CN116957325B - 一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法，涉及矿井水害防治技术领域，包括以下步骤：首先收集矿区和工作面地层资料，建立采动覆岩工程地质模型，识别矿区和工作面采动覆岩的突水离层带，收集矿区和工作面地质资料，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，识别出矿区和工作面采动覆岩的突水离层带。然后基于识别的突水离层带赋存层位，确定影响发生离层突水的多元非线性预报指标；随后，基于已采工作面，确定突水预报指标(P1(x)和P2(x))的阈值P10和P20，建立离层突水预报指标计算公式；最后使用建立的突水预报指标来预报其他工作面的突水位置。本发明能够反映开采过程中突水的动态演化过程，进而实现对采煤矿区和工作面的精准、连续的突水预报。
Description
技术领域
本发明涉及矿井水害防治技术领域，尤其涉及一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法。
背景技术
矿区和工作面开采过程中，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，在积水离层和矿区和工作面之间形成突水通道，则发生离层突水。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离层突水频发，如招贤煤矿、崔木煤矿、新上海一号煤矿、照金煤矿和郭家河煤矿均出现离层突水，造成不同程度的财产损失甚至人员伤亡。
一般认为，导水裂隙带波及到顶板含水层，即可发生顶板含水层突水。然而，离层突水的直接水源是由采动导致的离层积水，只有同时满足离层积水和导水通道时，才会引发离层突水。因此，仅通过传统导水裂隙带高度预测公式无法直接预测顶板离层水。现有技术中还没有专门针对西部矿区侏罗系煤层离层突水预报的计算指标，导致矿区和工作面开采之前对离层水的预报和风险性评估具有一定盲目性，无法有效保障开采安全性，因此亟需一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法来改变这一现状。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法。其优点在于能够反映开采过程中突水的动态演化过程，进而实现对采煤矿区和工作面的精准、连续的突水预报。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法，包括以下步骤：
步骤一：收集矿区和工作面地层资料，建立采动覆岩工程地质模型，识别矿区和工作面采动覆岩的突水离层带，收集矿区和工作面地质资料，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，识别出矿区和工作面采动覆岩的突水离层带；
步骤二：基于步骤一中识别的突水离层带赋存层位，确定影响发生离层突水的多元非线性预报指标，预报指标包括具体包括两个参数，分别表征离层积水演化和离层突水通道发育情况；获取矿区和工作面预报指标基本计算参数，表征离层突水的地层预测指标需要获取煤层开采高度M、矿区和工作面宽度b，煤层埋深D，下位隔水层顶板到煤层顶板距离A、下位隔水层底板到煤层顶板距离B这5个基本计算参数；
由于同一矿区和工作面的矿区和工作面宽度为定值，因此需获取整个矿区和工作面任意位置的其他4个基本地层参数(煤层开采高度M、煤层埋深D，下位隔水层顶板到煤层顶板距离A、下位隔水层底板到煤层顶板距离B)；首先根据矿区和工作面附近钻孔资料，统计4个基本计算参数的散点数据；然后，通过Surfer软件中的克里金插值法获取矿区和工作面任意位置处的离层突水预报指标基本计算参数，距切眼每10m提取一个数值，进而得到距切眼x＝10n(n＝1,2,3......)m处基本计算参数值：M(x),D(x),A(x),B(x)；
步骤三：确定离层积水形成的预报指标，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；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P1(x)；
步骤四：确定离层突水通道发育的预报指标，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；提出表征“突水离层带”突水通道规模的地层预测指标P2(x)；
步骤五：基于离层积水形成和离层突水通道发育的这两个子预报指标计算公式，计算距切眼x＝10n(n＝1,2,3......)m处的P1(x)和P2(x)，绘制出已采矿区和工作面回采期间预报指标曲线，并根据矿区和工作面的实际突水情况，确定突水预报指标(P1(x)和P2(x))的阈值P10和P20，建立离层突水预报指标计算公式；计算未开采矿区和工作面的预报指标P(x)；将P(x)＝2的区域划为突水位置，P(x)＝0和1的区域视为非突水区域，以此达到预报离层突水的目的。
本发明进一步设置为，所述采动覆岩工程地质模型是指明确煤层开采信息和突水离层带空间赋存位置(距煤层距离)的覆岩简化模型；建立采动覆岩工程地质模型，首先需要根据矿区和工作面水文地质资料及矿区和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。
本发明进一步设置为，所述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含水层的附近，一般上位硬岩层为含水层，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。
本发明进一步设置为，所述突水离层带是指满足以上两个条件的复合层位，具体包括上位硬岩层、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、积水离层和上位硬岩层，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；上位硬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。
本发明进一步设置为，所述地层预测指标P1(x)的计算公式为
其中，M为煤层开采高度；D为煤层埋深；b为矿区和工作面宽度；A为下位隔水层顶板到煤层顶板距离。
本发明进一步设置为，所述地层预测指标P2(x)的计算公式为
其中，M为煤层开采高度；D为煤层埋深；b为矿区和工作面宽度；B为下位隔水层底板到煤层顶板距离。
本发明进一步设置为，所述离层突水预报指标计算公式为P(x)＝Ψ1+Ψ2，其中，
