CN111927555A - 一种开采扰动条件下煤矿工作面涌水量的动态预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开采扰动条件下煤矿工作面涌水量的动态预测方法，包括以下步骤：(1)建立天然状态下的矿区地下水流数值模型；(2)基于采煤扰动诱发导水裂隙的动态发育特征，确定采煤至工作面不同阶段对含水层水文地质参数的影响规律；(3)准备不同开采阶段的模型输入文件；(4)编写循环脚本程序，调用不同开采阶段的模型输入文件，运行程序计算涌水量。本发明通过编写循环脚本程序，在模拟计算时根据采矿扰动下导水裂隙的发育特征，动态调整地下水模型中的水文地质参数设置，在对采煤动态过程及扰动效应的合理概化的基础上，实现涌水量动态预测。
Description
技术领域
本发明属于矿井水文地质领域，具体涉及一种开采扰动条件下煤矿工作面涌水量的动态预测方法。
背景技术
矿井涌水量的预测结果是矿井排水系统设计的重要参考，是矿井水害防治的关键技术之一。随着我国煤矿开采深度不断加大，工作面顶板往往发育了水文地质条件差异大的含隔水层岩组且水压较高。同时，采煤活动诱发的导水裂隙能增强顶板含水层间的水力联系，增加涌入矿井的水源，导致深部采煤活动存在较大的涌水风险。
目前，常见的涌水量预测的方法有水均衡法、水文地质比拟法、动静储量法、解析法、数值法、降深曲线法、相关分析法、时间序列分析等。其中，数值法的优点在于它能考虑较多的影响因素，适应边界条件能力强，善于描述水介质的非均质和各向异性特征，容易处理控制性方程中的源、汇项，数值法生成的三维地质模型能清楚地反映各个地层的展布信息，实际应用中可以满足精度要求，解决许多复杂条件下的矿井涌水量问题。
但是，现有的地下水流数值模型主要基于MODFLOW程序构建，在模型设置中假设了渗透系数为主的水文地质参数在模拟期内不发生变化，这与采煤活动中导水裂隙对含水层渗透性能产生动态影响的事实不符。在预测工作面开采过程的动态涌水量时，若使用原始的渗透系数设置将导致涌水量结果低估，若从开采初期计算时就对整个工作面顶板范围使用受采动影响增大后的渗透系数，则会过高地估计开采初期的矿井涌水量。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于数值法且考虑了采煤扰动效应，能够准确合理地预测工作面在不同开采阶段所产生的涌水量的开采扰动条件下煤矿工作面涌水量的动态预测方法。
技术方案：本发明的煤矿工作面涌水量的动态预测方法，包括以下步骤：
(1)建立天然状态下的矿区地下水流数值模型；
(2)基于采煤扰动诱发导水裂隙的动态发育特征，确定采煤至工作面不同阶段对含水层水文地质参数的影响规律；
(3)准备不同开采阶段的模型输入文件；
(4)编写循环脚本程序，调用不同开采阶段的模型输入文件，运行程序计算涌水量。
步骤(1)中，所述建立天然状态下的矿区地下水流数值模型具体包括以下步骤：
(1.1)通过分析研究区的水文地质、气象资料，从而确定矿区地下水流模型的模型范围和边界条件；通过水文和地下水监测网观测，抽水试验，物探技术确定大气降雨入渗补给系数，蒸发排泄系数，渗透系数分区；
(1.2)确定含水层和隔水层的空间分布和富水性分区，构建三维水文地质结构模型，并细分煤层顶底板的含水层结构；
(1.3)基于MODFLOW程序建立矿区地下水流数值模型；
(1.4)对地下水流数值模型赋值水文地质参数、源汇项、边界条件和初始条件；
(1.5)利用水位观测资料进行模型校正和检验；
(1.6)根据不同工况条件进行模型预测，为煤矿涌水量防治提供决策依据。
步骤(2)中，通过室内砂箱尺度的相似模拟试验来确定导水裂隙动态发育特征，通过参考已开采煤矿导水裂隙带的抽水试验分析结果来确定采动后的渗透系数取值。
步骤(3)中，首先，根据步骤(2)的分析结果划分多个开采阶段，并确定不同开采阶段的导水裂隙发育范围及采动后的渗透系数取值；然后，准备相应开采阶段的LPF地层属性输入文件和DRN排水边界输入文件用于模拟矿井排水过程。
步骤(4)中，利用Python语言结合FloPy程序包来编写循环脚本程序。
所述脚本程序循环的次数等于步骤(3)中划分的开采阶段数。
