井下直流电法超前探测、红外测温的综合超前探测法.它根据同一地质构造(源)引起的地层形变场(定性)、电磁场(定量)、地温场(定性)等多种参数变化趋势同步、灵敏性不同的特点,利用“同源异场”聚焦的作用,定性与定量相结合,能提高探测准确度,为“非接触式”井下综合超前探测法,或称“地电热”综合超前探测技术。a. 该技术综合了地层形变场、电磁场、地温场的优点，定量与定性相结合，具有“同源异场”的聚焦作用，多参数变化趋势同步、灵敏性不同之特点，属“非接触式”综合探测法，比目前国内外常规单一探测技术优越得多，能避免因钻探等“直接接触式”探测法突然遇到或揭露高压富水地段而大量突水的可能性，又减小了物探解释的多解性. 该技术应用方便、成本低，能准确预测边界大断层及其分支断层的位置及其导水、含水性，能有效保障煤矿生产安全。b.该方法适用于一般(煤)矿带水压掘进(或开采)巷道正前方0～150m的灾害性地质构造(如老窑采空积水区、导水断层、导(突)水陷落柱、潜在导水断裂发育带、煤层突变带等)的超前探测预报，及类似(高水压、高风险)边界大断层附近的掘进超前预测预报，可进行近距离定性定量相结合的综合超前探测。c.在应用该“同源异场”预报理论预报时，要注意:①选择有效的、灵敏度较高的、有一定超前量的预测指标;②确定各种“场”的预报临界值;异常临界值的确定需要许多基本资料，并按照一定规律进一步调整;③进行各场之间相关的同步性、趋势性、灵敏性分析;④定性与定量相结合，各参数相互印证、综合判断;⑤以煤层为主要研究对象.煤层在煤矿中揭露最多，具有可塑性与流动性，含最活跃的指标参数。3、核磁共振技术在煤矿突水监测中的应用NMR方法受地质因素影响小。例如，用电阻率法和电磁测深法卡尼亚视电阻率在某一范围内无法区分裂隙中泥质充填物和自由水，而NMR方法可以清楚地显示出他们的界线。可能给煤矿坑道造成突水灾害的水，必须有一定的量，必须在坑道附近不远的范围内，必须有一定的破碎带、裂隙、断层、岩溶陷落柱、疏松带、废弃坑道等地质或人为构造。这些都是可以用核磁共振测水方法准确地探测清楚的。按照目前的核磁共振测水技术，需要进一步研究解决的一是天线在坑道中的布设方法;二是所测到的富水构造的方位确定问题。换言之，在地面可以任意大小地铺设的天线，而在空间受到限制的坑道内需要研究如何设计与铺设天线才能测到NMR信号。核磁共振找水技术是目前世界上唯一的直接找水技术，可以清楚地探测到150m范围内含水构造的含水量、导水条件(渗透率)。将此技术用于煤矿突水预测，将会极大地提高预测的速度与准确性。4、基于神经网络的煤矿底板突水预测煤矿突水的影响因素主要有四个:含水层岩溶发育程度(KT)、水压(WP)、隔水层厚度(T)和断裂构造的复杂程度(DF)。设突水水量为Q，则煤矿突水模型可以表示为: Q=f(KT，WP，T，DF) 实际研究中，需要根据一系列的Q一(尺T，WP，T，DF)样本数据序列，推算出映射函数f的具体形式。本次主要是利用人工神经网络的自适应性和学习功能，以简单函数的多次叠代，实现对映射函数f的逐次逼近，最终得到满意的预测模型。人工神经网络具有分布式记忆、自学习、自适应性等特点，因此，应用于在煤矿底板突水等地质灾害预测模型的建立过程中，可以获得显著的预测效果。同时，研究过程中尚存在着诸如有时模型滞留于区域极小值附近而使学习效率降低等不足，有待在今后的工作中加以改进。