CN114778798B - 一种构造对太原组灰岩水运移控制的确定方法 - Google Patents

一种构造对太原组灰岩水运移控制的确定方法 Download PDF

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Abstract

一种构造对太原组灰岩水运移控制的确定方法，属于水文地质含水层水动力条件分析技术领域。利用水文孔、地质孔和建井的相关资料，对太原组的灰岩进行了原始水位判别。若非原始水位，利用在开采区建立虚拟井方法，对开采区进行受人为扰动的太原组灰岩水进行降深计算。并利用线性条件下的水位叠加方法，获得开采区的太原组灰岩水的原始水位。最后获取的原始水位叠加构造纲要图，判别深部开采区太原组灰岩的地下水的运移规律。有助于工作人员利用该规律进行深部开采的合理工程布置。本发明的所利用的资料均是从常规的水文地质工作中获得，且该方法相对简单，易于技术人员学习操作，应用前景广泛。

Description

一种构造对太原组灰岩水运移控制的确定方法
技术领域
本发明涉及一种构造对太原组灰岩水运移控制的确定方法，特别是一种构造对太原组灰岩含水层运移控制的确定，属于水文地质含水层水动力条件分析技术领域。
背景技术
华北型煤田近几年逐渐过渡到以开采深部煤层为主，开采深部煤层时面临的首要水文地质问题是深部的水文地质条件明显与浅部不一致，其补给、径流和排泄问题需要进一步方法明确。而深部煤层的直接充水含水层为太原组灰岩岩溶水，该含水层受制于少量的工程实践，对其水动力规律的认识极为有限。不利于现场工作人员基于规律认识对该含水层进行探索。
并且该岩溶含水层的富水规律极不均匀，比如淮北煤田太原组灰岩含水层在闸河矿区属于强-极强含水层，仅有两个钻孔为极弱含水层。在宿县矿区桃园煤矿属于中等-强含水层。而在临涣矿区、涡阳矿区属于弱-极弱含水层。在淮南地区潘二煤矿太原组灰岩含水层属于中等含水层。并且该含水层容易通过构造沟通富水性极强的奥灰水，形成对深部煤层的巨大威胁。如潘二煤矿位于潘集背斜附近，该矿区域受背斜控制区域断层较为发育，水动力条件活跃，在2017年开采深部煤层时，太原组灰岩含水层作为直接充水含水层一直以疏放为主，出水量稳定在11m3/h左右。在开采12123工作面时，由于构造控制导通了太灰和奥灰水。出水量最大14520m3/h，发生了淹井事故。究其本质原因，太灰富水规律本质受到水动力运移的影响。
但是受近几年人为采矿活动的影响，地下水的运移受人为干扰明显。地下水的运移其实受到了人为采矿和自然构造影响的双重控制。如何剔除人为采矿作用的影响进而重现自然构造对太原组灰岩地下水运移的影响显得尤为重要。综合近几年的研究可以看出，在构造对太原组灰岩含水层运移控制方面的研究鲜见报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种构造对太原组灰岩水运移控制的确定方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种构造对太原组灰岩水运移控制的确定方法，具体包括：原始水位判别、校正受人为扰动的水位、构造对运移的控制。
所述的原始水位判别包括以下步骤：
根据建井时间为T1对所有钻孔资料进行年份分类，分为建井前资料和建井后资料，建井前资料不需要校正，则钻孔揭露的水位为原始水位H0。钻孔施工时间为T2，建井后资料部分需要判断水位资料是否是原始水位，通过查阅最新的水文地质类型划分报告，提取深部煤层的开采时间T3，若T2>T3，说明矿井还未有太原组灰岩出水，说明太灰水位未受到人为开采的扰动，则此时钻孔水位视为原始水位H0。反之，若T2<T3，说明钻孔施工年份之前，已经开采深部煤层，深部煤层的间接充水含水层即太灰水，矿井此时有太原组灰岩出水，说明太灰水受到人为扰动，即为H1，需要进行校正。
所述的校正受人为扰动的水位包括以下步骤：
(1)第一步确定某矿井深部煤层开采的面积范围，如果深部煤层开采的范围不确定，可视矿井范围为深部煤层开采的范围。圈定深部煤层开采的面积或矿井开采的面积，并把该范围识别为一个虚拟井。
(2)第二步依据水位叠加原理，太原组灰岩在华北型煤田为高承压含水层，其降深的求解为线性问题，线性问题可以应用叠加原理对水位进行直接叠加。
所述的构造对运移的控制包括以下步骤：
