CN116611567B - 一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法 - Google Patents
一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116611567B CN116611567B CN202310598531.4A CN202310598531A CN116611567B CN 116611567 B CN116611567 B CN 116611567B CN 202310598531 A CN202310598531 A CN 202310598531A CN 116611567 B CN116611567 B CN 116611567B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- mining
- roof
- separation layer
- mining area
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 173
- 238000005065 mining Methods 0.000 title claims abstract description 120
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005192 partition Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 75
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 44
- 230000009172 bursting Effects 0.000 claims abstract description 37
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 31
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 162
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 75
- 239000003245 coal Substances 0.000 claims description 37
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 27
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 19
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- 238000009933 burial Methods 0.000 claims description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 8
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 8
- 230000032798 delamination Effects 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 5
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 238000013316 zoning Methods 0.000 claims 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 6
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 201000004569 Blindness Diseases 0.000 description 1
- 206010013883 Dwarfism Diseases 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000013210 evaluation model Methods 0.000 description 1
- 238000013277 forecasting method Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 1
- 239000007937 lozenge Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012502 risk assessment Methods 0.000 description 1
- 238000009991 scouring Methods 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/04—Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
- G06Q10/063—Operations research, analysis or management
- G06Q10/0635—Risk analysis of enterprise or organisation activities
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
- G06Q10/063—Operations research, analysis or management
- G06Q10/0639—Performance analysis of employees; Performance analysis of enterprise or organisation operations
- G06Q10/06393—Score-carding, benchmarking or key performance indicator [KPI] analysis
