CN108052709A - 一种煤矿地下水库储水系数测算方法 - Google Patents

一种煤矿地下水库储水系数测算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种煤矿地下水库储水系数测算方法，包括：在待测定煤矿地下水库的采空区内布设多个有效应力传感；从待测定煤矿地下水库的采空区内进行垮落岩体取样，将取回的岩体试样进行室内实验，建立采空区岩体有效应力与孔隙度间的相互关系曲线；在待测定煤矿地下水库采空区内储水后，根据当前储水水位，确定传感器计算区域，读取传感器计算区域内有效应力传感器的有效应力数值，并根据有效应力与孔隙度相关曲线，得出对应的孔隙度；根据传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值所对应的孔隙度确定采空区的储水系数。本发明可以实现对地下水库储水系数进行合理测算，指导地下水库的规划、设计与建设。

Description

一种煤矿地下水库储水系数测算方法
技术领域
本发明涉及煤矿地下水库相关技术领域，特别是一种煤矿地下水库储水系数测算方法。
背景技术
针对我国水资源与煤炭资源呈逆向分布、中西部富煤地区多处于干旱和半干旱的生态脆弱区，水资源短缺且地表生态脆弱、主要煤炭基地水资源严重短缺的情况，在我国煤炭主产矿区必须以煤炭绿色开采理念为指导，采用适合于西部矿区的煤炭开采与水资源协调技术发展煤炭产业。其中，建设煤矿地下水库成是解决这些地区生产生活中缺水问题的一种有效技术途径。
储水系数最早是针对地下含水层的储水率而提出的，是指在含水层具有弹性的前提下，由于含水层受上覆岩层和承压水头的综合压力作用下，以及本身的物理力学性质，使含水层(主要是岩层骨架和水)具有一定的弹性释水和储水作用。而对于煤矿地下水库而言，由于煤矿地下水库是用采空区岩体空隙储水，因此将单位体积采空区的储水量定义为煤矿地下水库的储水系数。与含水层储水系数相比，煤矿地下水库储水系数的主要特点在于，其与煤层埋深、煤层厚度、煤矿开采工艺及工作面布置等密切相关。
储水系数是确定库容的核心参数，是煤矿地下水库规划和设计时的重要参数指标。在地下水库设计和建造中，库址与坝址、库容与特征水位、地下水条款与水质过滤净化，都取决于顶底板岩体渗透性能、导水裂隙带和塌落体的渗透系数与储水系数、以及这些参数的动态变化或异特征与规律；而这些问题又是取决于煤层采动过程中顶底板岩体破损与裂隙发育和演化规律、破损岩体塌落方式、范围、堆积形式、块度分布、孔隙大小与分布等物理特征。
然而，目前还没有能有效确定煤矿地下水库储水系数的测算方法。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术缺少对煤矿地下水库储水系数准确连续的测算方法的技术问题，提供一种煤矿地下水库储水系数测算方法。
本发明提供一种煤矿地下水库储水系数测算方法，包括：
传感器布设步骤，在待测定煤矿地下水库的采空区内布设多个有效应力传感；
应力孔隙度关系建立步骤，从待测定煤矿地下水库的采空区内进行垮落岩体取样，将取回的岩体试样进行室内实验，建立采空区岩体有效应力与孔隙度间的相互关系曲线；
孔隙度测算步骤，在待测定煤矿地下水库采空区内储水后，根据当前储水水位，确定传感器计算区域，读取所述传感器计算区域内所述有效应力传感器的有效应力数值，并根据所述有效应力与孔隙度相关曲线，得出与所述传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值对应的孔隙度；
储水系数确定步骤，根据传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值所对应的孔隙度确定采空区的储水系数。
进一步的，所述应力孔隙度关系建立步骤，具体包括：
从待测定煤矿地下水库的采空区内进行垮落岩体取样，将取回的岩体试样，铺入试验箱内，在试验箱中心位置处埋设有效应力传感器；
向试验箱内注水使岩体试样饱和；
逐级注水，对于每级注水，记录有效应力传感器的有效应力值，并计算对应的孔隙度；
根据每级注水的有效应力值和对应的孔隙度，建立有效应力与孔隙度间的相互关系曲线。
更进一步的，第i级注水时的孔隙度为：
其中，qi为第i级注水后的总注水量，hi为第i级注水后水位超出岩体试样表面的高度，Ss为试验箱横截面面积，hs为试验箱中岩体试样的高度。
