CN103926633B - 煤层底板煤系隔水层防突性能的定量预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明包括以下步骤：(1)确定煤层底板煤系隔水层防突性能的主控因素；(2)建立上述的各主控因素专题图；(3)采用现代线性或非线性数学方法，通过模型的反演识别或学习训练，确定出各主控因素对煤层底板煤系隔水层防突性能控制的“权重”比例；(4)应用GIS与数据融合技术，建立煤层底板煤系隔水层防突性能的评价模型，计算防突性能指数；(5)根据评价区各单元计算的防突性能指数的自然断点法分析，合理确定防突性能分区阈值；(6)对煤层底板煤系隔水层防突性能做出科学的区划和预测预报评价。克服了前人未能对煤层底板突水起到关键控制作用的在地质构造影响下、煤层底板煤系隔水层的防突性能做出定量的评价和预测的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤层煤系隔水层防突性能评价方法，特别是一种煤层底板煤系隔水层防突性能的定量评价方法。
背景技术
我国是世界上产煤量最多的国家之一，原煤总产量的95%以上属井工开采。同时，我国煤矿地质、水文地质条件十分复杂，受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的30%，仅华北地区受底板承压水威胁的煤炭储量约为200亿吨。
煤矿底板突水，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矿区，包括华北型石炭二叠系煤田和华南晚二叠系煤田。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。
由于煤系基底充水含水层富水性强，水压大，在采煤过程中一旦发生突水，往往对煤矿开采造成灾难性破坏，给国家和人民生命财产及经济带来极大损失。例如，1984年6月2日，开滦范各庄2171综采工作面发生世界采矿史上罕见的陷落柱奥灰突水事故，最大突水量2053m3/min，致使范各庄矿及其周边二对矿井很快全部淹没。为救灾复矿，调集了当时基本上是全球范围内最权威的防治水专家和世界上最大的抽水泵进行抢险，地面注浆封堵工程的规模和场面也是空前的。水患治理工程及相关工作历时近一年，直接和间接经济损失在当时超过5亿元，损失煤炭产量近8.5Mt。
因此，在地质构造影响下的煤层底界之下、充水含水层顶界之上的煤系隔水层的防突性能评价和预测，对我国煤炭工业可持续发展具有重要的实用价值。
针对这些难题，国内外大量学者专家对此开展了大量理论和实践方面研究，取得了很多有益的成果。但总的来说，前人对煤层底板突水研究主要是从充水含水层的水文地质条件、原始地应力与采动地应力以及煤系隔水层总厚度与岩性组合关系等方面定性分析为主，未能对煤层底板突水起到关键控制作用的、在地质构造影响下的煤层底板煤系隔水层的防突性能做出定量的评价和预测。
长期以来，煤炭工业可持续发展迫切需要一种煤层底板煤系隔水层防突性能主控因素的定量预测评价方法。
经过长期的研究和实践，本发明满足了上述煤炭工业可持续发展的需求。
发明内容
本发明的目的在于，满足煤炭工业可持续发展的需求，提供一种煤层底板煤系隔水层防突性能的定量评价方法
为了实现上述目的，本发明煤层底板煤系隔水层防突性能的定量评价方法，采用了以下技术方案包括以下步骤：
1.确定煤层底板煤系隔水层防突性能的主控因素：
进一步地，所述的主控因素，包括：
(1)有效隔水层厚度；
(2)钻孔岩芯采取率；
(3)钻孔冲洗液消耗量；
(4)矿压破坏带下脆性岩厚度；
(5)地质构造。
进一步地，所述的地质构造为断层。
进一步地，所述的地质构造为裂隙节理密集带。
进一步地，所述的地质构造为褶皱轴。
进一步地，所述的地质构造为岩溶陷落柱。
