CN116380188A - 一种采空区地下水库有效储水量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采空区地下水库有效储水量测量方法，涉及液位测量技术领域。该测量方法包括如下步骤：首先根据采场覆岩赋存结构特征，分别建立两类岩层结构的地下水库储水空间结构模型；其次，根据采空区内冒落煤岩体所受载荷的表达式，对采空区冒落岩石承载区域进行划分，并得出划分后的各区域内的有效储水能力；通过浅埋厚松散层基岩移动模型，确定地下水库储水库容计算的关键参数；最后，根据步骤a中建立的两类地下水库储水空间结构模型，提出每类地下水库储水空间结构模型所对应的地下水库储水库容的计算方法，结合步骤b和步骤c对地下水库储水库容进行计算。本发明测量方法更精确的得出了采空区内有效储水空间。
Description
技术领域
本发明涉及液位测量技术领域，具体涉及一种采空区地下水库有效储水量测量方法。
背景技术
随着煤炭资源开采重心逐渐西移，导致西部煤炭资源大规模开采，从而诱发西部矿区脆弱的生态环境进一步恶化，特别是水资源的大量流失已严重威胁矿区正常生产、生活。在我国煤炭主产矿区必须遵循以绿色开采为指导理念，因此，对于西部水资源生态保护问题已经迫在眉睫。
目前，在针对地下水储水方面已经提出了很多新型煤矿地下水库技术，有效的解决了资源开采与生态保护协调发展难题。但在地下水库运行的过程中，其内存储的水体势必会对地下水库坝体和顶底板产生作用力，极易诱发坝体失稳、底板渗流等，影响地下水库安全、高效运行，而水体对地下水库坝体和顶底板作用的强弱则与储水体积有关，因此，有效确定煤矿地下水库储水体积对于地下水库的安全高效运行具有重要意义。
现有技术相关的研究报道主要有：
CN104915463A公开了一种在无坝、非封闭地下水回灌补给区地下水库调蓄库容计算方法，解决回灌地区的地下水库储水问题，由于该方法必须建立在水文地质条件较为完整的区域，受地质条件造成的影响较为明显。
CN102778215A公开了一种通过构建与待测矿井地下水库参数相一致的基准矿井地下水库，计算基准矿井地下水库的库容量推出待测矿井库容，由于煤矿地下水库储水空间为采场冒落的采空区及其上部裂断岩层内的自由空间，但采空区为非均质多孔介质，工作面推采后采空区的空隙率受覆岩自重载荷压实等影响逐渐降低直至趋于稳定，采空区空隙率的变化极易形成闭锁的无效储水空间，影响空区水体时空分布，进而难以准确确定地下水库有效储水体积。
CN108536891A公开了一种地下水库储水量的计算方法、存储介质和装置，其主要是通过构建采煤机割煤后的地下水库库底曲面方程、煤层上方不同层位顶板岩层垮落后堆积形态的曲面方程，通过上述两个曲面方程计算出不同层位顶板岩层垮落后的储水系数，通过水头标高和上述曲面方程构建边界曲线，再结合储水系数计算出地下水库储水量，该方法为地下水库储水容量的计算提供了新的思路，不否认这种地下水库储水量计算方法可以提高水库容量的准确性，但是这种计算方式需要用到一套系统的监测设备，对设备的精密程度有较高的标准。
综上所述，有必要针对采空区地下水库储水库容的确定设计一种确定有效储水空间的测量方法，为保证采空区内储水空间合理化利用提供理论支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采空区地下水库有效储水量测量方法，其针对覆岩特征及载荷分布情况，构建地下水库储水结构模型，合理确定采空区内有效储水空间分布情况，为采空区内储水空间合理化利用提供了理论支撑。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种采空区地下水库有效储水量测量方法，包括以下步骤：
a、根据采场覆岩赋存结构特征，分别建立两类岩层结构的地下水库储水空间结构模型；
b、根据采空区内冒落煤岩体所受载荷的表达式，对采空区冒落岩石承载区域进行划分，并得出划分后的各区域内的有效储水能力；
c、通过浅埋厚松散层基岩移动模型，确定地下水库储水库容计算的关键参数；
d、根据步骤a中建立的两类地下水库储水空间结构模型，提出每类地下水库储水空间结构模型所对应的地下水库储水库容的计算方法，结合步骤b和步骤c对地下水库储水库容进行计算；
