永城矿区位于河南省永城市境内,目前已经建立了9对生产矿井,生产能力提高到2100万吨/年。矿井内二叠系山西组二2煤赋存稳定,是永城矿区的主采煤层,该层煤平均厚度2.7m,平均开采深度600m,最低开采深度为350m,最高开采深度到910m。钻孔资料和实际的开采资料表明,井下的主要突水水源为L8灰岩,L8灰岩平均厚度12m,距离主采煤层二2煤80m左右,沉积厚度稳定。该层灰岩岩溶较发育,富水性强,静水压力传递快。深部奥陶系灰岩水在特殊导水通道的情况下与L8灰岩联通,奥陶系含水层上距二2煤底板200m左右。根据《煤矿防治水规定》,回采工作面的安全水压计算方法为:P?Ts?M,M为煤层底板隔水层厚度(m),P为安全水压(MPa),Ts为突水系数(MPa/m)。在煤层底板受到断层、裂隙等地质构造作用区域,突水系数取0.06(MPa/m),隔水层完整未受到明显构造破坏的区域,突水系数取0.1(MPa/m)。永城矿区采用0.06(MPa/m)作为突水系数,隔水厚度取为80m,那么安全水压为4.8MPa。在永城地区,大部分矿井的承压水压力为1.6-3MPa。因此,根据突水系数方法,永城地区的突水危险性较小,这主要是由于永城矿区的隔水厚度足够、承压水压力较小的原因。然而,永城矿区多次发生突水事故,经过分析,初步认为这是一种裂隙型底板灰岩突水,有必要开展深入研究。本论文的研究目的是:通过分析永城矿区突水案例,研究突水中的关键地质因素,通过数值模拟研究底板灰岩裂隙型突水的机理、特征,研究煤层底板裂隙分布区的高分辨瞬变电磁探测技术,建立适合本矿区的防治水工程技术体系,以保证矿井的安全生产和稳定高产。本论文研究的主要成果如下:(1)提出裂隙是永城矿区突水的主要通道和研究重点据永城矿区突水资料,自1985年以来至今,研究区内共发生淹井的灰岩突水17次,其中有11次发生在采煤工作面,6次在掘进巷道中。从突水通道上分析,断层为导水通道的灰岩突水2次,其余的15次突水通道均为二2煤层底板裂隙。统计资料表明,底板裂隙是矿井突水的主要通道。在突水水源上,太原组含灰岩11层,最上层的L11灰岩厚1~2m,上距二2煤层底板50m左右,含水很弱。L8灰岩厚度8~18m,平均厚度12m,上距二2煤层底板约80m,岩溶发育,富水性强,连通性好,水压大,且受奥灰水的间接补给,是矿井突水的主要水源。与焦作、肥城矿区的水文地质条件相比,焦作、肥城矿区的底板隔水层厚度不够,整个工作面底板必须全部改造,而永城矿区的隔水层厚度足够,裂隙是重要的导水通道,这是永城矿区防治水工作的明显特征之一。研究区内的灰岩水主要是通过煤层底板裂隙突出,当原生裂隙处于张开状态,裂隙本来已经形成导水通道,当掘进巷道或回采工作面揭露这些裂隙时,即发生突水;当原生裂隙闭合时,指底板原生裂隙未张开或者仅有细微的张开,同时该裂隙也发育到灰岩,在掘进空间下方的矿山压力和强大的灰岩水压力下,原生裂隙张开,导致灰岩突水。这种突水一般发生在采煤工作面或掘进工作面后方,表现为先来压力,巷道可发生变形,原生裂隙逐渐张开而突水,其压力的增加和水量的增大呈现一个渐变过程。递进裂隙突水的前提为深部灰岩上部发育有原生裂隙,同时该原生裂隙未到达煤层底板,形成灰岩水原始导升带。随着井下巷道掘进或者煤层回采,掘进空间中的岩体应力释放,围岩原始地应力场发生变化,形成了新的矿山压力。