本發(fā)明涉及一種頂板含水層采前預(yù)疏降安全水位確定方法。

背景技術(shù)：

近年來，我國煤炭產(chǎn)量總體呈逐年增長的趨勢，煤炭資源開采條件也日趨多樣化、復(fù)雜化，煤層頂板砂巖含水層的靜水壓力隨著開采深度的增加而逐步升高，高水壓頂板砂巖水的存在給工作面安全生產(chǎn)帶來了較大隱患。而對頂板砂巖含水層進(jìn)行采前預(yù)疏放，實(shí)現(xiàn)疏水降壓是目前被廣泛應(yīng)用的防治手段，國內(nèi)外學(xué)者針對工作面頂板含水層的采前預(yù)疏放進(jìn)行了諸多研究，但都是側(cè)重于疏放水鉆孔設(shè)計(jì)和施工工藝的研究，而對頂板含水層采前預(yù)疏放的安全水位相關(guān)研究屬于空白。目前，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有一種頂板含水層采前疏降安全水位準(zhǔn)確有效的確定方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)程規(guī)定，當(dāng)導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)的含水層或老空積水影響安全開采時，必須采取超前探放水措施，當(dāng)導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)有強(qiáng)富水含水層時，必須將強(qiáng)富水含水層疏干后方可開采。但對于補(bǔ)給條件好、儲量豐富的強(qiáng)富水含水層，在實(shí)際生產(chǎn)中難以完全疏干或疏干工程量巨大，完全疏干需要很長時間，在經(jīng)濟(jì)上不合理。實(shí)際上，將回采區(qū)域強(qiáng)含水層水位疏降至某一數(shù)值時，即達(dá)到安全水位時，疏水鉆孔出水量趨于穩(wěn)定或降到安全臨界數(shù)值以下，也可以實(shí)現(xiàn)工作面安全生產(chǎn)。其他類型的含水層采前疏降也存在同樣的問題。因此，對頂板含水層采前疏降，準(zhǔn)確有效的確定安全水位十分重要，在確保工作面開采安全的前提下，能夠有效降低工作面開采成本和提高生產(chǎn)效率。

本發(fā)明提供了一種頂板含水層采前疏降安全水位確定方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種頂板含水層采前預(yù)疏降安全水位確定方法，包括如下步驟：

(a)確定擬開采工作面的地質(zhì)條件和開采工藝參數(shù)；

(b)根據(jù)擬開采工作面的開采工藝參數(shù)確定覆巖破壞高度和采前疏放水目標(biāo)含水層，根據(jù)鉆孔柱狀資料和區(qū)域水文地質(zhì)資料構(gòu)建三維地質(zhì)模型，用于模擬擬開采工作面預(yù)疏放前的初始流場狀態(tài)、預(yù)疏放過程疏降流場狀態(tài)和擬開采工作面開采過程中的采動流場狀態(tài)；

(c)所述擬開采工作面初始流場模型、采前預(yù)疏降流場模型和工作面采動過程流場模型采用的計(jì)算方程為連續(xù)介質(zhì)的水流平衡方程，方程表達(dá)式如下：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(K_{xx}\frac{\∂H}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(K_{yy}\frac{\∂H}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(K_{zz}\frac{\∂H}{\∂z}\right)+W=S_s\frac{\∂H}{\∂t}$

其中，S_s為彈性給水度，H為含水層水位，t為疏放水時間，W為單位體積疏降水量。

(d)根據(jù)擬開采工作面區(qū)域水文地質(zhì)資料確定所述初始流場模型和所述三維水文地質(zhì)概化模型的水文地質(zhì)邊界條件和初始條件；

(e)根據(jù)擬開采工作面所屬礦井勘探、補(bǔ)勘及建設(shè)期間的抽水、放水和注水試驗(yàn)資料進(jìn)行含水層參數(shù)識別與分區(qū)，確定初始流場及富水性分區(qū)，并求算各分區(qū)的含水層參數(shù)，并將擬合后的分區(qū)參數(shù)賦值到初始流場；

(f)基于含水層分區(qū)參數(shù)和擬開采工作面地面和井下鉆孔出水情況，確定擬開采工作面開采前預(yù)疏降單孔最大出水量；

(g)根據(jù)所述擬開采工作面三維水文地質(zhì)概化模型計(jì)算獲得不同疏水強(qiáng)度下的擬開采工作面開采前疏水終態(tài)流場分布情況，進(jìn)而獲得擬開采工作面開采前疏水強(qiáng)度S與含水層終態(tài)水位h函數(shù)關(guān)系S＝f(h)，其中，S單位為m³/h，h單位為MPa；