最后校正后的天然水位H0、钻孔的位置等数据，利用suffer软件对获取的钻孔的天然水位呈现水位等值线图，在水位等值线图上再叠加研究区的构造纲要图，从叠加后的区域图上可以明确构造对太原组灰岩水的赋存控制，一般在向斜核部位置层间裂隙和滑脱裂隙发育较多的，并且古地势较低，在该位置形成地下水的汇集排泄区，水流在该处为收敛流。在背斜核部位置处于古地势较高的位置，易形成分水岭，地下水的补给区，水流在该处为发散流。
进一步的，所述虚拟井的计算过程包括以下步骤：利用公式(1)计算出虚拟井的半径，即r0。利用公式(2)计算虚拟井的影响半径，即R。利用公式(3)计算出虚拟井的引用半径，即R0。利用公式(4)，计算出由于人为开采所引起的降深，即s。
Figure BDA0003606729360000031
Figure BDA0003606729360000032
R0＝r0+R (3)
Figure BDA0003606729360000033
式中，K为太原组C3-Ⅰ组灰岩渗透系数(m/d)；M为太原组C3-Ⅰ组灰岩厚度(m)；S为人为开采引起的水位降深(m)；a为灰岩水采区走向长(m)；b为灰岩水采区倾向长(m)；η为经验系数；r0为虚拟井半径(m)；R为虚拟井影响半径(m)；R0为虚拟井引用半径(m)。
进一步的，所述水位叠加原理具体表述为，原始水位H0为现阶段的钻孔水位H1叠加由于人为干扰形成的降深s，具体见公式(5)。
H0＝H1+s (5)
式中，H0为原始水位；H1为受人为扰动的水位；s为人为扰动后引起的降深。
本发明的有益效果：使得现场的工作人员掌握深部的太原组灰岩的水动力规律和富水规律，有助于工作人员利用该规律进行深部开采的合理工程布置。本发明的所利用的资料均是从常规的水文地质工作中获得，且该方法相对简单，易于技术人员学习操作，应用前景广泛
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1本发明构造对太原组灰岩运移控制的流程图；
图2本发明虚拟井的水位叠加示意图；
图3本发明潘二矿虚拟井影响范围图；
图4本发明构造对太原组灰岩运移控制图。
具体实施方式
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种构造对太原组灰岩水运移控制的确定方法，具体包括：原始水位判别、校正受人为扰动的水位、构造对运移的控制。
所述的原始水位判别包括以下步骤：
根据建井时间为T1对所有钻孔资料进行年份分类，分为建井前资料和建井后资料，建井前资料不需要校正，则钻孔揭露的水位为原始水位H0。钻孔施工时间为T2，建井后资料部分需要判断水位资料是否是原始水位，通过查阅最新的水文地质类型划分报告，提取深部煤层的开采时间T3，若T2>T3，说明矿井还未有太原组灰岩出水，说明太灰水位未受到人为开采的扰动，则此时钻孔水位视为原始水位H0。反之，若T2<T3，说明钻孔施工年份之前，已经开采深部煤层，深部煤层的间接充水含水层即太灰水，矿井此时有太原组灰岩出水，说明太灰水受到人为扰动，即为H1，需要进行校正。
所述的校正受人为扰动的水位包括以下步骤：
(1)第一步确定某矿井深部煤层开采的面积范围，如果深部煤层开采的范围不确定，可视矿井范围为深部煤层开采的范围。圈定深部煤层开采的面积或矿井开采的面积，并把该范围识别为一个虚拟井。
(2)第二步依据水位叠加原理，太原组灰岩在华北型煤田为高承压含水层，其降深的求解为线性问题，线性问题可以应用叠加原理对水位进行直接叠加。
所述的构造对运移的控制包括以下步骤：
最后校正后的天然水位H0、钻孔的位置等数据，利用suffer软件对获取的钻孔的天然水位呈现水位等值线图，在水位等值线图上再叠加研究区的构造纲要图，从叠加后的区域图上可以明确构造对太原组灰岩水的赋存控制，一般在向斜核部位置层间裂隙和滑脱裂隙发育较多的，并且古地势较低，在该位置形成地下水的汇集排泄区，水流在该处为收敛流。在背斜核部位置处于古地势较高的位置，易形成分水岭，地下水的补给区，水流在该处为发散流。
进一步的，所述虚拟井的计算过程包括以下步骤：利用公式(1)计算出虚拟井的半径，即r0。利用公式(2)计算虚拟井的影响半径，即R。利用公式(3)计算出虚拟井的引用半径，即R0。利用公式(4)，计算出由于人为开采所引起的降深，即s。
Figure BDA0003606729360000061
Figure BDA0003606729360000062
R0＝r0+R (3)
Figure BDA0003606729360000063
