突水監測設備部署
『壹』 實驗設備與方案
3.3.2.1 儀器設備
監測儀器由岩水多參數儀和感測器組成。岩水多參數儀：西安分院研製的KTL－1A型岩水多參數儀；感測器：應力器、應變感測器、水壓器各三個（表3.3）。
表3.3 儀器設備簡介
3.3.2.2 實驗方案
煤礦突水不單純是水文地質問題，而是有多種作用影響和多種條件制約的煤層圍岩體變形破壞失穩的特殊問題。在突水隱患還不能徹底根除的情況下，應在分析煤層具體賦存條件的基礎上，認識突水發生的物理力學過程，找出它的可監測性和可控制性，從而實施有效的監測。因此，加強突水監測技術和方法的研究是十分重要的。
（1）萬年礦工作面水文地質工程地質條件
位置：13268工作面位於三水平北三盤區。南以三水平北三下山和－440m水倉保護煤柱線為界，西為設計的13266工作面，北與54000工作面為界除南部有三條下山和水倉外，其他均未採掘，走向長度960m，傾斜長平均120m，煤層傾角平均13°～15°。本地區煤層基本穩定，煤厚3.0～4.8m，平均3.6m，煤層內含粉砂岩兩層夾矸，斷層附近煤層局部變薄。煤層頂底板岩層岩性見表3.4。
表3.4 萬年礦13268工作面煤層頂底板岩層岩性
水文地質條件：對峰峰礦區萬年礦2＃煤層底板開展試驗。本地區水文地質條件比較復雜，水源主要為大煤頂板砂岩含水層、大煤底板砂岩含水層，頂、底板砂岩含水層在本區尚未疏干，且各向異性，含水不均勻，工作面在回採過程中，在低窪處，頂底板裂隙發育處及斷層附近會出現淋流水現象。工作面外高里低，隨工作面的推進，頂板砂岩水受老頂周期來壓的影響而發生變化，從孔幫流出。預計工作面正常用水量0.3m3/min，最大涌水量0.7m3/min。
煤岩產狀：工作面為單斜構造，煤層走向155°～175°，傾向65°～85°；中間巷以外煤層傾角為13°～22°，中間巷以里煤層傾角為22°～35°，斷層附近煤層局部傾角變大，煤層傾角角度平均為21°。本地區構造發育，影響回採的斷層主要有11條，其中溜子道揭露的f44和f4斷層的延伸情況需通過人為控制防止突水，斷層情況見表3.5
表3.5 斷層情況表
（2）監測項目
應力是反映煤層底板發生破壞的重要指標，煤層底板應力場中任意一點的應力值隨工作面的推進不斷發生變化。根據底板破壞試驗表明，底板應力小於原始應力時底板鑽孔出現耗水，應力越小，鑽孔耗水量越大，鑽孔耗水量峰值正好處於底板應力值谷底位置。從上述關系可看出，在工作面回採過程中底板破壞深度與導水性能，隨底板應力的增大而減小，反之隨底板應力的減小而增大。因此，通過對不同深度的底板應力狀態的實際監測，以達到反映采動條件下煤層底板發生破壞的深度及強度。
應變是用來度量變形程度的量，其值大小反映底板岩體破壞程度和變形強弱，隨著工作面的推進一頂板懸空一頂板跨落，則底板變形出現壓縮一膨脹一壓縮，當底板岩體裂隙或原生節理在應力場的作用下沿其結構面產生移動時，通過埋設在不同深度應變感測器的監測值將反映煤層底板移動或變形的程度。
在采動的影響下，原生裂隙會不會進一步開裂、擴張，特別是能否造成承壓水沿裂隙帶進一步上升與煤層底板破壞帶相溝通是能否發生突水的必要條件，因此，通過對煤層底板不同深度煤系裂隙水的水壓監測可以掌握奧灰承壓水是否向上導升以及導升部位，結合對底板破壞深度的分析，可對監測部位突水的可能性進行預測。
綜上所述，煤層底板監測中的應力、應變狀態反映了底板隔水層在采動影響下所受破壞以及導水性能的變化狀況，監測水壓直接反映承壓水導升部位與相應的水壓值。因此，可以通過對這三項監測項目的綜合分析，進行突水預測預報。