步骤a中，所述的两类岩层结构的地下水库储水空间结构模型为复合单一关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型和多关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型；
步骤d中，针对复合单一关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型时，采用地表沉降体积的地下水库储水库容的计算方法；针对多关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型时，采用包络空间体积的地下水库储水库容的计算方法。
上述技术方案直接带来的有益技术效果为：
上述技术方案中，首先根据采场周围地质条件及覆岩赋存特征，建立两类岩层结构的地下水库储水空间结构模型；然后根据采空区内覆岩的差异化分布情况，并结合采空区内冒落煤岩体所受载荷的表达式，得出各区域内的有效储水能力；之后通过浅埋厚松散层基岩移动模型，确定地下水库储水库容计算的关键参数；最后针对不同的地质条件及覆岩特征情况选择相应的计算方法，对于覆岩情况为复合单一关键层结构类或是地表下沉较为明显时，应采用地表沉降体积的库容计算方法，对于覆岩情况为多关键层结构类或是无法获取地表下沉体积时，应采用包络空间体积的库容计算方法，再根据之前步骤中得到的关键参数对储水库容有效体积进行计算。
上述测量方法作为一个整体，其主要是提供了一种采空区地下水库储水库容的新的计算方法，其不同于现有技术中的反演调参优选计算法、数值模拟法和几何形态演化法。上述计算方案整体能够合理确定采空区内有效储水空间分布情况，保证采空区内有效储水空间得到充分利用。
上述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，步骤b中，根据采空区内覆岩荷载的差异化分布情况对采空区冒落岩石承载区域进行划分。
上述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，步骤c中，通过浅埋厚松散层基岩移动模型找到修正后下沉函数表达式与采空区冒落岩石残余碎胀系数的几何对应关系，确定地下水库储水库容计算的关键参数。
上述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，步骤d中，针对复合单一关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型时，采用地表沉降体积的地下水库储水库容的计算方法，具体计算方法如式（1）所示：
式（1）中：V为地下水库储水库容；Vk为采场采出煤炭固体体积；VC为地表沉降体积；
Vy为采空区冒落岩石压实区的空间体积；
为采空区中压实稳定区内冒落岩石的残余碎
胀系数。
上述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，步骤d中，针对多关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型时，采用包络空间体积的地下水库储水库容的计算方法，具体计算方法如式（2）所示：
式（2）中：Vbl为包络空间的体积； Vf 为非自由空间的体积；L为工作面推进长度；hz
为工作面冒落直接顶厚度；
为采空区中压实稳定区内冒落岩石的残余碎胀系数；B为工
作面宽度。
上述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，步骤b中，采空区内冒落煤岩体所受载荷的表达式是借助于“类双曲线”模型来建立的，表达式具体如式（3）所示：
式（3）中：Q为采空区冒落岩石荷载；a为基岩顶界破断长度的一半；m为基岩中岩层
总数；j为第j层基岩岩层；h1为第1层岩层厚度；h2为第2层岩层厚度；h3为第3层岩层厚度；hi
为第i层岩层厚度；hm为第m层岩层厚度；γ1为第1层岩层容重；γ2为第2层岩层容重；γ3为第3
层岩层容重；γi为第i层岩层容重；γm为第m层岩层容重；L为工作面的推进长度；HS为厚松散
堆积层厚度；
