CN108955649B - 一种煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法 - Google Patents
一种煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法，属于煤炭开采水害防治技术领域，解决了现有技术中矿井涌水量预计时以整个工作面为计算单元，在超长及顶板水文地质条件差异较大的工作面难以准确预计的问题。本发明包括以下步骤：S1.进行工作面探放水工程，获得放水监测资料；S2.根据各个放水孔涌水量的大小，将工作面顶板充水含水层划分为不同富水区段；S3.计算各个区段的含水层厚度和渗透系数；S4.根据步骤S3计算出的水文地质参数，采取集水廊道法对步骤S2划分出的不同富水区段进行涌水量分段预测。本发明采用解析法进行工作面分区段顶板涌水量预测，达到精准预计工作面顶板涌水量的目的，为矿井防排水系统设计提供理论依据，保证煤炭安全开采。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采水害防治技术领域，具体涉及一种煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法。
背景技术
随着东部矿区煤炭资源的枯竭，中部资源与环境约束的矛盾加剧，我国煤炭资源开发重心已快速转移到西部。
西部煤炭赋存条件整体相对简单，但西部煤矿工作面超长、超宽(一般走向长2km左右，部分矿井达5km)，顶板水文地质条件差异较大，以往顶板涌水量预计方法难以准确预计，致使西部煤矿顶板水害事故频发。如锦界煤矿先期开采到4个面时，矿井日最大涌水量达5499m3/h(2011年9月23日)，远大于地质报勘探告预计矿井涌水量711.6m3/h(最大868.8m3/h)；柠条塔矿南翼首采面S1201开采到70m时，发生最大1200m3/h的涌水，造成停产，经济损失近2亿元。如何准确预计工作面顶板涌水量成为西部煤矿顶板水害防治的关键。
目前矿井涌水量预测常用方法大致分为两大类，第一类为确定性的数学模型方法，包括水均衡法、解析法和数值法等，第二类为统计分析方法，包括水文地质比拟法、相关分析法、时间序列分析法、神经网络方法、支持向量机法和灰色系统法等。前者涌水量预计时均以整个工作面为计算单元，无法准确预计超长超宽及顶板水文地质条件差异较大的工作面涌水量；后者由于受方法本身和计算参数的限制，可操作性不强，难以推广应用。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明的目的是提供一种煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法，用以解决现有矿井涌水量预计时无法准确预计超长超宽及顶板水文地质条件差异较大的工作面涌水量、可操作性不强的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法，包括以下步骤：
S1.进行工作面探放水工程，获得放水监测资料；
S2.根据各个放水孔出水量的大小，将工作面顶板充水含水层划分为不同富水区段；
S3.计算各个区段的含水层厚度和渗透系数；
S4.根据步骤S3计算出的水文地质参数，对步骤S2划分出的不同富水区段进行涌水量预测。
优选地，在S1中，进行工作面探放水工程，获得放水监测资料过程为：进行探放水工程，在放水孔施工过程中记录放水孔仰角(即放水孔与水平面的夹角)、放水孔半径、出水点位置和终孔位置、终孔垂深；施工完毕后放水孔底端安装有流量表和压力表，实时监测放水孔涌水量与压力的变化，同时记录放水孔水位下降量、放水的时间、水头高度、区段放水面长度、引用半径。
优选地，在步骤S2中，根据各个放水孔出水量的大小，将工作面顶板充水含水层划分为不同富水区段的过程为：根据各个放水孔出水量的大小，将工作面划分为多个富水区段。
优选地，在S3步骤中，计算各个区段的含水层厚度和渗透系数的过程为：首先，根据区段的区段放水面长度和放水孔仰角计算出各个区段的含水层厚度，根据放水孔流量、放水孔的含水层厚度、放水孔水位下降量、影响半径和放水孔半径计算出各个区段的放水孔的渗透系数，过程如下：首先按如下公式统计不同富水区段内各个放水孔的含水层厚度和放水孔的渗透系数，然后对不同富水区段内不同放水孔分别求取含水层厚度和渗透系数的平均值，求得该区段内的放水孔含水层厚度和渗透系数的平均值后，最后，利用求得的数据计算该区段的涌水量；