进一步的，所述储水系数确定步骤，具体包括：
根据传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值所对应的孔隙度确定采空区的储水系数R为：
其中，S为传感器计算区域的采空区面积，H为传感器计算区域的采空区高度，Sk为传感器计算区域内的第k个传感器的辐射范围的面积，Hk为传感器计算区域内的第k个传感器的辐射范围的高度，ek为传感器计算区域内的第k个传感器的有效应力值对应的孔隙度。
更进一步的，所述传感器计算区域为待测定煤矿地下水库采空区内储水后，当前储水水位下方区域。
进一步的，所述传感器布设步骤，具体包括：
以待测定煤矿地下水库的其他工作面开采后采空区垮落带中，不同高度垮落岩体的粒径和级配为标准，将待测定煤矿地下水库的采空区的垮落岩体分为多层区域；
在待测定煤矿地下水库的采空区内每层区域分别布设多个有效应力传感器。
更进一步的：
所述应力孔隙度关系建立步骤，具体包括：
从待测定煤矿地下水库的采空区的每层区域分别进行垮落岩体取样，将取回的不同区域的岩体试样分别进行室内实验，建立每层区域的采空区岩体有效应力与孔隙度间的相互关系曲线；
所述孔隙度测算步骤，具体包括：
在待测定煤矿地下水库采空区内储水后，根据当前储水水位，确定传感器计算区域，读取所述传感器计算区域内所述有效应力传感器的有效应力数值，并根据每个有效应力传感器的所属区域，使用对应区域的所述有效应力与孔隙度相关曲线，得出与所述传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值对应的孔隙度。
更进一步的，所述从待测定煤矿地下水库的采空区内进行垮落岩体取样，具体包括：
从待测定煤矿地下水库的采空区内每层区域分别进行垮落岩体取样，每个取样点取样量大于或等于0.125m3。
更进一步的，所述在待测定煤矿地下水库的采空区内每层区域分别布设多个有效应力传感器，具体包括：
在采空区工作面开采完毕后每层区域分别钻孔布设多个有效应力传感器，或者；
在煤炭开采时在采空区工作面的综采支架后方形成的采空区每层区域分别预先多个有效应力传感器。
再进一步的，所述有效应力传感器为多孔介质有效应力传感器。
本发明通过采用相似模拟试验，得出有效应力与孔隙度关系，然后通过监测采空区内储水后岩体的有效应力，计算采空区岩体的孔隙度，进而得到煤矿地下水库的储水系数。本发明可以实现对地下水库储水系数进行合理测算，指导地下水库的规划、设计与建设。
附图说明
图1所示为本发明一种煤矿地下水库储水系数测算方法的工作流程图；
图2为本发明最佳实施例一种煤矿地下水库储水系数测算方法的工作流程图；
图3为煤矿地下水库采空区有效应力传感器布置纵切面示意图；
图4为煤矿地下水库采空区工作面有效应力传感器布设示意图；
图5为采空区岩体有效应力与孔隙度相互关系室内试验示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示为本发明一种煤矿地下水库储水系数测算方法的工作流程图，包括：
步骤S101，在待测定煤矿地下水库的采空区内布设多个有效应力传感；
步骤S102，从待测定煤矿地下水库的采空区内进行垮落岩体取样，将取回的岩体试样进行室内实验，建立采空区岩体有效应力与孔隙度间的相互关系曲线；
步骤S103，在待测定煤矿地下水库采空区内储水后，根据当前储水水位，确定传感器计算区域，读取所述传感器计算区域内所述有效应力传感器的有效应力数值，并根据所述有效应力与孔隙度相关曲线，得出与所述传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值对应的孔隙度；
步骤S104，根据传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值所对应的孔隙度确定采空区的储水系数。
具体来说，步骤S101在采空区内布设多个有效应力传感，然后步骤S102将取回的岩体试样进行室内实验，从而建立有效应力与孔隙度间的相互关系曲线。从而可以通过有效应力与孔隙度相关曲线，得出待测定煤矿地下水库采空区内有效应力传感器的有效应力值对应的孔隙度，从而根据孔隙度确定采空区的储水系数。
