一種煤層底板高承壓水井下單孔疏降優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種疏降優(yōu)化方法，尤其適用于通過單個鉆孔對煤層底板高承壓含水 層水進行疏排的煤層底板高承壓水井下單孔疏降優(yōu)化方法。
【背景技術】
[0002] 煤炭資源開采過程中，由于煤層底板下伏含水層水頭壓力大，在采動條件下高承 壓水極易突入礦井誘發(fā)突水災害，隨著開采深度的逐漸增大，煤層底板所承受的水壓越來 越大，突水危險越來越高。疏水降壓是預防礦井底板突水的主要措施之一，通過鉆孔或其它 排水設施對威脅礦井安全生產(chǎn)的主要充水含水層中的水在人工受控的條件下進行疏排，將 水位降至預先設計的安全標高之下，降低或消除在巷道開拓和工作面回采過程中發(fā)生突水 的風險。但是，地下水本身還是人類賴以生存和發(fā)展的重要水資源，僅為了安全采出煤炭資 源而不加限制地疏排地下水，將嚴重破壞地下水資源，并且增加了煤礦生產(chǎn)成本，給煤礦區(qū) 的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴重問題。因此，在滿足安全生產(chǎn)條件下，最大程度減少排水總量，實現(xiàn) 安全、經(jīng)濟和環(huán)境效益之間的最佳平衡，是開展煤層底板高承壓水疏降工程優(yōu)化的根本出 發(fā)點。
[0003] 根據(jù)疏排設施布置，礦井疏水降壓工程分為地面、井下以及地面和井下聯(lián)合疏降3 種類型，根據(jù)疏排設施不同，分為群孔、單孔、泄水巷等類型。地面疏降適用于待疏降含水層 埋深較淺的情況，群孔疏降適用于地面空間約束較少的條件。然而，煤層底板高承壓水疏降 工程中，由于含水層埋藏較深，地面施工疏排鉆孔難度大、成本高、工期長，井下巷道與含水 層垂向距離較近，井下疏降更加容易，并且在底板隔水層較厚、阻水性能較好、水壓不太高 的區(qū)域，采用單個鉆孔疏排可滿足疏降目標。在此條件下，施工單個鉆孔成本低、工期短、難 度低，更適用于煤層底板高承壓水疏降。因此，煤層底板高承壓水井下單孔疏降具有較廣的 現(xiàn)實應用需求。
[0004] 煤礦井下底板高程壓水單孔疏降工程優(yōu)化包括疏排鉆孔位置和單位時間疏排水 量（疏排流量）優(yōu)化。疏排鉆孔最佳位置和疏排流量通常作為優(yōu)化模型中的決策變量和目 標函數(shù)，即滿足水位降深等約束條件下，達到疏排流量最小目標的最佳位置。優(yōu)化模型構建 方法包括嵌入法和響應矩陣法。嵌入法是將地下水系統(tǒng)模擬模型直接作為數(shù)學規(guī)劃的等式 約束條件，聯(lián)立其它條件，使地下水模擬與優(yōu)化一步完成的地下水優(yōu)化模型構建方法。響 應矩陣法是基于線性系統(tǒng)疊加原理，各源匯單獨作用的代數(shù)和等于各源或匯同時作用的效 果，首先建立抽水量與水位降深之間的單位脈沖響應函數(shù)，并形成其集合即響應矩陣，再作 為數(shù)學規(guī)劃中的水均衡約束條件來建立優(yōu)化模型。優(yōu)化模型求解方法包括單純形法、遺傳 算法、模擬退火算法、禁忌搜索算法等。遺傳算法是模擬達爾文遺傳選擇和自然淘汰的生物 進化過程的計算模型，是一種直接的全局優(yōu)化搜索算法，對優(yōu)化問題沒有連續(xù)性和可導性 限制，簡單易用，魯棒性強，不要求地下水系統(tǒng)必須是線性的，適合求解復雜的地下水管理 問題。
[0005] 與地面疏排條件不同井下疏水降壓工程中，鉆孔候選位置約束在巷道空間內(nèi)，目 前的優(yōu)化模型均是預先指定若干離散位置構成候選孔位集合，通過優(yōu)化模型計算得出各候 選孔位疏降水量，其中非零的候選井位即是最終井位，也有的采用0-1整數(shù)規(guī)劃法，以取值 為0和1的整數(shù)型變量作為決策變量，計算結果中0表示該位置點不是最優(yōu)井位，1表示該 位置點為最優(yōu)井位。