CN111680896A - 一种煤矿地下水库安全距离确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种煤矿地下水库安全距离确定方法，其包括：确定测点的煤岩层厚度和地质构造情况，并制作煤岩样标准试验；对测点煤岩样进行物理力学性质测试，获取其预设类型的物理力学参数；基于所获取的测点煤岩样的预设类型的物理力学参数，开展模拟试验，分析煤矿地下水库坝体和地下水库底板的裂隙发育及渗透率变化情况；基于模拟试验结果，进行上煤层煤矿地下水库安全稳定性评价；基于地下水库安全稳定性评价结果，确定煤矿地下水库安全距离。本发明的方法可确定下煤层首采面与上煤层地下水库之间的水平安全距离，从而可确保在下煤层开采扰动下，对上煤层地下水库结构不会造成破坏。

Description

一种煤矿地下水库安全距离确定方法
技术领域
本发明涉及煤炭开采和水利工程技术领域，特别是指一种煤矿地下水库安全距离确定方法。
背景技术
煤炭是我国储量最丰富的化石能源，占能源总储量的96％，且煤炭是我国的主体能源，长期占一次能源生产和消费的70％左右。煤炭资源保障着我国国民经济的发展速度，同时也保障着我国的能源安全。与此同时，煤炭大规模的开发引发了地表沉陷、土壤盐碱化、环境沙漠化、水资源破坏等环境问题。其中，煤炭开发水资源损失的主要原因是矿井水外排地面没有得到有效利用，在西部矿区尤为明显。
国家能源集团“煤炭开采水资源保护与利用”技术团队在研究和掌握西部矿区煤炭采前、采中和采后地下水系统变化规律的基础上，在国内外创新提出以“导储用”为特征的煤矿地下水库储用矿井水理念。该技术突破了原有“堵截法”保水理念，即利用煤炭开采形成的采空区岩体空隙储水，将安全煤柱用人工坝体连接形成水库坝体，同时建设矿井水入库设施和取水设施，充分利用采空区岩体对矿井水的自然净化作用。经过20年研究开发与工程实践，创建了煤矿地下水库设计、建设和运行理论框架和技术体系。
煤矿开采中为确保下煤层开采时，上煤层地下水库安全运行，必须确保水平安全距离(图2)。但目前，国内外尚无关于煤矿地下水库安全距离确定方法的技术方案，因此无法在下煤层开采时，确保上煤层地下水库安全运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种煤矿地下水库安全距离确定方法，以解决目前缺少关于煤矿地下水库安全距离确定方法的技术方案，造成无法在下煤层开采时，有效确保上煤层地下水库安全运行的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种煤矿地下水库安全距离确定方法，其包括：
确定测点的煤岩层厚度和地质构造情况，并制作煤岩样标准试验；
对测点煤岩样进行物理力学性质测试，获取其预设类型的物理力学参数；
基于所获取的测点煤岩样的预设类型的物理力学参数，开展模拟试验，分析煤矿地下水库坝体和地下水库底板的裂隙发育及渗透率变化情况；
基于模拟试验结果，进行上煤层煤矿地下水库安全稳定性评价；
基于地下水库安全稳定性评价结果，确定煤矿地下水库安全距离。
其中，确定测点煤岩层厚度和地质构造情况，制作煤岩样标准试验，包括：
通过在上煤层地下水库靠近下煤层首采面水平距离之间的上方地表进行钻探，得到相应测点的煤岩层厚度和地质构造情况；
按照预设的试验制定标准，制作相应测点的煤岩样标准试验。
其中，所述对测点煤岩样进行物理力学性质测试，获取其预设类型的物理力学参数，包括：
对测点煤岩样进行密度、吸水率、饱和吸水率、劈裂试验、三轴和单轴试验以及渗透试验测试，获取测点煤岩样的密度、吸水率、饱和吸水率、单轴抗压强度、三轴抗压强度、渗透系数、弹性模量、粘滞力以及内摩擦角。
其中，基于获取的测点煤岩样的预设类型的物理力学参数，开展模拟试验，分析煤矿地下水库坝体和地下水库底板的裂隙发育及渗透率变化情况，包括：
依据测点煤矿区的地质构造和所获取的测点煤岩样的预设类型的物理力学参数，开展数值模拟和相似模拟试验；
在上煤层地下水库坝体、地下水库底部以及水平距离内分别布设预设类型的传感器，根据地下水库坝体、地下水库底部以及水平距离内的传感器的检测值，分析煤矿地下水库坝体和地下水库底板的裂隙发育及渗透率变化情况。
