專利名稱：煤層頂板涌(突)水條件定量評價預(yù)測的三圖雙預(yù)測法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤礦山煤層頂板涌(突)水條件的定量評價預(yù)測方法，尤其是一種煤層頂 板涌(突)水評價預(yù)測的三圖一雙預(yù)測新型實用方法。
背景技術(shù)：
煤層頂板水害問題是困擾中國煤礦安全生產(chǎn)和煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要水患之一，特 別是隨著礦山開采深度逐漸加大和下組煤回采，頂板冒裂溝通上覆含水體而導(dǎo)致頂板涌(突) 水災(zāi)害發(fā)生或惡化工作面生產(chǎn)環(huán)境的實例日益增多，例如開灤集團目前近一半的生產(chǎn)礦井遭 受頂板水害的嚴(yán)重威脅。以荊各莊礦為例，該礦自1979年正式投產(chǎn)以來,共發(fā)生了 3次大的突 水事故,均為煤9頂板突水，突水水源是煤9上覆的煤5頂板砂巖裂隙含水層,其最大突水量高達 44 m7min,造成工作面整體被淹，生產(chǎn)被迫終止。
因此，如何解決煤層頂板涌(突)水條件定量評價預(yù)測問題，對扭轉(zhuǎn)目前煤炭安全生產(chǎn) 的被動局面具有極其重要的理論指導(dǎo)意義和實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的之一在于，滿足中國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求，提供一種從對煤層頂板涌 (突)水條件的定性綜合分析，到涌(突)水危險區(qū)定量圈定的定量評價預(yù)測方法。
本發(fā)明進一步的目的在于，滿足中國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求，提供一種從對煤層頂 板涌(突)水條件的定性綜合分析，到動態(tài)模擬預(yù)測在不采取任何人為工程措施和采取人為干 擾措施兩種前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和滲流場分布的定量模擬預(yù)測評價 方法。
為了實現(xiàn)上述目的，經(jīng)過長期的研究和實踐，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案煤層頂板涌(突) 水條件定量評價預(yù)測的三圖一雙預(yù)測法，包括以下步驟-
1. 在礦井水文地質(zhì)條件的系統(tǒng)綜合分析基礎(chǔ)上，確定與煤層頂板突水關(guān)系密切的直接充 水含水層和間接充水含水層；
2. 根據(jù)多源地學(xué)信息復(fù)合原理，依據(jù)直接和間接充水含水層巖性巖相變化、構(gòu)造場、水 化學(xué)場、抽水試驗場、突水事件滲流場和鉆孔沖洗液消耗量變化等6方面信息和探測數(shù)據(jù)，建 立各自子專題層圖，然后應(yīng)用非線性(如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)或線性數(shù)學(xué)方法(如層次分析法 等)，確定控制富水性的各主控因素的"權(quán)重"系數(shù)，建立含水層富水性的評價模型，復(fù)合 疊加，計算煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性指數(shù)，在此研究基礎(chǔ)上，編制出頂板直 接和間接充水含水層的富水性量化分區(qū)3. 根據(jù)地面和井下的冒裂發(fā)育帶實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)值仿真模擬技術(shù)和經(jīng)驗、半經(jīng)驗 等公式，評價不同開采方法和工藝條件下煤層回采的頂板冒裂帶發(fā)育高度，根據(jù)與煤層至充 水含水層之間的頂板覆巖厚度相比較，確定各點回采的冒裂安全程度，在此研究基礎(chǔ)上，編 制出煤層開采頂板冒裂安全性分區(qū)4. 應(yīng)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，復(fù)合疊加上述兩個分區(qū)所有地學(xué)信息，提出煤層開采頂板涌 (突)水條件綜合分區(qū)方案，編制出煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區(qū)5. 應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)，動態(tài)模擬預(yù)測在不采取任何人為工程措施前提下的煤層回采 工作面頂板工程涌(突)水量和滲流場分布；
6. 應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)，動態(tài)模擬預(yù)測在采取人為干擾措施前提下的煤層回采工作面 頂板工程涌(突)水量和超前預(yù)處理滲流場分布。
