（安全技术及工程专业论文）基于GIS的矿井承压水害管理信息系统.pdf

山东科技大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t m i n ew a t e ri n r u s he s p e c i a l l ya tt h ef l o o rt a k e sp l a c ef r e q u e n t l y ，w h i c h r e q u i r e sb e t t e rm a n a g e m e n to fm i n ew a t e rd i s a s t e r t h ep a p e rb a s e d0 ng i su s e s p o l y i n f o r m a t i o nf u s i o nb ya n a l y z i n gt h er e v e l a n tf a c t o r so fm i n ew a t e ri n r u s h a n di t sm e c h a n i s ma n dc o n s i d ec h a r a c t e r so fm i n eh y d r o g e o l o g ym a n a g e m e n tw o r k t od e v e l o pt h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mo fm i n ec o n f i n e dw a t e rb a s e do ng i s g i sa n di n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n i q u ea r eb o t hn e w l ya r i s e n ，t h e ya r en o tu s e d w i d e l yi nf o r c a s t i n gw a t e rd i s a s t e r ，e s p e c i a l l yi n f o r m a t i o nf u s s i o nt e c h n i q u e f r o mt h ev i e wo fa v a i l a b l ed a t a a n di th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei np r a c t i c et o i n t r o d u c et h e mi n t ot h ef o r c a s t i n go fm i n ef l o o rc o n f i n e dw a t e rd i s a s t e r m i n ef i l e s m a n a g e m e n ts u b s y s t e m ，d a t a i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t s u b s y s t e m ，g r a p h sa n dp i c t u r e sm a n a g e m e n ts u b s y s t e m ，a n df o r e c a s t i n gs u b s y s t e mo f f l o o rw a t e ri n r u s hc o m p o s et h et o t l es y s t e m ，t h ef o u rs y s t e m sa r ei n t e r r e l e t i r e a n dc o m p o s eao r g a n i ce n t i r e t yt om a k et h em a n a g e m e n to fm i n er e s o u r c ei n f o r m a t i o n s y s t e m a t i z e da n ds t a n d a r d i z e d a n dm e a n w h i l ef o r e c a s t i n gt h ef l o o rw a t e ri n r u s h e f f i c i e n t l y a m o n gt h ef o u rs y s t e m s ，m i n ed a t ai n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts u b s y s t e m r e a liz e dt h ec o m p u t e r m a n a g e m e n to fi n f o r m a tio nw i t ht h eh e l po fp o w e r f u l d a t a b a s em a n a g e m e n tf u n c t i o no fs q ls e r v e r2 0 0 0 ，w h i c hc a ns o l v ea n du p d a t et h e p r o b l e