CN102799955B - 突水系数小于0.06MPa/m区底板突水评价三图法 - Google Patents
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Abstract
突水系数小于0.06MPa/m区底板突水评价三图法，包括以下步骤：1.主采煤层开采的带压区范围的圈定；2.确定导水通道立体空间位置，建立其空间位置分布图；3.基于不同勘探信息源资料，研发煤层底板充水含水层富水性分区图；4.基于GIS复合功能，叠加分析影响主采煤层安全开采的底板突水的诸因素，建立主采煤层底板突水危险性预测分区图，对主采煤层开采过程中底板突水危险状况做出预测评价。突破了《煤矿防治水规定》的突水系数值小于0.06？MPa/m的煤层底板带压区开采是安全的传统观念，对我国的煤炭工业的发展有着重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿山煤层底板突水条件的评价预测方法，尤其是一种突水系数小于0.06MPa/m带压区煤层底板突水评价预测的三图法。
背景技术
煤层底板突水，是指煤层下伏承压含水层中的水突然涌入采掘工作面，使矿井涌水量增加或淹井的灾害现象。煤层底板突水问题，在我国的煤矿中非常突出、非常普遍，几乎涉及我国大部分煤田，包括华北、华南的大部分晚古生代煤田和个别的中生代及新生代煤田。其涉及范围之广，水量之大，危害之严重，实为世界所罕见。这是我国煤田水文地质条件的显著特征之一，也是我国煤田水文地质科学上主要研究课题之一。
我国北方主要产煤的华北型矿区，其煤系地层多为石炭二叠纪地层，普遍缺失上奥陶统、志留系、泥盆系及下石炭统，石炭二叠纪地层直接沉积于中奥陶统之上，中奥陶统为巨厚的石灰岩，简称奥灰。煤系地层中也沉积有厚度不等的薄层灰岩。这些灰岩往往岩溶发育，含有丰富的承压水，即喀斯特承压水。灰岩含水层至煤层的间距一般从几米至几十米不等，其间是由砂岩等岩层组成的隔水层。在底板灰岩承压水水压过高，而隔水层较薄其隔水能力不足，或隔水层局部遭受破坏形成突水通道时，采掘工作面一旦揭露这些区域，则很容易发生底板突水事故。
我国南方煤田，煤层下方茅口灰岩厚度达140～170米，煤层底板至灰岩之间的隔水层极薄，即厚度仅数米甚至无隔水层，底板水害更显得十分突出。
随着矿山开采深度、速度的增加和下组煤开采规模的不断扩大，来自深部高承压水的危害日趋严重。因此，煤层底板突水危险性预测评价，对我国煤炭工业的可持续发展具有重要的意义。
按照《煤矿防治水规定》要求，突水系数值小于0.06MPa/m的煤层底板带压区，其开采是安全的。
然而，大量采掘工程实践证明，无论突水系数值多么小，充水含水层的带压水头压力多么有限，只要煤层底板带压超过起始压力水头高度，任何采掘工程活动一旦偶遇或误触导水通道与底板充水含水层富水区复合叠加部位，均可能发生重大煤层底板突水事故。
因此，对于突水系数值小于0.06MPa/m的煤层底板带压区开采，寻找其新的评价方法，对于解决我国普遍存在的煤层底板突水难题具有极其重要的理论意义和实用价值。
发明内容
本发明的任务是，满足中国煤炭工业可持续发展的需求，提供一种突水系数值小于0.06MPa/m的煤层底板带压区突水条件的评价预测方法。
导致煤层底板突水的三大要素是：开采过程中始终带压，其次导水通道存在，再者就是导水通道切割沟通了充水含水层的富水区，这三大要素缺一不可。因此，本发明采用了以下技术方案：突水系数小于0.06MPa/m区底板突水评价三图法，具体包括以下步骤：
1.主采煤层开采的带压区范围的圈定；
预测评价突水系数值小于0.06MPa/m开采区的煤层底板突水危险性，首先需要解决的一个问题就是圈定所开采煤层带压区域范围，即煤层底板充水含水层水头高度超过所采煤层底板标高的区域。如不带压，煤层开采就不可能发生底板突水事故，反之，就有可能诱发底板突水。
2.确定导水通道立体空间位置，建立其空间位置分布图。
3.基于不同勘探信息源资料，研发煤层底板充水含水层富水性分区图。
由于煤层底板充水含水层多为岩溶裂隙含水层，其富水的岩溶裂隙受地形地貌、地质和地下水循环交替条件诸多因素控制，其岩溶裂隙发育具有高度的非均质和各向异性特征，因而导致赋存岩溶裂隙介质中的地下水分布更具高度的非均质和各向异性特征，含水层富水性分布规律极其复杂多变。
所述的不同勘探信息源资料，是根据矿山勘探、建井和生产不同阶段的大量地质勘探钻孔在钻探施工期间所暴露的诸如岩芯采取率、泥浆减少量和含水层沉积厚度等大量有用信息，以及井下采掘工程所揭露的涌水点和突水点的水量大小等信息，以及地球物理勘探所探测的富水性分区成果，结合抽水试验确定的单位降深涌水量值，综合分析充水含水层的富水性规律，划分充水含水层的富水性分区。
所述的富水性分区，分为：极强富水区、强富水区、中等富水区、弱富水区。
