帶（水）壓開采安全評價技術及其發展方向

摘要：隨著煤礦開采深度的不斷增加，將麵臨高承壓水的嚴重威脅，帶壓開采已成為深部煤炭資源開發的主要開采方式，與此相適應，帶壓開采安全評價工作顯得尤為重要。麵對深部煤炭資源開采中帶壓開采評價技術的挑戰，應該在完善雙係數（突水係數和帶壓係數）評價體係的基礎上，在帶壓安全開采可靠性03manbetx 、三維地質建模技術及其可視化、數據倉庫及數據挖掘技術與突水規則的知識獲取等方麵發展帶壓開采安全評價技術，以期實現在奧灰高承壓水威脅下安全采煤和避免淹井02manbetx.com 發生的目標。
關鍵詞：帶壓開采；承壓水；安全評價；可靠性03manbetx ；可視化；數據挖掘；知識獲取
煤炭是我國今後相當長一段時期內主要的、不可替代的能源，大力發展煤炭工業，實施科技興煤戰略是煤炭工業可持續發展的根本所在。目前，煤礦安全嚴重地製約著能源工業的發展，成為其發展的“瓶頸”問題。當務之急，做好煤礦安全評價工作、基本杜絕惡性災害性02manbetx.com 成為煤礦安全生產中的一項首要任務。
安全評價就是從係統工程的觀點出發，對煤礦生產中潛在的危險進行預先識別、03manbetx 和評估，為製定基本的防災、減災措施提供科學依據。近年來，隨著以人為本管理理念的建立，逐漸確立了安全評價在生產中的重要地位，從而促進了安全技術的發展和完善。中國社會對於安全工作的重視程度達到了前所未有的高度，主要體現在以下方麵：①國家安全生產監督管理局升格為國家安全生產監督管理總局；成立中國安全生產科學研究院（簡稱“安科院”）；開辦中國安全網專業網站；從2005年6月1日開始受理注冊安全工程師執業資格的注冊申請；②中國礦業大學（北京）開辦資源與安全工程學院，下設安全工程係，計劃將在不遠的將來形成安全技術學科群；③直接以安全為主題的刊物多達3種，如《煤礦安全》、《礦業安全與環保》、《礦山壓力與頂板管理》，其它礦業工程刊物上與各類安全工程相鏈接的文章更是不勝枚舉。
1 帶壓開采及其安全評價
帶（水）壓開采(簡稱“帶壓開采”) 技術，是指當煤層底板隔水層承受較高水壓時，在不進行或很少降低含水層水頭壓力的情況下，確定能否安全采煤的技術[1]。它是承壓水體上安全采煤的一項實用性技術，與深降強排技術相比，具有減少噸煤排水費用和保護水資源的雙重功效。通過與國內外同類技術對比後發現，帶壓開采屬安全技術範疇，帶壓開采評價技術從一開始就引起人們的極大興趣，這從對於其定量化03manbetx 的不斷創新中已經得到了印證。自20世紀70年代後期以來，在淄博、焦作、井陘、峰峰等煤礦應用帶壓開采技術在解放受水害威脅的煤炭資源方麵發揮了重要的作用。我國大多數礦區，尤其是華北型煤田東部各煤礦區，在麵臨淺部資源枯竭的條件下，為了實現各個能源基地的可持續發展，深部煤炭資源開發已經提到重要的議事日程上來，煤炭工業的發展和煤炭資源開發進入新的曆史發展階段。與此相適應，作為煤礦水害防治技術重要發展方向和深部煤炭資源技術支撐的帶壓開采評價技術麵臨新的發展機遇和嚴峻挑戰。
目前，隨著開采深度的不斷增加和開采層位的逐漸下移，對帶壓開采安全評價問題沒有統一和明確的規定，其原因是問題相對複雜，以前遇到的帶壓開采安全問題並不十分突出，在實際操作中，常常由水文地質工程師或采礦工程師在分析具體條件的基礎上，參考類似礦區的經驗，依照《礦井水文地質01manbetx 》所給定的臨界突水係數做出判斷。工程實踐中，對新設計采區或工作麵進行帶壓開采安全評價常常采用的方法是：整體安全評價采用突水係數法，工作麵回采時，采用帶壓係數進行複核驗證。隨著對於煤層底板突水機理認識的逐漸深入、地質分析工作的不斷深化以及物探技術方法的長足發展，可以給出需要加固處理的重點部位，從而建立起了目前為止較為完備的帶壓開采技術方法體係和工作思路，東龐煤礦9103工作麵安全回采提供了這樣一個成功的範例。
然而，由於眾所周知的原因，依照突水係數法所得出的評價結果隻能得出一個整體安全度，帶壓係數測試方法本身的缺陷，使得在審查其評價結果時，經常引來較大的爭議，需要借助突水監測係統彌補評價方法上的某種不足。因此，帶壓開采的突水危險也就不言而喻地來自於這種安全評價的技術風險，在迫切需要解放受水害威脅的深部煤炭資源並且日益重視安全評價工作的今天，有必要探討帶壓開采安全評價技術及其相關問題。
帶壓開采技術措施及其安全評價技術是帶壓開采技術密不可分的兩個組成部分，二者的關係如圖1所示。

