CN114415260A - 一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法，先确定不同钻进路径的角度，并且每个钻进路径内均获取不同深度的岩心，然后对获取的岩心分别通过低场核磁共振技术、3D‑XRM技术、水滴接触方法和电法仪获得岩心内的孔隙分布、润湿性以及电阻率，从微观上揭示了孔隙结构、亲水性及阻抗能力间的耦合关系，并说明了水力梯度驱使作用下岩心内部水量空间分布及潜在运移路径，为相应疏水措施提供数据；同时结合地质数据及不同深度岩心的相关特征参量，构建流‑固‑力时空协同耦合模型，通过对比不同深度岩心的力学强度与有效水应力的大小关系，确立顶板发生水害的预警阈值和评估准则，为采空区上方水库发生突水事故的精准预测提供数据支撑。

Description

一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法

技术领域

本发明涉及一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法，尤其适用于煤层回采时顶板垮落时产生的“三带”诱发富水层突水灾害的预警与评估。

背景技术

随着回采工作面不断向前推进，顶板岩层的及时垮落可有效减小周期来压对采煤工作面的威胁。由于其非均质性，顶板岩层的垮落并不是以均等体形式进行下沉，而是多表现为跨尺度、多块体等特征。在地应力及相关弱化致裂措施共同作用下，顶板岩层内部形成大量的多尺度孔裂隙结构，一部分贯通裂隙破坏煤体整体结构，在自重作用下发生下沉垮落；另一部分裂隙延伸至顶板上部岩层内部，可能会为顶板含水层内的水分运移提供运移通道。

对于顶板含水层的水量分布及采空区内积水情况，目前大多数采用物探和钻探两种方式进行探测，物探方法主要有天然源音频大地电磁法和瞬变电磁法等，容易受探测地层结构、环境噪声、及设备采集精度等因素的影响，另外，物探设备通常体积庞大，携带不方便，安装布设比较复杂。钻探通常借助钻孔及岩心测试等手段，但现有测试方法存在以下不足：岩心样品采集具有随机性，且同一钻进方向的样品采集数量较少；并且其监测方法主要侧重于岩层水压及水量，并未从岩层微观角度上揭示采空区上方水库发生水害的衍生机制，导致其监测精度较低。因此，如何提供一种方法，能提高顶板多分层亲水性监测精度，为采空区上方水库发生突水事故的精准预测提供数据支撑，是本行业的研究方向之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法，能提高顶板多分层亲水性监测精度，为采空区上方水库发生突水事故的精准预测提供数据支撑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法，具体步骤为：

步骤一、在靠近工作面的采空区端头位置，利用岩心取芯器从多个不同角度对采空区顶板岩层进行岩心钻取，且每个角度的钻进路径均能获得多个不同深度的岩心，然后利用保鲜膜将获得的岩心真空包裹并送至样品室内进行保养；

步骤二、利用低场核磁共振技术对选取的岩心在初始、完全饱水、离心及完全干燥四种状态下的H信号自旋回波串的衰减信号集成结果进行数值反演，从而获取得到四种独立状态下的T₂弛豫分布曲线，接着对同一岩心四种状态时的T₂弛豫分布曲线汇总至同一弛豫时间坐标轴下，根据曲线谷值划分多尺度孔径分布及其占比；通过对不同状态下的弛豫谱幅值作差得到自由流体分布占比、束缚孔与自由孔占比、T₂截止值及核磁渗透率的特征参数；将经过核磁共振测试的同一个岩心置于3D-XRM样品室内，利用X射线对岩心进行层析穿透，利用三维分析软件将不同角度投影图像集成组合形成3D重构体，进而获得岩心内部多尺度裂隙空间分布、孔隙率及裂隙贯通性的参数数据；然后将同一钻进路径下不同深度的岩心重复上述本步骤的过程，从而获得同一钻进路径下不同深度岩心的自由流体分布占比、束缚孔与自由孔占比、T₂截止值及核磁渗透率的特征参数，以及同一钻进路径下不同深度岩心的多尺度裂隙空间分布、孔隙率及裂隙贯通性的参数数据；

