CN107436349A - 一种用于对煤层顶板的突水溃沙危险性进行评估的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于对煤层顶板的突水溃沙危险性进行评估的评估方法，包括如下步骤：S001：通过物探的方式查明煤炭矿山的地质条件、水文特征和背景环境；S002：依照所述步骤S001物探结果，确定影响突水溃沙的单因素影响条件和综合因素影响条件；S003：将煤层顶板所在的区域依次划分为多个待研究区域；S004：依次找出多个所述待研究区域中符合所述单因素影响条件的所有的重点研究区域；S005：依次找出所有的所述重点研究区域中符合所述综合因素影响条件的相对危险区域。本发明提供的评估方法，结果可以量化，同时更加形象、直观地表现出来，可以指导煤矿的安全生产。

Description

一种用于对煤层顶板的突水溃沙危险性进行评估的评估方法

技术领域

本发明涉及煤层顶板危险性评估技术领域，尤其涉及一种用于对煤层顶板的突水溃沙危险性进行评估的评估方法。

背景技术

随着煤炭资源的日趋紧张，水体下采煤成为浅部采煤的难点。我国西北部薄基岩浅埋煤层储量十分丰富，约占全国煤炭产量的1/3以上，但是薄基岩浅埋煤层上覆松散含水层和地表水，采掘过程中易发生突水溃沙灾害，造成顶板突水，这给矿井的安全生产带来很大威胁，严重制约我国煤炭工业的发展。

突水溃沙灾害一旦发生，会在短时间内造成人员财产损伤，留给抢灾救灾的时间和机会并不多，所以顶板突水溃沙的合理科学评价是防止灾害发生的关键。

尽管传统的评价方法能解决一定的难题，但在实际应有中这些方法存在较多的不足，如对薄基岩浅埋煤层顶板突水溃沙不同影响因素的影响程度的定量分析、评价较少；薄基岩浅埋煤层顶板突水溃沙评价结果不直观，有说服力的图件及理论公式较少；多数方法的可靠性偏低且在综合考虑不同影响因素权重时，只是在某个水文地质条件中而没有考虑当水文地质条件改变后各影响因素权重如何变化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能够合理科学的对薄基岩浅埋煤层顶板的突水溃沙危险进行风险性评估的评估方法。

本发明技术方案提供一种用于对煤层顶板的突水溃沙危险性进行评估的评估方法，包括如下步骤：

S001：通过物探的方式查明煤炭矿山的地质条件、水文特征和背景环境；

S002：依照所述步骤S001物探结果，确定影响突水溃沙的单因素影响条件和综合因素影响条件；

S003：将煤层顶板所在的区域依次划分为多个待研究区域；

S004：依次找出多个所述待研究区域中符合所述单因素影响条件的所有的重点研究区域；

S005：依次找出所有的所述重点研究区域中符合所述综合因素影响条件的相对危险区域。

进一步地，所述单因素影响条件为潜水含量大于预设潜水含量阈值，或为含沙量大于预设含沙量阈值，或为水的源头高度高于预设源头高度阈值，或为水力坡度大于预设坡度阈值，或为导水裂隙带的发育高度高于预设发育高度阈值，或为容水沙空间大于预设空间阈值；

所述综合因素影响条件为潜水含量大于预设潜水含量阈值，且含沙量大于预设含沙量阈值，且水的源头高度高于预设源头高度阈值，且水力坡度大于预设坡度阈值，且导水裂隙带的发育高度高于发育高度阈值，且容水沙空间大于预设空间阈值。

