CN110489928A - 浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法及系统 - Google Patents

浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法及系统，划分矿区基本单元，提取各基本单元的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度和煤层埋深；划分矿区地层中既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域；对仅有基岩区域进行导水裂隙带发育高度的预估，得到第一预计结果；在既有土层又有基岩区域中，判断导水裂隙带发育高度顶界面所处地层；当导水裂隙带高度贯穿基岩进入土层时，统计此种情况的导水裂隙带高度数据，拟合导水裂隙带发育高度抑制/促进系数与土基比关系，确定出导水裂隙带贯穿基岩进入土层的厚度，进而计算导水裂隙带发育高度，得到第二预计结果；综合第一和第二预计结果，确定浅埋煤层矿区的导水裂隙带发育高度。

Description

浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法及系统
技术领域
本公开属于矿井防治突水领域，具体涉及一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
浅埋煤层矿区煤炭资源丰富，大规模的煤炭开采及消费在带来巨大经济利益的同时,破坏了地下水系统和生态景观格局等生态环境，导致水资源短缺、生物多样性减少、景观格局破碎化等生态环境恶化。生态环境的变化与煤炭开采形成的导水裂隙带发育高度息息相关，因此，准确预计导水裂隙带的发育高度，对浅埋煤层矿区所在地区环境问题的改善和经济的可持续发展具有重要的意义。
目前煤层开采导水裂隙带发育高度预计，主要研究导水裂隙带在基岩中的发育，很少涉及到考虑土层效应下导水裂隙带发育高度，同时部分矿区煤层埋藏较浅，且导水裂隙带易贯穿基岩进入土层。如果忽略土层在导水裂隙带发育高度中的作用，导水裂隙带发育高度的预计将会产生较大误差，进而造成不准确的矿井涌水量预计，甚至诱发矿井涌突水灾害。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法及系统，本公开能够解决导水裂隙带贯穿基岩进入土层时的发育规律问题，为矿井防治水决策和矿区生态环境保护提供理论参考依据。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法，包括以下步骤：
对浅埋煤层矿区的地质条件进行钻孔勘探，获取钻孔中的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度以及煤层埋深参数；
划分矿区基本单元，提取各基本单元的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度和煤层埋深；
划分矿区地层中既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域；
对仅有基岩区域进行导水裂隙带发育高度的预估，得到第一预计结果；
在既有土层又有基岩区域中，判断导水裂隙带发育高度顶界面所处地层；
当导水裂隙带高度贯穿基岩进入土层时，统计此种情况的导水裂隙带高度数据，拟合导水裂隙带发育高度抑制/促进系数与土基比关系，确定出导水裂隙带贯穿基岩进入土层的厚度，进而计算导水裂隙带发育高度，得到第二预计结果；
综合第一和第二预计结果，确定浅埋煤层矿区的导水裂隙带发育高度。
作为可选择的实施方式，基于ArcGIS中的正方形规则网格生成方法划分矿区基本单元。
作为可选择的实施方式，所述划分矿区地层中既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域过程为：基于ArcGIS空间分析，连接各个基本单元中土层厚度为零的点，划分出既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域。
作为可选择的实施方式，第一预计结果与煤层采厚和煤层埋深相关。
作为可选择的实施方式，所述在既有土层又有基岩区域中，判断导水裂隙带发育高度顶界面所处地层，步骤如下：
1)假定导水裂隙带均发育在基岩中，预计导水裂隙带发育高度；
2)与矿区中提取的基岩厚度作比较：如果第一预计结果大于基岩厚度，则认为导水裂隙带发育高度进入土层；如果第一预计结果小于基岩厚度，则认为导水裂隙带发育至基岩中，从而辨识出导水裂隙带发育高度的顶界面所处地层。
作为可选择的实施方式，导水裂隙带发育高度抑制/促进系数为：导水裂隙带发育高度抑制/促进系数为全基岩导水裂隙带发育高度预计值与导水裂隙带发育高度实测值/模拟值的比值和1之间的差值的绝对值。
作为可选择的实施方式，将第一和第二预计的导水裂隙带发育高度区域基于ArcGIS空间分析在矿区中拼接结合，形成浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度。
一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计系统，包括：
划分模块，被配置为划分矿区基本单元，提取各基本单元的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度和煤层埋深；划分矿区地层中既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域；
第一预估模块，被配置为对仅有基岩区域进行导水裂隙带发育高度的预估，得到第一预计结果；
判断模块，被配置为在既有土层又有基岩区域中，判断导水裂隙带发育高度顶界面所处地层；
第二预估模块，被配置为当导水裂隙带高度贯穿基岩进入土层时，统计此种情况的导水裂隙带高度数据，拟合导水裂隙带发育高度抑制/促进系数与土基比关系，确定出导水裂隙带贯穿基岩进入土层的厚度，进而计算导水裂隙带发育高度，得到第二预计结果；
