基于电阻率响应的煤层底板突水危险性评价研究.pdf

分类号分类号X913.4 密密 级级 公公 开开 U D C U D C 单位代码单位代码 10424 基于电阻率响应的煤层底板基于电阻率响应的煤层底板 突水危险性评价研究突水危险性评价研究 李鸿伯 李鸿伯 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 学学 位位 论论 文文 专业名称专业名称安全技术及工程安全技术及工程 指导教师姓名指导教师姓名王王 玉玉 和和 职 称 副 教 授 职 称 副 教 授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一二年六月二零一二年六月 文题目文题目 基于电阻率响应的煤层底板基于电阻率响应的煤层底板 突水危险性评价研究突水危险性评价研究 论论 作者姓名作者姓名 李 鸿 伯 李 鸿 伯 入学时间 2009 年 9 月 入学时间 2009 年 9 月 专业名称安全技术及工程 专业名称安全技术及工程 研究方向灾害预测与防治研究方向灾害预测与防治 指导教师指导教师 王 玉 和 王 玉 和 职职 称 副 教 授 称 副 教 授 论文提交日期论文提交日期2012 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2012 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 INRUSH FROM COAL FLOOR WATER RISK ASE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY fr Shandong University of Science and Technology by Li Hongbo SupervisorProfessor Wang Yuhe College of Resourcesmental Engineering April 2012 SESSMENT BASED ON RESTIVITY RESPONS om and Environ 声声 明明 研究成果。该论文资料尚没有呈交于其研究成果。该论文资料尚没有呈交于其 日日 期期 echnology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The ocument has not been ted for qualification at any other academic institute. re Date 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的 它任何学术机关作鉴定。 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的 它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong University of Science and T d Signatu 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要摘要 煤层底板突水是煤矿煤层开采中经常碰见的一个难题，随着我国煤矿开采深度、开 采规模的增加，煤层底板突水问题日益严重，严重影响我国煤矿产业的发展，煤层底板 突水事故对劳动者生命财产造成了巨大损失。我国华北地区石炭二叠系煤田，煤系地层 直接沉积在奥陶系灰岩之上，煤层距奥陶系灰岩较近，并且普遍具有水压高、有效隔水 层薄、含水层富水性强等特点。 本文分析研究了矿井瞬变电磁法和高密度直流电法的基本原理，根据地球物理电法 勘探的实际应用，介绍了煤矿电法勘探应用方法与煤层地板含水量具体探测方法，并对 协庄煤矿 71309 工作面实际探测过程进行了详细介绍，并对数据处理过程进行了说明， 划分了底板含水量进行电阻率异常区域，详细描述了电阻率探测成果图。 本文以协庄煤矿 71309 工作面为评价实例，将电阻率探测成果应用到煤层底板突水 安全评价研究，制定了煤层底板突水安全评价指标体系，应用层次分析法计算出电阻率 异常区范围等要素权重值，计算出体系中指标层与准则层权重向量，应用模糊综合评价 法，对底板突水概率建立评语集为“大、较大、一般、小、较小” ，并建立指标层模糊矩 阵，将模糊矩阵与权重合成，求出模糊综合评价结果，根据模糊数学最大隶属度原则， 进一步求出模糊综合评价结果，实际开采验证了该评价结果。将方法与传统的突水系数 法进行了数据结果比较，指出本文安全评价方法的优点。 本文权重计算过程与模糊综合评价结果证明电阻率探测是该煤层底板突水安全评价 体系中最要因素；对煤层底板突水评价提供了一种有效可行的评价方法，对煤层的安全 开采提供了帮助。 关键词底板突水；安全评价；电阻率；层次分析法； 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACT Water inrush from coal seam floor is a problem often met in the coal seam mining,along with the countrys coal mining extraction depth,and size of the increase in coal seams and sater board has become an increasingly serious problem, seriously affected the countrys coal mining industry, and development of the coal seams and water board workers lives and property has caused great damage. Many north China coals stacks of coal, and stratigraphy in direct deposition of ordovician limestone, coal ash from ordovician rocks of a more recent, and generally have a high water pressure, water level, and every other aquifer water resistant areas of north China, and therefore, coal mining is the backplane the water pressure is more serious threats. This article analysis of the basic principle of mine transient electromagnetic and high-density DC law, according to the practical application of geophysical electrical prospecting, coal mine electrical prospecting application s and the coal seam floor water content detection , and coal XieZhuang 71309 work face detection process is described in detail, and data processing are described, divided backplane moisture resistivity anomaly region, a detailed description of the resistivity detection result map. In this article, co-loaded coal Xiezhuang71309 Face uation instance, the resistivity detection results applied to the coal seam floor water