进一步地，所述煤炭矿山的所述地质条件包括：

煤层埋藏条件、煤层开采方式、覆岩厚度及强度、覆岩的破坏形式；

所述煤炭矿山的所述水文特征包括：

煤层上覆含水层的规模与性质。

进一步地，在所述步骤S002中还包括：

通过物探和钻探的方式探明每个所述待研究区域内的单独影响因素和综合影响因素；

在所述步骤S004中，将每个所述待研究区域内的所述单独影响因素与所述单因素影响条件相比较：

如所述单独影响因素符合所述单因素影响条件，则该待研究区域被划定为所述重点研究区域；

在所述步骤S005中，将每个所述待研究区域内的所述综合影响因素与所述综合因素影响条件相比较：

如所述综合影响因素符合所述综合因素影响条件，则该重点研究区域被划定为所述相对危险区域。

进一步地，所述单独影响因素为潜水含量，或为含沙量，或为水的源头高度，或为水力坡度，或为导水裂隙带的发育高度，或为容水沙空间；

所述综合影响因素为潜水含量、含沙量、水的源头高度、水力坡度、导水裂隙带的发育高度和容水沙空间的组合。

进一步地，在所述步骤S004中还包括如下步骤：

设定潜水含量阈值a，如所述待研究区域中的潜水含量大于a，则所述待研究区域为潜水重点研究区域，并找出所有的潜水重点研究区域，同时制作潜水重点研究区域分布图；

设定含沙量阈值为b，如所述待研究区域中的潜沙量大于b，则所述待研究区域为含沙重点研究区域，并找出所有的含沙重点研究区域，同时制作含沙重点研究区域分布图；

设定源头高度阈值为c，如所述待研究区域中的水的源头高度大于c，则所述待研究区域为水头重点研究区域，并找出所有的水头重点研究区域，同时制作水头重点研究区域分布图；

设定坡度阈值为d，如所述待研究区域中的水力坡度大于d，则所述待研究区域为水力坡度重点研究区域，并找出所有的水力坡度重点研究区域，同时制作水力坡度重点研究区域分布图；

设定预设发育高度阈值为e，如所述待研究区域中的导水裂隙带的发育高度大于e，则所述待研究区域为通道重点研究区域，并找出所有的通道重点研究区域，同时制作通道重点研究区域分布图；

设定空间阈值为f，如所述待研究区域中的容水沙空间大于f，则所述待研究区域为空间重点研究区域，并找出所有的空间重点研究区域，同时制作空间重点研究区域分布图。

进一步地，在所述步骤S005中还包括如下步骤：

将所述潜水重点研究区域分布图、所述含沙重点研究区域分布图、所述水头重点研究区域分布图、所述水力坡度重点研究区域分布图、所述通道重点研究区域分布图和所述空间重点研究区域分布图叠加；

如所述潜水重点研究区域分布图、所述含沙重点研究区域分布图、所述水头重点研究区域分布图、所述水力坡度重点研究区域分布图、所述通道重点研究区域分布图和所述空间重点研究区域分布图中存在重合区域，则将该重合区域确定为所述相对危险区域；

找出所有的所述相对危险区域；

制作相对危险区域分布图。

进一步地，还包括如下步骤：

如所述待研究区域内的综采工作面经过河沟时，则将所述待研究区域划分为所述重点研究区域。

进一步地，还包括如下步骤：

如所述待研究区域内的导水裂隙带与上层的含水层或/和含沙层导通时，则将所述待研究区域划分为所述相对危险区域。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明提供的评估方法，结果可以量化，同时更加形象、直观地表现出来，可以指导煤矿的安全生产。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的评估方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明一实施例提供的一种用于对煤层顶板的突水溃沙危险性进行评估的评估方法，包括如下步骤：

S001：通过物探的方式查明煤炭矿山的地质条件、水文特征和背景环境。

其中，煤炭矿山的地质条件包括：

煤层埋藏条件、煤层开采方式、覆岩厚度及强度、覆岩的破坏形式。

煤炭矿山的水文特征包括：

煤层上覆含水层的规模与性质。

S002：依照步骤S001物探结果，确定影响突水溃沙的单因素影响条件和综合因素影响条件。

其中，单因素影响条件为潜水含量大于预设潜水含量阈值，或为含沙量大于预设含沙量阈值，或为水的源头高度高于预设源头高度阈值，或为水力坡度大于预设坡度阈值，或为导水裂隙带的发育高度高于预设发育高度阈值，或为容水沙空间大于预设空间阈值；

