矿井突水预测理论方法及监测技术总结
摘要：本文详细阐述了矿井突水征兆和突水水源的识别方法，并总结了近年来矿井突水预测的理论方法及监测技术。
关键词：矿井突水 突水征兆 突水预测 监测
我国经济持续高速发展与国家安全战略离不开能源和矿产资源的强有力支撑，而地下开采方式是目前我国获得多种能源资源与矿产资源的重要途径。随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大，矿井突水问题日益严重 ，尤其是近几年，矿井突水事故频繁发生，给人民生命财产造成重大损失，严重影响和制约着矿山的安全生产。因此，开展采动条件下矿井突水预测预报理论及监测技术研究，对于采动岩体突水预测与防治、开采方法的改进、安全度的评价具有重大理论意义和实际价值。
1 矿井突水征兆
从开拓工作面开始，发展到突水的期间内，在工作面及其附近往往会出现一些征兆。
a. 承压水与承压水有关断层水突水征兆：①工作面顶板来压、掉渣、冒顶、支架倾倒或折梁断柱现象；②底软膨胀、底膨张裂。这种征兆多随顶板来压之后发生，且较普遍，在采掘面围岩内出现裂缝，当突水量大、来势猛时，会伴有“底爆”响声；③先出小水后出大水也是较常见的征兆；④采场或巷道内瓦斯量显著增大。
b. 冲积层水突水征兆：① 突水部位岩层发潮、滴水，且逐渐增大，仔细观察可发现水中有少量细砂；②发生局部冒顶，水量突增并出现流砂，流砂常呈间歇性，水色时清、时混；③发生大量溃水、溃砂，这种现象可能影响至地表，导致地表出现塌陷坑。
c. 老窑水突水征兆：① 煤层发潮、色暗无光；②煤层“挂汗”；③ 采掘面、煤层和岩层内温度低“发凉”；④在采掘面内若在煤壁、岩层内听到“吱吱”的水呼声时，表征因水压大，水向裂隙中挤压发出的响声，说明离水体不远了，有
突水危险；⑤ 老窑水一般呈红色，含有铁，水面泛油花和臭鸡蛋味。 2 矿井水源的识别
采掘过程中发现突水征兆，及时告诫并采取必要防范措施，以减缓或防止突水事故发生。矿井突水后，如何查清水源，达到有针对性的治理，则是矿井出现突水后的一个重要问题。水源识别主要有以下方法：
2.1 地质、水文地质分析法
熟悉掌握井田或采区内已存在或可能存在的断层位置、性质、落差、两盘含水层错动情况；断裂构造的组合特征、含水层数目、厚度、含水类型、水压大小、富水性、裂隙或岩溶发育程度；矿层与直接或间接充水含水层的距离、隔水层厚度、强度、稳定性；老窑边界、旧钻孔位置及封孔质量；地表水是否与矿坑水有联系。通过上述方法可以初步确定井田内突水的类型和位置。
2.2 突水点位置和突水形态分析法
在采矿过程中，由于煤层底板或断层应力场发生了变化，承压水的入侵高度沿断层带或破断的底板向上发展产生递进导升现象，以致造成突水。因此，突水过程具有岩体应力、渗透性变化、水压升高、涌水量增大等一系列前兆。这些前兆是突水预测、预报的依据，通过传感器对应力、水压的变化幅度等信息进行分析处理，来反演突水区域，进而计算突水点的位置。突水形态是指水从突水点流出还是冒出；是一阵大一阵小，还是缓慢增大；是上翻出水、喷射，还是缓流水，以此判断水压的相对大小，同时也反映出动水量大小。
2.3 突水携出物分析法
无论是地表水或井下承压含水层中的水，溃入采掘工作面时，一般都能携出突破点附近围岩物质；可通过观察和分析这方面的资料来确定突水位置。
2.4 地下水动态分析法
井巷突水前，地下水运动处于相对动平衡态，在疏放流场中，其流向、水力坡度、水质、水温都相对稳定。突水后，势必打破原平衡状态，在水位、水质、水量等方面应有所反映。通过动态分析法，可以分析判断突水水源。
2.5 水化学法
水化学法是研究地下水自身组分的变化，从微观上判别和认识不同水源间差异和联系的一种方法。要判别井下突水水源，必须首先搞清不同水源之间的区别和各自特征，并掌握其形成特征的自然规律。地下水在形成过程中，由于受到含水层的沉积期、地层岩性、建造和地化环境等诸多因素的影响，使储存在不同含水层中的地下水主要化学成分有所不同。
