CN110749533A - 一种基于等效隔水层厚度的保水采煤判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于等效隔水层厚度的保水采煤判别方法，具体步骤为：确定覆岩各岩层厚度Mi及覆岩总厚度M；测试采后覆岩各岩层的渗透系数Ki；计算覆岩等效渗透系数Kv；确定含水层水位深度H0及补给量V补给；确定采后含水层水头高度ΔH；计算能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度M等效；将临界等效隔水层厚度M等效与煤层顶板至隔水层所有岩层的总厚度M进行比较，最终判别煤层实现保水开采的可行性。本发明基于开采前后覆岩整体渗透率、漏失量、渗透系数等水理特性参数变化，从岩层隔水性本质上给出了保水采煤可行性的直接判别方法，更加准确、快捷、现场实际应用性强。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，具体涉及一种基于等效隔水层厚度的保水采煤判别方法。
背景技术
近年来，煤炭开采对水资源和生态环境的影响和破坏越来越引起国家层面的高度重视。不当的采矿活动，极易造成覆岩严重破坏、裂隙大尺度发育，进而引起覆岩漏失量增大、浅表水资源流失、河流干涸、土地沙化等严重的生态环境问题。特别是随着国家能源战略的西移，中国西北部地区，如新疆、内蒙、宁夏等，已成为未来国家煤炭生产的主产区。西北矿区一方面煤层埋藏浅、厚度大、层数多，地层成岩年代晚、强度低、胶结性差；另一方面该区域多为干旱半干旱气候，水资源匮乏，生态环境脆弱，地表水和浅层地下水对于矿区生态稳定和人们生产生活至关重要。煤炭开采与生态环境保护之间的矛盾一直是制约西部矿区矿井生产的一大难题。因此，在煤炭开采过程中，考虑对水资源和生态环境的保护问题，实现保水采煤，既符合国家生态环境保护和可持续发展的战略要求，也符合矿井绿色、经济、高效的生产要求。然而，其前提是对矿井能否实现保水采煤进行有效预测和判别。
众所周知，自然界地层中岩层的隔水性和透水性是相对概念。不存在完全隔水的岩层(渗透系数为零)，也不存在完全透水的岩层(渗透系数为无穷大)。保水开采过程中，煤层直接顶至上覆含水层下的所有岩层对于保持含水层水位稳定、减少水资源漏失和实现保水采煤都有一定贡献。特别是对于我国西北矿区的泥质弱胶结地层而言，其多富含蒙脱石、伊利石、高岭土等粘土矿物，具有良好的遇水膨胀泥化特性，能够有效弥合部分采动裂隙，对于岩层保持自身低渗透性具有积极作用。即便是煤层开采以后，受采动影响，覆岩(包括隔水层)渗透性有所增强，但每层岩层仍有一定的阻水能力。因此，在对矿井进行保水采煤可行性评价时，更应该综合考虑隔水层至煤层顶板所有岩层的隔水性，实现对矿井能否达到保水采煤的准确预测和判别。
现有研究主要通过对导水裂隙带高度、有效保护层厚度、隔水层变形量的计算或对某一岩层(含/隔水层)稳定性的监测来实现对保水采煤的判别。如CN101070759A公开了通过计算导水裂隙带高度，并将其与矿井实现保水开采所需的基岩厚度进行对比，进而判断保水采煤的可行性；CN102865078A公开了在计算煤层顶板有效保护层厚度的基础上，进一步计算保水危险系数，并通过对保水危险系数与煤层安全开采临界系数的比较，判断煤层开采的安全性；CN103527248A公开了采用光纤光栅压力传感器和光纤光栅顶板离层仪对隔水层的稳定性进行实时监测，当所受应力接近隔水层承受上限且隔水层与其下方的上覆岩层出现离层时，及时进行预警。CN109253931A提出一种泥质隔水层采动稳定性的判别方法，通过对比采后隔水层的实际压阻比和隔水层发生渗漏破坏的临界压阻比，来判断隔水层是否发生渗漏破坏。上述研究虽然通过对覆岩结构的失稳破坏分析，给出了一些煤层能否实现保水开采的判别方法，但仍存在以下不足：
①现有研究没有从整体覆岩(隔水层至煤层顶板所有岩层)角度出发，更多关注某一岩层的稳定性或隔水性，没有考虑覆岩其他岩层的隔水性和阻水能力；
