CN115169948A - 采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法及安全采矿方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法及安全采矿方法，充分考虑离层突水形成机制，精确识别采动覆岩突水离层带，从离层突水预灾、致灾的演化过程选取关键地层参数，建立表征离层突水直接水源、突水通道、动力规模的复合地层预测指标；然后根据划分的突水等级，确定工作面地层预测指标阈值，综合考虑工作面回采过程中复合地层预测指标的大小，采取相应的防治措施。本发明实现了对采煤工作面精准、连续的突水风险预测。

Description

采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法及安全采矿方法

技术领域

本申请属于煤炭开采防治水技术领域，具体而言涉及一种采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法及安全采矿方法。

背景技术

工作面开采过程中，由于上覆岩层不均匀沉降，在含水层附近发育封闭的离层空间并形成离层积水体。一旦隔水层破断，在积水离层和工作面之间形成突水通道，则发生离层突水。由于离层突水的直接水源是采动引起的离层积水，突水通道是采动引起的导水裂隙，因此离层水的演化实际上是采动裂隙时空演化的过程。根据各矿井实际生产情况，无论是不同矿井之间、相同矿井不同工作面之间、还是同一工作面不同回采位置处，离层突水的演化和规模均有较大的差异。

与传统矿井突水不同，离层突水的演化是工程采动和原位覆岩耦合的结果，难以用常规的物探或钻探的方式直接对工作面离层水的水源规模和通道赋存情况进行探测，也不能根据规范中的导水裂隙带高度预测公式进行突水预测。现有技术中还没有专门针对工作面离层突水的评价预测方法，导致工作面开采之前对离层水的预测和风险性评估具有一定盲目性，无法有效保障开采安全性。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法及安全采矿方法，用以解决现有技术在存在的上述技术问题。

本发明的目的是这样实现的：

一方面，提供一种采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，包括如下步骤：

S1、建立采动覆岩结构模型，识别采区采动覆岩的突水离层带；

S2、基于所述突水离层带的发育结构，确定影响发生离层突水的地层预测指标，所述地层预测指标包括离层积水规模、离层突水通道发育规模、离层突水动力强度；

S3、基于离层积水规模、离层突水通道发育规模、离层突水动力强度三个地层预测指标获取连续的离层突水地层预测指标等值线图；并根据已采工作面的涌水量进行突水等级分区，确定各个突水等级对应的地层预测指标的阈值；

S4、基于离层突水地层预测指标等值线图以及地层预测指标的阈值，得到采煤工作面不同位置处离层突水的风险等级预测结果。

进一步地，步骤S1中，基于采区水文地质资料以及采区综合地层柱状图和地层剖面图建立所述采动覆岩结构模型；所述突水离层带包括由下向上叠置的下位隔水层、积水离层和上位硬岩层。

进一步地，按照下式确定影响离层积水规模的地层预测指标I_w：

按照下式确定影响离层突水通道发育规模的地层预测指标I_p：

按照下式确定影响离层突水动力强度的地层预测指标I_d：

其中，T_煤为煤层厚度，m；D_隔顶为下位隔水层顶板到煤层顶板距离，m；D_隔底为下位隔水层底板到煤层顶板距离，m；D_硬顶为上位硬岩层顶板到煤层顶板的距离，m。

进一步地，步骤S3中，首先通过已采工作面不同回采位置处的平均涌水量q，将工作面离层突水风险划分为多个突水等级；

其次，将已采工作面的涌水量数据点绘制在离层突水地层预测指标等值线图上，从而确定各个突水等级对应的地层预测指标的阈值。

进一步地，将工作面离层突水风险划分为低风险、中风险、高风险和极高风险四个突水等级；具体的，若q≤Q₁，对应的突水等级为低风险；若Q₁＜q≤Q₂，对应的突水等级为中风险；若Q₂＜q＜Q₃，对应的突水等级为高风险；若q≥Q₃，对应的突水等级为极高风险；

将地层预测指标I_w、I_p、I_d均划分为强、中等和弱三个等级；

其中，当I_w≥I_{w 2}时，I_w为强；当I_w1＜I_w＜I_w2时，I_w为中等；当I_w≤I_w1时，I_w为弱；

当I_p≥I_p2时，I_p为强；当I_p1＜I_p＜I_p2时，I_p为中等；当I_p≤I_p1时，I_p为弱；

当I_d≥I_d2时，I_d为强；当I_d1＜I_d＜I_d2时，I_d为中等；当I_d≤I_d1时，I_d为弱。

进一步地，根据以下判断标准，获取采煤工作面任一位置的突水等级预测结果：

若I_w为强，且I_d为强/中，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为极高风险；

若I_w和I_d均为强，且I_d为弱，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为高风险；

若I_w为强、I_p为中等且I_d为弱；或者，I_w为中且I_p为强/中；或者，I_w为中、I_p为弱且I_d为强/中，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为中风险；

