CN111415038A - 一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涌水量预测方法，属于煤炭技术领域，具体是涉及一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法。本发明结合地层沉积规律及其沉积相特征，划分了含水层渗透系数分区，提出了基于时间、空间和水位三要素的多工作面连续回采边界条件精细化概化方法，建立了研究区三维水文地质概念模型及数值模型，精细化预测了多工作面采空区涌水量。通过本发明，完善了多工作面连续回采边界条件的概化方法以及多工作面采空区涌水量随采连续精细化预测数值方法，使涌水量预测结果更加符合现场实际涌水量，提高了多工作面采空区涌水量预测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种涌水量预测方法，属于煤炭技术领域，具体是涉及一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法。
背景技术
矿井涌水量为矿井在建设或开发过程中，不同的水源经过不同的通道进入矿井的水量。矿井涌水量预测工作是矿井设计、采掘规划以及水害防治的基础。多年来，在水文地质工作者的不断积累中形成了一系列的矿井涌水量预测方法。目前，矿井涌水量的计算大致可分为确定性和非确定性计算方法。其中非确定计算法包含有相关分析法、灰色理论法、水文地质比拟法、神经网络法等，确定性计算法包含有水均衡法、解析法以及数值法等。
多工作面采空区涌水量预测是一项复杂的工作，不仅需要综合考虑矿井的地质和水文地质条件，同时需要紧密结合矿井的回采接续计划。涌水量是随着工作面回采的不断进行以及水文地质参数的不断变化呈现一定的时空变化，是一个连续动态过程。渗透系数是反映含水层水文地质条件的重要参数，其与地层沉积规律密切相关，砂体展布及其物性特征控制着地层渗透性的分布。在诸多涌水量预测方法中，数值法较其他方法优越，可以更好地反应矿井的水文地质条件。
以往的工作面采空区涌水量预测数值方法中水文地质参数多取自勘探阶段的抽(放)水试验数据，较少考虑地层的沉积相及砂体展布规律，同时对于多工作面连续回采的内边界概化方法不完善，不能全面反映工作面实际回采连续精细化过程，导致多工作面采空区涌水量随采连续预测数值方法不完善，预测不准。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的含水层水文地质参数划分较少考虑地层沉积规律以及缺乏多作面连续回采边界条件的概化方法所导致的多工作面采空区涌水量预测精度不高的技术问题，提出了一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法。该方法结合地层沉积规律及其沉积相特征，划分了含水层渗透系数分区，提出了基于时间、空间和水位三要素的多工作面连续回采边界条件精细化概化方法，建立了研究区三维水文地质概念模型及数值模型，精细化预测了多工作面采空区涌水量。通过本发明，完善了多工作面连续回采边界条件的概化方法以及多工作面采空区涌水量随采连续精细化预测数值方法，使涌水量预测结果更加符合现场实际涌水量，提高了多工作面采空区涌水量预测精度。
为解决上述问题，本发明的方案是：
一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，包括：
地层沉积规律研究步骤，用于依据采集勘探取样确定地质沉积相赋存形态；
回采两带高度计算步骤，用于确定煤层开采的垮落带和导水裂缝带发育高度；
采掘过程精细刻画步骤，用于从时间、空间和水位精细化表征多工作面连续回采过程并概化多工作面随采精细化边界条件；
地质概念模型构建步骤，根据所述地质沉积相赋存形态和所述垮落带和导水裂缝带发育高度重新剖分出两层模型；基于概化的随采精细化边界条件建立水文地质概念模型；
采空区涌水量预测步骤，基于所述水文地质概念模型预测采空区涌水量。
优选的，上述的一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，采掘过程精细刻画步骤中，将回采工作面所在范围设置为排水边界，根据工作面设计的煤层回采速度，以固定时间为步长逐月设置，对于已经开采形成的采空区范围，其排水标高为煤层底面标高，对于尚未回采的工作面范围，则不设置排水边界。