根据地层岩性和厚度来细分煤层顶板的含水层结构，再结合抽水试验或参考特征岩性的取值确定含隔水层的渗透系数。
步骤(1.4)中，利用可视化工具建立基于MODFLOW程序的矿区地下水流数值模型。
所述可视化工具采用地下水模拟软件。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：通过编写循环脚本程序，在模拟计算时根据导水裂隙的发育特征，动态地调整模型中的渗透系数取值，在对采煤动态过程及扰动效应的合理概化的基础上，实现涌水量动态预测，能够准确合理地预测出工作面在不同开采阶段的涌水量。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明中理想算例三维地质模型的结构示意图；
图3为本发明中理想算例沿x-z方向的剖面示意图；
图4为本发明中导水裂隙动态发育特征示意图；
图5为本发明中理想算例涌水量计算结果曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明作进一步详细介绍。
如图1所示，本发明的煤矿工作面涌水量的动态预测方法，包括以下步骤：
(一)建立天然状态下的矿区地下水流模型，具体包括：
(1.1)通过分析研究区的水文地质、气象资料等，从而确定矿区地下水流模型的模型范围和边界条件；通过水文和地下水监测网观测，抽水试验，物探技术等确定大气降雨入渗补给系数，蒸发排泄系数，渗透系数分区等；
(1.2)确定含水层和隔水层的空间分布和富水性分区，构建三维水文地质结构模型，并细分煤层顶底板的含水层结构；
(1.3)基于MODFLOW程序建立矿区地下水流模型；
(1.4)对地下水流模型赋值水文地质参数、源汇项、边界条件和初始条件；
(1.5)利用水位观测资料进行模型校正和检验；
(1.6)根据不同工况条件进行模型预测，为煤矿涌水量防治提供决策依据。
(二)基于采煤扰动诱发导水裂隙的动态发育特征，确定采煤至工作面不同阶段对含水层水文地质参数的影响规律(以渗透系数为例，其他水文地质参数也可以照此进行)，具体包括：(1)煤矿开采前进行涌水量预测时，需要对导水裂隙的发育特征及采动后的渗透系数取值进行预估，可以通过室内砂箱尺度的相似模拟试验分析导水裂隙带随煤层开采的动态发育过程，或者通过岩石力学数值模拟手段，模拟不同开采阶段导水裂隙的形态；(2)采动后的渗透系数取值可参考已开采煤矿导水裂隙带的抽水试验分析结果，假设采动后渗透系数是原始渗透系数的特定倍数，同时可设置不同的倍数用于不用情景下的涌水量分析。
(三)准备不同开采阶段的模型输入文件，具体包括：根据步骤(二)分析结果按照时间步长划分多个开采阶段，并确定不同阶段的导水裂隙发育范围及采动后的渗透系数取值；然后，准备相应开采阶段的LPF地层属性输入文件及DRN排水边界输入文件用于模拟矿井排水过程。
(四)编写循环脚本程序，调用不同开采阶段的模型输入文件，运行程序计算涌水量。
编写循环脚本程序，在每一开采期调用相应的模型输入文件，实现渗透系数和排水边界条件的动态调整，统计各期涌水量计算结果作为整个开采周期的动态预测值。具体包括：(1)循环程序可利用Python语言结合FloPy程序包编写，FloPy包含了一系列用于调用MODFLOW地下水模拟程序的Python脚本语言；(2)循环的次数等于步骤3中划分的开采阶段数，也等于准备的LPF、DRN输入文件数；(3)在每一期循环中，首先读取上一次循环计算的地下水流场，作为本期计算的初始条件，并修改相应的输入文件，再将LPF、DRN输入文件进行替换；然后，运行当期MODFLOW模型计算地下水流场及涌水量；最后，将当期的结果进行保存；(4)若步骤(2)中考虑了多种采煤扰动情景，可替换新的一组输入文件，重新执行步骤(四)中的循环程序计算新情景下的涌水量；(5)涌水量计算结果分析。
下面通过理想算例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
理想算例模拟了煤矿井工开采的情景。
步骤1：建立天然状态下的矿区地下水流模型。如图2所示，三维模型尺度500×300×200m，包括3个含水层和2个隔水层，各层水力参数设置如表1所示。各含水层东西两侧均为给定水头边界，如图3所示，南北两侧为隔水边界。因为设置了理想算例，此处不进行参数校准。