若I_p和I_d均为弱，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为低风险。

进一步地，Q₁＝100m³/h，Q₂＝200m³/h，Q₃＝300m³/h；

I_w1＝0.035，I_w2＝0.075；

I_p1＝0.08，I_p2＝0.16；

I_d1＝0.055，I_d2＝0.085。

另一方面，提供一种安全采矿方法，采煤过程中利用上述的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法对采煤工作面不同位置离层突水的风险等级进行预测，并基于预测的离层突水的风险等级制定相应的开采方案。

进一步地，所述基于预测的离层突水的风险等级制定相应的开采方案包括：

当工作面回采到低风险等级区域时，实施正常的开采方案，所述正常的开采方案采用阈值为F的工作面液压支架、水泵排水功率为P、采高为h、推进速度为v；

当工作面回采到中风险等级区域时，采用阈值为F的工作面液压支架、提高水泵排水功率P₁至1P-2P、采高h₁降低到0.8h-0.9h、推进速度v₁提高到v-1.5v；

当工作面回采到高风险等级区域时，采取阀值为1.2F-1.5F的工作面液压支架、提高水泵排水功率P₂至2P-2.5P、采高h₂降低到0.6-0.8h、推进速度v₂提高到1.5v-2v；

当工作面回采到极高风险等级区域时，采取阀值为1.5F-2F的工作面液压支架、提高水泵排水功率P₃至2.5P-3P、采高h₃降低到0.4h-0.6h、推进速度v₃提高到1.5v-2v。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，提出三种类型地层预测指标来预报矿井工作面离层突涌水风险，细化了突水风险预警等级，而且整个回采期间，三个地层预测指标值是变化的，能够反映开采过程中突水风险等级的动态变化过程，进而实现对采煤工作面的精准、连续的突水风险预测。

b)本发明提供的安全采矿方法，基于三种类型地层预测指标来预报矿井工作面离层突涌水风险，能够实现对任一采煤工作面的突水风险进行预测，从而可根据采煤工作面突水风险级别，提前制定相应的开采方案，有效避免矿井突水，对实现安全采矿具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的采动覆岩突水离层带的纵向结构示意图；

图2为本发明实施例提供的结合地层预测指标综合分析离层突水风险的预测流程图；

图3为本发明实施例提供的崔木煤矿煤层厚度等值线图；

图4为本发明实施例提供的崔木煤矿下位隔水层底板到煤层顶板距离等值线图；

图5为本发明实施例提供的崔木煤矿下位隔水层顶板到煤层顶板距离等值线图；

图6为本发明实施例提供的崔木煤矿上位硬岩层顶板到煤层顶板距离等值线图；

图7为本发明实施例提供的崔木煤矿地层预测指标等值线图；

图8为本发明实施例提供的崔木煤矿地层预测指标等值线图；

图9为本发明实施例提供的崔木煤矿地层预测指标等值线图；

图10为本发明实施例提供的崔木煤矿已采工作面涌水量-推进距离曲线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本申请实施例的限定。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，包括如下步骤：

S1、收集采区地层资料，建立采动覆岩结构模型，识别采区采动覆岩的突水离层带。

S11、收集采区地质资料，包括勘探钻孔资料、水文地质资料等，根据地层埋深、岩性含水层等信息，绘制采区综合地层柱状图和地层剖面图。

S12、基于采区水文地质资料以及采区综合地层柱状图和地层剖面图，建立采动覆岩结构模型，识别出采区采动覆岩的突水离层带。具体为：

本实施例中，“采动覆岩结构模型”是指，明确开采煤层和突水离层带空间赋存位置的覆岩简化模型。建立采动覆岩结构模型，首先需要根据采区水文地质资料及采区综合地层柱状图、地层剖面图，明确各岩层层系、厚度、岩性、结构、埋深，然后划分工程地质岩组，识别出煤层、主要含隔水层、隔水层。本实施例中的突水离层带是指引发离层突水的复合层位，突水离层带需要满足两个基本条件：一是有上位硬岩层和下位隔水层的组合结构，这样采动过程上位硬岩层和下位软岩隔水层不均匀沉降；且下位隔水层在弯曲变形过程中并未发育导通的裂隙，仍保持一定隔水层，此时在上位硬岩层和下位隔水层之间可以形成暂时封闭的离层，为离层积水提供空间。二是闭合的离层空间恰好位于强富水性含水层的附近，则在离层发育过程中，储存在含水层的地下水持续汇集到封闭的离层空间中，形成离层积水体，即离层突水的直接水源。简而言之，本实施例中的突水离层带是指满足以上两个条件的岩层，具体包括上位硬岩层、下位软岩隔水层以及在两者之间形成的积水离层，也就是说，突水离层带包括由下向上叠置的下位隔水层、积水离层和上位硬岩层，如图1所示。示例性的，软岩隔水层包括泥岩类岩层，硬岩层包括火成岩、砂岩等岩层。

