CN112302717A

CN112302717A - 矿井水回注方法及装置

Info

Publication number: CN112302717A
Application number: CN202011119812.XA
Authority: CN
Inventors: 王丹丹; 李媛; 杜松; 耿建军; 吴铁卫; 方惠明; 郭婵妤
Original assignee: General Survey and Research Institute of China Coal Geology Bureau
Current assignee: General Survey and Research Institute of China Coal Geology Bureau
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2040-10-19
Also published as: CN112302717B

Abstract

本发明实施例提供一种矿井水回注方法及装置，所述矿井水回注方法包括：获取矿井水回注空间类型；基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力；基于渗流理论，确定矿井水最大回注量；基于所述矿井水回注空间类型、所述矿井水回注压力和所述矿井水最大回注量，向所述回注井注入矿井水。本发明实施例提供的矿井水回注方法及装置，通过基于获取到的矿井水回注空间类型、矿井水回注压力和矿井水最大回注量，控制矿井水的回注过程，能够在保证矿井水回注过程安全的情况下，最大限度地提升矿井水回注的体积，实现矿井水回注的精细化和可控化，提升安全性能。

Description

矿井水回注方法及装置

技术领域

本发明涉及矿井水处理技术领域，尤其涉及一种矿井水回注方法及装置。

背景技术

在煤炭开采过程中，地下水与煤层、岩层接触，加上人类的活动的影响，发生了一系列的物理、化学和生化反应，因而水质具有显著的煤炭行业特征：含有悬浮物的矿井水的悬浮物含量远远高于地表水，感官性状差；并且所含悬浮物的粒度小、比重轻、沉降速度慢、混凝效果差；矿井水中还含有废机油、乳化油等有机物污染物，需要对矿井水进行处理。

现有技术中，有通过回注井对矿井水进行回注的处理方案，然而矿井水回注时缺乏对矿井水回注进行科学的分析和控制，实践中常常出现安全事故，给注水管线和地层带来了极大的高压安全隐患。

发明内容

本发明实施例提供一种矿井水回注方法及装置，用以解决现有技术中矿井水回注时缺乏对矿井水回注进行科学的分析和控制，实践中常常出现安全事故，给注水管线和地层带来了极大的高压安全隐患。的缺陷，实现在保证矿井水回注过程安全的情况下，最大限度地提升矿井水回注的体积，实现矿井水回注的精细化和可控化，提升安全性能。

本发明实施例提供一种矿井水回注方法，包括：获取矿井水回注空间类型；基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力；基于渗流理论，确定矿井水最大回注量；基于所述矿井水回注空间类型、所述矿井水回注压力和所述矿井水最大回注量，向所述回注井注入矿井水。

根据本发明一个实施例的矿井水回注方法，所述基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力，包括：获取泵压、地层压力和井底压力，所述泵压为水泵能承受的最大压力，所述地层压力为所述回注井的地层能承受的最大压力，所述井底压力为所述回注井的井底能承受的最大压力；基于所述泵压、所述地层压力和所述井底压力，确定所述矿井水回注压力。

根据本发明一个实施例的矿井水回注方法，所述泵压基于公式

P_wk＝k₁V²t+k₂V+k₃

确定，其中，P_wk表示回注井的井口压力；V表示矿井水回注速度；t表示矿井水回注时间；k₁、k₂、k₃表示常数。

根据本发明一个实施例的矿井水回注方法，所述地层压力基于公式

确定，其中，P(r,t)表示距离回注井的井眼r处在回注时间为t时的压力；P_e表示初始地层压力；Q表示注水量；μ表示矿井水黏度；K表示有效渗透率；h表示含水层厚度；r表示与回注井的井眼的距离；R(t)表示回注影响半径；G表示启动压力梯度；r_w表示回注井半径。

根据本发明一个实施例的矿井水回注方法，所述井底压力基于公式

确定，其中，P_wf表示井底流压；P_e表示初始地层压力；Q表示注水量；μ表示矿井水黏度；K表示有效渗透率；h表示含水层厚度；r_w表示回注井半径；R(t)表示回注影响半径；G表示启动压力梯度。

根据本发明一个实施例的矿井水回注方法，所述基于渗流理论，确定矿井水最大回注量，包括：基于回注井的孔隙空间的体积变化特征和矿井水的体积变化特征，得到所述矿井水最大回注量。