m so f m i n ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t i ts u p p l y sb e t t e rs e r v i c eo fi n f o r m a t i o n r e q u i r a r ya n da n a l y s i s ，a n df o r e c a s t i n gw a t e ri n r u s h i m a g i n e sm a n a g e m e n t s u b s y s t e mu t i l i z e st h ep o w e r f u lf i g u r e sm a n a g e m e n ta n ds p a c ea n a l y s i sf u n c t i o n o fg i st or e a l i z ei n f o r m a t i o nm u l t i f a c e t e dt or e a l i z ei n f o r m a t i o n m u l t i - a c e t e d ，t oe d i ta n dr e v i s et h ef i g u r e sa n d t h ea t t r i b u t er e q u i r a r y c o n v i e n t l y t h ef o r e c a s t i n gs u b s y s t e mi n t r o d u c e st h ec o n c e p to fd a t af u s i o n i n t h et i m eo fc o n s t r u c t i n gf l o o rw a t e ri n r u s hf o r e c a s t i n gm o d l e ，t h es y s t e mn o to n l y c o n s i d e r e dt h em e c h a n i s mo fa n yi n f l u e n c i n gf a c t o r ss u f f i c i e n t l y ，b u ta l s o o p t i m i z e dt h ei n f o r m a t i o nt ou t i l i z ei n f o r m a t i o n t h es e c u r ee v a l u a t e do u t c o m e i sg o t t e n ，a n dt h ef o r e c a s t i n go u t c o m ep i c t u r ei sf o r m e d ，w h i c hi se x a c t l ya n d 山东搴 技大学硕士学位论文摘要 p e r c e i r e dd i r e c t l y t h i ss y s t e ma l s op u tf o r w a r dt h em e a s u r e si ni n f o r m a t i o i l d i f f u s i o nt og e td e t a i lb yc o n c e r n i n gs y s t e m sc h a r a c t e r s k e y w o r d s ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，i n f o r m a t i o nf u s i o n ，f u z z yo p t i m i z i n g t e c h n i q u e ，e v i d e n c et h e o r y ，m i n ew a t e rd i s a t e r ，f o r e c a s t i n g 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名： 苍劲 日期： 多，乡 a i 、f i r m a t l 0 n id e c l a r e t h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ea w a r d o f m a s t e r o fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n g u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，i sw h o l l ym yo w nw o r k u n l e s s r e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h ed o c u m e n t h a sn o tb e e ns u b m i t t e df o r q u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e s i g n a t u r e ：几“ d a t e ： 莎彦 “j 东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 。