CN112734162B - 一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法 - Google Patents

一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，包括以下步骤：在回采过程中对浅层地下水水位降深、地表沉降量进行监测，获取地下水水位与地表下沉的动态变化数据，分析地下水水位降深与地表沉降量之间的关系，确定采动对地下水的影响级别。本发明方法新颖，方法步骤简单，可为采煤工作面回采对浅层地下水的影响提供评价方法，既可以根据评价结果对采煤工作面进行设计，实现保水采煤，又可以有效预测水害事故的发生。

Description

一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法
技术领域
本发明属于矿井水害防治技术领域，具体涉及一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法。
背景技术
随着我国煤炭资源开发战略西移，西部地区原煤产量占全国的60％以上，而对西部煤矿区而言尤其是生态脆弱矿区，煤炭大规模开发利用与水资源保护之间的矛盾日渐突出。特别在煤炭资源埋深较浅的地区，煤炭资源的回采给近地表的浅层地下水资源(潜水和风化基岩含水层水)造成了负面，不可逆转的影响，进而导致地表生态环境的退化，使区内的工、农业生产受到影响。因此，解决煤炭资源开发与水资源保护之间的矛盾关系、使两者协调发展是目前的研究热点。而解决煤炭开发与水资源保护之间的矛盾，保障两者协调发展的前提在于评价采动对地下水资源的影响程度。
近年来，有关采动对地下水影响的研究成果相对较多，部分学者通过整理矿区开采前和开采后的地下水埋深数据，揭示了大范围开采区域地下水对采煤的响应特征；也有部分学者采用水位埋深的下降值，流场变化规律等反映采动对地下水的影响，进而揭示采动对地下水的影响特征和规律。但针对采动对地下水影响程度评价而言，以上研究成果存在以下问题：
其一，部分研究成果采用了水位埋深作为采动对地下水影响的主要特征进行描述，但只选择了开采前和开采后两个时间点的水位埋深数据作为对比，进行分析，缺乏开采过程中水位埋深的动态变化数据。
其二，研究成果中涉及的研究范围较大，一般都是一个井田或者一个矿区，而煤炭开采过程中均是以工作面为开采单位进行回采的，研究成果中没有针对采煤工作面这种小尺度单位提出采动影响程度评价方面的研究。
其三，研究成果未涉及采煤工作面的采动对浅层地下水的影响程度评价方面的内容，具体为缺乏以采煤工作面的采动对浅层地下水的影响程度评价方法、评价指标和类型划分标准。
鉴于以上问题，本发明提出利用工作面采动过程中浅层地下水动态变化特征、水位最大降深与地表最大沉降量为评价指标的一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，对采动地下水资源影响程度评价具有实际指导意义，对研究成果具有。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，同时也可为地表沉降和地下水水位监测提供数据支持，方法步骤简单、经济，可提供煤炭资源采动对地下水的影响程度评价。
为实现上述技术问题，本发明提供了一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：掌握待采工作面位置与开采参数(包括长度、宽度等)，确定待评价的目标含水层。
步骤二：在待采工作面范围内，针对待评价的目标含水层布置并施工水文长观孔，并测量孔口标高。水文长观孔施工需符合行业现行标准。
步骤三：在水文长观孔孔口位置安装水位自动遥测仪，对待评价目标含水层水位标高进行实时监测。
步骤四：于水文长观孔附近(5m范围内)安装GNSS地表移动自动观测站，对采动过程中的地表沉降量进行实时监测。
步骤五：整理、分析、校正数据，绘制采动过程中目标含水层水位动态变化曲线和地表沉降量曲线。
步骤六：分析总结采动过程中目标含水层水位动态变化特征，确定采动过程中最低水位标高和最大降深。
步骤七：对目标含水层水位动态变化特征进行定性描述，对采动过程中目标含水层水位最大降深和地表最大沉降量进行比较，确定两者的大小关系。
步骤八：依据目标含水层水位动态变化特征及水位最大降深与地表最大沉降量之间的大小关系，划分采动对浅层地下水的影响类型，评价采动对浅层地下水的影响程度。
在本发明的一些实施例中，所述在水文长观孔孔口位置安装水位自动遥测仪，对待评价目标含水层水位标高进行实时监测的步骤包括：
(1)按照水位遥测仪安装测量要求，在孔口位置安装水位自动遥测仪；
(2)调整水位自动遥测仪参数，使目标含水层水位自动监测结果与实际水位的差值在遥测仪监测误差范围内；