本发明进一步设置为，所述煤层开采信息包括煤层厚度、煤层埋深、矿区和工作面宽度。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的采煤矿区和工作面覆岩离层突水位置预报方法，提出综合考虑采厚、矿区和工作面宽度、煤层埋深、岩层空间赋存的指标，预报矿井矿区和工作面离层突涌水的位置，细化了突水风险风险等级，而且整个回采期间，离层突水预报指标值是变化的，能够反映开采过程中突水的动态演化过程，进而实现对采煤矿区和工作面的精准、连续的突水预报。
2.本发明提供的安全采矿方法，具体根据两个参数来预报矿井矿区和工作面离层突涌水位置，能够实现对任一采煤矿区和工作面的突水位置进行连续预报，从而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
图1为本发明提出的一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法的突水离层带的纵向示意图；
图2为本发明提出的一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法的下位隔水层顶板到煤层顶板距离A等值线示意图；
图3为本发明提出的一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法的下位隔水层底板到煤层顶板距离B等值线示意图；
图4为本发明提出的一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法的已采突水工作面涌水量及预报指标曲线示意图；
图5为本发明提出的一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法的未采工作面预报指标曲线示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同和类似的标号表示相同和类似的元件和具有相同和类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位和位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示和暗示所指的装置和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专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，和一体地连接、设置。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专利中的具体含义。
参照图1-3，一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法，包括以下步骤：
步骤一：收集矿区和工作面地层资料，建立采动覆岩工程地质模型，识别矿区和工作面采动覆岩的突水离层带，收集矿区和工作面地质资料，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，识别出矿区和工作面采动覆岩的突水离层带；
步骤二：基于步骤一中识别的突水离层带赋存层位，确定影响发生离层突水的多元非线性预报指标，预报指标包括具体包括两个参数，分别表征离层积水演化和离层突水通道发育情况；获取矿区和工作面预报指标基本计算参数，表征离层突水的地层预测指标需要获取煤层开采高度M、矿区和工作面宽度b，煤层埋深D，下位隔水层顶板到煤层顶板距离A、下位隔水层底板到煤层顶板距离B这5个基本计算参数；
由于同一矿区和工作面的矿区和工作面宽度为定值，因此需获取整个矿区和工作面任意位置的其他4个基本地层参数(煤层开采高度M、煤层埋深D，下位隔水层顶板到煤层顶板距离A、下位隔水层底板到煤层顶板距离B)；首先根据矿区和工作面附近钻孔资料，统计4个基本计算参数的散点数据；然后，通过Surfer软件中的克里金插值法获取矿区和工作面任意位置处的离层突水预报指标基本计算参数，距切眼每10m提取一个数值，进而得到距切眼x＝10n(n＝1,2,3......)m处基本计算参数值：M(x),D(x),A(x),B(x)；
步骤三：确定离层积水形成的预报指标，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；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；
步骤四：确定离层突水通道发育的预报指标，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；提出表征“突水离层带”突水通道规模的地层预测指标P2；
步骤五：基于离层积水形成和离层突水通道发育的这两个子预报指标计算公式，计算距切眼x＝10n(n＝1,2,3......)m处的P1(x)和P2(x)，绘制出已采矿区和工作面回采期间预报指标曲线，并根据矿区和工作面的实际突水情况，确定突水预报指标(P1(x)和P2(x))的阈值P10和P20，建立离层突水预报指标计算公式；计算未开采矿区和工作面的预报指标P(x)；将P(x)＝2的区域划为突水位置，P(x)＝0和1的区域视为非突水区域，以此达到预报离层突水的目的。
在本实施例中，采动覆岩工程地质模型是指明确煤层开采信息和突水离层带空间赋存位置(距煤层距离)的覆岩简化模型；建立采动覆岩工程地质模型，首先需要根据矿区和工作面水文地质资料及矿区和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。
在本实施例中，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含水层的附近，一般上位硬岩层为含水层，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。
在本实施例中，突水离层带是指满足以上两个条件的复合层位，具体包括上位硬岩层、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、积水离层和上位硬岩层，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；上位硬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。
在本实施例中，地层预测指标P1(x)的计算公式为
其中，M为煤层开采高度；D为煤层埋深；b为矿区和工作面宽度；A为下位隔水层顶板到煤层顶板距离。
在本实施例中，地层预测指标P2(x)的计算公式为
其中，M为煤层开采高度；D为煤层埋深；b为矿区和工作面宽度；B为下位隔水层底板到煤层顶板距离。
在本实施例中，离层突水预报指标计算公式为P(x)＝Ψ1+Ψ2，其中，