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/10—Services
- G06Q50/26—Government or public services
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A10/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE at coastal zones; at river basins
- Y02A10/40—Controlling or monitoring, e.g. of flood or hurricane; Forecasting, e.g. risk assessment or mapping
Landscapes
- Business, Economics & Management (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Economics (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- Development Economics (AREA)
- Entrepreneurship & Innovation (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Marketing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Educational Administration (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Game Theory and Decision Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
本发明公开了一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,包括:收集矿区/工作面地层资料,建立采动覆岩工程地质模型,识别矿区/工作面采动覆岩的突水离层带;确定影响发生强矿压‑携泥砂离层突水的影响因素,构建强矿压‑携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型;将矿区/工作面上分布的所有钻孔各因素统计结果代入构建的强矿压‑携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型,计算各钻孔的离层突水危险性等级综合评价指标,对矿区/工作面进行危险性分区预测。本发明可对顶板离层突水危险性分区‑分级‑分类的预测,能够解决采前矿区离层突水危险性不明确,复合灾害组合类型难以预测的问题。
Description
技术领域
本发明属于矿井水害防治技术领域,特别提供一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法。
背景技术
近年来,随着我国煤炭开采中心转移到西部鄂尔多斯盆地,侏罗-白垩纪覆岩大采高综采条件导致顶板突水频发,特别当矿区/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,在积水离层和矿区/工作面之间形成突水通道,则发生离层突水。造成不同程度的财产损失甚至人员伤亡。此外,由于西部侏罗系煤田顶板以泥质岩和弱胶结砂岩为主,水流冲刷作用下顶板劣化崩解,突水的同时大量泥砂溃入工作面,造成巷道淤堵。与此同时,部分工作面突水溃砂期间伴随矿山压力显现,支架大面积来压,甚至出现煤壁切顶,支架压死,严重影响生产进度。
目前对顶板突水的危险性分区预测方法仅通过选取相关影响因素,如含水层富水性、顶板岩层力学强度、采高等因素,通过对各因素权重分析,进行多因素专题图叠加,得到顶板突水危险性分区。例如,专利号为CN1ll581834B的发明中公开了一种基于多源信息融合的煤层顶板溃水溃沙危险性评价方法,包括:在综合考虑水文地质条件、地质条件及采矿活动影响等多因素的基础上,本发明通过确定将沙层厚度、基采比、溃沙裂缝带发育高度、基岩风化指数、单位涌水量、饱水沙层厚度、渗透系数、采动影响指数作为溃水溃沙危险性评价指标,并在此基础上通过建立数学分析模型、建立决策层主控因素专题图、构建判断矩阵确定指标权重、决策层主控因素专题图叠加等一系列具体实施步骤,最终利用地理信息系统的数据存储、空间数据处理和分析功能等,将量化后的结果以图形的形式显示出来,并通过图形输出系统输出成果图,实现了符合矿井实际的溃水溃沙危险性多源信息分区。
然而,侏罗系煤田强矿压-离层突水-井下溃砂的复合灾害涉及到采动覆岩裂隙-结构演化和软弱顶板软化崩解机制,对复合灾害的危险性分区需充分考虑积水离层发育、通道形成、“动力”源作用机理和“物源”层软化崩解的水理性质。目前顶板突水危险性分区方法未考虑复合灾害形成机理,工作面开采之前对离层水引发的复合灾害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
解决的技术问题:本发明的目的在于提供一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,可对顶板离层突水危险性分区-分级-分类的预测,能够解决采前矿区离层突水危险性不明确,复合灾害组合类型难以预测的问题。
技术方案:
一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,所述分区预测方法包括以下步骤:
S1、收集矿区/工作面地层资料,建立采动覆岩工程地质模型,识别矿区/工作面采动覆岩的突水离层带;突水离层带包括由下向上叠置的下位隔水层、积水离层和上位岩层;
S2、基于步骤S1中识别的突水离层带赋存层位,确定影响发生强矿压-携泥砂离层突水的影响因素,提出表征物源、水源、通道、动力源的独立综合指标计算公式,构建强矿压-携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型:
式中,x、y分别是钻孔在x轴和y轴的坐标值;Is、Ir、Ip、Id分别表征溃砂物源评价指标、直接水源规模的评价指标、下位隔水层稳定性的评价指标、上位岩层稳定性的评价指标;为近场顶板岩层泥岩占比;Pw为含水层水压;Kw为含水层渗透系数;L为工作面宽度;n为开采煤层层数;M为单层采高;Kp为近场顶板岩层碎胀系数,TCS1为近场顶板岩层厚度;TCS2为下位隔水层厚度;HCS2为下位隔水层顶板到煤层顶板距离;σCS2为下位隔水层单轴抗压强度;TCS3为下位隔水层厚度;HCS3为上位岩层顶板到煤层顶板距离;σCS3为上位岩层单轴抗压强度;DCS3为上位岩层埋深;近场顶板岩层是指位于煤层顶板到突水离层带底板之间的岩层;
S3、将矿区/工作面上分布的所有钻孔各因素统计结果代入构建的强矿压-携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型,计算各钻孔的离层突水危险性等级综合评价指标P(x,y),对矿区/工作面进行危险性分区预测。
进一步地,步骤S1中,步骤S1中,建立采动覆岩工程地质模型的过程包括以下步骤:
根据矿区/工作面水文地质资料、矿区/工作面综合地层柱状图和地层剖面图,明确各岩层层系、厚度、岩性、结构和埋深;划分工程地质岩组,识别出煤层、主要含隔水层和隔水层。
进一步地,步骤S1中,所述下位隔水层为包括泥岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩在内的低渗透性隔水岩层;上位岩层为充水含水层,岩性为细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩中的其中一种或者多种。
进一步地,步骤S2中,将近场顶板泥岩层占比作为溃砂物源评价指标,表达式如下:
式中,表示近场顶板岩层泥岩层累计厚度,/>表示近场顶板岩层总厚度。
进一步地,步骤S3中,钻孔含水层水压和含水层渗透系数尽量根据对应钻孔的测试结果确定,如果该钻孔未进行含水层抽水试验,则选取距离该钻孔最近的水文钻孔测试的含水层水压和含水层渗透系数,如果距离该钻孔最近的含水层抽水试验孔总数量大于1个,则取所有最近抽水试验孔测试的含水层水和渗透系数的平均值作为该钻孔处的数据。
进一步地,步骤S3中,工作面宽度根据距离该钻孔最近的工作面设计值确定。
进一步地,步骤S3中,近场顶板岩层碎胀系数根据钻孔揭露近场顶板岩性确定,如果钻孔近场顶板岩层泥岩累计厚度大于砂岩累计厚度,则取1.03,如果钻孔近场顶板岩层泥岩累计厚度小于砂岩累计厚度,则取1.035。
进一步地,步骤S3中,下位隔水层和上位岩层单轴抗压强度根据该钻孔的取芯测试结果确定,如果该钻孔未进行岩芯取样测试,则选取距离该钻孔最近的钻孔测试的结果确定,如果距离该钻孔最近的取芯测试孔总数量大于1个,则取所有最近测试孔测试的下位隔水层和上位岩层单轴抗压强度平均值作为该钻孔处的数据。
进一步地,步骤S3中,计算各钻孔的离层突水危险性等级综合评价指标P(x,y),对矿区/工作面进行危险性分区预测的过程包括以下步骤:
使用excel,将钻孔各因素统计结果代入强矿压-携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型,计算各钻孔的离层突水危险性等级综合评价指标P(x,y);
将钻孔坐标值和综合等级评价指标P(x,y)导入Arcgis软件,利用软件内置的Natural breaking分类方法,将评价指标P(x,y)分成5类,按照指标由低到高依次将矿区分为安全、较安全、中等、较危险、危险五个等级。
有益效果:
第一,本发明的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,用于顶板离层突水危险性分区-分级-分类预测,从离层突水孕灾-致灾的演化过程出发,选取强矿压-离层突水-井下溃砂复合灾害的关键影响因素,通过覆岩结构力学模型直接构建矿区危险性分区数学模型,得到顶板离层突水危险性分区-分级预测方法。该方法无需考虑各因素的权重分析,可有效避免传统权重分析方法,如层次分析法、熵权法、变权法等因主观评估和数据统计而导致的误差。
第二,本发明的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,充分考虑复合灾害“水源”、“通道”、“动力源”“物源”的形成机制,提出分别表征“水源”、“通道”、“动力源”“物源”的独立综合指标计算方法,建立采区突水危险性等级分区图,可为矿井实际生产期间具体防治规划提供更有指导性的借鉴。
附图说明
图1为本发明实施例提供的突水离层带和近场顶板岩层的纵向结构示意图;
图2为本发明实施例提供的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法流程图;
图3为本发明实施例提供的矿区危险性等级分区的Arcgis软件操作界面;
图4为本发明实施例提供的研究区危险性等级分区图。
具体实施方式
下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
本发明公开了一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,所述分区预测方法包括以下步骤:
S1、收集矿区/工作面地层资料,建立采动覆岩工程地质模型,识别矿区/工作面采动覆岩的突水离层带;突水离层带包括由下向上叠置的下位隔水层、积水离层和上位岩层;
S2、基于步骤S1中识别的突水离层带赋存层位,确定影响发生强矿压-携泥砂离层突水的影响因素,提出表征物源、水源、通道、动力源的独立综合指标计算公式,构建强矿压-携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型;
S3、将矿区/工作面上分布的所有钻孔各因素统计结果代入构建的强矿压-携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型,计算各钻孔的离层突水危险性等级综合评价指标P(x,y),对矿区/工作面进行危险性分区预测。
参见图2,所述分区预测方法具体包括以下步骤:
S1、收集矿区/工作面地层资料,建立采动覆岩工程地质模型,识别矿区/工作面采动覆岩的突水离层带。
S11、收集矿区/工作面地质资料,包括勘探钻孔资料、水文地质资料等,根据开采煤层、岩性、含水层等信息,建立采动覆岩工程地质模型,识别出矿区/工作面采动覆岩的突水离层带。具体为:
本实施例中,“采动覆岩工程地质模型”是指,明确煤层开采信息(包括煤层厚度、煤层埋深、矿区/工作面宽度)和突水离层带及近场顶板岩层空间赋存位置(距煤层距离)的覆岩简化模型。建立采动覆岩工程地质模型,首先需要根据矿区/工作面水文地质资料及矿区/工作面综合地层柱状图、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。
S12、本实施例中的“突水离层带”是指可以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:一是有上位岩层和下位隔水层的组合结构,这样采动过程上位岩层和下位隔水层不均匀沉降;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含水层的附近,一般上位岩层为含水层,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。
本实施例中的“突水离层带”是指满足以上两个条件的复合层位,具体包括上位岩层、下位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、积水离层和上位岩层,如图1所示。示例性的,下位隔水层包括泥岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等低渗透性隔水岩层;上位岩层一般为充水含水层,岩性为细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩等。
S13、本实施例中的近场顶板岩层是指位于煤层顶板到突水离层带底板之间的岩层。在明确突水离层带和开采煤层的基础上,可识别近场顶板岩层的赋存层位。
S2、基于步骤S1中识别的突水离层带赋存层位,确定影响发生强矿压-携泥砂离层突水的影响因素,提出表征“物源”、“水源”、“通道”、“动力源”的独立综合指标计算公式,构建强矿压-携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型。
S21、溃砂物源评价指标建立
西部侏罗系煤田溃入井下的泥砂主要来自近场顶板岩层,近场顶板岩层遇水软化崩解的水理性质决定的顶板突水期间溃入工作面的泥砂量。近场顶板泥岩含量越高,岩层遇水软化崩解性越强。因此将近场顶板泥岩层占比作为溃砂物源评价指标,表达式如下:
式中,表示近场顶板岩层泥岩层累计厚度,/>表示近场顶板岩层总厚度。
S22、水源评价指标建立
突水离层带下位隔水层变形下沉量决定了积水离层空间规模,根据采动覆岩沉降模型,结合离层充水速度,提出表征直接水源(离层积水)规模的评价指标如下:
式中,为近场顶板岩层泥岩占比,表达式同溃砂物源评价指标Is(式1),Pw为含水层水压;Kw为含水层渗透系数;M为单层采高;n为开采煤层层数;Kp为近场顶板岩层碎胀系数,TCS1为近场顶板岩层厚度;L为工作面宽度。
S23、通道评价指标建立
下位隔水层破断表示离层水导水通道的形成,影响下位隔水层稳定性的因素主要包括岩层厚度、强度、岩性分布、空间赋存等;据此,提出表征下位隔水层稳定性(导水通道发育)的评价指标如下:
式中,TCS2为下位隔水层厚度;Hcs2为下位隔水层顶板到煤层顶板距离;σcs2为下位隔水层单轴抗压强度。
S24、动力源评价指标建立
上位岩层破断对下位隔水层施加附加动力荷载,导致下位隔水层形成导水通道,引发离层突水,同时伴随矿山压力显现。因此,建立上位岩层稳定性(动力源)的评价指标,一方面可以表征工作面复合灾害动力特征,一方面可以间接反应突水通道的发育情况。基于岩层结构力学模型,并考虑到地应力(埋深)对上位岩层(较坚硬岩层)应力集中的影响,建立表达式如下:
式中,TCS3为下位隔水层厚度;HCS3为上位岩层顶板到煤层顶板距离;σCS3为上位岩层单轴抗压强度;DCS3为上位岩层埋深。
S25、强矿压-离层突水危险性综合评价数学模型
采动覆岩发育大规模离层积水,是引发高风险离层突水的前提,在具备离层积水的条件下,采动覆岩突水离层带下位隔水层或上位岩层破断均会形成导水通道,发生离层突水。据此,建立采前矿区(工作面)离层突水危险性综合评价数学模型,如下
S3、突水危险性等级分区
S31、收集矿区各钻孔横坐标、纵坐标以及突水危险性综合评价数学模型(式5)涉及到的指标,包括近场顶板岩层泥岩占比,含水层水压,含水层渗透系数,单层采高,开采煤层层数,近场顶板岩层碎胀系数,近场顶板岩层厚度,工作面宽度,下位隔水层厚度,下位隔水层顶板到煤层顶板距离,为下位隔水层单轴抗压强度,上位岩层顶板到煤层顶板距离,上位岩层单轴抗压强度,上位岩层埋深。
这里对指标选取原则的说明如下:
1.水层水压和含水层渗透系数。
钻孔含水层水压和含水层渗透系数尽量根据该钻孔的测试结果确定,如果该钻孔未进行含水层抽水试验,则选取距离该钻孔最近的水文钻孔测试的含水层水压和含水层渗透系数,如果距离该钻孔最近的含水层抽水试验孔总数量大于1个,则取所有最近抽水试验孔测试的含水层水和渗透系数的平均值作为该钻孔处的数据。
2.工作面宽度
工作面宽度根据距离该钻孔最近的工作面设计值确定。
3.近场顶板岩层碎胀系数
近场顶板岩层碎胀系数根据钻孔揭露近场顶板岩性确定,如果钻孔近场顶板岩层泥岩累计厚度大于砂岩累计厚度,则取1.03,如果钻孔近场顶板岩层泥岩累计厚度小于砂岩累计厚度,则取1.035。
4.岩层力学参数
钻孔岩层力学参数(下位隔水层和上位岩层单轴抗压强度)根据该钻孔的取芯测试结果确定,如果该钻孔未进行岩芯取样测试,则选取距离该钻孔最近的钻孔测试的结果确定,如果距离该钻孔最近的取芯测试孔总数量大于1个,则取所有最近测试孔测试的下位隔水层和上位岩层单轴抗压强度平均值作为该钻孔处的数据。
5.其他
其余参数根据钻孔实际揭露地层信息统计确定。
S32、使用excel,将钻孔各因素统计结果带入式(5),计算各钻孔的离层突水危险性等级综合评价指标P(x,y),将钻孔坐标值和综合等级评价指标P(x,y)导入Arcgis软件,利用软件内置的Natural breaking分类方法,将评价指标P(x,y)分成5类,按照指标由低到高依次将矿区分为安全、较安全、中等、较危险、危险五个等级。
实施例
下文将结合附图并结合实施例来详细说明本发明,需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中国的实施例及实施例中的特性可以相互组合。