步骤三、采用水滴接触法对所取同一钻进路径下不同深度岩心的润湿性进行测定，获取不同钻进路径、不同深度的岩心的润湿性特征参量；

步骤四、采用电法仪对初始、完全干燥两种状态岩心的电阻率进行测试，通过多层位电阻率分布获取岩层空间水含量赋存特征，利用两种状态的岩心电阻率幅值差构建岩心内部的地层水空间分布模型；

步骤五、综合获得同一钻进路径下不同深度岩心的T₂弛豫分布曲线、3D-XRM三维成像、润湿性及电阻率的相关数据，分析孔隙分布—流固接触—岩石电阻之间的相关关系，构建流-固-力时空耦合模型，最终确立水害诱发的预警阈值和评估准则，具体为：

综合同一钻进路径下不同深度岩心的T₂弛豫分布曲线、3D-XRM三维成像、润湿性及电阻率的相关数据，得到顶板岩层在该钻进路径下的多个岩心基础参量矩阵表征方法：

其中，

为岩心的孔隙率，κ为岩心的核磁渗透率，M_i为岩心的不同钻进深度，r为孔喉半径，D为同一钻进路径下不同深度岩心的数量；ρ_s为岩心的电阻率；然后对不同角度的钻进路径均重复步骤一至五，最终能获得不同钻进路径下的多个岩心基础参量矩阵表征，从而能获得不同深度岩心的水压及地应力，由于地应力与岩层结构强度的双重约束作用下，具有一定水压的地层水能够较好地保存于地层孔裂隙中，此时有：地应力+岩层抗拉强度>地层水压，定义有效水应力等于地应力与水压之差，进而两者做差能获得不同深度岩心的有效水应力；

最后综合已知的地层地质结构数据，对比三轴加载应力下的原始不同深度岩心的岩心抗拉强度及其有效水应力间的大小关系，建立预警阈值和评估准则，具体为：若岩心抗拉强度小于其有效水应力时，则确定该岩心所处深度的岩层可能会存在突水事故的发生；若岩心抗拉强度大于等于其有效水应力时，则确定该岩心所处深度的岩层不会存在突水事故的发生。

进一步，所述步骤一中岩心钻取的具体设置为：设置与顶板底面呈倾斜角度θ＝15°、30°、45°、60°、75°、90°，共六个不同倾斜角度的钻进路径，每个钻进路径的钻进深度为

其中，h为垮落采空区顶板底面与上方水库的最大安全距离；接着沿每一钻进路径以每隔1m钻取一岩心，即每个钻进路径均能获取D个不同深度的岩心。

进一步，所述步骤二中利用低场核磁共振技术对岩心进行核磁测试的具体过程为：首先利用核磁共振仪对获取到的初始状态岩心进行核磁测试，获得原始含水条件下的T₂弛豫分布曲线；对初始岩心进行真空抽水、抽气后，置于真空饱水仪内负压饱水48h，饱水负压设定为-0.95MPa，利用核磁共振仪测试获得完全饱水状态时的T₂弛豫分布曲线；将饱水岩心置于岩石离心机中以转速1000转/min离心30min后，经测试获得离心状态时的T₂弛豫分布曲线；将离心岩心置于真空干燥机中持续干燥24h获得完全干燥状态，干燥温度设置为60℃，同样获得该状态下的T₂弛豫分布曲线。

进一步，所述步骤三的具体过程为：

利用水滴接触法测定岩心润湿性时，获取岩心表面不需作磨平处理，对未测试端面利用抗氧化树脂进行加压固定，采用具有矿化度的地层水对不同钻进路径、不同深度的岩心进行滴液测试，得到地层水矿化度、接触角、表面粗糙度之间的耦合关系；