實際上，帶壓開采安全評價技術（有時簡稱帶壓開采評價技術）貫穿於煤炭資源開采的各個階段，隨著對水情、水害認識和研究程度的不斷深入，將逐漸修正前一階段的評價成果，從而使評價工作逐步趨於完善。可以看出，對應不同的工作階段，帶壓開采安全評價具有層次性和遞進性的特點。
2帶壓開采技術的適用性問題
從廣義上講，隻要在水壓高出煤層以上的采掘環境中，煤炭開采均是帶壓的，隻不過存在直接帶壓和間接帶壓的區別。以華北型煤田而言，下組煤開采奧陶係灰岩作為（直接）帶壓含水層已是不難理解，而山西組2#煤以奧陶係灰岩作為（間接）帶壓含水層已經為邢台東龐礦2903工作麵突水所證實。
無論是從理論還是從已經成功實施帶壓開采的煤田來講，帶壓開采的適用條件集中體現在以下兩個方麵：
（1）煤層底板沒有全導入型通道，使得其在水壓作用下具有整體穩定性，而不存在所謂的“突破口[2]”。“突破口”屬於煤層底板中存在的固有岩體缺陷，影響礦井的充水性質。對於“突破口”的搜索有兩種基本方法：一是通過物探方法，二是通過水文地質試驗方法。帶壓開采實踐中，對於全導入型通道一是通過留設安全防水煤柱采用繞避的方法，二是對其進行根治。
（2）煤層底板的岩性組合能夠阻抗目標含水層在一個水文周期內（或者為了安全評價的需要，按曆史最高水位考慮）最高水位所對應的水壓。在其岩性組合已經確定的前提下，這種阻水能力主要取決於既有采礦方式下對煤層底板的破壞深度、目標含水層頂板實際埋藏深度（如華北型煤田奧陶係灰岩峰峰組由於古風化殼的存在，實際的含水層頂界有可能下移）以及灰岩水的實際潛升高度。
3 帶壓開采評價技術現狀
帶壓開采評價技術主要包括如下四個方麵：