其中，所述数值模拟试验的组数不少于5组，所述相似模拟试验的组数不少于2组，几何相似比不小于1:200。
其中，预设类型的传感器包括位移传感器、应力传感器以及应变传感器。
其中，基于模拟试验结果进行上煤层煤矿地下水库安全稳定性评价，包括：
基于模拟试验结果，进行煤柱坝体安全性评价；
基于模拟试验结果，进行煤矿地下水库底板渗透性评价。
其中，所述基于模拟试验结果，进行煤柱坝体安全性评价，包括：
计算煤柱坝体的安全系数k；其中，k的值越大，表示对应测点处越安全，如果k小于1，则表示对应测点处于不安全状态；k的值通过下式计算：
Figure BDA0002510607290000031
其中，τp为煤柱坝体的抗剪承载力，τα为煤柱坝体的实际剪切力，σa为实际正应力，c为粘聚力，
Figure BDA0002510607290000032
为内摩擦角；
将k等于1的测点与地下水库之间的水平距离作为第一距离S1。
其中，所述基于模拟试验结果，进行煤矿地下水库底板渗透性评价，包括：
通过观测和数据分析相结合的方式，在数值模拟和物理模拟试验中，若下煤层开采引起的覆岩裂隙发育范围扩散到煤矿地下水库底板，则表明此情况下的煤矿地下水库处于不安全状态，记录此时上下煤层水平距离为第二距离S2；
通过分析模拟试验中监测数据，计算各测点渗透率，若渗透系数大于1×10-6m/s，则表明下煤层开采引起的覆岩裂隙已导通上煤层煤矿地下水库，上煤层地下水库处于不安全状态，记录此时上下煤层水平距离为第三距离S3。
其中，所述基于地下水库安全稳定性评价结果，确定煤矿地下水库安全距离，包括：
通过下式计算煤矿地下水库安全距离：
S＝Cs×max(S1，S2，S3)
其中，S表示煤矿地下水库安全距离，Cs表示预设的安全保障系数。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明通过现场钻孔探测、实验室数值模拟和物理模拟等手段，计算得到不同开采距离下煤矿地下水库坝体安全系数和库底渗透系数，在此基础上，提出了煤矿地下矿山安全运行时的坝体安全系数和库底渗透系数，从而确定下煤层首采面与上煤层地下水库之间的水平安全距离，确保在下煤层开采扰动下，对上煤层地下水库结构不会造成破坏；从而可为下煤层工作面布置提供参考。
附图说明
图1为本发明的煤矿地下水库安全距离确定方法的流程示意图；
图2为煤矿地下水库水平距离示意图；
图3为本发明的煤矿地下水库安全距离确定方法中钻孔布置和煤岩样采样区域示意图；
图4为煤层开采覆岩裂隙扩散示意图；
图5为本发明的煤矿地下水库安全距离确定方法的应用实例示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
请参阅图1至图4，本实施例提供一种煤矿地下水库安全距离确定方法，如图1所示，该煤矿地下水库安全距离确定方法包括以下步骤：
S101，确定测点的煤岩层厚度和地质构造情况，并制作煤岩样标准试验；
需要说明的是，在本实施例中，上述步骤具体为：
通过在上煤层地下水库靠近下煤层首采面水平距离之间的上方地表进行钻探，得到相应测点的煤岩层厚度和地质构造情况；
按照预设的试验制定标准，制作相应测点的煤岩样标准试验(直径50mm，高度为25和100mm)；其中，本实施例所参照的试验制定标准为：煤和岩石物理力学性质测定方法第一部分：采样基本规定》(GB/T 23561.1-2009)；本实施例所采用的钻孔布置和煤岩样采样区域的示意图如图2所示。
S102，对测点煤岩样进行物理力学性质测试，获取相关的物理力学参数；
需要说明的是，在本实施例中，上述步骤具体为：
对测点煤岩样进行密度、吸水率、饱和吸水率、劈裂试验、三轴和单轴试验以及渗透试验等测试，获取测点煤岩样的密度、吸水率、饱和吸水率、单轴抗压强度、三轴抗压强度、渗透系数、弹性模量、粘滞力以及内摩擦角等参数。
S103，基于所获取的测点煤岩样的预设类型的物理力学参数，开展模拟试验，分析煤矿地下水库坝体和地下水库底板的裂隙发育及渗透率变化情况；
需要说明的是，在本实施例中，上述步骤具体为：
依据测点煤矿区的地质构造和所获取的测点煤岩样的预设类型的物理力学参数，开展数值模拟和相似模拟试验；其中，数值模拟试验不少于5组，相似模拟试验不少于2组，几何相似比不小于1:200；
