CN111191849A - 一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法，包括：步骤1：确定深埋工作面顶板直接充水含水层水文地质条件及参数；步骤2：确定深埋工作面顶板直接充水含水层水文地质条件演化特征；步骤3：确定西部矿区深埋工作面涌水量计算公式。由此，通过对研究区典型工作面顶板地质沉积、水文地质条件和覆岩破坏规律探查，在掌握顶板导水裂缝带发育高度的基础上，查清工作面顶板直接充水含水层空间展布特征；对工作面回采过程中采空区涌水量进行实测统计，确定工作面涌水量的变化特征；开展工作面回采过程中顶板直接充水含水层降落漏斗形态和变化特征研究，建立一种西部矿区深埋工作面涌水量预测公式，实现对西部矿区深埋工作面涌水量的准确预测。

Description

一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法

技术领域

本发明属于地质、水文地质、采矿工程和地下水动力学的综合应用技术领域，尤其涉及一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法。

背景技术

我国煤炭资源开采正逐渐向深部和西部转移，而作为开发重点的西部深埋煤炭资源，则存在多种水害问题并存的现象(特别是顶板水害)。工作面生产过程中防治水工作的开展，必须查清工作面顶板水文地质条件，掌握工作面回采过程中采空区涌水特征，并准确预测工作面涌水量，其中的关键是如何准确预测深埋工作面涌水量，一方面可以更加科学地制定煤矿防治水针对性措施，另一方面可以作为工作面回采过程中排水系统相关设备和材料选型的依据。因此，在科学合理地制定矿井和工作面防治水措施之前，必须首先建立科学的西部矿区深埋工作面涌水量预测公式，实现对工作面回采过程中涌水量的准确预测，但是鉴于地质沉积、水文地质演化、地下水动力学承压-潜水井公式的局限性，往往又难以建立科学准确的一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法，解决了现有技术难以科学准确预测西部矿区深埋工作面涌水量的问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法，该方法通过建立深埋工作面涌水量计算公式，实现准确预测深埋工作面涌水量；具体包括：

步骤1：确定深埋工作面顶板直接充水含水层水文地质条件及参数；

对深埋工作面顶板地层进行多钻孔划分与对比，建立层序地层格架，分析不同地层单元的砂泥岩空间展布特征，获得煤层厚度M_C；从地面或井下施工工作面回采两带高度探查孔，确定导水裂缝带发育高度H；在工作面顺槽施工顶板预疏放钻孔，探查导水裂缝带范围内出水点位置、水量、压力；综合确定煤炭开采的直接充水含水层初始水位H₀、含水层底板至煤层底板距离h₀、含水层厚度M、渗透系数K；

步骤2：确定深埋工作面顶板直接充水含水层水文地质条件演化特征；

工作面回采过程中，随着顶板岩层垮落和裂隙发育，采空区成为巨型疏放水井，水井半径为r_w，直接充水含水层将涌入采空区，形成巨型井径条件下的降落漏斗，其中，井中水位为h_w，利用水位监测系统掌握降落漏斗承压区影响半径R变化特征；

步骤3：确定西部矿区深埋工作面涌水量计算公式；

结合步骤1和步骤2中获得的参数，建立深埋工作面涌水量Q的计算公式(3)：

式中：K—渗透系数；H₀—含水层初始水位；h₀—含水层底板至煤层底板距离；M—含水层厚度；R—承压区影响半径；r_w—水井半径。

具体的，在步骤1中，确定煤层顶板地层中砂岩、粗砂岩和砾岩为含水层，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和细砂岩为隔水层；

研究区导水裂缝带发育高度H与开采厚度M_C关系为：H≤25×M_C。

具体的，在步骤3中，井中水位已经降低至煤层底板，此时井中水位h_w＝0.0m，无压水区边界水头为M+h₀。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明建立了鄂尔多斯盆地深埋煤田区煤层顶板层序地层格架，开展了沉积相和岩相古地理研究，掌握了砂泥岩空间展布特征。

(2)本发明通过两带高度探查孔确定了导水裂缝带发育高度；通过工作面顶板预疏放钻孔，结合步骤1中确定的砂泥岩空间展布特征，确定了工作面直接充水含水层层位、富水性等参数。

(3)本发明掌握了工作面回采过程中，采空区作为巨型疏放水井，及由此形成的直接充水含水层降落漏斗形态和变化特征，并建立了深埋工作面涌水量准确预测的计算公式，可以实现对研究区范围内深埋工作面涌水量的准确预测。

附图说明

图1为一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法构建框架图；

图2为工作面回采过程中采空区型巨型疏放井形成和演化示意图；

图3为工作面回采过程中涌水量计算值和实测值。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明给出一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法，需要解决的技术难题包括：对煤层顶板地层进行多井划分与对比，建立层序地层格架；开展沉积相和岩相古地理研究，分析砂泥岩空间展布特征；施工工作面回采两带高度探查孔，确定导水裂缝带发育高度；在工作面顺槽施工顶板预疏放钻孔，确定煤炭开采的直接充水含水层层位、富水性等参数；根据工作面采空区和含水层水位变化特征，以及回采过程中采空区涌水量，建立深埋工作面涌水量准确预测的计算公式，实现对矿井涌水量的准确预测。

由此，为实现本发明的具体目的，西部矿区深埋工作面涌水量预测方法包含如下步骤：

步骤1：确定深埋工作面顶板直接充水含水层水文地质条件及参数；

对深埋工作面顶板地层进行多井划分与对比，建立层序地层格架，分析不同地层单元的砂泥岩空间展布特征，获得煤层厚度M_C；从地面或井下施工工作面回采两带高度探查孔，确定导水裂缝带发育高度H；在工作面顺槽施工顶板预疏放钻孔，探查导水裂缝带范围内出水点位置、水量、压力；综合确定煤炭开采的直接充水含水层初始水位H₀、含水层底板至煤层底板距离h₀、含水层厚度M、渗透系数K；

步骤2：确定深埋工作面顶板直接充水含水层水文地质条件演化特征；

工作面回采过程中，随着顶板岩层垮落和裂隙发育，采空区成为巨型疏放水井，水井半径为r_w，直接充水含水层将涌入采空区，形成巨型井径条件下的降落漏斗，其中井中水位为h_w，利用水位监测系统掌握降落漏斗影响半径R变化特征；

步骤3：确定西部矿区深埋工作面涌水量计算公式；

结合步骤1和步骤2中获得的参数，工作面回采过程中，井中水位已经降低至煤层底板，此时井中水位h_w＝0.0m，无压水区边界水头为M+h₀，则无压水区计算公式(1)为：

式中，Q—动态补给量；K—渗透系数；M—含水层厚度；h₀—含水层底板至煤层底板距离；a—无压水区影响半径；r_w—水井半径。

承压水区计算公式(2)为：

式中：H₀—含水层初始水位；R—承压区影响半径。

在步骤1中，确定煤层顶板地层中砂岩、粗砂岩和砾岩为含水层，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和细砂岩为隔水层；研究区导水裂缝带发育高度H与开采厚度M_C关系为：H≤25×M_C。

由此，通过上述步骤，本发明通过对煤层顶板地层进行多井划分与对比，建立层序地层格架；开展沉积相和岩相古地理研究，分析砂泥岩空间展布特征；施工工作面回采两带高度探查孔，确定导水裂缝带发育高度；在工作面顺槽施工顶板预疏放钻孔，确定煤炭开采的直接充水含水层层位、富水性等参数；根据工作面采空区和含水层水位变化特征，以及回采过程中采空区涌水量，建立深埋工作面涌水量准确预测的计算公式，消去公式(1)和公式(2)中lna，可以得到开采扰动下深埋工作面计算公式(3)：

式中：Q—动态补给量；K—渗透系数；H₀—含水层初始水位；h₀—含水层底板至煤层底板距离；M—含水层厚度；R—承压区影响半径；r_w—水井半径。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例以鄂尔多斯盆地北部侏罗纪深埋煤田区工作面涌水量预测为例进行进一步说明，该区域位于内蒙古与陕西省的接壤地带，包括新街、呼吉尔特、纳林河、榆横和榆神等矿区，煤炭资源开发过程中存在水文地质条件不清楚、矿井涌水量普遍较大、工作面防治水难度较大等问题，工作面涌水量的准确预测，是制定科学合理的工作面防治水方案的前提。

以鄂尔多斯盆地北部侏罗纪深埋煤田区工作面涌水量预测为例进行进一步说明，该区域煤层顶板直接充水含水层呈“水压高、水量大”的强富水深埋含水层特征，通过建立层序地层格架，分析砂泥岩空间展布特征，确定直接充水含水层层位、富水性等参数，掌握工作面采空区和含水层水位变化特征，以及回采过程中采空区涌水量，并利用这些参数建立深埋工作面涌水量计算公式，实现对矿井涌水量的准确预测。

步骤1：确定深埋工作面顶板直接充水含水层水文地质条件及参数。在收集整理前期勘探资料的基础上，利用勘探钻孔资料对煤层顶板地层进行多井划分与对比，建立层序地层格架；开展沉积相和岩相古地理研究，分析砂泥岩空间展布特征。研究区属于鄂尔多斯盆地北部侏罗纪深埋区，主采煤层(3-1煤或2煤)埋深普遍大于500m，安定组和直罗组二段都属于砂泥岩互层结构，共同构成了相对隔水层。由于河流回春的沉积旋回作用，在煤层顶板的延安组和直罗组地层分别形成了中粗粒的真武洞砂岩和七里镇砂岩。

从地面或井下施工工作面回采两带高度探查孔，确定导水裂缝带发育高度；在工作面顺槽施工顶板预疏放钻孔，探查导水裂缝带范围内出水点位置、水量、压力等，结合步骤1中确定的砂泥岩空间展布特征，确定煤炭开采的直接充水含水层层位、富水性等参数。在两个典型煤矿开展的导水裂缝带实测结果分别为103.2m(裂采比18.8倍)和126.0m(裂采比22.0倍)，考虑到研究区范围内主采煤层厚度<7.0m，因此导水裂缝带发育高度一般不超过150m，结合研究区范围内其他矿井的导水裂缝带实测高度，最终确定研究区内导水裂缝带发育高度(H)与开采厚度(M_C)关系为：H≤25×M_C，可发育至七里镇砂岩段；在导水裂缝带范围内，真武洞砂岩富水性相对较弱，七里镇砂岩富水性相对较强。通过在不同矿井工作面顶板施工探查钻孔发现，七里镇砂岩为主要充水层，真武洞砂岩为次要充水层。研究区内某矿1盘区3个相邻工作面回采过程中采空区涌水量变化具有以下特征：(1)工作面回采初期(即导水裂缝带未发育至七里镇砂岩关键充水含水层)，涌水量明显偏小；(2)其他阶段，随着回采进尺增加，涌水量呈“台阶式”增加。

步骤2：确定深埋工作面顶板直接充水含水层水文地质条件演化特征。

工作面回采过程中，随着顶板岩层垮落和裂隙发育，采空区作为巨型疏放水井，直接充水含水层将涌入采空区，形成巨型井径条件下的降落漏斗(图2)，利用水位监测系统，掌握降落漏斗影响半径的变化特征，并观测工作面回采过程中采空区涌水量。传统的承压水井大降深抽水时，当井中水位低于含水层顶板，井附近的含水层会出现无压水流区，形成巨型承压-无压疏放井，采用分段法计算流向井的流量，包括无压区和承压区。而工作面回采过程中，疏放井中水位已经降低至煤层底板。

步骤3：确定深埋工作面涌水量计算公式。根据砂泥岩展布特征、导水裂缝带发育高度、回采过程中直接充水含水层水文地质条件演化特征，以及工作面涌水量观测结果，确定控制深埋工作面涌水量的关键参数，并建立深埋工作面涌水量准确预测的计算公式(3)：

式中，Q—动态补给量；K—渗透系数；M—含水层厚度；h₀—含水层底板至煤层底板距离；r_w—水井半径；H₀—含水层初始水位；R—承压区影响半径。

对于工作面回采后形成的采空区，可以视为半径r_w的疏放水井：

式中，L—采空区走向长度；I—采空区倾向长度。

而且实际工作面回采过程中，随着覆岩导水裂缝带对七里镇砂岩关键充水含水层破坏，导致整个煤层顶板形成巨大的疏放水井(10²～10³m级)，且大井半径r_w逐渐增大，此过程中影响半径R则基本保持稳定，由此可以计算得到工作面回采过程中涌水量变化曲线，如图3所示，图3中圆圈构成的趋势为涌水量实测值，图3中的曲线为通过本方案计算得到的涌水量变化曲线；比较采空区实际涌水量可以看出，两者误差相对较小，证明该深埋煤层工作面涌水量计算公式(3)，可以准确预测研究区工作面回采过程中涌水量。

由此，本发明的一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法具有如下优点：建立了鄂尔多斯盆地深埋煤田区煤层顶板层序地层格架，开展了沉积相和岩相古地理研究，掌握了砂泥岩空间展布特征。通过两带高度探查孔确定了导水裂缝带发育高度；通过工作面顶板预疏放钻孔，结合步骤1中确定的砂泥岩空间展布特征，确定了工作面直接充水含水层层位、富水性等参数。掌握了工作面回采过程中，采空区作为巨型疏放水井，及由此形成的直接充水含水层降落漏斗形态和变化特征，并建立了深埋工作面涌水量准确预测的计算公式，可以实现对研究区范围内深埋工作面涌水量的准确预测。

Claims (3)

1.一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法，其特征在于，该方法通过建立深埋工作面涌水量计算公式，实现准确预测深埋工作面涌水量；具体包括：

步骤1：确定深埋工作面顶板直接充水含水层水文地质条件及参数；

对深埋工作面顶板地层进行多钻孔划分与对比，建立层序地层格架，分析不同地层单元的砂泥岩空间展布特征，获得煤层厚度M_C；从地面或井下施工工作面回采两带高度探查孔，确定导水裂缝带发育高度H；在工作面顺槽施工顶板预疏放钻孔，探查导水裂缝带范围内出水点位置、水量、压力；综合确定煤炭开采的直接充水含水层初始水位H₀、含水层底板至煤层底板距离h₀、含水层厚度M、渗透系数K；

步骤2：确定深埋工作面顶板直接充水含水层水文地质条件演化特征；

工作面回采过程中，随着顶板岩层垮落和裂隙发育，采空区成为巨型疏放水井，水井半径为r_w，直接充水含水层将涌入采空区，形成巨型井径条件下的降落漏斗，其中，井中水位为h_w，利用水位监测系统掌握降落漏斗承压区影响半径R变化特征；

步骤3：确定西部矿区深埋工作面涌水量计算公式；

结合步骤1和步骤2中获得的参数，建立深埋工作面涌水量Q的计算公式(3)：

式中：K—渗透系数；H₀—含水层初始水位；h₀—含水层底板至煤层底板距离；M—含水层厚度；R—承压区影响半径；r_w—水井半径。

2.如权利要求1所述的一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法，其特征在于，在步骤1中，确定煤层顶板地层中砂岩、粗砂岩和砾岩为含水层，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和细砂岩为隔水层；

研究区导水裂缝带发育高度H与开采厚度M_C关系为：H≤25×M_C。

3.如权利要求1所述的一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法，其特征在于，在步骤3中，井中水位已经降低至煤层底板，此时井中水位h_w＝0.0m，无压水区边界水头为M+h₀。

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