②主要是基于导水裂隙带高度、有效保护层厚度、隔水层变形量计算等，通过分析覆岩结构的失稳破坏，间接判断覆岩的隔水性，没有从岩层渗透率、漏失量、渗透系数等水理特性角度直接给出保水采煤可行性的判别方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于等效隔水层厚度的保水采煤判别方法，判断直接，准确性高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于等效隔水层厚度的保水采煤判别方法，具体判别步骤是：
(1)确定覆岩各岩层厚度Mi及各岩层的厚度之和M；
(2)测试覆岩各岩层的采后渗透系数Ki；
(3)计算覆岩等效渗透系数Kv：根据步骤(1)得到的各岩层厚度及步骤(2)得到的各岩层采后渗透系数，带入公式计算出等效均质隔水岩层的等效渗透系数Kv；
式中，Kv为等效均质隔水岩层的等效渗透系数，单位m/s；M为各岩层的厚度之和，单位m；Mi为各岩层厚度，单位m；Ki为各岩层的采后渗透系数，单位m/s；
(4)确定含水层水位深度H0及补给量V补给：在得到开采覆岩的等效渗透系数Kv的基础上，通过查阅矿井/区水文及地质资料，确定矿井/区地层含/隔水层数量、位置分布情况，掌握矿井/区浅层地下含水层水位深度H0及含水层在河、泉水补给条件下的水位补给量V补给；
(5)确定采后含水层水头高度ΔH：煤层直接顶下边缘为0水头位置，根据含水层水位深度H0和煤层顶板至隔水层各岩层的厚度之和M，计算采后含水层水头高度ΔH＝H0+M，
式中，ΔH为采后含水层水头高度，单位m；H0为含水层水位深度，单位m；M为各岩层的厚度之和，单位m；
(6)计算能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度M等效：以采后含水层的下渗量V下渗恰等于含水层水位补给量V补给为煤层开采后能够实现保水采煤的临界条件，结合覆岩等效渗透系数Kv，带入公式
计算出煤层采后能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度M等效；
式中，M等效为能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度，单位m；M为各岩层的厚度之和，单位m；Mi为各岩层厚度，单位m；Ki为各岩层的采后渗透系数，单位m/s；ΔH为采后含水层水头高度，单位m；V补给为含水层水位补给量，单位m/s；
(7)判别煤层实现保水开采的可行性：将步骤(6)得到的煤层采后能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度M等效与步骤(1)得到的煤层顶板至隔水层各岩层的厚度之和M进行比较：若
则煤层开采后，在隔水层至煤层直接顶岩层共同隔水及河、泉水补给作用下，能够实现保水开采；若
则煤层开采后，在隔水层至煤层直接顶岩层共同隔水及河、泉水补给作用下，不能实现保水开采。
进一步地，步骤(1)的具体操作是：通过查阅矿井柱状图或现场打钻，得到工作面煤层顶板至隔水层所有岩层的岩性、自身厚度Mi及各岩层的厚度之和M＝M1+M2+...+Mn。
进一步地，步骤(2)的具体操作是：采用实验室测试或现场钻孔压水试验法，获取采后隔水层至煤层直接顶岩层各岩层的采后渗透系数Ki。
与现有技术相比，本发明从覆岩整体角度出发，考虑采后隔水层至煤层顶板所有岩层对于保持含水层水位稳定、减少水资源漏失和实现保水采煤的阻水贡献。将采后含水层水位漏失量与补给量相等作为煤层能够实现保水采煤的临界条件，得到煤层采后能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度的计算方法，并给出煤层能否实现保水开采的详细判别步骤。该方法基于开采前后覆岩整体渗透率、漏失量、渗透系数等水理特性参数变化，从岩层隔水性本质上给出了保水采煤可行性的直接判别方法，更加准确、快捷、现场实际应用性强。
附图说明
图1为本发明的判别流程图。
图2为采后覆岩渗透系数变化及共同阻水示意图。
图中：1、含水层；2、隔水层、3、煤层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明针对煤层开采过程中上覆岩层透水性能与隔水性能的变化关系，综合考虑隔水层至煤层顶板所有岩层的隔水性。基于达西定律，应用等效均质隔水岩层代替表示隔水层至煤层直接顶间的所有岩层，同时结合含水层补给与漏失条件，推导出了采后覆岩等效隔水层厚度的数学表达式。