近年来，由于计算技术和计算机技术得到迅速发展，一些定量、半定量的方法已经应用到对矿井突水水源的判别中，如模糊综合评判法、人工神经网络、灰色关联分析等等。每种方法有其自身的特点，同时也存在一定的局限性。针对不同情况，如何从方法上扬长避短，发挥各自的优势，实现对矿井突水水源的准确判别及预测。
3 矿井突水预测
3.1 突水系数法
我国学者早在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则说明底板不稳定，发生底板突水的可能性大。
3.2 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 -P 0 ；σ2、σ
1 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。
3.3 矿井直流电法
3.3.1 原理
直流电法勘探是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地下供入稳定电流，观测大地电流场的分布规律，从而确定岩、矿体物性(如贫、富水区域) 的分布规律或地质构造的特征。
3.3.2 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。
3.4 “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.
3.5 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。
3.6 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。
3.7 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。简单模拟图如图1。
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。
3.8 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。
3.9 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n
可能突水区1.5
突水危险区n>3
3.10 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
3.11 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
3.12 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。
图1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。
3.13 “下三带”法
对承压水体上采煤底板岩层突水机理研究表明，在煤层开采过程中，煤层底板岩层由上到下形成底板导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带，称为“下三带”。底板导水破坏带是指由于采动矿压的作用，底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带；有效隔水层保护带是保持采前岩层的连续性及其阻抗水性能的岩层；承压水导升带是指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂带上升的高度。设煤层隔水底板总厚度为h ，底板导水破坏带、有效隔水
层保护带与承压水导原始高带的厚度依次为 h1、h2和 h3，则
当 h > h1 +h3时，则保护层存在，当 h
h1 +h3时，是否会发生底板突水则取决于有效隔水层保护带的厚度及其阻抗水能力；若有效保护层阻水水压 Z 总大于实际水压，则安全，反之则不安全。 Z 总等于阻水系数Z 乘以有效保护层厚度 h 2，即：
3.14 三维数值模拟预测