(3)设置水位遥测仪监测频率，设定为2小时监测一次并将监测数据传输至系统终端，供监测人员查看；
在本发明的一些实施例中，所述的一种采动对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，所述于水文长观孔附近(5m范围内)安装GNSS地表移动自动观测站，对采动过程中的地表沉降量进行实时监测的步骤包括：
(1)按照GNSS地表移动自动观测站安装、监测要求，设定仪器参数，对地表下沉进行测量；
(2)地表数据的监测、传输频率保证与水位监测在同一频率上，设定为2小时监测一次并将监测数据传输至系统终端，供监测人员查看。
在本发明的一些实施例中，所述的一种采动对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，步骤一和步骤二、需在采前完成；步骤三和步骤四需要在待采工作面回采位置距水文长观孔距离达到采动地表超前影响距之前完成，避免含水层和地表提前受到采动影响，无法准确获取其初始值。
在本发明的一些实施例中，所述的一种采动对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，所述整理、分析、校正数据，绘制采动过程中目标含水层水位动态变化曲线和地表沉降量曲线的步骤包括：
(1)通过系统终端导出水位标高监测数据，此时的水位标高监测数据为未修正的水位标高数据；
(2)对水位标高数据进行修正，修正方法为：未修正水位标高(实时)-含水岩层的沉降量(同一时间)＝修正水位标高。由于评价的是浅层地下水资源，含水体距离地表较近，因此地表沉降量近似与含水岩层的沉降量相等，故水位修正方法为：未修正水位标高(实时)-地表沉降量(同一时间)＝修正水位标高；
(3)对获取的修正水位标高数据进行整理，将一天内获取的12个修正水位标高求平均值，以平均值作为当天的水位标高数据；
(4)以待评价工作面距离水文长观孔的自然天数作为横坐标，正值代表工作面回采过孔后的自然天数即采后自然天数，负值代表工作面回采至水文孔还仍需要自然天数即过孔前自然天数。以修正后的水位标高值作为纵坐标，绘制监测期内目标含水层水位动态变化曲线。
(5)GNSS地表移动监测站可直接以天为单位导出地表沉降量数据，同样以待评价工作面距离水文长观孔的自然天数作为横坐标，正值代表工作面回采过孔后的自然天数即采后自然天数，负值代表工作面回采至水文孔还仍需要自然天数即过孔前自然天数。以地表累积沉降量为纵坐标，绘制采动过程中的地表沉降曲线。
在本发明的一些实施例中，所述的一种采动对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，所述对目标含水层水位动态变化特征进行定性描述，对采动过程中目标含水层水位最大降深和地表最大沉降量进行比较，确定两者的大小关系的步骤包括：
(1)根据目标含水层水位动态曲线，对水位动态变化进行定性描述，描述分为：“持续下降至稳定，无回升”、“先下降-后回升，稳定水位未恢复至采前初始水位”、“先下降-后回升，稳定水位恢复至采前初始水位”、“水位基本不变无明显动态变化”；
(2)根据水位动态变化曲线，获取目标含水层最低水位标高，与初始水位作差，得到采动过程中目标含水层水位最大降深值；
(3)根据水位动态变化曲线，获取目标含水层采后稳定水位，采后连续7天目标含水层水位标高变化范围在10cm以内，则认为目标含水层水位达到稳定，以其最后一天监测值作为其稳定水位；
(4)比较水位最大降深和地表最大沉降量之间的大小关系，大小关系分别为：“水位最大降深≥地表最大沉降量”、“水位最大降深＜地表最大沉降量”。
在本发明的一些实施例中，所述的一种采动对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，所述依据目标含水层水位动态变化特征及水位最大降深与地表最大下沉量之间的大小关系，划分采动对浅层地下水的影响类型，评价采动影响程度，采动对浅层地下水影响程度划分表如下表1。
表1
Figure GDA0003228920240000061
Figure GDA0003228920240000071
在本发明的一些实施例中，所述的一种采动对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，
若待评价工作面中只布置了一组水文长观孔和GNSS地表移动观测，则以该组水文长观孔按照上述评价方法的八个步骤评价出的影响程度作为待评价工作面开采对浅层地下水资源的影响程度；
若待评价工作面中布置了多组水文长观孔和GNSS地表移动观测，则按照上述评价方法的八个步骤对各组进行影响程度评价，然后整合各组评价结果，按照“就高不就低”的原则，将最高等级的评价结果作为待评价工作面开采对浅层地下水资源的影响程度。