放水孔含水层厚度为：
M＝L×sinα
式中：M为放水孔含水层厚度，单位为m；L为区段放水面长度，单位为m；α为放水孔仰角，单位为(°)；
放水孔的渗透系数计算公式为：
式中：K为放水孔的渗透系数，单位m/d；Q为放水孔涌水量，单位为m3/h；M为放水孔放水层厚度，单位为m；S为放水孔水位下降量，单位为m；R0为影响半径，单位为m；r为放水孔半径，单位为m。
优选地，在步骤S4中，采用集水廊道法对步骤S2划分出的不同富水区段进行涌水量预测。
优选地，所述集水廊道法计算公式如下：
式中：Q涌为放水孔涌水量，m3/h；L为区段放水面长度，m；K为渗透系数，m/d；H为水头高度，m；M为放水孔含水层厚度，m；R0为影响半径，m；r0为引用半径，m；S为放水孔水位下降量，m。
优选地，上述煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法还包括如下步骤：
S5.通过累加各区段的涌水量，可得出整个工作面的涌水量，其计算公式如下：
Q涌工作面＝Q涌Ⅰ+QⅡ涌+QⅢ涌+QⅣ涌
优选地，上述预测方法适合长度大于或等于700m、宽度大于或等于700m的煤矿工作面。
优选地，上述预测方法适合长度小于或等于7km、宽度小于或等于7km的煤矿工作面。
优选地，上述煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法适用于中国西部地区的侏罗系煤层。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明提供的煤矿工作面顶板涌水量的预测方法将其工作面按照水流量的大小分为各个区段，对每个放水段施工打孔，通过分别求取每个放水孔的含水层厚度和渗透系数，获得该区段的平均含水层厚度和平均渗透系数，利用该区段的平均含水层厚度和平均渗透系数，求取该区段的涌水量。利用同样的方法求取其它区段的涌水量，最后，通过对各个区段涌水量求和，求得整个煤矿工作面的涌水量。通过我们预测的该工作面的涌水量，可以为排水系统的设计和施工方案提供科学依据，有效的防止了煤矿开采水害的发生，保证了煤矿的安全开采。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明方法实施流程图；
图2为西北某煤矿工作面放水孔布置图；
图3为西北某煤矿工作面水文地质性质分段图；
图4为西北某煤矿工作面涌水量预计值与实测值对比图。
附图标记：
1-胶带顺槽；2-回风顺槽。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法的具体实施技术方案，如图1所示，包括如下步骤：
S1.进行工作面探放水工程，获得放水监测数据。
该步骤具体为：根据《煤矿防治水规定》进行探放水工程，在放水孔施工过程中记录放水孔仰角(即放水孔与水平面的夹角)、放水孔半径、出水点位置和终孔位置、终孔垂深；施工完毕后放水孔底端安装有流量表和压力表，流量表和压力表实时监测放水孔流量与压力的变化；记录放水孔水位下降量、放水的时间、水头高度、区段放水面长度、引用半径等参数。
S2.根据各个放水孔流量的大小，将首采面顶板充水含水层划分为不同富水区段。
该步骤具体为：根据各个放水孔出水量的大小，采用按照《煤矿防治水规定》将工作面划分为不同富水区段，获得区段放水面长度。
S3.计算各个区段的含水层厚度和渗透系数。
该步骤具体为：根据区段放水面长度和放水孔仰角计算出各个区段的含水层厚度，根据放水孔流量、放水孔的含水层厚度、放水孔水位下降量、影响半径和放水孔半径计算出各个区段的放水孔的渗透系数，具体如下：首先按如下公式统计不同富水区段内各个放水孔的含水层厚度和放水孔的渗透系数，然后对不同富水区段内不同放水孔分别求取含水层厚度和渗透系数的平均值，求得该区段内的放水孔含水层厚度和渗透系数的平均值后，利用该含水层厚度平均值和放水孔的渗透系数平均值计算该区段的涌水量。
放水孔含水层厚度为：
M＝L×sinα
式中：M为放水孔含水层厚度(m)；L为区段放水面长度(m)；α为放水孔仰角(°)。
放水孔的渗透系数为：
式中：K为放水孔的渗透系数(m/d)；Q为放水孔涌水量(m3/h)；M为含水层厚度(m)；S为放水孔水位下降量(m)；R0为影响半径(m)；r为放水孔半径(m)。