综合因素影响条件为潜水含量大于预设潜水含量阈值，且含沙量大于预设含沙量阈值，且水的源头高度高于预设源头高度阈值，且水力坡度大于预设坡度阈值，且导水裂隙带的发育高度高于发育高度阈值，且容水沙空间大于预设空间阈值。

S003：将煤层顶板所在的区域依次划分为多个待研究区域。可以按照工作面开采的方向顺序划分，也可以按照其它方式进行依次划分，方便区域研究。

S004：依次找出多个待研究区域中符合单因素影响条件的所有的重点研究区域。

重点研究区域中至少有一个单影响因素符合单因素影响条件，例如，重点研究区域中的潜水含量大于预设潜水含量阈值，或重点研究区域中的含沙量大于预设含沙量阈值，或重点研究区域中的水的源头高度高于预设源头高度阈值，或重点研究区域中的水力坡度大于预设坡度阈值，或重点研究区域中的导水裂隙带的发育高度高于预设发育高度阈值，或重点研究区域中的容水沙空间大于预设空间阈值。

S005：依次找出所有的重点研究区域中符合综合因素影响条件的相对危险区域，相对危险区域为容易发生突水溃沙的区域。

相对危险区域中的所有影响因素条件(综合影响因素)都要符合综合因素影响条件。也即是相对危险区域中的潜水含量大于预设潜水含量阈值，且相对危险区域中的含沙量大于预设含沙量阈值，且相对危险区域中的水的源头高度高于预设源头高度阈值，且相对危险区域中的水力坡度大于预设坡度阈值，且相对危险区域中的导水裂隙带的发育高度高于预设发育高度阈值，且相对危险区域中的容水沙空间大于预设空间阈值。

本发明提供的评估方法，主要是对薄基岩浅埋煤层顶板的突水溃沙危险性进行评估。

上述单因素影响条件和综合因素影响条件中的阈值都可以提前根据探测结果分析并确定，从而使得本发明提供的评估方法，结果可以量化，同时更加形象、直观地表现出来，可以指导煤矿的安全生产。