以崔木煤矿为例,将以上基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法应用到鄂尔多斯盆地永陇矿区的崔木煤矿。
一、识别采动覆岩“突水离层带”和近场顶板岩层。
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,划分综合地层岩组,如表1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”。其中,以泥岩、砂泥泥岩为主、夹粉砂岩和细砂岩的侏罗系安定组上部地层岩组为“突水离层带”下位隔水层;以中砂岩、粗砂岩和砾岩为主的白垩系洛河组为突水离层带上位岩层。安定组下部含砾粗砂岩和侏罗系直罗组、延安组地层为近场顶板岩层。
表1崔木煤矿综合地层条件统计表
二、矿区危险性分区影响因素获取和指标计算
收集矿区各钻孔横坐标、纵坐标以及突水危险性综合评价数学模型(式5)涉及到的各指标散点数据,包括近场顶板岩层泥岩占比,含水层水压,含水层渗透系数,单层采高,开采煤层层数,近场顶板岩层碎胀系数,近场顶板岩层厚度,工作面宽度,下位隔水层厚度,下位隔水层顶板到煤层顶板距离,为下位隔水层单轴抗压强度,下位隔水层厚度,上位岩层顶板到煤层顶板距离,上位岩层单轴抗压强度,上位岩层埋深等。部分钻孔统计参数如表2所示。基于式(1)至式(5),计算钻孔水源评价指标Ir、通道评价指标Ip、动力源评价指标Id、溃砂物源评价指标Is和综合等级评价指标(如表3所示)。
表2基本计算参数钻孔统计
表3各钻孔评价指标和分类指标计算结果
三、矿区灾害危险性等级和类型分区
将钻孔坐标值和综合等级评价指标P(x,y)导入Arcgis软件,利用软件内置的Natural breaking分类方法,将评价指标P(x,y)分成5类(图3),按照指标由低到高依次将矿区分为安全、较安全、中等、较危险、危险五个等级,如附图4所示。可见,21301、21302、21303、21305、21306、21309工作面位于危险区或较危险区,这些工作面回采期间均发生较严重离层突水(表4),平均涌水量在300m3/h以上,突水期间大量泥砂涌入工作面,造成巷道淤堵。21307、21308、22302工作面位于安全-较安全区,涌水量基本在100m3/h以下,未对工作面正常回采造成影响。由此可见,基于本发明得出的矿区危险性分区结果基本符合实际,证明本发明构建的数学评价模型(式5)对顶板突水复合灾害危险性预测具有较好的指导意义。
表4已采工作面涌水量
已采工作面 | 实测平均涌水量(m3/h) |
21301 | 500 |
21302 | 500 |
21303 | 350 |
21305 | 300 |
21306 | 350 |
21307 | 100 |
21308 | 100 |
21309 | 350 |
22302 | 20 |
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,其特征在于,所述分区预测方法包括以下步骤:
S1、收集矿区/工作面地层资料,建立采动覆岩工程地质模型,识别矿区/工作面采动覆岩的突水离层带;突水离层带包括由下向上叠置的下位隔水层、积水离层和上位岩层;
S2、基于步骤S1中识别的突水离层带赋存层位,确定影响发生强矿压-携泥砂离层突水的影响因素,提出表征物源、水源、通道、动力源的独立综合指标计算公式,构建强矿压-携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型:
式中,x、y分别是钻孔在x轴和y轴的坐标值;Is、Ir、Ip、Id分别表征溃砂物源评价指标、直接水源规模的评价指标、下位隔水层稳定性的评价指标、上位岩层稳定性的评价指标;为近场顶板岩层泥岩占比;Pw为含水层水压;Kw为含水层渗透系数;L为工作面宽度;n为开采煤层层数;M为单层采高;Kp为近场顶板岩层碎胀系数,TCS1为近场顶板岩层厚度;TCS2为下位隔水层厚度;HCS2为下位隔水层顶板到煤层顶板距离;σCS2为下位隔水层单轴抗压强度;TCS3为下位隔水层厚度;HCS3为上位岩层顶板到煤层顶板距离;σCS3为上位岩层单轴抗压强度;DCS3为上位岩层埋深;近场顶板岩层是指位于煤层顶板到突水离层带底板之间的岩层;表示近场顶板岩层泥岩层累计厚度,/>表示近场顶板岩层总厚度;
S3、将矿区/工作面上分布的所有钻孔各因素统计结果代入构建的强矿压-携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型,计算各钻孔的离层突水危险性等级综合评价指标P(x,y),对矿区/工作面进行危险性分区预测。
2.根据权利要求1所述的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,其特征在于,步骤S1中,步骤S1中,建立采动覆岩工程地质模型的过程包括以下步骤:
根据矿区/工作面水文地质资料、矿区/工作面综合地层柱状图和地层剖面图,明确各岩层层系、厚度、岩性、结构和埋深;划分工程地质岩组,识别出煤层、主要含水层和隔水层。
3.根据权利要求1所述的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,其特征在于,步骤S1中,所述下位隔水层为包括泥岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩在内的低渗透性隔水岩层;上位岩层为充水含水层,岩性为细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩中的其中一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,其特征在于,步骤S2中,将近场顶板泥岩层占比作为溃砂物源评价指标,表达式如下:
式中,表示近场顶板岩层泥岩层累计厚度,/>表示近场顶板岩层总厚度。
5.根据权利要求1所述的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,其特征在于,步骤S3中,钻孔含水层水压和含水层渗透系数尽量根据对应钻孔的测试结果确定,如果该钻孔未进行含水层抽水试验,则选取距离该钻孔最近的水文钻孔测试的含水层水压和含水层渗透系数,如果距离该钻孔最近的含水层抽水试验孔总数量大于1个,则取所有最近抽水试验孔测试的含水层水和渗透系数的平均值作为该钻孔处的数据。