采动岩体导水裂隙仅在一定高度范围内发育已被现有研究结果证明。但是随着采煤工作面推进，在顶底板岩层破坏运动过程中，导水裂隙在工作面推进不同阶段、不同区域的动态发展分布规律，原有传统经验公式仍然难以描述。然而通过FLAC3D 三维数值模拟软件，利用软件中的固流耦合功能，可以形象的描述底板承压水上开采过程中，导水裂隙随着煤层开采在不同阶段的动态发育过程，并可据此进行底板突水预测。
3.15 高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用
为了监测导水通道(断层、陷落柱等) 在采动影响下的动力学活动和失稳过程，以及对其造成的突水危险性进行实时预测预报，利用高精度微震监测技术进行煤矿突水危险监测的工程实践。采用全局寻优定位技术，充分考虑内、外场震源定位的不同影响因素，结合速度结构、检波器一致性等校正技术，实现微震震源的高稳定、高精度定位；优化布置微震监测台网，对大断层、陷落柱等隐伏构造进行实时监测，通过对定位结果的三维展示和分析，得到地质构造的活化规律、底板破裂深度、顶板破裂高度、合理煤柱尺寸等实测参数，实现对突水危险性的预测预报。工程实践证明，微震监测能够准确诊断出断层和陷落柱等构造活化的强度、烈度以及相关的时空参数，是实现突水预警预报的强有力的地球物理监测手段。建立基于定位结果的岩体空间破裂场的定量描述模型、实现定位结果的多角度、多层次的展示技术，从防治水、矿山压力等多学科角度出发实现突水监测的超前预警预报，是突水监测预警的重要的发展方向。
3.16 多源地学信息复合叠置法底板突水预测方法
煤层底板突水是多因素综合影响的结果, 各自起着不同的作用, 用传统的方法已经不可能很好地解决所面临问题. 多源地学信息复合叠置法是随着计算机技术和遥感技术发展起来的, 是多源地学信息(地理信息、地质信息、遥感信息等) 进行综合处理的一种新方法, 该方法在地理信息系统(GIS) 平台的支持下, 对多种地学信息进行叠置复合后, 通过空间分析功能得到能够供决策的新信息. 通过收集矿区的开拓图、水文地质图、地质报告和已有的突水资料等, 分析找出主要突水因素, 进行采集与量化, 利用ArcGIS 软件的空间分析功能, 把影响煤层底板突水的多种因素经过处理、加工, 形成可供量化的信息源, 进行信息复合叠置, 从而构建底板突水预测模型, 作出预测预报, 预测流程如图1所示
.
3.17 模糊物元分析方法
运用可拓学的理论和方法，基于可拓学中的可拓集合变换和相关系数分析法，给出顶板涌水评价的物元模型，并结合模糊数学方法，进行模糊物元分析，根据模型编制顶板涌水等级评价的软件。用可拓性方法进行对矿井涌水等级评价的研究，以不相容问题为研究对象，研究其转化规律及解决方法，实行定性与定
量相结合的评价方法，避免了以往安全评价方法的单一定性方法或单一定量方法的局限性。应用可拓学方法评价矿井涌水等级，就是把矿井涌水等级转换成更容易定量描述的“替代物”来进行定量评价，以得到更准确的评价结果，因而为矿井涌水等级的评价提供了一种新的方法。该方法评价过程不受人为主观因素的影响，因而评价结果更符合客观实际。
3.18 三图- 双预测法
“三图- 双预测法”, 是指顶板直接充水含水层的富水性分区图、顶板冒落安全性分区图、顶板涌(突) 水条件综合分区图及回采工作面整体和分段工程涌水量预测、顶板直接充水含水层采前预疏放方案预测. 其中涌(突) 水条件综合分区图由富水性和冒落安全性分区图复合叠加而成. “三图一双预测法”从对煤层顶板涌突水条件的定性综合分析，，到回采工作面工程涌突水量和采前预疏放量的定量模拟预测，形成了一整套系统的研究思路和研究方法。煤层回采导致的顶板涌突水灾害发生的根本原因，就是煤层回采形成的顶板导水裂隙带沟通了上覆直接充水含水层，并且含水层在回采工作面冒落范围对应的部位富水性较强因此顶板涌突水条件分析不外乎包括两个方面内容煤层回采顶板冒落安全性分析和顶板直接充水含水层富水性分析。运用多源地学信息复合叠加原理，根据多个水文地质物理场的不同特征，相互对比验证，互相弥补不足，对充水含水层的富水性进行了系统综合分析。