5、利用物探信息预测煤矿水害利用地面三维地震、地面瞬变电磁法等物探手段，查明采区内断层的分布、导水裂隙带的发育高度及分布、隔水层的厚度及分布、含水层的厚度及分布，为顶底板突水预测提供准确详实的水文地质资料，以弥补常规手段所获取资料的不足，并为非量化因素的量化提供新的研究途径。根据钻孔测井数据(声速、密度、电阻率、自然电位、自然伽玛等)，求取岩石物性参数。对孔间地震资料进行反演，推断地层岩性在平面上的变化情况，确定导水裂隙带的分布范围。研究煤矿顶底板突水的机理和影响因素;研究有关的非量化因素的合理化手段，并建立有针对性的矿井突水预测模型，确定合适的参数及分类阈值，以提高突水预测的精度。建立比较确切的预测与评价模型，实现地质资料的信息化、数字化和可视化，为突发性水害应变对策的制定提供技术支撑。。利用地面三维地震、地面瞬变电磁法、无线电波透视法等物探手段，查明采区内断层的分布、导水裂隙带的发育高度及分布、隔水层的厚度及分布、含水层的厚度及分布，为顶底板突水预测提供准确详实的水文地质资料。利用GIS作为平台，把三维地震、瞬变电磁、构造地质、水文地质等多源信息进行复合、综合分析后建立预测模型，对煤矿水害进行预测。它的研究成果为煤矿水害预报提供了新的手段，对我国煤矿的安全生产具有重要意义。6、遥感技术预测矿区突水的可行性众所周知，遥感图像对矿区构造解译，特别是对矿区外围的区域构造解译是常规地质和物探手段无法比拟的。而这些区域断裂构造往往控制着与突水有直接关系的强径流带。强径流带内岩溶发育，含水性强，对矿井突水起决定性作用。如焦作矿区的凤凰岭断层强径流带内岩溶发育，含水性强，对矿井突水起决定性作用。如焦作矿区的朱村断层强径流带、方庄断层强径流带等均属此类构造。同时突水点空间分布又与这些主干断层有着密切的关系，突水点一般分布规律如下。①两条主干断裂的复合部位及其锐角一侧形成富水区。②主干断层旁侧的入字型小构造。③断裂密集带。④主干断裂的横张结构面形成的岩溶水的脉状溶水带。⑤断层消失端。因此，利用遥感数据解译区域断裂构造，进而寻找井下主要涌水补给通道是可以实现的。另外，遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)技术，对多源信息进行复合处理，可对富水矿区的突水灾害进行预测。7、应用GIS进行突水预测将影响底板突水的5种主要因素、10种数据的专题文件输入计算机，进行复合处理，初步构造出突水的数学模型，再通过拟合校正，建立突水模式。经过多种模型的运算与反复拟合，最终选定拟合程度最好的突水模式为:式中 n——突水指数;F——断层密度，条/km2;H——水头压力，MPa;M——底板阻水能力MPa;a、b——权重系数，分别为0.8和0.2;c——修正系数，水压为0时取0，否则取1。根据上述突水模式运算结果与实际突水资料的拟合程度，确定杨村井田17煤分区阈值如下:安全区n38、 瞬变电磁法探测煤矿水害瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method)简称 TEM，属于感应类电磁探测方法。该方法具有勘探深度大，穿透高阻层能力强，随机干扰小，可以在远区观测，也可在近区进行观测，选择不同时间窗进行观测，可以获得不同深度的地质信息等优点。