CN111401716A - 一种基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿山水文地质监测技术领域,具体涉及一种基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,步骤一:在研究区域实施叠加放水试验;步骤二:建立研究区域的数值模型并划分网格离散模型;步骤三:设定含水层参数的随机分布函数值;步骤四:选择适用的协方差函数描述含水层参数的变异程度;步骤五:利用放水层析法迭代计算含水层参数的连续分布。本发明的方法操作简单,适用性广,相对于传统分析方法,获取的水文地质参数更加详细具体,可准确刻画含水层的非均质性,精确定位富水异常区的位置及范围,有效降低矿井突水灾害风险,为矿区安全生产提供综合技术保障。
Description
技术领域
本发明涉及矿山水文地质监测技术领域,具体涉及一种基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
含水层水文地质参数的空间分布特征对于采矿工作影响巨大,是分析矿区含水层富水性强弱的基础。富水异常区的位置及范围,直接制约着井巷系统的布局,影响矿井安全。查明含水层参数的详细信息,可为井巷系统的设计提供依据,提前采取有效防治措施并封堵导水通道,保证采矿安全。
目前矿区水文地质调查的主要手段有抽水试验、放水试验、地球物理勘探等方法。大流量、大降深、大范围的放水试验是获取水文地质信息的重要手段,传统放水试验分析方法得到的含水层水文地质参数是含水层的分区等效参数,反映出的主要地质构造范围粗略,界限模糊。地球物理勘探获取的是地层的电导率、介电常数等物理信号,无法直接获得水文地质参数,数据解译时容易增加人为的不确定性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题,本发明的目的是提供一种基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,该方法操作简单,适用性广,获取的水文地质参数详细具体,可准确刻画含水层的非均质性,精确定位富水异常区的位置及范围,有效降低矿井突水灾害风险,为矿区安全生产提供综合技术保障。
为了解决以上技术问题,本发明一个或多个实施例提供的技术方案为:
一种基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,包括如下步骤:
在研究区域实施叠加放水试验;
建立研究区域的数值模型并划分网格离散模型;
设定含水层参数的随机分布函数值;
选择适用的协方差函数描述含水层参数的变异程度;
利用放水层析法迭代计算含水层参数的连续分布。
本发明的以上一个或多个实施例的有益效果为:
通过一系列分阶段分区域叠加放水试验,设定随机分布的含水层参数,分析试验的水压数据,以获取含水层水文地质参数的连续分布,为判断富水异常区提供详细的参数信息。该方法操作简单,适用性广,获取的水文地质参数详细具体,可准确刻画含水层的非均质性,精确定位富水异常区的位置及范围,有效降低矿井突水灾害风险,为矿区安全生产提供综合技术保障。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法流程图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。
一种基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,包括如下步骤:
在研究区域实施叠加放水试验;
建立研究区域的数值模型并划分网格离散模型;
设定含水层参数的随机分布函数值;
选择适用的协方差函数描述含水层参数的变异程度;
利用放水层析法迭代计算含水层参数的连续分布。
此处的叠加放水试验,涉及的是群孔放水试验,叠加的含义体现在时间和空间两方面。在某一段时间,某一区域的放水孔实施放水,再接着的另一段时间,另一区域的放水孔开启放水,与此同时,前一段时间开启的放水孔仍在放水。这种放水方案设计在煤矿是普遍的,在这里重点是强调对试验数据的分析,试验是分阶段分区域实施的,代入不同阶段的水压数据,逐步反演出参数的分布情况,体现水力“层析”的内涵。