1 课题提出及研究意义 煤炭是我国国民经济的主要能源，煤炭工业是我国国民经济的基础产业。而煤矿 发展到今天，安全问题一直是最令人担忧的一个大问题：大型恶性事故没有从根本上得 到控制，小型事故时有发生。煤矿安全事故直接影响着煤矿工人的生命和煤炭企业的效 益，同时也给国家带来了巨大的经济损失“”。 在我国，煤矿水文地质条件复杂，受水害威胁的矿井多。据初步统计，全国6 0 0 多 处国有重点煤矿中受水害威胁的矿井达2 8 5 处，占4 7 5 。在各种矿井水害中，底板承 压水突水的威胁十分严重。矿井水害的防治直接关系到煤矿的生产安全和经济般盏，关 系到煤炭资源回收和矿井水资源保护，关系到煤炭工业的可持续发展。 如何高效的管理各种矿产资源，积极有效的防治矿井水害的发生，一直是我国煤炭 生产中的重大技术理论课题之一，也是煤矿生产及科研中的一大技术难题。在矿井资源 管理方面，由于信息涉及领域广、数据量大，繁琐的手工管理，已显得有些力不从心。 在突水防治预测方面，由于突水影响因素多，且各因素问少有规律的关联性，很难构建 出理想的预测模型”1 。 随着计算机技术的不断发展及其在实际工作中的广泛应用，对信息的管理、处理和 分析的手段也在不断提高。本课题在地理信息系统的基础上，将多元信息融合技术引入 到传统的煤矿产业中来，研制开发矿井承压水害管理信息系统。系统、规范的对矿井水 文地质信息进行管理，科学、有效的对煤矿底板突水进行预测预报，将对防治矿井水害， 保障矿井安全，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 矿井水文地质信息瞥理的现状殛存在的问置 随着社会豹进步和采矿业的发展，煤矿水文地质信息愈加庞大，信息管理涉及到大 量报表、文档和图件的管理、查询、统计等工作。并且在自然和人为因素的作用下，信 息还经常发生变化。由于资料数量大，更新困难，手工管理起来非常麻烦，且经常出错， 息还经常发生变化。由于资料数量大，更新困难，手工管理起来非常麻烦，且经常出错， 些查型垫- 太堂堡主兰竺笙兰堕丝 矿区的发展迫切需要一种规范、科学、高效的管理方式。 将矿井水文地质信息以电子数据的形式存储于计算机中，借助g i s 强大的数据库管 理和空间分析功能，建立起矿井水文地质管理信息系统，将信息分为空间信息与属性信 息，两类信息结合在一起，实现信息的计算机管理，可有效的解决上述问题，方便信息 查询和更新，实时、有效的为各部门提供各种服务。 任占营、李克民等人针对露天矿生产地质、矿山测量、采矿计划等部门对生产数据 科学管理的需要，应用数据仓库原理开发了露天矿生产信息数据库管理系统”1 。陈练武、 陈开圣等人在地理信息系统平台m a p g i s 支持下，以v f 6 0 和v b 6 0 为开发语言，开发了 榆林地区矿产资源管理系统，系统主要由数据和图形两大模块组成，集数据管理、图形 处理和信息查询为一体，具有图形编辑、自动成图等功能，系统运行效果良好“3 。另外， 唐益平、杨德生等人提出了基于g i s 技术的矿产规划管理信息系统，并为矿产规划管理 信息系统的构建提供了思路0 1 。 i 2 2 矿井底板突水预测的现状及存在的问厦 由于矿井水害影响因素多、机制复杂，传统的预测方法遇到了巨大的挑战。长期以 来，许多工作者为此做了大量的工作，也取得了一系列的研究成果。如斯列萨列夫公式、 突水系数法和“下三带”理论等。但是，很多水害预测方法或概化条件过多，考虑因素 不全面，或难以清楚表明各因素与突水之间的关系，在实际应用中效果不是很理想“。 以g i s 为工作平台，利用其强大的属性库管理、图像处理、空间分析等功能，研制 矿井水害管理信息系统，对水害进行预测预报，方法是可行的、有效的。1 9 8 2 美国学者 c d e 1 i f r i t s 首次将g i s 应用于煤矿地面塌陷的预测，开拓了g i s 在煤矿灾害应用的先 河。受这一思想的启发，8 0 年代中后期，中国矿业大学g i s 应用课题组对g i s 在底板突 水中的应用进行了尝试。此后，郑世书、张大顺、孙亚军、王希良、马赫平、江东等先 后进行了不同程度的研究，取得了较好的成果，极大的推进了矿井水害预测向信息化方 面发展“。 武强、钱增江等人针对矿井水文地质工作特点，基于m a p g i s 平台用v b 开发了矿井 水文地质信息系统，系统具有制图、库管理、数据处理、辅助决策、突水评价等7 大类 功能模块，其中突水评价模块可运用地应力法、多元信息复合法和模糊综合评判法进行 采区的安全性评价，目前已成功的运用于开滦赵各庄矿业公司，并取得了良好的效果n 2 3 。 由郑世书、张大顺等人开发的6 i s 煤矿底板突水危险性预测系统，能够在分析水文、地 质条件和突水资料的基础上，建立起反映较多因素的突水模式，帮助决策人员作出正确 2 生查型垫查堂堡圭堂竺丝塞 笪堡 的判断“”。江东、王建华等人曾以山东肥城国家庄煤矿为研究区，对在g i s 支持下底板 突水预测模型的建立与应用，进行了深入的研究1 。李定龙、汪茂连等人，应用g i s 支 持下的多源信息方法进行矿井突水预测，实践检验该方法简单、易行，预测结果可靠3 。 