（3）監測系統的組成
本次應力、應變監測系統由地面中心站、井下分站、信號傳輸電纜和感測器等硬體以及相應應用軟體組成。地面中心站由計算機及相應軟體處理系統組成，井下分站、信號傳輸電纜和感測器等硬體放置在井下。感測器有四種，包括應力、應變、水壓、溫度等感測器，分別埋設於井下的監測鑽孔中（圖3.12）。
圖3.12 底板突水監測系統連接示意圖
該系統經過多年試驗研究，在監測系統、通信系統和資料處理解釋方面達到了實時監測，在監測數據計算以及圖件生成上實現自動化，並在許多大水礦區進行實際應用取得較好效果。
（4）地點選定
從工作面周邊的突水淹井事故分析，均屬斷層引發的突水。因此，為防止在掘進過程中重大突水事故發生，首先在地面利用三維三分量地震技術，對2＃煤底板隔水層及大青灰含水層、奧灰含水層的構造進行探查；其次，在工作面上下巷掘進前，利用高密度直流電法作超前探測，然後鑽探加以驗證；再者在上下巷與切眼形成後，利用坑透、直流電法與音頻透視等綜合物探方法對工作面下伏大青含水層、奧灰含水層富水地段及底板隔水層阻水構造進行探查。通過上述綜合物探資料分析，初步判斷13268工作面下伏大青含水層、奧灰含水層富水地段與底板隔水層薄弱帶，主要分布在2個地段。
（5）儀器放置方案
首先，根據該區的地質和水文地質條件以及綜合物探成果資料分析，距切眼45m區段可能為突水危險區段，在該段機巷外側煤體內布置鑽窩，施工鑽孔埋設感測器，距切眼158m放置井下監測分站（圖3.13）。
圖3.13 工作面示意圖
其次，在鑽窩內布置三個鑽孔，鑽孔布置見示意圖，煤層傾角按12°計。
不同深度的監測孔埋設應力、應變、水壓感測器各一個。安裝順序從上到下為水壓感測器、應變感測器、應力感測器（圖3.14）。
圖3.14 鑽孔布置圖
表3.6為不同深度的應力應變感測器，其監測數據不同。在埋設時必須保持固定的方位。13268工作面突水監測感測器實際安裝距離，見示意圖3.14。
表3.6 感測器布置表
最後，對大青灰岩、奧陶系灰岩水壓、應力、應變按每小時監測一次，按監測記錄表進行記錄。並對停止開采後對其進行超前監測。根據各監測孔得到的監測數據形成各應力、應變監測曲線以及水壓歷時曲線來計算突變點位置。
『貳』 主要監測試驗
礦井頂、底板突水是可以預測預報的，採掘工作面突水之前，都有明顯的徵兆。因此，對礦井生產過程中出現的一切反常現象都應高度重視，以便查明原因，及時處理。這樣可以有效避免大型突水事故的發生，削弱突水給礦井生產帶來的不良影響。因此，在幾年中，防治采區巷道挖掘和採煤過程中頂、底板突水，對突水進行預測預報是裴溝礦防治水工作的重中之重。
頂、底板監測工作的內容，包括突水條件監測、水壓水量監測、水質監測、頂板三帶監測、底板應力與采動破壞監測等。
5.5.3.1頂、底板直接突水先兆的監測
頂、底板直接突水先兆包括:煤岩壁變潮、出汗，出水點水色、水質、水溫異常變化，水量變大，底鼓等。
煤岩壁變潮、空氣濕度增大的監測方法:煤岩壁變潮、空氣濕度增大，意味著水文地質條件出現異常。要分析異常區的水文地質條件，用濕度計監測空氣濕度的變化或用乾燥法測量煤岩壁的水分含量變化，並繪出觀測曲線，記錄清楚時間、地點和觀測物理量。
煤炭壁出汗的監測方法:監測出汗煤岩壁的面積、估算單位面積的出汗量，並繪出變化曲線，記錄清楚時間、地點和觀測物理量。
水色變化的監測方法:當水色變渾濁、變紅是裂隙中的充填物被沖刷出來的緣故，即意味著有新的水源加入或新的突水通道形成。需要描述水色的變化情況，定時測量水量的變化，並繪出變化曲線，記錄清楚時間、地點和觀測物理量。
