星村煤矿西区底板断层突水危险性评价.pdf

硕士学位论文 星村煤矿西区底板断层突水危险性评价 RiskAssessment of Water Inrush From Floor with Fault in the Western Area of the Xingcun Coalmine 作者谭 博 导师隋旺华教授 中国矿业大学 二○一四年六月 万方数据 中图分类号P642学校代码10290 UDC622密级公开 中国矿业大学 硕士学位论文 星村煤矿西区底板断层突水危险性评价 RiskAssessment of Water Inrush From Floor with Fault in the Western Area of the Xingcun Coalmine 作者谭 博导师隋旺华教授 申请学位工学硕士培养单位资源与地球科学学院 学科专业地质工程研究方向矿井水害防治 答辩委员会主席姜振泉评 阅 人陈忠胜、李晓昭 二○一四年六月 万方数据 78 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文星村煤矿西区底板断层突水危险性评 价 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取 得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年月日 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名导师签名 年月日年月日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生谭博在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案的要 求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位 论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文 撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文送专 家评审。 导师签字 年月日 万方数据 致谢 本硕士学位论文是在导师隋旺华教授的悉心指导下完成的， 在此表示最衷心 的感谢。隋旺华教授坦诚的授学待人之道，使我得益非浅，终身难忘，在许多关 键学科问题上的指导使我能顺利进行课题研究工作，再次致以最诚挚的谢意。 在现场资料收集时，得到了星村矿白科长等矿区领导的热情支持和密切合 作，在此一并向他们表示深深的感谢。 论文中的部分实验数据，得到了马路兴、王雅敬等师弟师妹的帮助，在此表 示衷心的感谢。 论文中的数值模拟，得到了已毕业的徐德金和胡巍两位师兄的大力支持， 当 然，也得到高艳卫、其他师弟师妹以及宿舍舍友所给予的帮助，在此特别提出感 谢。 三年硕士生生活中， 有幸认识了很多朋友。 也得到了不仅仅是学业中的帮助， 也有生活上的关心，在这里，由衷地祝福大家以后身体健康，事事如意。 感谢资源与地球科学学院、工程地质所及水文所的各位领导、老师在硕士阶 段学习和生活中给予的无私帮助和关怀感谢论文审阅老师、答辩专家及所有引 用文献的作者。 最后，我要感谢我的父母在我攻读硕士学位期间对我的理解、关心、帮助和 支持。 万方数据 万方数据 I 摘要摘要 本文是对星村煤矿西区底板断层突水危险性的评价研究。 在收集钻探、 物探、 突水资料、奥陶系石灰岩含水层水文地质资料的基础上，通过理论分析、数值模 拟、多源信息融合技术等手段开展研究工作，评价了星村煤矿西区开采山西组 3 煤层时底板突水的危险性。论文得到以下主要成果 （1）星村煤矿西区在开采 3 煤层时，顶底板砂岩裂隙水和第三层石灰岩水 为直接充水水源，富水性弱，补给条件差，以静储量为主，水文地质条件简单， 对煤矿安全生产危害不大；3 煤层底板受奥陶系石灰岩的影响，由于奥陶系石灰 岩含水层水压大和断层的发育，容易引起底板断层突水事故，需重点关注。 （2）在分析影响矿井底板断层突水的主要因素（包括断裂构造、含水层富 水性、底板含水层水压、隔水层特性以及矿山压力等）的基础上，使用 FLAC3D 软件，分别模拟底板存在断层和完整底板、隔水层底板不同岩性组合、开采厚度 等对底板破坏影响程度。对比模拟结果与理论分析结果，较好地描述了各个影响 因素在底板突水过程中的作用。 （3）结合星村煤矿实际情况筛选出了突水危险性评价指标，包括断层密 度、断层的交点和端点、断层规模指数、含水层水压、隔水层有效厚度、3 煤层 赋存深度、煤层厚度；采用熵权系数法、主成分分析法、层次分析法计算评价指 标的权重；利用多源信息融合技术将评价指标复合叠加，建立了突水危险性评价 模型。 （4）引进图像分割中比较常用的 Otsu 方法、信息论中最大熵值分割值以及 自然分级法确立阈值，进行了底板突水危险性分区。针对建立的三种突水危险性 分区，结合星村煤矿具体突水特征，选择了最优评价模型，即熵权系数法。并将 熵权系数法与传统的突水系数法进行了比较，结果表明本文建立的模型更为适 合。 论文有图 47 幅，表 25 个，参考文献 101 篇。 关键词关键词煤层开采；断裂构造；熵权系数法；多源信息融合技术；数值模拟； 底 板突水危险性评价 万方数据 II Abstract This paper presents a risk assessment of coalmining-induced groundwater inrush from the floor with faults in the Xingcun Coalmine．Based on an extensive collection of data, such as drilling data，geophysical prospecting，hydrogeological conditions of the Ordovician limestone aquifers，theoretical analysis，numerical simulation and multi-source ination fusion technology are adopted to uate the risk of underground water inrush from the floor due to mining Coal Seam No.3．The main results are as follows （ 1 ） When Coal Seam No.3 is mined in the western area of the Xingcun Coalmine, the aquifers of sandstone and Limestone No.3 are the direct groundwater source．However，their hydrogeological condition is simple because of poor water recharge and static reserves，which will have little possibility to influence the coal mine safety．