在步骤S12中，需要识别采动覆岩积水离层、位于积水离层以下的下位隔水层以及位于积水离层以上的上位硬岩层。具体包括如下步骤：

根据以上“突水离层带”的定义，离层突水的隔水层应为位于积水离层下部的，具有一定厚度且具有隔水性的泥岩层。该岩层的弯曲破断对离层突水的发生及规模有着直接影响。若隔水层可变性空间较大，则岩层大幅度变形后，在隔水层和上位岩层之间形成较大的离层积水空间，加剧离层突水的涌水量和出水量。另一方面，若突水离层带隔水层受采动影响较大，隔水层剧烈下沉、破断，形成的导水裂隙导通离层积水体和工作面，大规模的突水通道导致高涌水量的离层突水。因此，“突水离层带”下位泥岩隔水层的赋存位置是影响离层突水发生与否以及发生规模的关键因素。

积水离层上位硬岩层，是指其破断会引发强烈荷载，迫使“突水离层带”下位泥岩隔水层断裂，进而引发强动力离层突水的岩层。该岩层往往需要有较大刚度，比如海孜煤矿覆岩中的巨厚火成岩体，或永陇矿区的白垩系砂岩层。上位硬岩层的破断，一方面会赋予离层积水体较高的势能，另一方面使得下位隔水层进一步断裂，进而导致导水裂隙快速发育至积水离层处，产生具有破坏性的动力离层突水。因此，考虑采动下突水离层带上位硬岩层的变形破断，对预测离层突水发生及规模具有重要的指导意义。

S2、基于步骤S1中识别的突水离层带的发育结构，确定影响发生离层突水的地层预测指标，所述地层预测指标包括离层积水规模、离层突水通道发育规模、离层突水动力强度。

S21、确定影响离层积水规模的地层预测指标。

考虑到封闭离层为真空，离层形成过程中地下水迅速汇集到离层空间。为简化分析，这里假设离层形成过程地下水随即充满离层空间，则可以将封闭离层空间的体积等同于离层直接水源的体积。因此，提出表征采动覆岩“突水离层带”封闭离层规模(离层水直接水源规模)的地层预测指标I_w如下：

其中，T_煤为煤层厚度，m；D_隔顶为下位隔水层顶板到煤层顶板距离，m。

S22.确定影响离层突水通道发育规模的地层预测指标。

尽管在“突水离层带”发育离层空且形成离层积水，但离层涌水是否发生的关键在于下位隔水层是否破断导通。作为离层水的关键突水通道，下位隔水层的破断程度，即导水裂隙发育规模，决定了涌水量的大小。而下位隔水层的破断程度取决于隔水层下部的可移动空间。因此，提出表征“突水离层带”突水通道规模的地层预测指标I_p如下：

其中，D_隔底为下位隔水层底板到煤层顶板距离，m。

S23.确定影响离层突水动力强度的地层预测指标。

由于离层突水是采动覆岩结构时空演化的结果，离层突水的必要条件包括形成离层积水体和隔水层发育导水裂隙。然而，一些具有破坏性的离层水害往往伴有超强的动力特征，如矿山压力显现、压架等，而且对于侏罗系煤田的弱胶结地层，如崔木煤矿、招贤煤矿、新上海一号煤矿等，过高的流速会导致工作面溃砂。位于“突水离层带”的上位硬岩层的破断是导致动力离层突水的关键。因此，提出表征上位硬岩层受采动影响程度的地层预测指标I_d如下：

其中，D_硬顶为上位硬岩层顶板到煤层顶板的距离，m。

本实施例中，表征离层突水的地层预测指标需要获取煤层厚度T_煤、下位隔水层顶板到煤层顶板距离D_隔顶、下位隔水层底板到煤层顶板距离D_隔底、上位硬岩层顶板到煤层顶板距离D_硬顶四个基本地层参数。为获取整个矿区或工作面任意位置的地层参数，根据已有钻孔资料统计这四个地层参数(T_煤、D_隔顶、D_隔底、D_硬顶)，因采区前期钻孔资料数据有限，呈离散点数据。