由于采用了上述的"三圖-雙預(yù)測法"技術(shù)方案，本發(fā)明具有的有益效果是 41. "三圖-雙預(yù)測法"從煤層頂板涌(突)水條件的定性綜合分析，到涌(突)水危險區(qū)圈 定和超前預(yù)處理水量、滲流場分布的定量模擬預(yù)測，形成了一整套系統(tǒng)的研究思路和工作方 法；2. 運用多源地學(xué)信息復(fù)合疊加原理，根據(jù)多個水文地質(zhì)物理場的不同特征，相互對比驗 證，互相彌補不足，通過建立各自子專題層圖，然后應(yīng)用非線性或線性數(shù)學(xué)方法，確定控制 富水性的各主控因素的"權(quán)重"系數(shù)，建立含水層富水性的評價模型，計算煤層頂板直接和 間接充水含水層的富水性指數(shù)，在此研究基礎(chǔ)上，編制出頂板直接和間接充水含水層的富水 性量化分區(qū)圖，對充水含水層的富水性進行了系統(tǒng)綜合分析和定量評價；3. 對預(yù)測精度要求較高的回采工作面的整體和分段工程涌水量和滲流場分布的動態(tài)預(yù)測 具有一定優(yōu)勢。


附圖l，本發(fā)明煤層頂板涌(突)水條件定量評價預(yù)測的三圖一雙預(yù)測法工作流程圖。 具體實施例下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細描述。本發(fā)明一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預(yù)測的三圖一雙預(yù)測法的具體實施技術(shù)方 案包括以下步驟1. 根據(jù)對礦井水文地質(zhì)條件的系統(tǒng)綜合分析，確定與煤層頂板突水關(guān)系密切的主要充水 含水層，包括直接充水含水層和間接充水含水層；2. 編制煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性分區(qū)圖煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性分區(qū)圖是在煤層頂板直接和間接充水含水層的 富水性分區(qū)研究基礎(chǔ)上形成的。所述的煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性分區(qū)研究，包括對該煤層充水含水層的 巖性巖相變化、構(gòu)造場、水化學(xué)場、抽水試驗場、突水事件滲流場和鉆孔沖洗液消耗量變化 等6個方面地學(xué)信息的綜合分析研究，建立各自子專題層圖，然后應(yīng)用非線性(如人工神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)等)或線性數(shù)學(xué)方法(如層次分析法等)，確定控制富水性的各主控因素的"權(quán)重"系數(shù)， 復(fù)合疊加，建立含水層富水性的評價模型，計算煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性指 數(shù)，提出煤層頂板含水層富水性分區(qū)的劃分方案；在此研究基礎(chǔ)上，編制出頂板直接和間接 充水含水層的富水性量化分區(qū)圖；所述的煤層頂板砂巖含水層富水性分區(qū)的劃分方案按照富水性由強到弱依次劃分為A，B， C， D, E…等區(qū)。3. 編制煤層開采頂板冒裂安全性分區(qū)圖煤層開采頂板冒裂安全性分區(qū)圖是在煤層開采頂板冒裂帶發(fā)育高度與覆巖段厚度比較研 究基礎(chǔ)上形成的。根據(jù)地面和井下的冒裂發(fā)育帶實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)值仿真模擬技術(shù)和經(jīng) 驗、半經(jīng)驗等公式，評價不同開采方法和工藝條件下煤層回采的頂板冒裂帶發(fā)育高度。所述的煤層開采頂板冒裂安全性分區(qū)研究包括覆巖段巖性巖相分析和頂板冒裂帶發(fā)育高 度計算。覆巖段厚度減去頂板冒裂帶發(fā)育高度，即冒裂安全區(qū)與非安全區(qū)的界限；除采厚外， 綜合考慮開采方法、覆巖段巖性巖相變化及地質(zhì)構(gòu)造等控制因素，確定煤層頂板冒裂安全性分區(qū)方案所述的煤層頂板冒裂安全性分區(qū)方案由最安全(頂板冒裂帶發(fā)育高度小于覆巖段厚度) 到最危險(頂板冒裂帶發(fā)育高度遠大于覆巖厚度)按照突水危險性由小到大依次劃分為A， B， C， D， E…等區(qū)。4. 編制煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區(qū)圖煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區(qū)圖由上述的煤層頂板充水含水層的富水性分區(qū)圖和 煤層開采頂板冒裂安全性分區(qū)圖復(fù)合疊加形成。因為開采深部煤層導(dǎo)致頂板涌(突)水災(zāi)害發(fā)生，其充分必要條件是煤層回采形成的頂板冒裂帶發(fā)育帶溝通了上覆充水含水層，且直接充 水含水層在回采工作面對應(yīng)位置的富水性較強，因此，復(fù)合疊加上述的富水性和冒裂安全性 兩個分區(qū)所有地學(xué)信息，提出煤層開釆頂板涌(突)水條件的綜合分區(qū)劃分方案。