(h)基于所述擬開采工作面的開采工藝參數(shù)和不同疏水強(qiáng)度下的采前疏水終態(tài)流場計(jì)算結(jié)果建立工作面矩形開采區(qū)域的面狀井群采動流場模型；

(i)根據(jù)所述矩形開采區(qū)域的面狀井群采動流場模型計(jì)算得到擬開采工作面頂板采動裂縫發(fā)育至最大高度后的涌水量，進(jìn)而獲得不同工作面涌水量與擬開采工作面開采前疏水終態(tài)水位函數(shù)關(guān)系Q＝g(h)，其中，Q單位為m³/h，h單位為MPa；

(j)依據(jù)擬開采工作面排水能力及S＝f(h)和Q＝g(h)確定擬開采工作面開采前預(yù)疏降安全水位和疏降強(qiáng)度。

在上述頂板含水層采前預(yù)疏降安全水位確定方法步驟(a)中，所述地質(zhì)條件包括擬開采工作面采動裂縫發(fā)育范圍內(nèi)的含水層初始水位、含水層厚度、給水度、滲透系數(shù)和補(bǔ)給條件；所述開采工藝參數(shù)包括回采工藝、擬開采工作面規(guī)模、排水能力和采厚。

在上述頂板含水層采前預(yù)疏降安全水位確定方法步驟(b)中，所述水文地質(zhì)概化模型為承壓含水層的三維空間非穩(wěn)定流模型，所述承壓含水層的三維空間非穩(wěn)定流模型假定擬開采工作面開始回采一定距離后，覆巖破斷失穩(wěn)、垮落，采動裂縫成為導(dǎo)水通道，開采區(qū)域的各單元均為抽采井，擬開采工作面開采空間即為降落漏斗的中心，工作面涌水量即為各井點(diǎn)抽采量之和。

在上述頂板含水層采前預(yù)疏降安全水位確定方法中，所述擬開采工作面三維水文地質(zhì)概化模型和矩形開采區(qū)域的面狀井群采動流場模型構(gòu)建和計(jì)算均通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行。

在上述頂板含水層采前預(yù)疏降安全水位確定方法中，所述Q＝g(w)表達(dá)式為：

7Q³-6×10³Q²+2×10⁶Q＝1.8×10⁸+10⁸w，

所述S＝f(h)表達(dá)式為：

3S³-3.3×10³S²+1.3×10⁶S＝8.6×10⁸-10⁶w。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明提供的頂板含水層采前預(yù)疏降安全水位確定方法，由于通過建立數(shù)學(xué)模型，并將開采區(qū)域的流場變化過程分為三個階段，初始流場、疏降流場和采動流場，分別構(gòu)建初始流場模型、承壓含水層的三維空間非穩(wěn)定流模型和矩形開采區(qū)域的面狀井群采動流場模型，因此，本發(fā)明能夠在合理假定的情況下，較為準(zhǔn)確的模擬整個流場變化趨勢，進(jìn)而確定各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。

2)本發(fā)明提供的頂板含水層采前預(yù)疏降安全水位確定方法，由于利用數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算，按照流場變化規(guī)律，依次獲得擬開采工作面開采前疏水強(qiáng)度與含水層終態(tài)水位函數(shù)關(guān)系和不同工作面涌水量與擬開采工作面開采前疏水終態(tài)水位函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而確定工作面排水能力與終態(tài)水位的函數(shù)關(guān)系，即可根據(jù)工作面排水能力確定安全水位，因此，本發(fā)明能夠通過準(zhǔn)確性高，而又直觀簡潔的方法確定采前預(yù)疏降安全水位。

3)本發(fā)明提供的頂板含水層采前預(yù)疏降安全水位確定方法，由于根據(jù)擬開采工作面所屬礦井勘探、補(bǔ)勘及建設(shè)期間的抽水、放水和注水試驗(yàn)資料對含水層參數(shù)進(jìn)行識別與分區(qū)，進(jìn)而確定初始流場及富含水分區(qū)，因此，本發(fā)明計(jì)算分析結(jié)果具有更高的可靠性和準(zhǔn)確度。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