除此之外，还有许多学者也做了大量有意义的工作“”州。 1 2 3q i $ 在矿井水文地质信息管理和庭板突水预测的应用现状分圻 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是由计算机技术与空 间数据相结合而产生的一门高新技术。其基本功能主要包括数据的采集、管理、处理、 分析和输出。依托这些基本功能，通过利用空间分析技术、模型分析技术、数据库和数 据集成技术等，演绎出丰富多彩的应用功能。 通过对已有成果的分析，可以看出g i s 作为一种新的技术已经越来越广泛的被纳入 到煤矿资源管理和水害预测中来，并取得了很好的经济效益和社会效益。但是，在资料 的收集分析中我们也发现，在以往的基于g i s 的水害预测预报中，数据库和制图方面的 功能较为完各，而缺少对矿井底板突水预测方面的应用研究。而目前应用g i s 进行突水预 测，主要集中于专韪图的复合分析。运用这种方法首先对各项因素( 含水层厚度、岩性、 构造等) 的专题信息图有一定的要求：其次在构建突水数学模型时，必须经过多次反复 的拟合和调整，才能得到较为满意的结果，这个过程实现起来有一定困难且比较繁琐。 研发基于g i s 的矿井承压水害管理信息系统，除了解决数据库和图像管理等功能外， 最重要的是完善突水预测模型和预测方法，不仅使预测结果准确而且使预测过程简便。 我们知道煤矿底板突水预测是一个复杂的人工一自然复合系统，内部各影响因素相互关联 耦合、作用机理复杂，一般不满足经典数学的处理要求。而一些软科学方法，如模糊数学、 专家系统、人工神经网络、信息理论等对底板突水问题的研究有着很大优势。本课题拟 在g i s 的基础上，引入信息融合技术，简化预测过程，优化预测结果。 1 2 4 信息奠合技术的发晨及研究现状 信息融合也称为数据融合是8 0 年代才形成和发展起来的一种自动化信息综合处理 技术，是传统学科和新技术的集成和应用。1 9 9 0 年在美国航空航天局( n a s a ) 的一个研 讨会上，s h e n 系统地提出了信息融合( d a t a i n f o r m a t i o nf u s i o n ) 的概念。”。信息融 合是一种信息处理技术，对多元信息进行处理，以获得改善了的新信息，服务于决策 ”。根据国外的研究成果，信息融合比较确切的定义可概括为：利用计算机技术对按时序 获得的多源观测信息在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和估计任务而 进行的信息处理过程“”。 3 生查型垫查堂堡主堂垡笙苎堕丝 信息融合的技术和思想首先应用于军事系统，然后迅速移植到民用系统，如卫星遥 感、工业检测、图像处理、环境监视、地质统计等。美国每年举行一次信息融合国际学 术大会，总结该领域的最新研究成果。在我国，信息融合技术也在不断发展，并取得了 一定的研究成果，如1 9 9 3 年国家自然科学基金委员会资助了北京航空航天大学的“多传 感器数据融合”项目等。信息融合技术发展时间不长，虽然信息融合问题本身至今未形 成基本的理论框架和有效的广义模型和算法，但是不少领域的研究人员还是根据各自的 应用背景，提出了比较成熟有效的融合方法。比较常用的几种信息融合方法有：加权平 均法、贝叶斯估计、证据理论、模糊逻辑、神经网络、粗糙集理论等m 1 。 l 1 i m a s 和w a l t z 的专著多传感器数据融合，h a l l 的专著多传感器数据融合中 的数学技术都对信息融合研究的内容、应用和公共基础做了全面的、基础的论述o “3 ”。 在我国，中国科学院江东、王钰等进行了图像信息融合方面的研究1 ，中国地质大学李 超岭、张克信等对基于g i s 技术的区域性多源地学空间信息集成的若干问题进行了探讨 m 1 。传统的数据融合算法常用b a y e s 决策理论和d - s 证据理论，哈尔滨工业大学的童树 鸿、沈毅提出了一种数据融合的模糊模型和算法，可有效的处理冲突信息和错误信息， 具有良好的纠错性和稳健性“”。另外，国内不少大学也已将信息融合技术作为博士研究 的课题，如2 0 0 1 年中南大学邱冬生所做的博士学位论文“湖南省国土资源地学数据库模 型与数据融合技术应用研究”“”；2 0 0 2 年中国矿业大学王正友的博士论文“信息融合及 其相关技术的应用研究”o ”。 但是，这些研究还只处在起步阶段，离实际应用还有一定的距离。目前，信息融合 技术既是国际上的前沿技术，也是我国“8 6 3 ”计划和“十五”规划中的重点研究项目。 信息融合技术对于企业来说。有着广阔的应用前景。从已有的资料看，在煤矿方面很少 有信息融合应用的相关报道“3 “1 。所以本课题将其引入到底板承压水害的预测预报中， 具有一定的刨新性，并且有许多实际工作要做，有很大的现实意义。 i 。3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 论文主要研究内容 本课题以m a p g i s 为工作平台，运用模糊信息优化技术和证据理论等，研制开发矿井 底板承压水害管理信息系统。系统主要用于矿井底板突水的预测预报，以水害预测为主 线，结合矿井水文地质信息管理等功能，形成一个独立、完善的系统，为实现矿井水害 4 些查型苎查兰堡圭堂垡堡壅堕丝 管理工作的系统化、规范化提供了一条科学有效的技术途径。