2.建立煤层底板煤系隔水层防突性能的各主控因素专题图：
将收集到的大量钻孔数据坐标及量化值等输入到GIS中，利用GIS强大的数据存储、空间数据处理和分析功能、成果显示和输出功能及数据更新功能，生成相应的数据文件，然后进行网格剖分、插值等处理后，最终将量化后的结果以图形的形式显示出来，并通过图形输出系统输出成果图。
进一步地，所述的主控因素专题图，包括：
(1)有效隔水层厚度专题图。
(2)钻孔岩芯采取率专题图。
(3)钻孔冲洗液消耗量专题图。
(4)矿压破坏带下脆性岩厚度专题图。
(5)地质构造专题图。
进一步地，所述的地质构造专题图为断层专题图。
进一步地，所述的地质构造专题图为裂隙节理密集带专题图。
进一步地，所述的地质构造专题图为褶皱轴专题图。
进一步地，所述的地质构造专题图为岩溶陷落柱专题图。
3.采用现代线性或非线性数学方法，通过模型的反演识别或学习训练，确定出各主控因素对煤层底板煤系隔水层防突性能控制的“权重”比例；
4.应用GIS与数据融合技术，建立煤层底板煤系隔水层防突性能的评价模型，计算防突性能指数；
5.根据评价区各单元计算的防突性能指数的自然断点法分析，合理确定防突性能分区阈值；
6.对煤层底板煤系隔水层防突性能做出科学的区划和预测预报评价。
由于采用了上述的技术方案，本发明具有的有益效果在于：
本发明提供了煤层底板煤系隔水层防突性能的定量评价方法，克服了前人未能对煤层底板突水起到关键控制作用的在地质构造影响下、煤层底板煤系隔水层的防突性能做出定量的评价和预测的缺陷。
附图说明
附图1：本发明的工作流程图；
附图2：本发明的有效隔水层厚度专题图；
附图3：本发明的钻孔岩芯采取率专题图；
附图4：本发明的钻孔冲洗液消耗量专题图；
附图5：本发明的矿压破坏带下脆性岩厚度专题图；
附图6：本发明的断层专题图；
附图7：本发明的防突性能指数自然断点法分析图；
附图8：本发明的煤底板煤系隔水层防突性能预测预报分区图。
图中：
10—32.50～33m等效厚度，11—33.01～34m等效厚度，12—34.01～35m等效厚度，13—35.01～36m等效厚度，14—36.01～37m等效厚度。
20—0.850，21—0.851～0.870，22—0.871～0.880，23—0.881～0.900，24—0.901～0.920。
30—0.291～0.330m3/h，31—0.251～0.290m3/h，32—0.211～0.250m3/h，33—0.191～0.210m3/h，34—0.170～0.190m3/h。
40—21.00～21.50m，41—21.51～22.50m，42—22.51～23.50m，43—23.51～24.50m，44—24.51～26m。
50—一号断层，51—二号断层，52—三号断层。
60—0.08～0.40防突性弱区，61—0.41～0.50防突性弱区，62—0.51～0.64防突性中等区，63—0.63～0.71防突性较强区，64—0.72～0.78防突性强区。
具体实施例
下面将结合附图、以某煤矿为例对本发明作详细描述。
为使某煤矿煤炭生产稳定持续发展，合理开发利用现有的煤炭资源，采取上组煤和下组煤配采，该矿拟开采第二水平～500m左右的下组煤。但作为华北型煤田的矿井，该矿存在着与华北型煤田面临的相同问题，即随着开采深度、开采速度、开采规模的增加和下组煤的不断开发，来自深部高承压水的危害日趋严重。主要表现在：随着矿井开采水平的不断延伸和下组煤的开采，开采深度越来越大，奥灰承压水水压不断增加，突水的潜在危险性也随之加大。根据该矿水文地质条件和矿井生产发展规划，该矿现开采3#煤，拟于近年开采下组煤中的17#煤。由于下组煤接近奥灰，下组煤与底板奥灰的煤系隔水层厚度小，当水压值较大时，给煤矿的正常生产带来了严重的安全隐患。因此，如何科学合理地评价奥灰水对下组煤17#煤层开采的威胁程度？如何提出符合生产实际情况并且可操作的煤层底板煤系隔水层防突性能的定量评价方法？是解决该矿下组煤安全开采的技术关键。