综合计算模块，被配置为综合第一和第二预计结果，确定浅埋煤层矿区的导水裂隙带发育高度。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法中的全部或部分步骤。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法中的全部或部分步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开通过对浅埋煤层矿区的地质条件进行钻孔勘探，获取钻孔中的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度、煤层埋深等参数；通过基于ArcGIS中的正方形规则网格生成方法划分矿区基本单元，提取各基本单元的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度和煤层埋深；划分矿区地层中既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域；预计仅有基岩区域中的导水裂隙带发育高度；在既有土层又有基岩区域，判断导水裂隙带发育高度顶界面所处地层；当导水裂隙带高度贯穿基岩进入土层时，统计此种情况的导水裂隙带高度数据，提出考虑土层厚度与基岩厚度比值(土基比)效应的导水裂隙带发育高度预计方法；最后综合确定浅埋煤层矿区的导水裂隙带发育高度。该方法依据明确，实施简单易行，能够有效提高中国西部浅埋煤层矿区开采导水裂缝带发育高度的预测精度，为矿井防治水决策提供理论参考。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本实施例的预测过程流程图；
图2是本实施例的榆神府矿区的导水裂隙带发育高度。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
一种考虑土层效应的浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法：
S1.对浅埋煤层矿区的地质条件进行钻孔勘探，获取钻孔中的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度、煤层埋深等参数。
S2.基于ArcGIS中的正方形规则网格生成方法划分矿区基本单元，提取各基本单元的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度和煤层埋深。
S3.划分矿区地层中既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域。其过程为：基于ArcGIS空间分析，连接各个基本单元中土层厚度为零的点，划分出既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域。
S4.预计仅有基岩区域中的导水裂隙带发育高度，其高度计算公式如下：
HJ＝77.109M0.414+0.075H-44.759 (1)
式中，HJ为导水裂隙带发育高度，m；M为煤层采厚，m；H为煤层埋深，m。
S5.在既有土层又有基岩区域中，判断导水裂隙带发育高度顶界面所处地层，步骤如下：
S51.假定导水裂隙带均发育在基岩中，采用式(1)预计导水裂隙带发育高度；
S52.与矿区中提取的基岩厚度作比较：如果基于式(1)预计的导水裂隙带发育高度大于基岩厚度，则认为导水裂隙带发育高度进入土层；如果基于式(1)预计导水裂隙带发育高度小于基岩厚度，则认为导水裂隙带发育至基岩中，从而辨识出导水裂隙带发育高度的顶界面所处地层。
S6.当导水裂隙带高度贯穿基岩进入土层时，统计此种情况的导水裂隙带高度数据，提出考虑土层厚度与基岩厚度比值(土基比)效应的导水裂隙带发育高度预计方法，步骤如下：
S61.根据工程实践经验，导水裂隙带发育高度受到不同土基比条件下的抑制或促进作用，为此，提出导水裂隙带发育高度抑制(促进)系数，定义为：
S62.统计导水裂隙带贯穿基岩进入土层的厚度以及土基比的数据，拟合导水裂隙带发育高度抑制(促进)系数与土基比关系：当土基比≤0.5时，导水裂隙带发育高度抑制系数与土基比关系如下：
yy＝0.0556*ln(x)+0.1734 (3)
式中，yy为导水裂隙带发育高度抑制系数；x为土基比。
当土基比>0.5时，导水裂隙带发育高度促进系数与土基比关系如下：
yc＝0.2313*x-2.248 (4)
式中，yc为导水裂隙带发育高度促进系数；x为土基比。
S63.根据导水裂隙带发育高度抑制(促进)系数与土基比关系，确定出导水裂隙带贯穿基岩进入土层的厚度，进而计算导水裂隙带发育高度。
S7.综合确定浅埋煤层矿区的导水裂隙带发育高度。
得到的浅埋煤层矿区的导水裂隙带发育高度估计值，在实际工程中的应用包括：(1)准确预计矿井涌水量：一般的，导水裂隙带发育高度越大，矿井涌水量越大；(2)保证不发生矿井涌突水的情况，提高开采上限；(3)不同的导水裂隙带发育高度对潜水影响程度不同，进而影响地表的植被生态环境。
为使本实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本实施例作进一步详细的说明。
实施例一
榆神府矿区位于陕西省榆林榆阳区，靠近于毛乌素沙漠的东南部，地势西高东低。矿区处于干旱-半干旱区域，属于大陆性季风气候，蒸发量约为降雨量的6倍。矿区煤层厚度较大，一般大于4m，最大厚度可达12m；煤层埋深从东向西逐渐增大，尤其对于矿区的中东部，埋深一般小于300m，属于浅埋煤层矿区。
根据一种考虑土层效应的浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法的步骤，计算榆神府矿区的导水裂隙带发育高度(图2)。此外，选取不同的实测工作面，验证了该方法的准确性。
事实证明，该方法不仅具有良好的实用性，还依据明确，实施简单易行，能够有效提高中国西部浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法精度，为矿井防治水决策提供理论参考。
