煤矿突水机理与防治基础理论研究(973计划)

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目计划任务书项目编号：2007CB209400项目名称：煤矿突水机理与防治基础理论研究中华人民共和国科学技术部制2007-71项目基本信息项目编号：2007CB209400项目名称中文煤矿突水机理与防治基础理论研究英文Studyonthebasictheoryaboutthemechanismofwatercrushingofcoalminesanditsprevention起止年月2007-7至2011-8依托部门教育部国家安全生产监督管理总局第一承担单位中国矿业大学承担单位数8项目首席科学家姓名缪协兴性别男专业矿山岩体力学与岩层控制身份证号320311590820123单位中国矿业大学每年工作时间(月)6项目专家组姓名身份证号码专业单位是否承担研究任务缪协兴320311590820123矿山岩体力学与岩层控制中国矿业大学是钱鸣高320311321211121煤炭资源地下开采中国矿业大学否何继善430104193409014315勘探地球物理中南大学否吴爱祥430104196301124313煤炭资源地下开采北京科技大学否崔继宪130203430217031煤炭资源地下开采辽宁工程技术大学否武强110108195910102378水文地质学中国矿业大学（北京）否虎维岳610103620318285水文地质学煤炭科学研究总院西安分院否唐春安210102580305561岩石及裂隙岩体的本构关系及计算技术大连理工大学是李术才370902196512231236水文地质学山东大学是队伍总人数正高副高中初级博士后博士生硕士生80311928234642课题设置课题编号课题名称课题负责人单位2007CB209401矿井突水的水文地质结构模式及形成条件孙亚军中国矿业大学①2007CB209402矿井突水的动力学特征及控制因素王家臣中国矿业大学（北京）①2007CB209403采动岩体裂隙演化及隔水关键层的形成条件许家林中国矿业大学①2007CB209404采动岩体渗流规律与突变机理唐春安大连理工大学①2007CB209405矿井突水的危险性评价理论与方法孟召平中国矿业大学（北京）①2007CB209406矿井突水的水量预测理论与方法刘树才中国矿业大学①2007CB209407突水前兆信息演化规律及实时监测理论李术才山东大学①2007CB209408控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法缪协兴中国矿业大学①3一、立项依据1.矿井突水的防治是煤矿安全生产迫切需要解决的重大问题矿井突水是煤矿生产中的重大灾害之一。煤矿突水事故给煤炭企业带来的人身伤亡和经济损失极为惨重。在我国煤矿重特大事故中，突水事故在死亡人数上和发生次数上，仅次于瓦斯事故，给国家造成的直接经济损失一直位列首位。据统计，在过去的20多年里，有250多对矿井因突水而淹没，经济损失高达350多亿元人民币，同时，对矿区水资源与环境也造成巨大的破坏。近年来，随着科学技术的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了极大的提高，但煤矿突水事故却频繁发生。特别是2000年以来，煤矿突水事故又呈上升趋势。据统计，从2000年到2006年为止，共发生重特大突水事故435起，死亡及失踪2199人。因此，我国煤炭安全生产的形势非常严峻。频繁发生的矿井突水事故不仅造成矿井人员的死亡，也严重影响煤矿的正常生产，特别对一些年产量达500万吨以上的高产高效现代化矿井影响极大，一旦发生突水事故，即使不淹井不死人，也可能造成综采机械设备的严重损坏，迫使停产造成巨大的经济损失。因此，开展矿井突水机理与预测预报基础理论研究，有效遏制矿井突水事故的发生，保障煤矿安全生产，是目前我国煤炭工业迫切需要解决的问题2.矿井突水防治的关键性理论问题急需深入系统的研究和解决我国煤矿开采的水文地质条件复杂，矿井突水类型多，成因机制和防治方法也渐趋复杂化。