课题的主要研究内容有： ( 1 ) 文档资料库的建立。 整理矿区的各种文字资料，如地质报告、周边矿区的地质资料、矿区水灾隐患的技 术方案等，提取出对本系统有意义的信息，存入文档资料库，供用户参考。在文档库中， 信息的浏览采用目录式，用户直接点击目录即可查询到感兴趣的章节。 ( 2 ) 数据库( 属性数据库、基础信息数据库) 的建立。 系统全面的收集相关水文地质资料和突水资料，加以整理、归类；根据每类数据的 特点，以s q ls e r v e r2 0 0 0 为开发语言构建数据库。用v i s u a lb a s i c6 0 开发可视化界 面，采用o d b c 数据源进行数据库的连接。 ( 3 ) 空间数据库的建立。 空间数据库管理系统是以m a p g i s 6 5 为平台进行二次开发的，主要包括图形编辑、工 程管理和图库管理三个子系统。矿区的图形图像资料可以分别以工程或点、线、面文件 的形式进行管理。可分别对文件进行编辑、修改、存储、输出打印等。 ( 4 ) 空间数据库和属性数据库的联动。 实现空间数据与属性数据的动态关联。通过点击图像上的图元，可以直接查询其属 性信息，方便、快捷。 ( 5 ) 研究信息融合在突水预测中的应用。进行底板突水的分析预测。 对突水因素和突水机理进行分析后，确定影响突水的主要因素。利用信息优化等技 术先对大量的样本数据进行处理，初步构建一个突水模型。再通过与各预测区信息的融 合确定其安全状况。最后结合g i s 系统里d t m 分析功能，用不同的颜色将不同安全等 级的区域在图上表示出来，形成预测区安全评价成果图。 ( 6 ) 系统的开发( 信息查询、图件管理、输入、输出、突水预测分析) 。 以基础地信软件m a p g i s 为开发平台，以s q ls e r v e r2 0 0 0 和v i s u a lb i s i c 6 0 为开 发语言，进行系统开发。 i 3 2 论文研究方法和技术路线 前人在矿井底板突水预测方面做了大量工作，也曾将g i s 引入到矿井水害预测中， 且取得了很好的效果。信息融合技术是当今国际上比较前沿的新技术，是今后信息发展 的趋势之一。将地理信息系统和信息融合技术相结合引入到矿井水害管理系统中，将对 防治煤矿水害，保障矿井安全，具有重要的现实意义，并为矿井水害预测工作提供了一 个新的思路。 e 坐垄型垫查兰堡主堂垡笙苎堕丝 研究方法及步骤：基于突水机理，分析矿区开采资料，确定导致本矿底板突水的主要 影响因素。广泛调研，收集水文地质资料、开采技术条件及相关水害资料，建立数据库 ( 属性数据库、空间数据库和基础信息数据库) 。可以对库中信息进行实时有效的查询、 编辑、分析和输出。利用信息融合技术，对数据库中的信息进行优化、分析，构建底板 突水预测模型。最后结合g i s 的d t m 分析功能将预测结果图形化。整个预测过程简便， 预测结果直观。 基于g i s 和信息融合的矿井承压水害管理信息系统( 删w d g i s ) 的技术路线见图1 1 。 图1 1 砌i w d g i s 系统的技术路线 f i g 1 1 t e c h n i c a lr o u t eo f t h ei v 删i s 6 山东科技大学硕士学位论文矿井底板突水研究 2 矿井底板突水研究 2 1 矿井底板突水影响因素分析 在煤层开采的底板突水预测中，突水相关因素的确定及作用分析是其中一项重要的 研究内容。经过几十年的防治水工程实践和广大生产、科研人员的不断探索，人们对突 水相关因素及其影响已经有了一个比较全面的认识。影响底板突水的因素很多，总结起 来可以归纳为以下五个方面：岩溶发育程度、水压、有效隔水层厚度、断裂构造和采掘 活动。 2 1 1 岩溶发育与突水的关系 煤层底板岩层中的灰岩具有岩溶裂隙和溶洞，其中贮存着承压水，这是矿井底板突 水最基本的物质前提。岩溶的发育程度决定了底板突水量的大小和突水过程的特征。 对于一个矿井或采区，其底板灰岩的赋水性主要取决于灰岩厚度、灰岩裂隙、岩溶 发育程度类型、水文地质单元大小、岩溶水的补给、地质构造等。根据华北各矿区的实 践经验：一般厚度小于4 m 的薄层灰岩，岩溶裂隙发育程度较差，赋水性较弱；而厚度大 于4 m 的灰岩，有可能是岩溶发育的富水岩层。 在中国北方由于中奥陶纪灰岩岩溶发育、水量丰富、水压高，特别是当煤层底板隔 水层厚度不大，矿区又位于岩溶水系强迳流带及其附近时，中奥陶纪灰岩岩溶水将是造 成矿区水害的主要因素。根据不同矿区的岩溶勘探资料，以突水预测和防治为目的可以 把不同区域、不同灰岩岩层的岩溶发育程度划分为四种岩溶类型时1 ： ( 1 ) 孔隙裂隙型。溶岩发育程度和连通性弱，富水性和导水性较差。见图2 1 ( a ) 。 ( 2 ) 溶蚀裂隙网络型。溶蚀裂隙较发育、相互连通，在空间上构成导水裂隙网络， 赋水性和导水性中等。见图2 1 ( b ) 。 ( 3 ) 孔洞裂隙网络型。这种岩溶系统既具备网络型连通性，又具有较大的溶蚀空 间，其赋水性和导水性均较强。见图2 1 ( c ) 。 ( 4 ) 溶洞裂隙网络型。可形成岩溶陷落柱，赋水性和导水性很强旧。见图2 1 ( d ) 。 