大水矿山地下水致灾机理及防治研究

摘要

大水矿山由于水文地质条件复杂，涌水量大，一旦发生井下涌水灾害，往往带来惨重的人身伤亡及经济损失。因此，此类矿山为确保安全生产不得不投入高昂的防治水费用，受灾害威胁严重的矿山甚至会被迫停产。随着采矿业的高速发展，大水地下矿山开采数量日益增多，矿山地下水害问题逐渐成为制约矿山开采发展的瓶颈问题。本文以大水矿山地下水害为研究对象，通过现场数据收集和调查，采用现场试验、理论分析及数值计算等方法，深入研究并揭示了大水矿山地下水致灾机理，建立了大水矿山地下水致灾判据，分析了大水矿山地下水致灾灾害分布特征，构建了大水矿山地下水害防治方法体系和大水矿山地下水致灾可能性评价指标体系和模型，取得了一系列有价值的研究成果。
　　(1)基于系统学理论，针对大水矿山实际开采环境提出了大水矿山排水-地下水开采水环境系统的概念，利用数学方法建立了大水矿山排水-地下水环境系统模型及其求解方法。揭示了大水矿山排水-地下水环境系统的外部影响因素（涌水、排水）及内部条件变量（渗透系数、地下水水力坡度及含水层厚度、排泄边界，补给边界面积）的结构关系，得出了大水矿山排水-地下水环境系统是随机动态变化的结论。
　　(2)从系统功能失效致灾的角度，提出大水矿山地下水灾害是由于大水矿山排水-地下水环境系统未能将系统水位降至安全水位以下所致，揭示了导致大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾的机理:一是由随机作用引起的系统外部流量超出系统可承受的流量压力，导致系统内部水位升高超出安全水位，从而引发系统灾害，简称因外部压力超过系统承受能力致灾;二是因系统内部地下水系统含水层控水构造失效或者排水系统失效，给系统引入新的流量补给或减少了系统的排泄水量，致使系统水位升至安全水位之上，该情况可称为由系统内部结构失效致灾。在此基础上建立了大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾判据。
　　(3)开展了大水矿山地下水环境系统失效致灾机理应用研究。将大水矿山地下水环境系统失效致灾机理及判据应用于实例大水矿山，判别了实例矿山的地下水开采环境系统状态，分析了致灾影响因素对系统状态的影响。实例矿山地下水环境系统失效致灾判别应用表明:所建模型及判据可有效识别系统的灾害状态。实例矿山大水矿山地下水灾害因素分析表明:失效致灾的发生主要受安全水位、随机作用及系统流量差变化共同控制;从影响程度来讲，系统流量差变化对致灾影响最大，其次为安全水位，最后为系统的随机作用。
　　(4)明确了大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾分析的内涵，建立了大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾概率计算方法，以及在对应失效概率下大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾灾害空间分布预测方法，结合实例大水矿山进行了预测，其结果与实际的灾害分布相一致，验证了大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾灾害空间分布预测方法的有效性。
　　(5)结合实例矿山开展了大水矿山地下水灾害综合防治方法及其有效性检验研究。建立了大水矿山地下水害综合防治方法体系，提出了地下水害防治方法有效性检验方法，得出大水矿山涌水属于动水补给时，排水系统降水能力有限，采用疏干排水结合阻水帷幕的方式，对大水矿山地下水防治更为可靠等结论。
　　(6)开展大水矿山地下水环境系统失效致灾可能性评价指标体系及模型研究。建立了大水矿山地下水环境系统失效致灾可能性评价指标体系。指标体系共分为三个层次，12个指标，分别为:边界距排水巷道距离、帷幕截流作用、地下水稳定水位、排水设施的最大承受水量、排水设施的使用年限、塌陷、降雨、渗透系数、截流巷截水能力、巷道涌水、排水设施使用状况和巷道尺寸。该指标体系综合概括了组成大水矿山地下水系统的孕灾环境、承灾体和致灾因子。分别采用模糊层次分析法和遗传投影寻踪聚类算法建立了大水矿山地下水环境系统失效致灾可能性评价模型。实际应用表明，两种模型均能有效实现对大水矿山地下水致灾可能等级的分析评价，遗传投影寻踪聚类模型分类结果离散性强，评价等级清晰，模糊层次分析模型分类结果离散性相对较弱，结果趋于均值化。因此遗传投影寻踪聚类模型在评价中确定等级上具有优势。此外，该法在权值确定上更具客观性，但对样本具有依赖性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 大水矿山地下水渗流规律研究现状