S3、基于离层积水规模、离层突水通道发育规模、离层突水动力强度三个地层预测指标获取连续的离层突水地层预测指标等值线图；并根据矿井生产的实际抢险承灾能力，对已采工作面的涌水量进行突水等级分区，确定各个突水等级对应的地层预测指标的阈值。

S31.首先，根据式(1)、式(2)、式(3)计算表征离层突水水源、突水通道、突水动力规模的地层预测指标(I_w，I_p，I_d)，基于钻孔资料数据获取的I_w，I_p，I_d为散点数据。然后，通过Surfer软件中的克里金插值法获取全矿区或工作面的连续的离层突水地层预测指标等值线图，可以得到目标采区内任意位置处的地层预测指标。

S32.根据已采工作面平均涌水量对离层突水划分等级，并将已采工作面的涌水量数据点绘制在步骤S31中获取的各个离层突水地层预测指标等值线图上，从而确定各个突水等级对应的地层预测指标的阈值。

具体的，根据已采工作面掘进过程中不同位置处的涌水量记录数据，在步骤S31中获取的各个地层预测指标等值线图中划分出不同突水等级所在的采煤工作面区域，分别将突水等级所在区域对应的地层预测指标划分为相应的地层预测指标等级。根据不同突水等级所在区域分别对应的地层预测指标等级范围，进而确定不同地层预测指标等级的阈值。

由于离层突水机制较为复杂，以上提出的地层预测指标仅用来表征突水水源、突水通道、突水动力规模，而并非精确计算。对于采前实际工作面预测，需要基于已采工作面实际突涌水情况确定离层突水的地层预测指标阈值。

在其中一种可选实施方式中，通过记录已采工作面不同回采位置处的平均涌水量q，根据煤矿实际工程防灾能力确定涌水量等级阈值，将工作面离层突水的平均涌水量划分为四个等级，对应四个突水等级，如表1所示。

表1基于工作面平均涌水量的突水等级划分表

根据式(1)、式(2)、式(3)计算得到工作面离层突水的地层预测指标。根据已采工作面掘进过程中不同位置处的涌水量记录结果，在地层预测指标等值线图中识别并划分出突水等级为低风险(q<Q₁)、中风险(Q₁<q≤Q₂)、高/极高风险(q>Q₂)所在的采煤工作面区域，分别将突水等级为低风险(q<Q₁)、中风险(Q1<q≤Q₂)、高/极高风险(q>Q₂)所在区域对应的地层预测指标等级记为弱、中等、强。收集这三个地层预测指标等级(弱、中等、强)范围内的所有地层预测指标值，并计算三个地层预测指标等级(弱、中等、强)范围内各自的地层预测指标均值，将相邻个地层预测指标等级范围内的地层预测指标均值的平均值作为这两个相邻地层预测指标等级的阈值。

最终，确定这三个地层预测指标等级的阈值，如表2所示。如果矿井工作面为首采面，可基于类比法，根据具有相似地层条件的矿井确定突水地层预测指标阈值进行评价预测。

表2地层预测指标等级划分

S4、基于离层突水地层预测指标等值线图以及地层预测指标的阈值，得到采煤工作面不同位置处离层突水的风险等级预测结果。

根据离层突水机制，本实施例提出的三个地层预测指标并不是单一使用，而是需相互配合，综合分析离层突水演化过程。图2示出了本实施例三个地层预测指标综合分析离层突水风险的预测流程。

具体而言，采煤工作面任一位置的突水等级预测结果，判断标准如下：

若I_w为强，且I_d为强/中，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为极高风险；

若I_w和I_d均为强，且I_d为弱，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为高风险；

若I_w为强、I_p为中等且I_d为弱；或者，I_w为中且I_p为强/中；或者，I_w为中、I_p为弱且I_d为强/中，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为中风险；

若I_p和I_d均为弱，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为低风险。

也就是说，当I_w为强，而I_d为强/中时，无论I_p处于何种等级，采动覆岩突水离层带均可形成大规模离层空间、突水通道以及突水动力源，形成极高风险突水；当I_w和I_d为强，而I_d为弱时，表示采动覆岩突水离层带可形成大规模离层空间、突水通道，引发高风险性突水。当I_p和I_d均为弱时，无论I_w为何种等级，表示采动覆岩突水离层带无法形成或仅形成小规模突水通道，判定为低风险。其余情况为中风险突水：