在本实施例中，煤层开采信息包括煤层厚度、煤层埋深、矿区和工作面宽度。
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，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硬岩层。
表1崔木煤矿综合地层条件统计表
二、获取矿区/工作面预报指标基本计算参数
根据矿区/工作面钻孔资料，统计4个基本计算参数(煤层开采高度M、煤层埋深D，下位隔水层顶板到煤层顶板距离A、下位隔水层底板到煤层顶板距离B)的散点数据，如表2。然后，通过Surfer软件中的克里金插值法获取矿区/工作面任意位置处的离层突水预报指标基本计算参数，如图2，图3所示。距切眼每10m提取一个数值，进而得到距切眼x＝10n(n＝1,2,3......)m处基本计算参数值：M(x),D(x),A(x),B(x)。
表24个基本计算参数钻孔统计
二、计算已采工作面预报指标并确定突水预报阈值
基于离层积水形成和离层突水通道发育的这两个子预报指标计算公式，计算距切眼x＝10n(n＝1,2,3......)m处的P1(x)和P2(x)，绘制出已采21303工作面回采期间预报指标曲线，如图4所示，并根据工作面的实际突水位置对应的P1(x＝560m)和P2(x＝560m)，确定突水预报指标的阈值P10＝1.15和P20＝2.75。
三、计算未采工作面预报指标并进行突水预报
基于步骤二至步骤五所述的方法，获取其他工作面22305距切眼x＝10n(n＝1,2,3......)m处的P1(x)和P2(x)，绘制出已采矿区和工作面回采期间预报指标曲线，如图5所示，然后基于21303工作面确定的突水预报指标的阈值P10＝1.15和P20＝2.75，计算得到工作面的预报指标P(x)。如图5所示，将P(x)＝2的区域划为突水位置，P(x)＝0或1的区域视为非突水区域，即认为工作面距切眼745m处的位置可能发生突水，从而实现了采前工作面离层突水预报的目的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换和改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：收集矿区和工作面地层资料，建立采动覆岩工程地质模型，识别矿区和工作面采动覆岩的突水离层带，收集矿区和工作面地质资料，包括勘探钻孔资料和水文地质资料，根据开采煤层、岩性和含水层信息，建立采动覆岩工程地质模型，识别出矿区和工作面采动覆岩的突水离层带；
步骤二：基于步骤一中识别的突水离层带，确定影响发生离层突水的多元非线性预报指标，预报指标包括具体包括两个参数，分别表征离层积水演化和离层突水通道发育情况；获取矿区和工作面预报指标基本计算参数，表征离层突水的地层预测指标需要获取煤层开采高度M、矿区和工作面宽度b，煤层埋深D，下位隔水层顶板到煤层顶板距离A、下位隔水层底板到煤层顶板距离B这5个基本计算参数；
由于同一矿区和工作面的矿区和工作面宽度为定值，因此需获取整个矿区和工作面任意位置的其他4个基本地层参数；首先根据矿区和工作面附近钻孔资料，统计4个基本地层参数的散点数据；然后，通过Surfer软件中的克里金插值法获取矿区和工作面任意位置处的离层突水预报指标基本计算参数，距切眼每10m提取一个数值，进而得到距切眼x＝10n，m处基本计算参数值：M(x),D(x),A(x),B(x)；
步骤三：确定离层积水形成的预报指标，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；提出表征采动覆岩“突水离层带”封闭离层规模的地层预测指标P1(x)；
步骤四：确定离层突水通道发育的预报指标，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；提出表征“突水离层带”突水通道规模的地层预测指标P2(x)；
步骤五：基于离层积水形成和离层突水通道发育的这两个子预报指标计算公式，分别计算距切眼x＝10n(n＝1,2,3......N)m处的P1(x)和P2(x)，其中N根据工作面长度L确定，x≤L，绘制出已采矿区和工作面回采期间预报指标曲线，并根据矿区和工作面的实际突水情况，确定突水预报指标(P1(x)和P2(x))的阈值P10和P20，建立离层突水预报指标计算公式；计算未开采矿区和工作面的预报指标P(x)；将P(x)＝2的区域划为突水位置，P(x)＝0和1的区域视为非突水区域，以此达到预报离层突水的目的；
所述地层预测指标P1(x)的计算公式为
其中，M为煤层开采高度；D为煤层埋深；b为矿区和工作面宽度；A为下位隔水层顶板到煤层顶板距离；所述地层预测指标P2(x)的计算公式为
其中，M为煤层开采高度；D为煤层埋深；b为矿区和工作面宽度；B为下位隔水层底板到煤层顶板距离；所述离层突水预报指标计算公式为P(x)＝Ψ1+Ψ2，其中，
2.根据权利要求1所述的一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法，其特征在于，所述采动覆岩工程地质模型是指明确煤层开采信息和突水离层带空间赋存位置的覆岩简化模型；建立采动覆岩工程地质模型，首先需要根据矿区和工作面水文地质资料及矿区和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。
3.根据权利要求2所述的一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法，其特征在于，所述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含水层的附近，一般上位硬岩层为含水层，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。
4.根据权利要求3所述的一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法，其特征在于，所述突水离层带是指满足以上两个条件的复合层位，具体包括上位硬岩层、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、积水离层和上位硬岩层，下位隔水层包括泥岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩、低渗透性隔水岩层；上位硬岩层一般为充水含水层，岩性为细砂岩、中砂岩、粗砂岩和砾岩。
5.根据权利要求2所述的一种基于多元非线性指标的顶板离层突水预报方法，其特征在于，所述煤层开采信息包括煤层厚度、煤层埋深、矿区和工作面宽度。
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