突水监测设备部署
『壹』 实验设备与方案
3.3.2.1 仪器设备
监测仪器由岩水多参数仪和传感器组成。岩水多参数仪：西安分院研制的KTL－1A型岩水多参数仪；传感器：应力器、应变传感器、水压器各三个（表3.3）。
表3.3 仪器设备简介
3.3.2.2 实验方案
煤矿突水不单纯是水文地质问题，而是有多种作用影响和多种条件制约的煤层围岩体变形破坏失稳的特殊问题。在突水隐患还不能彻底根除的情况下，应在分析煤层具体赋存条件的基础上，认识突水发生的物理力学过程，找出它的可监测性和可控制性，从而实施有效的监测。因此，加强突水监测技术和方法的研究是十分重要的。
（1）万年矿工作面水文地质工程地质条件
位置：13268工作面位于三水平北三盘区。南以三水平北三下山和－440m水仓保护煤柱线为界，西为设计的13266工作面，北与54000工作面为界除南部有三条下山和水仓外，其他均未采掘，走向长度960m，倾斜长平均120m，煤层倾角平均13°～15°。本地区煤层基本稳定，煤厚3.0～4.8m，平均3.6m，煤层内含粉砂岩两层夹矸，断层附近煤层局部变薄。煤层顶底板岩层岩性见表3.4。
表3.4 万年矿13268工作面煤层顶底板岩层岩性
水文地质条件：对峰峰矿区万年矿2＃煤层底板开展试验。本地区水文地质条件比较复杂，水源主要为大煤顶板砂岩含水层、大煤底板砂岩含水层，顶、底板砂岩含水层在本区尚未疏干，且各向异性，含水不均匀，工作面在回采过程中，在低洼处，顶底板裂隙发育处及断层附近会出现淋流水现象。工作面外高里低，随工作面的推进，顶板砂岩水受老顶周期来压的影响而发生变化，从孔帮流出。预计工作面正常用水量0.3m3/min，最大涌水量0.7m3/min。
煤岩产状：工作面为单斜构造，煤层走向155°～175°，倾向65°～85°；中间巷以外煤层倾角为13°～22°，中间巷以里煤层倾角为22°～35°，断层附近煤层局部倾角变大，煤层倾角角度平均为21°。本地区构造发育，影响回采的断层主要有11条，其中溜子道揭露的f44和f4断层的延伸情况需通过人为控制防止突水，断层情况见表3.5
表3.5 断层情况表
（2）监测项目
应力是反映煤层底板发生破坏的重要指标，煤层底板应力场中任意一点的应力值随工作面的推进不断发生变化。根据底板破坏试验表明，底板应力小于原始应力时底板钻孔出现耗水，应力越小，钻孔耗水量越大，钻孔耗水量峰值正好处于底板应力值谷底位置。从上述关系可看出，在工作面回采过程中底板破坏深度与导水性能，随底板应力的增大而减小，反之随底板应力的减小而增大。因此，通过对不同深度的底板应力状态的实际监测，以达到反映采动条件下煤层底板发生破坏的深度及强度。
应变是用来度量变形程度的量，其值大小反映底板岩体破坏程度和变形强弱，随着工作面的推进一顶板悬空一顶板跨落，则底板变形出现压缩一膨胀一压缩，当底板岩体裂隙或原生节理在应力场的作用下沿其结构面产生移动时，通过埋设在不同深度应变传感器的监测值将反映煤层底板移动或变形的程度。
在采动的影响下，原生裂隙会不会进一步开裂、扩张，特别是能否造成承压水沿裂隙带进一步上升与煤层底板破坏带相沟通是能否发生突水的必要条件，因此，通过对煤层底板不同深度煤系裂隙水的水压监测可以掌握奥灰承压水是否向上导升以及导升部位，结合对底板破坏深度的分析，可对监测部位突水的可能性进行预测。
综上所述，煤层底板监测中的应力、应变状态反映了底板隔水层在采动影响下所受破坏以及导水性能的变化状况，监测水压直接反映承压水导升部位与相应的水压值。因此，可以通过对这三项监测项目的综合分析，进行突水预测预报。