更详细的，综合三个地层预测指标所对应的各离层突水风险等级，具体包括以下10种情况：

情况一：当工作面推进到某一位置时，首先对该处地层的I_w进行等级判别，若I_w为强，说明此处发育大规模离层积水；下一步对I_p进行等级判别，若I_p为强，说明下位隔水层发生明显断裂，进而形成大规模突水通道；最后对该处地层的I_d进行等级判别，若I_d为强或中等，说明上位硬岩层受采动影响破断，进而引发极高风险突水，预测平均涌水量≥Q₃。

情况二：当工作面推进到某一位置时，首先对该处地层的I_w进行等级判别，若I_w为强，说明此处发育大规模离层积水；下一步对I_p进行等级判别，若I_p为强，说明下位隔水层发生明显断裂，进而形成大规模突水通道；最后对该处地层的I_d进行等级判别，若I_d为弱，说明上位硬岩层受采动影响较小，进而保持结构完整，不会对离层积水体和下位隔水层产生附加荷载，因此不会形成强动力突水。但由于I_w和I_p均为强，因此判定此处突水等级为高风险，预测平均涌水量为Q₂-Q₃。

情况三：当工作面推进到某一位置时，首先对该处地层的I_w进行等级判别，若I_w为强，说明此处发育大规模离层积水；下一步对I_p进行等级判别，若I_p为中等，说明下位隔水层发生断裂，形成中等规模的突水通道；最后对该处的I_d进行等级判别，若I_d为强或中等，说明上位硬岩层断裂，对离层积水体和下位隔水层产生附加荷载，导致下位隔水层进一步断裂，突水通道规模增大，进而引发极高风险突水，预测平均涌水量≥Q3。

情况四：当工作面推进到某一位置时，首先对该处地层的I_w进行等级判别，若I_w为强，说明此处发育大规模离层积水；下一步对I_p进行等级判别，若I_p为中等，说明下位隔水层发生断裂，形成中等规模的突水通道；最后对该处地层的I_d进行等级判别，若I_d为弱，说明上位硬岩层受采动影响较小，进而保持结构完整，不会对离层积水体和下位隔水层产生附加荷载，因此判定此处突水等级为中风险，平均涌水量为Q1-Q2。

情况五：当工作面推进到某一位置时，首先对该处地层的I_w进行等级判别，若I_w为强，说明此处发育大规模离层积水；下一步对I_p进行等级判别，若I_p为弱，说明下位隔水层保持相对完整，不会形成突水通道；最后对该处的I_d进行等级判别，若I_d为强或中等，说明上位硬岩层断裂，对离层积水体和下位隔水层产生附加荷载，导致下位隔水层进一步断裂，形成大规模突水通道，因此判定此处为极高风险突水，平均涌水量≥Q₃。

情况六：当工作面推进到某一位置时，首先对该处地层的I_w进行等级判别，若I_w为强，说明此处发育大规模离层积水；下一步对I_p进行等级判别，若I_p为弱，说明下位隔水层保持相对完整，不会形成突水通道；最后对该处的I_d进行等级判别，若I_d为弱，说明上位硬岩层受采动影响较小，进而保持结构完整，不会对离层积水体和下位隔水层产生附加荷载。因此判定此处突水等级为低风险，涌水量≤Q₁。

情况七：当工作面推进到某一位置时，首先对该处地层的I_w进行等级判别，若I_w为中，说明此处发育中等规模离层积水；下一步对I_p进行等级判别，若I_p为强或中，说明下位隔水层断裂，可以形成突水通道。但由于离层积水规模指标I_w为中等，无论I_d处于哪个等级，突水均为中等。因此无需对I_d进行等级判别，可直接判定此处为突水等级为中风险，平均涌水量Q₁-Q2。

情况八：当工作面推进到某一位置时，首先对该处地层的I_w进行等级判别，若I_w为中，说明此处发育中等规模离层积水；下一步对I_p进行等级判别，若I_p为弱，说明下位隔水层相对完整，无法形成突水通道；最后对该处的I_d进行等级判别，若I_d为强或中等，说明上位硬岩层断裂，对离层积水体和下位隔水层产生附加荷载，导致下位隔水层进一步断裂，形成突水通道。考虑到离层积水为中等，因此判定此处突水等级为中风险，平均涌水量Q₁-Q2。

