（地质工程专业论文）白象山复杂富水铁矿突水风险综合分析与评价.pdf

l c i a 鹃m e di n d e x ： u d c ： t d 7 4 d i s s e r t a l i o nf 6 rl h em a s t e rd e g r e ej ne n g i n e er n g vvv t h ec o m p r e h e n s ea n al y s i sa n d 、乙a 山u a t i o no nt h e 後t e r i n ri 丁s h r i s ko fc o m p l i c a t e d 後t e r r i c h ba i a n g s h a n 己o na 压d 叮e p 嘲e c co ft h en 绷o n a | “11 廿1f e - y e a r s c i e n a n dt e c h n o i o g ys u p p o n i n gp r o j e 瞻 a rc h j n a ( n o ：2 0 0 6 b a b 0 2 a 0 1 ) ( ：a n d i d a t e ： s u p e n ，i s o r ： a 翰d e m i cd e g r a p p i i e df o r ： s p i a l 锣： d a t eo fo 咫le x a m i n a t i o n ： u n 蛔e 璐i 锣： q l 瑁n 西e n g p r o f h e k e q i 锄g o f e n g i n e 甜n g ( 渤l o 百c m 脚e 商n g j m e 2 0 1 0 q 蛳t e c h n o l o 百c a l 珊瑚时 青岛理工大学学位论文使用授权声明 青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、c i ) m d 和d m d 有权保留本人所送交 学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权青岛理工大学研究生处办理。 研究生签名：导师签名： 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 选题依据与研究意义1 1 2 课题研究现状1 1 2 1 复杂富水矿床水害防治研究现状1 1 2 2 自象山铁矿研究现状5 1 3 论文研究的主要内容6 第2 章白象山铁矿地质概况与主要水文地质问题8 2 1 矿区概况8 2 2 矿区地质概况8 2 2 1 矿区地层8 2 2 2 矿区构造8 2 3 矿区水文地质条件1 0 2 3 1 地下水变化与分布规律1 0 2 3 2 矿区水文地质边界条件1 2 2 3 3 地下水的补给、径流、排泄条件1 3 2 4 矿床开发存在的主要水文地质问题1 3 第3 章白象山铁矿突水风险模糊综合分析与评价。1 6 3 1 突水风险评价方法的选择一1 6 3 2 突水风险影响因素分析1 6 3 3 矿区突水风险模糊综合评价模型的建立1 7 3 3 1 评价范围及评价单元确定1 7 3 3 2 选取评价模型2 1 3 3 3 指标体系的建立2 1 3 3 4 评价指标权重的确定2 4 3 3 5 评价指标的分级和分级标准2 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 3 6 隶属度的确定2 8 3 4 矿区突水风险模糊综合评价及其结果分析2 9 3 4 1 评价单元的赋值2 9 3 4 2 突水风险模糊综合评价3 0 3 4 3 评价结果分析3 4 第4 章白象山铁矿“天窗刀下部采场顶板失稳突水风险性数值模拟研究3 7 4 1 白象山铁矿开采条件和采矿方法的选择3 7 4 1 1 白象山铁矿开采条件3 7 4 1 2 白象山铁采矿方法的选择3 8 4 2 基于多孔介质渗流理论的f l a c 3 d 流固耦合数值计算方法。