由于采空区岩体在上覆岩层作用下会不断压实，因此煤矿地下水库采空区内储水系数实际上处于持续变化的状态。现有技术主要采用现场抽放水试验来估算储水系数的方法，不仅费时费力，且仅能得到某一时刻的储水系数。采用本发明的方法，不仅可以较为准确地进行采空区储水系数的计算，也能较为清晰地了解采空区内孔隙度的分布情况，同时还可以对储水系数持续进行动态调整和修正。
本发明通过采用相似模拟试验，得出有效应力与孔隙度关系，然后通过监测采空区内储水后岩体的有效应力，计算采空区岩体的孔隙度，进而得到煤矿地下水库的储水系数。本发明可以实现对地下水库储水系数进行合理测算，指导地下水库的规划、设计与建设。
在其中一个实施例中，所述步骤S102，具体包括：
从待测定煤矿地下水库的采空区内进行垮落岩体取样，将取回的岩体试样，铺入试验箱内，在试验箱中心位置处埋设有效应力传感器；
向试验箱内注水使岩体试样饱和；
逐级注水，对于每级注水，记录有效应力传感器的有效应力值，并计算对应的孔隙度；
根据每级注水的有效应力值和对应的孔隙度，建立有效应力与孔隙度间的相互关系曲线。
本实施例采用逐级注水的方法，记录每级注水的有效应力值，并计算对应的孔隙度，从而建立有效应力与孔隙度间的相互关系曲线。
在其中一个实施例中，第i级注水时的孔隙度为：
其中，qi为第i级注水后的总注水量，Δhi为第i级注水后水位超出岩体试样表面的高度，Ss为试验箱横截面面积，hs为试验箱中岩体试样的高度。
在其中一个实施例中，所述步骤S104，具体包括：
根据传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值所对应的孔隙度确定采空区的储水系数R为：
其中，S为传感器计算区域的采空区面积，H为传感器计算区域的采空区高度，Sk为传感器计算区域内的第k个传感器的辐射范围的面积，Hk为传感器计算区域内的第k个传感器的辐射范围的高度，ek为传感器计算区域内的第k个传感器的有效应力值对应的孔隙度。
具体来说，读取计算区域内的每个有效应力传感器的有效应力值，然后根据该有效应力值，根据所述有效应力与孔隙度相关曲线，确定相应的孔隙度。
在其中一个实施例中，所述传感器计算区域为待测定煤矿地下水库采空区内储水后，当前储水水位下方区域。
本实施例将储水水位下方作为传感器计算区域，只计算传感器计算区域内所述有效应力传感器的有效应力数值，储水位上方传感器的有效应力不进行计算。
在其中一个实施例中，所述步骤S101，具体包括：
以待测定煤矿地下水库的其他工作面开采后采空区垮落带中，不同高度垮落岩体的粒径和级配为标准，将待测定煤矿地下水库的采空区的垮落岩体分为多层区域；
在待测定煤矿地下水库的采空区内每层区域分别布设多个有效应力传感器。
具体来说，可以将待测定煤矿地下水库的采空区的垮落岩体分为多细粒区、中粒区和粗粒区。
在其中一个实施例中：
所述步骤S102，具体包括：
从待测定煤矿地下水库的采空区的每层区域分别进行垮落岩体取样，将取回的不同区域的岩体试样分别进行室内实验，建立每层区域的采空区岩体有效应力与孔隙度间的相互关系曲线；
所述步骤S103，具体包括：
在待测定煤矿地下水库采空区内储水后，根据当前储水水位，确定传感器计算区域，读取所述传感器计算区域内所述有效应力传感器的有效应力数值，并根据每个有效应力传感器的所属区域，使用对应区域的所述有效应力与孔隙度相关曲线，得出与所述传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值对应的孔隙度。
不同区域(细粒区、中粒区及粗粒区)内的岩体固体颗粒或骨架在粒径、级配等存在较大差异，其试样有效应力与孔隙度间的相互关系存在一定的差异。因此对不同区域的试样应分别进行室内实验，建立有效应力与孔隙度之间的ej与σj相互关系曲线，其中，j表示不同的区域(细粒区、中粒区及粗粒区)。
在其中一个实施例中，所述从待测定煤矿地下水库的采空区内进行垮落岩体取样，具体包括：
从待测定煤矿地下水库的采空区内每层区域分别进行垮落岩体取样，每个取样点取样量大于或等于0.125m3。
在一个实施例中，所述在待测定煤矿地下水库的采空区内每层区域分别布设多个有效应力传感器，具体包括：
在采空区工作面开采完毕后每层区域分别钻孔布设多个有效应力传感器，或者；
在煤炭开采时在采空区工作面的综采支架后方形成的采空区每层区域分别预先多个有效应力传感器。
在其中一个实施例中，所述有效应力传感器为多孔介质有效应力传感器。