岩心接触测定水后，产生一定的毛管力

岩心多边形孔喉液侵内表面积

其中，P_c为毛管力大小，σ为界面张力，θ为润湿接触角；r为孔喉半径；S_l、S分别为部分孔隙内液侵内表面积、总孔隙内表面积，L为孔喉截面近似周长，q_w为含水饱和度；

根据上述公式，从而获取不同钻进路径、不同深度的岩心的润湿性特征参量。

进一步，所述步骤四的具体过程为：

电法仪采用多电极并行测量方式，选择偶极供电、同步采集工作模式，按照一次布极、一次供电周期内对所有在线电极进行并行测量，任意两个在线电极间的电阻率ρ_s由公式计算得到：

其中△U_mn为电位差，I_ab为电流；

从而能获得不同深度岩心在初始状态、完全干燥状态下的电阻率，进而根据不同深度岩心的电阻率分布情况，得出岩层空间水含量赋存特征；然后通过对初始状态、完全干燥状态的同一岩心的电阻率进行作幅值差处理，并对各个不同深度岩心集合的电阻率幅值变化进行批量处理，接着对岩心内部地层水空间分布进行数值反演及三维重构，最终获得岩心内部的地层水空间分布模型。

与现有技术相比，本发明先确定不同钻进路径的角度，并且每个钻进路径内均获取不同深度的岩心，然后一方面对获取的岩心分别通过低场核磁共振技术和3D-XRM技术、水滴接触方法、电法仪获得岩心内的孔隙分布、润湿性以及电阻率，从微观层面上揭示了孔隙结构、亲水性及阻抗能力间的耦合关系，间接说明了水力梯度驱使作用下岩心内部水量空间分布及潜在运移路径，为相应疏水措施提供实参依据；另一方面，结合现有已知的地质结构数据及不同深度岩心的相关特征参量，构建流-固-力时空协同耦合模型，通过对比顶板不同深度岩心的力学强度与有效水应力(即水压与地应力之差)的大小关系，确立顶板发生水害的预警阈值和评估准则，从宏观层面上确定了承压水作用下顶板不同深度岩心的力学响应行为及弱化破坏机制。综上所述，本发明科学性较强、多种测试手段协同监测，能提高顶板多分层亲水性监测精度，为采空区上方水库发生突水事故的精准预测提供数据支撑。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图。

图2是本发明的现场施工示意图。

图3是本发明中各个钻进路径的岩心钻取分布示意图。

图中：1-煤层；2-顶板；3-水库；4-底板；5-采空区；6-钻进路径；h’为钻孔最深处与水库的最小垂直距离。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明具体步骤为：

步骤一、在靠近工作面的采空区端头位置，利用岩心取芯器从多个不同角度对采空区顶板岩层进行岩心钻取，且每个角度的钻进路径均能获得多个不同深度的岩心，然后利用保鲜膜将获得的岩心真空包裹并送至样品室内进行保养；岩心钻取的具体设置为：如图2和3所示，设置与顶板底面呈倾斜角度θ＝15°、30°、45°、60°、75°、90°，共六个不同倾斜角度的钻进路径，每个钻进路径的钻进深度为