水質監測方法:當水色變化，水量增大時應該監測水質的變化，定時化驗水質，或者由離子感測器監測水質的變化，並及時繪制曲線，判別水源。
水溫的監測方法:每日用溫度計觀測一次水溫，如果水溫有變化，應加密到每8h觀測一次，並做好記錄，繪出曲線，觀測地點要盡量相同，盡量靠近突水點，溫度計要事先經過校正。
底鼓的監測方法:用經緯儀或軟尺測量煤層底板的鼓起范圍和高度，繪出平面和剖面圖。
5.5.3.2底板間接突水先兆的監測
間接突水前兆包括:煤層底板地應力、應變、水壓、水溫、水質異常等。
目前煤層底板間接突水前兆的監測僅有埋入式監測方法，即多參數監測系統。該方法的工作程序是:工作面水文地質條件預分析;確定監測部位;確定監測內容;監測鑽孔施工;監測設備安裝和監測;水情預測。
根據物探結果和工作面揭露的水文地質條件，選擇煤層底板有突水危險的薄弱地段作為監測部位，如果有多個薄弱部位，應該同時監測，不能同時監測時應首先監測距離工作面切眼最近的部位。監測時機為:監測部位和采面的距離不得小於60m。
5.5.3.3原位地應力測試
煤層開采必然引起採煤工作面底板在一定深度內發生岩體的應力調整，從而導致新的應力—應變過程:在採掘前方一定深度的底板岩體產生超前增壓;在采空區由超前增壓轉化為卸壓鬆弛;因遠離采空區由頂板冒落引起的再次增壓恢復，這就是廣義上的采動效應。引起煤層底板突水的另一個驅動力是承壓水的水壓。承壓水的力學效應是通過隔水層岩體的裂隙來實現的。充水裂隙中的承壓水對裂隙圍岩有一場布載荷，當裂隙圍岩處在一定的地應力狀態之中，在一般情況下，它們處於平衡狀態，當圍岩地應力狀態發生變化，或承壓水的水壓發生變化時，一方面可能使原有的裂隙閉合，另一方面也可能使原有小裂隙張開，從而達到新的平衡狀態。根據三軸滲透儀對具有裂隙岩石的滲透試驗，發現滲水量q與圍壓σr和水壓PW密切相關，而與軸壓σZ沒有直接關系。滲水量都是在PW＞σr時發生的，且PW－σr的差值越大，滲水量q越大。但只要PW＜σr便不發生滲水。這表明，PW＞σr時，裂隙呈張開狀態，PW＜σr時裂隙呈閉合狀態。由此可見，「岩水應力關系說」把復雜的煤層底板突水問題，歸納為岩(底板隔水岩體)水(底板承壓水)應力(采動應力與構造應力)關系，將煤層底板突水過程解釋為:
底板突水是由采動礦壓和底板承壓水水壓共同作用的結果，采動礦壓造成了岩體應力場與底板滲流場的重新分布。二者相互作用的結果，使底板岩體的最小主應力小於承壓水水壓時，產生壓裂擴容而發生突水。其突水判據為:
煤礦水害防治與管理
式中:I—突水臨界指數;Pw—底板隔水岩體承受的水壓;σ3—底板隔水岩體的最小主應力。
I為無量綱因子，I＜1時，不突水;I＞1時，突水。
對於一個回採工作面，底板承壓水的水壓一般是已知的。關鍵問題是測定煤層底板隔水岩體中最小主應力σ3的量值大小以及由於采動效應所引起的σ3的變化，岩體原位測試技術便應運而生。從理論與實踐的結合上說明了「突水臨界指數」的普適性，「岩水應力關系說」的合理性與可行性。
『叄』 主要監測試驗工作
礦井突水事故發生之前，都有明顯的徵兆，因此對礦井生產過程中出現的一切反常現象都應高度重視，以便查明原因，及時處理。這樣可以有效避免大型突水事故的發生，削弱突水給礦井生產帶來的不良影響。因此對大平井田加強日常水文監測，特別是運用經濟科學的技術手段對巷道挖掘和採煤過程中頂、底板突水進行預測預報，是二1煤防治水工作的主要措施。
監測工作的內容包括井上下水情動態監測、底板應力與采動破壞監測、底板突水監測預警。