山东科技大学硕士学位论文 矿井底板突水研究 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) l l 一。f i i 7 。i 。 i 、 jii、 l i 一 il l l l i ii一 7 i 、1i 爿孵i 、rl o l h 八沙 i l i l、卜 一 q，叫i 7 l 、，f y 1 _ 一。1 吖 h l i 1 i 。i7 i 彭 图2 1 底板灰岩岩溶类型示意图 f i g 2 1 s k e t c hm a p so ff l o o rl i m e s t o n ek a n tt y p e s 2 1 2 水压与突水的关系 水压是底板突水的动力，是决定突水与否和突水量大小的主要因素，它可以用一个 明确的参数水压值表示。水压值是决定突水与否与突水量大小的最基本、最重要的 参数。 承压含水层的水压力主要分为静水压力和动水压力。静水压力的作用主要是与矿山 压力一起造成煤层底板隔水岩层的变形、底鼓和破坏，同时煤层底板原有的构造裂隙在 这些力的共同作用下，进一步扩大或产生新的破坏裂隙。当这种变形破坏使充水含水层 与所采煤层沟通时，隔水岩层便失去阻力作用，导致底板突水。动水压力的作用主要表 现为对底板原有构造裂隙进一步潜蚀、软化，从而使裂隙进一步扩展、连通，削弱底板 隔水岩层的隔水厚度嘟1 。 研究表明，位于煤层底板下部的承压含水层，其水压力的大小决定着底板是否会发 山东科技大学硕士学位论文矿井底板突水研究 生突水，而其富水性则决定着突水后水窖的规模及对矿井的威胁程度。在煤层底板突水 过程中，水压的作用主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 承压水在水压力的作用下，渗透至底板的构造裂隙中并不断侵蚀形成突水通道， 突水通道在水流的冲刷作用下，当水压差达到岩石强度极限时，岩石就会断裂破坏，从 而造成突水通道的孔径扩大。 ( 2 ) 当底板岩层存在导水断层时，承压水会沿着断层直接进入煤层。 ( 3 ) 当含水层的上部岩层为透水层时，承压水会渗透至该岩层内，造成底板隔水层 厚度减小。 ( 4 ) 当含水层的顶板岩层为弱透水层时，承压水会越流入渗到该岩层，或直接越流 渗透到工作面造成工作面涌水量增加。 ( 5 ) 当含水层的顶板岩层为隔水层时，承压水将作为一种静力作用于煤层底板上。 当水压力较高或水流速较大时，承压水将挤入其顶板岩层中，并形成导水裂隙。 实践也证明，在其它条件相同时，水压力越大，发生底板突水的可能性越大。 2 1 3 有效隔水层厚度与突水的关系 底板隔水层是指回采工作面( 或巷道) 至底板含水层( 一般指灰岩含水层) 之间的 隔水岩层。隔水层的厚度也就是回采工作面底板至灰岩含水层的法向距离。底板隔水层 在带压开采中起着阻隔灰岩承压水突出的作用，隔水层的阻抗水能力是底板突水中一个 十分重要的参数。在影响底板隔水层阻抗水能力的因素( 隔水层厚度、隔水层岩性、底 板岩层组合等) 中，隔水层厚度最为重要。底板隔水层厚度的真值为能抵抗下伏含水层 水压的有效岩层厚度，即有效隔水层厚度。 实验及研究表明，煤层底板在开采条件下，由于受到矿压及岩溶水的共同作用，自 上而下分为：矿压对底板的破坏深度带、具有阻隔水能力的有效隔水保护带和岩溶承压 水导升带( 事实上的含水层) 。 煤层底板岩层发生变形和破坏，是煤层开采后引起应力重新分布的必然结果。变形 和破坏深度带称为底板破坏带，而丧失了隔水能力的底板岩层深度即底板破坏带深度。 煤层在回采之前，充水含水层顶界面已经向上发育了导水裂隙，并深入到底板一定 深度，此带称为承压水的“原始导高带”。 有效隔水层位于底板破坏带之下，原始导高带之上，有效隔水层厚度即是隔水层厚 度减掉底板破坏带和原始导高带的厚度。参看示意图2 2 ，其中h l 表示破坏带，h 2 表示 有效隔水层，h 3 原始导高带。 9 山东科技大学硕士学位论文 矿井底板突水砂究 叠i ：j j ：一一鼻- ：j ，。- t ：一 二量譬一。尽占簟， 图2 2 有效隔水层示意图 f i g 2 2 s k e t c hm a po f e f f e c 6 v ew a t e r - r e s i s t i n gl a y e r 有效隔水层是阻抗底板岩溶承压水突水的最主要因素，是岩溶承压水上煤层开采的 最重要的安全屏障。有效隔水层的厚度越大，阻抗水压的能力也越大。 此外，底板岩层的抗水能力与隔水层的岩性和岩层的组合有密切的关系。例如隔水 层下部为粘土层，中上部为高强度的坚硬岩层将有利于隔水。各分层厚度较大，层数较 少，也有利于隔水。 2 1 4 断裂构造与突水的关系 地质构造尤其是断裂构造也是造成煤层底板突水的主要原因。由断裂构造造成的底 板突水主要分为两种类型：一种是含水的断裂构造在情况不明的条件下，采掘一旦揭露， 即发生突水；另一种是原来不导水的断层，由于受采动的影响，导致断裂活动，引起滞 后型底板突水。 断裂构造之所以成为底板突水的重要影响因素，主要有以下几个原因： ( 1 ) 断裂构造的错动降低了隔水岩层强度。当断裂构造错动时，断裂影响范围内岩 性破碎，极大的破坏了隔水岩层的完整性，降低了岩层的隔水强度”。 ( 2 ) 断层错距的存在缩短了煤层到含水层的距离。