在一些实施例中,实施叠加放水试验时,潜在富水区的钻孔加倍布设。
进一步的,在潜在富水区的钻孔密度加密2-3倍。保证钻孔在使用过程中不塌孔、不堵塞,保障试验的正常进行和数据测量的质量。依据现场实际情况确定放水的次数,每次放水运用到的一个或多个放水孔及放水持续时间。
进一步的,在研究区域分阶段分区域依次实施放水,所有观测孔同步测量水压,每次试验的前期加密观测水压,中后期定时观测。
进一步的,叠加放水试验的次数大于或等于3次。以作验证之用。在每个阶段放水试验的前期,水压响应强烈,需加密观测;在试验进行的中后期,水压变动缓慢并趋于稳定,定时观测即可。
在一些实施例中,网格离散模型中的网格尺寸小于或等于相关长度(Correlationscale)的1/2。
相关长度反映的是某一参数在空间上的连续性,相关长度大表征参数各个位置的值变化相对较小,连续性好。
进一步的,设定研究区域为非均质饱和含水层,根据研究区域的规模及对反演精度的需求,确定离散网格的规格。
在一些实施例中,设定含水层参数的随机分布函数值时,根据已知的地质信息预估水文地质参数的均值,将参数的初始估计值设定为均质分布;
或,在均值基础上,为每个离散元的参数附加符合正态分布的扰动值,参数的初始估计值设定为非均质分布。
进一步的,地质信息包括地质填图、钻孔岩芯取样及抽水试验结果。
在一些实施例中,选择适用的协方差函数描述含水层参数的变异程度时,通过方差和相关长度描述含水层参数的变异程度。
进一步的,研究区域在无经验协方差函数时,根据含水层类型,方差和相关长度的赋值如下:对于孔隙含水层,方差设为0.5-1,相关长度设为20-50m;对于裂隙含水层,方差设为1-2,相关长度设为50-200m;对于岩溶含水层,方差设为1-2,相关长度设为100-500m。
在一些实施例中,利用放水层析法迭代计算含水层参数的连续分布的具体步骤如下:
将水压数据整理为相等时间间隔的数据集,并进行平滑降噪,提取数据的明显变化规律;
确定钻孔在反演区域中的相对位置,平滑处理过后的水压值按照时间顺序依次赋值于对应钻孔结点处,边界包括定水头边界和定流量边界,定水头边界保证含水层始终维持饱和;
设定试验开始时间为反演计算的初始时间,初始时间区域内部结点的水头值与定水头边界的水头值数值相等;
根据放水试验的顺序逐次反演并迭代计算,动态显示连续参数的刻画过程,迭代停止的条件包括两方面,一方面是限制迭代次数,另一方面是结果位于误差允许范围之内。
如图1所示,本发明的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,包括下述步骤:
步骤一:在研究区域实施叠加放水试验,潜在富水区钻孔加倍布设,试验次数不少于3次,在每次试验的前期加密观测水压,中后期定时观测。具体过程为:根据所研究含水层的空间位置及范围,均匀布设地面或地下钻孔,在潜在富水异常区钻孔密度加密2-3倍。保证钻孔在使用过程中不塌孔、不堵塞,保障试验的正常进行和数据测量的质量。依据现场实际情况确定放水的次数,每次放水运用到的一个或多个放水孔及放水持续时间。试验次数不少于3次,以作验证之用。在每个阶段放水试验的前期,水压响应强烈,需加密观测;在试验进行的中后期,水压变动缓慢并趋于稳定,定时观测即可。
步骤二:建立研究区域的数值模型,模型离散化后的网格尺寸不大于相关长度的1/2。具体过程为:设定研究区域为非均质饱和含水层,充分考虑边界对结果的影响,确定最终的反演区域。根据反演区域的规模及对反演精度的需求,模型离散化后的网格尺寸不大于相关长度的1/2。
步骤三:设定含水层参数的随机分布函数值。具体过程为:先验地质信息的来源包括地质填图、钻孔岩芯取样及抽水试验结果,根据已知的地质信息预估水文地质参数的均值,将参数的初始估计值设定为均质分布。也可选择在均值基础上,为每个离散元的参数附加符合正态分布的扰动值,参数的初始估计值设定为非均质分布。
步骤四:选择适用的协方差函数,通过方差和相关长度描述含水层参数的变异程度。具体过程为:研究区在无经验协方差函数的情况下,根据含水层类型,方差和相关长度的赋值参考如下:对于孔隙含水层,方差可设0.5-1,相关长度可设20-50m;对于裂隙含水层,方差可设1-2,相关长度可设50-200m;对于岩溶含水层,方差可设1-2,相关长度可设100-500m。
