大同礦區老空區水害探測及遠程預警系統研究

【供稿：晉能控股山西科學技術研究院有限公司（大同）技術中心 臧歡歡】

研發起止時間：2018.09～2019.12

完成單位：晉能控股煤業集團有限公司、太原理工大學、晉能控股山西科學技術研究院有限公司

成果水平：國際先進

1 項目背景

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

項目針對大同礦區老空區突水的機理認識不夠深刻、采空區積水準確位置難以確定、監測預警手段不夠完善等問題，以大同礦區典型礦井作為工程背景，采用現場調研、理論分析、數值模擬及程序開發、室內實驗、現場實測等方法，從老空區積水高精度綜合探測技術、老空區充水水源判別、擾動條件下老空區圍巖裂隙演化規律及突水通道形成機制等方面展開研究，最終建立老空區水害遠程預警系統。

2 研究內容

（1）將變分模態分解方法（VMD）引入瞬變電磁信號處理領域，構建均勻半空間模型和具有低阻異常構造的層狀模型，結果表明變分模態分解方法在不同地電參數模型中降噪效果穩定。并建立不同充水狀態下的采空區模型，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特征規律，并在大同礦區進行了現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場探測精度。

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

（3）從開采擾動和掘進擾動兩個方面分別對采空區突水通道的形成機制進行研究，以大同礦區典型礦井為工程背景，構建流固耦合數值模型對開采擾動下“應力場-位移場-滲流場”的演化規律進行數值模擬研究。通過設計不同含水狀態下煤巖體的破壞損傷試驗，綜合運用局部應變監測、聲發射監測等手段對含水煤巖體損傷破壞過程進行分析，深入探究含水煤體“聲發射-應力-局部應變”多維前兆破壞信息規律。

（4）通過分析有效隔水層抗剪和抗拉兩種破壞力學模型，建立了煤層頂板老空區突水綜合判據。從“礦井積水采空區與覆巖含水層水位動態監測”和“礦井采礦擾動導水通道發育的動態監測”兩個方面確定為隔水煤巖柱電阻率、礦井水壓、應力、水化學指標等礦井突水預警監測指標。并利用分布式光纖技術對大同礦區老空區突水通道的動態演化進行了現場監測，并最終確定裂縫帶最大發育高度。

（5）在對研究區主要水害類型、突水機理及力學判據、礦井突水監測預警模式、監測預警指標體系、預警準則以及礦井突水監測預警關鍵技術等方面進行了相關研究的基礎上，研發了大同礦區老空區水害遠程預警系統，并在進行了現場推廣應用，取得了良好的應用效果。

3 主要研究成果

（1）在構建均勻半空間模型和具有低阻異常構造的層狀模型的基礎上，建立了基于變分模態方法的瞬變電磁信號降噪模型，研究了變分模態分解方法在不同地電參數模型中降噪效果穩定，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特征規律。不同積水狀態下采空區的瞬變電磁響應特征模型如圖1所示。

圖1 不同狀態積水采空區模型

（3）提出了煤層頂板老空區突水綜合判據，從“礦井積水采空區與覆巖含水層水位動態監測”和“礦井采礦擾動導水通道發育的動態監測”等方面建立了礦井突水預警監測指標體系。

（4）在對突水機理及力學判據、礦井突水監測預警模式、監測預警指標體系、預警準則以及礦井突水監測預警關鍵技術等方面進行了相關研究的基礎上，研發了大同礦區老空區水害遠程預警系統，系統在光纖監測技術、水化學監測技術、水溫-水壓傳感器、應力-應變傳感器、網絡以及監控系統等硬件的支持下，實現水源識別、水溫-水壓、應力-應變、礦壓等多種預警指標的監測和融合。

針對礦井采礦擾動導水通道發育的動態監測，利用分布式光纖技術對馬脊梁礦老空區突水通道的動態演化進行了現場監測。在監測周期中，通過測試結果可以發現，鉆孔測試傳感光纜主要呈現拉應變，但在拉應變顯現中不同鉆孔深度表現出不同應變特征（如圖2所示）。

圖2 監測孔光纖應變分布與地層對應關系圖

4 應用效益

研究成果在馬脊梁煤礦8117工作面、8210工作面進行了現場應用，實現了老空區水害的監測預警，為老空水威脅下的煤炭開采奠定了堅實的理論基礎，解決了老空水突水治理的難題，取得了巨大的經濟社會效益，提升了企業的安全生產技術水平，為老空區水害的探測和監測預警開創了新的技術途徑。

本項目于2021年4月8日通過了中國煤炭工業協會組織的專家鑒定，研究成果達到國際先進水平。