较佳地，在步骤S002中还包括：

通过物探和钻探的方式探明每个待研究区域内的单独影响因素和综合影响因素；

在步骤S004中，将每个待研究区域内的单独影响因素与单因素影响条件相比较：

如单独影响因素符合单因素影响条件，则该待研究区域被划定为重点研究区域；

在步骤S005中，将每个待研究区域内的综合影响因素与综合因素影响条件相比较：

如综合影响因素符合综合因素影响条件，则该重点研究区域被划定为相对危险区域。

其中，单独影响因素为潜水含量，或为含沙量，或为水的源头高度，或为水力坡度，或为导水裂隙带的发育高度，或为容水沙空间；

综合影响因素为潜水含量、含沙量、水的源头高度、水力坡度、导水裂隙带的发育高度和容水沙空间的组合。

潜水含量和含沙量为突水溃沙的物源，具有富含潜水的厚松散覆盖层，或者潜水含水层下存在松散沙层，为突水溃沙的物质条件。

物源分析的关键在于判别待研究区内是否有大量的水、沙能够为突水溃沙提供物质保障，以及水沙组合情况是否有利于水沙混流的形成。

对煤矿薄基岩浅埋煤层区域内突水溃沙水源及沙源进行分析，明确薄基岩区能够提供的突水溃沙水源以及能够提供大量物源作为沙源的区域，此类区域是需要重点研究的区域。

水的源头高度和水力坡度为突水溃沙的动力源，潜水含水层具有较高的水头或源头，静水压力较大，受采掘扰动后形成较大的动水压力，保证水流动具有较强的携沙能力。

动力源分析的关键在于判别研究区内是否存在足够的动力产生水沙混流，并驱动其溃入矿井，主要动力来源即为煤层上覆松散沙层潜水势能。

动力源分析具体衡量指标为煤层上覆松散沙层潜水含水层中实际水力坡度是否高于突水溃沙临界水力坡度，实际潜水水头是否低于突水溃沙安全水头。

实际工作中，需根据以往的水文地质勘察成果及水文观测资料，对工作区域内松散沙层潜水水头高度进行分析，不同位置潜水势能也表现出一定的差异性。煤层开采后如果导水裂隙带沟通潜水含水层，基岩破断后形成全厚切落或切落后发生回转，就会形成水沙流动通道。势能较高的潜水会顺通道而下，不仅为松散沙粒运动提供动力，而且与覆盖的沙土混合液化成二相流介质，进入工作面或巷道，发生突水溃沙灾害。

在采动影响下，当原始水头较高造成松散沙层潜水含水层中实际水力坡度超过临界水力坡度时，就会为突水溃沙提供强大的动力源，如果直接用钻孔打穿含水层或者用巷道大面积揭露含水层，或者采动导水裂缝与含水层直接沟通，就极有可能发生突水溃沙事故。

当松散沙层潜水含水层中的水头或源头的高度大于该临界水头时，就存在溃沙的危险；反之，如果含水层的水头疏降至临界水头以下时，就能够有效预防突水溃沙的发生。对于水体下采煤而言，疏降煤层顶板含水层水头至临界安全水头以下，是预防突水溃沙灾害的重要手段和有效途径。

煤矿可以利用薄基岩区上覆松散沙层含水层临界水力坡度、实际水力坡度及安全水头进行计算，并以此为基础做出薄基岩浅埋煤层顶板突水溃沙动力源危险性分区图。

根据区域内突水溃沙动力源分析以及临界安全水头高度计算结果，将小于临界水头高度的区域设为煤层顶板突水溃沙动力源相对安全区，将超出安全水头范围的区域设为动力源危险区。

导水裂隙带的发育高度为突水溃沙的通道，基岩厚度小，破断后不能形成稳定结构，产生良好的导水通道，同时采后导水裂隙带高度较大，能够沟通潜水含水层，则成为突水溃沙的通道。

突水溃沙通道的存在或生成是突水溃沙发生不可缺少的条件。通道分析的关键在于判别研究区内导水裂缝发育高度是否沟通松散沙层或/和潜水含水层，以及通道的大小和过水能力能否满足突水溃沙的发生条件。

综合矿山前期地质资料及物探成果，得出煤矿薄基岩区基岩底板至松散沙层覆岩厚度等值线，根据覆岩厚度与导水裂隙带发育高度对比关系，可以得出薄基岩区域或煤层顶板区域内的导水通道导通上覆松散沙层或/和潜水含水层的范围。

容水沙空间为突水溃沙的存储场所，其一般为巷道和采空区。

当薄基岩区内煤层顶板同时具备突水溃沙所需的物源、动力源及导水通道时，还必须存在能够容纳水沙的空间，最终驱动突水溃沙事故的发生。

空间分析的关键在于判别薄基岩区内是否存在足够的空间能为溃入矿井的水沙提供储存场所。

具备上述物源、动力源、通道和容水沙空间四个要素的区域，将成为相对危险区域，该区域的煤层顶板易发生突水溃沙危险。

较佳地，在步骤S004中还包括如下步骤：

设定潜水含量阈值a，如待研究区域中的潜水含量大于a，则待研究区域为潜水重点研究区域，并找出所有的潜水重点研究区域，同时制作潜水重点研究区域分布图。

设定含沙量阈值为b，如待研究区域中的潜沙量大于b，则待研究区域为含沙重点研究区域，并找出所有的含沙重点研究区域，同时制作含沙重点研究区域分布图。

设定源头高度阈值为c，如待研究区域中的水的源头高度大于c，则待研究区域为水头重点研究区域，并找出所有的水头重点研究区域，同时制作水头重点研究区域分布图。

设定坡度阈值为d，如待研究区域中的水力坡度大于d，则待研究区域为水力坡度重点研究区域，并找出所有的水力坡度重点研究区域，同时制作水力坡度重点研究区域分布图。

设定预设发育高度阈值为e，如待研究区域中的导水裂隙带的发育高度大于e，则待研究区域为通道重点研究区域，并找出所有的通道重点研究区域，同时制作通道重点研究区域分布图。