3 8 4 2 1 基于多孔连续介质的渗流基本理论概述3 8 4 2 2f l a c 3 d 软件简介4 0 4 3 白象山铁矿采场围岩系统数值模型的建立4 2 4 3 1 基本假设4 2 4 3 2 地质模型的选取和概化4 2 4 3 3 本构模型及其强度准则的选择4 3 4 - 3 4 材料参数的选取4 5 4 3 4 边界条件4 5 4 4 采场围岩系统开采结构参数优化数值模拟研究4 7 4 4 1 采场围岩系统的开采结构参数优化数值模拟试验方案设计4 7 4 4 2 各方案数值模拟结果4 9 4 4 3 各方案顶板最大拉应力分析5 4 4 4 4 各方案顶板最大沉降量分析5 4 4 4 5 各方案顶板最大塑性破坏高度分析5 5 4 4 6 采场结构参数优化数值模拟研究结论分析5 5 4 5 采场围岩系统不同因素影响条件下顶板稳定性数值模拟研究5 6 4 5 1 不同因素影响条件下采场顶板稳定性数值模拟方案设计5 6 4 5 2 不同埋深对采场顶板稳定性的影响5 8 4 5 3 不同顶板厚度对采场顶板顶板稳定性的影响6 3 4 5 4 不同侧压力系数对采场顶板稳定性的影响6 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 6 采场顶板失稳突水风险性分析7 4 4 6 1 正交模拟试验各方案顶板失稳突水风险性分析7 4 4 6 2 不同因素影响条件下各方案项板失稳突水风险性分析7 4 第5 章白象山铁矿主要水文地质问题的防治对策7 7 5 1 白象山铁矿水文地质问题的总体防治对策7 7 5 1 1 地下水动态监测7 7 5 1 2 超前探测7 8 5 1 3 疏堵避结合综合防治8 l 5 2 针对矿区主要具体水文地质问题的防治对策8 2 5 2 1 开拓巷道遇导水断层破碎带的突水防治问题8 2 5 2 2 “天窗”下矿体带压开采顶板失稳突水的防治问题8 5 5 2 3 不良封堵钻孔问题8 7 第6 章结论与展望9 0 6 1 结论9 0 6 2 不足与展望9 2 参考文献9 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目9 6 致谢9 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 复杂富水铁矿在开发过程中，时常伴随着突水灾害的发生，如何有效防治日 益突出的矿井突水灾害成为亟待解决的难题。本论文即依托国家“十一五科技 支撑项目“复杂富水矿床开采关键技术开发与研究”( 编号：2 0 0 6 b a b 0 2 a 0 1 ) ，在 对典型复杂富水铁矿区一白象山铁矿的复杂水文地质条件进行深入系统剖析的基 础上，运用模糊数学方法对矿区三个主要开拓水平( 4 9 5 m 、4 5 0 m 和3 9 0 m ) 的 突水风险进行了分区综合评价研究，并利用f l a c 3 d 流固耦合数值模拟软件建立 了渗流条件下矿山“采场围岩系统 的三维数值模型，探索和研究了采场结构参 数的优化确定以及不同埋深、不同地应力和不同顶板厚度条件下的采场顶板稳定 性和突水风险性的影响作用规律，得到了一些有益的结论和成果，为该类富水矿 床的地下水灾害防治工作提供了理论和实践上的指导作用。主要研究内容及其成 果如下： ( 1 ) 在对白象山铁矿突水风险影响因素综合分析的基础上，运用模糊数学方 法，建立了矿区突水风险评价的模型，对突水风险进行了分区综合分析与评价， 确定了矿床4 9 5 m 、4 5 0 m 和3 9 0 m 三个水平的突水风险变化规律，绘制了白象山 铁矿矿区4 9 5 m 、_ 4 5 0 m 和3 9 0 m 三个水平的突水风险分区评价图。 ( 2 ) 基于三维有限差分多孔介质流固耦合理论，结合白象山铁矿具体情况， 以下层局部疏干条件下的带压充填开采为背景，选取4 线以北、7 线以南的“天窗 下部矿体的开采作为评价地质模型，建立了渗流条件下矿山“采场围岩系统 的 三维数值模型。并根据正交试验设计的方法制定了不同采场跨度、进路宽度、分 层开采高度和充填体强度类型的四因素三水平9 个采场结构参数开采模拟方案， 选取项板最大沉降量、顶板受到的最大拉应力和顶板塑性区最大破坏高度作为评 价采场顶板稳定性的指标，通过对不同方案模拟结果的分析确定了最佳的采场结 构参数开采方案。 ( 3 ) 基于优化确定的采场结构参数开采条件，通过对不同埋深、不同角岩化 砂页岩顶板厚度和不同侧压力系数条件下的采场顶板稳定性数值模拟研究，探索 和分析了不同埋深、顶板厚度和侧压力系数对采场项板稳定性和突水风险性影响 规律。 ( 4 ) 在突水风险评价和数值模拟研究所取得的成果基础上，结合白象山铁矿 青岛理工大学工学硕士学位论文 的具体情况，探讨了矿区主要水文地质问题的总体防治对策与措施，并针对白象 山铁矿主要面临的具体水害，选取开拓巷道遇导水断层破碎带的突水防治问题、 “天窗下矿体带压开采项板失稳与突水防治问题和不良封堵钻孔突水防治问题 三个具体的水害问题进行分析和探讨了其危害现状与作用规律，并结合已有关于 这些问题的研究成果与认识，探索和总结了适合白象山铁矿具体情况的有效防治 手段与措施。 