步骤五:利用放水层析法,迭代计算含水层参数的连续分布。具体过程为:依据现场实际情况确定时间步长,将测得的水压数据处理为相等时间间隔的数据集,并进行平滑降噪,提取出数据的明显变化规律。确定钻孔在反演区域中的相对位置。平滑处理过后的水压值按照时间顺序依次赋值于对应钻孔结点处。边界包括定水头边界和定流量边界。依据现场实际情况确定边界为定水头边界或零流量边界。在试验过程中,定水头边界保证含水层始终维持饱和。设定试验开始时间为反演计算的初始时间,且整个区域内部结点的水头值与定水头边界的水头值数值相等。根据放水试验的顺序逐次反演并迭代计算,动态显示连续参数的刻画过程。迭代停止的条件包括两方面,一方面是限制迭代次数,另一方面是结果位于误差允许范围之内。
以导水系数为例,初始估计结果为
式中:为x0处的导水系数扰动值的估计值;H*为实际水压测量值;He为通过地下水流控制方程求得的水压模拟值;Nf为参数测量点的总数;Np为放水试验的总次数;Nh(k)为第k次放水试验中水压测量点的总数;Nt(k,j)为第k次放水试验中第j个水压测量点随时间变化的水压测量数据的总数;λ0i为协同克里格权重,即第i个参数测量点的参数值f*对x0处的参数估计值的权重;μ0kjl为实际水压测量值H*(k,xj,tl)对参数估计值的权重。第一次参数估计结果,通过变换代入地下水流控制方程进行下一步迭代计算。
迭代计算公式为
式中:为第r次迭代时,第k次放水试验中第j个水压测量点xj在tl时刻,实际水压测量值H*(k,xj,tl)和水压模拟值H(r)(k,xj,tl)的差值对x0处的参数估计值的权重。同样地,将参数估计值代入地下水流控制方程,计算在水压测量点不同时刻的水压模拟值,判断模拟值与实际测量值之间的差异,若差异没有达到指定精度,上述计算过程会重复迭代进行。
下面通过一个实施例来进一步说明本发明。
本实施例以某煤矿的S1210工作面井下叠加放水试验为例,步骤如下:
步骤一:S1210工作面井下施工钻孔数量较多,自切眼往北约2000m范围内工作面顶板有超过60个钻孔,故可利用这些井下钻孔进行采前大流量放水试验。根据放水前对井下所有钻孔涌水量的排查情况,共选取工作面顶板上30个水量较大的钻孔作为放水孔。分区域选取28个井下钻孔(其中工作面顶板钻孔17个,巷道外侧钻孔11个)和6个地面钻孔作为水压观测孔。放水试验共持续9天,放水次序为自南向北,具体采用叠加放水的方式,观测孔全程测量水压。试验正式开始时,开启第一阶段的6个放水孔,位于研究区南部区域,第一阶段放水持续2天;随后开启第二阶段的7个放水孔,此时共有13个钻孔联合放水,第二阶段放水持续2天;继而开启第三阶段的8个放水孔,此时共有21个钻孔联合放水,第三阶段放水持续3天;最后开启第四阶段的9个放水孔,位于研究区最北部,此时共有30个钻孔联合放水,第四阶段放水持续2天。放水孔流量、地面观测孔水压、井下观测孔水压同步观测。观测频率:每阶段放水开始后3小时内为1次/5min,之后为1次/30min。
步骤二:建立研究区域的二维数值模型为1800m×3200m的矩形区域,将反演区域划分为90×80个单元格,每个单元格的规格为20m×40m。
步骤三:目标含水层岩性为直罗组砂岩,设定导水系数对数表示的均值为1.3,储水系数对数表示的均值为-5.0。
步骤四:对于直罗组砂岩含水层,设定导水系数对数表示的方差为1.0,储水系数对数表示的方差为0.5,x和y方向的相关长度均为200m。
步骤五:依据现场实际情况确定时间步长为1h,将测得的水压数据处理为相等时间间隔1h的数据集,并进行平滑降噪,提取出数据的明显变化规律。确定钻孔在反演区域中的相对位置。平滑处理过后的水压数据按照时间顺序依次赋值于对应钻孔结点处。设置四周为1000m的定水头边界,初始水头为1000m。由反演结果可推知,S1210工作面南北富水性差异大,从涌水区往北,导水系数及储水系数整体上逐渐减小。南部导水系数和储水系数均较大,属于富水异常区,可能位于古河流冲刷带,裂隙发育,富水性强。
