CN111695303A - 一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，包括步骤：确定煤层顶板直接充水含水层；确定煤层顶板充水强度主控因素；主控因素量化、专题图绘制及建立主控因素量化数据库；确定各主控因素对顶板砂岩含水层充水强度的影响权重；构建顶板充水强度评价模型计算充水强度指数；顶板充水强度评价与分区。本发明首次提出了充水强度指数的概念，用来表征不同区域矿井涌水量的相对大小，该方法将影响矿井充水强度的因素分为充水水源及充水通道，充分体现了自然因素与人为采矿因素对顶板砂岩充水强度的影响，充水强度评价结果直接应用于矿井涌水量大小的对比中，指导不同区域排水系统管路的布置，相比其他矿井涌水量预测方法更具科学性与实用性。

Description

一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法

技术领域

本发明属于井田勘探技术领域，特别是涉及一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法。

背景技术

煤层顶板砂岩含水层是矿井顶板涌水的主要来源，而采煤形成的顶板导水裂隙带是顶板水涌入矿井的主要充水通道。随着现代化矿井建设步伐的加快、采矿技术的逐渐成熟，采煤工作面的宽度及长度在不断增加，采矿活动对含水层的扰动程度越来越大，矿井顶板涌水量也就随之增加。为了防止大量地下水涌入矿井造成水害事故，矿井不得不加大排水能力，但考虑到成本的问题排水系统不能没有重点的在所有区域统统加强排水能力，而排水重点的划分是以矿井涌水量大小为标准确定的，于是需要提前预测各区域的矿井涌水量大小。

目前对于矿井涌水量的预测主要采用的方法为比拟法、解析法和数值法，该类方法的计算结果主要依赖含水层厚度及渗透系数，计算过程中仅仅考虑了自然因素对矿井涌水量的影响作用，其主要存在以下三个缺陷：一是没有体现人为采矿活动形成的导水裂隙带对矿井涌水量大小造成的影响，二是考虑的自然因素过少，使得计算结果不能反映含水层自身的沉积特征、岩层破碎情况对涌水量的影响程度，三是由于预测精度较低，计算结果只能表示大范围内的矿井涌水量，不能反映单个工作面内部小尺度内涌水量大小的变化情况，计算结果对矿井排水管路的布置指导意义不强。

发明内容

本发明目的在于满足目前对煤层顶板砂岩含水层充水强度评价的需求，完善现有理论与技术，提高煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法的科学性与实用性，提供了一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：

一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，包括以下步骤：

(1)确定煤层顶板直接充水含水层；

(2)确定煤层顶板充水强度主控因素；

(3)主控因素量化、专题图绘制及建立主控因素量化数据库；

(4)确定各主控因素对顶板砂岩含水层充水强度的影响权重；

(5)构建顶板充水强度评价模型计算充水强度指数；

(6)顶板充水强度评价与分区。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)中确定煤层顶板直接充水含水层的步骤为：首先计算各区域导水裂隙带高度并换算成标高，并根据地质钻孔数据统计出顶板各含水层顶底界标高，然后通过构建导水裂隙带与含水层空间关系模型，分析导水裂隙带与煤层顶板各含水层顶底界的空间位置关系，确定导水裂隙带范围内的含水层即为顶板直接充水含水层。

本发明进一步的改进在于，计算各区域导水裂隙带高度的方法为：若研究区有导水裂隙带高度实测数据，则根据实测数据对相关规范提供的经验公式进行修正计算修正系数，其中修正系数为实测结果与经验公式计算结果的比值，再根据修正后的经验计算导水裂隙带高度，若无实测数据则采用相似条件比拟、经验公式计算的方法预计导水裂隙带高度。

本发明进一步的改进在于，步骤(2)中确定煤层顶板充水强度主控因素，包括：将充水强度主控因素分为充水水源与充水通道两个方面，充水水源方面为含水层厚度、岩心采取率、渗透系数和沉积环境影响指数，充水通道方面为含水层扰动指数。