为厚松散堆积层的内摩擦角；b为“类双曲线”方程中的半虚轴长。
上述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，b的计算如式（4）所示：
式（4）中：a为基岩顶界破断长度的一半；HS为厚松散堆积层厚度；L为工作面的推进长度。
上述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，地下水库储水库容计算的关键
参数
，计算如式（5）所示：
式（5）中：
为采空区中压实稳定区内冒落岩石的残余碎胀系数；hz为直接顶厚
度；Wcm为地表最大下沉值；Mc为煤层采厚。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
本发明提出了一种采空区地下水库有效储水量测量方法，
（1）本发明提出了一种不同于现有技术方法的采空区地下水库有效储水量的测量方法，在该方法中，提出了两种不同地质情况下储水库容的计算方法，对比以往的储水库容计算方法，本发明不仅适用地表沉降较为明显塌陷盆地区域，还适用无法获得地表沉降体积的丘陵、山地等区域，受地质环境影响因素较小。
（2）本发明根据采空区内覆岩荷载的差异化分布情况对采空区冒落岩石承载区域进行划分，并建立采空区冒落岩体承压变形三维空间模型，得出各划分区域内有效储水能力。
（3）能够更加准确的计算出采空区有效储水空间大小，能够更加有效的解决现场抽放水试验的高额成本以及费工费时等经济成本问题。
附图说明
图1为本发明测量方法流程图；
图2为本发明复合单一关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型示意图；
图3为本发明多关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型示意图；
图4为本发明采空区冒落岩体承压变形三维空间模型；
图5为本发明压实区域体积计算示意图；
图6为本发明压实区范围拆分示意图；
图7为本发明包络空间体积计算示意图。
具体实施方式
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。
如图1所示，本发明一种采空区地下水库有效储水量测量方法，包括以下步骤：
首先根据采场周围地质条件及覆岩赋存特征，建立地下水库储水空间结构模型，并根据所选结构模型选取相应的计算方法，对于覆岩情况为复合单一关键层结构类或是地表下沉较为明显时，应采用地表沉降体积的库容计算方法，对于覆岩情况为多关键层结构类或是无法获取地表下沉体积时，应采用包络空间体积的库容计算方法；然后根据采空区内覆岩的差异化分布情况，并结合采空区内冒落煤岩体所受载荷的表达式，对各区域内储水范围进行划分，并对各区域内储水能力进行评估；之后通过浅埋厚松散层基岩移动模型，确定地下水库储水库容计算的关键参数；最后将再根据之前步骤中得到的关键参数对储水库容有效体积进行计算。
结合图2、图5及图6所示，本发明针对覆岩为复合单一关键层结构或地表下沉较为明显这类情况所构建的复合单一关键层结构模型及计算方法做出以下解释：当采场覆岩呈复合单一关键岩层结构时，关键岩层整体破断失稳诱发地表沉降而形成塌陷盆地，根据覆岩荷载分布规律及采空区冒落岩石承载情况构建采空区冒落岩体承压变形三维空间模型，并将其模型运用于地表沉降体积的库容计算中。由于压实稳定区域内有效储水空间体积呈不规则形状，为方便计算，将该区域分为V1,V2，V3,V4等体积模块，并分别对各区域内体积模块进行计算，最终得到压实稳定区域内有效储水能力。
结合图3和图7所示，本发明针对覆岩为多关键结构类或无法获取地表下沉体积等这类情况所构建的多关键层结构模型及计算方法做出以下解释：当采场覆岩为多关键岩层结构时，亚关键岩层破断失稳致使覆岩破断至主关键层之下，破断未能波及地表，地表不发生沉降，在主关键岩层下发育形成离层空间。因此需要从采场内部入手，以基本顶下沉曲面为包络面、以煤层底板及四周煤壁为边界形成的包络空间的体积减去其包含的压实稳定体积对采空区储水体积进行计算。