Some parts of the coalmine are influenced by the Ordovician limestone with a large water pressure and a large density of fault，which should be indeed focused on because of its easily cause of groundwater inrush accidents from the floor． （2）Based on the analysis of the main factors affecting groundwater inrush from the floor with faults in the Xingcun Coalmine，including fault structure，conductivity of aquifer，the water pressure of floor aquifer，aquiclude and mine pressures，this paper simulates the influences of floor with faults，integrate floor without fault，floor aquifuge lithological properties of different combinations and cutting heights on the floor damage degree by using the code FLAC3D．The combination of the theoretical analysis and numerical simulation is more intuitive to accurately describe the influencing factors in groundwater inrush process． （3）The following inds for groundwater inrush risk uation are selected combined with the actual situation of the Xingcun Coalmine fault density，fault intersections and endpoints，the index for fault scale，pressure of aquifer，effective thickness of aquifuge，depth of Seam No.3 mining，and cutting height of coal seam． The weight of uation index is calculated by using the entropy weight coefficient , principal component analysis ， analytic hierarchy process ． A model of groundwater inrush from fault in floor is constructed by using multi-source ination fusion technology for the composition and superposition of uation inds． 万方数据 III （4）The commonly used Otsu in the image segmentation，maximum entropy value in ination theory and natural classification are introduced to establish the threshold groundwater inrush risk zoning from fault in floor．According to the three kinds of groundwater inrush risk zoning， the optimal model of the entropy weight was chosen by combining with the specific characteristics of groundwater inrush of the Xingcun Coalmine in this paper．Comparisons among the used in this paper with the traditional show that the entropy weight proposed in this paper is more suitable for the risk assessment of groundwater inrush from floor with faults． KeywordsCoal mining；Fault；Entropy weight ；multi-source ination fusion technology；Numerical simulation；Rash assessment of groundwater inrush from floor 万方数据 IV 目录目录 摘要摘要I 目录目录IV 图清单图清单VIII 表清单表清单XI 变量注释表变量注释表XIII 1 绪论绪论1 1.1 研究背景及意义1 1.2 国内外研究现状3 1.3 主要研究内容6 1.4 研究方法及技术路线7 2 地质与水文工程地质条件地质与水文工程地质条件9 2.1 自然地理概况9 2.2 地质条件10 2.3 水文地质条件18 2.4 工程地质条件25 2.5 本章小结25 3 底板断层突水主要影响因素分析底板断层突水主要影响因素分析27 3.1 断裂构造27 3.2 含水层富水性31 3.3 底板含水层水压31 3.4 隔水层33 3.5 矿山压力39 3.6 本章小结44 4 星村煤矿西区底板断层突水危险性评价星村煤矿西区底板断层突水危险性评价 45 4.1 评价方法45 4.2 3 煤底板突水危险性综合评价指标47 4.3 3 煤突水危险性评价模型的建立52 万方数据 V 4.4 阈值的确定60 4.5 评价结果及分析63 4.6 本章小结68 5 结论及建议结论及建议 69 5.1 结论69 5.2 建议70 参考文献参考文献71 作者简历作者简历77 论文原创性声明论文原创性声明78 学位论文数据集学位论文数据集79 万方数据 VI Contents AbstractII ContentsVI List of FiguresVIII List of TablesXI List of VariablesXIII 1 Introduction1 1.1 Research Background and Significance1 1.2 Research Status at Home and Abroad3 1.3 The Main Research Contents6 1.4 The Research and Technical Route7 2 Geological and Hydrogeological Engineering Conditions9 2.1 Natural Geographical Conditions9 2.2 General Geology10 2.3 Hydrogeological Conditions18 2.4 Engineering Geological Conditions25 2.5 Summary25 3 Analysis on Key Factors Influencing