情况九：当工作面推进到某一位置时，首先对该处地层的I_w进行等级判别，若I_w为中，说明此处发育中等规模离层积水；下一步对I_p进行等级判别，若I_p为弱，说明下位隔水层保持相对完整，不会形成突水通道；最后对该处的I_d进行等级判别，若I_d为弱，说明上位硬岩层受采动影响较小，进而保持结构完整，不会对离层积水体和下位隔水层产生附加荷载。因此判定此处突水等级为低风险，平均涌水量≤Q₁。

情况十：当工作面推进到某一位置时，首先对该处地层的I_w进行等级判别，若I_w为弱，说明此处发育小规模离层积水，此时无论I_p和I_d处于哪个等级，均不会产生强或中等的离层突水。因此判定此处突水等级为低风险，平均涌水量≤Q₁。

与现有技术相比，本实施例提供的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，充分考虑离层突水形成机制，精确识别采动覆岩“突水离层带”，从离层突水预灾、致灾的演化过程选取关键地层参数，建立表征离层突水直接水源、突水通道、动力规模的复合地层预测指标；然后根据划分的突水等级，确定工作面地层预测指标阈值，综合考虑工作面回采过程中复合地层预测指标的大小，采取相应的防治措施。相比于以往单一参数判定方法，本实施例的预测方法不仅充分考虑水源、突水通道、突水动力对水害的影响，而且将采动和地质条件结合起来，进而量化整个回采期间采动覆岩顶板结构演化过程；另外相比于传统方法采用理论力学解析模型和数值模拟，本是手里的预测方法没有涉及一系列难以确定的岩石力学参数，仅基于钻孔资料即可实现，具有更强的可操作性。而且，矿井技术人员根据实际地层预测指标大小和阈值的关系，可以定量地决策出限制采放高度、预先离层疏放水、提高液压支架上限等防治措施的具体参数，为矿井离层突水的预测防控提供保障，对实现安全生产具有重要意义。

实施例2

本发明的又一具体实施例，公开了一种采煤方法，采煤过程中利用实施例1的采煤工作面覆岩离层突水风险等级预测方法对采煤工作面不同位置离层突水的风险等级进行预测，并基于预测的离层突水的风险等级制定相应的开采方案。

具体而言，本实施例的采煤方法，包括实施例1中的步骤S1-S4，还包括步骤S5：采煤工作面回采前，基于离层突水风险等级分布图制定相应的开采方案。

具体而言，当工作面回采到低风险等级区域，实施正常开采方案，正常开采方案采用的工作面液压支架的阈值为F、水泵排水功率为P、采高为h、推进速度为v；

当工作面回采到中风险等级区域时，应做好排水排砂的应急方案，采用阈值为F的工作面液压支架，提高水泵排水功率P₁至1P-2P，如果涌水量或溃砂量超过工作面设备处理能力，则采取将采高h₁降低到0.8h-0.9h、将推进速度v₁提高到v-1.5v的措施降低灾害风险；

当工作面回采到高风险等级区域时，及时进行离层疏放水工作，核定工作面排水设施功率，提高水泵排水功率P₂至2P-2.5P，同时进行清淤；采取阀值为1.2F-1.5F的工作面液压支架、将采高h₂降低到0.6-0.8h、将推进速度v₂提高到1.5v-2v的措施降低灾害风险。

当工作面回采到极高风险等级区域时，需要及时进行离层疏放水工作，核定工作面排水设施功率，提高水泵排水功率P₃至2.5P-3P，同时进行清淤；采取阀值为1.5F-2F的工作面液压支架、将采高h₃降低到0.4h-0.6h、将推进速度v₃提高到1.5v-2v的措施降低灾害风险。

与现有技术相比，本实施例提供的安全采矿方法，开采过程中，先利用实施例1的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法对采煤工作面的突水风险进行连续预测，具体基于三种类型地层预测指标来预报矿井工作面离层突涌水风险，能够实现对任一采煤工作面的突水风险进行预测，从而可根据采煤工作面突水风险等级，提前制定相应的开采方案，有效避免矿井突水，对实现安全采矿具有重要意义。

实际工程案例

以崔木煤矿为例，将实施例1的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法应用到崔木煤矿。

一、识别采动覆岩“突水离层带”。

识别采动覆岩积水离层。本实施例以崔木煤矿为例，通过采取地层资料，获取综合地层条件，如表3所示。根据崔木煤矿工程水文地质条件，可将白垩系洛河组含水层、侏罗系安定组及交界处的积水离层视为采动覆岩“突水离层带”。