结合图4所示，对本发明所构建的采空区冒落岩体承压变形三维空间模型做出以下解释：根据覆岩荷载差异化分布及采空区冒落岩石承载分区构建采空区冒落岩体承压变形三维空间模型，该模型主要分为以下三个区域：松散堆积区储水范围、载荷影响区储水范围、压实稳定区储水方位，并针对以上三个区域的储水能力进行评估。
下面对本发明采空区地下水库有效储水量测量方法做详细说明。
一种采空区地下水库有效储水量测量方法，包括以下步骤：
步骤一、根据采场覆岩赋存结构特征，分别建立两类岩层结构的地下水库储水空间结构模型。
上述的两类岩层结构的地下水库储水空间结构模型为复合单一关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型和多关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型。
建立上述两类地下水库储水空间结构模型的具体步骤为：对采场周围地质条件及覆岩赋存特征进行分析，对于采场上方覆岩呈复合单一关键岩层或是地势平坦、地表沉降实测数据易获取时，应建立复合单一关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型；对于丘陵、山地、沟壑纵横等地表沉降体积计算较为复杂的地质情况或是存在覆岩呈多关键岩层结构且主关键层未破断，地表沉降不明显时，应建立多关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型。
步骤二、根据采空区内冒落煤岩体所受载荷的表达式，根据采空区内覆岩荷载的差异化分布情况对采空区冒落岩石承载区域进行划分，并得出划分后的各区域内的有效储水能力。
各区域内的有效储水能力的划分步骤具体为：根据已有的研究可知，从采空区倾向方向对采空区进行划分主要分为三类区域即：松散堆积区、载荷影响区、压实稳定区，但对于上述三类区域还未建立有效的划分标准。因此，为保证对采空区三类区域进行准确划分，本发明将借助现有的“类双曲线”模型，建立采空区冒落岩石载荷表达式，对空隙区冒落岩石承载情况对其三类区域进行划分，具体表达式如式（1）所示：
式（1）中：Q为采空区冒落岩石荷载，Pa；a为基岩顶界破断长度的一半，m；m为基岩
中岩层总数；j为第j层基岩岩层；h1为第1层岩层厚度，m；h2为第2层岩层厚度，m；h3为第3层
岩层厚度，m；hi为第i层岩层厚度，m；hm为第m层岩层厚度，m；γ1为第1层岩层容重，N/m3；γ2为
第2层岩层容重，N/m3；γ3为第3层岩层容重，N/m3；γi为第i层岩层容重，N/m3；γm为第m层岩层
容重，N/m3；L为工作面的推进长度，m；HS为厚松散堆积层厚度，m；
为厚松散堆积层的内摩
擦角，°；b为“类双曲线”方程中的半虚轴长。
b为“类双曲线”方程中的半虚轴长，其计算如式（2）所示：
式（2）中，a为基岩顶界破断长度的一半，m；HS为厚松散堆积层厚度，m；L为工作面的推进长度，m。
根据覆岩载荷分布情况及采空区冒落岩石承载分区情况，构建采空区冒落岩体承压变形三维空间模型，并结合模型得出各区域内有效储水能力。
步骤三、通过浅埋厚松散层基岩移动模型，确定地下水库储水库容计算的关键参数。
上述的关键参数为：通过目前已有的厚松散层薄基岩移动模型的“类双曲线”结构
对沉降值的函数表达式进行修正，当地表沉降达到完全稳定时，找出地表沉降值与采空区
冒落岩石残余碎胀系数的函数关系，从而确定地下水库储水库容计算中所用到的关键参数
，具体函数关系如式（3）：
式（3）中：
为采空区中压实稳定区内冒落岩石的残余碎胀系数；hz为直接顶厚
度，m；Wcm为地表最大下沉值，m；Mc为煤层采厚，m。
步骤四、根据步骤一中建立的两类地下水库储水空间结构模型，提出每类地下水库储水空间结构模型所对应的地下水库储水库容的计算方法，结合步骤二和步骤三对地下水库储水库容进行计算。
针对复合单一关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型时，采用地表沉降体积的地下水库储水库容的计算方法；针对多关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型时，采用包络空间体积的地下水库储水库容的计算方法。