Groundwater Inrush from Floor with Fault27 3.1 Fault Structure 27 3.2 Abundance of Aquifers31 3.3 Water Pressure of Aquifers31 3.4 Aquifuge33 3.5 Ground Pressure39 3.6 Summary44 4 Risk Assessment of Groundwater Inrush from Floor of the Xingcun Coalmine 45 4.1 uation s45 4.2 Risk Assessment Index of Coal Seam No.3 Water Inrush From Floor47 万方数据 VII 4.3 Establishment of uation Model of Water Inrush Risk 52 4.4 Determination of Threshold60 4.5 Results and Analysis63 4.6 Summary68 5 Conclusions and Recommendations69 5.1 Conclusions69 5.1 Recommendations70 References71 Author’s Resume77 Declaration of Thesis Originality78 Thesis Data Collection79 万方数据 VIII 图清单图清单 图序号图名称页码 图 1-1技术路线图8 Figure 1-1Technology route8 图 2-1星村煤矿交通位置图9 Figure 2-1Map of traffic location of the Xincun Coalmine9 图 2-2勘查区四邻关系图10 Figure 2-2Diagram between survey area and neighborhood10 图 2-3星村煤矿西区构造纲要图15 Figure 2-3 Outline for geological structure of the western area of the Xincun Coalmine 15 图 3-1含有断层的计算模型28 Figure3-1Computer model with faults28 图 3-2完整底板的计算模型28 Figure3-2Computer model without faults28 图 3-3 底板含断层塑性破坏区（a、b、c 分别为工作面推进 20m、40m、60m 的塑性破坏区） 29 Figure3-3 Plastic collapse of floor with fault（a、b、c is the plastic collapse of floor when faced advanced 20m、40m、60m） 29 图 3-4 完整底板塑性破坏区（a、b、c 分别为工作面推进 20m、40m、60m 的塑性破坏区） 29 Figure3-4 Plastic collapse of floor without fault （a、 b、 c is the plastic collapse of floor when faced advanced 20m、40m、60m） 29 图 3-5 底板含断层应力云图（a、b、c 分别为开挖 20m、40m、60m 时的竖 直方向应力图） 30 Figure3-5 Stress of floor with fault（a、b、c is vertical stress of floor when faced advanced 20m、40m、60m） 30 图 3-6 完整底板应力云图（a、b、c 分别为开挖 20m、40m、60m 时的竖直 方向应力图） 30 Figure3-6 Stress of floor（a、b、c is vertical stress of floor when faced advanced 20m、40m、60m） 30 图 3-7底板岩层厚度自上往下变薄33 Figure3-7Thickness of rock decreases gradually from top to bottom33 图 3-8底板岩层厚度自上往下变厚33 Figure3-8Thickness of rock increases gradually from top to bottom33 图 3-9底板岩层第 2 层最厚34 Figure3-9The second rock with the largest thickness34 图 3-10底板岩层弹性模量自上往下变小34 万方数据 IX Figure3-10Modulus of elasticity of rock decreases gradually from top to bottom34 图 3-11底板岩层弹性模量自上往下变大34 Figure3-11Modulus of elasticity of rock increases gradually from top to bottom34 图 3-12底板第三岩层弹性模量最大34 Figure3-12The No.3 rock with biggest modulus of elasticity34 图 3-13底板岩层抗拉强度从上到下依次变高的竖直方向应力图35 Figure3-13Stresses in rocks with modulus increasing gradually from top to bottom35 图 3-14底板岩层抗拉强度从上到下依次变低的竖直方向应力35 Figure3-14Stresses in rocks with modulus decreasing gradually from top to bottom35 图 3-15底板岩层抗拉强度从上到下依次变高的塑性破坏区36 Figure3-15 Plastic zone in rocks with tensile strength increasing gradually from top to bottom 36 图 3-16底板岩层抗拉强度从上到下依次变低的塑性破坏区36 Figure3-16 Plastic zone in rocks with tensile strength decreasing gradually from top to bottom 36 图 3-17底板岩层每层厚度从上到下逐渐变薄的塑性破坏区37 Figure3-17Stresses in rocks with thickness decreasing gradually from top to bottom37 图 3-18底板岩层每层厚度从上到下逐渐变厚的塑性破坏区37 Figure3-18Stresses in rocks with thickness increasing gradually from top to bottom37 图 3-19底板岩层每层厚度从上到下逐渐变薄的竖直方向应力云图38 Figure3-19Stresses depth of rock decreases gradually from top to bottom38 图 3-20底板岩层每层厚度从上到下逐渐变厚的竖直方向应力云图38 Figure3-20Stresses depth of rock increases gradually from top to