3.19 岩一水应力关系法
现场矿压观测与底板岩体变形规律的研究表明，底板突水是矿压和底板承压水压力共同作用的结果。在工作面超前支承压力作用下，底板岩层呈压缩状态; 而在煤壁边缘和采空区内部，底板岩体由于卸压而处于膨胀状态。底板岩体在由压缩向膨胀的转化过程中，将不可避免地产生剪切和张拉破坏。岩一水应力关系法从物理和应力概念出发，认为造成底板突水需具备两个条件:①存在导水破裂带。无论是地质构造作用还是采掘引起的岩体破坏，只要使底板隔水层破坏至一定深度，且与下部导升高度相通或波及到下部含水层，就具备了突水的必要条件。此时底板岩层由于强度下降，底板渗流强度增加，但未必一定产生突水; ②水压与应力关系。当承压水压力大于或等于水平最小主应力时，才会具备突水的充分条件，此时，底板水在水压力的驱动下，可以突破底板岩层裂隙带水平方向应力
的约束，穿越岩体破裂带构成突水。岩一水应力关系法建立的突水临界指数为
:
式中Pw 一作用于底板上的承压水压力，MPa
σ2一水平最小主应力，MPa
当指数I>1时，底板发生突水 。
3.20 基于Fuzzy 逻辑和物元分析的矿井突水预测
将影响突水的主要因素按其重要性排序：沿矿井走向的深度落差（T ），采面走向长度（L ），隔水层厚度（H ），水压（Pr ），采面面积（S ）。根据原始资料，将上述5个因素分成两组：第一组是落差（T ）和水压（Pr ）；第二组是采面走向长度（L ），隔水层厚度（H ），采面面积（S ）。对第一组算出突水的可能性，用k 1(x)表示。对第二组算出不突水的可能性，用k 2(x)表示。总突水可能性用k(x)表示，k(x)与 k 1(x)、k 2(x)有如下的关系：k(x)= k1(x)-k2(x)。运用Fuzzy 逻辑和物元分析法可分别求出k 1(x)、k 2(x) 及k(x)
3.21 隧道超前地震预报技术在煤矿水害预报中的应用
TSP 技术主要利用岩体波速的变化对探测成果进行解译。用于预警预报煤矿水害的可行性分析如下:
a. 煤矿地下岩层的赋存状态。一般情况下, 隧道所处的位置在山区、距离地表的深度较浅, 在地质运动中山脉形成时各岩层会产生不连续、节理裂隙发育、岩石破碎, 在其形成后的漫长历史过程中又受到各种物理、化学作用的影响使其构造变得更加复杂; 而煤矿开采深度一般较大, 地下岩层不会受到如隧道岩层那样的不良影响, 其总体赋存状态优于隧道的地质情况。因此, 从岩层的赋存状态角度看, 利用TSP 技术预报煤矿井下地质灾害是可行的。
b. 突水水源。煤矿井下发生突水的水源主要包括:老窑(空) 水、含水层水、溶洞水和地表水等。TSP 技术用于探测地下水源的可行性从理论上是可以实现的, 并已在隧道工程中得到了验证。因此, 完全可以应用于煤矿地下水源的探测。
c. 突水通道。造成煤矿井下突水的通道包括断层、陷落柱、浅部废弃的井
巷和溶洞等。TSP 技术在隧道工程中已经成功地对断层、溶洞等地质体进行了预报; 在探测煤矿井下断层中也有成功应用的报道。因此, 该技术也可以用来探测煤矿井下断层等各种可能造成煤矿突水的通道。
3.22 红外探测技术在煤巷突水预报中的应用
岩层或煤层由于分子振动和晶格振动，每时每刻都在向外辐射红外电磁波，并形成红外辐射场，场具有能量、动量、方向等特性，不同的地质体产生不同的红外辐射场。而红外热像仪的作用就是沿巷道探测红外辐射场的变化，即通过热像仪显示出红外辐射温度的变化，确定隐伏目标是否存在及其性质。当地质体中含地下水, 那么地下水场源产生的红外场会对地质体场源所产生红外场产生影响, 使其场强发生变化。地质体所形成的红外场场强变化可用红外线探测仪探测。根据围岩红外场强的变化来预报掌子面前方或洞壁四周是否隐状含水体。 3 结论
本文详细阐述了矿井突水征兆和突水水源的识别方法，并总结了近年来矿突水预测的理论方法及监测技术。通过对突水预测方法的分析，认为采用多种方法联合预测技术将是突水预测预报研究的发展趋势。
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矿井突水预测理论方法及监测技术总结