（3）监测系统的组成
本次应力、应变监测系统由地面中心站、井下分站、信号传输电缆和传感器等硬件以及相应应用软件组成。地面中心站由计算机及相应软件处理系统组成，井下分站、信号传输电缆和传感器等硬件放置在井下。传感器有四种，包括应力、应变、水压、温度等传感器，分别埋设于井下的监测钻孔中（图3.12）。
图3.12 底板突水监测系统连接示意图
该系统经过多年试验研究，在监测系统、通信系统和资料处理解释方面达到了实时监测，在监测数据计算以及图件生成上实现自动化，并在许多大水矿区进行实际应用取得较好效果。
（4）地点选定
从工作面周边的突水淹井事故分析，均属断层引发的突水。因此，为防止在掘进过程中重大突水事故发生，首先在地面利用三维三分量地震技术，对2＃煤底板隔水层及大青灰含水层、奥灰含水层的构造进行探查；其次，在工作面上下巷掘进前，利用高密度直流电法作超前探测，然后钻探加以验证；再者在上下巷与切眼形成后，利用坑透、直流电法与音频透视等综合物探方法对工作面下伏大青含水层、奥灰含水层富水地段及底板隔水层阻水构造进行探查。通过上述综合物探资料分析，初步判断13268工作面下伏大青含水层、奥灰含水层富水地段与底板隔水层薄弱带，主要分布在2个地段。
（5）仪器放置方案
首先，根据该区的地质和水文地质条件以及综合物探成果资料分析，距切眼45m区段可能为突水危险区段，在该段机巷外侧煤体内布置钻窝，施工钻孔埋设传感器，距切眼158m放置井下监测分站（图3.13）。
图3.13 工作面示意图
其次，在钻窝内布置三个钻孔，钻孔布置见示意图，煤层倾角按12°计。
不同深度的监测孔埋设应力、应变、水压传感器各一个。安装顺序从上到下为水压传感器、应变传感器、应力传感器（图3.14）。
图3.14 钻孔布置图
表3.6为不同深度的应力应变传感器，其监测数据不同。在埋设时必须保持固定的方位。13268工作面突水监测传感器实际安装距离，见示意图3.14。
表3.6 传感器布置表
最后，对大青灰岩、奥陶系灰岩水压、应力、应变按每小时监测一次，按监测记录表进行记录。并对停止开采后对其进行超前监测。根据各监测孔得到的监测数据形成各应力、应变监测曲线以及水压历时曲线来计算突变点位置。
『贰』 主要监测试验
矿井顶、底板突水是可以预测预报的，采掘工作面突水之前，都有明显的征兆。因此，对矿井生产过程中出现的一切反常现象都应高度重视，以便查明原因，及时处理。这样可以有效避免大型突水事故的发生，削弱突水给矿井生产带来的不良影响。因此，在几年中，防治采区巷道挖掘和采煤过程中顶、底板突水，对突水进行预测预报是裴沟矿防治水工作的重中之重。
顶、底板监测工作的内容，包括突水条件监测、水压水量监测、水质监测、顶板三带监测、底板应力与采动破坏监测等。
5.5.3.1顶、底板直接突水先兆的监测
顶、底板直接突水先兆包括:煤岩壁变潮、出汗，出水点水色、水质、水温异常变化，水量变大，底鼓等。
煤岩壁变潮、空气湿度增大的监测方法:煤岩壁变潮、空气湿度增大，意味着水文地质条件出现异常。要分析异常区的水文地质条件，用湿度计监测空气湿度的变化或用干燥法测量煤岩壁的水分含量变化，并绘出观测曲线，记录清楚时间、地点和观测物理量。
煤炭壁出汗的监测方法:监测出汗煤岩壁的面积、估算单位面积的出汗量，并绘出变化曲线，记录清楚时间、地点和观测物理量。
水色变化的监测方法:当水色变浑浊、变红是裂隙中的充填物被冲刷出来的缘故，即意味着有新的水源加入或新的突水通道形成。需要描述水色的变化情况，定时测量水量的变化，并绘出变化曲线，记录清楚时间、地点和观测物理量。