bursting safety uation and research, developed a coal seam floor water bursting safety uation index system, using analytic hierarchy process to calculate the resistivity anomaly area factor weight value, to calculate the index layer in the system and the rule layer weights vector, fuzzy comprehensive uation of water inrush probability of establishment of reviews set “the larger, generally, small, small“, and the establishment of the fuzzy index layer matrix, fuzzy matrix and weighting synthesis, obtained fuzzy comprehensive uation results further obtained according to the maximum membership degree principle of fuzzy mathematics, fuzzy comprehensive uation results, the actual mining verify the results of the uation. In this paper weight calculation process and fuzzy comprehensive uation results show that the resistivity probe is the most important factor in the safety uation system of the coal seam floor water bursting. Provide an effective and feasible of uation of coal seam floor water bursting, help provide a safe mining of the coal seam. Keywords inrush of water; safety assessment; resistivity; analytic hierarchy process; 山东科技大学硕士学位论文目录 目 录 目 录 1 绪论绪论 ....................................................................................................................1 1.1 课题提出及研究意义 .................................................. 1 1.2 底板突水安全评价研究现状 ............................................ 2 1.3 研究内容及技术路线 .................................................. 5 2 底板岩层含水性电阻率法探测研究底板岩层含水性电阻率法探测研究.................................................................6 2.1 电法勘探研究 ........................................................ 6 2.2 瞬变电磁勘探法 ...................................................... 7 2.3 高密度直流电勘探法 ................................................. 14 3 协庄煤矿 71309 工作面电阻率探测实践协庄煤矿 71309 工作面电阻率探测实践......................................................18 3.1 协庄煤矿 71309 工作面及周边水文地质概况 ............................. 18 3.2 数据采集与数据处理过程 ............................................. 21 3.3 数据处理结果分析研究 ............................................... 30 3.4 本章小结 ........................................................... 37 4 底板突水危险性评价模型研究底板突水危险性评价模型研究......................................................................38 4.1 电阻率探测结果与评价指标体系结合 ................................... 38 4.2 指标权重的层次分析法计算 ........................................... 43 4.3 模糊数学底板突水安全评价应用 ....................................... 46 4.4 本章小结 ........................................................... 50 5 协庄煤矿 71309 工作面煤层底板突水危险性安全评价协庄煤矿 71309 工作面煤层底板突水危险性安全评价 .............................51 5.1 准则层与指标层权重向量计算 ......................................... 51 5.2 电阻率探测结果与模糊数学结合 ....................................... 54 5.3 评价模型比较 ....................................................... 59 5.4 评价系统软件制作 ................................................... 61 5.5 本章小结 ........................................................... 64 6 结论与展望结论与展望......................................................................................................65 参考文献参考文献 ..............................................................................................................67 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果......................................................................................71 山东科技大学硕士学位论文目录 致谢致谢.........................................................................................................................................72 山东科技大学硕士学位论文目录 Contents 1 