（1）岩溶水流動係統的研究與評價[3,4]
存在突水通道並非必然發生突水，隻是在具有突水水源的礦區才有可能發生突水，突水通道與突水水源共同構成突水條件，二者缺一不可。因此，應從查清礦區岩溶含水層的富水性入手，分析和評價突水條件及突水可能性。最好以水文地質單元作為評價區，分析岩溶水係統流動特征、徑流帶的展布情況、井田位於徑流帶和排泄帶的部位等。通過對含水介質水力聯係和水動力條件的研究，建立一個符合客觀實際的地下水流動係統模型。
（2） 直通式導水通道的探查與評價
對於已經圈定具有突水傾向性的井田，進一步的工作是對直通式導水通道做出探測和評價。按照發生突水的通道性質，煤層底板突水可分為兩種類型，即通道型突水與滲透型突水，許學漢、王傑等人[3]將前者稱為原生強滲通道，對於這種通道的探查與評價，奧灰岩溶水綜合防治工業性試驗[5]期間以焦作礦區作為試驗點提出了垂向越導通道綜合探測配套技術；以開灤礦區為例，形成了導水陷落柱井上、下綜合立體探測技術，目前仍處於上述配套技術的試驗驗證和完善階段；
（3）中、小型斷層作為突水通道的探查與評價
與陷落柱作為導水通道的突水樣本相比，斷層作為導水通道則是大量的且具有代表性，一定規模的斷層就可以成為溝通不同含水層之間水力聯係的通道，對斷層的水文地質評價首先應基於構造分析原理對不同級別和不同序次的斷層進行構造解析，對斷層展布特點做出分析並盡可能以采區、井田為單元做出構造預測，結合物探方法和井巷工程揭露情況進行探、預、采對照；其次，應探討並評價斷層發育方向和斷層內部結構對突水的控製作用、斷裂構造突水機製、斷層的活化及其滯後突水現象等。目前，依托各類防治水項目，在上述方麵已開展了一定的工作，但就這一問題應有的深度而言，差距仍然很大。
（4）節理裂隙型岩體突水條件探查與評價
對於節理裂隙型岩體而言，其突水類型為滲透型突水，即與礦壓顯現、承壓水的水力擴容作用密切相關，這種類型的突水首先應在煤層底板岩體強度力學校核的基礎上做出穩定性評價；其次，應采用底板突水監測技術對采掘過程中裂隙水的潛升過程做出動態觀測和評價。
帶壓開采安全評價技術所形成的綜合成果可以用如圖2所示的評價體係及工作內容圖示。
4煤層底板岩體抗水壓能力的岩體水力學模擬與校核
采礦條件下，煤層底板岩體的主要功能是承受工作狀態下的礦山壓力和下伏承壓水壓力。底板突水的實質在於岩體的抗滲阻力低於下伏承壓水的滲流動力，岩體的抗滲透能力評價一方麵在模擬原岩應力條件下，通過室內試驗測試；另一方麵通過井下原位水壓致裂方法測試。
承壓水與底板岩體相互作用而導致的失穩問題，包括地下水對岩體節理裂隙的水力擴容作用而導致的物理弱化效應以及岩體由於應力狀態、結構麵力學性質改變引起結構麵（節理、裂隙）開度的變化，從而影響節理、裂隙岩體滲透性及水動力學條件的改變，滲流場與應力場的相互耦合作用是其重要特征，研究煤層底板突水機理屬於岩體水力學研究範疇，這一問題的關鍵在於對原岩應力條件下底板岩體抗水壓能力做出力學校核，其研究內容包括：（1）岩體數學—力學模型的係統分析；（2）岩體力學本構關係研究；（3）岩體應力場與滲流場耦合分析；（4）水力擴容機理的實驗分析與模擬；（5）基於水力擴容機理的突水預測計算機仿真分析。
5帶壓開采評價技術的發展方向
縱觀帶壓開采評價技術研究現狀，結合相關學科發展趨勢，預計帶壓開采安全評價技術將會在如下方麵取得進展：
5.1帶壓安全開采可靠性分析[6,7,8]
目前在帶壓開采評價中常用的方法均為定值法—突水係數法。突水係數法是經過長期實踐證明的一種較為有效的評價方法，但這種方法的最大缺點是沒有考慮實際存在的不確定性的影響。因此，在實際采煤中，按定值法算出的突水係數是足夠的，而實際上卻發生了突水，這正是不少礦床水文地質工作者對突水係數提出質疑的原因所在。
在承壓水的作用下，保護層的失效模式主要是結構強度的失效，即由於保護層本身厚度不足、岩層組合梁的力學強度不夠或上述兩種因素同時存在的結果。理論上，由超靜定梁所推導的安全水頭計算公式可以作為可靠性分析的依據，即В.Д.斯列薩列夫安全水頭計算公式：

將岩體參數 、 看作隨機變量，並假定其服從正態分布，如果岩層有 層，則共有 個隨機變量，選用斯列薩列夫安全水頭模型進行可靠度分析，引入可靠度評價函數對帶壓開采安全性做出可靠性分析，采用一般的“R—S” （荷載—抗力模式），則煤層底板保護層的極限狀態方程為：