关键词复杂富水铁矿：模糊综合评价；突水风险；f l a c 3 d 流固耦合；顶板稳 定性；采场结构参数 r。_-_-_-_-_-_。 青岛理工大学工学硕士学位论文 l 鼍詈音墨目鼍暑置皇皇墨皇詈皇薯皇詈昌置墨曩| 置皇詈鲁暑暑詈詈詈昌詈| 暑昌暑皇詈皇詈詈皇詈詈墨宣詈皇鼍暑皇皇皇穹暑葛詈置置鼍暑暑曼詈辜皇墨置置詈皇詈量皇墨暑宣量詈奠一 a b s t r a c t 1 1 l ec o n s 缸删i o na n dm i i l i n go fac o m p l i c a t e dw a t e i 。城c hi i o n “n ei so f k 札e n d a n g e i e db y 懈i r 删曲g e 0 1 0 西cl l a 刹s s o ，t 1 1 e 、 ，疵r - i 1 1 m s hi sad i 伍c u l tp r o b l e mw 1 1 i c hd e s i d e 眦s t ob es o l v e de 位c t i v e l y 鹤s 0 1 0 n 弱p o s s i b l e r e l y m g0 nm i 巳、h ed e v e l o p m e ma n ds t u d yo n 恤c m c i a l t e c l l l l o l o g ) ，o fe x p l o m g m e c o m p l i c a t e d 啪解r i c hi i l i n e ”( n o 2 0 0 6 b a b 0 2 a 0 1 ) ，0 n eo f m em t i o n a l “1l t hf i v e y e f s c i e n c e 强dt e c h n o l o g ) ，s u p p o n i n g p r o j e c t s ，叽n l eb a s i so fs y s t e 眦l t i c a ld e e pa n a l y s i so ft i l eg e o h y d r o l o g i cc o n d i t i o n si nt 1 1 e 够p i c a lc o m p l i c a t e d 讯mm i l l e o fb a i x i a r 毽s h a n t i l e 1 e s i s l l a s 印p l i e d 也e 如z 巧 m a t h e m 撕c sm e t h o dt 0t h ec o m p r e h e l l s i v ee v 出u a t i o nr e s e a r c h0 nm ep a n i t i o no fi 1 1 m s h r i s ko fm eh o r i z o n c a ld e v e l o p h l gt l l i l i l e l s ( 4 9 5 1 1 1 一4 5 0 l t la i l d 一3 9 0 1 1 1 ) o f 恤i l l i 血ga r e 如趾d e 鼬l i s h e d 1 cs y 贻n0 fs l 盯o u n d s t r a t ai i ls t o 】p e ”o fm em e 血血ga r e ab yt l l e m l m e r i c a ls i i t l u l a t i o ns o r w 乏嘴o ff l u i d s o l i dc o u p l i n gm o d eo ff l a c 3 d n es y s t e mi sa 吐职e 曲n e i l s i o n a lm n e r i c a lm o d e lm d e rm ec o n d i t i o no fs e e p a g ec o n d i t i o i l s 1 1 1 et i l e s i s h a se x p i o r e da n ds t u d i e dt 1 1 eo p t i m i z a t i o nm 出o d so f s t o p es 加j c t u 陀p 绷e t e r s ，a 1 1 dt 1 1 e 咖p e 啪f 鼬i l i t ) ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fd i 舵r e n tb 谢e dd e p 札d i 彘崩l te a