广泛的应用于矿产资源勘探、环境地质调查、水文地质与工程地质调查等领域，已成为煤矿水害探测最为有效的方法，为矿井安全生产提供了有力的保证。当探测地下地质体时，向地面敷设的发送回线中通以一定的稳定电流，从而在回线中间及周围一定区域便产生稳定磁场(称一次场或激励场)。若一次电流突然断开，则一次磁场随之消失，使处于该磁场中的良导地质体内部由于磁通量Φ的变化而产生感应电动势ε = dΦ/dt(法拉第电磁感应定律)，感应电动势在良导地质体中产生二次涡流场，二次涡流又因焦耳热消耗而不断衰减。其二次场也随之衰减。由于感应二次场的衰变规律与地下地质体导电性有关，导电性越好，二次场衰减越慢，导电性越差，二次场衰减越快。所以通过研究瞬变场随时间的变化规律，就可达到探测地下各种地质体的分布情况。9、突水概率指数方法突水概率指数是指应用赋权的方法，将影响底板突水的各种因素在底板突水中所起的作用进行定量化，通过一定的数学模型求得的总体量化指数即为突水概率指数。突水概率指数法是一种结合现场实际来预测采场底板突水的一种新方法，它不仅考虑了多种因素对突水的综合影响，而且能够反映研究区的突水规律。经过计算机程序化后，其现场可操作性十分方便。施龙青教授运用突水概率指数法，以肥城煤田为例，阐述了该方法在预测煤矿底板突水中的应用。10、 底板突水的突变理论预测在承压水上开采煤层后, 底板岩层的原始应力状态被破坏, 致使应力重新分布, 从而导致底板岩层失稳破坏形成导水裂隙, 其结果往往造成底板承压水通过采动裂隙突然涌入开采作业空间, 形成底板突水。整个过程具有非连续突变特征,属于突变理论研究的范畴。因此，采用突变理论的方法对煤层底板突水问题进行研究,是符合其本质特征的，并有助于寻求底板突水危险性预测的新途径。上部为煤层底板突水系统状态突变流形(平衡曲面),下部为uov平面,其中u,v表示控制煤层底板突水的两类基本因素：底板导水裂隙发展因素和突水阻抗因素。平衡曲面由上、中、下三叶构成,其中上、下两叶是稳定的,中叶是不稳定的。下叶代表煤层底板非突水状态，上叶代表煤层底板突水状态。底板处于稳定状态时静态的承压水(下叶)和底板岩层失稳破裂产生突水通道后处于动态的承压水(上叶)是煤层底板突水系统所处的两个平衡位置，突水过程则是系统状态变量x由下叶跃迁到上叶的过程。坑道突水-分类准则坑道突水的分类准则是要能够反映突水水源、突水途径与通道，指示突水特征，便于分析突水条件和机理、评价突水结果和防治。据此，坑道突水可分为地表渗透涌水和地下含水层(带)突水;顶板突水和底板突水等。坑道突水-严重的省份坑道突水较严重的省份是：山西(六大煤田中有五个发生过，近年来4起)、山东(77年以来严重的突水发生12起、死17人，年均直接损失1.5-2亿元)、安徽(27起、死25人)、江西(50年代以来共68次)、广东(13次、死89人)、广西(83起、死7人)、河南(在15个矿井中1h现24次)，此外吉林(至少3次、死6人)、江苏、浙江(4起)、四川等省(区)也较为严重。据全国13宗大、中、小型突水事故的统计，其直接经济损失每次达23-5600万元，平均每次1172.39万元，全国近一、二十年来262宗突水事故共损失30.72亿元，平均每年3亿元以上。坑道突水-勘查类型的认定 1、矿区水文地质勘查类型分为三类三型。