水质监测方法:当水色变化，水量增大时应该监测水质的变化，定时化验水质，或者由离子传感器监测水质的变化，并及时绘制曲线，判别水源。
水温的监测方法:每日用温度计观测一次水温，如果水温有变化，应加密到每8h观测一次，并做好记录，绘出曲线，观测地点要尽量相同，尽量靠近突水点，温度计要事先经过校正。
底鼓的监测方法:用经纬仪或软尺测量煤层底板的鼓起范围和高度，绘出平面和剖面图。
5.5.3.2底板间接突水先兆的监测
间接突水前兆包括:煤层底板地应力、应变、水压、水温、水质异常等。
目前煤层底板间接突水前兆的监测仅有埋入式监测方法，即多参数监测系统。该方法的工作程序是:工作面水文地质条件预分析;确定监测部位;确定监测内容;监测钻孔施工;监测设备安装和监测;水情预测。
根据物探结果和工作面揭露的水文地质条件，选择煤层底板有突水危险的薄弱地段作为监测部位，如果有多个薄弱部位，应该同时监测，不能同时监测时应首先监测距离工作面切眼最近的部位。监测时机为:监测部位和采面的距离不得小于60m。
5.5.3.3原位地应力测试
煤层开采必然引起采煤工作面底板在一定深度内发生岩体的应力调整，从而导致新的应力—应变过程:在采掘前方一定深度的底板岩体产生超前增压;在采空区由超前增压转化为卸压松弛;因远离采空区由顶板冒落引起的再次增压恢复，这就是广义上的采动效应。引起煤层底板突水的另一个驱动力是承压水的水压。承压水的力学效应是通过隔水层岩体的裂隙来实现的。充水裂隙中的承压水对裂隙围岩有一场布载荷，当裂隙围岩处在一定的地应力状态之中，在一般情况下，它们处于平衡状态，当围岩地应力状态发生变化，或承压水的水压发生变化时，一方面可能使原有的裂隙闭合，另一方面也可能使原有小裂隙张开，从而达到新的平衡状态。根据三轴渗透仪对具有裂隙岩石的渗透试验，发现渗水量q与围压σr和水压PW密切相关，而与轴压σZ没有直接关系。渗水量都是在PW＞σr时发生的，且PW－σr的差值越大，渗水量q越大。但只要PW＜σr便不发生渗水。这表明，PW＞σr时，裂隙呈张开状态，PW＜σr时裂隙呈闭合状态。由此可见，“岩水应力关系说”把复杂的煤层底板突水问题，归纳为岩(底板隔水岩体)水(底板承压水)应力(采动应力与构造应力)关系，将煤层底板突水过程解释为:
底板突水是由采动矿压和底板承压水水压共同作用的结果，采动矿压造成了岩体应力场与底板渗流场的重新分布。二者相互作用的结果，使底板岩体的最小主应力小于承压水水压时，产生压裂扩容而发生突水。其突水判据为:
煤矿水害防治与管理
式中:I—突水临界指数;Pw—底板隔水岩体承受的水压;σ3—底板隔水岩体的最小主应力。
I为无量纲因子，I＜1时，不突水;I＞1时，突水。
对于一个回采工作面，底板承压水的水压一般是已知的。关键问题是测定煤层底板隔水岩体中最小主应力σ3的量值大小以及由于采动效应所引起的σ3的变化，岩体原位测试技术便应运而生。从理论与实践的结合上说明了“突水临界指数”的普适性，“岩水应力关系说”的合理性与可行性。
『叁』 主要监测试验工作
矿井突水事故发生之前，都有明显的征兆，因此对矿井生产过程中出现的一切反常现象都应高度重视，以便查明原因，及时处理。这样可以有效避免大型突水事故的发生，削弱突水给矿井生产带来的不良影响。因此对大平井田加强日常水文监测，特别是运用经济科学的技术手段对巷道挖掘和采煤过程中顶、底板突水进行预测预报，是二1煤防治水工作的主要措施。
监测工作的内容包括井上下水情动态监测、底板应力与采动破坏监测、底板突水监测预警。