表1理想算例模型参数设置
步骤2：确定导水裂隙动态发育特征及采动后的渗透系数取值。第二隔水层为目标煤层，煤层中部为开采工作面，开采面积70×40m，分7个开采期，每期1个月。如图4所示，导水裂隙随着煤层的开采逐渐向上发育，最后导通第一隔水层。导水裂隙带渗透系数增大为原始值的10倍。
步骤3：准备不同开采阶段的MODFLOW模型输入文件。根据步骤2分析结果，划分7个开采阶段，确定了不同阶段的导水裂隙发育范围及采动后的渗透系数取值，并准备相应开采阶段的LPF地层属性输入文件及DRN排水边界输入文件。
步骤4：利用Python语言及FloPy程序包编写循环脚本程序，本次计算设置了7个循环，并计算7个开采阶段的涌水量，在每一开采期调用相应的模型输入文件，实现渗透系数和排水边界条件的动态调整，统计各期涌水量计算结果即为整个开采周期的动态预测值。
如图5所示，涌水量计算结果中，Kr为导水裂隙带渗透系数，K0为天热状态下含水层渗透系数。计算结果表明，考虑采动效应对渗透系数的影响，所预测的涌水量大于渗透系数不变的情景，尤其是当第6开采期导水裂隙发育到第一隔水层以后，两个含水层产生了更强的水力联系，涌水量出现突然增大的现象。
Claims (9)
1.一种开采扰动条件下煤矿工作面涌水量的动态预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立天然状态下的矿区地下水流数值模型；
(2)基于采煤扰动诱发导水裂隙的动态发育特征，确定采煤至工作面不同阶段对含水层水文地质参数的影响规律；
(3)准备不同开采阶段的模型输入文件；
(4)编写循环脚本程序，调用不同开采阶段的模型输入文件，运行程序计算涌水量。
2.根据权利要求1所述的煤矿工作面涌水量的动态预测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述建立天然状态下的矿区地下水流数值模型具体包括以下步骤：
(1.1)通过分析研究区的水文地质、气象资料，从而确定矿区地下水流模型的模型范围和边界条件；通过水文和地下水监测网观测，抽水试验，物探技术确定大气降雨入渗补给系数，蒸发排泄系数，渗透系数分区；
(1.2)确定含水层和隔水层的空间分布和富水性分区，构建三维水文地质结构模型，并细分煤层顶底板的含水层结构；
(1.3)基于MODFLOW程序建立矿区地下水流数值模型；
(1.4)对地下水流模型赋值水文地质参数、源汇项、边界条件和初始条件；
(1.5)利用水位观测资料进行模型校正和检验；
(1.6)根据不同工况条件进行模型预测，为煤矿涌水量防治提供决策依据。
3.根据权利要求1所述的煤矿工作面涌水量的动态预测方法，其特征在于：步骤(2)中，通过室内砂箱尺度的相似模拟试验来确定导水裂隙动态发育特征，通过参考已开采煤矿导水裂隙带的抽水试验分析结果来确定采动后的渗透系数取值。
4.根据权利要求1所述的煤矿工作面涌水量的动态预测方法，其特征在于：步骤(3)中，首先，根据步骤(2)的分析结果划分多个开采阶段，并确定不同开采阶段的导水裂隙发育范围及采动后的渗透系数取值；然后，准备相应开采阶段的LPF地层属性输入文件和DRN排水边界输入文件用于模拟矿井排水过程。
5.根据权利要求1所述的煤矿工作面涌水量的动态预测方法，其特征在于：步骤(4)中，利用Python语言结合FloPy程序包来编写循环脚本程序。
6.根据权利要求5所述的煤矿工作面涌水量的动态预测方法，其特征在于：所述脚本程序循环的次数等于步骤(3)中划分的开采阶段数。
7.根据权利要求2所述的煤矿工作面涌水量的动态预测方法，其特征在于：根据地层岩性和厚度来细分煤层顶板的含水层结构，再结合抽水试验或参考特征岩性的取值确定含隔水层的渗透系数。
8.根据权利要求2所述的煤矿工作面涌水量的动态预测方法，其特征在于：步骤(1.4)中，利用可视化工具建立基于MODFLOW程序的矿区地下水流数值模型。
9.根据权利要求8所述的煤矿工作面涌水量的动态预测方法，其特征在于：所述可视化工具采用地下水模拟软件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201113 |