S4.根据步骤S3反演出的水文地质参数，采取＂集水廊道法＂对步骤S2划分出的不同富水区段进行涌水量预测。
该步骤具体为：采用如下计算公式分段进行涌水量预测：
式中：Q涌为涌水量(m3/h)；L为区段放水面长度(m)；
为放水孔的渗透系数(m/d)；H为水头高度(m)；
为放水孔含水层厚度(m)；R0为影响半径(m)；r0为引用半径(m)；
为放水孔水位下降量(m)。
为了能够更好地反映整个工作面的涌水量变化情况，上述方法还包括如下步骤：S5.工作面的涌水量为各个区段涌水量之和。
考虑到较短的工作面采用现有技术的预测方法与采用本发明的预测方法所得的涌水量结果相差不大，但是，对于长度大于或等于800m、宽度大于或等于800m的工作面来说，两者的预测精度会相差非常大。
同样地，考虑到实际应用和煤矿工作的安全性，工作面的长度和宽度不易过大，工作面的长度需要小于或等于7km、宽度小于或等于7km。
为了满足西部煤矿工作面超长、超宽，顶板水文地质条件差异较大，顶板涌水量难以准确预计的问题，本发明提供的煤矿工作面顶板涌水量的预测方法将其工作面按照水流量的大小分为各个区段，对每个放水段施工打孔，通过分别求取每个放水孔的含水层厚度和渗透系数，获得该区段的平均含水层厚度和平均渗透系数，利用该区段的平均含水层厚度和平均渗透系数，求取该区段的涌水量。利用同样的方法求取其它区段的涌水量，最后，通过对各个区段涌水量求和，求得整个煤矿工作面的涌水量。通过我们预测的该工作面的涌水量，可以为排水系统的设计和施工方案提供科学依据，有效的防止了煤矿开采水害的发生，保证了煤矿的安全开采。
实施例1
下面选择某个煤矿对本发明的技术方案作出详细说明。
如图2所示，某煤矿首采面201工作面宽度330m，走向长度830m，前后共施工48个放水孔，胶带顺槽1施工16个，回风顺槽2施工32个。在放水孔施工过程中记录放水孔的仰角即放水孔与水平面的夹角、出水点位置和终孔位置。施工完毕后放水孔底端安装有流量表和压力表，实时监测水量表与压力表的变化以及放水的时间等。
参照说明附图3，根据各个放水孔的出水量大小，将首采面顶板充水含水层划分为四个不同富水区段，分别为区段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；其中，
区段Ⅰ：从切眼开始至50m处，区段Ⅰ涌水量Q一般在30m3/h～40m3/h，累计放水量最大，说明该区段富水强。
区段Ⅱ：距切眼50m～170m，该区靠近回风巷道一侧(即说明书附图3下侧)，区段Ⅱ涌水量Q一般在10m3/h～20m3/h；靠近胶运巷道一侧Q偏大，约30m3/h，与区段Ⅰ的涌水量相近；区段Ⅱ整体富水相对中等。
区段Ⅲ：距切眼170m～450m，区段Ⅲ涌水量Q在35m3/h～55m3/h，是首采工作面另一个强富水区，与区段Ⅰ相近)。
区段Ⅳ：距切眼450m至830m即停采线，区段Ⅳ涌水量Q在5m3/h～15m3/h之间不等，个别孔甚至出现无水现象，该区段富水性相对较弱，为一般富水区。
按如下公式，根据各区段放水孔的放水资料中出水位置进行计算，各放水钻孔资料见表1。
M＝L×sinα
式中：M为放水孔含水层厚度(m)；L为区段放水面长度(m)；α为放水孔仰角(°)。
表1各放水孔监测资料
将各区段内若干探放水孔的Q、S值代入下述公式，利用迭代法可计算出对应的各区段直接充水含水层渗透系数K，计算结果见表2。
放水孔的渗透系数为：
式中：K为渗透系数(m/d)；Q为放水孔涌水量(m3/h)；M为放水孔含水层厚度(m)；S为放水孔水位下降量(m)；R0为影响半径(m)；r为放水孔半径(m)。
表2各区段含水层渗透系数计算结果
采用如下计算公式分段进行涌水量预测：
式中：Q涌为涌水量(m3/h)；L为放水面长度(m)；K为渗透系数(m/d)；H为水头高度(m)；M为含水层厚度(m)；R0为影响半径(m)；r0为引用半径(m)；S为放水孔水位下降量(m)。
区段Ⅰ是采空区四侧补给，区段Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ是工作面三侧补给，工作面总涌水量是四个区段涌水量累计和。
区段Ⅰ：b＝50m，a＝330，b/a＝0.15，n＝1.090，
区段Ⅱ：b＝120，a＝330，b/a＝0.36，n＝1.136，
区段Ⅲ：b＝280，a＝330，b/a＝0.848，n＝1.18，
区段Ⅳ:b＝380，a＝330，b/a＝1.152，n＝1.18，
Q总＝Q1+Q2+Q3+Q4＝465.3m3/h