其中，h为垮落采空区顶板底面与上方水库的最大安全距离；接着沿每一钻进路径以每隔1m钻取一岩心，即每个钻进路径均能获取D个不同深度的岩心。

步骤二、利用低场核磁共振技术对选取的岩心在初始、完全饱水、离心及完全干燥四种状态下的H信号自旋回波串的衰减信号集成结果进行数值反演，从而获取得到四种独立状态下的T₂弛豫分布曲线，接着对同一岩心四种状态时的T₂弛豫分布曲线汇总至同一弛豫时间坐标轴下，根据曲线谷值划分多尺度孔径分布及其占比；通过对不同状态下的弛豫谱幅值作差得到自由流体分布占比、束缚孔与自由孔占比、T₂截止值及核磁渗透率的特征参数；将经过核磁共振测试的同一个岩心置于3D-XRM样品室内，利用X射线对岩心进行层析穿透，利用三维分析软件将不同角度投影图像集成组合形成3D重构体，进而获得岩心内部多尺度裂隙空间分布、孔隙率及裂隙贯通性的参数数据；然后将同一钻进路径下不同深度的岩心重复上述本步骤的过程，从而获得同一钻进路径下不同深度岩心的自由流体分布占比、束缚孔与自由孔占比、T₂截止值及核磁渗透率的特征参数，以及同一钻进路径下不同深度岩心的多尺度裂隙空间分布、孔隙率及裂隙贯通性的参数数据；其中进行核磁测试的具体过程为：首先利用核磁共振仪对获取到的初始状态岩心进行核磁测试，获得原始含水条件下的T₂弛豫分布曲线；对初始岩心进行真空抽水、抽气后，置于真空饱水仪内负压饱水48h，饱水负压设定为-0.95MPa，利用核磁共振仪测试获得完全饱水状态时的T₂弛豫分布曲线；将饱水岩心置于岩石离心机中以转速1000转/min离心30min后，经测试获得离心状态时的T₂弛豫分布曲线；将离心岩心置于真空干燥机中持续干燥24h获得完全干燥状态，干燥温度设置为60℃，同样获得该状态下的T₂弛豫分布曲线。在对不同岩心进行核磁测试时需要重新校正射频延时RFD、接收机带宽SW、等待时间TW、模拟增益RG1，数字增益DRG1和前置放大增益PRG、时延DL1、回波个数NECH等相关参数；对于同一岩心，四种不同状态下的核磁测试参数保持一致。

步骤三、采用水滴接触法对所取同一钻进路径下不同深度岩心的润湿性进行测定，获取不同钻进路径、不同深度的岩心的润湿性特征参量；具体为：利用水滴接触法测定岩心润湿性时，获取岩心表面不需作磨平处理，对未测试端面利用抗氧化树脂进行加压固定，采用具有矿化度的地层水对不同钻进路径、不同深度的岩心进行滴液测试，得到地层水矿化度、接触角、表面粗糙度之间的耦合关系；

岩心接触测定水后，产生一定的毛管力

岩心多边形孔喉液侵内表面积

其中，P_c为毛管力大小，σ为界面张力，θ为润湿接触角；r为孔喉半径；S_l、S分别为部分孔隙内液侵内表面积、总孔隙内表面积，L为孔喉截面近似周长，q_w为含水饱和度；

根据上述公式，从而获取不同钻进路径、不同深度的岩心的润湿性特征参量。

步骤四、采用电法仪对初始、完全干燥两种状态岩心的电阻率进行测试，通过多层位电阻率分布获取岩层空间水含量赋存特征，利用两种状态的岩心电阻率幅值差构建岩心内部的地层水空间分布模型，具体过程为：

电法仪采用多电极并行测量方式，选择偶极供电、同步采集工作模式，按照一次布极、一次供电周期内对所有在线电极进行并行测量，任意两个在线电极间的电阻率ρ_s由公式计算得到：

其中△U_mn为电位差，I_ab为电流；

从而能获得不同深度岩心在初始状态、完全干燥状态下的电阻率，进而根据不同深度岩心的电阻率分布情况，得出岩层空间水含量赋存特征；然后通过对初始状态、完全干燥状态的同一岩心的电阻率进行作幅值差处理，并对各个不同深度岩心集合的电阻率幅值变化进行批量处理，接着对岩心内部地层水空间分布进行数值反演及三维重构，最终获得岩心内部的地层水空间分布模型。

步骤五、综合获得同一钻进路径下不同深度岩心的T₂弛豫分布曲线、3D-XRM三维成像、润湿性及电阻率的相关数据，分析孔隙分布—流固接触—岩石电阻之间的相关关系，构建流-固-力时空耦合模型，最终确立水害诱发的预警阈值和评估准则，具体为：