还提供以下的产品实施例：
一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计系统，包括：
划分模块，被配置为划分矿区基本单元，提取各基本单元的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度和煤层埋深；划分矿区地层中既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域；
第一预估模块，被配置为对仅有基岩区域进行导水裂隙带发育高度的预估，得到第一预计结果；
判断模块，被配置为在既有土层又有基岩区域中，判断导水裂隙带发育高度顶界面所处地层；
第二预估模块，被配置为当导水裂隙带高度贯穿基岩进入土层时，统计此种情况的导水裂隙带高度数据，拟合导水裂隙带发育高度抑制/促进系数与土基比关系，确定出导水裂隙带贯穿基岩进入土层的厚度，进而计算导水裂隙带发育高度，得到第二预计结果；
综合计算模块，被配置为综合第一和第二预计结果，确定浅埋煤层矿区的导水裂隙带发育高度。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法中的全部或部分步骤。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法中的全部或部分步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法，其特征是：包括以下步骤：
网格划分浅埋煤层矿区基本单元，提取各基本单元的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度和煤层埋深；
划分矿区地层中既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域；
对仅有基岩区域进行导水裂隙带发育高度的预估，得到第一预计结果；
在既有土层又有基岩区域中，判断导水裂隙带发育高度顶界面所处地层；
当导水裂隙带高度贯穿基岩进入土层时，统计此种情况的导水裂隙带高度数据，拟合导水裂隙带发育高度抑制/促进系数与土基比关系，确定出导水裂隙带贯穿基岩进入土层的厚度，进而计算导水裂隙带发育高度，得到第二预计结果；
综合第一和第二预计结果，确定浅埋煤层矿区的导水裂隙带发育高度。
2.如权利要求1所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法，其特征是：基于ArcGIS中的正方形规则网格生成方法划分矿区基本单元。
3.如权利要求1所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法，其特征是：所述划分矿区地层中既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域过程为：基于ArcGIS空间分析，连接各个基本单元中土层厚度为零的点，划分出既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域。
4.如权利要求1所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法，其特征是：第一预计结果与煤层采厚和煤层埋深相关。
5.如权利要求1所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法，其特征是：所述在既有土层又有基岩区域中，判断导水裂隙带发育高度顶界面所处地层，过程如下：
1)假定导水裂隙带均发育在基岩中，预计导水裂隙带发育高度；
2)与矿区中提取的基岩厚度作比较：如果第一预计结果大于基岩厚度，则认为导水裂隙带发育高度进入土层；如果第一预计结果小于基岩厚度，则认为导水裂隙带发育至基岩中，从而辨识出导水裂隙带发育高度的顶界面所处地层。
6.如权利要求1所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法，其特征是：导水裂隙带发育高度抑制/促进系数为：导水裂隙带发育高度抑制/促进系数为全基岩导水裂隙带发育高度预计值与导水裂隙带发育高度实测值/模拟值的比值和1之间的差值的绝对值。
7.如权利要求1所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法，其特征是：提前对浅埋煤层矿区的地质条件进行钻孔勘探，获取钻孔中的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度以及煤层埋深参数。
8.一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计系统，其特征是：包括：
划分模块，被配置为划分矿区基本单元，提取各基本单元的煤层厚度、基岩厚度、土层厚度和煤层埋深；划分矿区地层中既有土层又有基岩的区域与仅有基岩的区域；
第一预估模块，被配置为对仅有基岩区域进行导水裂隙带发育高度的预估，得到第一预计结果；
判断模块，被配置为在既有土层又有基岩区域中，判断导水裂隙带发育高度顶界面所处地层；
第二预估模块，被配置为当导水裂隙带高度贯穿基岩进入土层时，统计此种情况的导水裂隙带高度数据，拟合导水裂隙带发育高度抑制/促进系数与土基比关系，确定出导水裂隙带贯穿基岩进入土层的厚度，进而计算导水裂隙带发育高度，得到第二预计结果；
综合计算模块，被配置为综合第一和第二预计结果，确定浅埋煤层矿区的导水裂隙带发育高度。
9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法中的全部或部分步骤。
10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种浅埋煤层矿区导水裂隙带发育高度预计方法中的全部或部分步骤。
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