矿井突涌水预警分析方法与流程

1.本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种矿井突涌水预警分析方法。


背景技术：

2.目前，煤矿顶板含水层涌水危险性监测预警是当前煤矿水害防控的一项重要措施，但在目前煤矿监测预警中，主要是以单一阈值的改变作为依据进行预警分析，例如当含水层水位发生一定程度的改变即进行报警，而受丰水期、枯水期等因素影响，容易造成含水层中出现水位波动，这就导致上述监测方法容易出现水害误报的现象，监测准确度不佳。
3.此外，在对工作面进行突涌水评价时，往往以地面抽水试验所获取的参数为准，但实际生产过程中，相关数据往往与实际情况存在较大的差异，这就导致工作面充水危险性预警和工作面涌水量的预测均与实际作业需求存在较大的偏差，作业的安全性无法得到有效保障。
4.因此，需要针对上述问题进行改进，以改变现状。


技术实现要素：

5.本发明提供一种矿井突涌水预警分析方法，用于解决传统矿井中监测突涌水存在监测精度较差，从而容易导致作业容易出现安全风险的问题。
6.本发明提供了一种矿井突涌水预警分析方法，包括：
7.获取矿井的多个层结构特征信息，以根据多个所述特征信息筛选出重点含水层和监测含水层，当含水层的水位下降至预设水位值时，对含水层的涌水量进行分析；
8.根据多个所述特征信息判定存在充水危险性的所述层结构；
9.根据多个所述特征信息的改变动态调整所述充水危险性。
10.根据本发明的一个实施例，所述获取矿井的多个层结构的特征信息，以根据多个所述特征信息筛选出重点含水层和监测含水层的步骤之后，所述方法还包括：
11.当含水层的富水性达到预设值之后定义为监测含水层，并对所述监测含水层设置监测钻孔，且所述监测钻孔设置在采动影响范围以外。
12.根据本发明的一个实施例，所述获取矿井的多个层结构的特征信息的步骤中，还包括获取顶板岩层的底板标高h
i
；所述当含水层的水位下降至预设水位值时，对工作面的涌水量进行分析的步骤，还包括：
13.通过所述监测钻孔获取含水层的水位变化数值，当含水层的水位下降至预设水位值时，可对工作面的涌水量进行分析操作；
14.获取煤层开采深度h，计算得出采空区重新压实范围为0.3h。
15.根据本发明的一个实施例，所述获取矿井的多个层结构的特征信息，以根据多个所述特征信息筛选出重点含水层和监测含水层的步骤还包括，获取顶板含隔水层厚度m
i
、煤层与顶板岩层的底板标高h
i
；
16.所述当含水层的水位下降至预设水位值时，对工作面的预计涌水量进行分析的步
骤包括：
17.采用稳定流计算公式计算工作面预计涌水量，所述稳定流计算公式为：
[0018][0019]
其中，q
预
为预计涌水量，k为渗透系数，h0为自然水位至含水层底板的距离，h0′
为水文监测钻孔获取的含水层水位标高与含水层底板标高的差值，r0为引用影响半径，r0为引用半径
[0020]
根据本发明的一个实施例，所述引用半径的计算公式为：
[0021][0022]
其中，其中h为煤层埋深，l为工作面斜长。
[0023]
根据本发明的一个实施例，所述引用影响半径的计算公式为：
[0024][0025]
其中，l0为水位降深。
[0026]
根据本发明的一个实施例，所述通过所述监测钻孔获取含水层的水位变化数值，当含水层的水位下降至预设水位值时，可对工作面的涌水量进行分析操作的步骤之后，还包括：
[0027]
获取工作面的涌水量数值，并与预计涌水量比对；当工作面仅第一含水层受采动扰动影响时，渗透系数的计算公式为：
[0028][0029][0030]
其中，k
01
′
为修正后的渗透系数，q
测均1
为所获取工作面的涌水量，k
01
为初始渗透系数，q
01
′
为修正后的工作面涌水量数值，q
01
为初始工作面涌水量数值。
[0031]
根据本发明的一个实施例，所述通过所述监测钻孔获取含水层的水位变化数值，当含水层的水位下降至预设水位值时，可对工作面的涌水量进行分析操作的步骤之后，还包括：
[0032]
获取工作面的涌水量数值，并与预计涌水量比对；当工作面同时受第一、第二含水层受采动扰动影响时，渗透系数的计算公式为：
[0033]
[0034][0035]
其中，k
02
′
为修正后的渗透系数，q
测均
为所获取工作面的涌水量，k
02
为初始渗透系数，q
02
′
为修正后的工作面涌水量数值，q
02
为初始工作面涌水量数值。
[0036]
根据本发明的一个实施例，所述获取矿井工作面的多个层结构的特征信息，以根据筛选出重点含水层和监测含水层的步骤，还包括：