本发明方法新颖，方法步骤简单，可为采煤工作面回采对浅层地下水的影响提供评价方法，既可以根据评价结果对采煤工作面进行设计，实现保水采煤，又可以有效预测水害事故的发生。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是F5孔风化基岩水位与风化基岩层下沉曲线图。
图3为F5风化基岩层下沉量与风化基岩水位标高变化曲线图。
图4为S5潜水位变化与地表下沉曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1：
在工作面走向、倾向方向中央交叉点的位置施工水文孔F5，并安装地下水自动监测系统，对风化基岩含水层水位进行监测，同时在F5孔旁边5m范围内安装了GNSS地表移动自动监测站，对分化基岩含水层水位标高及孔口标高变化进行实时监测。
在工作面回采前、回采过程中及回采后整个过程中的风化基岩水位标高变化及孔口标高沉降情况进行连续监测，直至风化基岩水位标高及地表沉降量均基本保持稳定。
用同时间的孔口沉降数据对遥测到的地下水水位数据进行修正，得到绝对地下水水位标高数据。
绘制修正后的风化基岩含水层水位动态变化曲线图和地表沉降量曲线图(图2)。
分析地表沉降量与风化基岩水位标高的关系。从图2(图中工作面开始采动时间为0，采动之前为负值，采动之后为正值)可知，采动过程中F5孔风化基岩水位变化规律与地表下沉变化规律不完全一致。风化基岩水位下降时间早于地表下沉，一般超前3-5天左右，这是因为风化基岩位于地表以下且两者相隔距离较大，风化基岩层受到扰动下沉时间早于地表导致。
由于风化基岩距离为近地表岩层，可将地表下沉曲线提前3～5天作为风化基岩层下沉曲线(图3)，风化基岩水位下降段曲线斜率与其下沉曲线斜率基本一致，表明采动后7天内，风化基岩水位的快速下降与风化基岩层弯曲下沉有关。采后7天后水位回升则是高水位区风化基岩水补给以及风化基岩下沉速度变缓等因素综合作用的结果。采后40天左右，随着风化基岩层的稳定水位开始持续恢复，直至与初始水位基本持平。
从以上分析可以看出，在采动过程中，风化基岩水位先下降后回升，稳定水位(1284.573m)至初始水位(1284.763m)，且风化基岩最低水位(1278.049m)，最大降深(6.714m)大于地表最大沉降量(2.90m)，根据表1中采动对地下水影响级别判断，该工作面开采对风化基岩水资源的影响程度为极弱类型，即属于VI类别。
实施例2：
工作面回采前，在其中央位置布设水文孔S5，并安装地下水自动监测系统，对潜水含水层水位标高进行实时监测，同时在孔口安装沉降GNSS实时监测系统。
在工作面回采前、回采过程中及回采后整个阶段的对潜水含水层水位标高变化及孔口标高沉降情况进行连续监测。
利用同时间孔口沉降量数据对遥测到的潜水含水层水位数据进行修正，得到绝对地下水水位降深数据。
绘制修正后的潜水含水层水位标高变化曲线及地表沉降量曲线图(图4，图中工作面开始采动时间为0，开动之前为负值，开动之后为正值)。
分析地表下沉与潜水含水层水位标高的关系。利用监测数据绘制图4，对潜水含水层水位标高及地表沉降量变化过程进行分析，采动后3天至采动后26天为地表快速下沉阶段，累计沉降量为2.605m。该时间段内，潜水位快速下降，下降曲线较陡，标高变化达到最大为2.595m，与地表累计沉降量基本一致。回采经过S5孔位置26天以后，地表沉降速度减小，并于釆后大约65天下沉达到最大值2.9m，之后趋于稳定，而潜水含水层在该含水层侧向补给的作用下水位逐渐回升，直至采后约95天后达到最高，并保持稳定，但未恢复至初始水位。
从以上分析可以看出，在采动过程中，地下水位先下降后有所回升，稳定水位(1281.420m)但未恢复至初始水位(1283.226m)，且潜水最低水位为1280.631m，最大降深(2.595m)小于地表最大沉降量(2.90m)，根据表1中采动对地下水影响级别判断，该工作面开采对潜水资源影响程度为中等类型，即属于类别III。

Claims (7)

1.一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：掌握待评价工作面位置与开采参数，确定待评价的目标含水层；
步骤二：在待评价工作面范围内，针对待评价的目标含水层布置并施工水文长观孔，并测量孔口标高，水文长观孔施工需符合行业现行标准；
步骤三：在水文长观孔孔口位置安装水位自动遥测仪，对待评价目标含水层水位标高进行实时监测；
步骤四：于水文长观孔5m范围内安装GNSS地表移动自动观测站，对采动过程中的地表沉降量进行实时监测；
步骤五：整理、分析、校正数据，绘制采动过程中目标含水层水位动态变化曲线和地表沉降量曲线；
具体步骤包括：
(1)通过系统终端导出水位标高监测数据，此时的水位标高监测数据为未修正的水位标高数据；
