CN103984042B - 中奥陶统灰岩古风化壳隔水性能预测方法 - Google Patents

Abstract

一种煤层底板为中奥陶统灰岩古风化壳隔水性能预测方法，其特征在于：技术方案包括以下步骤：(1)确定刻画隔水性能指标；(2)建立各隔水性能指标专题图；(3)确定基于信息融合技术的各指标权重系数；(4)叠加各隔水性能指标专题图；(5)建立隔水性能预测模型；(6)隔水性能预测。将矿区划分5个子区：隔水性弱区、隔水性较弱区、隔水性过渡区、隔水性较强区、隔水性强区。首次就中奥陶统灰岩古风化壳提供了隔水性能预测方法，克服了煤层底板突水预测中许多远大于临界值的突水点却在开采实践中从未发生突水的预测的缺陷。

Description

中奥陶统灰岩古风化壳隔水性能预测方法

技术领域

本发明涉及一种煤层底板隔水性能预测方法，特别是一种煤层底板为中奥陶统灰岩古风化壳隔水性能预测方法。

背景技术

随着煤炭资源开发强度进一步加大，华北型煤田浅部和上组煤煤炭资源渐趋匮乏，深部和下组煤煤炭资源开发已成必然趋势。影响并控制这种趋势发展的水害问题除了浅部和上组煤积水采空区的透水灾害外，煤层底板突水灾害是首要的难题。由于下组煤距底板中奥陶统灰岩(局部为寒武系)距离近，奥灰含水层水压高且富水性强，按照《煤矿防治水规定》要求，大部分下组煤和深部煤炭资源的底板突水系数均超临界值，无法实施安全回采。为了解决这个难题，目前常采用的思路就是采用人工工程干预方法，比如井下单工作面或地面区域人工注浆工程措施(加固底板隔水层强度，改造底板含水层富水性，封堵断裂和裂隙密集带等构造通道，人工帷幕堵截地下水集中补给带等)；或对封闭、半封闭岩溶地下水系统采取有效的人工疏降工程措施(降低奥灰岩溶含水层地下水压已满足带压开采要求)；或二者结合的人工工程措施。未能充分分析并开发利用奥灰顶部古风化壳所存在的天然隔水性能。事实上，在加里东构造运动后的奥灰顶界面在历经近亿年的地表风化剥蚀与侵蚀作用，虽然在顶部形成了一些溶蚀孔洞和风化岩溶裂隙等岩溶空间虽然在顶部形成了一些溶蚀孔洞和风化岩溶裂隙等岩溶空间，但幸运的是，受古地形、古地貌、古气候和古水文等因素影响，这些风化岩溶空间大部分被后期的粘土和亚粘土等透水性极弱物质所充填，并在上覆地层重力荷载作用下压密填实，形成了具有天然隔水性能的古风化壳。古风化壳所存在的这种天然隔水性能，圆满解释了煤层底板突水预测中许多远大于临界值的突水点却在开采实践中从未发生突水的现象。因此，研究煤田中奥陶统灰岩古风化壳天然存在的隔水性能，对解决煤田目前面临的深部和下组煤煤炭资源开发的底板突水难题对煤田目前面临的深部和下组煤煤炭资源开发的底板突水难题，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，提供一种煤层底板为中奥陶统灰岩古风化壳隔水性能预测方法。

为了实现上述目的，本发明中奥陶统灰岩古风化壳隔水性能预测方法，采用了以下技术方案包括以下步骤。

1.确定刻画隔水性能指标；

进一步地，所述的隔水性能指标，包括：

(1)岩性及其组合；

(2)岩芯采取率；

(3)冲洗液消耗量；

(4)裂隙发育情况及充填程度；

(5)隔水段厚度；

(6)构造分布量化值。

2.建立各隔水性能指标专题图；

利用研究区搜集到的资料，将刻画隔水性能的各指标坐标及量化值输入GIS生成相应的数据文件，进行网格剖分、插值等处理，建立各指标专题图。

进一步地，所述的各隔水性能指标专题图，包括。

(1)岩性及组合专题图。

(2)岩芯采取率专题图。

(3)冲洗液消耗量专题图。

(4)裂隙发育情况及充填程度专题图。

(5)隔水厚度专题图。

(6)构造分布量化专题图。

3.确定基于信息融合技术的各指标权重系数。

4.叠加各隔水性能指标专题图。

5.建立隔水性能预测模型；

根据刻画古风化壳隔水性能各指标的归一化专题图和各指标对隔水性能的影响权重分析与定量计算，表明各指标作用的隔水性能预测数学模型可表示为：

$\begin{array}{cc}F=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}Wi\·fi(x,y)& (i=1,2,3,...n)\end{array}$

式中：

F为隔水性能指数；

Wi为各指标影响权重；

fi(x,y)为各指标经归一化后的量化值，即为研究区任一栅格位置上的各指标对隔水性能产生的叠加影响总和；

x,y为地理坐标；

n为刻画指标的个数。

6.隔水性能预测。

由于采用了上述的技术方案，本发明具有的有益效果在于：

本发明首次就中奥陶统灰岩古风化壳提供了隔水性能预测方法，克服了煤层底板突水预测中许多远大于临界值的突水点却在开采实践中从未发生突水的预测的缺陷。

1、详细分析了矿区的地质、水文地质资料和奥灰含水层的含、隔水条件，认为区域内奥灰顶部存在古风化壳隔水层，且壳厚在区域上存在差异，对其壳厚发育规律和隔水性能进行了深入研究。

2、鉴于矿区奥灰古风化壳隔水性能不均一性和各向异性，提出了从平面和剖面不同视角立体研究古风化壳隔水性能的“块段理论”，为矿区古风化壳隔水厚度及其隔水性能的研究提供了理论支撑。

