CN105652329B - 一种评估煤层顶板视涌水量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种评估煤层顶板视涌水量的方法和装置，涉及煤田水文地质与地球物理领域，包括：确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值；确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量；根据所述标定视电阻率数据值与所述标定实际涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数；根据采集的待评估区域内的煤层顶板位置点对应的视电阻率值和所述涌水相关系数，确定所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量。能够定量化地预测评估出其钻孔外其它位置处的煤层顶板富水性，从而为煤矿安会生产提供重要的参考依据。

Description

一种评估煤层顶板视涌水量的方法和装置

技术领域

本发明涉及煤田水文地质与地球物理领域，具体涉及一种评估煤层顶板视涌水量的方法和装置。

背景技术

我国很多煤炭资源都处在复杂的水文地质条件下，就目前已探明的煤炭储量而言，受地下水威胁的煤炭储量约占总储量的27％。水害一直是困扰煤矿安全生产的主要问题。为保证煤矿在基建和生产时期的安全，在建井前期需要在采区详细勘查地下含水层富水性、含水层间的水力联系及构造的导水性等问题，特别是查明煤层顶板涌水量成为煤田水文地质研究的重要课题。查明矿区复杂的水文地质情况，为后续的矿井建设及水害治理提供依据，保证矿井安全己成为大水矿区亟待解决的问题。

目前，对于水文地质勘查工作中的煤层顶板水涌水量的定量评估，一般采用钻探和抽水试验相结合的方法，先在勘查区施工钻孔，然后进行抽水试验，根据抽水试验情况，得出煤层顶板涌水量。这样施工的钻孔盲目性大，数量多，成本高，施工周期长，且含水层的查明情况与钻孔数量有直接关系。对于非钻孔位置处的煤层顶板含水量的估算依据不足。不能满足煤矿规模生产和国家有关规定的要求。

在以往煤矿水文地质调查中，电阻率法、渗透电场法、井中充电法、井中扩散法、激发极化法、音频大地电场法等，地震折射法、甚低频法、二次时差法、频率域激发极化法等地球物理方法发挥了重要的作用。瞬变电磁法具有成本低、效率高、对低阻敏感、体积效应小等优势，近年来被广泛应用于煤田水文地质勘察领域。在目前的煤矿水文地质勘查研究中，瞬变电磁法主要被用于探测煤矿采空区、顶底板、新生界等等富水性评价，主要是定性解释。即根据测量所得的视电阻率值的大小，定性或者半定量圈定富水采空区的空间位置，为煤矿生产、居民安全、工程建设提供了重要的依据。但是，利用地球物理方法，快速实现对于煤层顶板富水性间接定量评估，则一直还是空白。

发明内容

本发明提供一种评估煤层顶板视涌水量的方法和装置，利用地球物理方法，快速实现对于煤层顶板富水性定量评估。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种评估煤层顶板视涌水量的方法，包括：

确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值；

确定钻孔位置处煤层顶板标定涌水量；

根据所述标定视电阻率数据值与所述标定涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数；

根据采集的待评估区域内的煤层顶板位置点对应的视电阻率值和所述涌水相关系数，确定所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量。

优选地，确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值包括：

在钻孔位置处采用瞬变电磁法测量获得磁感应强度随时间变化的关系，确定钻孔中煤层顶板埋藏深度所对应的瞬变电磁测量视电阻率数据值，将所述瞬变电磁测量视电阻率数据值作为所述标定视电阻率数据值。

优选地，确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量包括：

对所述钻孔做抽水试验，记录钻孔位置处煤层顶板的标定实际涌水量。

优选地，根据所述标定视电阻率数据值与所述标定实际涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数包括：

将所述标定实际涌水量除以标定视电阻率数据值的倒数，将得到的商值作为所述煤层顶板涌水相关系数。

优选地，根据采集的待评估区域内的煤层顶板位置点对应的视电阻率值和所述涌水相关系数，确定所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量包括：

采集待评估区域内的煤层顶板位置点对应的中心回线瞬变电磁测量数据，确定所述煤层顶板位置点剖面设点的煤层顶板瞬变电磁视电阻率值，将所述煤层顶板瞬变电磁视电阻率值与所述涌水相关系数相乘，得到所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种评估煤层顶板视涌水量的装置，包括：

电阻率标定模块，用于确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值；

实际涌水量标定模块，用于确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量；

系数模块，用于根据所述标定视电阻率数据值与所述标定涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数；

评估模块，用于根据采集的待评估区域内的煤层顶板位置点对应的视电阻率值和所述涌水相关系数，确定所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量