(2)对水位标高数据进行修正；
(3)对修正的水位标高数据进行整理，对一天内获取的12个修正水位标高求平均值，以平均值作为当天的水位标高数据；
(4)以待评价工作面距离水文长观孔的自然天数作为横坐标，以修正后的水位标高值作为纵坐标，绘制监测期内目标含水层水位动态变化曲线；
(5)GNSS地表移动监测站直接以天为单位导出地表沉降量数据，同样以待评价工作面距离水文长观孔的自然天数作为横坐标，以地表累积沉降量为纵坐标，绘制采动过程中的地表沉降曲线；
步骤六：分析总结采动过程中目标含水层水位动态变化特征，确定采动过程中最低水位标高和最大降深；
步骤七：对目标含水层水位动态变化特征进行定性描述，对采动过程中目标含水层水位最大降深和地表最大沉降量进行比较，确定两者的大小关系；
具体步骤包括：
(1)根据目标含水层水位动态曲线，对水位动态变化进行定性描述；
(2)根据水位动态变化曲线，获取目标含水层最低水位标高，与初始水位作差，得到采动过程中目标含水层水位最大降深值；
(3)根据水位动态变化曲线，获取目标含水层采后稳定水位，采后连续7天目标含水层水位标高变化范围在10cm以内，则认为目标含水层水位达到稳定，以其最后一天监测值作为稳定水位，其中采后代表待评价工作面回采过水文长观孔后；
(4)比较水位最大降深和地表最大沉降量之间的大小关系，大小关系分别为：水位最大降深≥地表最大沉降量、水位最大降深＜地表最大沉降量；
步骤八：依据目标含水层水位动态变化特征及水位最大降深与地表最大沉降量之间的大小关系，划分采动对浅层地下水的影响类型，评价采动对浅层地下水的影响程度。
2.根据权利要求1所述的一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，所述在水文长观孔孔口位置安装水位自动遥测仪，对待评价目标含水层水位标高进行实时监测的步骤包括：
(1)按照水位自动遥测仪安装测量要求，在水文长观孔孔口位置安装水位自动遥测仪；
(2)调整水位自动遥测仪参数，使目标含水层水位自动监测结果与实际水位的差值在遥测仪监测误差范围内；
(3)设置水位遥测仪监测频率，设定为2小时监测一次并将监测数据传输至系统终端，供监测人员查看。
3.根据权利要求1所述的一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，步骤四对采动过程中的地表沉降量进行实时监测的步骤包括：
(1)按照GNSS地表移动自动观测站本身的安装、监测要求进行安装并设定仪器参数，对地表下沉进行测量；
(2)地表数据的监测、传输频率保证与水位监测在同一频率上，设定为2小时监测一次并将监测数据传输至系统终端，供监测人员查看。
4.根据权利要求1所述的一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，步骤一和步骤二需在待评价工作面开始回采前完成；步骤三和步骤四需要在待评价工作面回采位置距水文长观孔达到采动地表超前影响距之前完成，避免含水层和地表提前受到采动影响，无法准确获取其初始值。
5.根据权利要求1所述的一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，采动对浅层地下水影响类型划分标准为：
(1)地下水位持续下降无回升且地下水位最大降深大于地表最大沉降量为严重；
(2)地下水位先下降后回升，但未恢复至初始水位且地下水位最大降深大于地表最大沉降量为较严重；
(3)地下水位先下降后回升，但未恢复至初始水位且地下水位最大降深小于地表最大沉降量为中等；
(4)地下水位先下降后回升至初始水位，且地下水水位下降量大于地表沉降量为弱；
(5)地下水位先下降后回升至初始水位，且地下水水位降深小于地表沉降量为极弱；
(6)地下水位无明显下降，且地下水水位降深与地表沉降量之间保持采动前的相对位置关系时为无影响。
6.根据权利要求1所述的一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，
若待评价工作面中只布置了一组水文长观孔和GNSS地表移动观测站，则以该组水文长观孔按照上述评价方法的七个步骤评价出的影响程度作为待评价工作面开采对浅层地下水的影响程度；
若待评价工作面中布置了多组水文长观孔和GNSS地表移动观测，则按照上述评价方法的七个步骤对各组进行影响程度评价，然后整合各组评价结果，按照就高不就低的原则，将最高等级的评价结果作为待评价工作面开采对浅层地下水的影响程度。
7.根据权利要求1所述的一种采煤工作面对浅层地下水的影响程度评价方法，其特征在于，步骤五中对水位标高数据进行修正的方法为：未修正的实时水位标高减去同一时间地表沉降量等于修正水位标高。
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