设定空间阈值为f，如待研究区域中的容水沙空间大于f，则待研究区域为空间重点研究区域，并找出所有的空间重点研究区域，同时制作空间重点研究区域分布图。

通过GIS空间数据分析耦合能力，对各个单影响因素与单因素影响条件进行比较分析并制图，可以直观地体现出各区域的特点，清楚重点研究区域的分布，利于分析研究。

较佳地，在步骤S005中还包括如下步骤：

将潜水重点研究区域分布图、含沙重点研究区域分布图、水头重点研究区域分布图、水力坡度重点研究区域分布图、通道重点研究区域分布图和空间重点研究区域分布图叠加。

如潜水重点研究区域分布图、含沙重点研究区域分布图、水头重点研究区域分布图、水力坡度重点研究区域分布图、通道重点研究区域分布图和空间重点研究区域分布图中存在重合区域，则将该重合区域确定为相对危险区域。

找出所有的相对危险区域。

制作相对危险区域分布图。

进行叠加分析，并辅以相应图件，可以形象、直观地反映出薄基岩浅埋煤层顶板可能会发生的突水溃沙的对危险区域，以及各区域的对应风险性数值的高低，进而为实际生产提供了科学依据，对煤矿安全生产提供指导。

较佳地，如待研究区域内的综采工作面经过河沟时，则将待研究区域划分为重点研究区域。当采掘工作面或综采工作面在过河沟(河流或水沟)时，该地段含水层及含沙层与地表水联系密切，突水溃沙物源极为充足，是需要重点研究的区域。

较佳地，如待研究区域内的导水裂隙带与上层的含水层或/和含沙层导通时，则将待研究区域划分为相对危险区域。如导水裂隙带与上层的含水层或/和含沙层导通，则为水沙提供了流通通道，极易发生突水溃沙，是需要着重防护的相对危险区域。

综上所述，本发明提供的薄基岩浅埋煤层顶板的突水溃沙危险性的评估方法具有以下有益效果：

1、提出了薄基岩浅埋煤层顶板突水溃沙危险性评价方法，实现了薄基岩浅埋煤层顶板突水溃沙由传统的定性评价转化为定量评价。

2、运用GIS空间数据分析耦合能力，对各个单影响因素进行叠加分析，并辅以相应图件，可以形象、直观地反映出薄基岩浅埋煤层顶板突水溃沙危险性区域，以及各区域的对应风险性数值的高低，进而为实际生产提供了科学依据，对煤矿安全生产尤其是西部煤田的开发具有现实的积极的指导作用；

3、本评估方法对各影响因素进行合理化处理，使其更符合水文地质条件变化的情况。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于对煤层顶板的突水溃沙危险性进行评估的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

S001：通过物探的方式查明煤炭矿山的地质条件、水文特征和背景环境；

S002：依照所述步骤S001物探结果，确定影响突水溃沙的单因素影响条件和综合因素影响条件；

S003：将煤层顶板所在的区域依次划分为多个待研究区域；

S004：依次找出多个所述待研究区域中符合所述单因素影响条件的所有的重点研究区域；

S005：依次找出所有的所述重点研究区域中符合所述综合因素影响条件的相对危险区域。

2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述单因素影响条件为潜水含量大于预设潜水含量阈值，或为含沙量大于预设含沙量阈值，或为水的源头高度高于预设源头高度阈值，或为水力坡度大于预设坡度阈值，或为导水裂隙带的发育高度高于预设发育高度阈值，或为容水沙空间大于预设空间阈值；