优选地，所述电阻率标定模块确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值是指：

在钻孔位置处采用瞬变电磁法测量获得磁感应强度随时间变化的关系，确定钻孔中煤层顶板埋藏深度所对应的瞬变电磁测量视电阻率数据值，将所述瞬变电磁测量视电阻率数据值作为所述标定视电阻率数据值。

优选地，所述涌水量标定模块确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量是指：

对所述钻孔做抽水试验，记录钻孔位置处煤层顶板的标定实际涌水量。

优选地，所述系数模块根据所述标定视电阻率数据值与所述标定涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数是指：

将所述标定实际涌水量除以标定视电阻率数据值的倒数，将得到的商值作为所述煤层顶板涌水相关系数。

优选地，所述评估模块具体用于：

采集待评估区域内的煤层顶板位置点对应的中心回线瞬变电磁测量数据，确定所述煤层顶板位置点剖面设点的煤层顶板瞬变电磁视电阻率值，将所述煤层顶板瞬变电磁视电阻率值与所述涌水系数相乘，得到所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的方法和装置，在钻孔抽水试验所得的煤层顶板实际涌水量与钻孔位置瞬变电磁法测量所得的煤层顶板视电阻率值之间，建立一种涌水量-视电阻率对应关系；根据这一对应关系，定量化地预测评估出其钻孔外其它位置处的煤层顶板视涌水量，从而为煤矿安会生产提供重要的参考依据。

附图说明

图1是本发明实施例的一种评估煤层顶板视涌水量的方法的流程图；

图2是本发明实施例的一种评估煤层顶板视涌水量的装置的结构示意图；

图3是本发明实施例一的钻孔电性层划分示意图；

图4是本发明实施例一的钻孔瞬变电磁法测量示意图；

图5是本发明实施例一的二次感应电压减曲线示意图；

图6是本发明实施例一的钻孔标定参数和实际涌水量示意图；

图7是本发明实施例一的待评估区域内所有测点视涌水量等值线平面图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种评估煤层顶板视涌水量的方法，包括：

S101、确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值；

S102、确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量；

S103、根据所述标定视电阻率数据值与所述标定涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数；

S104、根据采集的待评估区域内的煤层顶板位置点对应的视电阻率值和所述涌水相关系数，确定所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量。

其中，步骤S101确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值包括：

在钻孔位置处采用瞬变电磁法测量获得磁感应强度随时间变化的关系，确定钻孔中煤层顶板埋藏深度所对应的瞬变电磁测量视电阻率数据值，将所述瞬变电磁测量视电阻率数据值作为所述标定视电阻率数据值。

其中，磁感应强度随时间变化的关系为dB/dt，B为磁感应强度，t为时间。

步骤S102确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量包括：

对所述钻孔做抽水试验，记录钻孔位置处煤层顶板的标定实际涌水量。

步骤S103根据所述标定视电阻率数据值与所述标定实际涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数包括：

将所述标定实际涌水量除以标定视电阻率数据值的倒数，将得到的商值作为所述煤层顶板涌水相关系数。

步骤104根据采集的待评估区域内的煤层顶板位置点对应的视电阻率值和所述涌水相关系数，确定所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量包括：

采集待评估区域内的煤层顶板位置点对应的中心回线瞬变电磁测量数据，确定所述煤层顶板位置点剖面设点的煤层顶板瞬变电磁视电阻率值，将所述煤层顶板瞬变电磁视电阻率值与所述涌水相关系数相乘，得到所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量。

本发明实施例中的评估煤层顶板视涌水量的方法具体包括：

首先，采用瞬变电磁测深技术，在钻孔位置处进行测量，找出钻孔中煤层顶板埋藏深度所对应的瞬变电磁测量视电阻率数据值，并把此视电阻率记为煤层顶板标定视电阻率值。

然后，对钻孔做抽水试验，记录钻孔位置处煤层顶板实际涌水量。用煤层顶板涌水量值除以煤层顶板标定视电阻率值的倒数，把两者的商记作煤层顶板涌水系数。表示为：其中，k为钻孔涌水相关系数，η是钻孔煤层顶板实际涌水量，ρ是钻孔煤层顶板视电阻率值。

最后，采集待评估区域每一个位置点的中心回线法瞬变电磁测量数并计算煤层顶板视电阻率值，根据所标定的煤层顶板涌水睛关系数和所计算的待估区位置点煤层顶板视电阻率值倒数，待评估区域每一个位置点的煤层顶板涌水量。表示为：η^/＝k·1/ρ′其中，η^/为待评估区域位置点煤层顶板的视涌水量，ρ^/为待评估区域位置点煤层顶板视电阻率值。