（一）井上下水情监测系统
地下水的水位动态变化，能直观系统地反映含水层的水文地质条件，因此长期监测多层含水层水位动态，掌握井田内地下水时空变化规律，是查明水文地质条件，正确制定防治水措施的基础。
目前大平矿的水文地质观测网络很不健全，仅有一个奥陶系灰岩长观孔（观1孔），对奥陶系灰岩水位进行观测，太原组灰岩没有专门的观测孔。此外，井下矿井涌水量、采区涌水量、突水点涌水量的观测也以人工观测为主。人工观测的缺点是测量方法简陋、测量精度差、观测工作繁复且需要大量的资料整理工作，自动化程度低，容易产生纰漏和差错。为了对井田内不同含水层的水位（压）、老窑水、突水点水、矿井涌水量、采区涌水量等进行全方位的动态监测，为矿井防治水工作提供技术依据和基础资料，急需建立井上下结合的矿井水位（压）、涌水量动态自动观测系统。以下对监测原理进行简单介绍。
XY一Ⅱ型井上下水情自动检测系统是通过GSM无线通讯（地面）和有线通讯（井下）方式实时遥测地下水位、水压、水温、流量变化的一种智能监测系统。具有测量精度高、测量范围大、操作简便、功率小、无人值守全天候自动工作的特点。该系统由地面长观孔水位（压）遥测系统和井下水情（水压、水量、水温）监测系统以及地面基站组成。
1.系统组成
系统由主站（设在监控中心内）、若干井上分站（设在水文长观孔孔口）及若干井下分站构成。
2.系统功能
1）主站功能：①通过通讯设备向分站发送命令或接受数据；②将数据整理保存到磁盘；③完成数据的显示、查询、编辑；④对数据进行处理，生成各种报表并打印输出；⑤绘制水位（水压）、温度、流量变化趋势曲线、直方图等各种图形。
2）分站功能：①数据采集；②数据暂存；③数据显示；④井上子站通过GSM短信将数据传输到监测中心；⑤井下子站通过安全监测系统将数据传输到井上。
该系统具有适用面广、集成化数据处理、配置灵活、可靠性高、数据通讯稳定、抗干扰性强、安装方便、兼容独立等特点，是能够连续长期测量并利用计算机分析、辅助决策，适用各种不同环境的水位（水压）观测系统，对于及时预报水害，保障煤矿的正常安全生产具有重要的现实意义。
本次规划欲对新设计的4个地面长观孔（Od1，Od2，Cd1，Cd2）和已有的一个观测孔（观1孔），安装水位自动记录仪器或利用远程遥感监测分站进行长期观测；对各采区涌水量和矿井涌水量在井下安装水量自动记录仪器进行长期观测。详见表4-7。
表4-7 大平矿井上下水情在线监测点一览表
（二）底板原位应力监测
煤层开采必然引起采煤工作面底板在一定深度内发生岩体的应力调整作用，从而导致新的应力-应变过程：在采掘前方一定深度的底板岩体产生超前增压；在采空区由超前增压转化为卸压松弛；因远离采空区由顶板冒落引起的再次增压恢复，这就是广义上的采动效应。采动效应的形成及其特征，取决于底板应力调整作用特征，主要与采空区底板岩体的结构特征、物理力学性质、水化学特性、地应力、地下水作用等特征以及与开采方法相关的采动应力作用特征等因素密切相关。
引起煤层底板突水的另一个驱动力是承压水的水压。承压水的力学效应是通过隔水层岩体的裂隙来实现的。充水裂隙中的承压水对裂隙围岩有一场布载荷，当裂隙围岩处在一定的地应力状态之中，在一般情况下，它们处于平衡状态，当围岩地应力状态发生变化，或承压水的水压发生变化时，一方面可能使原有的裂隙闭合，另一方面也可能使小裂隙张开，从而达到新的平衡状态。
