CN101660427B - 煤层顶板涌突水条件定量评价预测的三图双预测法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤田煤炭工业煤层顶板涌(突)水条件的定量评价方法。在矿井水文地质条件的系统综合分析基础上，找出与煤层顶板突水关系密切的直接和间接充水含水层，绘制富水性分区图和冒落安全性分区图，复合叠加上述两个分区所有地学信息，绘制涌(突)水条件综合分区图；运用Visual Modflow专业软件对将回采的工作面的工程涌水量和顶板直接充水含水层的采前预疏放方案进行动态预测。“三图-双预测法”从涌(突)水条件的定性综合分析，到涌(突)水量和采前预疏放量的定量模拟预测，形成了一整套系统的研究思路和研究方法；对预测精度要求较高的回采工作面的整体和分段工程涌水量的动态预测具有一定优势。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种煤矿山煤层顶板涌突水条件的定量评价预测方法，尤其是一种煤层顶板涌突水评价预测的三图-双预测新型实用方法。
背景技术
煤层顶板水害问题是困扰中国煤矿安全生产和煤炭工业可持续发展的主要水患之一，特别是随着矿山开采深度逐渐加大和下组煤回采，顶板冒裂沟通上覆含水体而导致顶板涌突水灾害发生或恶化工作面生产环境的实例日益增多，例如开滦集团目前近一半的生产矿井遭受顶板水害的严重威胁。以荆各庄矿为例，该矿自1979年正式投产以来，共发生了3次大的突水事故，均为煤9顶板突水，突水水源是煤9上覆的煤5顶板砂岩裂隙含水层，其最大突水量高达44m3/min，造成工作面整体被淹，生产被迫终止。
因此，如何解决煤层顶板涌突水条件定量评价预测问题，对扭转目前煤炭安全生产的被动局面具有极其重要的理论指导意义和实用价值。
发明内容
本发明目的之一在于，满足中国煤炭工业可持续发展的需求，提供一种从对煤层顶板涌突水条件的定性综合分析，到涌突水危险区定量圈定的定量评价预测方法。
本发明进一步的目的在于，满足中国煤炭工业可持续发展的需求，提供一种从对煤层顶板涌突水条件的定性综合分析，到动态模拟预测在不采取任何人为工程措施和采取人为干扰措施两种前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和渗流场分布的定量模拟预测评价方法。
为了实现上述目的，经过长期的研究和实践，本发明采用了以下技术方案：煤层顶板涌突水条件定量评价预测的三图双预测法，包括以下步骤：
1.在矿井水文地质条件的系统综合分析基础上，确定与煤层顶板突水关系密切的直接充水含水层和间接充水含水层；
2.根据多源地学信息复合原理，依据直接和间接充水含水层岩性岩相变化、构造场、水化学场、抽水试验场、突水事件渗流场和钻孔冲洗液消耗量变化等6方面信息和探测数据，建立各自子专题层图，然后应用非线性(如人工神经网络等)或线性数学方法(如层次分析法等)，确定控制富水性的各主控因素的“权重”系数，建立含水层富水性的评价模型，复合叠加，计算煤层顶板直接和间接充水含水层的富水性指数，在此研究基础上，编制出顶板直接和间接充水含水层的富水性量化分区图；
3.根据地面和井下的冒裂发育带实际监测数据，应用数值仿真模拟技术和经验、半经验等公式，评价不同开采方法和工艺条件下煤层回采的顶板冒裂带发育高度，根据与煤层至充水含水层之间的顶板覆岩厚度相比较，确定各点回采的冒裂安全程度，在此研究基础上，编制出煤层开采顶板冒裂安全性分区图；
4.应用地理信息系统技术，复合叠加上述两个分区所有地学信息，提出煤层开采顶板涌突水条件综合分区方案，编制出煤层开采顶板涌突水条件综合分区图；
5.应用现代数值模拟技术，动态模拟预测在不采取任何人为工程措施前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和渗流场分布；
6.应用现代数值模拟技术，动态模拟预测在采取人为干扰措施前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和超前预处理渗流场分布。
由于采用了上述的“三图双预测法”技术方案，本发明具有的有益效果是：