如图2所示，本发明实施例还提供一种评估煤层顶板涌水量的装置，包括：

电阻率标定模块210，用于确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值；

涌水量标定模块220，用于确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量；

系数模块230，用于根据所述标定视电阻率数据值与所述标定实际涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数；

评估模块240，用于根据采集的待评估区域内的煤层顶板位置点对应的视电阻率值和所述涌水相关系数，确定所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量

所述电阻率标定模块210确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值是指：

在钻孔位置处采用瞬变电磁法测量获得磁感应强度随时间变化的关系，确定钻孔中煤层顶板埋藏深度所对应的瞬变电磁测量视电阻率数据值，将所述瞬变电磁测量视电阻率数据值作为所述标定视电阻率数据值。

所述涌水量标定模块220确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量是指：

对所述钻孔做抽水试验，记录钻孔位置处煤层顶板的标定实际涌水量。

所述系数模块230根据所述标定视电阻率数据值与所述标定实际涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数是指：

将所述标定实际涌水量除以标定视电阻率数据值的倒数，将得到的商值作为所述煤层顶板涌水相关系数。

所述评估模块240具体用于：

采集待评估区域内的煤层顶板位置点对应的中心回线瞬变电磁测量数据，确定所述煤层顶板位置点剖面设点的煤层顶板瞬变电磁视电阻率值，将所述煤层顶板瞬变电磁视电阻率值与所述涌水相关系数相乘，得到所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量。

实施例一

一、根据钻孔资料，确定钻孔位置煤层顶板埋藏深度

待评估区域地层较平，地层倾角小于5°。通过20号钻孔岩芯化验结果可知，煤层顶板岩性包括：粘土、泥岩、粉砂岩，煤层底板岩性包括：砾岩、粗砂岩等。为灰白色-深灰色，凝灰质胶结，胶结程度很差，松散，被发育其中的各不连续、连续的隔水层分割成多层，为复合含水层，含水层总厚度60m(地下110m到170m)。由钻孔电测井资料可知：煤层顶板视电阻率值较小，而煤层本身、煤层底板视电阻率值较大，可以看出待估区煤层顶、底板整体上视电阻率差异明显，利用瞬变电磁法可以较好地对地层的富水情况进行分析评价。其中，岩石视电阻率统计如表1所示：

表1

如图3所示，根据20号钻孔的视电阻率测井曲线，煤层及煤层顶板电性结构从上至下可划分为4个电性层。1)低阻层1：主要为第四系细砂岩含水层的表现；2)高阻层1：主要为煤层顶部砂岩(不含水)表现；3)低阻层2主要为煤层顶板富含水地层及泥岩的表现；4)高阻层2：主要为煤层、粗砾岩、砂岩的综合表现。煤层埋藏深度为170m，煤层顶板富含水，深度为了110m到170m。厚度60m。

二、钻孔位置瞬变电磁法测量与计算，获得标定时间道和标定视电阻率

在20号孔旁边进行瞬变电磁法测量，测量示意图如图4。首先在地面放置不接地回线，并在不接地回线中供以是跃电流，不接地回线产生激发电磁场，地下介质受感应而产生涡旋电流；接收探头放在回线的正中心，测量地下介质产生的感应二次场。根据感应二次场的变化情况来推测探测目标体的赋存特性。

工作中所采用的TEM(Transient Electromagnetic Method，瞬变电磁法)测量工作参数如表2所示。

表2

通过观测，可以获得如下的电压衰减曲线(图5)，图中，纵坐标表示感觉电压幅值，横坐标表示时间道数。各时间道所对应的时间窗如表3所示，其中钻孔位置瞬变电磁测量计算结果采用5Hz的发射频率。

表3

根据中心回线的视电阻率计算公式确定所述剖面设点的视电阻率：

所述中心回线的视电阻率计算公式为

其中，M是源发射磁矩，大小为发射电流与发射回线面积的乘积；q代表观测位置探头的有效接收面积，V(t)是测量的二次感应电压值，t是观测时间，μ₀为自由空间的磁导率；

对照图3可知煤层顶板的埋藏深度是170米，根据表3，深度170米，对应的时间道号17(时间延迟为1.3ms)，所对应的视电阻率为27ohm.m，并把道号17称为标定时间道，把视电阻率27ohm.m称为标定视电阻率。