识别离层水隔水层。根据表3，崔木煤矿侏罗系安定组上部以砂质泥岩为主，夹细砂岩与中粗粒砂岩的地层为“突水离层带”下位隔水层。

识别积水离层上位硬岩层。将位于洛河组下部的平均厚度为12.45m的中-粗粒砂岩层判定为积水离层上位硬岩层。

表3崔木煤矿综合地层条件统计表

二、地层预测指标确定。

统计T_煤、D_隔顶、D_隔底、D_硬顶四个地层参数，根据式(1)、式(2)、式(3)计算表征离层突水水源、突水通道、动力规模的地层预测指标I_w，I_p，I_d，并获得崔木煤矿地层参数(T_煤、D_隔顶、D_隔底、D_硬顶)和地层预测指标(I_w，I_p，I_d)等值线图如图3至9所示。

三、确定离层突水多地层预测指标预警阈值。

已采工作面不同回采位置处的涌水量如图10所示。根据崔木煤矿实际抢险能力，将平均涌水量划分成四个突水等级，如表4所示。根据图7至图9所示的地层预测指标等值线图，确定各个突水等级对应的地层预测指标的阈值，如表5所示。

表4崔木煤矿基于平均涌水量的风险等级划分表

平均涌水量(m<sup>3</sup>/h)	≤100	100-200	200-500	≥500
					风险等级	低风险	中风险	高风险	极高风险

表5崔木煤矿地层预测指标等级划分表

四、采前工作面离层突水综合分析评价

以待开采的XXYY工作面为例，该工作面走向长度1000m，不同范围的地层预测指标值如表6所示。

表6崔木煤矿XXYY工作面地层预测指标统计表

在距切眼0-200m范围内，I_w为0.025-0.045，对应指标等级为弱-中等，I_p为0.06-0.1，指标等级为弱-中等，I_d为0.025-0.035，指标等级为弱。根据图2，判定该阶段突水等级为低风险-中风险，涌水量小于200m³/h，可基本保持正常回采，无需对离层水进行疏放。但应做好排水排砂的应急方案，提高水泵排水功率，如果涌水量或溃砂量超过工作面设备处理能量，将采高h降低到0.8h-0.9h，将推进速度v提高到v-1.5v。

在距切眼200-400m范围内，I_w在0.045-0.065之间，对应指标等级为中等；I_p在0.1-0.14之间，对应指标等级为中等，而I_d在0.035-0.055之间，对应指标等级为弱。结合图2，判定该阶段的突水等级为中风险，平均涌水量为100-200m³/h。工作面回采到该阶段时，但应做好排水排砂的应急方案，提高水泵排水功率，如果涌水量或溃砂量超过工作面设备处理能量，将采高h降低到0.8h-0.9h，将推进速度v提高到v-1.5v。

在距切眼400-600m范围内，I_w在0.065-0.085之间，对应指标等级为中等-强，I_p在0.14-0.18之间，对应指标等级为中等-强，而Id为0.055-0.085，对应指标等级为中等。结合图2，判定该阶段的突水等级为中风险-极高风险，预计平均涌水量>200m³/h。工作面推进到该阶段时，应及时进行离层疏放水工作，核定工作面排水设施功率，增加排水设备，做好清淤工作；建议选取阈值为正常值1.5-2倍的工作面液压支架，将采高h降低到0.4-0.6h、将推进速度v提高到1.5-2v。

在距切眼600-800m范围内，I_w为0.085-0.095，对应指标等级为强，I_p为0.18-0.22，对应指标等级为强，I_d为0.085，对应指标等级为强。结合图2，判定该阶段的突水等级为极高风险，预计平均涌水量在>500m³/h。工作面推进到该阶段时，应及时进行离层疏放水工作，核定工作面排水设施功率，增加排水设备，做好清淤工作；建议选取阈值为正常值1.5-2倍的工作面液压支架，将采高h降低到0.4-0.6h、将推进速度v提高到1.5-2v。

在距切眼800-1000m范围内，I_w为0.095-0.085，对应指标等级为强，I_p为0.22-0.18，对应指标等级为强，I_d为0.085-0.075，对应指标等级为中等。结合图2，判定该阶段的突水等级为极高风险，预计平均涌水量在>500m³/h。工作面推进到该阶段时，应及时进行离层疏放水工作，核定工作面排水设施功率，增加排水设备，做好清淤工作；建议选取阈值为正常值1.5-2倍的工作面液压支架，将采高h降低到0.4-0.6h，将推进速度v提高到1.5-2v。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立采动覆岩结构模型，识别采区采动覆岩的突水离层带；

S2、基于所述突水离层带的发育结构，确定影响发生离层突水的地层预测指标，所述地层预测指标包括离层积水规模、离层突水通道发育规模、离层突水动力强度；

S3、基于离层积水规模、离层突水通道发育规模、离层突水动力强度三个地层预测指标获取连续的离层突水地层预测指标等值线图；并根据已采工作面的涌水量进行突水等级分区，确定各个突水等级对应的地层预测指标的阈值；