1．2．2 大水矿山地下水致灾机理研究现状

1．2．3 大水矿山地下水害防治研究现状

1．2．4 存在的问题及发展方向

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 本章小结

2 大水矿山地下水致灾机理研究

2．1 大水矿山排水-地下水环境系统模型构建

2．1．1 大水矿山排水-地下水环境系统分析

2．1．2 大水矿山排水-地下水环境系统模型构建

2．2 大水矿山地下水位动态随机特征分析

2．2．1 大水矿山地下水动态变化的不确定性

2．2．2 大水矿山地下水动态随机特征

2．2．3 大水矿山地下水涌水随机过程

2．2．4 大水矿山地下水人工排水随机过程

2．3 大水矿山排水-地下水环境系统随机模型

2．3．1 大水矿山排水-地下水环境系统随机模型构建

2．3．2 大水矿山排水-地下水环境系统随机模型求解

2．4 大水矿山排水-地下水环境系统水位变化特征分析

2．4．1 大水矿山排水-地下水环境系统水位分布计算

2．4．2 系统流量变化对水位影响分析

2．4．3 随机作用对水位的影响分析

2．5 大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾机理及判据

2．5．1 大水矿山排水-地下水环境系统安全水位

2．5．2 大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾机理及判据

2．6 本章小结

3 大水矿山地下水环境系统失效致灾机理应用研究

3．1 实例矿山排水-地下水开采水环境系统

3．2 实例矿山排水-地下水开采水环境系统水位分布计算

3．3 实例矿山排水-地下水开采水环境系统失效致灾判别

3．3．1 实例矿山安全水位的确定

3．3．2 实例矿山地下水开采水环境系统失效致灾判别

3．4 实例矿山排水-地下水开采水环境系统失效致灾影响因素分析

3．4．1 系统流量变化对系统灾害影响分析

3．4．2 随机作用对系统灾害的影响分析

3．4．3 安全水位对系统灾害的影响分析

3．5 本章小结

4 大水矿山地下水灾害随机特征分析及其分布预测

4．1 大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾因素及灾害分析

4．2 大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾概率分析

4．2．1 大水矿山排水-地下水环境系统内部因素致灾的概率分析

4．2．2 大水矿山排水-地下水环境系统外界压力致灾概率的分析

4．3 大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾灾害空间分布预测

4．3．1 灾害程度概念

4．3．2 灾害空间分布求解

4．4 大水矿山排水-地下水环境系统失效致灾灾害空间分布预测实例

4．4．1 排水系统失效概率计算

4．4．2 控水构造失效致灾概率计算

4．4．3 外界压力致灾概率计算

4．4．4 灾害分布分析

4．5 本章小结

5 大水矿山地下水灾害综合防治方法及其有效性研究

5．1 大水矿山地下水害综合防治方法体系

5．2 大水矿山地下水害综合防治方法有效性检验

5．2．1 大水矿山地下水灾害综合防治有效性检验目标

5．2．2 大水矿山地下水灾害综合防治有效性检验方法

5．3 实例大水矿山地下水综合防治方法及其有效性检验

5．3．1 实例大水矿山区域水文地质条件

5．3．2 实例大水矿山水害防治方法

5．3．3 实例大水矿山水害防治方法有效性检验

5．4 本章小结

6 大水矿山地下水环境系统失效致灾可能性评价模型及应用

6．1 大水矿山地下水致灾可能性评价指标体系的构建

6．1．1 指标体系构建原则

6．1．2 指标体系的构建

6．2 大水矿山地下水环境系统失效致灾可能性模糊评价模型及应用

6．2．1 大水矿山地下水环境系统失效致灾可能性模糊评价模型

6．2．2 大水矿山地下水致灾可能性等级判别标准建立

6．2．3 大水矿山地下水致灾可能性评价指标的量化

6．2．4 模型应用

6．3 大水矿山地下水环境系统失效致灾可能性遗传算法评价模型及应用

6．3．1 实数编码的加速遗传算法

6．3．2 基于实数编码的加速遗传算法的投影寻踪聚类评价模型

6．3．3 模型应用

6．4 评价结果对比分析

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 论文工作总结

7．2 创新点

7．3 下一步工作展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