我国东部矿区的开采深度不断加大，强富水、高承压的奥灰、寒灰造成的突水威胁日趋严重，有些矿区底板承压已达10MPa以上；河下、湖下、海下、水库下等大型水体下开采的情况也越来越多；老窑水造成的突水事故也越来越严重。随着煤炭开采规模的不断扩大，开采厚度大、推进速度快、浅埋深、上覆薄基岩条件给矿井突水防治的研究和解决带来一系列新的问题，迫切需要对突水防治理论和方法进行深入系统的研究，其中主要需要解决的问题有：（1）矿井突水的构造地质与水文地质成因与条件（2）采动岩体结构裂隙演化与渗流突变成灾机理（3）矿井突水的预测预报理论和方法（4）矿井突水防治的水资源保护性采煤理论与方法43.本项目预期取得的突破点及研究意义本项目根据我国目前煤矿开采中矿井突水形成的主要特点，以控制大型、特大型矿井突水的发生为基本目的，围绕矿井突水的含导水构造地质特征及条件、采动岩体结构破坏与裂隙演化及渗流突变规律、矿井突水预测与控制的基础理论与方法三个科学问题，集中国内在此研究领域的优秀科学家和主要研究力量，以针对性、基础性、前瞻性为特色开展相关研究，预期在以下四个方面取得突破性成果：（1）通过煤矿突水水源、通道和隔水关键层的地质结构分析，建立不同含导水地质结构的矿井突水模式；（2）通过采动岩体裂隙渗流突变研究，揭示矿井突水的成灾机理；（3）通过矿井突水前兆信息演化规律研究，建立临突预报理论；（4）基于隔水关键层原理，建立控制煤矿突水事故的水资源保护性采煤理论和方法。本项目研究的重要意义是：（1）建立符合我国矿井突水特点的水害防治理论体系；（2）为遏制我国重大矿井突水事故的发生提供理论基础，为改善我国煤矿生产的安全形势做出贡献；（3）为保护水资源、提高矿井水利用率提供理论基础，为促进资源与环境协调发展做出贡献；（4）凝聚和培育国内一批防治矿井突水灾害的高水平研究队伍，建立和完善先进的突水防治研究平台，为矿井突水防治研究的持续开展奠定基础。5二、研究内容1、关键科学问题煤矿突水机理与防治基础研究主要包含三个方面的关键环节，即：构成突水灾害的特殊水文地质和构造地质条件、采动岩体裂隙演化贯通与渗流突变以及科学的预测预报理论与控制方法。根据国内外研究现状，本项目研究从多学科交叉的视角，提炼出拟解决的三个科学问题。科学问题一：矿井突水的含导水构造地质特征及条件水源赋存介质与导水通道的空间关系构成了含导水构造。含导水构造与隔水关键层之间不同的组合关系构成了煤矿突水的不同模式，具有不同的形成机制。而煤矿突水是由于水源通过断层及陷落柱等导水构造和煤矿开采对隔水关键层的破坏所形成的导水通道进入矿井所形成。目前对非均质、强富水、高承压含水层地下水的赋存和运移规律、断层及陷落柱等导水构造发育规律、多层多岩性复杂结构隔水层综合阻水能力等含导水构造问题的地质特征和规律的研究还相当薄弱，从而给建立有效的矿井突水预测预报模型和突水防治带来困难。结合大型、特大型煤矿突水案例，通过理论分析和实验研究，提出不同成因机制的矿井突水模式，揭示矿井突水的含导水构造的地质特征及条件，阐明采动条件下矿井突水的动力学特征和诱发机制，为实现矿井突水的预测预报和防控提供理论基础和科学依据。科学问题二：采动岩体结构破坏与裂隙演化及渗流突变规律高压（势）水源、岩体裂隙及裂隙贯通是突水发生的三个基本条件，其中岩体裂隙分布和贯通是随煤层开采而动态演化的，目前很难从定量角度完全把握。岩层破断、岩体结构运动等是裂隙形成和演化的控制性因素。因此，本课题研究的关键问题之一是采动岩层破断、岩体结构运动与裂隙演化的关系，揭示采动岩体裂隙的动态演化规律。采动岩体动力学失稳与渗流突变是发生矿井突水的直接原因，而岩体失稳和渗流突变则是采动岩体流—固耦合系统的演化所致。而我们知道，传统的孔隙体或裂隙岩体渗流是不会产生渗流突变的，本项研究必须从建立采动岩体非Darcy渗流方程入手，创新非线性动力学分析方法，揭示采动岩体渗流突变机理，即煤矿突水机理。科学问题三：矿井突水预测与控制的基础理论与方法矿井突水的预测和控制是突水防治的基本内涵。