6.根据权利要求1所述的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,其特征在于,步骤S3中,工作面宽度根据距离该钻孔最近的工作面设计值确定。
7.根据权利要求1所述的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,其特征在于,步骤S3中,近场顶板岩层碎胀系数根据钻孔揭露近场顶板岩性确定,如果钻孔近场顶板岩层泥岩累计厚度大于砂岩累计厚度,则取1.03,如果钻孔近场顶板岩层泥岩累计厚度小于砂岩累计厚度,则取1.035。
8.根据权利要求1所述的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,其特征在于,步骤S3中,下位隔水层和上位岩层单轴抗压强度根据该钻孔的取芯测试结果确定,如果该钻孔未进行岩芯取样测试,则选取距离该钻孔最近的钻孔测试的结果确定,如果距离该钻孔最近的取芯测试孔总数量大于1个,则取所有最近测试孔测试的下位隔水层和上位岩层单轴抗压强度平均值作为该钻孔处的数据。
9.根据权利要求1所述的矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法,其特征在于,步骤S3中,计算各钻孔的离层突水危险性等级综合评价指标P(x,y),对矿区/工作面进行危险性分区预测的过程包括以下步骤:
使用excel,将钻孔各因素统计结果代入强矿压-携泥砂离层突水危险性综合预测数学模型,计算各钻孔的离层突水危险性等级综合评价指标P(x,y);
将钻孔坐标值和综合等级评价指标P(x,y)导入Arcgis软件,利用软件内置的Naturalbreaking分类方法,将评价指标P(x,y)分成5类,按照指标由低到高依次将矿区分为安全、较安全、中等、较危险、危险五个等级。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202310598531.4A CN116611567B (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202310598531.4A CN116611567B (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN116611567A CN116611567A (zh) | 2023-08-18 |
CN116611567B true CN116611567B (zh) | 2024-02-02 |
Family
ID=87677771
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202310598531.4A Active CN116611567B (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN116611567B (zh) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108805352A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-11-13 | 中国矿业大学 | 一种采区覆岩离层水水害危险性评价法 |
CN111581834A (zh) * | 2020-05-13 | 2020-08-25 | 中煤能源研究院有限责任公司 | 一种基于多源信息融合的煤层顶板溃水溃沙危险性评价方法 |
CN113360592A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-09-07 | 中煤能源研究院有限责任公司 | 基于微震监测的n00工法煤层顶板突水危险性预警方法 |
CN115034652A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-09-09 | 中国矿业大学 | 一种采动覆岩携泥砂离层突水危险性评价方法 |
CN115169948A (zh) * | 2022-07-25 | 2022-10-11 | 中国矿业大学 | 采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法及安全采矿方法 |
CN115983639A (zh) * | 2022-12-27 | 2023-04-18 | 贵州大学 | 一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法 |
-
2023
- 2023-05-24 CN CN202310598531.4A patent/CN116611567B/zh active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108805352A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-11-13 | 中国矿业大学 | 一种采区覆岩离层水水害危险性评价法 |
CN111581834A (zh) * | 2020-05-13 | 2020-08-25 | 中煤能源研究院有限责任公司 | 一种基于多源信息融合的煤层顶板溃水溃沙危险性评价方法 |
CN113360592A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-09-07 | 中煤能源研究院有限责任公司 | 基于微震监测的n00工法煤层顶板突水危险性预警方法 |
CN115034652A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-09-09 | 中国矿业大学 | 一种采动覆岩携泥砂离层突水危险性评价方法 |
CN115169948A (zh) * | 2022-07-25 | 2022-10-11 | 中国矿业大学 | 采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法及安全采矿方法 |