本发明进一步的改进在于，沉积环境影响指数表示地层沉积特征的差异造成储水空间及导水性能的差别，从而影响充水强度，计算方法为：首先，根据钻孔岩层的组分、粒度、胶结物及形式、分选性、磨圆度对其沉积特征进行识别，判定其沉积相并细分沉积亚/微相，之后，按照沉积亚/微相对含水层充水强度影响程度的不同进行赋值，赋值标准如下表：

最后，按照以下公式计算该区域的沉积环境影响指数：

式中：SI为沉积环境影响指数；a为水下分流河道相厚度；b为分流间湾、天然堤、沼泽相厚度；c为河道砂坝相厚度；d为泛滥平原、河漫滩相厚度。

本发明进一步的改进在于，含水层扰动指数其含义为综合反映垮落带和裂隙带对含水层的扰动程度，表示充水通道的通畅程度，垮落带与裂隙带对含水层的扰动程度不同，垮落带内岩层失去整体性，岩块杂乱、裂隙宽大、联通性强，而裂隙带内岩层依然保持整体性，裂隙较窄、连通性相对垮落带差，其计算方法为：首先，计算出垮落带、导水裂隙带发育高度，垮落带高度计算方法为若研究区有垮落带高度实测数据，则根据实测数据对相关规范提供的经验公式进行修正计算修正系数，其中修正系数为实测结果与经验公式计算结果的比值，再根据修正后的经验公式计算垮落带高度，若无实测数据则采用相似条件比拟、经验公式计算的方法预计垮落带高度，然后，分别对比垮落带、导水裂隙带对直罗组一段含水层的破坏厚度，最后，将垮落带的破坏厚度赋值为1，裂隙带的破坏厚度赋值为0.3，通过含水层扰动指数计算公式计算“两带”对直接充水含水层的扰动指数：

式中：DI为含水层扰动指数，M_k为直接充水含水层被垮落带破坏的厚度、M_d为直接充水含水层被导水裂隙带破坏的厚度，M为直接充水含水层厚度。

本发明进一步的改进在于，步骤(3)中主控因素量化、专题图绘制及建立主控因素量化数据库，以地质钻孔及水文地质钻孔为基础对各主控因素进行提取与量化，采用Surfer软件对钻孔因素量化数据进行插值，获得研究区各区块的主控因素量化值，借助ArcGIS软件的专题图展示与数据分析功能，绘制出各主控因素专题图，各主控因素专题图通过“归一化”与“联合”操作实现主控因素量化数据库的构建。

本发明进一步的改进在于，步骤(4)中确定各主控因素对顶板砂岩含水层充水强度的影响权重，采用定性与定量相结合的权重确定方法—层次分析法进行权重的计算，首先将各主控因素划分为层次结构模型，然后在咨询行业内资深专家意见的基础上两两比较主控因素的相对重要程度，并据此构建判断矩阵，最后通过层次排序及一致性检验计算出各主控因素对充水强度的影响权重。

本发明进一步的改进在于，步骤(5)构建顶板充水强度评价模型计算充水强度指数，根据多源信息融合理论构建的充水强度评价模型如下：

式中：FI为充水强度指数；W_i为主控因素权重；f_i(x,y)为主控因素量化函数；x、y为位置坐标；n为主控因素的个数；

然后将步骤(3)建立的主控因素量化数据导入到充水强度评价模型中，计算出各区域的充水强度指数。

本发明进一步的改进在于，步骤(6)中充水强度评价与分区，充水强度指数大小代表该区域矿井涌水量的相对大小，根据充水强度指数大小将充水强度分为五个等级，充水强度等级由小到大分别为相对弱充水区、较弱充水区、中等充水区、较强充水区、相对强充水区，采用聚类分析方法计算分区阈值向量T＝(t₁，t₂，t₃，t₄)，然后根据分区阈值与充水强度分区之间的对应关系对研究区充水强度进行分区，充水强度分区等级与分区阈值关系为：

min(FI)≤相对弱充水区<t₁；

t₁≤较弱充水区<t₂；

t₂≤中等充水区<t₃；

t₃≤较强充水区<t₄；

t₄≤相对强充水区≤max(FI)；

采用聚类分析方法计算分区阈值向量，且采用的聚类分析方法为快速均值聚类K-means算法，该方法通过测算类内距与类间距，使得每类内的数据最为相似，计算过程具体可分为以下步骤：