根据本发明一个实施例的矿井水回注方法，所述孔隙空间的体积变化特征基于公式

△V_孔隙＝-αV_bρgh

确定；

所述矿井水的体积变化特征基于公式

△V_水＝-nV_bβρgh

确定，其中△V孔隙表示孔隙空间的体积变化特征；α表示孔隙压缩系数；V_b表示贮层空间的总体积；ρ表示回注液体的密度；g表示重力系数；h表示含水层厚度；△V水表示矿井水的体积变化特征；n表示孔隙度；β表示水的压缩系数。

本发明实施例还提供一种矿井水回注装置，包括：获取单元，用于获取矿井水回注空间类型；第一确定单元，用于基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力；第二确定单元，用于基于渗流理论，确定矿井水最大回注量；执行单元，用于基于所述矿井水回注空间类型、所述矿井水回注压力和所述矿井水最大回注量，向所述回注井注入矿井水。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述矿井水回注方法的步骤。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述矿井水回注方法的步骤。

本发明实施例提供的矿井水回注方法及装置，通过基于获取到的矿井水回注空间类型、矿井水回注压力和矿井水最大回注量，控制矿井水的回注过程，能够在保证矿井水回注过程安全的情况下，最大限度地提升矿井水回注的体积，实现矿井水回注的精细化和可控化，提升安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种矿井水回注方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种矿井水回注方法的确定矿井水回注压力的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种矿井水回注装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图4描述本发明实施例的矿井水回注方法及装置。

如图1所示，本发明实施例提供一种矿井水回注方法，包括如下步骤100-400。

其中，步骤100、获取矿井水回注空间类型。

矿井水回注空间类型可以包括封闭地层和半封闭地层。

可以理解的是，当矿井水回注空间类型为封闭地层时，矿井水在压力的作用下回注到地下，水头升高，会发生弹性贮存被贮存在一定面积和一定含水层厚度的回注层内。

当矿井水回注空间类型为半封闭地层时，矿井水在压力的作用下被回注到地下，随着水头的升高会发生弹性贮存的过程，当贮存量达到最大时进行减压矿井水会瞬间发生弹性释放沿排泄口向外排放，形成施压回注-弹性贮存-饱和-减压-释放的周期性循环过程。

矿井水回注空间类型会对矿井水的回注过程产生一定的影响，获取到矿井水回注空间类型，能够有针对性地对矿井水的回注操作起到指导作用。

步骤200、基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力。

可以理解的是，回注井随着注水时间和注入量的增加，压力不断上升，给回注井的注水管线和地层带来了极大的高压安全隐患，此时根据回注井的压力特征，来得到矿井水回注压力，回注井的压力特征表示回注井各区域在回注时所能承受的最大压力，如果回注井的压力特征超过了阈值，就可能发生崩塌的危险。

步骤300、基于渗流理论，确定矿井水最大回注量。

可以理解的是，渗流是指流体在孔隙介质中的流动，由颗粒状或碎块材料组成，并含有许多孔隙或裂隙的物质称为孔隙介质。通常，在地表面以下的土壤或岩层中的渗流称为地下水运动，是自然界最常见的渗流现象。

渗流理论可以理解为：渗流是水在土壤孔隙中的运动，而土壤孔隙的形状、大小和分布是极为复杂的，因此渗流水质点的运动轨迹也是很不规则的，具有随机性质。但在实际工程上。并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，而是采用某种统计平均值来描述渗流，即用简化了的渗流模型来代替实际的渗流。

渗流理论为了研究方便，对实际的渗流提出两点简化。其一，不考虑渗流路径的曲折迂回，只考虑它的主要流向；其二，略去渗流区的土壤颗粒，认为渗流充满全部的流动空问(包括土壤颗粒和孔隙)。但实际渗流中土壤颗粒与水之间的相互作用在渗流模型中仍然存在。为了使假想的渗流模型在水力特性方面和实际渗流相一致，它必须满足下列条件：对于同一过水断面，渗流模型所通过的流量等于实际渗流所通过的流量；渗流模型和实际渗流在同一流程内的水头损失相等。这样渗流模型就可以完全模拟真实渗流。

由于采用了渗流模型，渗流被看作是在包括土壤骨架和孔隙在内的全部空间的连续介质的运动，因此渗流的运动要素将作为全部空间的连续函数来研究。这样，就像研究液流运动一样，可以采用有关连续函数的数学工具来研究渗流。基于渗流理论，可以得到矿井水最大回注量。

步骤400、基于矿井水回注空间类型、矿井水回注压力和矿井水最大回注量，向回注井注入矿井水。

可以理解的是，根据上述步骤中得到的矿井水回注空间类型确定回注井的回注规律，进而在确保不超过矿井水回注压力和矿井水最大回注量的前提下，向回注井注入矿井水，这样能够科学把控矿井水回注的过程，在保证矿井水回注过程安全的情况下，最大限度地提升矿井水回注的体积。