n i l 雎s s u r ea n d d i 依；r e n t 瑚ft i l i c l ( 1 l e s s ，蠲w e na st i l ei n f l u e n t i a la c t i o nl a 、稻o fi n n 】s hr i s k 1 1 l ea b o v e r e s e a r c hc 锄p m v i d et 1 1 et 1 1 e o f e t i c a la r l dp r a c t i c a lh e l pf 0 rp 1 镪，a l t i o na n dc o n n 0 lg r o u i l d w a t e ro f t i l ew a t e r r i c hd 印o s i t t h em a i l lw o r k sa n dc o n t e n t sa r e 硒n l o w e d ： ( 1 ) o i l 位b a s i so ft h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fe 虢c tf a c 雠o f 恤i r l m s hr i 啦 f i l z 巧m a t h 锄a 廿c sm e t l l o d s a r eu s e dt 0e s t a b l i s ht h em o d e lo fw a t e r i n m s hr i s k a s s e s s m e 咄锄d l es y n m e t i c a la n a l y s i sa n de v a l u 撕o na r ep e r f o n n e d s o ，m ev a r i a t i o nl a w s o fw a t 昏枞r i s ko f m e 廿l 赋l e v e l s ( - 4 9 5 1 1 1 ，4 5 0 m 锄d - 3 9 0 1 1 1 ) h a sb e e i la s c e n a i n e d ，a i l d s u b a r e ae v o l 埘o nm a p sh a v eb e e nc o m p l e t e d ( 2 ) b a s e d0 n l en u i d - s 0 1 i dc o u p l i i l gm o d eo f3 d d i r n e n s i o n a l 觚t e _ d i 艉r e l l c ec o d e s m 删f o rn u i dn o wi l lp o r o u sm e d i c o m b i m n g 、i t l l 也es p e c i 6 cc o m p l e x i o i l s ，o nm e b a c k r o u n do fb a c k f i l l m i n i n gu n d e rp r e s s u r eu 1 1 d e rt t l ec o n d i t i o no f1 0 c a ld r 出a g ei i l u i l d e r l a y o r e b o d y 蛐g u n d e rt 1 1 e “s c 眦l e ”，w l l i c hi sb e 咖n o r n lo ft l l ee x p l o r a t i o n l m4 狮d 鼬o fm ee x p l o 础o nl 硫7 ，i sa b s t r a c t e d 勰m eg e o l o 西cn 川e l ，锄d t h e s ) ，s t e mo fs u 玎o u n d m gs 咖i i l 咖p e ”o fm e m em i l l i l l ga 陀钆w l l i c hi sat l l r e ed h e n s i o n m 叫m e r i c a jm ( 妣lu i l d e rt l l ec o n d i t i o no fs e e p a g ec o n d i t i o n s ，i ss e tu p a c c o 诎n gt 0 吐圮 o n i l o g o 脚e x p e r i m e n t a ld e s i 盟m e t l l o d s ，t h e 蛐gs i i i 】眦抓0 ns o l 砸o n so fn i n e 咖p e s t r u 删p 觚l i i l e t e 