将步骤(5)计算出的充水强度指数采用K-means算法分为五类，获得每个充水强度指数对应的类别；

将获得的充水强度指数对应的类别按照充水强度指数的大小进行排序，寻找两个相邻类别变化位置处所对应的充水强度指数，共获得包含8个充水强度指数临界值的临界向量C＝(c₁，c₂，c₃，c₄，c₅，c₆，c₇，c₈)；

按照以下表达式计算充水强度分区阈值向量T：

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法—充水强度指数法，充水强度指数表示不同区域矿井涌水量的相对大小，该方法综合考虑自然因素与人为采矿因素对矿井充水强度的影响，考虑的因素包括含水层厚度、渗透系数、沉积环境影响指数、岩心采取率及含水层扰动指数，其中沉积环境影响指数能够体现地层沉积条件对矿井充水强度的影响，含水层扰动指数则表示了垮落带、裂隙带对含水层的破坏程度，能够体现采矿活动对充水强度的影响作用，采用多因素融合理论借助ArcGIS软件平台实现充水强度的评价与分区，分区结果能够直观的展示各区域在人为采动的影响下充水强度的相对大小，对排水管路的布置具有很强的指导意义。充水强度指数法考虑因素全面、评价过程科学性强、评价结果实用性强，对保障矿井安全开采的具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的实施步骤图。

图2为本发明实施例提供的含水层厚度归一化专题图。

图3为本发明实施例提供的沉积环境影响指数归一化专题图。

图4为本发明实施例提供的岩心采取率归一化专题图。

图5为本发明实施例提供的渗透系数归一化专题图。

图6为本发明实施例提供的含水层扰动指数归一化专题图。

图7为本发明实施例提供的充水强度分区图。

图8为层次分析法中层次结构模型图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

根据某矿存在的煤层顶板砂岩含水层涌水量大、不同区域涌水量差别明显的问题，对该矿煤层顶板砂岩含水层充水强度进行评价。研究区地处蒙陕矿区，目前主采延安组3^-1煤，煤层顶板上覆含水层由下至上分别为直罗组一段含水层、直罗组二段含水层、白垩系含水层及第四系含水层，隔水层主要为白垩系与直罗组之间的安定组隔水层。

充水强度评价包括以下步骤：

1.确定煤层顶板直接充水含水层；

研究区对煤层顶板导水裂隙带高度实测结果显示，采高4.5m时，导水裂隙带高度为110m，根据《煤矿防治水手册》中提供的中国矿业大学(北京)总结出的经验公式，按照研究区实际开采条件选取以下经验公式：

式中：H_li为导水裂隙带高度，m；M为采厚，m。

根据实测结果对经验公式进行修正，经验公式计算结果为55.9±11.49m，得到修正系数为1.97，修正后的导水裂隙带经验公式为：

根据对煤层厚度的统计采用修正后的经验公式计算获得各区域导水裂隙带高度预测值，并换算成导水裂隙带标高。根据钻孔数据统计顶板直罗组一段含水层、直罗组二段含水层、白垩系含水层及第四系含水层顶底界标高，然后构建导水裂隙带与含水层空间关系模型，分析导水裂隙带与煤层顶板各含水层顶底界的空间位置关系，根据对空间关系模型的分析，研究区3^-1煤开采形成的导水裂隙带范围内的含水层为直罗组一段含水层，导水裂隙带高度未波及直罗组二段及以上含水层，即直罗组一段含水层为研究区煤层顶板直接充水含水层。