所述頂板含水層采前預(yù)疏降安全水位確定方法，包括如下步驟：

(a)確定擬開采工作面的地質(zhì)條件和開采條件；地質(zhì)條件具體為：擬開采工作面的直接充水含水層為頂板砂巖含水層，該含水層厚度0～45m，平均約25m，單位涌水量0.5～1.9l/s.m，滲透系數(shù)0.4～8.3m/d，屬中等至強(qiáng)富水含水層，含水層最大水壓超過4MPa，掘進(jìn)期間揭露該含水層的鉆孔最大穩(wěn)定出水量達(dá)50m³/h；開采條件具體為：主采煤層11#煤層，平均煤厚10.7m，埋深約300m，屬近水平煤層，覆巖屬軟弱類型，應(yīng)用綜放開采工藝，工作面正常排水能力為600m³/h，考慮到水泵的工作效率、工作面作業(yè)環(huán)境和工作面排水富余系數(shù)，實(shí)際排水能力按360m³/h考慮；

(b)根據(jù)擬開采工作面的開采工藝參數(shù)確定覆巖破壞高度和采前疏放水目標(biāo)含水層，根據(jù)鉆孔柱狀資料和區(qū)域水文地質(zhì)資料應(yīng)用GMS數(shù)值模擬軟件構(gòu)建三維地質(zhì)模型，用于模擬擬開采工作面預(yù)疏放前的初始流場狀態(tài)、預(yù)疏放過程疏降流場狀態(tài)和擬開采工作面開采過程中的采動流場狀態(tài)；

(c)所述擬開采工作面初始流場模型、采前預(yù)疏降流場模型和工作面采動過程流場模型采用的計(jì)算方程為連續(xù)介質(zhì)的水流平衡方程，方程表達(dá)式如下：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(K_{xx}\frac{\∂H}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(K_{yy}\frac{\∂H}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(K_{zz}\frac{\∂H}{\∂z}\right)+W=S_s\frac{\∂H}{\∂t}$

(d)根據(jù)擬開采工作面水文地質(zhì)資料確定所述初始流場模型和所述承壓含水層的三維空間非穩(wěn)定流模型的水文地質(zhì)邊界條件；

(e)根據(jù)擬開采工作面所屬礦井勘探、補(bǔ)勘及建設(shè)期間的抽水、放水和注水試驗(yàn)資料進(jìn)行含水層參數(shù)識別與分區(qū)，確定初始流場及富含水分區(qū)，并求算各分區(qū)的含水層參數(shù)，并將擬合后的分區(qū)參數(shù)賦值到初始流場；

(f)基于含水層分區(qū)參數(shù)和擬開采工作面地面和井下鉆孔出水情況，確定擬開采工作面開采前預(yù)疏降單孔最大出水量；

(g)根據(jù)所述擬開采工作面三維水文地質(zhì)概化模型計(jì)算獲得不同疏水強(qiáng)度下的擬開采工作面開采前疏水終態(tài)流場分布情況，進(jìn)而獲得擬開采工作面開采前疏水強(qiáng)度S與含水層終態(tài)水位h函數(shù)關(guān)系S＝f(h)，其中，Q單位為m³/h，h單位為MPa，所述S＝f(h)表達(dá)式為：

3S³-3.3×10³S²+1.3×10⁶S＝8.6×10⁸-10⁶w；

(h)基于所述擬開采工作面的開采工藝參數(shù)和不同疏水強(qiáng)度下的采前疏水終態(tài)流場計(jì)算結(jié)果建立工作面矩形開采區(qū)域的面狀井群采動流場模型；

(i)根據(jù)所述矩形開采區(qū)域的面狀井群采動流場模型計(jì)算得到擬開采工作面頂板采動裂縫發(fā)育至最大高度后的涌水量，進(jìn)而獲得不同工作面涌水量與擬開采工作面開采前疏水終態(tài)水位函數(shù)關(guān)系Q＝g(h)，其中，Q單位為m³/h，h單位為MPa，所述Q＝g(h)表達(dá)式為：

7Q³-6×10³Q²+2×10⁶Q＝1.8×10⁸+10⁸w；

(j)依據(jù)擬開采工作面實(shí)際排水能力及S＝f(h)和Q＝g(h)表達(dá)式確定擬開采工作面開采前預(yù)疏降安全水位為1.35MPa，疏降強(qiáng)度應(yīng)大于300m³/h。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。