CN108915667A - 基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法 - Google Patents
基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种矿井涌水量预测方法，属于矿井开采领域，具体是涉及一种基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法。本发明针对分层开采条件，将矿井采掘工程的空间与时间分布特征有机地结合起来，考虑到采动引起的覆岩破坏对上覆含水层渗透系数的影响，实现了研究区内渗透系数与实际采掘活动相匹配的动态调整；本发明建立了渗透系数与地下水数值模的关系，能实时将调整后的参数导入模拟模型，实现随煤层开采的涌水量动态预测，提高了涌水量的预测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿井涌水量预测方法，属于矿井开采领域，具体是涉及一种基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法。
背景技术
矿井排水系统的设计需要参考矿井涌水量的预测结果，因此涌水量的预测技术是矿井水害防治的关键技术之一。目前部分煤矿可采煤层厚度较厚，无法一次采全高，需采用分层开采的方法，该采煤方法对煤层上覆含水层产生多次扰动影响，导致在勘探阶段预测的矿井涌水量普遍与矿井实际揭露的涌水量相差较大，同时实际涌水量也随不同分层间开采及各分层不同工作面推进而波动较大。
现阶段常用的矿井涌水量预计方法有水均衡法、解析法、数值法、水文地质比拟法、涌水量降深曲线方程法、相关分析法、时间序列分析等。对于现有的方法，如果渗透系数不可靠，水文地质条件没有查清，或因水文地质情况复杂而导致条件概化不准确，都有可能直接导致计算结果出现大的误差。同时这些方法也无法考虑分层开采条件下影响矿井充水因素的动态变化。
发明内容
本发明主要是解决现有矿井涌水量预计中所存在的上述技术问题，提供一种基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法，该方法充分考虑分层开采条件下，渗透系数随采掘活动发生的变化，能有效解决由于渗透系数取值不当引起的矿井涌水量预测值与实际值相差较大的问题。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法，包括：
原始系统确定步骤，确定开采前煤层顶板含水层的原始渗透系数；
带内系数确定步骤，在开采过程中确定开采所产生的导水裂缝带发育高度及范围，测定回采后产生的导水裂缝带内部渗透系数；
动态模型确定步骤，结合导水裂缝带发育范围以及渗透系数变化情况，绘制渗透系数动态变化的平、剖面图，建立渗透系数的动态变化地层模型；
涌水模型预测步骤，将分层及工作面依次回采引起的渗透系数的动态变化地层模型应用到经过剖分和赋值后的三维地层数值模型中以推算出工作面推进后的涌水量。
在本发明的至少一上实施例中，所述原始系统确定步骤中，通过对研究区内水文地质试验所得结果进行分析并结合岩性、含水层厚度、构造以及地层沉积情况，确定开采前煤层顶板含水层的原始渗透系数。
在本发明的至少一上实施例中，所述带内系数确定步骤中，结合开采实际情况，通过数值模拟、相似模拟实验或现场实测以确定每一分层、每一工作面内开采所产生的导水裂缝带发育高度及范围。
在本发明的至少一上实施例中，所述带内系数确定步骤中，每一分层每一工作面回采结束后均进行导水裂缝带内部的压水试验，以获取水压、流量数据，并基于下式计算回采后产生的导水裂缝带内部的渗透系数：
K＝0.527ωlog(0.66L/r)
ω＝Q/LP
式中K为渗透系数，m/d；ω为单位吸水率，L/(min×m2)；Q为钻孔压水流量，L/min；P为试验段水压，N/cm3；L为试验段长度，m；r为钻孔半径，m。
在本发明的至少一上实施例中，根据不同分层、不同工作面回采结束后导水裂缝带发育范围以及渗透系数变化情况，将导水裂缝带发育范围内的渗透系数发生变化的区域重新赋值，并绘制渗透系数动态变化的平、剖面图，包含导水裂缝带在不同分层、不同工作面开采前后的变化范围，及渗透系数变化情况，以得到渗透系数的动态变化地层模型。
在本发明的至少一上实施例中，通过数值模拟软件对研究区内地质及水文地质钻孔资料进行处理及分析，得到研究区三维地层模型，对三维地层模型选取适当的初始条件和边界条件，进行剖分和赋值，结合不同分层不同工作面依次回采引起的渗透系数的动态变化地层模型，通过运行数值模型推算出随水平方向工作面推进情况下的涌水量。