在上煤层地下水库坝体、地下水库底部以及水平距离内分别布设预设类型的传感器，根据地下水库坝体、地下水库底部以及水平距离内的传感器的检测值，分析煤矿地下水库坝体和地下水库底板的裂隙发育及渗透率变化情况；其中，本实例所应用的传感器包括位移传感器、应力传感器以及应变传感器。
S104，基于模拟试验结果，进行上煤层煤矿地下水库安全稳定性评价；
需要说明的是，在本实施例中，上述进行上煤层煤矿地下水库安全稳定性评价包括进行煤柱坝体安全性评价和进行煤矿地下水库底板渗透性评价：
其中，煤柱坝体安全性评价采用安全系数进行评价，具体为：
计算煤柱坝体的安全系数k；其中，k的值越大，表示对应测点处越安全，如果k小于1，则表示对应测点处于不安全状态；k的值通过如下两式计算：
Figure BDA0002510607290000051
其中，τp为煤柱坝体的抗剪承载力，τα为煤柱坝体的实际剪切力，σa为实际正应力，c为粘聚力，
Figure BDA0002510607290000052
为内摩擦角；c、
Figure BDA0002510607290000053
值与材料有关，可通过剪切试验确定。
将k等于1的测点与地下水库之间的水平距离作为第一距离S1。
煤矿地下水库底板渗透性评价，具体为：
通过观测和数据分析相结合的方式，在数值模拟和物理模拟试验中，若下煤层开采引起的覆岩裂隙发育范围扩散到煤矿地下水库底板，则表明此情况下的煤矿地下水库处于不安全状态，如图4所示，记录此时上下煤层水平距离为第二距离S2；
通过分析模拟试验中监测数据，计算各测点渗透率，若渗透系数大于1×10-6m/s，则表明下煤层开采引起的覆岩裂隙已导通上煤层煤矿地下水库，上煤层地下水库处于不安全状态，记录此时上下煤层水平距离为第三距离S3。
S105，基于地下水库安全稳定性评价结果，确定煤矿地下水库安全距离。
需要说明的是，在本实施例中，上述步骤具体为：选取数值模拟试验和物理模拟试验中煤矿地下水库处于安全状态时的最大水平距离为煤矿地下水库安全距离最优值，也即通过下式计算煤矿地下水库安全距离S：
S＝Cs×max(S1，S2，S3)
其中，Cs表示为确保安全而预先设定的安全保障系数，该安全保障系数Cs与实际水文地质条件有关，但一般不应小于1.4。S1，S2和S3是考虑不同限制条件时的安全距离，最终的安全距离应满足所有条件，所以最终安全距离应该S1，S2和S3中的最大值。其中S1保证抗剪强度不超过承载力，S2保证底板不会破坏，S3保证上下煤层没有连通。
下面，以一个实际的应用实例对本实施例的方案进行验证：
如图5所示，本实施例的煤矿地下水库安全距离确定方法，对大柳塔矿地下水库的建立提供了指导。大柳塔矿大柳塔井地处陕西省神木县大柳塔镇，位于能源“金三角”核心区，年生产煤炭约1800万吨。国家能源集团煤矿地下水库技术研发团队在该矿建成首个煤矿地下水库，并通过持续技术提升，建成世界首个煤矿分布式地下水库，实现了矿井水井下全部储存利用，并为井下和地面生产生活提供用水。该工程主要包括2-2煤层3座地下水库(1号、2号和3号)、52煤层4号地下水库，最高储水量约700万方。
在5-2煤层开采时，为确定首采工作面位置，也就是确定上下煤层水库安全距离，通过开展现场煤岩样物理力学性质测试，数值模拟和物理模拟试验，得到max(S1，S2，S3)为300米，取Cs值为2，得到安全距离600米，可以保障下煤层开采时，上煤层煤矿地下水库安全运行。经过近三年安全运行监测得到充分验证。
综上，本实施例通过现场钻孔探测、实验室数值模拟和物理模拟等手段，计算得到不同开采距离下煤矿地下水库坝体安全系数和库底渗透系数，提出了煤矿地下矿山安全运行时的坝体安全系数和库底渗透系数，从而确定下煤层首采面与上煤层地下水库之间的水平安全距离，确保在下煤层开采扰动下，对上煤层地下水库结构不会造成破坏；从而可为下煤层工作面布置提供参考。
此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
还需说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明的优选实施例，但对于本领域普通技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (10)