三、对钻孔抽水，获得涌水相关系数

对钻孔进行抽水试验测试，抽水测试结果为：渗透系数0.23-8.24m/d，平均2.08m/d。煤层顶板单位涌水量平均1.56/s.m(如表4所示)，富水性较强。水位标高一般为667m。地下水类型为微承压-承压。水化学类型为HCO₃-Ca·K+Na型。矿化度在0.12-0.3g/L，平均0.18g/L。本次工作抽水试验的抽水层段为煤层顶板，表4为瞬变电磁指定勘探区域内抽水试验成果表，其中单位涌水量均以换算成91mm孔径的统一标准数据。

表4

钻孔瞬变电磁测量及抽水试验测试结果可以用图6统一表示，即：顶板涌水量η＝1.56，顶板深度170米、标定时间道路17(时间延迟1.328ms)，标定视电阻率为21ohm.m。

涌水相关系数为：

四、待估区视涌水量计算

对待估区所有位置的测点进行瞬变电磁法测量，得到每一个测点17号时间道所对应的视电阻率，用此电阻率的倒数乘以涌水相关系数，得到每一个测点的预测视涌水量。图7为待评估区所有测点视涌水量等值线图。

把整个待估区的煤层顶板视电阻值与所估计的涌水量等值线图在同一个图中，这样，就把以往通过瞬变电磁法地层视电阻率地层富水性定性描述，转化为通过视涌水量这一参数定量化地反映煤层顶板富水特性，根据水文地质划分富水区的标准，单位涌水量大于1/s·m的区域为强富水区，图中的粗红线条代表的单位涌水量值为1/s·m，预测结果为煤矿安全生产提供重要的参考依据。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种评估煤层顶板视涌水量的方法，其特征在于，包括：

确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值；

确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量；

根据所述标定视电阻率数据值与所述标定实际涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数；

根据采集的待评估区域内的煤层顶板位置点对应的视电阻率值和所述煤层顶板涌水相关系数，确定所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量；

根据所述标定视电阻率数据值与所述标定实际涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数包括：

将所述标定实际涌水量除以标定视电阻率数据值的倒数，将得到的商值作为所述煤层顶板涌水相关系数；

根据采集的待评估区域内的煤层顶板位置点对应的视电阻率值和所述煤层顶板涌水相关系数，确定所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量包括：

采集待评估区域内的煤层顶板位置点对应的中心回线瞬变电磁测量数据，确定所述煤层顶板位置点剖面设点的煤层顶板瞬变电磁视电阻率值，将所述煤层顶板瞬变电磁视电阻率值的倒数与所述煤层顶板涌水相关系数相乘，得到所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值包括：

在钻孔位置处采用瞬变电磁法测量获得磁感应强度随时间变化的关系，确定钻孔中煤层顶板埋藏深度所对应的瞬变电磁测量视电阻率数据值，将所述瞬变电磁测量视电阻率数据值作为所述标定视电阻率数据值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量包括：

对所述钻孔做抽水试验，记录钻孔位置处煤层顶板的标定实际涌水量。

4.一种评估煤层顶板视涌水量的装置，其特征在于，包括：

电阻率标定模块，用于确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值；

涌水量标定模块，用于确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量；

相关系数模块，用于根据所述标定视电阻率数据值与所述标定实际涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数；

评估模块，用于根据采集的待评估区域内的煤层顶板位置点对应的视电阻率值和所述煤层顶板涌水相关系数，确定所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量；

所述系数模块根据所述标定视电阻率数据值与所述标定实际涌水量的关系，确定煤层顶板涌水相关系数是指：

将所述标定实际涌水量除以标定视电阻率数据值的倒数，将得到的商值作为所述煤层顶板涌水相关系数；

所述评估模块具体用于：

采集待评估区域内的煤层顶板位置点对应的中心回线瞬变电磁测量数据，确定所述煤层顶板位置点剖面设点的煤层顶板瞬变电磁视电阻率值，将所述煤层顶板瞬变电磁视电阻率值的倒数与所述煤层顶板涌水相关系数相乘，得到所述待评估区域内的煤层顶板位置点的视涌水量。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述电阻率标定模块确定钻孔位置处煤层顶板埋藏深度所对应的标定视电阻率数据值是指：

在钻孔位置处采用瞬变电磁法测量获得磁感应强度随时间变化的关系，确定钻孔中煤层顶板埋藏深度所对应的瞬变电磁测量视电阻率数据值，将所述瞬变电磁测量视电阻率数据值作为所述标定视电阻率数据值。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述涌水量标定模块确定钻孔位置处煤层顶板标定实际涌水量是指：

对所述钻孔做抽水试验，记录钻孔位置处煤层顶板的标定实际涌水量。