CN115983639A (zh) * | 2022-12-27 | 2023-04-18 | 贵州大学 | 一种岩溶含水层底板突水危险性评价方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
基于耦合评价的安山煤矿顶板突水预测模型研究;张杰 等;《西安科技大学学报》;第38卷(第04期);第569-576页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN116611567A (zh) | 2023-08-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Qiu et al. | Assessment of water inrush risk using the fuzzy delphi analytic hierarchy process and grey relational analysis in the Liangzhuang coal mine, China | |
Wu et al. | Application of the analytic hierarchy process to assessment of water inrush: a case study for the no. 17 coal seam in the Sanhejian coal mine, China | |
Abbas et al. | Rock mass classification systems | |
CN105719027B (zh) | 开采煤层顶底板碎屑岩类含水层富水性定量预测方法 | |
CN111691872B (zh) | 一种煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法 | |
CN111191849B (zh) | 一种西部矿区深埋工作面涌水量预测方法 | |
CN108663724B (zh) | 一种基于水资源转移路径的煤矿地下水库位置选择方法 | |
CN115169948B (zh) | 采煤工作面覆岩离层突水风险预测方法及安全采矿方法 | |
CN106150546B (zh) | 一种根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法 | |
WO2019149146A1 (zh) | 一种保水采煤矿井/矿区等级划分方法 | |
CN109798149A (zh) | 一种坚硬顶板厚煤层采场来压强度分级预测方法 | |
Zhang et al. | Risk assessment of floor water inrush in coal mines based on MFIM-TOPSIS variable weight model | |
Liang et al. | Optimization of mining method in subsea deep gold mines: A case study | |
CN109859610A (zh) | 矿井瓦斯抽采工程地质图的编制方法 | |
Chen et al. | A case study on the height of a water-flow fracture zone above undersea mining: Sanshandao Gold Mine, China | |
Xie et al. | Formation Mechanism and the Height of the Water‐Conducting Fractured Zone Induced by Middle Deep Coal Seam Mining in a Sandy Region: A Case Study from the Xiaobaodang Coal Mine | |
CN110851991B (zh) | 一种地下水流数值模拟方法 | |
CN116611567B (zh) | 一种矿区采动覆岩顶板突水复合灾害危险性分区预测方法 | |
Liu et al. | Assessing water and sand inrushes hazard reductions due to backfill mining by combining gis and entropy methods | |
Wang et al. | A GIS-based model of potential groundwater yield zonation for a sandstone aquifer based on the EWM and TOPSIS methods | |
Chi et al. | Prediction of top-coal caving and drawing characteristics by the analytic hierarchy process-fuzzy discrimination method in extra-thick coal seams | |
CN115034652B (zh) | 一种采动覆岩携泥砂离层突水危险性评价方法 | |
CN116006264A (zh) | 基于声波探测的矿井冲击地压与水害协同预警方法 | |
Ding et al. | Study on the Development Height of Overburden Water‐Flowing Fracture Zone of the Working Face | |
Li et al. | Study on temporal and spatial evolution characteristics of overburden deformation and gas emission during the longwall working face initial mining phase |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |