CN109917463A - 基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系，其包括：收集工作面注浆钻孔3类工程信息，建立注浆钻孔施工的动态信息库；提出在采动影响基本相同的条件下，工作面突水主要受底板注浆条件和注浆加固效果的2类影响；分析注浆加固工作面7个底板突水影响因子，确定每个影响因子的等级划分标准、效果评价标准，并归纳影响因子的8种解析图形；根据注浆过程与注浆结束2个阶段，工作面内严重危险区钻孔的涌水量、水压及注浆量随施工顺序的变化关系，提出“三参量”评价方法，对工作面注浆效果进行定性评价。本发明为后续采用模糊数学等其他方法，评价提供了影响因子的指导，为认识注浆加固工作面防治水机理，评价突水危险性提供了新研究方式和评价方法。

Description

基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系

技术领域

本发明涉及矿业工程领域，尤其涉及一种基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系。

背景技术

底板突水是我国煤矿矿井水害的主要形式之一，尤其是在华北煤田，底板突水导致的矿井水害问题十分突出，55％以上的矿井由于受底板承压水威胁造成大量煤炭资源开采受限。因此近年来底板注浆加固及含水层改造技术(简称“注浆加固技术”)作为承压水体上煤层开采底板突水防治的有效措施，已在许多煤矿进行实践，成功应用于煤层底板承压含水层加固改造，有效封堵隔水层导水裂隙通道，从而防止底板突水。但部分工作面在注浆加固后仍会有突水危险，以焦作矿区为例，从2006年起共有8个已进行注浆加固的工作面发生突水事故，严重影响矿井安全生产，损害煤炭开采的安全与经济效益。

现有的研究成果大多是针对工作面底板突水机理及评价方法的研究。在底板突水机理分析方面，底板突水的关键层“KS”理论；脆弱性指数法；原位张裂与零位破坏理论以及下三带理论等众多学说对承压水体上采煤起到了重要的推动作用。在底板突水危险评价方面，同样有着众多研究成果，例如，五图双系数法、隔水层承受水头压力比值系数法以及安全隔水层厚度评价法等。但是底板突水危险方面的研究成果一般是针对非注浆改造工作面进行的，注浆加固后底板岩体结构与类型发生改变，相较于未注浆改造的工作面，鲜有煤层底板注浆加固工作面的突水因素的研究及突水危险性评价。文献《焦作矿区煤层底板注浆加固工作面突水原因与防治》(煤田地质与勘探，2014，42(04)：50-54)综合分析焦作矿区注浆加固工作面突水事故，对易突水区域进行划分，提出底板水害防治措施；文献《注浆加固工作面底板突水“孔隙-裂隙升降型”力学模型》(中国矿业大学学报，2014，43(01)：49-55)根据底板岩体裂隙发育程度，对注浆加固工作面底板岩体类型分级，概化底板岩体四种类型，构建了“孔隙-裂隙升降型”力学模型，但这些理论忽视注浆钻孔工程信息，未考虑水量水压注浆量三者之间的关系，在实际工程运用中有所局限性，缺乏系统的研究。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系。统计分析注浆改造前后底板注浆钻孔工程信息，建立底板突水危险性评价体系，可以为认识注浆加固工作面防治水机理，评价突水危险性提供了新研究方式和评价方法，并且，本发明的方法补充和完善了我国注浆加固工作面底板防治水的理论，具有很高的实用价值。

为实现本发明的上述目的，本发明提供一种基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系，简称“27831”底板突水危险性评价体系，涉及2种影响类型、7个影响因子、8种解析图形、3个影响参量及1种评价方法，其包括：

(1)注浆钻孔信息库的建立

建立注浆钻孔信息库，收集注浆钻孔工程信息。钻孔工程信息主要包括3类信息。第一类钻孔施工参量信息：钻孔的位置、施工时间、钻孔深度、方位角、倾角、涌水量、水压、注浆量、注浆次序等参量；第二类资料信息，包括：注浆钻孔平面布置图、剖面图、注浆钻孔工程统计表以及断层区域地质信息表等；第三类工作面出水案例，包括：工作面、突水点位置、突水量、突水过程、治理工程及注浆加固效果等。

(2)归纳注浆加固工作面底板突水影响因子

针对注浆加固工作面底板突水影响因子，在采动影响基本相同的条件下，将其分为底板注浆条件和注浆加固效果的2类。

统计分析注浆改造前后底板钻孔信息与水文地质信息的变化量，归纳7种影响因子，绘制各自的因子解析图形，从而评估底板突水危险程度。以下前4种影响因子属注浆条件类，后3种属注浆加固类。

其中，对钻孔涌水量分级，划分底板突水危险区域，形成工作面突水危险区因子。在工作面采掘工程平面图上进行突水危险区划分，绘制因子解析图。底板突水危险区域划分原则如下：

借鉴矿区钻孔涌水量划分标准，钻孔涌水量Q(m³/h)分为以下三级：

小涌水量——Q＜10m³/h

中涌水量——10m³/h≤Q≤30m³/h

大涌水量——Q＞30m³/h

参考工程经验规定：

当Q＞30m³/h时，以出水点为中心，沿工作面推进方向前后15m划为严重危险区；

当10m³/h≤Q≤30m³/h时，以出水点为中心，沿工作面推进方向前后10m为中等危险区；

当Q＜10m³/h时，以出水点为中心，沿工作面推进方向前后5m为弱危险区。

若在工作面推进方向上相同区域同时出现Q＞30m³/h、10m³/h≤Q≤30m³/h和Q＜10m³/h中的两种或三种情况时，以最大涌水量来确定危险区范围。

若工作面严重危险区比例越高，则确定工作面突水的危险性越大。

其中，通过注浆钻孔的涌水量、出水水压和断层带的关系，可以基本判断突水水源，形成沿工作面走向注浆钻孔“水量—水压”动态显示因子，从工作面开切眼到停采线选择涌水量大的典型的钻孔，绘制因子解析图形。钻孔揭露水压分级标准如下：

低水压——钻孔水压<L₈含水层水压；

中水压——L₈含水层水压≤钻孔水压≤L₂含水层水压；

高水压——钻孔水压>L₂含水层水压。

若钻孔涌水量越大，则水压越大，两者呈现正相关关系，若涌水量大的钻孔多位于断层破碎带，则确定严重危险区和中等危险区位于断层破碎带，断层带需重点关注。

其中，探究钻孔出水点、涌水量与各底板含水层的位置关系，形成工作面底板富水性因子，根据工作面钻孔终孔深度、出水点和涌水量在不同垂深的分布，绘制1组3种因子解析图形。底板富水性分布类型如下：

B型分布：L₈与L₂含水层之间有大量出水点且涌水量大，表明底板富水性好，危险大；

H型分布：L₈和L₂含水层有集中的出水点且涌水量较大；L₈与L₂含水层之间有出水点，表明底板富水性较好，危险较大；

U型分布：在L₈和L₂含水层有集中的出水点和涌水量；L₈与L₂含水层之间无出水点，表明L₈和L₂含水层富水性较好，两者水力联系弱，危险中等；

L型分布：在L₈和L₂含水层有集中的出水点和涌水量；L₈含水层以下无出水点，表明L₈含水层富水性较强。由于对L₂含水层进行了大量的注浆，并且可以便利探测注浆效果，因此工作面充水可能性较低，危险较弱；

J型分布：在L₂含水层有集中的出水点和涌水量；L₈与L₂含水层之间无出水点，表明L₂含水层富水性较强，但和L₈含水层水力联系弱，一般情况下危险弱。

结合3种解析图形的形状确定底板富水性分布类型，若底板分布类型为B型或H型，则工作面危险性较大，注浆时需重点关注。

其中，按照上述底板富水性分布划分类型标准，对各工作面严重危险区底板富水性进行划分，形成工作面严重危险区底板富水性因子，结合工作面底板突水危险区分布图例，绘制各危险区钻孔终孔深度、出水点和涌水量这1组3种因子解析图形。

结合3种解析图形的形状确定严重危险区底板富水性分布类型，若其底板分布类型为B型或H型，则工作面严重危险区危险性较大，需重点关注。

其中，由于断层的影响区域内，岩体裂隙发育，突水的危险性增强，故在注浆区域内平行断层倾向，将断层两侧15m划定为断层影响带，其余区域为正常带，形成工作面正常带与断层带注浆量差异因子，根据注浆区域划分方式，在工作面采掘工程平面图上增加断层带和正常带的划分和显示，绘制因子解析图形。

若正常带单位面积注浆量不小于0.1t/m²，则说明工作面底板垂向导水性好，突水危险性大；

其中，对比底板注浆改造过程中，累计注浆量与水压的特征，形成注浆钻孔水压与累计注浆量叠加因子，绘制因子解析图形。

若累计注浆量随钻孔施工时间呈先上升后稳定的规律，则表明注浆效果好，底板富水性降低；注浆过程中，由于受多孔注浆影响，部分水压波动较大。

其中，根据注浆过程中工作面内严重危险区钻孔的涌水量、水压及注浆量随施工顺序的变化关系，形成注浆钻孔水压、涌水量及注浆量次序变化因子，绘制因子解析图形。对进行“三参量”评价具有指导意义。

(3)“三参量”评价方法

按各严重危险区的注浆过程和注浆结束2个阶段，按照注浆“三参量”，以水压、最大涌水量及注浆量的顺序进行评价，然后对总体注浆效果进行评价。每个参量划分为高、中和低3个等级，具体分级标准参见表1。

工作面严重危险区注浆“三参量”效果评价标准如下：

注浆效果评价分为好、中等、差3个等级。

若涌水量不大于注浆量，则确定注浆效果好，反之则确定注浆效果差。例如注浆时揭露“高水压、高涌水量、高注浆量”(简称高高高)的钻孔，表明含水层局部密闭性增强，，注浆效果好；当注浆过程中出现“低水压、低涌水量、低注浆量”时，表明注浆材料充填裂隙区域，裂隙得到有效封堵，注浆效果好。

若在注浆过程或注浆结束阶段揭露注浆效果评价差的钻孔，则确定总体注浆效果为差；若在注浆过程和注浆结束阶段同时出现注浆效果为好和中等的情况，则确定总体注浆效果为差。

具体评价标准及部分评价组合类型参见表2。

表1钻孔中等水压、涌水量和注浆量划分标准

表2工作面严重危险区注浆“三参量”效果评价标准

与现有技术相比，本发明的基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系具有如下优点：

综上所述，本发明提出的基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系，针对现有注浆加固工作面研究成果的不足，统计分析注浆钻孔工程信息，归纳了7个影响因子，提出了每个影响因子的等级划分标准、效果评价标准，并绘制了影响因子的8种解析图形，并提出了注浆钻孔的水量、水压、注浆量的动态“三参量”评价方法，形成一套完整的注浆加固工作面底板突水危险性评价体系，为后续采用模糊数学等其他方法，评价提供了影响因子的指导，为认识注浆加固工作面防治水机理，评价突水危险性提供了新研究方式和评价方法。同时，本发明的方法补充和完善了我国注浆加固工作面底板防治水的理论，对于有相似地质条件的矿区具有很高的借鉴意义。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系的流程图；

图2是案例工作面底板危险区分布图例(解析图形1)；

图3是案例工作面沿走向水量-水压关系图例(解析图形2)；

图4是案例工作面底板富水性分布一组图例(解析图形3-5)；

图5是案例工作面Ⅱ严重危险区底板富水性分布一组图例(解析图形3-5)；

图6是案例工作面注浆区域断层带和正常带划分图例(解析图形6)；

图7是案例工作面水压-累计注浆量关系图例(解析图形7)；

图8是案例工作面Ⅱ严重危险区注浆“三参量”变化特征图例(解析图形8)；

具体实施方式

现有部分工作面在注浆加固改造煤层底板后仍然发生突水事故，与此同时，相比于未进行改造的底板，如何认识注浆加固工作面的防治水机理，如何评价突水危险性，这方面缺乏系统的研究。

而本发明的发明人就是在总结焦作矿区注浆加固工作面突水事例的基础上，考虑注浆钻孔的工程信息，提出一种新的注浆加固工作面底板突水危险性评价体系。已建立焦作矿区注浆钻孔信息库，涉及赵固一矿、赵固二矿、九里山矿、古汉山矿和演马庄矿共5个主要生产矿井，13个典型工作面，共计2245个工作面底板注浆钻孔。

如图1所示，为本发明提供的基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系的流程图。

以下结合焦作矿区九里山矿14141工作面为具体实例对本发明做详细说明，但本发明并不仅限于以下举例。

以九里山矿14141工作面为例，对本发明的具体实施方法进行说明。其中，九里山矿14141工作面地质构造为中等复杂程度，在煤巷掘进期间揭露7条正断层，落差在0.5～2.0m。工作面底板直接充水含水层为L₈灰岩含水层，厚度约7.5m，水压在1.5MPa左右，与二1煤底板之间隔水层平均厚度为21.5m。间接充水含水层为L₂灰岩含水层，平均厚度约12m，水压在2.5MPa左右，与二1煤底板之间隔水层平均厚度为75m。注浆加固范围设计为煤层底板到L₂含水层，注浆钻孔共计171个，钻孔实测最大水压3.3MPa，最大涌水量150m³/h，其余钻孔平均水压1.3MPa，平均涌水量7.38m³/h。。

(1)收集14141工作面注浆钻孔三类工程信息。

(2)归纳14141注浆加固工作面底板突水影响因子

其中，根据底板突水危险区域划分原则，分析14141工作面突水危险区因子，在工作面采掘工程平面图上进行突水危险区划分，形成因子解析图，具体如图2所示。分析结果可见：严重危险区共划分为5个，依次编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，为深阴影区，约占工作面总面积的38.39％，工作面严重危险区面积相比于焦作矿区同类工作面明显偏大，表明该工作面突水的危险性较高。

其中，在14141工作面停采线到开切眼的各类危险区内选择涌水量较大的典型钻孔，依据钻孔揭露水压分级标准，研究钻孔涌水量、水压以及断层带的关系，分析沿工作面走向注浆孔“水量—水压”动态显示因子，绘制因子解析图形，具体如图3所示。分析结果可见，工作面严重危险区出水量大于30m³/h的钻孔共有8个，孔均水压介于L₈含水层水压(1.5MPa)与L₂含水层水压(2.5MPa)之间，此外，严重危险区大涌水量、高水压的钻孔均在断层带影响区域内，为L₂灰水压，表明断层带是底板富水区域，也有重要导水通道。

其中，依据底板富水性分布类型标准，分析14141工作面底板富水性因子，绘制因子解析图形。该因子具有1组3种解析图，包括工作面钻孔终孔深度、出水点和涌水量在不同垂深的分布图例，具体如图4所示。分析结果可见，工作面底板出水点在L₈含水层附近较为集中，随着垂深的增加，涌水量整体明显增大，在L₂含水层附近涌水量达到最大，故将底板的富水性划分为B型分布，危险性大，注浆加固效果需重点关注。

其中，结合工作面突水危险区因子，对各突水危险区进行定向排查，根据底板富水性分布类型标准，分析14141工作面严重危险区底板富水性因子，绘制1组3种因子解析图，具体如图5所示。以该工作面Ⅱ危险区为例，分析结果可见，底板出水点多集中在L₈含水层附近，涌水量较集中在L₈和L₂含水层，两含水层间存在水力联系，其底板富水性属H分布的范畴，底板突水危险性较大，安全性低，故注浆加固效果需重点关注。

其中，依据注浆区域断层带和正常带划分方式，分析14141工作面正常带与断层带注浆量差异因子，在工作面采掘工程平面图上增加断层带和正常带的划分和显示，绘制因子解析图，具体如图6所示。分析结果可见，工作面断层影响带总面积34216m²，施工注浆钻孔98个，单位面积注入干料0.40t/m²；工作面正常带总面积46574m²，施工注浆钻孔73个，单位面积注入干料0.03t/m²。结合工作面严重危险区分布图可知，严重危险区都位于工作面断层影响带内。由于断层影响带内底板岩层裂隙发育，致使其单位面积注浆量明显高于工作面正常带，故注浆加固时断层带需重点关注。正常带单位面积注浆量小于0.1t/m²，则工作面整体突水危险性小，实践证明，14141经注浆加固后已安全开采完毕，未发生突水事故。

其中，对比注浆过程中累计注浆量与水压的特征，分析注浆钻孔水压与累计注浆量叠加因子，绘制因子解析图，具体如图7所示。分析结果可见，该工作面注浆分批次进行，随底板注浆加固的持续进行，水压呈下降趋势，累计注浆量先增大随后保持平稳，注浆基本饱和，注浆效果好，底板富水性降低。

其中，根据注浆钻孔水压、钻孔最大涌水量和注浆量这3个参量(以下简称“三参量”)的排列，依据钻孔水压、涌水量和注浆量划分标准，参见表1，分析注浆孔水压、涌水量及注浆量次序变化因子，绘制因子解析图，具体如图8所示。分析结果可见，工作面内严重危险区钻孔的涌水量、水压及注浆量受钻孔施工先后顺序影响较为明显，Ⅱ严重危险区，开始阶段出现低水压、低水量和低注浆量的钻孔；中段揭露高水压、中水量和中注浆量的钻孔，注浆效果好；结束时出现高水压、低水量和低注浆量情况，注浆效果好。