3、提出了刻画古风化壳隔水性能的指标体系，包括岩性(组合)与结构、地质构造、钻孔岩芯采取率、冲洗液消耗量、岩溶裂隙发育情况与充填压实程度和隔水厚度等指标，其中岩溶裂隙发育情况与充填压实程度再细划分为7个数量等级，即裂隙不发育、弱发育充填、弱发育部分充填、弱发育无充填、发育充填、发育部分充填、发育无充填，为定量预测提供了依据。

4、创建了基于GIS的信息融合型隔水性能预测模型，并提出了预测的技术路线和具体工作程序。根据矿区勘探资料，确定隔水性指标，收集并处理数据，绘制各指标专题图；应用信息融合技术，确定各指标影响权重值；数据归一化处理并对各指标归一化专题图叠加；运用自然分级法，结合矿井生产实践，确定分级阈值；建立反映某一栅格位置上的各种指标因素对其产生的叠加影响总和的隔水性能预测模型。

5、针对某中部矿区煤层底板突水日益严重的现状，应用基于GIS的AHP型隔水性指数预测模型，预测了研究区奥灰古风化壳隔水性能，提出了隔水性能的5级分区，为研究区底板突水防治提供了可靠的依据。

附图说明

附图1：本发明的工作流程图。

附图2：本发明的岩芯采取率的归一化专题图。

附图3：本发明的裂隙发育情况及充填压实程度的归一化专题图。

附图4：本发明的隔水厚度的归一化专题图。

附图5：本发明的构造量化的归一化专题图。

附图6：本发明的隔水性能预测分区图。

图中：

10—0.00～0.18，11—0.19～0.40，12—0.41～0.62，13—0.63～0.81，14—0.82～1.00。

20—0.00～0.13，21—0.14～0.33，22—0.34～0.56，23—0.57～0.78，24—0.79～1.00。

30—0.00～0.06，31—0.07～0.28，32—0.29～0.51，33—0.52～0.77，34—0.78～1.00。

40—0，41—1。

50—隔水性弱区，51—隔水性较弱区，52—隔水性过渡区，53—隔水性较强区，54—隔水性强区。

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。

本次研究范围为某五个矿区。奥灰顶部古风化壳岩性主要以石灰岩为主，致密坚硬，局部发育少量岩溶裂隙，溶蚀孔洞裂隙大部分被填充，充填物以碳酸盐风化产物、方解石脉、泥岩等为主。因此奥灰顶部古风化壳富水性弱，透水性小。

1.确定刻画隔水性能指标；

由于研究区地质勘探程度和其他条件等的限制，本次确定的刻画奥灰古风化壳隔水性能的指标，主要包括：

岩芯采取率；

裂隙发育情况及充填压实程度

隔水段厚度

构造分布量化值。

2.建立各隔水性能指标专题图；

应用GIS的空间数据分析、处理和制图功能，建立各指标空间属性数据库，研究区的岩芯采取率、裂隙发育情况及充填压实程度、隔水厚度和构造分布量化值指标的归一化专题图(见图2、3、4、5)。

3.确定基于信息融合技术的各指标权重系数；

根据古风化壳隔水性能的刻画指标，确立层次分析模型，划分为3个层次。隔水性能预测为层次A，岩性(B1)、厚度(B2)、构造(B3)构建B层次，岩芯采取率(C1)、裂隙发育情况及充填压实程度(C2)、隔水厚度(C3)、地质构造分布(C4)构成C层次。采用专家评分方法，构建隔水性能的层次分析预测判断矩阵，求解矩阵即可确定各隔水性指标的权重系数为：W1＝0.061、W2＝0.061、W3＝0.2297、W4＝0.6483。

4.叠加各隔水性能指标专题图；

对各指标归一化专题图进行叠加形成新的专题图，根据各指标权重的确定重建拓扑形成新的拓扑关系属性表。

5.建立隔水性能预测模型。

6.隔水性能预测：

根据预测模型中计算的各个栅格的隔水性指数，采用自然分级法对隔水性指数进行统计处理，各级分区的阈值分别为0.66、0.71、0.78、0.87。因此，研究区奥灰古风化壳隔水性能的5级合理分区(见图6)，其中F≤0.66隔水性弱区，(50)0.66＜F≤0.71隔水性较弱区(51)，0.71＜F≤0.78隔水性过渡区(52)，0.78＜F≤0.87隔水性较强区(53)，F＞0.87隔水性强区(54)。

Claims (1)

1.一种煤层底板为中奥陶统灰岩古风化壳的隔水性能预测方法，其特征在于:所述预测方法包括以下步骤：

(1)根据矿区地质勘探资料，在中奥陶统灰岩古风化壳隔水性能分析的基础上，确定刻画隔水性能指标，所述隔水性能指标包括：

1)岩性及其组合；

2)岩芯采取率；

3)冲洗液消耗量；

4)裂隙发育情况及充填程度；

5)隔水段厚度；

6)构造分布量化值；

(2)应用GIS的空间数据分析、处理和制图功能，建立各隔水性能指标的空间属性数据库，建立基于信息融合技术的各隔水性能指标专题图；

(3)应用信息融合技术确定各隔水性能指标的权重系数；

(4)叠加数据归一化处理的各隔水性能指标专题图；

(5)建立隔水性能预测模型；

(6)隔水性能预测；

所述的各隔水性能指标专题图，包括:

(1)岩性及组合专题图；

(2)岩芯采取率专题图；

(3)冲洗液消耗量专题图；

(4)裂隙发育情况及充填程度专题图；

(5)隔水厚度专题图；

(6)构造分布量化专题图；

所述的隔水性能预测是根据预测模型中计算的各个栅格的隔水性指数来对隔水性能进行预测。