在以上计算公式中，Q涌为区段涌水量(m3/h)；L为放水面长度(m)；K为渗透系数(m/d)；H为水头高度(m)；M为含水层厚度(m)；R0为影响半径(m)；r0为引用半径(m)；S为放水孔水位下降量(m)。a为区段放水面宽度，b为区段长度，n为概化系数。
工作面分段涌水量预计结果见表3，预计工作面回采结束后，正常涌水量为465.3m3/h。根据矿井实际涌水量数据，绘制涌水量预计值和实际涌水量的对比情况见说明书附图4，预测值与实际值吻合度几乎相同。预计涌水量预计值和实际涌水量的对比情况证明了本发明提出的煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法的准确性和可靠性，运用本发明提供的涌水量预计方法，能够满足我国西部地区的侏罗系煤层的涌水量的预计工作。
表3开采过程中涌水量分段预计计算结果
综上所述，本发明通过针对西部超长和顶板水文地质条件差异大的工作面，前期进行探放水工程，对工作面顶板富水性进行分区段，根据放水监测资料反推的水文地质参数，采用解析法进行工作面分区段顶板涌水量预测，进而达到精准预计工作面顶板涌水量的目的，为矿井防排水系统设计提供了理论依据，保证煤炭的安全开采。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.进行工作面探放水工程，获得放水监测资料；
步骤S1中，所述进行工作面探放水工程，获得放水监测资料过程为：进行探放水工程，在放水孔施工过程中记录放水孔仰角、放水孔半径、出水点位置和终孔位置、终孔垂深；放水孔施工完毕后放水孔底端安装有流量表和压力表，实时监测放水孔流量与压力的变化，记录放水孔水位下降量、放水的时间、水头高度、区段放水面长度、影响半径、引用半径；
S2.根据各个放水孔出水量的大小，将工作面顶板充水含水层划分为不同富水区段；
S3.计算各个区段的含水层厚度和渗透系数；
S3步骤中，所述计算各个区段的含水层厚度和渗透系数的过程为：根据区段的区段放水面长度和放水孔仰角计算出各个区段的含水层厚度，根据放水孔流量、放水孔的含水层厚度、放水孔水位下降量、影响半径和放水孔半径计算出各个区段的放水孔的渗透系数；根据不同富水区段内不同放水孔分别求取含水层厚度和渗透系数，计算每一区段内的放水孔含水层厚度的平均值和渗透系数的平均值，利用求得的平均值计算该区段的涌水量；
放水孔含水层厚度的计算公式为：
M＝L×sinα
式中：M为放水孔含水层厚度，单位为m；L为区段放水面长度，单位为m；α为放水孔仰角，单位为°；
放水孔的渗透系数计算公式为：
式中：K为放水孔的渗透系数，m/d；Q为放水孔涌水量，m3/h；M为放水孔放水层厚度，m；S为放水孔水位下降量，m；R0为影响半径，m；r为放水孔半径，m；
S4.根据步骤S3计算出的各个区段的含水层厚度和渗透系数，对步骤S2划分出的不同富水区段进行涌水量预测；
在步骤S4中，采用集水廊道法对步骤S2划分出的不同富水区段进行涌水量预测；
所述集水廊道法的计算公式如下：
式中：Q涌为放水孔涌水量，m3/h；L为放水面长度，m；K为渗透系数，m/d；H为水头高度，m；M为放水孔含水层厚度，m；R0为影响半径，m；r0为引用半径，m；S为放水孔水位下降量，m；
S5.将工作面顶板充水含水层划分为四个富水区段；四个富水区段分别为区段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；通过累加各区段的涌水量，可得出整个工作面的涌水量，其计算公式如下：
Q涌工作面＝Q涌Ⅰ+QⅡ涌+QⅢ涌+QⅣ涌
Q涌工作面为整个工作面的涌水量，m3/h；Q涌I为区段I的涌水量，m3/h；QII涌为区段II的涌水量，m3/h；QIII涌为区段III的涌水量，m3/h；QIV涌为区段IV的涌水量，m3/h；
所述预测方法的适用煤矿工作面的长度为700m～7000m。
2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于：所述预测方法的适用煤矿工作面宽度为700m～7000m。
3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于：所述的煤矿工作面顶板过程涌水量的预测方法适用于侏罗系煤层。
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