此时底板上部岩石发生破坏形成破坏裂隙带。在开采过程中由于矿山压力和灰岩水压的共同作用,深部灰岩水原始导升裂隙带周围岩石发生破坏变形,原始导升裂隙不断向上发展,并最终与底板破坏裂隙带沟通,发生矿井突水事故,形成递进裂隙突水。(2)数值模拟分析两种突水裂隙的突水机理为研究底板裂隙在灰岩突水中的作用,以永夏矿区开采二2煤层为背景,建立数值模拟模型。原生裂隙发育到灰岩,可能是打开或者闭合状态,本文称为联通裂隙突水;原始导升裂隙未与采动空间联通,本文称为递进裂隙。联通裂隙突水数值分析表明,裂隙发育区域位移较大,在裂隙两侧位移方向不同,其中裂隙左侧位移方向向左,裂隙右侧位移方向向右。对于裂隙同一侧,位移从上到下也依次增大。由于垂直应力和太灰孔隙压力的共同作用,再加上采动影响,致使裂隙发生扩张,并且距工作面越近扩张量越大。在裂隙发育的地方,剪应变的增量最大。剪应力的增大有利于裂隙张裂,从而使原来不涌水的裂隙出水,使原来涌水的裂隙联通性更强。递进裂隙突水数值分析表明,随着煤层开采的推进,以及煤层底板裂隙的影响,使得煤层底板应力的分布发生了变化。在底板上由于裂隙的存在,受矿山压力和灰岩水的共同作用下,裂隙周围应力产生了四个集中带,从而造成裂隙带两侧的岩石破坏较严重,破坏区域和裂隙连通,从而为太灰水进入采空区提供通道。(3)提出永城矿区底板富水裂隙带的瞬变电磁探测方法永城矿区煤层底板灰岩富水性强,裂隙带一般含水性强,由于底板裂隙本身发育,再加上采动影响,往往能形成导水通道,从而引发底板裂隙突水。裂隙带的低阻特征明显,裂隙带的存在打破了电阻率在横向和纵向上的变化规律。这种变化规律的存在为岩石导电性差异为物理基础的矿井瞬变电磁法探测提供了良好的地质条件解释。针对瞬变电磁探测中的偶极装置设置、井下金属物体干扰、噪声干扰等三个问题,分析开展了相似模拟实验研究,通过在井下开展瞬变电磁的工作,分析了金属物体在瞬变电磁探测结果上的响应及避免假低阻异常的方法,通过构建小波变换方法,实现瞬变电磁信号的去噪处理。对于偶极装置,极距的选择对探测效果影响较大,一定条件下小极距装置的分辨率更高,一般极距选择1.25倍的线框边长,最大极距不宜超过1.5倍线框边长。实验采用的缩比系数为10,换算成实际井巷施工边长2m×2m的线圈时,偶极装置采用2.5m左右的极距探测目标体时比较合适。偶极装置记录点为发射线圈与接收线圈中点位置,能反映异常的真实位置。井下金属体,比如综掘机、工字钢等,在正后方且距离探测线框较近时,往往能能降低整个探测剖面的视电阻率值;金属体距离探测位置越远时,对视电阻率值的影响逐渐减弱;井下有限的空间范围内,可以通过试验确定两者之间的距离,使得对探测结果的影响几乎可以忽略,从而避免金属体带来的影响。在实际工作中,当井下施工空间小,无法避免大型金属性物体的干扰时,需要注意探测结果的多解性。采用小波变换方法对一组实测的瞬变电磁数据分别用db6小波和bior2.4小波进行分解与重构。首先利用wmaxlev函数计算出瞬变电磁数据在db6和bior2.4小波函数下的最大分解尺度为5,为了节省计算量和计算时间,选择的分解尺度为3,然后用wavedec函数对瞬变电磁信号进行多尺度小波分解,对分解之后的信号,用detoef和appcoef提取小波的高、低频系数。