摘要：本文详细阐述了矿井突水征兆和突水水源的识别方法，并总结了近年来矿井突水预测的理论方法及监测技术。
关键词：矿井突水 突水征兆 突水预测 监测
我国经济持续高速发展与国家安全战略离不开能源和矿产资源的强有力支撑，而地下开采方式是目前我国获得多种能源资源与矿产资源的重要途径。随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大，矿井突水问题日益严重 ，尤其是近几年，矿井突水事故频繁发生，给人民生命财产造成重大损失，严重影响和制约着矿山的安全生产。因此，开展采动条件下矿井突水预测预报理论及监测技术研究，对于采动岩体突水预测与防治、开采方法的改进、安全度的评价具有重大理论意义和实际价值。
1 矿井突水征兆
从开拓工作面开始，发展到突水的期间内，在工作面及其附近往往会出现一些征兆。
a. 承压水与承压水有关断层水突水征兆：①工作面顶板来压、掉渣、冒顶、支架倾倒或折梁断柱现象；②底软膨胀、底膨张裂。这种征兆多随顶板来压之后发生，且较普遍，在采掘面围岩内出现裂缝，当突水量大、来势猛时，会伴有“底爆”响声；③先出小水后出大水也是较常见的征兆；④采场或巷道内瓦斯量显著增大。
b. 冲积层水突水征兆：① 突水部位岩层发潮、滴水，且逐渐增大，仔细观察可发现水中有少量细砂；②发生局部冒顶，水量突增并出现流砂，流砂常呈间歇性，水色时清、时混；③发生大量溃水、溃砂，这种现象可能影响至地表，导致地表出现塌陷坑。
c. 老窑水突水征兆：① 煤层发潮、色暗无光；②煤层“挂汗”；③ 采掘面、煤层和岩层内温度低“发凉”；④在采掘面内若在煤壁、岩层内听到“吱吱”的水呼声时，表征因水压大，水向裂隙中挤压发出的响声，说明离水体不远了，有
突水危险；⑤ 老窑水一般呈红色，含有铁，水面泛油花和臭鸡蛋味。 2 矿井水源的识别
采掘过程中发现突水征兆，及时告诫并采取必要防范措施，以减缓或防止突水事故发生。矿井突水后，如何查清水源，达到有针对性的治理，则是矿井出现突水后的一个重要问题。水源识别主要有以下方法：
2.1 地质、水文地质分析法
熟悉掌握井田或采区内已存在或可能存在的断层位置、性质、落差、两盘含水层错动情况；断裂构造的组合特征、含水层数目、厚度、含水类型、水压大小、富水性、裂隙或岩溶发育程度；矿层与直接或间接充水含水层的距离、隔水层厚度、强度、稳定性；老窑边界、旧钻孔位置及封孔质量；地表水是否与矿坑水有联系。通过上述方法可以初步确定井田内突水的类型和位置。
2.2 突水点位置和突水形态分析法
在采矿过程中，由于煤层底板或断层应力场发生了变化，承压水的入侵高度沿断层带或破断的底板向上发展产生递进导升现象，以致造成突水。因此，突水过程具有岩体应力、渗透性变化、水压升高、涌水量增大等一系列前兆。这些前兆是突水预测、预报的依据，通过传感器对应力、水压的变化幅度等信息进行分析处理，来反演突水区域，进而计算突水点的位置。突水形态是指水从突水点流出还是冒出；是一阵大一阵小，还是缓慢增大；是上翻出水、喷射，还是缓流水，以此判断水压的相对大小，同时也反映出动水量大小。
2.3 突水携出物分析法
无论是地表水或井下承压含水层中的水，溃入采掘工作面时，一般都能携出突破点附近围岩物质；可通过观察和分析这方面的资料来确定突水位置。
2.4 地下水动态分析法
井巷突水前，地下水运动处于相对动平衡态，在疏放流场中，其流向、水力坡度、水质、水温都相对稳定。突水后，势必打破原平衡状态，在水位、水质、水量等方面应有所反映。通过动态分析法，可以分析判断突水水源。
2.5 水化学法
水化学法是研究地下水自身组分的变化，从微观上判别和认识不同水源间差异和联系的一种方法。要判别井下突水水源，必须首先搞清不同水源之间的区别和各自特征，并掌握其形成特征的自然规律。地下水在形成过程中，由于受到含水层的沉积期、地层岩性、建造和地化环境等诸多因素的影响，使储存在不同含水层中的地下水主要化学成分有所不同。