上述的计算方法包括以下步骤：对于覆岩情况为复合单一关键层结构类或是地表下沉较为明显时，应选用基于地表沉降体积的储水计算方法对采空区有效储水能力进行计算，该计算方法主要是根据煤炭采出体积、地表下沉体积以及采空区压实的无效空隙量等进行储水体积计算，具体计算公式如式（4）所示：
式（4）中：VK表示煤炭采出空间体积；Vz表示直接顶空间体积；Vc表示地表下沉体积，根据当地地表下沉情况进行测量得出；Va表示非压实稳定空间内冒落岩石的固体体积；Vy表示采空区压实稳定区无效空间。
为简化上述计算公式，将原始堆积区和荷载影响区内冒落岩石破碎后的所占空间看作非压实稳定空间内冒落岩石的固体体积Va，而压实稳定区体积则为固体碎胀后的体积（Kp ，Vb），直接顶空间体积Vz由Va、Vb共同组成，其中Vb为采空区压实稳定区空间内冒落岩石固体体积。因此简化后得到式（5）：
式（5）中：V为地下水库有效储水体积，m3；VK为煤炭采出空间体积，m3；VC为地表下
沉体积，m3；Vy为采空区冒落岩石压实区的空间体积，m3；
为采空区中压实稳定区内冒落
岩石的残余碎胀系数。
煤炭采出空间体积VK可通过式（6）得出，具体计算公式如下式所示：
式（6）中：L为工作面长度，m；B为工作面宽度，m；Mc为煤层采高，m。
采空区冒落岩石压实的空间体积Vy可按照采空区冒落岩石承压变形分布范围三维空间模型进一步计算。在计算时，为方便且更准确的计算出采空区冒落岩石压实的空间体积Vy，可以将该部分体积分为4个部分分别计算，得到具体计算公式如式（7）所示：
V1为压实稳定区中间部分的体积可看作一个长方体，可根据式（8）得出：
式（8）中：L为工作面推进长度，m；Lc为工作面走向初次来压岩梁断裂长度，m；B为
工作面宽度，m；LB为作面倾向岩梁初次断裂长度，m；Mc为煤层的采高，m，hz为直接顶厚度，m；
为采空区中压实稳定区内冒落岩石的残余碎胀系数。
V2为工作面开切眼及停采线处压实边界线与垂向平面形成的压实稳定区包络空间，其大小可根据式（9）得出：
V3为工作面走向两侧压实边界线与垂向平面形成的压实稳定包络空间，其大小可根据式（10）得出：
V4是以
、
为最大长轴、最大短轴的椭圆为
底面，以关于x、y的函数为包络线的空间包络体。在[0，Mc+hz]范围内对
进行积分，得出公
式（11）：
对于丘陵、山地、沟壑纵横等区域地表沉降体积计算较为复杂或是存在多关键层岩层结构，无法很直观的测量出地表沉降体积时，应选用基于包络空间体积的库容计算方法对采场范围内有效储水 空间进行计算，该计算方法主要从采场内部入手，以基本顶沉降曲面为包络面、以煤层底板及四周煤壁为边界相乘的包络空间体积减去其内包含的压实稳定区体积，从而得出采空区有效储水体积，具体计算公式如式（12）所示：
式（12）中：V为地下水库有效储水体积，m3；Vbl为包络空间的体积，m3；B为工作面宽度，m；Vf为非自有空间体积，m3；L为工作面推进长度，m；hz为工作面直接顶厚度，m。
对覆岩冒落带的包络空间体积进行了计算，其具体计算公式如式（13）所示。
式（13）中：Vbl为包络空间的体积，m3；B为工作面宽度，m；Vf为非自有空间体积，m3；L
为工作面推进长度，m；hz为工作面直接顶厚度，m；
为采空区中压实稳定区内冒落岩石的
残余碎胀系数，M为煤层厚度，m；Ly为采空区冒落岩体压实稳定区的宽度，m；f（x）为沉降曲
线推进过程中的函数表达式。
综上所述，本发明提出了一种采空区地下水库有效储水量测量方法，考虑到由于采空区空隙率的变化而形成的无效储水空间，更精确的得出了采空区内有效储水空间，不同于现有的地下水库库容计算方法。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。
Claims (8)
1.一种采空区地下水库有效储水量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、根据采场覆岩赋存结构特征，分别建立两类岩层结构的地下水库储水空间结构模型；
b、根据采空区内冒落煤岩体所受载荷的表达式，对采空区冒落岩石承载区域进行划分，并得出划分后的各区域内的有效储水能力；
c、通过浅埋厚松散层基岩移动模型，确定地下水库储水库容计算的关键参数；
