随着开采深度和强度的增加以及下组煤的大规模开发,华北型煤田开采条件日趋复杂多变,水压、地应力和水温不断增大,矿井突水灾害问题更加突出,突水频率和突水强度不断加大,急需矿井突水灾害监测预警技术对矿井突水进行适时监测和预警,确保煤矿安全回采。目前国内外对矿井水害监测预警技术进行了一定的研究,但很多理论技术还不成熟,特别是突水判据和预警准则等更是处于探索阶段需要进一步系统研究。本文以赵庄煤矿和矿井水害监测预警系统为主要研究对象,针对研究区主要水害类型突水机理及力学判据、矿井突水监测预警模式、监测预警指标体系、预警准则以及矿井突水监测预警关键技术展开了相关研究工作,在此基础上,设计研发了矿井突水监测预警系统,并在赵庄煤矿5303工作面展开了现场应用。1.分析了赵庄煤矿矿井水文地质条件,确定了主要突水类型。赵庄矿主采煤层3#和15#煤主要受峰峰组灰岩水、太原组灰岩水、山西组砂岩裂隙水、下石盒子组K8砂岩裂隙水等水源的影响,矿井导水通道主要有断裂构造、陷落柱、封闭不良钻孔、顶底板导水裂隙带,主要突水类型有封闭不良钻孔突水、断层突水、陷落柱突水、采空区突水和底板突水。2.研究总结了封闭不良钻孔突水、断层突水、陷落柱突水、采空区突水和底板突水等突水机理,总结提出了相应的突水判据。利用厚壁圆筒理论,提出了封闭不良钻孔侧壁突水力学模型,得出了封闭不良钻孔侧壁突水的主要影响因素:采场破坏范围、孔径、孔内水压、围岩力学性质等,建立了封闭不良钻孔侧壁突水判据。揭示了断层在采动影响下活化机理,提出了断层活化影响因素:断层的富水性、断层倾角、断层带特性、断层所处的位置等,建立了断层活化判据及突水判据。系统研究了老空区突水模式及突水机理,分别建立了顶板有效隔水层抗剪破坏力学模型、顶板有效隔水层抗拉破坏力学模型、邻近老空区突水力学模型,提出了顶板老空区和邻近老空区突水判据。总结了前人关于陷落柱突水和底板突水机理的研究成果,给出了研究较为成熟的突水判据。3.提出了监测预警指标体系和矿井突水监测预警模式。综合考虑预警指标的易获取性和可预警性,结合现场实践经验,提出了矿井预警监测指标,主要包括:隔水煤岩柱电阻率、矿井水温水压、岩层的应力应变和常规水化学指标,其中常规水化学指标包括TDS、Na++K+、Ca2+、Mg2+、CL-、SO42-、HCO3-、PH等水化学指标。并根据监测指标将水害预警划分为物理预警模式和化学预警模式,制订了隔水层电阻率参数动态全面监测和关键部位单点多参数监测的现场实时监测方式,提出了物理预警模式和化学预警模式监测预警原理及方法。4.提出了矿井突水灾害监测预警准则关键参数有效隔水煤岩柱厚度的实时监测反演方法。综合分析了煤层开采隔水煤岩破坏带在有地下水参与和无地下水参与两种情况下视电阻率变化规律,提出了利用视电阻率实时监测反演采动破坏范围的方法,即分析对比采前、采中和采后隔水煤岩柱视电阻率变化趋势,判读隔水煤岩柱破坏范围,然后求取效隔水煤岩柱厚度,该方法得到了现场验证。5.研究了关键监测预警位置确定的方法,开发了基于GIS组件和ANN耦合技术的关键监测预警位置确定的系统软件。提出了关键监测位置确定评价指标体系主要包括:充水水源水压、水量、防隔水煤岩柱厚度、断层影响指数、陷落柱影响指数和封闭不良钻孔影响指数,构建了断层影响指数、陷落柱影响指数和封闭不良钻孔影响指数计算公式,并利用所建立的突水判据,提出了影响指数计算公式中相关参数的求解方法,得出了所有评价指标的量化方法。