該方法實質(zhì)是將巷道空間離散為若干個點，在離散點集合中搜索最佳 井位，而巷道本身是個連續(xù)空間，傳統(tǒng)的模型本質(zhì)上是一種近似優(yōu)化，尤其是在單孔疏降工 程優(yōu)化中，鉆孔最佳位置的精確坐標直接關系到總疏排水量的大小，離散點集搜索得到的 解劣于連續(xù)模型得到的最優(yōu)解的可能性很大，使總排水量仍然較高，達不到真正優(yōu)化目的， 目前，還尚未有在巷道受限連續(xù)空間搜索的優(yōu)化方法和模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述技術的不足之處，提供一種方法簡單，處理成本低，針對井下疏排鉆孔布 設受巷道空間限制，在底板隔水層較厚、阻水性能較好、水壓不太高的區(qū)域，采用單個鉆孔 疏排可達到疏降目標，待疏降含水層可概化為均質(zhì)含水層條件下的煤層底板高承壓水井下 單孔疏降優(yōu)化方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明所述的煤層底板高承壓水井下單孔疏水降壓優(yōu)化方 法，包括以下步驟：
[0008] a.收集開采區(qū)的地質(zhì)、水文、勘探信息，根據(jù)收集到的信息對待疏降區(qū)水文地質(zhì)條 件進行概化，即將含水層實際的邊界特征、內(nèi)部結構、滲透性能、水力特征和補徑條件進行 簡化；根據(jù)現(xiàn)有公知的不同地理位置鉆孔抽水試驗得到的滲透系數(shù)，比較被測區(qū)域的待疏 降含水層在待疏降區(qū)內(nèi)不同點位同方向上的滲透系數(shù)值是否存在顯著差異，如果不同點位 同方向上的滲透系數(shù)值相差較小則將待疏降含水層概化為均質(zhì)含水層，相差較大則概化為 非均質(zhì)含水層，比較待疏降含水層在待疏降區(qū)內(nèi)任一點在不同方向上滲透系數(shù)值是否存在 顯著差異，如果相差較小則將待疏降含水層概化為各向同性含水層，相差較大則概化為各 向異性含水層；
[0009] b.當待被測區(qū)域的疏降含水層被概化為均質(zhì)含水層時，以覆蓋待掘巷道或開采工 作面范圍邊界作為疏降邊界，在疏降邊界內(nèi)選擇巷道或工作面端頭點為水位控制點；
[0010] 計算水位控制點安全水位降深：
[0011] 利用斯列薩列夫公式
，計算掘進巷道的水位控制點處底板承 受的安全水壓Psaff3，單位MPa，式中：t為隔水層厚度，單位m，L為巷道寬度，單位m，γ為底 板隔水層的平均重度，單位MN/m3;K ρ為底板隔水層的平均抗拉強度，單位MPa ;
[0012] 利用突水系數(shù)公式：Psafe= TsMt，計算開采工作面的水位控制點處底板承受的安全 水壓Psafe，單位MPa，式中：M t為底板隔水層厚度，單位m，T s為臨界突水系數(shù)，T s值根據(jù)《煤 礦防治水規(guī)定》中，底板受構造破壞塊段為〇. 〇6MPa/m，正常塊段為0.1 MPa/m ;
[0013] 收集各水位控制點煤層底板標高Hf= [H fl，...，Hfl，... HfJ與疏降前的水位標高 H。= [Hcil，…，Hcil,…HcJ，單位m，利用公式Hsafe= psafeX 100+Hf，將安全水壓轉換為安全水 位Hsafe= [H sl，…，Hsl，…HJ，再利用公式S safe H 0 Hsafe' 得到各水位控制點處的安全水 位降深Ssafe= [S sl，. . .，Ssl,. . .，SJ，式中Ssl為第i個控制點的安全水位降深；
[0014] C.構建疏排鉆孔候選位置：將鉆孔候選位置所在的巷道抽象為一條由鉆孔候選 位置坐標點構成的直線段，利用直線段上任意兩點X和y通過公式：y = ax+b得到疏排鉆 孔候選位置的直線方程，標注出直線段的X點所在的坐標范圍xpl< X彡X p2，式中：a為直 線斜率，b為直線截距，[Xpl，Xp2]為直線段坐標范圍；
[0015] d.均質(zhì)各項同性含水層井下單孔疏排優(yōu)化：
[0016] 優(yōu)化鉆孔位置：當被測區(qū)域在步驟a中待疏降含水層概化為均質(zhì)各向同性含水層 時，以被測區(qū)域巷道抽象成的直線段y = ax+b上的點與巷道中各水位控制點最遠距離最小 為目標函數(shù)，建立如下優(yōu)化模型：
[0017] min dm= max (d
[0018] s. t. (Ii= (Xp-Xi)^(Yp-Yi)2
[0019] yp= ax p+b
[0020] Xpi^ Xp^ Xp2
[0021] i = 1，2, 3, · · n
[0022] 式中，（xp, yp)為疏排鉆孔坐標，（Xi, yi)為第i個水位控制點坐標，di為疏排鉆孔 與控制點間的距離，利用遺傳算法在直線段坐標范圍內(nèi)求解上述優(yōu)化模型，得到與各水壓/ 水位控制點最遠距尚最小的疏排鉆孔坐標，即最佳疏排鉆孔