d、根据步骤a中建立的两类地下水库储水空间结构模型，提出每类地下水库储水空间结构模型所对应的地下水库储水库容的计算方法，结合步骤b和步骤c对地下水库储水库容进行计算；
步骤a中，所述的两类岩层结构的地下水库储水空间结构模型为复合单一关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型和多关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型；
步骤d中，针对复合单一关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型时，采用地表沉降体积的地下水库储水库容的计算方法；针对多关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型时，采用包络空间体积的地下水库储水库容的计算方法。
2.根据权利要求1所述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，其特征在于：步骤b中，根据采空区内覆岩荷载的差异化分布情况对采空区冒落岩石承载区域进行划分。
3.根据权利要求1所述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，其特征在于：步骤c中，通过浅埋厚松散层基岩移动模型找到修正后下沉函数表达式与采空区冒落岩石残余碎胀系数的几何对应关系，确定地下水库储水库容计算的关键参数。
4.根据权利要求1所述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，其特征在于：步骤d中，针对复合单一关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型时，采用地表沉降体积的地下水库储水库容的计算方法，具体计算方法如式（1）所示：
式（1）中：V为地下水库储水库容；Vk为采场采出煤炭固体体积；VC为地表沉降体积；Vy为采空区冒落岩石压实区的空间体积；
为采空区中压实稳定区内冒落岩石的残余碎胀系数。
5.根据权利要求1所述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，其特征在于：步骤d中，针对多关键岩层结构的地下水库储水空间结构模型时，采用包络空间体积的地下水库储水库容的计算方法，具体计算方法如式（2）所示：
式（2）中：Vbl为包络空间的体积； Vf 为非自由空间的体积；L为工作面推进长度；hz为工作面冒落直接顶厚度；
为采空区中压实稳定区内冒落岩石的残余碎胀系数；B为工作面宽度。
6.根据权利要求1所述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，其特征在于：步骤b中，采空区内冒落煤岩体所受载荷的表达式是借助于“类双曲线”模型来建立的，表达式具体如式（3）所示：
式（3）中：Q为采空区冒落岩石荷载；a为基岩顶界破断长度的一半；m为基岩中岩层总数；j为第j层基岩岩层；h1为第1层岩层厚度；h2为第2层岩层厚度；h3为第3层岩层厚度；hi为第i层岩层厚度；hm为第m层岩层厚度；γ1为第1层岩层容重；γ2为第2层岩层容重；γ3为第3层岩层容重；γi为第i层岩层容重；γm为第m层岩层容重；L为工作面的推进长度；HS为厚松散堆积层厚度；
为厚松散堆积层的内摩擦角；b为“类双曲线”方程中的半虚轴长。
7.根据权利要求6所述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，其特征在于：b的计算如式（4）所示：
式（4）中：a为基岩顶界破断长度的一半；HS为厚松散堆积层厚度；L为工作面的推进长度。
8.根据权利要求3所述的一种采空区地下水库有效储水量测量方法，其特征在于：地下水库储水库容计算的关键参数
，计算如式（5）所示：
式（5）中：
为采空区中压实稳定区内冒落岩石的残余碎胀系数；hz为直接顶厚度；Wcm为地表最大下沉值；Mc为煤层采厚。
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