2.确定煤层顶板充水强度主控因素；

根据对研究区矿井充水强度影响因素及实际地质、水文地质条件的分析，选取充水水源方面的主要控制因素为含水层厚度、岩心采取率、渗透系数和沉积环境影响指数，充水通道方面为含水层扰动指数。

3.主控因素量化及其专题图绘制；

主控因素中含水层厚度、岩心采取率及渗透系数根据研究区地质及水文地质钻孔的统计获得，沉积环境影响指数及含水层扰动指数需经分析计算获得。

其中沉积环境影响指数计算时，首先，根据各钻孔岩层的组分、粒度、分选性、磨圆度等对其沉积特征进行识别，判定其沉积相并细分沉积亚(微)相，之后，按照沉积亚(微)相对含水层充水强度影响程度的不同进行赋值，赋值标准如下表：

最后，按照以下公式计算该区域的沉积环境影响指数：

式中：SI为沉积环境影响指数；a为(水下)分流河道相厚度；b为分流间湾、天然堤、沼泽相厚度；c为河道砂坝相厚度；d为泛滥平原、河漫滩相厚度。

其中在含水层扰动指数计算时需获得垮落带、导水裂隙带发育高度及直罗组一段含水层的顶底界范围，垮落带高度计算方法与导水裂隙带高度计算方法一致，研究区实测结果为采高4.5m时，垮落带高度18.9m，根据《煤矿防治水手册》中提供的中国矿业大学(北京)总结出的经验公式，按照研究区实际开采条件选取以下经验公式：

式中：H_k为垮落带高度，m；M为采厚，m。

根据实测结果对经验公式进行修正，经验公式计算结果为21.1±4.71m，得到修正系数为0.9，修正后的垮落带经验公式为：

根据对煤层厚度的统计采用修正后的经验公式计算获得各区域垮落带高度预测值，并根据煤层顶板标高换算成垮落带标高，根据垮落带、导水裂隙带、直罗组一段顶底界标高统计结果计算“两带”对直罗组一段的破坏厚度，最后通过采用含水层扰动指数计算公式进行计算：

式中：DI为含水层扰动指数，M_k为直罗组一段含水层被垮落带破坏的厚度、M_d为直罗组一段含水层被导水裂隙带破坏的厚度，M为直罗组一段含水层厚度。

根据以上各因素量化数据采用Surfer软件对各因素量化数据进行插值，获得研究区各区块的主控因素量化值，借助ArcGIS软件的专题图展示与数据分析功能，绘制出各主控因素专题图，各主控因素专题图通过“归一化”与“联合”操作实现主控因素量化数据库的构建如图2～6。

4.确定各主控因素对顶板砂岩含水层充水强度的影响权重；

采用定性与定量相结合的权重确定方法—层次分析法(AHP)进行权重的计算，首先将各主控因素划分为层次结构模型，将五个主控因素分为充水水源及充水通道两个准则层，层次结构模型如图8所示。

然后在咨询行业内资深专家意见的基础上两两比较各层因素之间的相对重要程度，并据此构建判断矩阵，最后通过层次排序及一致性检验计算出各主控因素对充水强度的影响权

重。主控因素权重如下表所示：

5.构建顶板充水强度评价模型计算充水强度指数；

根据多源信息融合理论构建的充水强度评价模型如下：

式中：FI为充水强度指数；W_i为主控因素权重；f_i(x,y)为主控因素量化函数；x、y为位置坐标；n为主控因素的个数。

将步骤3构建出的主控因素数据库导入到充水强度评价模型中，计算出各区域的充水强度指数，主控因素归一化数据及充水强度指数如下表：

注：数据较多仅截取部分供参考。

6.顶板充水强度评价与分区；

充水强度指数大小代表该区域矿井涌水量的相对大小，根据充水强度指数大小将充水强度分为五个等级，充水强度等级由小到大分别为相对弱充水区、较弱充水区、中等充水区、较强充水区、相对强充水区，采用快速均值聚类(K-means)算法计算分区阈值向量(T＝(t₁，t₂，t₃，t₄))。具体包括以下步骤：