1.“三图双预测法”从煤层顶板涌突水条件的定性综合分析，到涌突水危险区圈定和超前预处理水量、渗流场分布的定量模拟预测，形成了一整套系统的研究思路和工作方法；
2.运用多源地学信息复合叠加原理，根据多个水文地质物理场的不同特征，相互对比验证，互相弥补不足，通过建立各自子专题层图，然后应用非线性或线性数学方法，确定控制富水性的各主控因素的“权重”系数，建立含水层富水性的评价模型，计算煤层顶板直接和间接充水含水层的富水性指数，在此研究基础上，编制出顶板直接和间接充水含水层的富水性量化分区图，对充水含水层的富水性进行了系统综合分析和定量评价；
3.对预测精度要求较高的回采工作面的整体和分段工程涌水量和渗流场分布的动态预测具有一定优势。
附图说明
附图1，本发明煤层顶板涌突水条件定量评价预测的三图双预测法工作流程图。
具体实施例
下面结合附图对本发明作详细描述。
本发明一种煤层顶板涌突水条件定量评价预测的三图双预测法的具体实施技术方案包括以下步骤：
1.根据对矿井水文地质条件的系统综合分析，确定与煤层顶板突水关系密切的主要充水含水层，包括直接充水含水层和间接充水含水层；
2.编制煤层顶板直接和间接充水含水层的富水性分区图：
煤层顶板直接和间接充水含水层的富水性分区图是在煤层顶板直接和间接充水含水层的富水性分区研究基础上形成的。
所述的煤层顶板直接和间接充水含水层的富水性分区研究，包括对该煤层充水含水层的岩性岩相变化、构造场、水化学场、抽水试验场、突水事件渗流场和钻孔冲洗液消耗量变化等6个方面地学信息的综合分析研究，建立各自子专题层图，然后应用非线性(如人工神经网络等)或线性数学方法(如层次分析法等)，确定控制富水性的各主控因素的“权重”系数，复合叠加，建立含水层富水性的评价模型，计算煤层顶板直接和间接充水含水层的富水性指数，提出煤层顶板含水层富水性分区的划分方案；在此研究基础上，编制出顶板直接和间接充水含水层的富水性量化分区图；
所述的煤层顶板砂岩含水层富水性分区的划分方案按照富水性由强到弱依次划分为A，B，C，D，E…等区。
3.编制煤层开采顶板冒裂安全性分区图：
煤层开采顶板冒裂安全性分区图是在煤层开采顶板冒裂带发育高度与覆岩段厚度比较研究基础上形成的。根据地面和井下的冒裂发育带实际监测数据，应用数值仿真模拟技术和经验、半经验等公式，评价不同开采方法和工艺条件下煤层回采的顶板冒裂带发育高度。
所述的煤层开采顶板冒裂安全性分区研究包括覆岩段岩性岩相分析和顶板冒裂带发育高度计算。覆岩段厚度减去顶板冒裂带发育高度，即冒裂安全区与非安全区的界限；除采厚外，综合考虑开采方法、覆岩段岩性岩相变化及地质构造等控制因素，确定煤层顶板冒裂安全性分区方案。
所述的煤层顶板冒裂安全性分区方案由最安全(顶板冒裂带发育高度小于覆岩段厚度)到最危险(顶板冒裂带发育高度远大于覆岩厚度)按照突水危险性由小到大依次划分为A，B，C，D，E…等区。
4.编制煤层开采顶板涌突水条件综合分区图：
煤层开采顶板涌突水条件综合分区图由上述的煤层顶板充水含水层的富水性分区图和煤层开采顶板冒裂安全性分区图复合叠加形成。因为开采深部煤层导致顶板涌突水灾害发生，其充分必要条件是煤层回采形成的顶板冒裂带发育带沟通了上覆充水含水层，且直接充水含水层在回采工作面对应位置的富水性较强，因此，复合叠加上述的富水性和冒裂安全性两个分区所有地学信息，提出煤层开采顶板涌突水条件的综合分区划分方案。
所述的煤层开采顶板涌突水条件综合分区划分方案由上覆充水含水层的富水性较差、突水危险性小的A区与上覆充水含水层的富水性较好、且在该区范围内，大部分区域顶板冒裂带发育高度均大于覆岩段厚度、突水危险性较大的E区组成。
所述的突水危险性小的A区按照突水危险性由小到大依次进一步细分为A-1，A-2…等子区。
所述的突水危险性大的E区按照突水危险性由小到大依次进一步细分为E-1，E-2…等子区。
5.在不采取任何人为工程措施前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和渗流场分布的动态预测：