底板突水是由采动矿压和底板承压水水压共同作用的结果，采动矿压造成了岩体应力场与底板渗流场的重新分布。两者相互作用的结果，使底板岩体的最小主应力小于承压水水压时，产生压裂扩容而发生突水。对于一个回采工作面，底板承压水的水压一般是已知的。关键问题是测定工作面采动前后和采动过程中底板地应力场的分布情况，进而分析煤层底板采动破坏情况，预测采动破坏导水裂隙带与底板下伏强含水层导升裂隙带对接关系。
21采区位于大冶向斜轴部，且底板埋深较大，为构造应力相对集中区。本规划在21采区首采工作面进行原位应力监测工作。
1.目的与任务
通过对21采区首采工作面进行采动前后底板隔水层岩体的原位应力测试，总体掌握该工作面原始地应力在平面上与剖面上的分布特征。探测采动引起的底板最大破坏深度，以及隔水层在不同应力状态下的破裂强度，并对该工作面的突水可能性作出预测。
2.监测工作内容、技术方法和施工顺序
根据21采区首采工作面地质和水文地质条件以及综合物探成果资料分析，初步判断工作面构造应力集中、发散区段和初次来压采掘步长及最大破坏深度；
在21采区首采工作面上下巷应力相对集中和发散的区段分别布置5～6个底板应力普查孔，在下巷切眼附近预计初次来压区段布置3～4个采动应力测试孔。对底板应力普查孔分层段进行原位地应力测试，普查工作面底板原始地应力场分布状况，并对应力场分布情况进行分析。测试结束后，对应力普查孔进行封堵；对采动应力测试孔进行工作面采动应力场变化测试。
测试工作结束后对工作面底板采动效应进行计算机模拟，分析采动破坏深度和强度；预计整个工作面底板采动破坏情况，并对工作面突水危险性作出评价。
3.监测工程布置
本次监测工程布设在21采区首采工作面材料巷和运输巷内。根据其测试效果与参数，适当应用于其他工作面及一1煤开采过程中。
监测工作应在承担单位提交专门设计的基础上进行。
（三）底板突水监测预警
工作面底板突水监测是在工作面巷道形成后，根据井下物探结果（音频电透视和直流电法）和工作面揭露的水文地质条件，在二1煤层回采过程中选择煤层底板具有突水危险的薄弱地段作为监测部位，监测底板的应力、应变、水压、水温参数变化，从而达到提前进行突水预报之目的。
目前煤层底板间接突水前兆的监测仅有埋入式监测方法，即多参数监测系统。该方法的工作程序是：工作面水文地质条件预分析→确定监测部位→确定监测内容→监测钻孔施工→监测设备安装和监测→水情预测。
大平煤矿21采区位于大冶向斜轴部，且底板埋深较大，底板承受较高的奥陶系灰岩水压，受奥陶系灰岩水威胁较严重，有必要对21采区受水害威胁较大的工作面开展突水监测预警工作。
1.确定监测部位
根据物探结果和工作面揭露的水文地质条件，选择煤层底板具有突水危险的薄弱地段作为监测部位，如果有多个薄弱部位，应该同时监测，不能同时监测时应首先监测距离工作面切眼最近的部位。监测部位和采面的距离不得小于60m。
2.监测工作内容、技术方法和施工顺序
在工作面突水危险区段旁巷道内施工钻窝，在煤层底板隔水层中施工3个钻孔，在钻孔中安装应力、应变、水压、水温传感器；建立井下分站和地面中心站并对设备仪器进行安装及调试。
工作面回采过程中对工作面底板隔水层应力、应变、水压、水温参数进行实时监测，地面中心站计算机将对上述动态数据进行分析，一旦出现上述参数异常情况，立即分析原因，根据参数异常程度和分析结果发出不同程度的突水预警，并启动防治底板突水预案；
工作面回采结束后，对监测结果结合工作面回采情况进行综合分析，研究煤层底板采动破坏深度和破坏规律。
3.监测工程布置
本规划在21采区选取两个受奥陶系灰岩水威胁较大的工作面进行底板突水监测工作。根据测试效果与参数，考虑向条件相似采面及一1煤开采推广。
监测工作应在承担单位提交专门设计的基础上进行。