瑙，w k c ha r ec o i l f i 肋a t i o no fd i 舵r e i l tm 矾n gs p a i l s ，a c c e s s 、) ，i d 恤， l a y e r e ( 1m i i l i n gh e i 曲t sa n d 够p eo ff i l l i n gm a s s ，a r ef o 彻u l a ：c i 耐1 kv a l u a t i o no f 吐1 e s t l a b i l i 够o f t h em i m n gr o o f i sm a r k e db yt l l 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l j d y ，c o m b 讪e d 诵mt l l ep a r t i c u l 孤c a s eo fb a i x i 锄g s i l a i li r o i l ，d i s c u s s i o na i l dp r o p o s e da n l a i n j yh y d r o g e o l o g i c a lp r o b l e m so fg e n e r a lp r e v e n t i o nm e a s u r e sa n d m e a s u r e si 1 1m i l l i n g 鲫a n dt 0d i r e c ta tm eb a i ) 【i a l l g s l 姗i r o nm a tm a i l l l yf 弛d 丽t 1 1s p e c i 丘cn o o d ，s e l e c t e d r o a d w a y s 锄do r em i i l i n gi i lw a t e rb r o k e nf a l tz o n eo fg 删n g 咖c u r ep r o b l e i i l s ，i 1 1 l e ”s c 诚l e ”m a tm e 觚n m ge x p l o r a t i o nu 1 1 d e rp r e 弧e ，m ef o o fi i 鼬撕l i 够，g u 出n gw 2 衄 c u r ep b l e i i l s 锄da d v e r s ep l u g g i i l gh o l e so f 恤嘞c o n 们l o nn l r e es p e c i 6 c 咖i s s u e s ， a n 甜y s i sa n dd i s c u s s e si t sr 0 1 eo fc u r 姗ts i t u a t i o na n dd i s c i p l i n e ，锄d 谢m 他g a i d t ot h e p r o b l e h l s 0 fr e s e 锄c hr e s u l t sa n dk n o w l e d g e ，t 0e x p l o r e 觚d 跚m m 撕z e s 如r 廿1 e b a i x i a l l g s h 觚的no r et om cs 1 弦c i 丘c s i t u 撕o no fe 脓t i v ep r e v e r n i o nm e m o d sa n d m e a s u r e s k e yw o r d s ：c o m p l e xw a t e r r i c hi r o n 缸n e ；如z 巧s y n t h e t i ce 、锄u a t i o n ；w a t e ri i l r u s h r i s k ；f l u i d s o l i dc o u p l i n gm o d eo f f l a c 3 d ；r o o f s t a b i l i 妙；s t o p es t m c t u r ep a 戌i m e t e r s 金属矿山开采深度的加大以及水文地质条件的恶化，复杂富水矿床大规模开发过 程中有关的地下水问题愈来愈突出，如何在保证矿山安全开采的基础上做到兼顾 环境保护和经济上的合理性等，成为当前亟待解决的难题。鉴于上述问题的存在， 国家科技部在“十一五”国家科技支撑计划项目“复杂金属矿产资源采选冶关键 技术与装备 中专门组织了“复杂富水矿床开采关键技术开发与研究( 编号： 2 0 0 6 b a b 0 2 a 0 1 ) ”的研究课题，以期通过本课题的研究，为复杂富水矿床突水防治 措施的制定和安全生产提供科学依据。 