式中，K为太原组C3-Ⅰ组灰岩渗透系数(m/d)；M为太原组C3-Ⅰ组灰岩厚度(m)；S为人为开采引起的水位降深(m)；a为灰岩水采区走向长(m)；b为灰岩水采区倾向长(m)；η为经验系数；r0为虚拟井半径(m)；R为虚拟井影响半径(m)；R0为虚拟井引用半径(m)。
进一步的，所述水位叠加原理具体表述为，原始水位H0为现阶段的钻孔水位H1叠加由于人为干扰形成的降深s，具体见公式(5)。
H0＝H1+s (5)
式中，H0为原始水位；H1为受人为扰动的水位；s为人为扰动后引起的降深。
在一个具体的实施例中，如图1～4所示，本发明包括原始水位判别、校正受人为扰动的水位、构造对运移的控制。
利用潘谢矿区地质孔和水文地质孔的资料获取太原组灰岩含水层的水位、钻孔的位置等数据，见表1，需要注意的是一般获取水位的钻孔工程时间有一部分是在建井开采之后的。水位实际上是受到开采的人为因素和构造控制自然因素两种因素的控制，需要把水位受到人为开采的因素剔除，即把水位校正到原始天然水位。
表1 潘谢矿区太原组灰岩水位判别一览表
Figure BDA0003606729360000071
Figure BDA0003606729360000081
所述的原始水位判别包括以下步骤：
根据建井时间T1对潘谢矿区的所有钻孔资料进行年份分类，分为建井前资料和建井后资料，具体见表1，建井前资料不需要校正，则钻孔揭露的水位为原始水位H0。钻孔施工时间为T2，建井后资料需要判断水位资料是否是原始水位，通过查阅最新的水文地质类型划分报告，提取潘谢矿区A组煤层的开采时间T3，若T2>T3，说明矿区还未有太原组灰岩出水，说明太灰水位未受到人为开采的扰动，则此时钻孔水位视为原始水位H0。反之，若T2<T3，说明钻孔施工年份之前，已经开采A组煤层，A组煤的间接充水含水层即太灰水，矿井此时有太原组灰岩出水，说明太灰水受到人为扰动，即为H1，需要进行校正。(见表1)，例如，潘二矿水二孔为建井前施工，此时水位为H0。Ⅳ西C3-Ⅰ、Ⅳ-ⅤC3-Ⅰ、Ⅵ西C3-Ⅰ、Ⅴ东C3-Ⅰ钻孔在建井后施工，且施工或抽水时间在水文地质类型报告中获取的A组煤首采时间2010年以后，故三个孔水位判断为非原始水位H1。需要进行水位校正。再根据矿井涌水量台账找到对应2016年份太原组灰岩的矿井涌水量，即Q值，为11.35m3/h。
所述的校正受人为扰动的水位包括以下步骤：
(1)第一步确定潘二矿A组煤开采的面积范围，潘二矿2016年以后开采东一采区，获取东一采区的面积，并把该区域识别为一个虚拟井，见图2，井筒中心选择在V东C3-1孔。东一采区为规则形状，利用公式(1)计算出虚拟井的半径，即r0。利用经验公式(2)计算虚拟井的影响半径，即R。利用公式(3)计算出虚拟井的引用半径，即R0。利用公式(4)，计算出由于人为开采所引起的降深，即s。以潘二矿东一采区为例，具体计算如下：
Figure BDA0003606729360000091
Figure BDA0003606729360000092
R0＝r0+R (3)
Figure BDA0003606729360000101
其中：K—太原组C3-Ⅰ组灰岩渗透系数(m/d)。(东一采区平均为0.0005136667m/d)；
M—太原组C3-Ⅰ组灰岩厚度(m)。(东一采区32.54m)；
S—人为开采引起的水位降深(m)
a—灰岩水采区走向长(m)。(东一采区1500m)；
b—灰岩水采区倾向长(m)。(东一采区730m)；
η—系数：根据b/a值查表2得。(东一采区为1.15)
表2 b/a与η关系表
b/a 0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
η 1.00 1.12 1.14 1.16 1.18 1.18
r0—灰岩水采区虚拟井半径(m)。(东一采区为641.13m)；
R—灰岩水采区影响半径(m)。(东一采区为54.62m)；
R0—灰岩水采区太原组虚拟井引用半径(m)。(东一采区为695.75m)。代入上述公式计算得r0为641.13m、R为54.62m、R0为695.75m、s为241.00m。
(2)第二步依据水位叠加原理，太原组灰岩在华北型煤田为高承压含水层，其降深的求解为线性问题，线性问题可以应叠加原理对水位进行直接叠加。见图2，具体表述为，原始水位H0为现阶段的钻孔水位H1叠加由于人为干扰形成的降深s，具体见公式(5)。由于潘二矿东一采区靠近V东C3-1孔，故虚拟的虚拟井是以该孔为中心，根据3-2计算出来的引用半径为695.75m，说明该虚拟孔的影响范围是695.75m的大圆。具体见图3，根据坐标计算VI西C3-1孔、IV-VC3-1孔、IV西C3-1孔距离虚拟井中心的距离分别为2595m、1361m、1365m，表明人为干扰的水位未波及到三个孔，三个孔的水位可视为原始水位H0。根据3-2步计算出来的241m降深，叠加V东C3-1孔的水位-238.65m，则该孔的天然水位为2.35m。