研发了基于GIS组件和ANN耦合技术的关键监测预警位置确定的系统,系统分为6个子系统:地图控制子系统、地图显示输出子系统、地图辅助工具子系统、数据库管理子系统、信息检索子系统、预测分析子系统,该系统能够利用GIS强大空间分析功能和ANN强大非线性功能,实现突水危险性较高的区域圈定,进而确立关键监测预警位置。6.实现了基于GIS空间分析功能的动态构建标准水源样品库的方法,提高了矿井水源识别精度及矿井水化学预警的正确率。标准水源样品库的构建是矿井突水化学预警的的关键,本文改进了传统的标准水源样品库构建方法即将所有已知水源的水样全部放入标准水源样品库中,一个矿井只建立一个标准水源样品库。本文利用GIS组件空间分析功能,实现了动态构建标准水源样品库的方法,即在针对不同的出水点,综合考虑该出水点水样所处含水层岩性、地质构造、径流区域以及采掘活动等影响、标准水样采样时间等多种因素,利用GIS空间分析功能精选出和出水点水文地质条件相近、采集时间较近的标准水样,组建该出水点的标准水源样品库,实现不同出水点动态构建不同的标准水源样品库。并以兴隆庄矿水样编号为496的出水点为例,对动态构建标准水源样品库的方法进行了测试验证,研究表明动态标准样品库的方法可以有效提高样品库的回代准确率。7.系统研究对比了矿井水源识别方法,设计实现了矿井水单水源识别和混合水源识别算法,为矿井水化学预警准则的制订提供了依据。矿井水源识别方法对比分析表明贝叶斯判别模型能够应用矿井出水所有可能信息,在最小错误识别风险下实现小子样试验分析,灰色关联分析可以针对矿井水质的形成具有多因素、关联、整体复杂的特性,找出矿井水各种指标间的密切程度,实现水源识别,也非常适合小子样分析,本文设计实现了基于贝叶斯判别分析和灰色关联分析的矿井水源识别算法,该算法能够实现单水源识别和混合水源识别,其中混合水源识别是采用构建2种和3种水源混合样品库,实现2种水源和3种水源的识别,并能给出每种水源的大致比例。矿井水源识别结果可以为矿井化学预警提供依据。8.研究了矿井突水物理预警准则,总结提出了定性和定量两种物理预警准则。根据所监测的物理预警指标的变化及以往突水实例,提出了5种需发布警情的定性预警准则:监测位置应力突然降低、应变急剧增大、水温水压产生变化并逐渐接近目标水源、邻近目标水源的隔水层电阻率降低且范围逐渐增加、导水通道内电阻率持续降低且向工作面或目标水源扩展。依据监测有效厚度与理论或判据有效厚度Lv的关系制订了定量物理预警准则,当监测有效厚度位于[1.7Lv,+∞)、[1.4Lv,1.7Lv)、[Lv,1.4Lv)、[0,Lv)区间时,分别对应无预警、蓝色预警、黄色预警和红色预警,并给出了不同水害类型Lv的计算方法,同时还结合煤矿防治水相关规定对定量预警准则进行了必要的补充。9.提出了单水源和混合水源的矿井突水化学预警准则。识别结果为单水源时,水源若为弱充水水源则无预警,若为中等充水水源发则蓝色预警,若为强充水水源且无致灾风险则黄色预警,若为强充水水源且有致灾风险则红色预警,若为极强充水水源或老空区水源则红色预警。识别水源为混合水源时,当最强充水水源比例达到30%以上,且满足以上预警准则时发布相对应的警情。10.设计研发了矿井水害物理预警系统和化学预警系统,并在赵庄矿展开了现场应用。设计了物理预警系统和矿井化学预警系统软硬件结构,开发了相应软件系统,研发了物理预警系统和矿井化学预警系统,并以赵庄矿5303工作面为研究对象,布置了矿井物理预警系统,设定了合理的预警准则,实现了矿井突水监测预警工作,确保了工作面安全回采。