根据煤层顶板涌突水量预测的水文地质概念模型，应用Visual Modflow专业软件系统建立三维数值模拟模型，运用Visual Modflow的Zone Budget功能，根据相邻工作面周期来压规律，对即将回采的工作面的工程涌水量进行随工作面以周期来压步距为单位，不断向前推进的动态预测和对应渗流场的动态预测。
6.在采取人为干扰措施前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和超前预处理渗流场分布的动态模拟预测：
根据拟合好的数值模拟模型，应用Visual Modflow的Zone Budget功能，对人为干扰措施前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和超前预处理渗流场进行动态模拟预测。
Claims (4)
1.一种煤层顶板涌突水条件定量评价预测的三图双预测法，包括以下步骤：
(1)在矿井水文地质条件的系统综合分析基础上，确定与煤层顶板突水关系密切的直接充水含水层和间接充水含水层；
(2)在煤层顶板直接和间接充水含水层的富水性量化分区研究基础上编制出顶板直接和间接充水含水层的富水性分区图；
(3)在煤层开采顶板冒裂安全性分区研究基础上编制出煤层开采顶板冒裂安全性分区图；
(4)复合叠加上述两个分区所有地学信息，提出煤层开采顶板涌突水条件综合分区方案，编制出煤层开采顶板涌突水条件综合分区图；
(5)应用现代数值模拟技术，动态模拟预测在不采取任何人为工程措施前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和渗流场分布；
(6)应用现代数值模拟技术，动态模拟预测在采取人为干扰措施前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和超前预处理渗流场分布；
其特征在于：
所述的在煤层顶板直接和间接充水含水层的富水性量化分区研究基础上编制出顶板直接和间接充水含水层的富水性分区图，包括：根据多源地学信息复合原理，依据直接和间接充水含水层岩性岩相变化、构造场、水化学场、抽水试验场、突水事件渗流场和钻孔冲洗液消耗量变化6方面信息和探测数据，建立各自子专题层图，然后应用非线性数学方法或线性数学方法，确定控制富水性的各主控因素的“权重”系数，建立含水层富水性的评价模型，复合叠加，计算煤层顶板直接和间接充水含水层的富水性指数，提出煤层顶板砂岩含水层富水性分区的划分方案；
所述的非线性数学方法是指人工神经网络；
所述的线性数学方法是指层次分析法。
2.根据权利要求1所述的一种煤层顶板涌突水条件定量评价预测的三图双预测法，其特征在于：所述的煤层开采顶板冒裂安全性分区研究包括覆岩段岩性岩相分析和顶板冒裂带发育高度计算；覆岩段厚度减去顶板冒裂带发育高度，即冒裂安全区与非安全区的界限；除采厚外，综合考虑开采方法、覆岩段岩性岩相变化及地质构造控制因素，确定煤层顶板冒裂安全性分区方案。
3.根据权利要求1所述的一种煤层顶板涌突水条件的定量评价方法，其特征在于：所述的在不采取任何人为工程措施前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和渗流场分布的动态预测，是指根据煤层顶板涌突水量预测的水文地质概念模型，应用Visual Modflow专业软件系统建立三维数值模拟模型，运用Visual Modflow的Zone Budget功能，根据相邻工作面周期来压规律，对即将回采的工作面的工程涌水量进行随工作面以周期来压步距为单位，不断向前推进的动态预测和对应渗流场的动态预测。
4.根据权利要求1所述的一种煤层顶板涌突水条件的定量评价方法，其特征在于：所述的在采取人为干扰措施前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和超前预处理渗流场分布的动态模拟预测，是指根据拟合好的数值模拟模型，应用Visual Modflow的Zone Budget功能，对人为干扰措施前提下的煤层回采工作面顶板工程涌突水量和超前预处理渗流场进行动态模拟预测。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20110413 Termination date: 20120518 |