4.基于GIS复合功能，叠加分析影响主采煤层安全开采的底板突水的诸因素，建立主采煤层底板突水危险性预测分区图，对主采煤层开采过程中底板突水危险状况做出预测评价。
在所圈定的主采煤层带压开采区范围，根据导水通道的具体空间分布位置，结合底板充水含水层富水性分区图，做出主采煤层开采过程中底板突水危险状况的预测评价。
本发明的有益效果在于：突破了《煤矿防治水规定》的突水系数值小于0.06MPa/m的煤层底板带压区开采是安全的传统观念，对于煤层底板带压区开采，提供了一种新的预测评价方法，为解决我国普遍存在的煤层底板突水难题具有极其重要的理论意义和实用价值，提高了煤矿底板突水危险性预测和防范水平，对我国的煤炭工业的发展有着重要的意义。
附图说明
图1：本发明突水系数小于0.06MPa/m区底板突水评价三图法的步骤流程图；
图2：主采煤层带压分区图；
图3：主采煤层导水通道空间位置分布图；
图4：主采煤层底板充水含水层的富水性分布图；
图5：主采煤层底板突水危险性预测评价分区图。
图中：
1—非带压开采区，2—带压开采区，3—钻孔，4—断层，5—陷落柱，6—弱富水区，7—中等富水区，8—强富水区，9—极强富水区，10—安全区，11—危险区，12—过渡区。
具体实施方式
下面将结合某矿山主采煤层对本发明做详细的描述。
参照附图1，本发明突水系数小于0.06MPa/m区底板突水评价三图法，具体包括以下步骤：
1.主采煤层开采的带压区范围的圈定；
所述的煤层带压区范围的圈定主要是依据研究区以往水文地质勘探资料，根据勘探钻孔所揭露的主采煤层底板标高和煤层底板主要充水含水层的承压水头标高，如果前者小于后者，即为带压开采区，反之即为无压开采区。
根据对矿山各类勘探钻孔主采煤层底板标高和底板充水含水层地下水水头标高进行统计分析，得出各钻孔点主采煤层带压情况（表1）。
表1中标高差大于0，表明钻孔充水含水层水头标高大于煤层底板标高，处在带压开采区；反之钻孔处在非带压开采区。
表1主采煤层带压数据统计表
| 钻孔 | X | Y | 主采煤层底板标高（m） | 含水层水头标高（m） | 标高差 |
| DP-1 | 4366312 | 19620791 | 1047.155 | 1052.14 | 4.985 |
| DP-2 | 4366770 | 19622547 | 796.629 | 1052.68 | 256.051 |
| DP-4 | 4367823 | 19622342 | 899.623 | 1053.29 | 153.667 |
| DP-5 | 4367584 | 19622629 | 855.9 | 1053.23 | 197.33 |
| DP-6 | 4367409 | 19621726 | 926.978 | 1052.85 | 125.872 |
| DB1 | 4367314 | 19620673 | 997.85 | 1052.51 | 54.66 |
| DB2 | 4368496 | 19620786 | 980.51 | 1053.23 | 72.72 |
| DB3 | 4367977 | 19620752 | 1002.15 | 1052.91 | 50.76 |
| DB4 | 4366558 | 19621803 | 980.3118 | 1052.36 | 72.0482 |
| T4 | 4367572 | 19620925 | 984.24 | 1052.67 | 68.43 |
| T10 | 4368125 | 19621453 | 978.4 | 1053.18 | 74.78 |
| T17 | 4368721 | 19621944 | 1007.57 | 1053.66 | 46.09 |
| 16 | 4367899 | 19620203 | 1009.6 | 1052.66 | 43.06 |
| 807 | 4367001 | 19621609 | 946.46 | 1052.55 | 106.09 |
从表1数据分析可知，各勘探钻孔3主采煤层是带压的。同时借鉴临近矿山主采煤层和底板充水含水层数据，得到矿山主采煤层带压范围图（附图2），从图中可知，矿山主采煤层大部分区域处在带压开采区2，只有西南部有一小部分处在非带压开采区1。
2.确定导水通道立体空间位置，建立其空间位置分布图；
所述的导水通道，包括自然导水通道—断层、裂隙密集带、岩溶陷落柱、褶皱轴和人为导水通道—封闭不良钻孔、矿压破坏带、水压导升带；
所述的确定导水通道立体空间位置，是根据遥感、地质与水文地质条件分析、地面与井下物探、化探、钻探和抽放水试验综合手段确定，各种手段相互验证对比，以确保导水通道立体空间位置圈定的准确性和可靠性；