(1)将步骤5计算出的充水强度指数采用K-means算法将其分为五类，获得每个充水强度指数对应的类别，充水强度指数类别划分如下表：

注：数据较多仅截取部分供参考。

(2)将获得的充水强度指数对应的类别按照充水强度指数的大小进行排序，寻找两个相邻类别变化位置所对应的充水强度指数，共可获得8个充水强度指数临界值向量(C＝(c₁，c₂，c₃，c₄，c₅，c₆，c₇，c₈))；临界向量对应的充水强度指数如下表：

临界值	C<sub>1</sub>	C<sub>2</sub>	C<sub>3</sub>	C<sub>4</sub>	C<sub>5</sub>	C<sub>6</sub>	C<sub>7</sub>	C<sub>8</sub>
									充水强度指数	0.3975	0.3989	0.4736	0.4743	0.5651	0.5658	0.6701	0.6715

(3)按照以下表达式计算充水强度分区阈值向量T：

min(FI)＝0.2590，max(FI)＝0.8829。

则充水强度分区等级与分区阈值对应关系为：

0.2590≤相对弱充水区<0.3982；

0.3982≤较弱充水区<0.4740；

0.4740≤中等充水区<0.5655；

0.5655≤较强充水区<0.6708；

0.6708≤相对强充水区≤0.8829；

按照上述的充水强度分区等级与分区阈值对应关系对研究区充水强度进行分区，得到充水强度分区图，如图7所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内，所做的修改、等同代换等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定煤层顶板直接充水含水层；

(2)确定煤层顶板充水强度主控因素；

(3)主控因素量化、专题图绘制及建立主控因素量化数据库；

(4)确定各主控因素对顶板砂岩含水层充水强度的影响权重；

(5)构建顶板充水强度评价模型计算充水强度指数；

(6)顶板充水强度评价与分区。

2.根据权利要求1所述的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，步骤(1)中确定煤层顶板直接充水含水层的步骤为：首先计算各区域导水裂隙带高度并换算成标高，并根据地质钻孔数据统计出顶板各含水层顶底界标高，然后通过构建导水裂隙带与含水层空间关系模型，分析导水裂隙带与煤层顶板各含水层顶底界的空间位置关系，确定导水裂隙带范围内的含水层即为顶板直接充水含水层。

3.根据权利要求2所述的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，计算各区域导水裂隙带高度的方法为：若研究区有导水裂隙带高度实测数据，则根据实测数据对相关规范提供的经验公式进行修正计算修正系数，其中修正系数为实测结果与经验公式计算结果的比值，再根据修正后的经验计算导水裂隙带高度，若无实测数据则采用相似条件比拟、经验公式计算的方法预计导水裂隙带高度。

4.根据权利要求1所述的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，步骤(2)中确定煤层顶板充水强度主控因素，包括：将充水强度主控因素分为充水水源与充水通道两个方面，充水水源方面为含水层厚度、岩心采取率、渗透系数和沉积环境影响指数，充水通道方面为含水层扰动指数。

5.根据权利要求4所述的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，沉积环境影响指数表示地层沉积特征的差异造成储水空间及导水性能的差别，从而影响充水强度，计算方法为：首先，根据钻孔岩层的组分、粒度、胶结物及形式、分选性、磨圆度对其沉积特征进行识别，判定其沉积相并细分沉积亚/微相，之后，按照沉积亚/微相对含水层充水强度影响程度的不同进行赋值，赋值标准如下表：