bottom38 图 3-21 工作面回采高度为 3m 塑性破坏区（a、b、c、d 分别代表开挖 20m、 60m、80m、100m 后的塑性破坏图） 40 Figure3-21 Plastic collapse of that height for stope face is 3m（a、b、c is the plastic collapse of floor when faced advanced 20m、60m、80m、100m） 40 图 3-22 工作面回采高度为 5m 塑性破坏区（a、b、c、d 分别代表开挖 20m、 60m、80m、100m 后的塑性破坏图） 40 Figure3-22 Plastic collapse of that height for stope face is 5m（a、b、c is the plastic collapse of floor when faced advanced 20m、60m、80m、100m） 40 图 3-23工作面回采高度 3m 的竖直方向应力云图41 Figure3-23Vertical stress of that height for stope face is 3m41 图 3-24工作面回采 5m 的竖直方向应力云图41 Figure3-24Vertical stress of that height for stope face is 3m41 图 3-25顶部荷载 1MPa 塑性破坏区42 Figure3-25Plastic collapse of that top load is 1MPa42 图 3-26顶部荷载 3PMa 塑性破坏区42 Figure3-26Plastic collapse of that top load is 3PMa42 图 3-27 顶部荷载 1MPa 竖直方向应力云图 （a、 b、 c 分别代表开挖 20m、 60m、 100m 后的应力云图） 43 万方数据 X Figure3-27 Vertical stress of that top load is 1MPa（a、b、c is vertical stress of floor when faced advanced 20m、60m、100m） 43 图 3-28 顶部荷载 3PMa 竖直方向应力云图 （a、 b、 c 分别代表开挖 20m、 60m、 100m 后的应力云图） 43 Figure3-28 Vertical stress of that top load is 3PMa（a、b、c is vertical stress of floor when faced advanced 20m、60m、100m） 43 图 4-1断层交点端点专题图（单位个/0.16km2）50 Figure4-1Thematic map of intersection and endpoint of fault（unitbar/0.16km2）50 图 4-2断层密度专题图（单位条/0.16km2）50 Figure4-2Thematic map of density of fault（unitbar/0.16km2）50 图 4-3断层规模指数专题图50 Figure4-3Thematic map of index of scale of fault50 图 4-4含水层水压专题图（单位MPa）50 Figure4-4Thematic map of pressure of aquifer（unitMPa）50 图 4-5隔水层有效厚度专题图（单位m）51 Figure4-5Thematic map of effective thickness of aquiclude（unitm）51 图 4-6煤层赋存深度专题图（单位m）51 Figure4-6Thematic map of depth of coal（unitm）51 图 4-7煤层开采厚度专题图（单位m）52 Figure4-7Thematic map of cutting thickness of coal seam（unitm）52 图 4-8钻孔位置图52 Figure4-8Layout of boreholes52 图 4-9EWM 综合评判值专题图64 Figure4-9Thematic map of prehensive uated value on EWM64 图 4-10PCA 综合评判值专题图64 Figure4-10Thematic map of prehensive uated value on PCA64 图 4-11AHP 综合评判值专题图64 Figure4-11Thematic map of prehensive uated value on AHP64 图 4-12EWM 底板突水危险性分区图64 Figure4-12Risk zoning of groundwater inrush from floor based on EWM65 图 4-13PCA 底板危险性分区图65 Figure4-13Risk zoning of groundwater inrush from floor based on PCA65 图 4-14AHP 底板危险性分区图65 Figure4-14Risk zoning of groundwater inrush from floor based onAHP65 图 4-15突水系数法底板危险性分区图68 Figure4-15 Risk zoning of groundwater inrush based on the coefficient of water inrush 68 万方数据 XI 表清单表清单 表序号表名称页码 表 1-12000 年-2013 年煤矿重特大突水事故统计2 Table 1-1Statistic of major groundwater inrush disaster from 2000 - 20132 表 2-1区域地层表11 Table 2-1Regional stratigraphy11 表 2-2星村煤矿西区地层表12 Table 2-2Stratigraphy of the western area of the Xincun Coalmine12 表 2-3东滩煤矿历年涌水量统计表24 Table 2-3Statistics of inflow from 2000 to 2005 in the Dongtan Coalmine24 表 2-42000 年-2005 年富水系数表25 Table 2-4Enriched water coefficient from 2000 to 200525 表 3-1岩层力学参数28 Table3-1Mechanical parameters28 表 4-1钻孔单位涌水量49 Table4-1Specific capacity of boreholes49 表 4-2钻孔原始数据表52 Table4-2Original data of boreholes52 表 4-3钻孔原始数据对应的特征值53 Table4-3Characteristic value corresponding to the original data of boreholes53 表 4-4评价指标熵值 hi54 Table4-4Entropy hi of index of uation54 表 4-5基于 EWM 评价指标权重54 Table4-5Weight of index of uation base