当断裂构造切过煤层和充水含水 层时，断裂两盘的位移会使底板与对盘充水含水层之间的相对位置和距离缩短，使隔水 层的有效厚度减少，甚至使煤层与充水含水层直接对接。煤层与含水层之间的距离缩短 多少则主要取决于断裂的断距和倾角。 ( 3 ) 断裂构造的导、储水特征。由于构造的错动，断裂带的岩性一般比较破碎，断 裂具有良好的导储水特征，当工作面揭露至0 断层时即会发生突水。 ( 4 ) 根据现场底板岩体注水试验结果及有限元数值计算，回采工作面底板岩体中存 在断层时，底板的采动破坏深度增大嘲。 但是，并不是所有的断层都突水，因此区分出有突水危险的断层具有特殊意义。根 据各个矿区资料和突水防治经验，具有以下性质的断层更易发生突水：断距较大，断裂 1 0 山东科技太学硕士学位论文矿井底板突水研究 带较宽，延展长的断层更易突水；一般形成年代新，导水性强的断层更易突水：张拉性 断层带、张扭性断层带和压扭性断层带都容易突水：如果与其他断层相连通，通过岩溶 径流的断层更易突水。 2 1 5 采掘活动与突水的关系 采掘活动是底板突水的诱导因素。不同的采掘方法对工作面突水与否起着控制作用。 采掘活动与底板突水的关系主要表现为以下几个方面：对于导水的断裂构造和岩溶陷落 柱，采掘一旦揭露就会引发突水：开采引起底板应力场的变化，造成底板变形破坏，减 少了底板岩层有效隔水层厚度，增大底板突水的可能性；开采活动和矿山压力一起引起 断裂构造活动，从而引发突水。 采用矿压显现不剧烈的采煤方法，可以减轻工作面底板的破坏程度，有利于抑制突 水的发生。实践证明，采用短壁工作面开采、条带开采或充填采空区等开采方式，可以 有效地减少或避免突水事故发生。 2 2 矿井底板突水机理及突水预测方法 在开采过程中，因为采掘活动的作业点是不断往前推进的，采掘之前的地质勘探程 度有限，只有等采掘之后才能充分掌握其水文地质资料，所以底板突水预测所能依据的 资料往往是不完备的。再加上底板突水影响因素多，涉及到地质构造、矿山压力等方面 的因素，使得采掘前的突水预测预报只能是一种推测估计，很难与实际情况完全相符m 1 。 矿井底板突水预测一直是煤矿生产和科研中的一大技术难题。 世界上很多国家如苏联、匈牙利、南斯拉夫，在煤矿的开采中都不同程度的受到底 板突水的危害。在国外，对煤矿底板突水的研究已有1 0 0 多年的历史，在底板岩体结构、 探测技术、防治水措施等方面都积累了丰富的实践经验。在我国，煤矿突水事故频繁发 生，经过广泛而深入的科学研究和现场测试，对煤矿底板突水也有了较深入的认识，并 取得了大量的科研成果呻“1 。纵观国内外学者的研究工作，其成果大致可以分为两类： 底板突水机理分析和底板突水预测方法研究。 2 2 1 矿井底板突水机理分析 2 2 1 1 斯列萨列夫理论 前苏联学者b 斯列萨列夫以静力学理论为基础，研究了煤层底板在承压水作用下 山东科技大学硕士学位论文 矿井底板突水研究 的破坏机制，将煤层底板视作两端固定的承压均布荷载作用的梁，并结合强度理论推导 出底板理论安全水压值的计算公式旧1 ： h 理蛊：掣+ r f ( 21 ) 式中，h 理安底板所能承受的理论安全水压值，m p a ：七，隔水层的抗张强 度，g p 。；，底板隔水层厚度，聊；卜一工作面最大控顶距或巷道宽度，肌： r 底板隔水层的平均容重，2 。 当实际水压h 实 理安时，底板隔水层产生失稳破坏，导致底板突水。 式( 2 1 ) 将承压底板视为梁，而在实际突水时，梁的厚度f 与梁的长度上的比值一 般大于，因此它不属于梁。该公式计算简单，对巷道或控顶距较小的工作面较为适用， ) 但是由于简化条件较多，没有考虑矿山压力等因素对底板破坏的影响，其计算结果与实 际情况相差很远。这种方法6 0 年代以后就很少应用了啪3 。 2 2 1 2 突水系数法 底板突水系数法是我国2 0 世纪6 0 年代焦作矿区地质大会战的主要成果之一。当时 统计了峰峰、焦作、淄博和井陉四个矿区与突水密切相关的水压和底板隔水层厚度资料， 并将其比值作为判别突水与否的标志“”，见式( 2 2 ) 。各矿区极限突水系数统计结果见 表2 1 ，当突水系数超过表中数值时，则有可能发生突水事故。 瓦= 孚 ( 2 2 ) 式中l 底板突水系数；p 极限水压力，m p o ； 底板隔水岩层厚度，m 。 表2 1各矿区极限突水系数 t a b l e 2 1u l t i m a t ew a t e ri n r u s hc o e f f i c i e n t so f m i n i n gd i s r i c t s 矿区 极限突水系数( ) 峰峰0 0 5 5 0 0 6 5 焦作 o 0 5 0 1 0 淄博 0 0 5 o 1 2 井陉 o 0 5 o 1 3 7 0 年代中后期，通过整理分析实际突水资料和邯郸王凤煤矿底板隔水层注水实验研 山东科技大学硕士学位论文 矿井底板突水研究 究成果，在原有基础上又得出了新的突水系数公式： t2 一丘) ( 2 3 ) 式中，t 底板突水系数； 矿压破坏底板深度，m 。 虽然突水系数经验公式里只有水压和隔水层厚度，却能反映突水因素的综合作用， 在煤矿生产中起到了积极作用。但是。由于突水系数临界值是根据华北的几个大矿区突 水点的数据统计的，所以该实验值的使用范围是有限的。