（一）井上下水情監測系統
地下水的水位動態變化，能直觀系統地反映含水層的水文地質條件，因此長期監測多層含水層水位動態，掌握井田內地下水時空變化規律，是查明水文地質條件，正確制定防治水措施的基礎。
目前大平礦的水文地質觀測網路很不健全，僅有一個奧陶系灰岩長觀孔（觀1孔），對奧陶系灰岩水位進行觀測，太原組灰岩沒有專門的觀測孔。此外，井下礦井涌水量、采區涌水量、突水點涌水量的觀測也以人工觀測為主。人工觀測的缺點是測量方法簡陋、測量精度差、觀測工作繁復且需要大量的資料整理工作，自動化程度低，容易產生紕漏和差錯。為了對井田內不同含水層的水位（壓）、老窯水、突水點水、礦井涌水量、采區涌水量等進行全方位的動態監測，為礦井防治水工作提供技術依據和基礎資料，急需建立井上下結合的礦井水位（壓）、涌水量動態自動觀測系統。以下對監測原理進行簡單介紹。
XY一Ⅱ型井上下水情自動檢測系統是通過GSM無線通訊（地面）和有線通訊（井下）方式實時遙測地下水位、水壓、水溫、流量變化的一種智能監測系統。具有測量精度高、測量范圍大、操作簡便、功率小、無人值守全天候自動工作的特點。該系統由地面長觀孔水位（壓）遙測系統和井下水情（水壓、水量、水溫）監測系統以及地面基站組成。
1.系統組成
系統由主站（設在監控中心內）、若乾井上分站（設在水文長觀孔孔口）及若乾井下分站構成。
2.系統功能
1）主站功能：①通過通訊設備向分站發送命令或接受數據；②將數據整理保存到磁碟；③完成數據的顯示、查詢、編輯；④對數據進行處理，生成各種報表並列印輸出；⑤繪制水位（水壓）、溫度、流量變化趨勢曲線、直方圖等各種圖形。
2）分站功能：①數據採集；②數據暫存；③數據顯示；④井上子站通過GSM簡訊將數據傳輸到監測中心；⑤井下子站通過安全監測系統將數據傳輸到井上。
該系統具有適用面廣、集成化數據處理、配置靈活、可靠性高、數據通訊穩定、抗干擾性強、安裝方便、兼容獨立等特點，是能夠連續長期測量並利用計算機分析、輔助決策，適用各種不同環境的水位（水壓）觀測系統，對於及時預報水害，保障煤礦的正常安全生產具有重要的現實意義。
本次規劃欲對新設計的4個地面長觀孔（Od1，Od2，Cd1，Cd2）和已有的一個觀測孔（觀1孔），安裝水位自動記錄儀器或利用遠程遙感監測分站進行長期觀測；對各采區涌水量和礦井涌水量在井下安裝水量自動記錄儀器進行長期觀測。詳見表4-7。
表4-7 大平礦井上下水情在線監測點一覽表
（二）底板原位應力監測
煤層開采必然引起採煤工作面底板在一定深度內發生岩體的應力調整作用，從而導致新的應力-應變過程：在採掘前方一定深度的底板岩體產生超前增壓；在采空區由超前增壓轉化為卸壓鬆弛；因遠離采空區由頂板冒落引起的再次增壓恢復，這就是廣義上的采動效應。采動效應的形成及其特徵，取決於底板應力調整作用特徵，主要與采空區底板岩體的結構特徵、物理力學性質、水化學特性、地應力、地下水作用等特徵以及與開采方法相關的采動應力作用特徵等因素密切相關。
引起煤層底板突水的另一個驅動力是承壓水的水壓。承壓水的力學效應是通過隔水層岩體的裂隙來實現的。充水裂隙中的承壓水對裂隙圍岩有一場布載荷，當裂隙圍岩處在一定的地應力狀態之中，在一般情況下，它們處於平衡狀態，當圍岩地應力狀態發生變化，或承壓水的水壓發生變化時，一方面可能使原有的裂隙閉合，另一方面也可能使小裂隙張開，從而達到新的平衡狀態。