近年来，由于计算技术和计算机技术得到迅速发展，一些定量、半定量的方法已经应用到对矿井突水水源的判别中，如模糊综合评判法、人工神经网络、灰色关联分析等等。每种方法有其自身的特点，同时也存在一定的局限性。针对不同情况，如何从方法上扬长避短，发挥各自的优势，实现对矿井突水水源的准确判别及预测。
3 矿井突水预测
3.1 突水系数法
我国学者早在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则说明底板不稳定，发生底板突水的可能性大。
3.2 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 -P 0 ；σ2、σ
1 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。
3.3 矿井直流电法
3.3.1 原理
直流电法勘探是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地下供入稳定电流，观测大地电流场的分布规律，从而确定岩、矿体物性(如贫、富水区域) 的分布规律或地质构造的特征。
3.3.2 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。
3.4 “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.
3.5 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。
3.6 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。
3.7 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。简单模拟图如图1。
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。
3.8 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。
3.9 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n
可能突水区1.5
突水危险区n>3
3.10 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
3.11 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
3.12 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。
图1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。
3.13 “下三带”法
对承压水体上采煤底板岩层突水机理研究表明，在煤层开采过程中，煤层底板岩层由上到下形成底板导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带，称为“下三带”。底板导水破坏带是指由于采动矿压的作用，底板岩层连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的层带；有效隔水层保护带是保持采前岩层的连续性及其阻抗水性能的岩层；承压水导升带是指含水层中的承压水沿隔水底板中的裂隙或断裂带上升的高度。设煤层隔水底板总厚度为h ，底板导水破坏带、有效隔水
层保护带与承压水导原始高带的厚度依次为 h1、h2和 h3，则
当 h > h1 +h3时，则保护层存在，当 h
h1 +h3时，是否会发生底板突水则取决于有效隔水层保护带的厚度及其阻抗水能力；若有效保护层阻水水压 Z 总大于实际水压，则安全，反之则不安全。 Z 总等于阻水系数Z 乘以有效保护层厚度 h 2，即：
3.14 三维数值模拟预测