因此，本发明具有如下优点：
(1)针对分层开采条件，将矿井采掘工程的空间与时间分布特征有机地结合起来，考虑到采动引起的覆岩破坏对上覆含水层渗透系数的影响，实现了研究区内渗透系数与实际采掘活动相匹配的动态调整；(2)建立了渗透系数与地下水数值模型的关系，能实时将调整后的参数导入模拟模型，实现随煤层开采的涌水量动态预测，提高了涌水量的预测精度。
附图说明
附图1是本发明的流程图；
附图2是工作面开采前参数平面图；
附图3是上分层回采结束时覆岩垮落形态图；
附图4是下分层回采结束时覆岩垮落形态图；
附图5是工作面开采后参数平面图；
附图6是上下分层开采后参数变化剖面图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
为了提高矿井涌水量预测结果的精度，同时能够对涌水量进行随采实时预测，本发明提供了一种基于分层开采条件下渗透系数演化的矿井涌水量动态随采预测方法，其根本思路是结合分层开采条件下的渗透性演化特征，确定区域内不同分层、不同工作面间开采引起的渗透系数变化情况，并结合开采进度进行动态调整，将渗透系数的变化结合到实际采掘进度中，运用数值模拟的方式最终推算出涌水量的一种方法，该方法经工程实践验证，取得成功。
为了实现上述目的，本发明针对分层开采条件下的涌水量动态预测具体操作如下。
1、通过对研究区内水文地质试验所得结果进行分析，同时结合岩性、含水层厚度、构造以及地层沉积情况，确定开采前煤层顶板含水层的原始渗透系数分区；
2、结合开采实际情况，通过数值模拟、相似模拟实验或现场实测的方法，确定每一分层、每一工作面内开采所产生的导水裂缝带发育高度及范围；
3、由于开采引起覆岩破坏，导致原生含水层的渗透系数发生变化，为了确定参数演化规律，对每一分层每一工作面回采结束后均进行导水裂缝带内部的压水试验，以获取水压、流量等数据，以此计算回采后产生的导水裂缝带内部的渗透系数，计算公式如下：
K＝0.527ωlog(0.66L/r)
ω＝Q/LP
式中K为渗透系数，m/d；ω为单位吸水率，L/(min×m2)；Q为钻孔压水流量，L/min；P为试验段水压，N/cm3；L为试验段长度，m；r为钻孔半径，m。
4、结合回采结束后导水裂缝带发育范围以及压水试验所测渗透系数变化情况，运用软件建立回采后的地层模型，将渗透系数随不同分层、不同工作面开采前后导水裂缝带范围的变化重新赋值，并绘制渗透系数动态变化的平面图和剖面图，这样便得到了渗透系数动态变化地层模型；
5、通过数值模拟软件对研究区内地质及水文地质钻孔资料进行处理及分析，得到研究区三维地层模型，结合地下水流数学模型，对三维地层模型选取适当的初始条件和边界条件，进行剖分和赋值，并将不同分层不同工作面依次回采引起的渗透系数动态变化地层模型应用到数值模型当中，通过运行数值模型推算出随水平方向工作面推进情况下的涌水量。
以国外某煤矿为例，Ⅵ煤层为可采煤层，平均33.71m，全区分布，厚度稳定。由于煤层较厚，现阶段采用分层开采的方式，。Ⅵ煤顶板砂岩含水层为区内主要含水层，岩性以浅灰～灰白色中粗砂岩、含砾粗砂岩为主，平均厚度78.06m，富水性好，是煤层开采时的主要充水含水层。
为了准确预测各分层不同工作面回采时候的水量，需要准确确定Ⅵ煤顶板砂岩含水层在采动后的破坏范围及渗透系数。根据渗透系数的动态变化模型，结合数值模拟软件最终计算得出回采时的涌水量。
1、通过分析研究区内针对Ⅵ煤顶板砂岩含水层的单孔抽水-群孔观测抽水试验所得结果，结合岩性、含水层厚度、构造以及地层沉积情况，确定开采前煤层顶板含水层的原始渗透系数为0.023m/d，建立如图2的地层模型，设计两个分层，每个分层布置五个工作面。
2、结合现场实测以及物理相似材料模拟实验、数值模拟计算实验，分别得出上分层以及下分层综采条件下导水裂隙带发育高度。相似材料模拟指出上分层开采最大导水裂隙带高度为64m，裂采比为21.33，如图3；下分层开采最大导水裂隙带高度为115m，累计裂采比19.17，如图4。
3、针对导水裂缝带内部进行压水试验，通过在井下巷道施工上仰钻孔，在钻孔中用气囊封堵进行压水试验，利用井下钻孔压水试验获取的水压、流量数据计算导水裂缝带内部的渗透系数，计算公式如下：
K＝0.527ωlog(0.66L/r)
ω＝Q/LP
式中K为渗透系数，m/d；ω为单位吸水率，L/(min×m2)；Q为钻孔压水流量，L/min；P为试验段水压，N/cm3；L为试验段长度，m；r为钻孔半径，m。
经计算，上分层回采后随着导水裂缝带的发育，渗透系数演化为平均 0.260m/d；下分层回采后，随着导水裂缝带的发育，渗透系数演化为平均 0.328m/d。