综合同一钻进路径下不同深度岩心的T₂弛豫分布曲线、3D-XRM三维成像、润湿性及电阻率的相关数据，得到顶板岩层在该钻进路径下的多个岩心基础参量矩阵表征方法：

其中，

为岩心的孔隙率，κ为岩心的核磁渗透率，M_i为岩心的不同钻进深度，r为孔喉半径，D为同一钻进路径下不同深度岩心的数量；ρ_s为岩心的电阻率；然后对不同角度的钻进路径均重复步骤一至五，最终能获得不同钻进路径下的多个岩心基础参量矩阵表征，从而能获得不同深度岩心的水压及地应力，由于地应力与岩层结构强度的双重约束作用下，具有一定水压的地层水能够较好地保存于地层孔裂隙中，此时有：地应力+岩层抗拉强度>地层水压，定义有效水应力等于地应力与水压之差，进而两者做差能获得不同深度岩心的有效水应力；

最后综合已知的地层地质结构数据，对比三轴加载应力下的原始不同深度岩心的岩心抗拉强度及其有效水应力间的大小关系，建立预警阈值和评估准则，具体为：若岩心抗拉强度小于其有效水应力时，则确定该岩心所处深度的岩层可能会存在突水事故的发生；若岩心抗拉强度大于等于其有效水应力时，则确定该岩心所处深度的岩层不会存在突水事故的发生。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，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。

Claims (5)

1.一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、在靠近工作面的采空区端头位置，利用岩心取芯器从多个不同角度对采空区顶板岩层进行岩心钻取，且每个角度的钻进路径均能获得多个不同深度的岩心，然后利用保鲜膜将获得的岩心真空包裹并送至样品室内进行保养；

步骤二、利用低场核磁共振技术对选取的岩心在初始、完全饱水、离心及完全干燥四种状态下的H信号自旋回波串的衰减信号集成结果进行数值反演，从而获取得到四种独立状态下的T₂弛豫分布曲线，接着对同一岩心四种状态时的T₂弛豫分布曲线汇总至同一弛豫时间坐标轴下，根据曲线谷值划分多尺度孔径分布及其占比；通过对不同状态下的弛豫谱幅值作差得到自由流体分布占比、束缚孔与自由孔占比、T₂截止值及核磁渗透率的特征参数；将经过核磁共振测试的同一个岩心置于3D-XRM样品室内，利用X射线对岩心进行层析穿透，利用三维分析软件将不同角度投影图像集成组合形成3D重构体，进而获得岩心内部多尺度裂隙空间分布、孔隙率及裂隙贯通性的参数数据；然后将同一钻进路径下不同深度的岩心重复上述本步骤的过程，从而获得同一钻进路径下不同深度岩心的自由流体分布占比、束缚孔与自由孔占比、T₂截止值及核磁渗透率的特征参数，以及同一钻进路径下不同深度岩心的多尺度裂隙空间分布、孔隙率及裂隙贯通性的参数数据；

步骤三、采用水滴接触法对所取同一钻进路径下不同深度岩心的润湿性进行测定，获取不同钻进路径、不同深度的岩心的润湿性特征参量；

步骤四、采用电法仪对初始、完全干燥两种状态岩心的电阻率进行测试，通过多层位电阻率分布获取岩层空间水含量赋存特征，利用两种状态的岩心电阻率幅值差构建岩心内部的地层水空间分布模型；

步骤五、综合获得同一钻进路径下不同深度岩心的T₂弛豫分布曲线、3D-XRM三维成像、润湿性及电阻率的相关数据，分析孔隙分布—流固接触—岩石电阻之间的相关关系，构建流-固-力时空耦合模型，最终确立水害诱发的预警阈值和评估准则，具体为：