所述的煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區(qū)劃分方案由上覆充水含水層的富水性較差、 突水危險性小的A區(qū)與上覆充水含水層的富水性較好、且在該區(qū)范圍內(nèi)，大部分區(qū)域頂板冒裂 帶發(fā)育高度均大于覆巖段厚度、突水危險性較大的E區(qū)組成。所述的突水危險性小的A區(qū)按照突水危險性由小到大依次進一步細分為A-1， A-2…等子區(qū)。所述的突水危險性大的E區(qū)按照突水危險性由小到大依次進一步細分為E-1， E-2…等子區(qū)。5. 在不采取任何人為工程措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和滲流場分 布的動態(tài)預(yù)測根據(jù)煤層頂板涌(突)水量預(yù)測的水文地質(zhì)概念模型，應(yīng)用Visual Modflow專業(yè)軟件系 統(tǒng)建立三維數(shù)值模擬模型，運用Visual Modflow的Zone Budget功能，根據(jù)相鄰工作面周期 來壓規(guī)律，對即將回采的工作面的工程涌水量進行隨工作面不斷向前推進(以周期來壓步距 為單位)的動態(tài)預(yù)測和對應(yīng)滲流場的動態(tài)預(yù)測。6. 在采取人為干擾措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和超前預(yù)處理滲流 場分布的動態(tài)模擬預(yù)測根據(jù)擬合好的數(shù)值模擬模型，應(yīng)用Visual Modflow的Zone Budget功能，對人為干擾措 施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和超前預(yù)處理滲流場進行動態(tài)模擬預(yù)測。
權(quán)利要求
1.一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預(yù)測的三圖-雙預(yù)測法，其特征在于技術(shù)方案包括以下步驟(1)在礦井水文地質(zhì)條件的系統(tǒng)綜合分析基礎(chǔ)上，確定與煤層頂板突水關(guān)系密切的直接充水含水層和間接充水含水層；(2)在煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性量化分區(qū)研究基礎(chǔ)上編制出頂板直接充水含水層的富水性分區(qū)圖；(3在煤層開采頂板冒裂安全性分區(qū)研究基礎(chǔ)上繪制出煤層開采頂板冒落安全性分區(qū)圖；(4)復(fù)合疊加上述兩個分區(qū)所有地學(xué)信息，提出煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區(qū)方案，編制出煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區(qū)圖；(5)應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)，動態(tài)模擬預(yù)測在不采取任何人為工程措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和滲流場分布；(6)應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)，動態(tài)模擬預(yù)測在采取人為干擾措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和超前預(yù)處理滲流場分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預(yù)測的三圖一雙預(yù)測法，其特征在于所述的煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性分區(qū)研究，包括根據(jù)多源地 學(xué)信息復(fù)合原理，依據(jù)直接和間接充水含水層巖性巖相變化、構(gòu)造場、水化學(xué)場、抽水試驗 場、突水事件滲流場和鉆孔沖洗液消耗量變化等6方面信息和探測數(shù)據(jù)，建立各自子專題層圖， 然后應(yīng)用非線性(如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)或線性數(shù)學(xué)方法(如層次分析法等)，確定控制富水 性的各主控因素的"權(quán)重"系數(shù)，建立含水層富水性的評價模型，復(fù)合疊加，計算煤層頂板 直接和間接充水含水層的富水性指數(shù)，提出煤層頂板砂巖含水層富水性分區(qū)的劃分方案。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預(yù)測的三圖一雙預(yù)測法，其特征在于所述的煤層頂板砂巖含水層富水性分區(qū)的劃分方案按照富水性由強到弱依次劃分為A， B， C， D， E…等區(qū)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預(yù)測的三圖一雙預(yù)測法，其特征在于所述的煤層開采頂板冒裂安全性分區(qū)研究包括覆巖段巖性巖相分析和頂板冒裂 帶發(fā)育高度計算；覆巖段厚度減去頂板冒裂帶發(fā)育高度，即冒裂安全區(qū)與非安全區(qū)的界限； 除采厚外，綜合考慮開采方法、覆巖段巖性巖相變化及地質(zhì)構(gòu)造等控制因素，確定煤層頂板 冒裂安全性分區(qū)方案。