H0＝H1+s (5)
式中，H0为原始水位；H1为受人为扰动的水位；s为人为扰动后引起的降深。
所述的构造对运移的控制包括以下步骤：
最后利用校正后的天然水位H0、钻孔的位置等数据，利用suffer软件对获取的钻孔的天然水位呈现水位等值线图，在水位等值线图上再叠加研究区的构造纲要图。具体见图4，可以看出太灰水在顾桥-丁集-潘谢外围形成高水位区，大致为地下水分水岭，在该线两侧地下水位标高逐渐减小说明太原组灰岩I组灰岩含水层在该线附近接受补给。因此地下水的径流方向为：在该分水岭北东侧径流方向为南西向流向北东向。在分水岭南西侧径流方向为自北东向南西向。形成两个低水位中心，北东向低水位中心位于尚塘耿村区域向斜核部附近，往两侧特别是往潘集区域背斜附近，水位逐渐升高，受构造控制明显。具体表现为尚塘-耿村向斜核部位置层间裂隙和滑脱裂隙发育较多的，并且古地势较低，在该位置形成地下水的汇集排泄区，水流在该处为收敛流。在潘集背斜核部位置处于古地势较高的位置，易形成分水岭，地下水的补给区，水流在该处为发散流。说明在尚塘耿村向斜附近容易形成太原组灰岩的高富水区，并且在受尚塘耿村向斜和潘集背斜的控制，在该区域容易形成区域性的大断层，奥灰水容易导通太灰水。在该区域开采深部煤层时应该注意加强对太灰水的疏放，并且在未来进一步释放深部煤层储量时，在该部分应该加大工程探查密度，并且要加强太灰水和奥灰水的联合动态观测，以防止太灰含水层沟通奥灰含水层发生突水。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (1)

1.一种构造对太原组灰岩水运移控制的确定方法，其特征在于，包括原始水位判别、校正受人为扰动的水位与构造对运移的控制；
所述的原始水位判别包括以下步骤：根据建井时间为T1对所有钻孔资料进行年份分类，分为建井前资料和建井后资料，建井前资料不需要校正，则钻孔揭露的水位为原始水位H0；钻孔施工时间为T2，建井后资料部分需要判断水位资料是否是原始水位，通过查阅最新的水文地质类型划分报告，提取深部煤层的开采时间T3，若T2>T3，则此时钻孔水位判定为原始水位H0；反之，若T2<T3，则此时钻孔水位判定为H1，需要进行校正；
所述的校正受人为扰动的水位包括以下步骤：
(1)第一步确定某矿井深部煤层开采的面积范围，如果深部煤层开采的范围不确定，可视矿井范围为深部煤层开采的范围；圈定深部煤层开采的面积或矿井开采的面积，并把该范围识别为一个虚拟井；
所述虚拟井的计算过程包括以下步骤：利用公式(1)计算出虚拟井的半径，即r0，利用公式(2)计算虚拟井的影响半径，即R，利用公式(3)计算出虚拟井的引用半径，即R0利用公式(4)，计算出由于人为开采所引起的降深，即s，
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
R0＝r0+R(3)
Figure QLYQS_3
式中，K为太原组C3-Ⅰ组灰岩渗透系数(m/d)；M为太原组C3-Ⅰ组灰岩厚度(m)；s为人为开采引起的水位降深(m)；a为灰岩水采区走向长(m)；b为灰岩水采区倾向长(m)；η为经验系数；r0为虚拟井半径(m)；R为虚拟井影响半径(m)；R0为虚拟井引用半径(m)；Q为矿井涌水量(m3/h)
(2)第二步依据水位叠加原理，太原组灰岩在华北型煤田为高承压含水层，其降深的求解为线性问题，线性问题可以应用叠加原理对水位进行直接叠加；
所述水位叠加原理具体表述为，原始水位H0为现阶段的钻孔水位H1叠加由于人为干扰形成的降深s，具体见公式(5)；
H0＝H1+s(5)
式中，H0为原始水位；H1为受人为扰动的水位；s为人为扰动后引起的降深；
所述的构造对运移的控制包括以下步骤：
最后校正后的天然水位H0、钻孔的位置数据，利用suffer软件对获取的钻孔的天然水位呈现水位等值线图，在水位等值线图上再叠加研究区的构造纲要图，从叠加后的区域图上可以明确构造对太原组灰岩水的赋存控制。
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