Introduction............................................................................................................................1 1.1 Raising of Problem and Significance of Research..1 1.2 Floor water safety assessment of the status quo.....................................................................................2 1.3 The research content and the technical route.........................................................................................5 2 Bottom water resistivity value detecting research ..............................................................6 2.1 Electric prospecting research.................................................................................................................6 2.2 Transient electromagnetic of exploration..................................................................................7 2.3 High density dc exploration ....................................................................................................14 3 XieZhuang coal mine 71309 working face of resistivity detection...................................18 3.1 The surrounding hydrogeological situation of XieZhuang coal mine 71309 working face.................18 3.2 Data acquisition and data processing...................................................................................................21 3.3 Data processing results analysis research.............................................................................................30 3.4 Brief Summary of this Chapter............................................................................................................37 4 Floor water-irruption risk assessment model research....................................................38 4.1 Based on the resistivity response uation index system..................................................................38 4.2 The index weight calculation of the analytic hierarchy process ahp.................................................43 4.3 Fuzzy mathematics floor water safety assessment...............................................................................46 4.4 Brief Summary of this Chapter............................................................................................................50 5 Water-inrush from XieZhuang coal mine 71309 face dangerous safety uation......51 5.1 Criterion layer and the index layer weight vectors calculation............................................................51 5.2 Fuzzy mathematical model ..................................................................................................................54 5.3 The comparison of the uation models............................................................................................59 5.4 uation system software production...............................................................................................61 5.5 Brief Summary of this Chapter............................................................................................................64 6 Conclusions and Prospects ..................................................................................................65 References................................................................................................................................67 Academic achievements..........................................................................................................71 Acknowledgments....................................................................................................................72 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1. 