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預(yù)測的三圖一雙預(yù)測法， 其特征在于所述的煤層頂板冒落安全性分區(qū)方案由最安全(導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度小于覆巖 段厚度)到最危險(導(dǎo)水裂隙帶高度遠大于覆巖厚度)按照突水危險性由小到大依次劃分為A， B， C， D， E…等區(qū)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預(yù)測的三圖一雙預(yù)測法， 其特征在于所述的煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區(qū)劃分方案由上覆充水含水層的富水 性較差、突水危險性小的A區(qū)與上覆充水含水層的富水性較好、且在該區(qū)范圍內(nèi)，大部分區(qū)域 頂板冒裂帶發(fā)育高度均大于覆巖段厚度、突水危險性較大的E區(qū)組成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種煤層頂板涌(突)水條件的定量評價方法，其特征在于所 述的突水危險性小的A區(qū)按照突水危險性由小到大依次進一步細分為A-1， A-2…等子區(qū)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種煤層頂板涌(突)水條件的定量評價方法，其特征在于所 述的突水危險性大的E區(qū)按照突水危險性由小到大依次進一步細分為E-1， E-2…等子區(qū)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤層頂板涌(突)水條件的定量評價方法，其特征在于所 述的在不采取任何人為工程措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和滲流場分布 的動態(tài)預(yù)測，是指根據(jù)煤層頂板涌(突)水量預(yù)測的水文地質(zhì)概念模型，應(yīng)用Visual Modflow 專業(yè)軟件系統(tǒng)建立三維數(shù)值模擬模型，應(yīng)用Visual Modflow的Zone Budget功能，根據(jù)相鄰 工作面周期來壓規(guī)律，對即將回采的工作面的工程涌水量進行隨工作面不斷向前推進(以周 期來壓步距為單位)的動態(tài)預(yù)測和對應(yīng)滲流場的動態(tài)預(yù)測。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤層頂板涌(突)水條件的定量評價方法，其特征在于所 述的在采取人為干擾措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和超前預(yù)處理滲流場 分布的動態(tài)模擬預(yù)測，是指根據(jù)擬合好的數(shù)值模擬模型，應(yīng)用VisualModflow的Zone Budget 功能，對人為干擾措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和超前預(yù)處理滲流場進 行動態(tài)模擬預(yù)測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種煤田煤炭工業(yè)煤層頂板涌(突)水條件的定量評價方法。在礦井水文地質(zhì)條件的系統(tǒng)綜合分析基礎(chǔ)上，找出與煤層頂板突水關(guān)系密切的直接和間接充水含水層，繪制富水性分區(qū)圖和冒落安全性分區(qū)圖，復(fù)合疊加上述兩個分區(qū)所有地學(xué)信息，繪制涌(突)水條件綜合分區(qū)圖；運用Visual Modflow專業(yè)軟件對將回采的工作面的工程涌水量和頂板直接充水含水層的采前預(yù)疏放方案進行動態(tài)預(yù)測?！叭龍D-雙預(yù)測法”從涌(突)水條件的定性綜合分析，到涌(突)水量和采前預(yù)疏放量的定量模擬預(yù)測，形成了一整套系統(tǒng)的研究思路和研究方法；對預(yù)測精度要求較高的回采工作面的整體和分段工程涌水量的動態(tài)預(yù)測具有一定優(yōu)勢。
文檔編號E21F17/00GK101660427SQ20091001489
公開日2010年3月3日 申請日期2009年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月18日
發(fā)明者強 武 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)