采动岩体导水裂隙仅在一定高度范围内发育已被现有研究结果证明。但是随着采煤工作面推进，在顶底板岩层破坏运动过程中，导水裂隙在工作面推进不同阶段、不同区域的动态发展分布规律，原有传统经验公式仍然难以描述。然而通过FLAC3D 三维数值模拟软件，利用软件中的固流耦合功能，可以形象的描述底板承压水上开采过程中，导水裂隙随着煤层开采在不同阶段的动态发育过程，并可据此进行底板突水预测。
3.15 高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用
为了监测导水通道(断层、陷落柱等) 在采动影响下的动力学活动和失稳过程，以及对其造成的突水危险性进行实时预测预报，利用高精度微震监测技术进行煤矿突水危险监测的工程实践。采用全局寻优定位技术，充分考虑内、外场震源定位的不同影响因素，结合速度结构、检波器一致性等校正技术，实现微震震源的高稳定、高精度定位；优化布置微震监测台网，对大断层、陷落柱等隐伏构造进行实时监测，通过对定位结果的三维展示和分析，得到地质构造的活化规律、底板破裂深度、顶板破裂高度、合理煤柱尺寸等实测参数，实现对突水危险性的预测预报。工程实践证明，微震监测能够准确诊断出断层和陷落柱等构造活化的强度、烈度以及相关的时空参数，是实现突水预警预报的强有力的地球物理监测手段。建立基于定位结果的岩体空间破裂场的定量描述模型、实现定位结果的多角度、多层次的展示技术，从防治水、矿山压力等多学科角度出发实现突水监测的超前预警预报，是突水监测预警的重要的发展方向。
3.16 多源地学信息复合叠置法底板突水预测方法
煤层底板突水是多因素综合影响的结果, 各自起着不同的作用, 用传统的方法已经不可能很好地解决所面临问题. 多源地学信息复合叠置法是随着计算机技术和遥感技术发展起来的, 是多源地学信息(地理信息、地质信息、遥感信息等) 进行综合处理的一种新方法, 该方法在地理信息系统(GIS) 平台的支持下, 对多种地学信息进行叠置复合后, 通过空间分析功能得到能够供决策的新信息. 通过收集矿区的开拓图、水文地质图、地质报告和已有的突水资料等, 分析找出主要突水因素, 进行采集与量化, 利用ArcGIS 软件的空间分析功能, 把影响煤层底板突水的多种因素经过处理、加工, 形成可供量化的信息源, 进行信息复合叠置, 从而构建底板突水预测模型, 作出预测预报, 预测流程如图1所示
.
3.17 模糊物元分析方法
运用可拓学的理论和方法，基于可拓学中的可拓集合变换和相关系数分析法，给出顶板涌水评价的物元模型，并结合模糊数学方法，进行模糊物元分析，根据模型编制顶板涌水等级评价的软件。用可拓性方法进行对矿井涌水等级评价的研究，以不相容问题为研究对象，研究其转化规律及解决方法，实行定性与定
量相结合的评价方法，避免了以往安全评价方法的单一定性方法或单一定量方法的局限性。应用可拓学方法评价矿井涌水等级，就是把矿井涌水等级转换成更容易定量描述的“替代物”来进行定量评价，以得到更准确的评价结果，因而为矿井涌水等级的评价提供了一种新的方法。该方法评价过程不受人为主观因素的影响，因而评价结果更符合客观实际。
3.18 三图- 双预测法
“三图- 双预测法”, 是指顶板直接充水含水层的富水性分区图、顶板冒落安全性分区图、顶板涌(突) 水条件综合分区图及回采工作面整体和分段工程涌水量预测、顶板直接充水含水层采前预疏放方案预测. 其中涌(突) 水条件综合分区图由富水性和冒落安全性分区图复合叠加而成. “三图一双预测法”从对煤层顶板涌突水条件的定性综合分析，，到回采工作面工程涌突水量和采前预疏放量的定量模拟预测，形成了一整套系统的研究思路和研究方法。煤层回采导致的顶板涌突水灾害发生的根本原因，就是煤层回采形成的顶板导水裂隙带沟通了上覆直接充水含水层，并且含水层在回采工作面冒落范围对应的部位富水性较强因此顶板涌突水条件分析不外乎包括两个方面内容煤层回采顶板冒落安全性分析和顶板直接充水含水层富水性分析。运用多源地学信息复合叠加原理，根据多个水文地质物理场的不同特征，相互对比验证，互相弥补不足，对充水含水层的富水性进行了系统综合分析。