根据矿坑充水含水层的地下水类别，确定矿区水文地质勘查类型的三类(孔隙充水矿床、裂隙充水矿床、岩溶充水矿床)不会有甚麽分歧。确定水文地质勘查类型的三型(简单、中等、复杂)，则会出现不同的理解和标准。2.确定矿区水文地质勘查类型的三型，不仅要考虑充水含水层的地下水类别，还要考虑充水含水层的数量及其导水性;充水含水层的钻孔单位涌水量;地下水的储存量;地下水的补给强度;矿床与当地侵蚀基准面的相对位置;矿井涌水量的大小;矿坑水的自然排放条件;导水的断层和陷落柱;地面塌陷;河流、湖泊和水库等地表水体;以及烧变岩积水、老窑积水等因素。3.坑道突水可以形成最为严重的矿难。因此，可以这样理解和概括：是否存在坑道突水事故的威胁，是确定矿区水文地质勘查类型三型的主要依据。4.不存在突水事故威胁的矿床，属水文地质勘查类型简单型的矿床，例如：1位于地下水位以上的矿床。2位于地下水位以下，但具有自流排水地形条件的矿床。3矿坑充水含水层少于或等于3层，其导水性和补给量有限，矿井涌水量小于5000m3/d的矿床。不存在突水事故威胁属水文地质勘查类型简单型的矿床，在矿山的基建和开采阶段，需要投入的水文地质工作有限。5.具有突水事故威胁的矿床，属水文地质勘查类型中等型的矿床，例如：1位于海面以下、湖面以下开采的矿床。2矿床顶板以上存在可能突水的厚层砂砾石孔隙水含水层的矿床。3矿床底板以下或是围岩存在可能突水的厚层石灰岩岩溶水含水层的矿床。4矿坑充水含水层多于3层，其导水性和补给量较大，矿井涌水量大于5000m3/d的矿床。具有突水事故威胁属水文地质勘查类型中等型的矿床，在矿山的基建和开采阶段，需要投入一定的水文地质工作。6.具有严重突水事故威胁的矿床，水文地质勘查类型属复杂型的矿床，例如：1矿床顶板以上存在可能突水的厚层砂砾石孔隙水含水层，同时矿床底板以下或是围岩存在可能突水的厚层石灰岩岩溶水含水层的矿床。2矿床顶板以上存在可能突水的厚层砂砾石孔隙水含水层，该含水层位于矿坑冒落带与导水裂隙带范围以内，或是接近冒落带与导水裂隙带的高度。3矿床底板以下或是围岩存在可能突水的厚层石灰岩岩溶水含水层，其间隔水层的厚度接近或小于安全的隔水厚度。具有严重突水事故威胁属水文地质勘查类型复杂型的矿床，不仅在矿山的基建阶段需要投入一定的工作，在矿山的开采阶段，也需要“边探边采”，施工大量的探水钻探进尺。7.露天开采的矿床，与地下坑道开采的矿床有明显的不同。1露天开采的矿床，由于排水条件优越，不会出现严重的突水事故，因此，一般均属于水文地质勘查类型简单的矿床。2需要疏干开采的露天开采矿床，则属于水文地质勘查类型复杂的矿床。如内蒙古自治区赤峰市元宝山煤矿，疏干排水量5.8m3/s;河北省邢台市北洺河铁矿，疏干排水量5.3～10.0m3/s。坑道突水-危害 (一)矿区坑道突水中国北方的煤矿区地处中朝准地台，寒武纪、奥陶纪灰岩受其控制形成开阔性褶皱大型储水构造。溶隙充水矿床赋存于巨大的奥陶系岩溶水系统中，分布面积广，储量丰富，矿床底板突水严重地危害煤矿开采。据不完全统计，涌水量在10立方米/分以上的突水事太累计达200余次，给矿区造成严重损失。其中，太行山东麓的煤矿区在开采石炭、二叠纪煤层时，频繁发生突水事故，特别是当矿区断裂异常发育，岩溶水处于积极交替状态，富水性极强时，更导致矿区突水次数和强度增大。