本发明实施例提供的矿井水回注方法，通过基于获取到的矿井水回注空间类型、矿井水回注压力和矿井水最大回注量，控制矿井水的回注过程，能够在保证矿井水回注过程安全的情况下，最大限度地提升矿井水回注的体积，实现矿井水回注的精细化和可控化，提升安全性能。

如图2所示，在一些实施例中，上述步骤200、基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力，包括如下步骤210-步骤220。

其中，步骤210、获取泵压、地层压力和井底压力，泵压为水泵能承受的最大压力，地层压力为回注井的地层能承受的最大压力，井底压力为回注井的井底能承受的最大压力。

步骤220、基于泵压、地层压力和井底压力，确定矿井水回注压力。

可以理解的是，要确保在矿井水回注过程中，确保回注井不承受超负荷的压力，要确保矿井水被准确回注到储层，需要保证井壁不被破坏，且有足够的压力将矿井水注入地下以及克服阻力流动释放。类似木桶原理，不能达到回注井各区域在回注时所能承受的最大压力中的短板。

矿井水回注压力可以为地层压力和井底压力之和，其中，泵压会对井底压力造成影响，因此矿井水回注压力是基于泵压、地层压力和井底压力确定的，泵压的选取要确保回注井的井筒不被破坏，且能够确保矿井水注入井底；井底压力和地层压力之和要大于回注井的储层的岩石抗压强度，也要避免矿井水窜层。

由于泵压、地层压力和井底压力属于回注井的薄弱环节，且能够根据渗流理论快速计算出来，因此选取泵压、地层压力和井底压力作为矿井水回注压力的计算依据，能够使得矿井水回注压力的计算更加高效和准确。

在一些实施例中，泵压基于公式

P_wk＝k₁V²t+k₂V+k₃

确定，其中，P_wk表示回注井的井口压力；V表示矿井水回注速度；t表示矿井水回注时间；k₁、k₂和k₃均为常数，且常数k₁、k₂和k₃根据矿井水的密度、矿井水的黏度和地层的渗透率等地质因素，以及矿井水的水质、回注速度和回注泵压确定。

在一些实施例中，地层压力基于公式

确定，其中，P(r,t)表示距离回注井的井眼r处在回注时间为t时的压力(单位为MPa^-1)；P_e表示初始地层压力(单位为MPa)；Q表示注水量(单位为m³/s)；μ表示矿井水黏度；K表示有效渗透率(单位为10^-3μm²，毫达西)；h表示含水层厚度(单位为m)；r表示与回注井的井眼的距离(单位为m)；R(t)表示回注影响半径(单位为m)；G表示启动压力梯度(单位为Pa/m)；r_w表示灌注井半径(单位为m)。

在一些实施例中，井底压力基于公式

确定，其中，P_wf表示井底流压(单位为MPa)；P_e表示初始地层压力(单位为MPa)；Q表示注水量(单位为m³/s)；μ表示矿井水黏度；K表示有效渗透率(单位为10^-3μm²，毫达西)；h表示含水层厚度(单位为m)；r_w表示灌注井半径(单位为m)；R(t)表示回注影响半径(单位为m)；G表示启动压力梯度(单位为Pa/m)。

在一些实施例中，基于渗流理论，确定矿井水最大回注量，包括：

基于回注井的孔隙空间的体积变化特征和矿井水的体积变化特征，得到矿井水最大回注量。

可以理解的是，根据牛顿第三定律，作用力与反作用力相等，则天然状态下地层的上覆荷载与水压及颗粒的反作用力相平衡，有以下公式

σ＝σ’+P_水

其中，σ表示贮层上覆荷重引起的总荷载(单位为KN/m2)；σ’表示有效应力(单位为MPa)；P_水表示水的压强(单位为MPa)。

基于以上公式，向回注井的承压含水层中注水时，水头升高，相应的水的反作用力增加了，荷载保持不变的平衡条件下，作用在固体颗粒的力减少了，水流入孔隙空间的阻力小空间大，从而发生弹性贮存的过程，因而可以将回注井的孔隙空间的体积变化特征和矿井水的体积变化特征进行求和，得到矿井水最大回注量。

在一些实施例中，孔隙空间的体积变化特征基于公式

△V_孔隙＝-αV_bρgh

确定；

矿井水的体积变化特征基于公式

△V_水＝-nV_bβρgh

确定，其中△V_孔隙表示孔隙空间的体积变化特征；α表示孔隙压缩系数；V_b表示贮层空间的总体积；ρ表示回注液体的密度；g表示重力系数；h表示含水层厚度；△V_水表示矿井水的体积变化特征；n表示孔隙度；β表示水的压缩系数。