其中等效隔水层厚度的理论推导过程及矿井能否实现保水采煤的判别条件为：
在能够实现保水采煤条件下，认为覆岩各岩层中水的垂直渗流运动符合达西定律。即有：
式中：Q为流经某一岩层的水渗流量，单位m3；
K为某一岩层的渗透系数，单位m/s；
H1，H2为通过某一岩层前后的水头，单位m；
L为某一岩层沿水流方向的长度，此处为岩层的厚度，单位m；
A为水下渗流过某一岩层的横截面积，单位m2；
ΔH为通过某一岩层前后的水头变化，单位m。
煤层开采前，设隔水层渗透系数为K0(单位m/s)，厚度为M0(单位m)，含水层水头高度为ΔH(单位m)，含水层水深H0(单位m)，隔水层至煤层顶板岩层总厚度为M(单位m)，含水层水位补给量为V补给(单位m/s)，并认为此时隔水层自身隔水性即能保持其上覆ΔH水头高度含水层水的稳定。
煤层开采后，设隔水层2至煤层3顶板各岩层的渗透系数分别为K1，K2，…，Kn(单位m/s)，厚度分别为M1，M2，…，Mn(单位m)，流经各岩层前后的水头变化为ΔH1，ΔH2，…，ΔHn(单位m)。此时含水层1中水的稳定由隔水层2至煤层3直接顶所有岩层共同作用和维持，如图2所示。
忽略岩层与岩层之间层理面的影响，认为各岩层之间是连续过渡的。煤层开采后，认为水流下渗方向垂直于岩层层面方向，该情况下通过各岩层的渗流量相同，均为Q。同时认为水下渗过程中流过岩层的横截面积相同，均为A。对各岩层运用达西定律都有：
用一等效均质隔水岩层代替上式表示的隔水层至煤层直接顶间的所有岩层，可知流过该等效岩层的渗流量也为Q，水流过的横截面积同样为A，设其渗透系数为Kv。对该等效隔水层运用达西定律有：
假设煤层开采后总水头降落ΔH等于各岩层水头降落ΔHi之和，即有ΔH＝ΔH1+ΔH2+...+ΔHn。同时假设煤层开采后各岩层均保持原有的厚度，即有M＝M1+M2+...+Mn。根据上述假设，在矿井实际生产过程中，以煤层直接顶下边缘为0水头位置，含水层水头高度ΔH还可以表示为ΔH＝H0+M。由公式3可知，等效渗透系数Kv表达式为：
即：
煤层开采后若含水层水垂直下渗量小于补给量，含水层水漏失量很小或虽有部分漏失但在补给作用下能及时恢复，含水层水位变化不大，不会对地表生态环境产生破坏，则认为能够实现保水采煤。由此得到煤层开采后能够实现保水采煤的临界条件为：等效隔水岩层在渗透系数为Kv条件下，含水层水存在一定下渗量V下渗(单位m/s)，且下渗量V下渗恰等于含水层水补给量V补给，即V下渗＝V补给。由达西定律，等效隔水岩层在渗透系数为Kv条件下有：
含水层下渗量：
由此得到临界条件下，煤层开采后能够实现保水采煤所需的临界等效隔水层厚度：
进一步的，煤层开采后能够实现保水采煤所需的临界等效隔水层厚度M等效与原隔水层至煤层直接顶的岩层总厚度M之比：
此时，若
则煤层开采后，在隔水层至煤层直接顶岩层共同隔水及河、泉水补给作用下，能够实现保水开采；若则煤层开采后，在隔水层至煤层直接顶岩层共同隔水及河、泉水补给作用下，不能实现保水开采。
以某矿实际开采工作面采高3.5m为例，采用本发明判别煤层开采能否实现保水采煤的流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)查阅工作面钻孔柱状图，得到工作面煤层顶板至隔水层各岩层的岩性、自身厚度Mi及各岩层的厚度之和M如表1所示；
表1 开采覆岩各岩层岩性及厚度条件
(2)通过现场钻孔压水试验法，得到采后隔水层至煤层直接顶岩层各岩层的采后渗透系数大小Ki如表2所示；
表2 采后覆岩各岩层渗透系数
| 岩性 | 属性 | 岩层渗透系数K<sub>i</sub>(m/s) |
| 泥岩 | 隔水层 | 1.555×10<sup>-7</sup> |
| 含砾粗砂岩 | 2.096×10<sup>-5</sup> | |
| 泥岩 | 40.047×10<sup>-5</sup> | |
| 砂岩 | 39.648×10<sup>-5</sup> | |
| 泥岩 | 直接顶 | 32.138×10<sup>-5</sup> |
(3)将表1得到的各岩层厚度及表2得到的各岩层采后渗透系数，带入公式
计算出等效均质隔水岩层的等效渗透系数Kv＝2.455×10-6m/s；
(4)通过查阅矿井水文及地质资料，确定矿井浅层地下含水层水位深度H0＝30m，含水层在河、泉水补给条件下的水位补给量V补给＝0.5m/d＝5.787×10-6m/s；
(5)以煤层直接顶下边缘为0水头位置，根据含水层水位深度H0和煤层顶板至隔水层各岩层的厚度之和M，计算采后含水层水头高度ΔH＝115m；
(6)以采后含水层的下渗量V下渗恰等于含水层水位补给量V补给为煤层开采后能够实现保水采煤的临界条件，结合覆岩等效渗透系数Kv，带入公式
计算出煤层采后能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度M等效＝48.79m；
(7)将步骤(6)得到的煤层采后能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度M等效与步骤(1)得到的煤层顶板至隔水层各岩层的厚度之和M进行比较。由于
因此当采高为3.5m时，计算得到煤层开采后在隔水层至煤层顶板岩层共同隔水及河泉水补给作用下，含水层水位能够保持稳定，且采后覆岩整体隔水能力存在一定剩余。现场实际开采过程，观测得到砾石含水层水位标高基本保持不变，同样表明3.5m采高条件下煤层开采能够实现保水采煤。这与本发明得到的判断结果完全相符，表明了该判别方法的准确性。
Claims (3)
1.一种基于等效隔水层厚度的保水采煤判别方法，其特征在于，具体判别步骤是：
(1)确定覆岩各岩层厚度Mi及各岩层的厚度之和M；
(2)测试覆岩各岩层的采后渗透系数Ki；
(3)计算覆岩等效渗透系数Kv：根据步骤(1)得到的各岩层厚度及步骤(2)得到的各岩层采后渗透系数，带入公式
计算出等效均质隔水岩层的等效渗透系数Kv；
式中，Kv为等效均质隔水岩层的等效渗透系数，单位m/s；M为各岩层的厚度之和，单位m；Mi为各岩层厚度，单位m；Ki为各岩层的采后渗透系数，单位m/s；
(4)确定含水层水位深度H0及补给量V补给：在得到开采覆岩的等效渗透系数Kv的基础上，通过查阅矿井/区水文及地质资料，确定矿井/区地层含/隔水层数量、位置分布情况，掌握矿井/区浅层地下含水层水位深度H0及含水层在河、泉水补给条件下的水位补给量V补给；
(5)确定采后含水层水头高度ΔH：煤层直接顶下边缘为0水头位置，根据含水层水位深度H0和煤层顶板至隔水层各岩层的厚度之和M，计算采后含水层水头高度ΔH＝H0+M，
式中，ΔH为采后含水层水头高度，单位m；H0为含水层水位深度，单位m；M为各岩层的厚度之和，单位m；
(6)计算能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度M等效：以采后含水层的下渗量V下渗恰等于含水层水位补给量V补给为煤层开采后能够实现保水采煤的临界条件，结合覆岩等效渗透系数Kv，带入公式
计算出煤层采后能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度M等效；
式中，M等效为能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度，单位m；M为各岩层的厚度之和，单位m；Mi为各岩层厚度，单位m；Ki为各岩层的采后渗透系数，单位m/s；ΔH为采后含水层水头高度，单位m；V补给为含水层水位补给量，单位m/s；
(7)判别煤层实现保水开采的可行性：将步骤(6)得到的煤层采后能够实现保水采煤的临界等效隔水层厚度M等效与步骤(1)得到的煤层顶板至隔水层各岩层的厚度之和M进行比较：若
则煤层开采后，在隔水层至煤层直接顶岩层共同隔水及河、泉水补给作用下，能够实现保水开采；若
则煤层开采后，在隔水层至煤层直接顶岩层共同隔水及河、泉水补给作用下，不能实现保水开采。
2.根据权利要求1所述的一种基于等效隔水层厚度的保水采煤判别方法，其特征在于，步骤(1)的具体操作是：通过查阅矿井柱状图或现场打钻，得到工作面煤层顶板至隔水层所有岩层的岩性、自身厚度Mi及各岩层的厚度之和M＝M1+M2+...+Mn。
3.根据权利要求1所述的一种基于等效隔水层厚度的保水采煤判别方法，其特征在于，步骤(2)的具体操作是：采用实验室测试或现场钻孔压水试验法，获取采后隔水层至煤层直接顶岩层各岩层的采后渗透系数Ki。
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