作为本发明最佳实施例，如图2所示为本发明最佳实施例一种煤矿地下水库储水系数测算方法的工作流程图，包括：
步骤S201，充分调研待建矿井内其它工作面开采后采空区垮落带情况，观察不同高度垮落岩体的主要粒径和级配，以此为标准对垮落岩体分层，如图3所示，分别包括细粒区5、中粒区4和粗粒区3。以此为依据初步估计地下水库预选址区采空区岩体的形态和分布情况。垮落岩体的形态与分布与上覆岩层1性质和煤层2高度等密切相关。
步骤S202，如图3所示，在采空区内布设多孔介质有效应力传感器6。布设时有两种方式：一种方式是工作面开采完毕后集中钻孔布设，另一种方式如图4所示，煤炭开采时在工作面10的综采支架9后方形成的采空区8内预先埋设有效应力传感器节点7。第一种布设方式较为费时费力，但能从全局上把握有效应力传感器装置的布设间距和数量；第二种方式可以随工作面10推进持续铺设有效应力传感器，操作简单，但布设完成后很难进行二次调整。布设时在高度方向应尽量保证每个区域(细粒区、中粒区及粗粒区)均布设有传感器。工作面宽度方向上布设的有效应力传感器数量视情况而定。对于第一种埋设方式，宽度方向上可仅布置一排传感器。工作面长度方向上应按照一定间隔(原则上间隔不应超过50m)布设传感器。
步骤S203，对采空区内垮落岩体取样。每个区域(细粒区、中粒区及粗粒区)应至少有一个取样点；在工作面长度上，根据工作面长度设置取样点。每个取样点取样量不应少于0.125m3。
步骤S204，对取回的试样进行室内实验，建立采空区岩体有效应力与孔隙度间的相互关系曲线。如图5所示，将采空区岩体13铺入试验箱内，在中心位置处埋设有效应力传感器12。之后向试验箱内注水11使试样饱和，注水时通过流量计记录注水量。待有效应力传感器读数稳定后读取有效应力数值。再逐级注水，分别记录水位14超出岩土体表面的高度Δh，总注水量q及有效应力σ。对于第i次注水时有效应力σi对应的孔隙度为ei：
其中，qi为第i级注水后的总注水量，Δhi为第i级注水后，水位14超出岩体试样表面的高度，Ss为试验箱横截面面积，hs为试验箱中岩体试样的高度。根据上述计算数据建立有效应力与孔隙度间的相互关系曲线。
步骤S205，不同区域(细粒区、中粒区及粗粒区)内的岩体固体颗粒或骨架在粒径、级配等存在较大差异，其试样有效应力与孔隙度间的相互关系存在一定的差异。因此对不同区域的试样应分别进行室内实验，建立有效应力与孔隙度之间的ej～σj相互关系曲线，其中，j表示不同的区域(细粒区、中粒区及粗粒区)。
步骤S206，在煤矿地下水库采空区内储水后，读取采空区内有效应力传感器的有效应力数值，并根据室内实验得到的有效应力-孔隙度相关曲线，得出传感器辐射区域内的孔隙度。储水水位较低时，储水位上方传感器的有效应力不进行计算。则煤矿地下水库采空区内的储水系数可计算为：
其中，R为采空区内平均储水系数，S为采空区计算面积，H为采空区计算高度，对于计算范围内的第k个有效应力传感器，Sk为传感器k辐射范围的面积，Hk为传感器k辐射范围的高度，ek为传感器k辐射范围内的孔隙度。传感器辐射范围由传感器布设间距等决定。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种煤矿地下水库储水系数测算方法，其特征在于，包括：
传感器布设步骤，在待测定煤矿地下水库的采空区内布设多个有效应力传感；
应力孔隙度关系建立步骤，从待测定煤矿地下水库的采空区内进行垮落岩体取样，将取回的岩体试样进行室内实验，建立采空区岩体有效应力与孔隙度间的相互关系曲线；
孔隙度测算步骤，在待测定煤矿地下水库采空区内储水后，根据当前储水水位，确定传感器计算区域，读取所述传感器计算区域内所述有效应力传感器的有效应力数值，并根据所述有效应力与孔隙度相关曲线，得出与所述传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值对应的孔隙度；
储水系数确定步骤，根据传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值所对应的孔隙度确定采空区的储水系数。
2.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测算方法，其特征在于，所述应力孔隙度关系建立步骤，具体包括：
从待测定煤矿地下水库的采空区内进行垮落岩体取样，将取回的岩体试样，铺入试验箱内，在试验箱中心位置处埋设有效应力传感器；