它是在矿井突水机理研究的基础上，通过含导水构造的探测、突水前兆信息的监测、控制突水的科学开采方6法，实现防治突水的目的。目前，在矿井突水预测与控制方面，缺乏科学的评价体系和计算模型。含导水构造的探测方法存在着探测深度浅、探测精低等问题，缺少对矿井突水进行实时监测和预警的方法，在控制突水和保护水资源方面缺乏科学合理的开采理论和方法。因此，本课题将围绕突水的预测和控制问题开展研究，重点解决矿井突水的预测评价理论与方法、含导水构造的地球物理综合探测理论、基于多场耦合的突水前兆信息演化规律及实时监测理论、控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法等四个问题。2．主要研究内容围绕上述需要解决的关键科学问题，以矿井突水的成因机制和形成条件为基础，以形成矿井突水含导水构造的地质特征和条件、采动条件下顶底岩层破坏规律及特征为主线，以矿井突水的预测和控制为目的，重点开展以下内容的研究：（1）矿井突水的水文地质结构特征及形成条件①矿井突水的含导水构造的成因及分布规律②地下水的赋存及运移规律③不同含导水构造的突水模式④矿井导水断裂的地质动力学特征及规律⑤矿井导水陷落柱中的水动力学特征及规律（2）采动岩体破裂结构运动及采动岩体渗流突变理论①采动岩体结构破坏与裂隙时空演化规律②断层构造裂隙的采动活化机理③隔水关键层形成条件及控制机理④采动岩体的渗透性及渗流演化规律⑤煤矿突水演化过程的大尺度数值模型（3）矿井突水的预测预报理论与方法①矿井突水控制因素的量化理论与方法②不同突水模式的预报模型及水量预测方法③矿井突水灾害的综合评价模型与理论④矿井突水前兆信息特征及演化规律⑤基于突水前兆因素变化的矿井突水识别模型（4）控制矿井突水的水资源保护性采煤理论与方法①保水采煤学理论与方法②煤水共采的理论与方法③矿井水资源化理论与方法7三、预期目标1.总体目标总体研究目标：针对我国目前煤矿开采中矿井突水的主要特点，以控制大型、特大型矿井突水事故为目的，根据不同水文地质及开采条件下的突水类型，建立相应的矿井突水模型，研究和掌握矿井突水形成的含水层、通道、隔水关键层等结构特点和演化规律，探索矿井突水预测预报的有效方法，建立水资源保护性开采理论，完善矿井突水防治的理论体系。预期通过煤矿突水水源、通道和隔水关键层的地质结构分析，建立不同含导水地质结构的矿井突水模式；通过采动岩体裂隙渗流突变研究，揭示矿井突水的成灾机理；通过矿井突水前兆信息演化规律研究，建立临突预报理论；基于隔水关键层原理，建立控制煤矿突水事故的水资源保护性采煤理论和方法等四个方面取得创新性成果，较好地解决我国煤炭开采中矿井突水防治的关键科学问题，形成矿井突水灾害防治与水资源保护利用相结合的煤炭安全开采模式和理论体系。2.五年预期目标①建立不同含导水地质结构的矿井突水模式，分析煤矿突水水源、通道和隔水关键层的地质结构，揭示矿井突水形成的地质条件和地质动力学特征及控制因素。②揭示导水断裂的地质动力学和导水陷落柱的水动力学特征和规律，建立矿区导水构造复杂程度评价的构造动力学模型和构造预测方法，分析矿井突水的差异性和特征，研究采动后的多场耦合作用机理，建立采动岩体结构与地下水运移关系模型。③揭示采动岩体流—固耦合系统失稳及突变成灾机理，建立采动岩体破裂结构运动与裂隙演化间的关系，掌握采动岩体裂隙贯通的动态演化规律。④针对煤矿突水地质条件和矿井突水前兆信息，建立与复杂含导水地质条件相适应的评价指标体系；利用信号检测和处理方法，研究矿井突水前兆应力场、渗流场及微震等各项参数的演化规律，建立基于矿井突水前兆因素监测的临突预报理论。⑤揭示开采条件下突水通道的类型及其中的地下水运动特征，提出不同类型导水通道的概化方法；建立矿井突水水量预测的数值模型，提出突水水量预测计算方法。8⑥分析隔水关键层的形成、作用和加固机理，研究顶底板隔水关键层形成条件、判别方法和控制原理，建立隔水关键层模型，突破传统的矿井突水事故被动防治理念，从采煤源头出发，建立控制煤矿突水事故的水资源保护性采煤理论和方法。⑦培养博士生50名、硕