优选的，上述的一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，采掘过程精细刻画步骤中，基于下式计算排水边界：
式中：QD为工作面采空区涌水量，即由充水含水层流入采空区的水量； CD为含水层流向采空区的水力传导系数(m2/d)；H为充水含水层水头标高； HD为采空区排水标高，即煤层底板标高。
优选的，上述的一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，地质概念模型构建步骤具体包括：
渗流方程确定子步骤，根据地质沉积相赋存形态确定含水层三维渗流方程；
初始条件确定子步骤，收集研究区内各含水层初始的水头标高，绘制水位等值线图，作为数学模型中的初始水位条件；
概化随采精细化边界条件、水文地质以及首采区，加密部分冒落带顶板和导水裂缝带顶板，结合工作面采掘进度安排，将模拟期以预设时间为为单位，划分为多个应力期。
优选的，上述的一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，采空区涌水量预测步骤中，将水文地质参数分区、导水裂缝带分层以及工作面连续回采精细化表征内边界代入数值模型软件中进行涌水量计算。
因此，相对于现有技术，本发明方法充分考虑了利用地层沉积相分布规律划分含水层水文地质参数分区，提出了基于时间、空间和水位三要素的精细化刻画多工作面连续回采过程的方法，能够解决因含水层水文地质参数划分较少考虑地层沉积规律以及缺乏多作面连续回采边界条件的概化方法所导致的多工作面采空区涌水量预测精度不高的技术问题，对矿井安全高效生产及排水系统科学合理布置具有非常重要的指导意义。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
图1例示了本发明实施例的工作流程图；
图2例示了本发明实施例的工作面回采地下水位变化示意图；
图3例示了本发明实施例的工作面连续回采示意图；
图4-1至图4-3例示了本发明实施例的充水含水层地层沉积规律研究结果示意图，其中4-1为延安组三段示意图，4-2为直罗组一段示意图，图4-3 为直罗组二段示意图；
图5例示了本发明实施例的水文地质概念模型平面示意图；
图6-1至图6-3例示了本发明实施例的根据侏罗系地层沉积规律划分的水文地质参数分区示意图，其中图6-1直罗组二段、图6-2直罗组一段、图 6-3延安组三段；
图7例示了本发明实施例的采动作用下矿井涌水量随时间变化预测图。
将参照附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
实施例1
本发明是一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，主要包含如下步骤：
步骤1：充水含水层地层沉积规律研究；
现场调查典型地层的野外露头，采集勘探取芯钻孔的岩芯样品，收集钻孔全孔测井曲线。运用沉积学原理，根据各地层标志层及其测井曲线特征，对比和划分煤层顶板典型地层；根据岩石学、古生物学及测井曲线标志，识别典型地层沉积相，确定其沉积相赋存形态。此内容为数值模拟中水文地质参数分区提供依据。同时，如果地下水为潜水时，主渗流方程则为潜水含水层微分方程；如果地下水为承压水时，主渗流方程则为承压含水层微分方程。
步骤2：煤层回采“两带”发育高度计算；
根据地层岩性岩石物理力学性质测试结果，确定煤层顶板岩石软硬(极软、软、中硬、硬)程度；以此为基础，采用经验公式(表1和表2)、现场实测等方法确定煤层开采的垮落带和导水裂缝带发育高度。此内容为数值模拟中细分垮落带和导水裂缝带的高度提供参考。
表1厚煤层分层开采的垮落带高度计算公式
表2厚煤层分层开采的导水裂缝带高度计算公式
其中：ΣM为煤层累计采厚。公式应用范围：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m，计算公式中±号项为中误差。如果开采工艺为单层开采，则采用表2中的计算公式一计算导水裂缝带高度，如果采用一次采全高工艺，则采用表2中的计算公式二计算导水裂缝带高度。
步骤3：多工作面采掘过程精细化刻画；
工作面煤层回采时，由于采空区的自然疏降作用，其范围内地下水位迅速降低至煤层底板，采空区周围充水含水层地下水则由原始水位逐步下降至稳定，进入工作面采空区的流量(工作面采空区涌水量)也相应的逐步下降(图2)，即工作面采空区涌水量与充水含水层和煤层底板标高之差成正比关系：
式中：Q为采空区涌水量，C为含水层与采空区之间的水力传导系数， H为充水含水层水位，h为煤层底板标高。