而且底板突水是由众多因素决 定的，用突水系数经验公式所得结果尚欠完满性，有待于继续补充和完善。 2 2 1 3 “下三带”理论 “下三带”理论是原山东矿业学院李白英教授等人，根据现场大量的实测资料和在 实验室获得的研究成果提出的。该理论认为煤层底板自上而下也像覆岩一样存在着三带 区域：采动破坏带( i ) 、完整岩层带( i i ) 和导升高度带( i i i ) ，其中完整岩层带对阻 隔底板突水起着重要作用。当底板含水带和底板导水带沟通时就会发生突水事故。并得 出了底板破坏深度和采面斜长之间的线性关系。“下三带”理论认为，底板突水机理不仅 是底板在水压力作用下由于底板强度低予水压力的失稳现象，而且也是底板含水带在矿 山压力和水压力共同作用下产生了升高所致。在突水判据上，采用完整岩层阻水带平均 每米岩层阻水能力作为预测突水与否的根据。 “下三带”理论较好的反映了煤层采动条件下底板的突水规律，但是它仅仅是定性 的分析了三带的存在及其相互关系，未能清楚的表明底板突水与各影响因素的关系，加 之测试工作复杂、费用昂贵、数据获取困难，在实际应用中受到很大的限制。 2 2 2 矿井窟板突水预测方法研究 2 2 2 1 多源地学信息复合叠加法 信息复合技术是随着计算机技术和遥感技术发展起来的，它是对多源地学信息进行 综合处理的一种新方法。它以地理坐标确定的空间二维平面为基础，建立各种地学信息 数据库，并与相应的计算机软、硬件系统构成地理信息系统，能够进行各种专题图件之 间的叠加、运算、分析和综合处理等。 运用6 i s 多源信息复合叠加处理法进行底板突水预测，是以g i s 为工具，在系统分 析底板突水成因杌理的基础上，提出控制底板突水的影响因素；然后将每个因素编制一 张专题信息图，专题图通过数字化仪或扫描仪输入计算机，每张专题图生成一个信息储 存层；经编辑后，先做单因素分析，后再进行各主要控制因素的配准复合处理，形成一 山东科技大学硕士学位论文 矿井底板突水研究 个复合叠加的新信息存储层；在此基础上，构建底板突水的g i s 数学模型；根据突水案 例，进行模型拟合和识别分析，确定煤层底板突水模式，进行水害预测。底板突水事故 是一个由多因素共同作用的结果，多源信息复合叠加法能够描述与突水事故相关的多方 面因素，并能建立多因素共同作用的突水预测模型。但是它对专题图的要求较高，整个分 析过程尤其是突水预测模型的构建及拟舍过程比较复杂、繁琐。 郑世书、马赫平等人，先后进行了不同程度的研究。武强、张大顺、李定龙等人， 也曾结合实际情况应用g i s 支持下的多源信息复合叠加方法进行过底板突水预测，取得 了较好的成果，极大的推进了矿井水文地质信息管理和灾害预测向信息化方面发展“3 “。 2 2 2 2 模拟研究 模拟研究主要有相似材料模拟和数值模拟。如山东科技大学、煤炭总科院开采所等 单位都进行过相似材料的模拟实验，西安煤科院的王成绪、朱第植等用有限元法对底板 突水进行了数值模拟。王秀辉利用煤层底板在采动过程中岩层内部参数值在突水前的变 化，采用数值模拟和现场测试的方法分析底板突水的可能性。太原理工大学的张渊采用 理论分析与有限元模拟实验模型，通过建立力学模型和有限元计算模型，研究底板承压水 突水破坏的时一空关系旧) 。 相似材料和数值模拟成果对研究底板突水起了重要的推动作用，但是模型多限于平 面应力状态，对三维状态下底板运动规律的研究不足，而且在室内实现多项综合模拟难度 大，这些都是模拟实验的不足。 1 4 山东科技大学硕士学位论文基于g i s 和信息融合的底板突水预测方法研究 3 基于g ls 和信息融合的底板突水预测方法研究 通过前面的分析，我们知道矿井底板突水预测是一个复杂的复合系统，内部各影响因 素相互关联耦合、作用机理复杂，一般不满足经典数学的处理要求。而一些传统的预测方 法在实际应用中也存在着很多需要改进的地方。 一些软科学方法如决策论、专家系统、人工神经网络、信息理论等对矿井底板突水问 题研究却有着很大的优势，尤其在信息处理、分析和决策方面优势特别明显。本课题拟将 信息融合和g i s 技术引入到矿井底板突水预测中，使信息融合技术强大的数据分析、处理、 决策功能与g i s 强大的图形管理及空间分析功能相结合，科学有效地对矿井底板承压水突 水进行预测预报。整个水害预测过程可以分三步进行：构建底板突水预测模型，底板突水 预测和预测结果成图。技术路线见图3 1 。 图3 1 底板突水预测的技术路线 f i g 3 1t e c h n i q u e lr o u t e o f w a t e r i n r u s h f o r e c a s t i n g 3 。1 信息融合相关理论 水害预测模型的构建是以大量先验数据为基础的，如何从庞大的数据群中提取关键数 据，并把数据中携带的信息最大程度的发挥作用，至关重要。而在这方面，数据融合技术 有着其独特的优势。 信息融合技术融合的对象是多源信息m 1 ，融合的原理类似于人脑处理复杂、综合的 问题，即充分利用多源信息，通过对信息的合理分配处理，把冗余或互补的信息依据某种 准则组合，以获得全面的理解，从而得出更精确、可信的结论。数据融合的基本功能有校 山东科技大学硕士学位论文基于g i s 和信息融合的底板突水预测方法研究 准、相关、识别和估计。其中，校准和相关