最后，按照以下公式计算该区域的沉积环境影响指数：

式中：SI为沉积环境影响指数；a为水下分流河道相厚度；b为分流间湾、天然堤、沼泽相厚度；c为河道砂坝相厚度；d为泛滥平原、河漫滩相厚度。

6.根据权利要求4所述的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，含水层扰动指数其含义为综合反映垮落带和裂隙带对含水层的扰动程度，表示充水通道的通畅程度，垮落带与裂隙带对含水层的扰动程度不同，垮落带内岩层失去整体性，岩块杂乱、裂隙宽大、联通性强，而裂隙带内岩层依然保持整体性，裂隙较窄、连通性相对垮落带差，其计算方法为：首先，计算出垮落带、导水裂隙带发育高度，垮落带高度计算方法为若研究区有垮落带高度实测数据，则根据实测数据对相关规范提供的经验公式进行修正计算修正系数，其中修正系数为实测结果与经验公式计算结果的比值，再根据修正后的经验公式计算垮落带高度，若无实测数据则采用相似条件比拟、经验公式计算的方法预计垮落带高度，然后，分别对比垮落带、导水裂隙带对直罗组一段含水层的破坏厚度，最后，将垮落带的破坏厚度赋值为1，裂隙带的破坏厚度赋值为0.3，通过含水层扰动指数计算公式计算“两带”对直接充水含水层的扰动指数：

式中：DI为含水层扰动指数，M_k为直接充水含水层被垮落带破坏的厚度、M_d为直接充水含水层被导水裂隙带破坏的厚度，M为直接充水含水层厚度。

7.根据权利要求1所述的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，步骤(3)中主控因素量化、专题图绘制及建立主控因素量化数据库，以地质钻孔及水文地质钻孔为基础对各主控因素进行提取与量化，采用Surfer软件对钻孔因素量化数据进行插值，获得研究区各区块的主控因素量化值，借助ArcGIS软件的专题图展示与数据分析功能，绘制出各主控因素专题图，各主控因素专题图通过“归一化”与“联合”操作实现主控因素量化数据库的构建。

8.根据权利要求1所述的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，步骤(4)中确定各主控因素对顶板砂岩含水层充水强度的影响权重，采用定性与定量相结合的权重确定方法—层次分析法进行权重的计算，首先将各主控因素划分为层次结构模型，然后在咨询行业内资深专家意见的基础上两两比较主控因素的相对重要程度，并据此构建判断矩阵，最后通过层次排序及一致性检验计算出各主控因素对充水强度的影响权重。

9.根据权利要求1所述的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，步骤(5)构建顶板充水强度评价模型计算充水强度指数，根据多源信息融合理论构建的充水强度评价模型如下：

式中：FI为充水强度指数；W_i为主控因素权重；f_i(x,y)为主控因素量化函数；x、y为位置坐标；n为主控因素的个数；

然后将步骤(3)建立的主控因素量化数据导入到充水强度评价模型中，计算出各区域的充水强度指数。

10.根据权利要求1所述的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，步骤(6)中充水强度评价与分区，充水强度指数大小代表该区域矿井涌水量的相对大小，根据充水强度指数大小将充水强度分为五个等级，充水强度等级由小到大分别为相对弱充水区、较弱充水区、中等充水区、较强充水区、相对强充水区，采用聚类分析方法计算分区阈值向量T＝(t₁，t₂，t₃，t₄)，然后根据分区阈值与充水强度分区之间的对应关系对研究区充水强度进行分区，充水强度分区等级与分区阈值关系为：

min(FI)≤相对弱充水区<t₁；

t₁≤较弱充水区<t₂；

t₂≤中等充水区<t₃；

t₃≤较强充水区<t₄；

t₄≤相对强充水区≤max(FI)；

采用聚类分析方法计算分区阈值向量，且采用的聚类分析方法为快速均值聚类K-means算法，该方法通过测算类内距与类间距，使得每类内的数据最为相似，计算过程具体可分为以下步骤：

将步骤(5)计算出的充水强度指数采用K-means算法分为五类，获得每个充水强度指数对应的类别；

将获得的充水强度指数对应的类别按照充水强度指数的大小进行排序，寻找两个相邻类别变化位置处所对应的充水强度指数，共获得包含8个充水强度指数临界值的临界向量C＝(c₁，c₂，c₃，c₄，c₅，c₆，c₇，c₈)；

按照以下表达式计算充水强度分区阈值向量T：

Images