综合同一钻进路径下不同深度岩心的T₂弛豫分布曲线、3D-XRM三维成像、润湿性及电阻率的相关数据，得到顶板岩层在该钻进路径下的多个岩心基础参量矩阵表征方法：

其中，

为岩心的孔隙率，κ为岩心的核磁渗透率，M_i为岩心的不同钻进深度，r为孔喉半径，D为同一钻进路径下不同深度岩心的数量；ρ_s为岩心的电阻率；然后对不同角度的钻进路径均重复步骤一至五，最终能获得不同钻进路径下的多个岩心基础参量矩阵表征，从而能获得不同深度岩心的水压及地应力，两者做差能获得不同深度岩心的有效水应力；

最后综合已知的地层地质结构数据，对比三轴加载应力下的原始不同深度岩心的岩心抗拉强度及其有效水应力间的大小关系，建立预警阈值和评估准则，具体为：若岩心抗拉强度小于其有效水应力时，则确定该岩心所处深度的岩层可能会存在突水事故的发生；若岩心抗拉强度大于等于其有效水应力时，则确定该岩心所处深度的岩层不会存在突水事故的发生。

2.根据权利要求1所述的一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法，其特征在于，所述步骤一中岩心钻取的具体设置为：设置与顶板底面呈倾斜角度θ＝15°、30°、45°、60°、75°、90°，共六个不同倾斜角度的钻进路径，每个钻进路径的钻进深度为

其中，h为垮落采空区顶板底面与上方水库的最大安全距离；接着沿每一钻进路径以每隔1m钻取一岩心，即每个钻进路径均能获取D个不同深度的岩心。

3.根据权利要求1所述的一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法，其特征在于，所述步骤二中利用低场核磁共振技术对岩心进行核磁测试的具体过程为：首先利用核磁共振仪对获取到的初始状态岩心进行核磁测试，获得原始含水条件下的T₂弛豫分布曲线；对初始岩心进行真空抽水、抽气后，置于真空饱水仪内负压饱水48h，饱水负压设定为-0.95MPa，利用核磁共振仪测试获得完全饱水状态时的T₂弛豫分布曲线；将饱水岩心置于岩石离心机中以转速1000转/min离心30min后，经测试获得离心状态时的T₂弛豫分布曲线；将离心岩心置于真空干燥机中持续干燥24h获得完全干燥状态，干燥温度设置为60℃，同样获得该状态下的T₂弛豫分布曲线。

4.根据权利要求1所述的一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：

利用水滴接触法测定岩心润湿性时，获取岩心表面不需作磨平处理，对未测试端面利用抗氧化树脂进行加压固定，采用具有矿化度的地层水对不同钻进路径、不同深度的岩心进行滴液测试，得到地层水矿化度、接触角、表面粗糙度之间的耦合关系；

岩心接触测定水后，产生一定的毛管力

岩心多边形孔喉液侵内表面积

其中，P_c为毛管力大小，σ为界面张力，θ为润湿接触角；r为孔喉半径；S_l、S分别为部分孔隙内液侵内表面积、总孔隙内表面积，L为孔喉截面近似周长，q_w为含水饱和度；

根据上述公式，从而获取不同钻进路径、不同深度的岩心的润湿性特征参量。

5.根据权利要求1所述的一种采空区上方水库突水事故的探测及评估方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：

电法仪采用多电极并行测量方式，选择偶极供电、同步采集工作模式，按照一次布极、一次供电周期内对所有在线电极进行并行测量，任意两个在线电极间的电阻率ρ_s由公式计算得到：

其中△U_mn为电位差，I_ab为电流；

从而能获得不同深度岩心在初始状态、完全干燥状态下的电阻率，进而根据不同深度岩心的电阻率分布情况，得出岩层空间水含量赋存特征；然后通过对初始状态、完全干燥状态的同一岩心的电阻率进行作幅值差处理，并对各个不同深度岩心集合的电阻率幅值变化进行批量处理，接着对岩心内部地层水空间分布进行数值反演及三维重构，最终获得岩心内部的地层水空间分布模型。

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