3.19 岩一水应力关系法
现场矿压观测与底板岩体变形规律的研究表明，底板突水是矿压和底板承压水压力共同作用的结果。在工作面超前支承压力作用下，底板岩层呈压缩状态; 而在煤壁边缘和采空区内部，底板岩体由于卸压而处于膨胀状态。底板岩体在由压缩向膨胀的转化过程中，将不可避免地产生剪切和张拉破坏。岩一水应力关系法从物理和应力概念出发，认为造成底板突水需具备两个条件:①存在导水破裂带。无论是地质构造作用还是采掘引起的岩体破坏，只要使底板隔水层破坏至一定深度，且与下部导升高度相通或波及到下部含水层，就具备了突水的必要条件。此时底板岩层由于强度下降，底板渗流强度增加，但未必一定产生突水; ②水压与应力关系。当承压水压力大于或等于水平最小主应力时，才会具备突水的充分条件，此时，底板水在水压力的驱动下，可以突破底板岩层裂隙带水平方向应力
的约束，穿越岩体破裂带构成突水。岩一水应力关系法建立的突水临界指数为
:
式中Pw 一作用于底板上的承压水压力，MPa
σ2一水平最小主应力，MPa
当指数I>1时，底板发生突水 。
3.20 基于Fuzzy 逻辑和物元分析的矿井突水预测
将影响突水的主要因素按其重要性排序：沿矿井走向的深度落差（T ），采面走向长度（L ），隔水层厚度（H ），水压（Pr ），采面面积（S ）。根据原始资料，将上述5个因素分成两组：第一组是落差（T ）和水压（Pr ）；第二组是采面走向长度（L ），隔水层厚度（H ），采面面积（S ）。对第一组算出突水的可能性，用k 1(x)表示。对第二组算出不突水的可能性，用k 2(x)表示。总突水可能性用k(x)表示，k(x)与 k 1(x)、k 2(x)有如下的关系：k(x)= k1(x)-k2(x)。运用Fuzzy 逻辑和物元分析法可分别求出k 1(x)、k 2(x) 及k(x)
3.21 隧道超前地震预报技术在煤矿水害预报中的应用
TSP 技术主要利用岩体波速的变化对探测成果进行解译。用于预警预报煤矿水害的可行性分析如下:
a. 煤矿地下岩层的赋存状态。一般情况下, 隧道所处的位置在山区、距离地表的深度较浅, 在地质运动中山脉形成时各岩层会产生不连续、节理裂隙发育、岩石破碎, 在其形成后的漫长历史过程中又受到各种物理、化学作用的影响使其构造变得更加复杂; 而煤矿开采深度一般较大, 地下岩层不会受到如隧道岩层那样的不良影响, 其总体赋存状态优于隧道的地质情况。因此, 从岩层的赋存状态角度看, 利用TSP 技术预报煤矿井下地质灾害是可行的。
b. 突水水源。煤矿井下发生突水的水源主要包括:老窑(空) 水、含水层水、溶洞水和地表水等。TSP 技术用于探测地下水源的可行性从理论上是可以实现的, 并已在隧道工程中得到了验证。因此, 完全可以应用于煤矿地下水源的探测。
c. 突水通道。造成煤矿井下突水的通道包括断层、陷落柱、浅部废弃的井
巷和溶洞等。TSP 技术在隧道工程中已经成功地对断层、溶洞等地质体进行了预报; 在探测煤矿井下断层中也有成功应用的报道。因此, 该技术也可以用来探测煤矿井下断层等各种可能造成煤矿突水的通道。
3.22 红外探测技术在煤巷突水预报中的应用
岩层或煤层由于分子振动和晶格振动，每时每刻都在向外辐射红外电磁波，并形成红外辐射场，场具有能量、动量、方向等特性，不同的地质体产生不同的红外辐射场。而红外热像仪的作用就是沿巷道探测红外辐射场的变化，即通过热像仪显示出红外辐射温度的变化，确定隐伏目标是否存在及其性质。当地质体中含地下水, 那么地下水场源产生的红外场会对地质体场源所产生红外场产生影响, 使其场强发生变化。地质体所形成的红外场场强变化可用红外线探测仪探测。根据围岩红外场强的变化来预报掌子面前方或洞壁四周是否隐状含水体。 3 结论
本文详细阐述了矿井突水征兆和突水水源的识别方法，并总结了近年来矿突水预测的理论方法及监测技术。通过对突水预测方法的分析，认为采用多种方法联合预测技术将是突水预测预报研究的发展趋势。
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