绪论绪论 1 课题提出及研究意义课题提出及研究意义 1.1.1 课题的提出课题的提出 长期以来煤炭资源的开发利用是我国国民经济的重要组成部分，煤矿生产的安全稳 定， 直接关系到我国经济发展的安全与稳定。 矿井水害是制约煤矿安全生产的重要因素。 依托国家自然科学基金项目矿井工作面突水地球物理场响应与动态监测基础研究 （50774051） ，拟定了本课题。 1.1.2 选题依据和立论背景选题依据和立论背景 我国煤矿床水文地质条件复杂，煤矿水害事故类型主要有地表水体水害事故，占 中国煤矿突水事故的 4.9；冲积层水水害事故，占 1.4；砂岩类含水层水害事故，占 1.4；灰岩类岩溶水水害事故，占 92.3，可见，防治灰岩岩溶类承压水突水是矿井水 害工作的重点。我国华北型煤田下组煤（太原组煤）及石炭二叠系煤田开采受到奥灰承 压水威胁尤为突出，该区域奥陶纪灰岩富水性强、水压高、隔水层薄、区内张裂性、张 剪性断裂及陷落柱发育严重。 我国煤矿防治水技术目前处于世界领先地位，但由于煤矿水文地质条件复杂，几年 来，随着科学技术的进步，矿井建设和矿井生产的速度与规模速度扩张，煤矿生产与建 设过程中的装备、工艺、技术都有了极大的提高，开采深度，开采方式和工作面开采空 间尺度的变化使水害产生机理发生变化，而矿井水害预警技术与防治技术的发展远不能 适应矿井生产与防治水的需求，煤炭企业在开采速度快速增长与防水安全配套技术不协 调，从而导致近年来煤矿突水事故频发，煤矿突水事故、死亡人数及经济损失快速上升， 我国煤矿开采底板突水防治方法主要是深降强排、排供结合、综合防治，带压开采，在 带压开采条件下，底板承压水导通通道、导水裂隙带高度、含水区域富水性等探查不明 确，我国大部分煤矿使用煤矿突水水源水量探查工作不到位，对地质构造情况缺乏足够 的认识，盲目的开拓开采，与之对应的是缺乏一套行之有效的钻探物探相结合技术，也 是是导致煤矿底板突水事故频发的重要原因之一。 进入 2004 年以来，华北地区先后发生了峰峰、邯郸、山丹、重庆彭水、新泰华源、 山西王家岭等矿区特大突水淹井事故，造成了严重的人员伤亡，旧式的煤矿防治水技术 已经不能满足现代开采的需求，煤炭的高效高速开采与相对滞后的煤炭防治水技术必然 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 1. 导致各种煤矿突水的发生。矿山生产企业缺乏专门的水害防治技术队伍和规范化的水害 安全监督检查体系。 近年来，矿山建设、生产体系及发展管理模式逐渐进入由市场规律调节，而安全问 题是不容由市场进行调控的，越是生产管理进入市场调节，越应加强安全生产管理的专 业化和强制规范化，健全安全生产和安全监控体系。而目前我们的矿山生产企业缺乏专 业的矿山水害防治技术队伍，缺乏对生产工作面、矿井进行水害安全技术论证、技术监 控和安全技术保障体系的建立。 目前与开采说明全国煤矿底板突水防治工作还有待提升， 安全评价理论与技术还有待完善。 这些因素严重影响了煤矿的正常生产，做好煤矿底板突水的安全评价工作，杜绝煤 层底板恶性突水事故是煤矿安全生产中的重点。 2 底板突水安全评价研究现状底板突水安全评价研究现状 1.2.1 矿井突水预测研究现状 近几年来，全国各高校、研究院所的众多研究人员针对煤矿底板突水灾害问题对底 板突水危险评价做了深入广泛研究，取得了丰硕的研究成果，较好的指导了煤矿底板突 水预测预警工作。 在煤矿底板突水的危险研究中，煤炭科学研究总院的张金才等基于薄板理论，计算 得到了煤矿底板突水的预测公式。 1999 年江东、王建华结合山东肥城国家庄煤矿底板突水预测的研究工作,基于 GIS 创建了煤矿底板突水预测模型的构建与应用方法。系统阐述了在 GIS 的空间分析、空间 操作功能的支持下,建立底板突水预测模型的基本理论与方法[1]。 王连国、 宋扬用数量化理论研究了矿井突水危险性评价问题,建立了一个实用的矿井 突水危险性评价模型,为煤矿安全评价开辟了一条新途径[2]。 山东科技大学的施龙青通过对煤矿大量突水资料分析研究，讨论了突水中各种制约 因素的作用大小，基于概率统计理论及专家经验来得到制约因素在突水中所起作用的权 重值，得到了计算突水概率指数的数学模型，提出了利用突水概率指数法来预测采场底 板突水的方法[3]。突水概率指数法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。 李金凯、王延福、李庆广针对华北型的岩溶煤矿运 用信 息 分析 的原理 和 方法 借助信息分析手段使各类突水因素对突水岩体 的作用大小通过信息量这一信息单位来 度量， 为突水因素分析提供了一种定量分析的手段， 从而解决了各类 突水因素的优化和 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 配置问题[4-6]。 2006 年张文泉,俞海玲应用层次分析法AHP确定矿井顶板涌水影响因素的权值，对 影响顶板涌水量的主要因素进行加权,获得了比较实际的权重结果， 为矿井顶板涌水等级 评价提供了更准确的依据[7]。 武强、 张志龙、 马积福煤层底板突水评价的新型实用方法主控指标体系的建设。 提出了符合我国煤层底板突水实际的新型实用主控指标体系，具体研究了体系中各突水 主控指标在矿井突水过程中的作用方式与特征[8]。 李京红、王晓明等结合煤层底板岩性、岩层组合，分析带压开采突水时使用了阻水 系数方法进行预测， 依据参考试验获得的参数, 建立了华北地区带 水 压开采评价准则 及预测模式[9]。 李富平、靳德武、王延福等进行回采工作面突水预测时利用了神经网络方法，并与 模糊聚类法及灰色聚类法进行了对比[10]。 靳德武、王延福运用动力学模型及信息论对煤层底板突水进行了有效预测[11-12]。 中国矿业大学特聘教授赵阳升等运用基于多含水层水力联系理论预测奥灰突水[13]。 张西民、王连国等利用数量化理论对影响底板突水的定性因素进行了量化分析研究 [14-15]。 武强,庞炜，戴迎春，俞佳南运用 GIS 多元信息拟合综合方法对底板突水预测模型进 行了研究[16-18]。 在煤矿底板突水危险评价中神经网络法、模糊数学理论、GIS 系统和多源信息复合 处理法等理论被广泛应用，各种理论体系的应用研究，为煤矿底板突水打下了良好的理 论基础。现代计算机技术的应用，预警软件开发技术的不断进展，也保证了各种煤矿突 水方法的实用性。 1.2.2 煤矿底板突水电阻率评价技术研究现状煤矿底板突水电阻率评价技术研究现状 上世纪八十年代开始，我国开始井下直流电法进行矿井水文地质条件调查，邯郸矿 务局于 1985 年前后， 以直流电法为主要方法进行底板隔水层厚度、 导升高度以及裂隙发 育带等探测也获得成功；与此同时，西安研究院、山东科技大学、中国矿业大学和唐山 研究院相继在淮北、淄博、新汶、韩城等矿区，利用矿井直流电阻率法探测含水层富水 性、底板隔水层、破碎带导水通道等取得了较好的效果。 瞬变电磁法（Transient Electromagnetic ，简称 TEM）是时域方法之一，最早 起源于美国科学家 L.W.Blan 于 1933 提出的“Eltran”法。上世纪 50-6-年代，前苏联科学 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 家完成了瞬变电磁的的一维正、反演并完成了瞬变电磁的解释理论。我国与上世纪 70 年代对瞬变电磁方法进行研究，长春地质学院等众多科研院在理论研究、系统开发和野 外试验方面做了大量工作，并自主研发了一些瞬变电磁系统，在理论和方法技术方法推 动了瞬变电磁方法在我国的应用。最初的理论研究仅限于地表半空间均匀层状介质瞬变 电磁场[19]， “烟圈”理论的提出，简化了瞬变电磁资料的反演与解释[20]，80 年代有限单 元、有限差分、积分方程等二维瞬变电磁场正演方法逐渐发展起[21-22]，90 年代开始出现 了三维瞬变电磁场的正演的算法[23-24]，地面瞬变电磁法的基本理论趋于完善。 直流电法是物探技术中相对成熟的一种探测方法, 早在 20世纪 50年代就在前苏联 开始研究。 三点源超前探测则是直流电三极电测深方法的一种,它通过几何交汇解决了体 积效应探测中的异常定位问题。高密度电法也属于直流电法中的一种，高密度