所述的空间位置分布图，包括导水通道在采掘平面图上的确切展布位置和在垂向上的切割深度和层位。
根据矿山地质与水文地质条件分析、地面与井下地球物理勘探、化探、钻探和抽放水试验等综合手段分析，该主采煤层的导水通道包括断裂构造4和岩溶陷落柱5（附图3）。
3.基于不同勘探信息源资料，研发煤层底板充水含水层富水性分区图；
所述的不同勘探信息源资料，是根据矿山勘探、建井和生产不同阶段的大量地质勘探钻孔在钻探施工期间所暴露的诸如岩芯采取率、泥浆减少量和含水层沉积厚度等大量有用信息，以及井下采掘工程所揭露的涌水点和突水点的水量大小等信息，以及地球物理勘探所探测的富水性分区成果，结合单位降深涌水量值，综合分析充水含水层的富水性规律，划分充水含水层的富水性分区；
所述的富水性分区，分为：极强富水区、强富水区、中等富水区、弱富水区。
根据矿山以往水文地质勘探资料和临近矿山的勘探资料，结合煤层底板充水含水层的地面抽水试验数据，经过综合分析研究，得出主采煤层底板充水含水层的富水性分布图（附图4）。充水含水层划分为4个区，西部大面积为弱富水区6、东部为中等富水区7、最东部为强富水区8、南部为极强富水区9。
4.基于GIS复合功能，叠加分析影响主采煤层安全开采的底板突水诸因素，建立主采煤层底板突水危险性预测分区图。
所述的主采煤层底板突水危险性预测分区图，是将上述的导水通道立体空间位置分布图与上述的煤层底板充水含水层富水性分区图叠加而形成（附图5）；
从叠加图可明显看出，没有导水通道肯定不会发生突水事故；但存在导水通道又不一定会诱发突水，如存在的导水通道切割沟通的只是充水含水层的弱富水区域，即使导水通道存在，也不会诱发突水；只有当导水通道切割沟通了煤层底板充水含水层的强富水或极强富水区域，底板突水就必然发生，这些区域就是煤层采掘过程中底板突水重点防范的“靶区”或“疑区”，采掘工程一旦接近这些区域，就必须给予高度重视。
所述的主采煤层底板突水危险性预测分区（附图5），分为：
安全区10：不带压或虽然处于带压区但无导水通道分布；
危险区11：处于带压区并存在导水通道且通道切割沟通了含水层的极强或强富水区；
过渡区12：处于带压区并存在导水通道但通道切割沟通了含水层的中等或弱富水区。
Claims (4)
1.突水系数小于0.06MPa/m区底板突水评价三图法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)主采煤层开采的带压区范围的圈定；
其中，所述的煤层带压区范围的圈定是依据研究区以往水文地质勘探资料，根据勘探钻孔所揭露的主采煤层底板标高和煤层底板主要充水含水层的承压水头标高，如果前者小于后者，即为带压开采区，反之即为无压开采区；
(2)确定导水通道立体空间位置，建立其空间位置分布图；
其中，所述的导水通道，包括自然导水通道—断层、裂隙密集带、岩溶陷落柱、褶皱轴和人为导水通道—封闭不良钻孔、矿压破坏带、水压导升带；所述的空间位置分布图，包括导水通道在采掘平面图上的确切展布位置和在垂向上的切割深度和层位；
(3)基于不同勘探信息源资料，研发煤层底板充水含水层富水性分区图；
(4)基于GIS复合功能，叠加分析影响主采煤层安全开采的底板突水的因素，建立主采煤层底板突水危险性预测分区图，对主采煤层开采过程中底板突水危险状况做出预测评价；
所述的主采煤层底板突水危险性预测分区图，是将导水通道立体空间位置分布图与煤层底板充水含水层富水性分区图叠加而形成；
所述的主采煤层底板突水危险性预测分区，分为：
安全区：不带压或虽然处于带压区但无导水通道分布；
危险区：处于带压区并存在导水通道且通道切割沟通了含水层的极强或强富水区；
过渡区：处于带压区并存在导水通道但通道切割沟通了含水层的中等或弱富水区。
2.根据权利要求1所述的突水系数小于0.06MPa/m区底板突水评价三图法，其特征在于：所述的确定导水通道立体空间位置，是根据遥感、地质与水文地质条件分析、地面与井下物探、化探、钻探和抽放水试验综合手段确定，各种手段相互验证对比，以确保导水通道立体空间位置圈定的准确性和可靠性。
3.根据权利要求1所述的突水系数小于0.06MPa/m区底板突水评价三图法，其特征在于：所述的不同勘探信息源资料，是根据矿山勘探、建井和生产不同阶段的地质勘探钻孔在钻探施工期间所暴露的岩芯采取率、泥浆减少量和含水层沉积厚度，以及井下采掘工程所揭露的涌水点和突水点的水量大小，以及地球物理勘探所探测的富水性分区成果，结合单位降深涌水量值，综合分析充水含水层的富水性规律，划分充水含水层的富水性分区。
4.根据权利要求3所述的突水系数小于0.06MPa/m区底板突水评价三图法，其特征在于：所述的富水性分区，分为：极强富水区、强富水区、中等富水区、弱富水区。
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