底板突水是由采動礦壓和底板承壓水水壓共同作用的結果，采動礦壓造成了岩體應力場與底板滲流場的重新分布。兩者相互作用的結果，使底板岩體的最小主應力小於承壓水水壓時，產生壓裂擴容而發生突水。對於一個回採工作面，底板承壓水的水壓一般是已知的。關鍵問題是測定工作面采動前後和采動過程中底板地應力場的分布情況，進而分析煤層底板采動破壞情況，預測采動破壞導水裂隙帶與底板下伏強含水層導升裂隙帶對接關系。
21采區位於大冶向斜軸部，且底板埋深較大，為構造應力相對集中區。本規劃在21采區首采工作面進行原位應力監測工作。
1.目的與任務
通過對21采區首采工作面進行采動前後底板隔水層岩體的原位應力測試，總體掌握該工作面原始地應力在平面上與剖面上的分布特徵。探測采動引起的底板最大破壞深度，以及隔水層在不同應力狀態下的破裂強度，並對該工作面的突水可能性作出預測。
2.監測工作內容、技術方法和施工順序
根據21采區首采工作面地質和水文地質條件以及綜合物探成果資料分析，初步判斷工作面構造應力集中、發散區段和初次來壓採掘步長及最大破壞深度；
在21采區首采工作面上下巷應力相對集中和發散的區段分別布置5～6個底板應力普查孔，在下巷切眼附近預計初次來壓區段布置3～4個采動應力測試孔。對底板應力普查孔分層段進行原位地應力測試，普查工作面底板原始地應力場分布狀況，並對應力場分布情況進行分析。測試結束後，對應力普查孔進行封堵；對采動應力測試孔進行工作面采動應力場變化測試。
測試工作結束後對工作面底板采動效應進行計算機模擬，分析采動破壞深度和強度；預計整個工作面底板采動破壞情況，並對工作面突水危險性作出評價。
3.監測工程布置
本次監測工程布設在21采區首采工作面材料巷和運輸巷內。根據其測試效果與參數，適當應用於其他工作面及一1煤開采過程中。
監測工作應在承擔單位提交專門設計的基礎上進行。
（三）底板突水監測預警
工作面底板突水監測是在工作面巷道形成後，根據井下物探結果（音頻電透視和直流電法）和工作面揭露的水文地質條件，在二1煤層回採過程中選擇煤層底板具有突水危險的薄弱地段作為監測部位，監測底板的應力、應變、水壓、水溫參數變化，從而達到提前進行突水預報之目的。
目前煤層底板間接突水前兆的監測僅有埋入式監測方法，即多參數監測系統。該方法的工作程序是：工作面水文地質條件預分析→確定監測部位→確定監測內容→監測鑽孔施工→監測設備安裝和監測→水情預測。
大平煤礦21采區位於大冶向斜軸部，且底板埋深較大，底板承受較高的奧陶系灰岩水壓，受奧陶系灰岩水威脅較嚴重，有必要對21采區受水害威脅較大的工作面開展突水監測預警工作。
1.確定監測部位
根據物探結果和工作面揭露的水文地質條件，選擇煤層底板具有突水危險的薄弱地段作為監測部位，如果有多個薄弱部位，應該同時監測，不能同時監測時應首先監測距離工作面切眼最近的部位。監測部位和采面的距離不得小於60m。
2.監測工作內容、技術方法和施工順序
在工作面突水危險區段旁巷道內施工鑽窩，在煤層底板隔水層中施工3個鑽孔，在鑽孔中安裝應力、應變、水壓、水溫感測器；建立井下分站和地面中心站並對設備儀器進行安裝及調試。
工作面回採過程中對工作面底板隔水層應力、應變、水壓、水溫參數進行實時監測，地面中心站計算機將對上述動態數據進行分析，一旦出現上述參數異常情況，立即分析原因，根據參數異常程度和分析結果發出不同程度的突水預警，並啟動防治底板突水預案；
工作面回採結束後，對監測結果結合工作面回採情況進行綜合分析，研究煤層底板采動破壞深度和破壞規律。
3.監測工程布置
本規劃在21采區選取兩個受奧陶系灰岩水威脅較大的工作面進行底板突水監測工作。根據測試效果與參數，考慮向條件相似采面及一1煤開采推廣。
監測工作應在承擔單位提交專門設計的基礎上進行。