4、依据上述结果结合地下水流模拟软件，建立开采后的地层模型，结合导水裂缝带发育高度，将导水裂缝带发育范围内的渗透系数发生变化的区域重新赋值。上分层不同工作面开采时，导水裂缝带发育高度基本保持不变，水平方向发育范围不断扩大，开采后导水裂缝带内部的渗透系数由未破坏前的0.023m/d演化为0.26m/d；下分层开采后导水裂缝带发育高度增大，影响范围包括上分层开采后的导水裂缝带发育范围以及其上覆未波及段，下分层开采后的导水裂缝带内部的渗透系数均演化为0.328m/d，平、剖面图见图5、图6。应该说明的是，实施例中仅指出上下两个分层开采，而该方法可用于但不仅限二个分层，如果有其他分层，可参照该方法依次进行。
5、对研究区内地质及水文地质钻孔资料进行处理及分析，建立研究区三维地层模型。确定其数学模型为三维、各向异性、承压含水层非稳定地下水流模型，南部及北部边界均视为定水头边界，东西边界由于受到两条大断层Fa、Fb的影响，视为隔水边界，并进行剖分和赋值，并将上下分层不同工作面依次回采引起的渗透系数动态变化地层模型应用到数值模型当中，通过运行数值模型推算出随工作面开采情况下的涌水量。上分层不同工作面开采涌水量预测结果见表1，不同分层开采涌水量预测结果见表2。
表1上分层不同工作面开采涌水量预测结果及误差
表2上下分层涌水量预测结果及误差
综上所述，本发明在通过现场实测、相似材料模拟和数值模拟得出煤层开采条件下导水裂缝带的发育高度和范围，将实际中不同分层、不同工作面间的开采过程与渗透系数动态变化相结合，最后运用地下水流数值模拟软件进行运算得出基于渗透系数演化的矿井涌水量动态随采预测数据，预测误差均小于10％，实现了较为准确的随煤层开采实时涌水量动态预测。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法，其特征在于，包括：
原始系统确定步骤，确定开采前煤层顶板含水层的原始渗透系数；
带内系数确定步骤，在开采过程中确定开采所产生的导水裂缝带发育高度及范围，测定回采后产生的导水裂缝带内部渗透系数；
动态模型确定步骤，结合导水裂缝带发育范围以及渗透系数变化情况，绘制渗透系数动态变化的平、剖面图，建立渗透系数的动态变化地层模型；
涌水模型预测步骤，将分层及工作面依次回采引起的渗透系数的动态变化地层模型应用到经过剖分和赋值后的三维地层数值模型中以推算出工作面推进后的涌水量。
2.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法，其特征在于，所述原始系统确定步骤中，通过对研究区内水文地质试验所得结果进行分析并结合岩性、含水层厚度、构造以及地层沉积情况，确定开采前煤层顶板含水层的原始渗透系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法，其特征在于，所述带内系数确定步骤中，结合开采实际情况，通过数值模拟、相似模拟实验或现场实测以确定每一分层、每一工作面内开采所产生的导水裂缝带发育高度及范围。
4.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法，其特征在于，所述带内系数确定步骤中，每一分层每一工作面回采结束后均进行导水裂缝带内部的压水试验，以获取水压、流量数据，并基于下式计算回采后产生的导水裂缝带内部的渗透系数：
K＝0.527ωlog(0.66L/r)
ω＝Q/LP
式中K为渗透系数，m/d；ω为单位吸水率，L/(min×m2)；Q为钻孔压水流量，L/min；P为试验段水压，N/cm3；L为试验段长度，m；r为钻孔半径，m。
5.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法，其特征在于，根据不同分层、不同工作面回采结束后导水裂缝带发育范围以及渗透系数变化情况，将导水裂缝带发育范围内的渗透系数发生变化的区域重新赋值，并绘制渗透系数动态变化的平、剖面图，包含导水裂缝带在不同分层、不同工作面开采前后的变化范围，及渗透系数变化情况，以得到渗透系数的动态变化地层模型。
6.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数随分层开采动态变化的矿井涌水量预测方法，其特征在于，
通过数值模拟软件对研究区内地质及水文地质钻孔资料进行处理及分析，得到研究区三维地层模型，对三维地层模型选取适当的初始条件和边界条件，进行剖分和赋值，结合不同分层不同工作面依次回采引起的渗透系数的动态变化地层模型，通过运行数值模型推算出随水平方向工作面推进情况下的涌水量。
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