所述综合因素影响条件为潜水含量大于预设潜水含量阈值，且含沙量大于预设含沙量阈值，且水的源头高度高于预设源头高度阈值，且水力坡度大于预设坡度阈值，且导水裂隙带的发育高度高于发育高度阈值，且容水沙空间大于预设空间阈值。

3.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，

所述煤炭矿山的所述地质条件包括：

煤层埋藏条件、煤层开采方式、覆岩厚度及强度、覆岩的破坏形式；

所述煤炭矿山的所述水文特征包括：

煤层上覆含水层的规模与性质。

4.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于，在所述步骤S002中还包括：

通过物探和钻探的方式探明每个所述待研究区域内的单独影响因素和综合影响因素；

在所述步骤S004中，将每个所述待研究区域内的所述单独影响因素与所述单因素影响条件相比较：

如所述单独影响因素符合所述单因素影响条件，则该待研究区域被划定为所述重点研究区域；

在所述步骤S005中，将每个所述待研究区域内的所述综合影响因素与所述综合因素影响条件相比较：

如所述综合影响因素符合所述综合因素影响条件，则该重点研究区域被划定为所述相对危险区域。

5.根据权利要求4所述的评估方法，其特征在于，所述单独影响因素为潜水含量，或为含沙量，或为水的源头高度，或为水力坡度，或为导水裂隙带的发育高度，或为容水沙空间；

所述综合影响因素为潜水含量、含沙量、水的源头高度、水力坡度、导水裂隙带的发育高度和容水沙空间的组合。

6.根据权利要求5所述的评估方法，其特征在于，在所述步骤S004中还包括如下步骤：

设定潜水含量阈值a，如所述待研究区域中的潜水含量大于a，则所述待研究区域为潜水重点研究区域，并找出所有的潜水重点研究区域，同时制作潜水重点研究区域分布图；

设定含沙量阈值为b，如所述待研究区域中的潜沙量大于b，则所述待研究区域为含沙重点研究区域，并找出所有的含沙重点研究区域，同时制作含沙重点研究区域分布图；

设定源头高度阈值为c，如所述待研究区域中的水的源头高度大于c，则所述待研究区域为水头重点研究区域，并找出所有的水头重点研究区域，同时制作水头重点研究区域分布图；

设定坡度阈值为d，如所述待研究区域中的水力坡度大于d，则所述待研究区域为水力坡度重点研究区域，并找出所有的水力坡度重点研究区域，同时制作水力坡度重点研究区域分布图；

设定预设发育高度阈值为e，如所述待研究区域中的导水裂隙带的发育高度大于e，则所述待研究区域为通道重点研究区域，并找出所有的通道重点研究区域，同时制作通道重点研究区域分布图；

设定空间阈值为f，如所述待研究区域中的容水沙空间大于f，则所述待研究区域为空间重点研究区域，并找出所有的空间重点研究区域，同时制作空间重点研究区域分布图。

7.根据权利要求6所述的评估方法，其特征在于，在所述步骤S005中还包括如下步骤：

将所述潜水重点研究区域分布图、所述含沙重点研究区域分布图、所述水头重点研究区域分布图、所述水力坡度重点研究区域分布图、所述通道重点研究区域分布图和所述空间重点研究区域分布图叠加；

如所述潜水重点研究区域分布图、所述含沙重点研究区域分布图、所述水头重点研究区域分布图、所述水力坡度重点研究区域分布图、所述通道重点研究区域分布图和所述空间重点研究区域分布图中存在重合区域，则将该重合区域确定为所述相对危险区域；

找出所有的所述相对危险区域；

制作相对危险区域分布图。

8.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，还包括如下步骤：

如所述待研究区域内的综采工作面经过河沟时，则将所述待研究区域划分为所述重点研究区域。

9.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，还包括如下步骤：

如所述待研究区域内的导水裂隙带与上层的含水层或/和含沙层导通时，则将所述待研究区域划分为所述相对危险区域。