本文研究的白象山铁矿，作为此课题的典型研究矿区之一，因水文地质条件 极其复杂，限于当时的技术水平，自1 9 8 2 年5 月冶金工业部安徽冶金地质勘探公 司八。八队编制完成白象山铁矿床详细勘探地质报告以来，长时间未得到开 发。近几年随着我国对铁矿石的大量需求，马钢集团姑山矿业公司已着手进行开 发。目前，白象山铁矿正处于基建阶段。在基建过程中，曾先后于2 0 0 6 年8 月和 2 0 0 9 年4 月发生两次突水事故，造成了巨大的经济损失。因此，研究白象山铁矿 的复杂水文地质条件、突水规律及其防治对策对解决其出现的各种水文地质问题， 有效揭制矿床突水所造成的危害及合理地解决矿床开发过程中防治水的问题，是 当前一项非常重要和紧迫的任务，具有重要的理论意义和现实意义。 1 2 课题研究现状 1 2 1 复杂富水矿床水害防治研究现状 复杂富水矿床是指水文地质条件复杂，含水层异常发育，矿坑涌水量超过万 青岛理工大学工学硕士学位论文 吨，正常开采受到严重影响的矿床【lj 。矿井突水是复杂富水矿床面临的最主要水害 之一，是一种在一定时间内涌入地下构筑物内很大水量并对矿井生产造成毁灭性 打击的突发事件。近年来，国内外学者运用多种方法对复杂富水矿床的突水问题， 进行了大量的研究，取得了许多有益的研究成果。 ( 1 ) 矿床突水机理及评价、预测理论与方法研究 在国外，前苏联、匈牙利等国矿床地质和水文地质条件比较复杂，大水矿区 分布较广，突水灾害比较严重，也取得了一些重要的研究成果。前苏联学者b i i 斯列萨列夫最早提出“安全水头”概念和预测突水的简支梁理论公式，而匈牙利和南 斯拉夫则利用相对隔水层厚度进行了突水判别。原苏联学者a a b o p m c o b 首先 采用相似材料立体模型对采空区底板岩层的变形进行了研究；f a r i a 等从岩石力学 的角度研究底板破坏机理，这些理论与方法对矿井突水研究具有重要的指导作用。 我国开展矿床突水机理及评价、预测方面的研究始于2 0 世纪6 0 年代，在此 之前，主要是引用前苏联b i i 斯列萨列夫公式来评价矿床发生突水灾害的危险性 大小。2 0 世纪8 0 年代后，因我国经济发展迅速，矿产资源开发力度随之增强，导 致突水事故日趋严重，客观上迫切要求人们对矿床突水机理、突水风险评价和预 测工作展开更为深入的研究，在国际上掀起了一轮新的研究高潮，在隐伏陷落柱 探测与防治、煤层底板测试与突水预测预报、带压开采、浅层帷幕截流和控制疏 水技术方面，取得了一定的突破，提出了突水系数法、“下三带”理论、原位张裂 和零位破坏理论、板模型理论、关键层理论、突变及非线性模型、突水优势面理 论等突水判据和理论。 1 9 6 4 年，我国在焦作矿区水文地质大会上提出了突水系数的评价方法，在评 价我国煤层底板突水危险性问题方面起到了积极的作用。但由于突水是一种受控 于多因素影响且具有非线性动力特征的水文地质与采矿过程复合作用下的的动态 现象，而突水系数法所能考虑的突水控制因素仅为充水含水层水压和底板隔水岩 厚度两个因素，过于简化了复杂的突水条件，造成了评价预测结果与实际存在相 当大的偏差。李白英等在实践中提出了“下三带理论 ，该理论比较符合采动条件 下底板隔水层破坏的实际情况，但应用的前提是对隔水层采动破坏带、有效隔水 带和水压导升带各带的厚度进行准确的测定。张金才、刘天泉【2 】提出“板壳”理论， 将底板分为采动破坏带和底板隔水带，将隔水带处理为四周固支、受均布荷载的 薄板，然后利用弹塑性理论计算出其承受的极限水压荷载。由于对岩层内部移动 青岛理工大学工学硕士学位论文 的动态过程难以清楚地了解，因而难以掌握岩层采动裂隙动态发育规律，这显然 不能更好地适应煤矿突水防治的需求。黎良杰，殷有泉等f 3 l 针对煤层开采的底板突 水问题，提出“关键层 理论，并采用结构力学薄板强度理论研究了底板突水的 发生机制，为深入研究岩层内部移动的动态过程和岩层采动裂隙动态分布规律提 供了强有力的理论工具。王作宇等基于现场观测实践和综合的理论试验研究，提 出了突水通道形成的“零位破坏与原位张裂”概念和“承压水上采煤的采动应力场与 承压水运动场耦合效应的底板突水机制”。王连国和宋扬【4 】对建立在力学分析基础 上的突水条件进行变换，得到了符合尖点突变模型的煤层底板突水势函数，发现 煤层底板在突水临界点附近具有发散性和模态软化等性质。施龙青、曲有望掣5 6 】 以“岩层运动为中心”的矿压理论，从矿压的角度分析了采场断层突水的力学机 理，给出了采场底板断层突水判据。 