最后利用waverec函数重构瞬变电磁信号。对井下实测瞬变电磁数据,利用小波变换进行去噪处理,剔除电磁干扰和畸变数据,以保证数据的规律性。从处理结果和应用效果来看,小波变换基本可以去除井下瞬变电磁数据产生的干扰信号。(4)构建底板灰岩裂隙型突水防治技术——局部底板改造技术对于永城矿区的地质情况,联通裂隙,无论其张开或者闭合,在地应力、采动应力的作用下,容易形成灰岩水导水通道。开张裂隙时,直接突水;闭合裂隙时,由于打开需要一个过程,一般发生在采煤或掘进工作面后方,由于裂隙逐渐张开,其矿压和突水量的增加呈现一个渐变过程。递进裂隙,由于裂隙未能导通到灰岩水时,随着采动的影响,导水高度带的演变是一个动态过程,逐步发育成导水通道。结合上述的裂隙型底板突水机理可知,底板的导水带高度是一种动态的演变过程,其中裂隙是重要影响因素。因此,在没有构造、裂隙不发育的底板部位,可以不用采取底板改造措施,而在裂隙的发育部位,必须及时采取注浆手段进行改造。针对永城矿区地质情况,分别选择四个代表性的煤矿进行了基于矿井瞬变电磁探测技术的底板局部注浆改造实践。其中,四个代表性煤矿的特征如下:陈四楼煤矿2505工作面相邻工作面均发生突水,在切眼向外发育一导水裂隙带,水文地质条件比较复杂,防治水难度大;车集煤矿2709工作面内发育有宽10m的岩浆岩,贯穿整个工作面,通过瞬变电磁探测与钻探验证,说明裂隙带发育;城郊煤矿2703工作面为宽300m的对拉工作面,且埋藏较深,水压较高;新桥煤矿2102工作面在掘进至皮带顺槽365m处发现有一个宽2m的裂隙带,该裂隙带被松散岩石充填,注浆时从该处跑浆,说明联通性好,裂隙发育。以上四个工作面按照瞬变电磁探测、局部底板注浆改造、瞬变电磁复探、打钻验证的技术路线进行了防治水工程,均已安全回采,没有发生突水事故。针对永夏矿区的水文地质条件和底板灰岩水突出特征,确立了以下的防治水技术:回采工作面均采用瞬变电磁法进行探测。首先采用井下瞬变电磁法探查煤层底板富水性异常区,根据物探和钻探情况圈定突水危险区,作为底板注浆改造范围进行局部底板注浆改造,注浆结束后用瞬变电磁再次探测注浆效果,监测富水裂隙带变化,辅之以少量井下钻孔验证。在突水危险区的工作面上下顺槽开设钻窝。钻孔方向主要围绕裂隙带富集区,钻孔主要尽可能地多穿裂隙,根据井下钻孔水压大小确定终孔层位。该方法称为基于瞬变电磁的局部底板改造技术,在永城矿区取得了良好的应用效果。本论文创新点主要如下:(1)通过矿区水文地质条件和突水实例分析,表明裂隙是永城矿区底板灰岩突水中的重要通道,通过数值模拟分析,证实了裂隙部位可形成永城矿区二1煤层底板的突水通道。(2)针对永城矿区的矿井地质条件下,通过相似模拟研究了永城矿区的富水裂隙带矿井瞬变电磁探测方法,表明一定条件下小极距装置的分辨率更高,一般极距选择1.25倍的线框边长,最大极距不宜超过1.5倍线框边长。(3)针对永城矿区地质情况,构建了以瞬变电磁探测为基础的底板局部注浆改造的防治水方法。首先采用井下瞬变电磁法探查煤层底板富水性异常区,辅之以少量井下钻孔验证。根据物探和钻探情况圈定突水危险区,作为底板注浆改造范围。通过井下钻孔往裂隙带进行注浆。注浆完成后,再次采用瞬变电磁方法对注浆效果、是否存在新的富水区进行判断分析。