1.一种煤矿地下水库安全距离确定方法，其特征在于，包括：
确定测点的煤岩层厚度和地质构造情况，并制作煤岩样标准试验；
对测点煤岩样进行物理力学性质测试，获取其预设类型的物理力学参数；
基于所获取的测点煤岩样的预设类型的物理力学参数，开展模拟试验，分析煤矿地下水库坝体和地下水库底板的裂隙发育及渗透率变化情况；
基于模拟试验结果，进行上煤层煤矿地下水库安全稳定性评价；
基于地下水库安全稳定性评价结果，确定煤矿地下水库安全距离。
2.如权利要求1所述的煤矿地下水库安全距离确定方法，其特征在于，所述确定测点的煤岩层厚度和地质构造情况，并制作煤岩样标准试验，包括：
通过在上煤层地下水库靠近下煤层首采面水平距离之间的上方地表进行钻探，得到相应测点的煤岩层厚度和地质构造情况；
按照预设的试验制定标准，制作相应测点的煤岩样标准试验。
3.如权利要求1所述的煤矿地下水库安全距离确定方法，其特征在于，所述对测点煤岩样进行物理力学性质测试，获取其预设类型的物理力学参数，包括：
对测点煤岩样进行密度、吸水率、饱和吸水率、劈裂试验、三轴和单轴试验以及渗透试验测试，获取测点煤岩样的密度、吸水率、饱和吸水率、单轴抗压强度、三轴抗压强度、渗透系数、弹性模量、粘滞力以及内摩擦角。
4.如权利要求3所述的煤矿地下水库安全距离确定方法，其特征在于，所述基于所获取的测点煤岩样的预设类型的物理力学参数，开展模拟试验，分析煤矿地下水库坝体和地下水库底板的裂隙发育及渗透率变化情况，包括：
依据测点煤矿区的地质构造和所获取的测点煤岩样的预设类型的物理力学参数，开展数值模拟和相似模拟试验；
在上煤层地下水库坝体、地下水库底部以及水平距离内分别布设预设类型的传感器，根据地下水库坝体、地下水库底部以及水平距离内的传感器的检测值，分析煤矿地下水库坝体和地下水库底板的裂隙发育及渗透率变化情况。
5.如权利要求4所述的煤矿地下水库安全距离确定方法，其特征在于，所述数值模拟试验的组数不少于5组，所述相似模拟试验的组数不少于2组，几何相似比不小于1:200。
6.如权利要求4所述的煤矿地下水库安全距离确定方法，其特征在于，所述预设类型的传感器包括位移传感器、应力传感器以及应变传感器。
7.如权利要求4所述的煤矿地下水库安全距离确定方法，其特征在于，所述基于模拟试验结果，进行上煤层煤矿地下水库安全稳定性评价，包括：
基于模拟试验结果，进行煤柱坝体安全性评价；
基于模拟试验结果，进行煤矿地下水库底板渗透性评价。
8.如权利要求7所述的煤矿地下水库安全距离确定方法，其特征在于，所述基于模拟试验结果，进行煤柱坝体安全性评价，包括：
计算煤柱坝体的安全系数k；其中，k的值越大，表示对应测点处越安全，如果k小于1，则表示对应测点处于不安全状态；k的值通过下式计算：
Figure FDA0002510607280000021
其中，τp为煤柱坝体的抗剪承载力，τα为煤柱坝体的实际剪切力，σa为实际正应力，c为粘聚力，
Figure FDA0002510607280000022
为内摩擦角；
将k等于1的测点与地下水库之间的水平距离作为第一距离S1。
9.如权利要求8所述的煤矿地下水库安全距离确定方法，其特征在于，所述基于模拟试验结果，进行煤矿地下水库底板渗透性评价，包括：
通过观测和数据分析相结合的方式，在数值模拟和物理模拟试验中，若下煤层开采引起的覆岩裂隙发育范围扩散到煤矿地下水库底板，则表明此情况下的煤矿地下水库处于不安全状态，记录此时上下煤层水平距离为第二距离S2；
通过分析模拟试验中监测数据，计算各测点渗透率，若渗透系数大于1×10-6m/s，则表明下煤层开采引起的覆岩裂隙已导通上煤层煤矿地下水库，上煤层地下水库处于不安全状态，记录此时上下煤层水平距离为第三距离S3。
10.如权利要求9所述的煤矿地下水库安全距离确定方法，其特征在于，所述基于地下水库安全稳定性评价结果，确定煤矿地下水库安全距离，包括：
通过下式计算煤矿地下水库安全距离：
S＝Cs×max(S1，S2，S3)
其中，S表示煤矿地下水库安全距离，Cs表示预设的安全保障系数。
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