在突水预测方面，随着一些新理论、新观念的引入，国内对突水预测预报的 研究出现了异乎寻常的繁荣，许多新理论、新方法开始应用于矿井突水预测。目 前应用较多的突水预测方法大体上可分为两类，即条件分析法和模型拟合法。前 者主要是根据工作面的地质水文地质条件，预测工作面有无突水发生的可能，为 超前疏放水提供依据。这种预测通常是分采区或采面进行的，侧重于定性分析。 后者在不同程度上具有定量的特点，可以预测整个矿井存在突水的地点。模型拟 合法又可以分为统计模型、g i s 模型、模糊综合评判模型等。如模糊数学方法( 王 树元) 、灰色理论方法( 钱家忠、朱学愚) 、神经元网络方法( 张璩等、王连国) 。 在突水水源识别与判别中，多元( 变量) 统计分析方法、模糊聚类分析方法、灰色系 统理论等己经投入使用，取得良好的效果。在对突水水源及通道探测中，钻孔雷 达也已开始应用，其可实施单孔或孔间测量，确定断层、裂隙、溶洞的大小、形 态、空间展布以及探测含导水构造等，可获得直接应用于工程设计和实践的信息。 此外，在突水预测预报中，还采用了“专家系统”、“神经网络”和“非线性理论”等方 法。 虽然关于突水风险预测评价的理论和方法还在不断的出现和发展。但鉴于突 水这种受控于多因素影响，且很难用确定性的数学方程来描述其发生概率和机理 的特点，多因素、多指标、多源信息集成、模糊性和借助计算机作为工具进行预 测评价的思想逐渐被人们接受。中国矿大郑世书等【7 1 详细分析了煤层底板水文地质 条件、突水因素和突水机理，并在g i s 的支持下，建立了煤层底板突水预测模型； 青岛理工大学工学硕士学位论文 李定龙采用神经网络方法对突水进行预测评价。武强等应用现代多源信息集成理 论，采用具有强大空间数据统计分析处理功能的地理信息系统( g i s ) 与线性或非线 性数学的耦合方法，提出了突水评价的脆弱性指数法，较好地解决了突水预测预 报评价的难题【8 ，9 1 0 1 。 ( 2 ) 矿井突水防治方法与措施研究 我国的矿床( 早期主要是煤矿) 防治水技术工作早在2 0 世纪5 0 年代就已引 起人们的重视，但由于受历史条件的限制，整体水平一直处于初期的探索阶段。 后来虽经2 0 世纪6 0 7 0 年代的发展，仍然遏制不住水害肆虐的势头。2 0 世纪8 0 年代以来，较大突水事故频繁发生。为防止矿井突水事故的频繁发生，通过长期 工作经验的积累和认识的深化，人们逐渐探索出了一些不同条件下不同水害类型 的探测、预防和治理的行之有效的方法；在这些实践和认识的基础上，随着相关 科学的发展和新方法、新手段的应用，矿山防治水技术水平也得到了不断提高， 从简单的单纯排水发展到预先人工降低地下水位；从简单的堵漏发展到现代的注 浆和构筑防渗墙技术，己使许多过去因水害而不能开发的矿床得以安全开采。在 长期的工作实践基础上，防治水工作者探索出了一些水害治理的途径和方法，形 成了包括地下水探测与监测、防水矿柱岩柱留设、疏水降压和注浆堵水等突水防 治方法。 矿井突水预防和治理技术方法的选择依赖于对水文地质条件的充分认识，近 年来一些先进的地下水探测与监测技术方法和仪器设备的产生为开展矿井突水灾 害的有效防治奠定了基础。近年来，我国出现了应用物探、化探技术，如槽波地 震、坑道透视、地质雷达、井下电法，以及连通试验、氡气测定等方法，发现“地 质异常体”，确定地下水通道和水源。采用抗地电干扰的瞬变电磁仪、红外探测仪、 三维高分辨率地震勘探仪、综合物探和超前钻探法等综合方法探测突水点，取得 了较好的效果。目前，高性能的微震监测技术、网络传输技术、并行计算技术、 渗流耦合力学理论方法的发展为矿井突水等灾害分析预报方法的研究提供了思路 和技术手段。同时，突水灾害具有震源区可接近性( 如采空区) ，空间上具有多发 性、高重复性、区域固定性、地质构造的明确性和在时间上的可控性( 如调整开 采进度或顺序) 等特点。 综上所述，国内外对矿床突水机理、评价与预测及其防治的理论和方法进行 了大量的研究，取得的成果为矿床突水防治起到了积极的指导作用，但也存在一 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 些弱点和不足。在突水机理方面，把岩体和水分开研究，实际上是没能很好的考 虑渗流与破坏的相互作用；在突水预测评价理论上，缺乏针对不同突水模式的系 统性研究；在连续实时监测矿井突水方面还缺乏有效的方法，主要工作还是放在 对突水点部位、高压富水区、导水断层和岩溶陷落柱进行探测，缺乏对突水通道 形成过程的动态监测和预报监测；在突水防治探测方面，含导水构造的地球物理 探测，特别是井下超前探测方面，缺少对小构造探测的研究，缺少深部地质结构 精确空间定位的理论和方法。 