参照附图1，本发明煤层底板煤系隔水层防突性能的定量评价方法，采用的技术方案包括以下步骤：
1.确定煤层底板煤系隔水层防突性能的主控因素：
所述的主控因素，包括：
(1)有效隔水层厚度；
煤层底板隔水层总厚度减去矿压破坏带发育深度即为有效隔水层厚度，利用各个钻孔隔水层总厚度减去矿压破坏带发育深度与矿压导升高度就可求得该钻孔的有效隔水层厚度。
矿压破坏带发育深度采用以下经验公式计算：
式中：h：底板矿压破坏深度，m；
L：开采工作面斜长，m；
H：开采深度，m；
a：开采煤层倾角，°。
(2)钻孔岩芯采取率；
以百分率表示的钻进采得的岩芯长度与相应实际钻探进尺的比值；它在一定程度上反映岩体裂隙发育程度。岩芯采取率越低，说明煤系隔水层的节理与裂隙越发育，它阻抗地下突水的防突性能越差；反之亦然。
(3)钻孔冲洗液消耗量；
冲洗液消耗量的变化可以反映钻进岩层的岩性、裂隙发育情况和透水性。一般在地质钻探过程中都需要随时观测冲洗液消耗量。若发现冲洗液消耗量增大,则说明地层的裂隙发育，其渗透性增大，阻抗地下突水的防突性能变差；反之亦然。
根据钻孔在钻进过程中冲洗液消耗量的统计，采用以下公式计算钻孔各岩段的冲洗液消耗量。
式中：Q：岩段计算冲洗液消耗量，m3/h；
Li：岩段内统计冲洗液消耗量恒定段长度，m；
qi：与Li相对应的冲洗液消耗量，m3/h。
(4)矿压破坏带下脆性岩厚度；
井田内隔水层底部存在砂岩、灰岩等脆性岩，其岩性坚硬，抗压能力强，因此其阻水抗压作用也就非常重要。隔水层中脆性岩所处的位置不同，阻水抗压的效果也不同；脆性岩只有分布在有效隔水层中才对阻水起到关键作用；若脆性岩分布在矿压破坏带以内，则在煤层开采后，由于矿压破坏带的存在使得脆性岩易产生破裂裂隙，起不到阻水作用。
(5)地质构造。
该矿位于一向斜的北翼，为倾向南东至北东，倾角2～14°、一般为4～8°，走向北东至北西的单斜构造，并发育着次一级小型的宽缓波状起伏。主要含煤地层为下二叠统山西组和上石炭统太原组，煤系和煤层沉积稳定，为华北型含煤岩系，无岩浆侵入，地质构造整体比较简单。区内北东向逆断层不发育，而北西向的高角度正断层较发育，并具有断层走向的弯曲、分叉、合并、落差时大时小、呈“入”字型构造形态等特点。故选定断层为该矿为地质构造中的主控因素。
2.建立煤层底板煤系隔水层防突性能的各主控因素专题图：
将收集到的该矿大量钻孔数据坐标及量化值等输入到GIS中，利用GIS强大的数据存储、空间数据处理和分析功能、成果显示和输出功能及数据更新功能，生成相应的数据文件，然后进行网格剖分、插值等处理后，最终将量化后的结果以图形的形式显示出来，并通过图形输出系统输出成果图。
参照附图2、3、4、5，所述的主控因素专题图，包括：
(1)有效隔水层厚度专题图（附图2），图中，将煤层有效隔水层等效厚度分为5个等级，分别为：
32.50～33m等效厚度（10），
33.01～34m等效厚度（11），
34.01～35m等效厚度（12），
35.01～36m等效厚度（13），
36.01～37m等效厚度（14）。
(2)钻孔岩芯采取率专题图（附图3），图中，将煤层底板奥灰承压隔水层岩心采取率分为5个等级，分别为：
0.850（20），
0.851～0.870（21），
0.871～0.880（22），
0.881～0.900（23），
0.901～0.920（24）。
(3)钻孔冲洗液消耗量专题图（附图4），图中，将煤层底板奥灰承压隔水层冲洗液消耗量分为5个等级，分别是：
0.291～0.330m3/h（30），
0.251～0.290m3/h（31），
0.211～0.250m3/h（32），
0.191～0.210m3/h（33），