本次使用的方法是一种基于传统放水试验的改进分析方法,通过一系列分阶段分区域叠加放水试验,设定随机分布的含水层参数,分析试验的水压数据,以获取含水层水文地质参数的连续分布,为判断富水异常区提供详细的参数信息。该方法操作简单,适用性广,获取的水文地质参数详细具体,可准确刻画含水层的非均质性,精确定位富水异常区的位置及范围,有效降低矿井突水灾害风险,为矿区安全生产提供综合技术保障。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,其特征在于:包括如下步骤:
在研究区域实施叠加放水试验;
建立研究区域的数值模型并划分网格离散模型;
设定含水层参数的随机分布函数值;
选择适用的协方差函数描述含水层参数的变异程度;
利用放水层析法迭代计算含水层参数的连续分布。
2.根据权利要求1所述的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,其特征在于:实施叠加放水试验时,潜在富水区的钻孔加倍布设。
3.根据权利要求1所述的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,其特征在于:在潜在富水区的钻孔密度加密2-3倍。
4.根据权利要求2所述的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,其特征在于:在研究区域分阶段分区域依次实施放水,所有观测孔同步测量水压,每次试验的前期加密观测水压,中后期定时观测;
进一步的,叠加放水试验的次数大于或等于3次。
5.根据权利要求1所述的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,其特征在于:网格离散模型中的网格尺寸小于或等于相关长度的1/2;
进一步的,设定研究区域为非均质饱和含水层,根据研究区域的规模及对反演精度的需求,确定离散网格的规格。
6.根据权利要求1所述的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,其特征在于:设定含水层参数的随机分布函数值时,根据已知的地质信息预估水文地质参数的均值,将参数的初始估计值设定为均质分布;
或,在均值基础上,为每个离散元的参数附加符合正态分布的扰动值,参数的初始估计值设定为非均质分布。
7.根据权利要求6所述的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,其特征在于:地质信息包括地质填图、钻孔岩芯取样及抽水试验结果。
8.根据权利要求1所述的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,其特征在于:选择适用的协方差函数描述含水层参数的变异程度时,通过方差和相关长度描述含水层参数的变异程度。
9.根据权利要求8所述的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,其特征在于:研究区域在无经验协方差函数时,根据含水层类型,方差和相关长度的赋值如下:对于孔隙含水层,方差设为0.5-1,相关长度设为20-50m;对于裂隙含水层,方差设为1-2,相关长度设为50-200m;对于岩溶含水层,方差设为1-2,相关长度设为100-500m。
10.根据权利要求1所述的基于叠加放水试验获取含水层连续参数的方法,其特征在于:利用放水层析法迭代计算含水层参数的连续分布的具体步骤如下:
将水压数据整理为相等时间间隔的数据集,并进行平滑降噪,提取数据的明显变化规律;
确定钻孔在反演区域中的相对位置,平滑处理过后的水压值按照时间顺序依次赋值于对应钻孔结点处,边界包括定水头边界和定流量边界,定水头边界保证含水层始终维持饱和;
设定试验开始时间为反演计算的初始时间,初始时间区域内部结点的水头值与定水头边界的水头值数值相等;
根据放水试验的顺序逐次反演并迭代计算,获取含水层连续参数。
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2020
- 2020-03-10 CN CN202010161020.2A patent/CN111401716B/zh active Active
Patent Citations (2)
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