【供稿：晋能控股山西科学技术研究院有限公司（大同）技术中心 臧欢欢】
研发起止时间：2018.09～2019.12
完成单位：晋能控股煤业集团有限公司、太原理工大学、晋能控股山西科学技术研究院有限公司
成果水平：国际先进
我国煤炭资源丰富，水文地质条件复杂，是世界上矿山水害最严重的国家之一。老空区突水是山西省近几年来最主要的水害形式，对矿井安全生产造成巨大威胁。大同矿区主要赋存古生代石炭二叠纪煤系和中生代侏罗纪煤系，下组煤开采时会受到上覆侏罗纪采空区积水的影响。再加上大同矿区煤层埋藏浅，露头广泛，易于开发，故还存在大量历史久远且无规则开采的老空区。
项目针对大同矿区老空区突水的机理认识不够深刻、采空区积水准确位置难以确定、监测预警手段不够完善等问题，以大同矿区典型矿井作为工程背景，采用现场调研、理论分析、数值模拟及程序开发、室内实验、现场实测等方法，从老空区积水高精度综合探测技术、老空区充水水源判别、扰动条件下老空区围岩裂隙演化规律及突水通道形成机制等方面展开研究，最终建立老空区水害远程预警系统。
（1）将变分模态分解方法（VMD）引入瞬变电磁信号处理领域，构建均匀半空间模型和具有低阻异常构造的层状模型，结果表明变分模态分解方法在不同地电参数模型中降噪效果稳定。并建立不同充水状态下的采空区模型，利用瞬变电磁软件Maxwell，通过正演所得衰减电压曲线来研究其电磁响应特征规律，并在大同矿区进行了现场地面瞬变电磁法勘探试验验证，通过后期井下探放水验证，表明该方法显著提高了现场探测精度。
（2）在分析上覆侏罗系积水采空区充水水源特征的基础上，通过采集各充水水源的水样及水化学特征分析，基于费希尔理论采空区充水水源进行判别，根据最短距离判别原则，最终判别突水的水源以大气降水和顶板砂岩水为主。
（3）从开采扰动和掘进扰动两个方面分别对采空区突水通道的形成机制进行研究，以大同矿区典型矿井为工程背景，构建流固耦合数值模型对开采扰动下“应力场-位移场-渗流场”的演化规律进行数值模拟研究。通过设计不同含水状态下煤岩体的破坏损伤试验，综合运用局部应变监测、声发射监测等手段对含水煤岩体损伤破坏过程进行分析，深入探究含水煤体“声发射-应力-局部应变”多维前兆破坏信息规律。
（4）通过分析有效隔水层抗剪和抗拉两种破坏力学模型，建立了煤层顶板老空区突水综合判据。从“矿井积水采空区与覆岩含水层水位动态监测”和“矿井采矿扰动导水通道发育的动态监测”两个方面确定为隔水煤岩柱电阻率、矿井水压、应力、水化学指标等矿井突水预警监测指标。并利用分布式光纤技术对大同矿区老空区突水通道的动态演化进行了现场监测，并最终确定裂缝带最大发育高度。
（5）在对研究区主要水害类型、突水机理及力学判据、矿井突水监测预警模式、监测预警指标体系、预警准则以及矿井突水监测预警关键技术等方面进行了相关研究的基础上，研发了大同矿区老空区水害远程预警系统，并在进行了现场推广应用，取得了良好的应用效果。
（1）在构建均匀半空间模型和具有低阻异常构造的层状模型的基础上，建立了基于变分模态方法的瞬变电磁信号降噪模型，研究了变分模态分解方法在不同地电参数模型中降噪效果稳定，有效去除了模拟信号中的工频噪声和天电噪声。
（2）建立全充水、充1/2水、未充水、全充水含垮落岩体、充1/2 水含垮落岩体、未充水含垮落岩体6 种模型，通过正演所得衰减电压曲线来研究其电磁响应特征规律。不同积水状态下采空区的瞬变电磁响应特征模型如图1所示。
图1 不同状态积水采空区模型
（3）提出了煤层顶板老空区突水综合判据，从“矿井积水采空区与覆岩含水层水位动态监测”和“矿井采矿扰动导水通道发育的动态监测”等方面建立了矿井突水预警监测指标体系。
（4）在对突水机理及力学判据、矿井突水监测预警模式、监测预警指标体系、预警准则以及矿井突水监测预警关键技术等方面进行了相关研究的基础上，研发了大同矿区老空区水害远程预警系统，系统在光纤监测技术、水化学监测技术、水温-水压传感器、应力-应变传感器、网络以及监控系统等硬件的支持下，实现水源识别、水温-水压、应力-应变、矿压等多种预警指标的监测和融合。
针对矿井采矿扰动导水通道发育的动态监测，利用分布式光纤技术对马脊梁矿老空区突水通道的动态演化进行了现场监测。在监测周期中，通过测试结果可以发现，钻孔测试传感光缆主要呈现拉应变，但在拉应变显现中不同钻孔深度表现出不同应变特征（如图2所示）。
图2 监测孔光纤应变分布与地层对应关系图
研究成果在马脊梁煤矿8117工作面、8210工作面进行了现场应用，实现了老空区水害的监测预警，为老空水威胁下的煤炭开采奠定了坚实的理论基础，解决了老空水突水治理的难题，取得了巨大的经济社会效益，提升了企业的安全生产技术水平，为老空区水害的探测和监测预警开创了新的技术途径。
本项目于2021年4月8日通过了中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，研究成果达到国际先进水平。
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