0.170～0.190m3/h（34）。
(4)矿压破坏带下脆性岩厚度专题图（附图5），图中，将煤层矿压破坏带下脆性岩厚度分为5个等级，分别是：
21.00～21.50m（40），
21.51～22.50m（41），
22.51～23.50m（42），
23.51～24.50m（43），
24.51～26m（44）。
(5)断层专题图（附图5），该矿区分布有三条较大的断层，分别为：
一号断层（50），
二号断层（51），
三号断层（52）。
3.采用现代线性或非线性数学方法，通过模型的反演识别或学习训练，确定出各主控因素对煤层底板煤系隔水层防突性能控制的“权重”比例为：
表1.影响底板隔水层防突性能主控因素的权重
| 影响 因素 | 有效隔水层厚度（W1） | 钻孔岩芯采取率（W2） | 钻孔冲洗液消耗量（W3） | 矿压破坏带以下的脆性岩厚度（W4） | 断层分布（W5） |
| 权重Wi | 0.3269 | 0.0883 | 0.0815 | 0.1700 | 0.3333 |
4.应用GIS与数据融合技术，建立的该矿煤层底板煤系隔水层防突性能的评价模型为：
式中：FI为防突性能指数；Wk为各主控因素权重系数；fk（x，y）为各主控因素量化值的归一化后的值；x，y为地理坐标；n为主控因素的个数。
FI=0.3269f1（x,y）+0.0883f2（x,y）+0.0815f3（x,y）+0.17f4（x,y）+0.3333f5（x,y）
5.根据该矿各评价单元计算的防突性能指数自然断点法分析（附图7），合理确定防突性能分区阈值分别为：0.40，0.50，0.64，0.71，0.78。
6.对煤层底板煤系隔水层防突性能做出科学的区划和预测预报评价（附图8），将该矿区划分5个子区：
0.08～0.40防突性弱区（60），
0.41～0.50防突性弱区（61），
0.51～0.64防突性中等区（62），
0.63～0.71防突性较强区（63），
0.72～0.78防突性强区（64）。
Claims (2)
1.煤层底板煤系隔水层防突性能的定量预测方法，其特征在于：技术方案包括以下步骤：
(1)确定煤层底板煤系隔水层防突性能的主控因素；
其中，所述的主控因素，包括：
(1)有效隔水层厚度；
(2)钻孔岩芯采取率；
(3)钻孔冲洗液消耗量；
(4)矿压破坏带下脆性岩厚度；
(5)地质构造，所述的地质构造为断层，所述的地质构造为裂隙节理密集带，所述的地质构造为褶皱轴，所述的地质构造为岩溶陷落柱；
(2)建立煤层底板煤系隔水层防突性能的各主控因素专题图；
其中，所述的主控因素专题图，包括：
(1)有效隔水层厚度专题图；
(2)钻孔岩芯采取率专题图；
(3)钻孔冲洗液消耗量专题图；
(4)矿压破坏带下脆性岩厚度专题图；
(5)地质构造专题图，所述的地质构造专题图为断层专题图，所述的地质构造专题图为裂隙节理密集带专题图，所述的地质构造专题图为岩溶陷落柱专题图，所述的地质构造专题图为岩溶陷落柱专题图；
(3)采用现代线性或非线性数学方法，通过模型的反演识别或学习训练，确定出各主控因素对煤层底板煤系隔水层防突性能控制的“权重”比例；
(4)应用GIS与数据融合技术，建立煤层底板煤系隔水层防突性能的评价模型，计算防突性能指数；
(5)根据评价区各单元计算的防突性能指数的自然断点法分析，合理确定防突性能分区阈值；
(6)对煤层底板煤系隔水层防突性能做出科学的区划和预测预报评价。
2.根据权利要求1所述的煤层底板煤系隔水层防突性能的定量预测方法，其特征在于：所述的对煤层底板煤系隔水层防突性能做出科学的区划和预测预报评价，是将矿区划分5个子区：
防突性弱区，
防突性较弱区，
防突性中等区，
防突性较强区，
防突性强区。
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