当多个工作面连续回采时，其回采过程可刻画为一定时间内形成一定的采空区范围，采空区范围内的水位已降至煤层底板，即通过时间，空间和水位三要素的精细化的组合可以精细化表征多工作面连续回采过程(图 3)。此内容为数值模拟中精细化刻画多工作面连续回采内边界提供支撑。
步骤4：水文地质概念模型构建；
分析研究区地下水补给、径流、排泄条件以及各含水层之间的水力联系，对研究水文地质条件进行概化。根据步骤1中充水含水层地层沉积相展布规律划分含水层水文地质参数分区，根据步骤2中垮落带和导水裂缝带发育高度结果，将原有地层中这两层多剖分出两模型层，设置垮落带的渗透系数为原始地层的5～10倍，裂缝带的渗透系数为原始地层的2～4倍。结合步骤3中多工作面随采精细化边界条件的概化，建立相应的数学模型，其主要的形式如下：
步骤5：数值法预测多工作面采空区涌水量。
通过先进的可视化数值模拟软件对步骤4中已建立的数学模型进行数值计算，通过与现场涌水量观测值进行对比，验证数值模型可靠性，识别含水层水文地质参数，预测多工作面回采过程中采空区涌水量及其流场变化趋势。
实施例2
内蒙古自治区东胜煤田呼吉尔特矿区某矿井主采延安组2-1煤，首采区共9个工作面，煤层回采期间直接充水含水层为顶板延安组、直罗组一段和直罗组二段含水层，首采区回采规划为9个工作面逐年连续回采，为此需要在工作面回采前精细预测这9个工作面随着采掘进度不断进行的采空区涌水量，为首采区的排水系统及矿井永久排水系统的设计提供参考。
具体工作过程如下：
步骤1：充水含水层地层沉积规律研究；
根据侏罗系地层的标志层及其测井相特征，对比和划分了延安组三段、直罗组一段和直罗组二段地层。根据岩石学、古生物学及测井相特征，识别了延安组三段、直罗组一段和直罗组二段地层的沉积相，分析研究了其沉积相展布规律。延安组三段沉积相为三角洲平原沉积，发育四条北东-南西向河道；直罗组一段和直罗组二段主要为曲流河沉积，河床呈北西-南东向展布(图4-1至图4-3)。
步骤2：煤层回采“两带”发育高度计算；
采用经验公式、现场实测、室内数值模拟等方法综合确定煤层开采的垮落带为12m，导水裂缝带发育高度为70m
步骤3：多工作面采掘过程精细化内边界刻画；
为精细化刻画多工作面采掘过程，将工作面所在范围设置为排水边界，根据工作面设计的煤层回采速度，以月为时间步长进行逐月设置，对于已经开采形成的采空区范围，其排水标高为煤层底面标高，对于尚未回采的工作面范围，则不设置排水边界。具体的概化参数见表3。
排水边界的计算公式为：
式中：QD为工作面采空区涌水量(m3/d)，即由充水含水层流入采空区的水量；CD为含水层流向采空区的水力传导系数(m2/d)；H为充水含水层水头标高(m)；HD为采空区排水标高，即煤层底板标高(m)。施工过程中的排水边界设置如表3所示。
表3排水边界参数设置(部分范围)
步骤4：水文地质概念模型构建；
分析研究区地下水补给、径流、排泄条件以及各含水层之间的水力联系，对研究水文地质条件进行概化。根据步骤1中充水含水层地层沉积相展布规律划分含水层水文地质参数分区，根据步骤2中垮落带和导水裂缝带发育高度结果，将原有11层地层中多剖分出这两层模型层，设置垮落带的渗透系数为原始地层的5～10倍，裂缝带的渗透系数为原始地层的2～4倍。结合步骤3中多工作面随采精细化边界条件的概化，建立相应的数学模型。
具体步骤为：
(1)根据步骤1充水含水层地层沉积规律研究得到的水文地质条件，煤层位于延安组，其直接充水含水层为承压含水层，因此主渗流方程为承压含水层三维渗流方程；
(2)初始条件：收集研究区内各含水层初始的水头标高，绘制水位等值线图，作为数学模型中的初始水位条件；
(3)分析步骤3中得到多工作面随采精细化边界条件：含水层地下水流向基本为东南流向西北，平面上可将东南边界概化为第二类流量边界(补给边界)，西北边界概化为第二类流量边界(排泄边界)，东北和西南边界处地下水位基本与边界垂直，因此概化为零流量边界；对于模拟区顶部边界，在该边界主要发生大气降水入渗补给、潜水蒸发排泄等，可概化为潜水面边界；底板边界为煤底板，可概化为隔水边界(图5)。
(4)参数分区：根据水文地质条件分析，对研究区水文地质进行了概化，建立了从地面到煤层底板共11层模型。根据侏罗系地层沉积规律研究 (步骤1)，划分了延安组三段、直罗组一段和二段的水文地质参数分区(图 6-1至图6-3)。