(3)提出“三参量”评价方法

以往焦作矿区注浆加固工程效果的评价指标未考虑钻孔涌水量、水压和注浆量，故综合上述注浆孔水压、涌水量及注浆量次序变化因子，提出三参量评价方法，按各严重危险区的注浆过程和注浆结束2个阶段，按照注浆“三参量”按照水压、涌水量及注浆量的顺序进行评价，然后对总体注浆效果进行评价。以14141工作面Ⅱ严重危险区为例，对其进行评价，具体如图7所示。分析结果可见，在注浆过程出现高水压、中水量和中注浆量情况，注浆效果好；注浆过程中揭露高水压、高水量、高注浆量的钻孔，表明该区域底板富水性强，裂隙发育，有利于浆液扩散，注浆效果好；注浆后水压没有明显下降，注浆量和水量有下降趋势，注浆结束后出现高水压、低水量和低注浆量情况，表明底板内部裂隙得到有效封堵，含水层局部密闭性增加，注浆材料充填裂隙区域，注浆效果好；总体来看该危险区底板岩层完整性增加，注浆效果好，基本达到注浆改造的目的。实践证明，该评价结果与实际相符，14141工作面在底板注浆后未发生突水事故。

根据焦作矿区多个矿井工程实践表明，按照本发明的基于注浆钻孔信息库的注浆加固工作面底板突水危险性评价体系是可行的，并且，为后续采用模糊数学等其他方法评价提供了影响因子的指导，为认识注浆加固工作面防治水机理，评价突水危险性提供了新研究方式和评价方法，具有很高的实用价值。

尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系，简称“27831”底板突水危险性评价体系，涉及2种影响类型、7个影响因子、8种解析图形、3个影响参量及1种评价方法，其包括：

针对注浆加固工作面，建立注浆钻孔施工的动态信息库；

分析7种注浆加固工作面底板突水影响因子，绘制各自的因子解析图形，评估突水危险程度；

按各严重危险区的注浆过程和注浆结束2个阶段，钻孔水压、涌水量及注浆量随施工顺序的变化关系，对注浆效果进行“三参量”评价。

2.根据权利要求1所述，其特征在于建立钻孔信息库，需收集注浆钻孔三类工程信息，包括第一类钻孔施工参量信息：钻孔的位置、施工时间、钻孔深度、方位角、倾角、涌水量、水压、注浆量、注浆次序等参量；第二类资料信息，包括：注浆钻孔平面布置图、剖面图、注浆钻孔工程统计表以及断层区域地质信息表等；第三类工作面出水案例，包括：工作面、突水点位置、突水量、突水过程、治理工程及注浆加固效果等。

3.根据权利要求1所述，其特征在于该体系包括分析7个注浆加固工作面底板突水影响因子。

4.根据权利要求3所述，其特征在于在分析每个影响因子之前，需将影响因子分为底板注浆条件和注浆加固效果的2类。

5.根据权利要求3所述，其特征在于，针对每个影响因子，需确定其各自的等级划分标准、效果评价标准，具体划分包括：

分析工作面危险区因子时，需确定钻孔涌水量划分标准和底板危险区划分原则；分析沿工作面走向注浆钻孔“水量-水压”动态显示因子时，需确定钻孔揭露水压划分标准；分析工作面底板富水性因子和工作面严重危险区底板富水性因子时，需对底板富水性分布类型进行划分；分析工作面正常带与断层带注浆差异因子时，需确定断层带与正常带的划分标准；分析注浆钻孔水压、涌水量及注浆量次序变化因子时，需确定钻孔水压、最大涌水量和注浆量划分标准以及“三参量”效果评价标准。

6.根据权利要求3和5所述，其特征在于，每一个影响因子都有相应的解析图形，其中工作面底板富水性因子和工作面严重危险区底板富水性因子包含1组三种解析图形，其余影响因子各自对应1种解析图形。

7.根据权利要求1所述，其特征在于该评价体系包括1种“三参量”评价方法。

8.根据权利要求7所述，其特征在于，“三参量”评价方法包括如下步骤：

在进行评价前，需确定钻孔水压、最大涌水量和注浆量划分标准以及“三参量”效果评价标准；

分别在各危险区的注浆过程和注浆结束2个阶段，按照注浆“三参量”水压、涌水量及注浆量的顺序进行评价；

对整体注浆效果进行综合评价，从而评估底板注浆效果。