向试验箱内注水使岩体试样饱和；
逐级注水，对于每级注水，记录有效应力传感器的有效应力值，并计算对应的孔隙度；
根据每级注水的有效应力值和对应的孔隙度，建立有效应力与孔隙度间的相互关系曲线。
3.根据权利要求2所述的煤矿地下水库储水系数测算方法，其特征在于，第i级注水时的孔隙度为：
<mrow> <msub> <mi>e</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;h</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，qi为第i级注水后的总注水量，hi为第i级注水后水位超出岩体试样表面的高度，Ss为试验箱横截面面积，hs为试验箱中岩体试样的高度。
4.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测算方法，其特征在于，所述储水系数确定步骤，具体包括：
根据传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值所对应的孔隙度确定采空区的储水系数R为：
<mrow> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;Sigma;S</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>S</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>H</mi> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中，S为传感器计算区域的采空区面积，H为传感器计算区域的采空区高度，Sk为传感器计算区域内的第k个传感器的辐射范围的面积，Hk为传感器计算区域内的第k个传感器的辐射范围的高度，ek为传感器计算区域内的第k个传感器的有效应力值对应的孔隙度。
5.根据权利要求1或4所述的煤矿地下水库储水系数测算方法，其特征在于，所述传感器计算区域为待测定煤矿地下水库采空区内储水后，当前储水水位下方区域。
6.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测算方法，其特征在于，所述传感器布设步骤，具体包括：
以待测定煤矿地下水库的其他工作面开采后采空区垮落带中，不同高度垮落岩体的粒径和级配为标准，将待测定煤矿地下水库的采空区的垮落岩体分为多层区域；
在待测定煤矿地下水库的采空区内每层区域分别布设多个有效应力传感器。
7.根据权利要求6所述的煤矿地下水库储水系数测算方法，其特征在于：
所述应力孔隙度关系建立步骤，具体包括：
从待测定煤矿地下水库的采空区的每层区域分别进行垮落岩体取样，将取回的不同区域的岩体试样分别进行室内实验，建立每层区域的采空区岩体有效应力与孔隙度间的相互关系曲线；
所述孔隙度测算步骤，具体包括：
在待测定煤矿地下水库采空区内储水后，根据当前储水水位，确定传感器计算区域，读取所述传感器计算区域内所述有效应力传感器的有效应力数值，并根据每个有效应力传感器的所属区域，使用对应区域的所述有效应力与孔隙度相关曲线，得出与所述传感器计算区域内的有效应力传感器的有效应力值对应的孔隙度。
8.根据权利要求6所述的煤矿地下水库储水系数测算方法，其特征在于，所述从待测定煤矿地下水库的采空区内进行垮落岩体取样，具体包括：
从待测定煤矿地下水库的采空区内每层区域分别进行垮落岩体取样，每个取样点取样量大于或等于0.125m3。
9.根据权利要求6所述的煤矿地下水库储水系数测算方法，其特征在于，所述在待测定煤矿地下水库的采空区内每层区域分别布设多个有效应力传感器，具体包括：
在采空区工作面开采完毕后每层区域分别钻孔布设多个有效应力传感器，或者；
在煤炭开采时在采空区工作面的综采支架后方形成的采空区每层区域分别预先多个有效应力传感器。
10.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数测算方法，其特征在于，所述有效应力传感器为多孔介质有效应力传感器。
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