1 2 2 白象山铁矿研究现状 白象山铁矿为物探发现的埋深在2 0 0 m 以下的隐伏矿体，其地质勘探工作经历 了普查验证( 1 9 6 6 年2 月1 9 6 7 年3 月) 、详查评价( 1 9 7 2 年1 9 7 5 年) 和详细 勘探( 1 9 7 6 年1 9 8 1 年) 三个阶段。冶金工业部安徽冶金地质勘探公司八o 八队 于1 9 6 6 年2 月1 9 8 1 年6 月期间对铁矿的水文地质情况进行了详细的调查和勘探， 完成了钻探孔2 3 5 个，其中包括水文地质钻孔4 5 个，进行了大口径群孔抽水试验 一组，完成了区域水文地质和矿区水文地质的测绘和编图工作，并于1 9 8 2 年5 月 编制完成了 白象山铁矿床详细勘探地质报告【l l 】。报告中详细阐述了白象山铁 矿的地质、构造、矿床水文地质和工程地质条件，指出了矿床开采后可能引起的 水文地质和工程地质问题。由于白象山铁矿矿床水文地质条件极其复杂，断裂构 造极其发育，矿床上部地表约有3 5 是水田，且有长江支流一青山河流经。因此， 该矿床长时间未得到开发。 近年来随着我国钢铁工业对铁矿石的大量需求，马钢集团公司下属的姑山矿 业公司已着手对白象山铁矿的开发。白象山铁矿地表有村庄、公路、高压线、良 田、森林公园和谢公祠等，地表不允许塌陷，中国有色工程设计研究总院于2 0 0 5 年2 月提交了白象山铁矿初步设计，制定了初步的防治水设计方案和采矿设计 方案，设计生产规模为2 0 0 万吨年【1 2 l 。在基建过程中，因对矿床极其复杂的水文 地质条件和极其发育的断裂构造条件认识不够充分，2 0 0 6 年8 月2 8 日，当风井 4 7 0 m 中断平巷施工8 6 m 后，因巷道接近f 4 导水断层，工作面发生大量涌水，瞬 时涌水量达9 2 8 m 3 l l ，造成淹井，使矿山基建工作全面瘫痪。 在上述背景条件下，2 0 0 7 年2 月长沙矿山研究院编制完成了白象山铁矿基 建期与生产期防治水方案设计，提出了基建和生产阶段防治水总体方案，并对基 青岛理工大学工学硕士学位论文 建期防治水进行了粗略的分区，并根据区域的不同提出了不同的防治水方案【l 引。 中国矿业大学于2 0 0 7 年3 月编制完成了白象山铁矿建设工程安全防治水方案研 究报告，报告明确了探、防、治等方法、手段，并编制防治水相关工程的方案设 计，分析研究“查明”和“防范”水害的关键隐患，阐述了铁矿井巷工程水文地 质条件背景及工程水害防治特点、难点，初步设计了井巷工程水害防治应对方案 和措施【l4 1 。目前，白象山铁矿还处于基建阶段，其中风井已施工到位( 井底标高 4 8 5 m ) ；0 9 年l o 月底主井已施工5 4 0 m ，副井已施工至5 7 0 余m ，采用局部预注 浆方式对少量涌水状况进行封堵；三个中段( 3 9 0 m 、4 5 0 m 、- 4 9 5 m ) 平巷中3 9 0 m 和4 5 0 m 已有一定规模的掘进。矿山突水灾害是影响和控制矿山安全与高效生产的 关键问题，白象山铁矿突水因素繁多，突水机理极为复杂，仅依靠的前期初步研 究工作取得的一些成果，要想保证矿山在安全开采的基础上做到兼顾环境保护和 经济上的合理性等，还远远不够，还需要更进一步深化和细化的研究。 1 3 论文研究的主要内容 本论文研究针对白象山铁矿的复杂水文地质条件进行了以下几个方面的探索 与研究： ( 1 ) 针对国内铁矿床突水研究尚不成熟的现状，广泛搜集国内外矿床突水防治 的新理论、新方法和新成果，尤其是对已相对成熟的煤矿突水研究成果的学习和 借鉴。通过对搜集的资料进行筛选、对比分析和消化吸收，提高自己对铁矿突水 方面已有的研究成果的认识水平，找出目前研究成果的不足之处，并结合具体的 白象山复杂富水矿床来选择研究的突破口。 ( 2 ) 以前期地质勘探资料分析和实地勘察等形式广泛收集有关白象山铁矿的第 一手资料，全面整理和深入分析现有的地质资料和以往该矿的研究成果与认识， 针对白象山铁矿防治水的实际需要选定研究的切入点，并提取相关的有用信息， 为下一步研究工作的展开做好充分的准备。 ( 3 ) 通过分析、消化现有的水文地质资料，深入分析白象山铁矿突水风险的影 响因素，确定白象山铁矿矿区突水风险模糊综合评判的评价范围，并结合白象山 铁矿实际情况，确定评价体系中的评价指标和权重，建立综合模糊评判的评价模 型。然后根据已掌握的资料信息对评价模型确定的评价指标进行赋值，并进一步 通过评价模型对所选评价范围进行综合模糊评价其突