考虑到工作面采掘开始后煤层顶板出现冒落带和导水裂缝带(步骤2)，为准确刻画冒落带和导水裂缝带形态以及模拟其水量运移，将煤层顶板延安组12m处(冒落带顶板))以及70m处(导水裂缝带顶板)分别加密剖分一层以达到准确刻画模拟区采掘后的含水层结构。考虑冒落带和裂隙带的渗透系数参数比完整地层大，将冒落带和裂隙带的渗透系数分别设置为 0.15m/d和0.1m/d。
(5)首采区回采概化：研究区首采区共有9个工作面。矿井开始回采后每天计划回采19刀共15.2m，每一个工作面计划一年内采完。结合矿方实际情况，21102为首采工作面，依次向东回采至21110，共9个工作面，计划历时9年完成。因此在时间上，模拟期为2016年1月至2025年1月，共计108个月。结合工作面采掘进度安排，将模拟期以自然月为单位，划分为108个应力期。
建立的数学模型为：
式中：H为水头标高(m)；K为渗透系数(m/d)，Kxx，Kyy，Kzz为x， y，z轴主渗透系数(m/d)；Ss为弹性释水率(1/d)；W为降水入渗补给强度和蒸散发强度(m2/d)；μ为给水度；x，y，z为空间坐标变量(m)；t为时间变量(d)；Ω为模拟区；Γ1为潜水面边界；n为各边界面的外法线方向； H(x,y,z,0)和H0(x,y,z)为模拟区初始水头(m)；q为第二类定流量边界流量(m3/d)，流入为正，流出为负，
表示边界单位法向向量的偏导数，
表示Γ1边界处的水头。
步骤5：数值法预测多工作面采空区涌水量。
采用较为流行的数值模型软件VisualMODFLOW软件，将水文地质参数分区、导水裂缝带分层以及工作面连续回采精细化表征内边界代入软件中进行涌水量计算。预测的多工作面连续回采采空区涌水量变化曲线见图6。计算的首采工作面涌水量为587m3/h，而首采工作面回采完实际采空区涌水量约为600m3/h，涌水量计算值和实际值基本一致，说明该方法和模型在工作面采空区涌水量计算中精度较高。
注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (5)
1.一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，其特征在于，包括：
地层沉积规律研究步骤，用于依据采集勘探取样确定地质沉积相赋存形态；
回采两带高度计算步骤，用于确定煤层开采的垮落带和导水裂缝带发育高度；
采掘过程精细刻画步骤，用于从时间、空间和水位精细化表征多工作面连续回采过程并概化多工作面随采精细化边界条件；
地质概念模型构建步骤，根据所述地质沉积相赋存形态和所述垮落带和导水裂缝带发育高度重新剖分出两层模型；基于概化的随采精细化边界条件建立水文地质概念模型；
采空区涌水量预测步骤，基于所述水文地质概念模型预测采空区涌水量。
2.根据权利要求1所述的一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，其特征在于，采掘过程精细刻画步骤中，将回采工作面所在范围设置为排水边界，根据工作面设计的煤层回采速度，以固定时间为步长逐月设置，对于已经开采形成的采空区范围，其排水标高为煤层底面标高，对于尚未回采的工作面范围，则不设置排水边界。
3.根据权利要求1所述的一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，其特征在于，采掘过程精细刻画步骤中，基于下式计算排水边界：
式中：QD为工作面采空区涌水量，即由充水含水层流入采空区的水量；CD为含水层流向采空区的水力传导系数(m2/d)；H为充水含水层水头标高；HD为采空区排水标高，即煤层底板标高。
4.根据权利要求1所述的一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，其特征在于，地质概念模型构建步骤具体包括：
渗流方程确定子步骤，根据地质沉积相赋存形态确定含水层三维渗流方程；
初始条件确定子步骤，收集研究区内各含水层初始的水头标高，绘制水位等值线图，作为数学模型中的初始水位条件；
概化随采精细化边界条件、水文地质以及首采区，加密部分冒落带顶板和导水裂缝带顶板，结合工作面采掘进度安排，将模拟期以预设时间为为单位，划分为多个应力期。
5.根据权利要求1所述的一种多工作面采空区涌水量随采精细化预测方法，其特征在于，采空区涌水量预测步骤中，将水文地质参数分区、导水裂缝带分层以及工作面连续回采精细化表征内边界代入数值模型软件中进行涌水量计算。
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