需要说明的是，公式中的负号表示含水层体积增加，综合上述两个公式，两者相加可以算出体积为V_b、厚度为h的贮层，水头高度上升h时，矿井水最大回注量为

Q＝-V_bρgh(α+nβ)

本发明实施例充分分析矿井水回注过程，清楚认识到矿井水的释放和贮存方式，有利于矿井水回注方案设计；考虑到矿井水回注过程可能存在井筒破碎或者压力过小过大导致无法注入等安全问题，充分分析可能对回注产生影响的压力并进行计算，综合分析并取值，为矿井水安全回注提供保障；基于渗流理论对封闭贮层的可回注量进行预测，为矿井水回注工程提供技术支撑。

下面对本发明实施例提供的矿井水回注装置50进行描述，下文描述的矿井水回注装置与上文描述的矿井水回注方法可相互对应参照。

如图3所示，本发明实施例还提供一种矿井水回注装置50，该矿井水回注装置包括：获取单元10、第一确定单元20、第二确定单元30以及执行单元40。

获取单元10，用于获取矿井水回注空间类型。

第一确定单元20，用于基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力。

第二确定单元30，用于基于渗流理论，确定矿井水最大回注量。

执行单元40，用于基于矿井水回注空间类型、矿井水回注压力和矿井水最大回注量，向回注井注入矿井水。

本发明实施例提供的矿井水回注装置50用于执行上述矿井水回注方法，其具体的实施方式与方法的实施方式一致，此处不再赘述。

图4示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(Communications Interface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行矿井水回注方法，该方法包括：获取矿井水回注空间类型；基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力；基于渗流理论，确定矿井水最大回注量；基于所述矿井水回注空间类型、所述矿井水回注压力和所述矿井水最大回注量，向所述回注井注入矿井水。

此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的矿井水回注方法，该方法包括：获取矿井水回注空间类型；基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力；基于渗流理论，确定矿井水最大回注量；基于所述矿井水回注空间类型、所述矿井水回注压力和所述矿井水最大回注量，向所述回注井注入矿井水。

又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的矿井水回注方法，该方法包括：获取矿井水回注空间类型；基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力；基于渗流理论，确定矿井水最大回注量；基于所述矿井水回注空间类型、所述矿井水回注压力和所述矿井水最大回注量，向所述回注井注入矿井水。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种矿井水回注方法，其特征在于，包括：

获取矿井水回注空间类型；

基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力；

基于渗流理论，确定矿井水最大回注量；

基于所述矿井水回注空间类型、所述矿井水回注压力和所述矿井水最大回注量，向所述回注井注入矿井水。

2.根据权利要求1所述的矿井水回注方法，其特征在于，所述基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力，包括：

获取泵压、地层压力和井底压力，所述泵压为水泵能承受的最大压力，所述地层压力为所述回注井的地层能承受的最大压力，所述井底压力为所述回注井的井底能承受的最大压力；

基于所述泵压、所述地层压力和所述井底压力，确定所述矿井水回注压力。

3.根据权利要求2所述的矿井水回注方法，其特征在于，所述泵压基于公式

P_wk＝k₁V²t+k₂V+k₃

确定，其中，P_wk表示回注井的井口压力；V表示矿井水回注速度；t表示矿井水回注时间；k₁、k₂和k₃均为常数。

4.根据权利要求2所述的矿井水回注方法，其特征在于，所述地层压力基于公式

5.根据权利要求2所述的矿井水回注方法，其特征在于，所述井底压力基于公式

6.根据权利要求1-5中任一项所述的矿井水回注方法，其特征在于，所述基于渗流理论，确定矿井水最大回注量，包括：

基于回注井的孔隙空间的体积变化特征和矿井水的体积变化特征，得到所述矿井水最大回注量。

7.根据权利要求6所述的矿井水回注方法，其特征在于，所述孔隙空间的体积变化特征基于公式

△V_孔隙＝-αV_bρgh

确定；

所述矿井水的体积变化特征基于公式

△V_水＝-nV_bβρgh

8.一种矿井水回注装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取矿井水回注空间类型；

第一确定单元，用于基于回注井的压力特征，确定矿井水回注压力；

第二确定单元，用于基于渗流理论，确定矿井水最大回注量；

执行单元，用于基于所述矿井水回注空间类型、所述矿井水回注压力和所述矿井水最大回注量，向所述回注井注入矿井水。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述矿井水回注方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述矿井水回注方法的步骤。