S4、基于离层突水地层预测指标等值线图以及地层预测指标的阈值，得到采煤工作面不同位置处离层突水的风险等级预测结果。

2.根据权利要求1所述的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，其特征在于，步骤S1中，基于采区水文地质资料以及采区综合地层柱状图和地层剖面图建立所述采动覆岩结构模型；

所述突水离层带包括由下向上叠置的下位隔水层、积水离层和上位硬岩层。

3.根据权利要求1所述的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，其特征在于，按照下式确定影响离层积水规模的地层预测指标I_w：

按照下式确定影响离层突水通道发育规模的地层预测指标I_p：

按照下式确定影响离层突水动力强度的地层预测指标I_d：

其中，T_煤为煤层厚度，m；D_隔顶为下位隔水层顶板到煤层顶板距离，m；D_隔底为下位隔水层底板到煤层顶板距离，m；D_硬顶为上位硬岩层顶板到煤层顶板的距离，m。

4.根据权利要求1所述的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，其特征在于，步骤S3中，首先通过已采工作面不同回采位置处的平均涌水量q，将工作面离层突水风险划分为多个突水等级；

其次，将已采工作面的涌水量数据点绘制在离层突水地层预测指标等值线图上，从而确定各个突水等级对应的地层预测指标的阈值。

5.根据权利要求4所述的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，其特征在于，将工作面离层突水风险划分为低风险、中风险、高风险和极高风险四个突水等级；具体的，若q≤Q₁，对应的突水等级为低风险；若Q₁＜q≤Q₂，对应的突水等级为中风险；若Q₂＜q＜Q₃，对应的突水等级为高风险；若q≥Q₃，对应的突水等级为极高风险；

将地层预测指标I_w、I_p、I_d均划分为强、中等和弱三个等级；

其中，当I_w≥I_w2时，I_w为强；当I_w1＜I_w＜I_w2时，I_w为中等；当I_w≤I_w1时，I_w为弱；

当I_p≥I_p2时，I_p为强；当I_p1＜I_p＜I_p2时，I_p为中等；当I_p≤I_p1时，I_p为弱；

当I_d≥I_d2时，I_d为强；当I_d1＜I_d＜I_d2时，I_d为中等；当I_d≤I_d1时，I_d为弱。

6.根据权利要求5所述的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，其特征在于，根据以下判断标准，获取采煤工作面任一位置的突水等级预测结果：

若I_w为强，且I_d为强/中，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为极高风险；

若I_w和I_d均为强，且I_d为弱，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为高风险；

若I_w为强、I_p为中等且I_d为弱；或者，I_w为中且I_p为强/中；或者，I_w为中、I_p为弱且I_d为强/中，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为中风险；

若I_p和I_d均为弱，则此处采煤工作面的突水等级预测结果为低风险。

7.根据权利要求6所述的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法，其特征在于，Q₁＝100m³/h，Q₂＝200m³/h，Q₃＝300m³/h；

I_w1＝0.035，I_w2＝0.075；

I_p1＝0.08，I_p2＝0.16；

I_d1＝0.055，I_d2＝0.085。

8.一种安全采矿方法，其特征在于，采煤过程中利用权利要求1至7任一项所述的采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法对采煤工作面不同位置离层突水的风险等级进行预测，并基于预测的离层突水的风险等级制定相应的开采方案。

9.根据权利要求8所述的安全采矿方法，其特征在于，所述基于预测的离层突水的风险等级制定相应的开采方案包括：

当工作面回采到低风险等级区域时，实施正常的开采方案，所述正常的开采方案采用阈值为F的工作面液压支架、水泵排水功率为P、采高为h、推进速度为v；

当工作面回采到中风险等级区域时，采用阈值为F的工作面液压支架、提高水泵排水功率P₁至1P-2P、采高h₁降低到0.8h-0.9h、推进速度v₁提高到v-1.5v；

当工作面回采到高风险等级区域时，采取阀值为1.2F-1.5F的工作面液压支架、提高水泵排水功率P₂至2P-2.5P、采高h₂降低到0.6-0.8h、推进速度v₂提高到1.5v-2v；

当工作面回采到极高风险等级区域时，采取阀值为1.5F-2F的工作面液压支架、提高水泵排水功率P₃至2.5P-3P、采高h₃降低到0.4h-0.6h、推进速度v₃提高到1.5v-2v。

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