究其原因，绝大部分是由于矿层底板隔水层太薄或断层破碎带削弱了底板隔水层强度，因而承受不了底板水头压力及矿山压力的结果，有时由于中奥陶统发育岩溶隐落柱，使上覆岩层陷溶，塌陷裂隙把岩溶水引入矿坑造成突水。例如开滦煤矿范各庄矿1984年6月特大突水顺陷落柱溃入矿坑，殃及四个大矿井，最大突水量达2 053立方米/分，损失巨大。中国南方主要为岩溶充水矿床。在长江中下游及南岭一带的大多数金属矿床及湘、赣、鄂、奥等地的二叠纪煤矿，充水岩层主要为泥盆、石炭、二叠、三叠纪的碳酸盐岩。湖南的恩口煤矿自1958年建矿以来因底板突水曾经多次发生淹井事故。其中，娄底镇煤矿突水量达38.3立方米/分，经济损失惨重，突水原因主要是底板二叠系第四组灰岩中的溶洞裂隙水高压突水来源。据1981年统计，矿区岩溶塌陷坑达559个之多，塌陷导致地表水灌进矿坑，河水灌入量达86.94立方米/分。其中，石炭、二叠系岩溶水与大气降水、河水有明显联系，暗河管道流量随降雨而暴涨暴落，因此矿坑突水量变化极大，矿区采矿受到严重威胁。如四川红岩煤矿开采三叠系龙潭煤层，开采层位于当地侵蚀基准面以下，煤系顶底板为富水的长兴灰岩、茅口灰岩岩溶含水层。在茅口灰岩中发育有四条暗河，汇水面积大，1974年9月暴雨后发生矿井突水，最大突水使矿坑涌水量达77.7立方米/分，给生产带来严重困难。中国矿区突水特征与分布规律表明，矿区突水与自然地理、气候、大地构造、水文地质条件等因素有关，而至关重要的是矿区所处岩溶水系统的天然资源量的大小和水压。所以，矿坑突水量和突水次数基本能够反映矿区所受危害的程度。根据对淄博、焦作、开滦、峰峰、韩城等矿的统计资料，80年代矿井突水量比60年代增加了近4倍。如淄博煤矿自1934年开采以来，到1987年共发生突水164次，其中主要因素是岩溶发育程度及富水性共同决定了突水程度的大小。(二)地下水触发岩土体滑动在外动力地质现象中，由于重力、地下水及地表水冲刷等作用造成的岩土体滑动，分布比较广泛。其中地下水流起着重要作用，有时甚至成为起主导作用的因素。据调查，黄河流域和长江流域外力地质现象较为发育，其中岩土体滑动的危害十分严重。黄河流域的黄土地区主要是土体滑动危害严重，而且有一定区域性和地带性。甘肃和青海省的黄土地区，黄河及其支流切割深度达数百米。当下伏为第三纪粘土层时，沟谷下切至粘土层后，地下水汇集并软化粘土层顶部，因受侧向荷载影响，形成瞬间急剧大滑动、滑动土体体积达数百至数千万立方米，滑距数百米至千余米。陕西渭河北岸黄土塬边，在各级阶地上覆盖有巨厚的黄土，在地下水作用下，产生黄土体的滑动。在长江流域西部到中部的高山、中山及低山丘陵区，大面积分布有食泥质或云母质较高的千枚岩、砂泥岩等，层理和节理发育，含水性好，浸水易软化，其中的层理及软弱泥化夹层易构成滑动带，尤其是当斜坡遭受暴雨袭击时，坡体中含水岩层水量猛增，地下水位迅速抬高，增大了静水压力，造成斜坡变形，促使岩体滑动。坑道突水-发展趋势坑道突水的发展趋势是：国营矿山由于安全工作抓得较好，此类灾害发生较少，并不断减轻，而个体和集体矿山则发生较多，并有增多的趋势;山东省近几年发生趋广频繁。坑道突水-防治措施坑道突水的工程防治措施很多，其原理都是尽可能地保持固有地质体及其水文地质的平衡状态，强化抗突能力，削弱突水条件。常用的基本上分为地面和地下两类针对性设施和手段，包括排水疏干、工程与水源之间保留防水矿柱、修建水闸墙、门、灌注水泥浆、堵塞可能的渗透途径和通道等。