顯然，當 時，帶壓開采處於可靠狀態； 時，保護層失效。在計算隨機變量偏導數、解算非線性方程組基礎上，可求得可靠性指標 值，則失效概率由下式確定：

以失效概率表示的煤層底板突水狀態，更接近於實際情況，避免了單純依據閾值作為突水判據的某些不合理性，如以臨界突水係數0.06MPa/m為例，當突水係數為0.061MPa/m發生突水，當突水係數為0.059MPa/m不發生突水，顯然是不盡合理的。
5.2 三維地質建模技術及其可視化在帶壓開采安全評價中的應用[9，10]
三維地質建模及其可視化技術為帶壓開采安全評價掀開了嶄新的一頁，地質信息的三維可視化是指以適當的數據結構建立地質特征的數學模型，采用計算機圖形技術將數學描述以3D真實感圖像予以表現。三維可視化模型能夠將所研究的實體以及物理過程形象直觀地表達出來，因而三維可視化研究是地學界的一個重要研究課題。在礦井水文地質各項研究中，最重要的莫過於對礦井水文地質條件的正確認識，尤其是對於地下水流動係統的準確描述。令人遺憾的是絕大多數井田地下水位動態監測孔不但數量少，而且從整個井田範圍來看，分布很不合理，地下水位監測網極不完善，水文地質條件的認識上存在諸多盲區。麵對這一現狀，首先應建立與完善井上、下地下水位動態監測網，在此基礎上，利用三維可視化技術，直接感知井田地下水的運動規律及其動態特征，如降壓漏鬥的空間分布、研究區域任意鑽孔及任意剖切顯示、柵狀圖形顯示、水害數據集成及鏈接等。可以斷言，三維地質建模技術及其可視化在帶壓開采安全評價中的應用研究具有廣闊的發展前景和巨大潛力。
5.3 數據倉庫及數據挖掘技術與突水規則的知識獲取
由於帶壓開采安全評價中涉及大量的數據，如鑽孔結構、地質構造、水位等，傳統數據庫的處理方式與決策分析中的數據需求不對稱，為滿足帶壓開采安全評價和防治水決策分析的需要，要求在傳統數據庫的基礎上產生適應決策分析的數據環境—數據倉庫（DW, Data Warehouse）。
1989年8月，在第11屆國際人工智能聯合會議的專題研討會上首次提出了基於數據庫的知識發現（KDD, Knowledge Discovery in Database）技術[11]，該技術涉及到機器學習、模式識別、統計學、智能數據庫、知識獲取、專家係統、科學計算可視化等領域。1995年，在美國計算機年會（ACM）上，提出了數據挖掘（DM, Data Mining）的概念，即通過從數據庫中抽取隱含的、未知的、具有潛在價值信息的過程。
任何02manbetx.com 的發生都是有原因的，對02manbetx.com 的發生規律是可以認識的。如果將曆年發生的事故資料通過定性和定量的分析，就可以找出引起事故的共性因素及其規律性，帶壓安全開采也不例外。帶壓開采過程中，所發生的煤層底板突水現象是受內在隨機性作用規律支配的，井田在岩溶水徑流係統中的位置、井田內岩溶發育程度、隔水層的阻水抗壓能力、承壓水的潛越高度在不同礦區具有各自不同的特點，實踐中應以數據倉庫及數據挖掘技術作為工具，從突水樣本中完成自學習和他學習過程，從而實現帶壓開采安全評價工作質的飛躍。
6 結論
從以上分析中可以得出如下結論：
（1）隨著煤炭資源開采的縱深化方向發展，將麵臨高承壓水的嚴重威脅，深降強排由於增加噸煤排水費用並破壞日趨緊張的水資源，限製其進一步推廣、應用，被認為是基本不符合我國國情的防治水方法。因此，帶壓開采已成為深部煤炭資源開發的技術依托而引起廣泛關注。在煤炭工業發展新的曆史階段，對帶壓開采安全評價技術做出回顧和前瞻具有重要的意義。
（2）帶壓開采評價技術的基本工作思路為：在常規地質、水文地質條件分析的基礎上，重視煤層底板保護層的“三測”（探測、預測、監測）工作，分析可能的突水類型（通道型突水與滲透型突水），針對不同的突水類型，采取相應的防治水對策（預注漿加固、底板改造、留設防水煤柱），即從查清突水條件開始到有效地進行預防和對不利的水文地質條件做人工改造處理等，最後達到能夠在奧灰水的威脅下安全采煤和最大限度地減少礦井湧水量及避免淹井事故的發生。
（3）麵對深部煤炭資源開采中帶壓開采評價技術的挑戰，應該在完善雙係數（突水係數和帶壓係數）技術的基礎上，在帶壓安全開采可靠性分析、三維地質建模技術及其可視化、數據倉庫及數據挖掘技術與突水規則的知識獲取等方麵發展帶壓開采安全評價技術。

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