[0037]
获取覆岩破坏高度h_h并计算裂采比，所述裂采比的计算公式为：
[0038][0039]
其中，h
lie
为裂采比数值，m为煤层开采厚度。
[0040]
根据本发明的一个实施例，所述根据多个所述特征信息判定存在充水危险性的所述层结构的步骤，还包括：
[0041]
获取导水裂缝带的预计高度l1和隔水层的厚度l2并进行判断，若l1>l2，则判断充水危险性大于预设危险性；若l1<l2则判断充水危险性小于预设危险性。
[0042]
根据本发明的一个实施例，所述根据多个所述特征信息筛选出重点含水层和监测含水层的步骤，还包括：
[0043]
多个所述特征信息包括含水层厚度、单位涌水量、渗透系数。
[0044]
根据本发明的一个实施例，所述获取矿井的多个层结构的特征信息的步骤，还包括：
[0045]
获取矿井的覆岩结构中含水层和隔水层的特征信息。
[0046]
根据本发明的一个实施例，所述根据多个所述特征信息判定存在充水危险性的所述层结构的步骤，还包括：
[0047]
多个所述特征信息包括含水层富水性参数、含水层与煤层之间的间距。
[0048]
根据本发明的一个实施例，所述根据多个所述特征信息的改变动态调整所述充水危险性的步骤，还包括：
[0049]
多个所述特征信息包括距离煤层顶板最近的含水层水位变化、煤层顶板最近含水层的相邻含水层水位变化、各含水层之间的位置关系。
[0050]
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
[0051]
应用本实施例中的矿井突涌水预警分析方法时，可以获取矿井的例如覆岩结构中含隔水层等特征信息，并进行比对分析来筛选具有充水危险性的层结构，并且可以根据获取的例如含水层水位变化的特征信息进行动态调整，同时针对性监测相邻含水层的水位变化，并调整相邻含水层的监测频率等，相较于传统的单一参数判定方法，本方法不仅可以提高预警分析的准确度，还可以进行实时监测，从而保证作业的安全性，使用效果好。
附图说明
[0052]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附
图获得其他的附图。
[0053]
其中：
[0054]
图1是本发明的实施例中矿井突涌水预警分析方法的流程示意图；
[0055]
图2是本发明的实施例中矿井突涌水预警分析方法的层结构分布示意图；
[0056]
图3是本发明的实施例中矿井突涌水预警分析方法的监测钻孔的布置示意图；
[0057]
图4是本发明的实施例中工作面采动影响范围的结构示意图；
[0058]
附图标记：
[0059]
10、煤层；11、第一隔水层；12、第一含水层；13、第二隔水层；14、第二含水层；
[0060]
100、导水裂缝；200、监测钻孔；300、岩层移动边界角；400、工作面；500、采动影响范围；600、采空区。
具体实施方式
[0061]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0063]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
[0064]
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0065]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0066]
参阅图1所示，本发明实施例提供了一种矿井突涌水预警分析方法，其包括：
[0067]
步骤s100、获取矿井的覆岩结构中含隔水层的特征信息，以根据含水层厚度、单位涌水量、渗透系数等特征信息筛选出重点含水层和监测含水层，当含水层的水位下降至预设水位值时，对工作面的涌水量进行分析；
[0068]
步骤s200、根据多个特征信息判定存在充水危险性的层结构；
[0069]
步骤s300、根据多个特征信息的改变动态调整充水危险性。
[0070]
应用本实施例中的矿井突涌水预警分析方法时，可以获取矿井的覆岩结构中含隔水层等特征信息，并进行比对分析来筛选具有充水危险性的含水层，并且可以根据获取的含水层水位变化特征信息进行动态调整，同时针对性监测相邻含水层的水位变化，并调整相邻含水层的监测频率等，相较于传统的单一参数判定方法，本方不仅可以提高预警分析的准确度，还可以进行实时监测，从而保证作业的安全性，使用效果好。
[0071]
进一步地，步骤s100之后，参阅图3和图4所示，本矿井突涌水预警分析方法还包括：步骤s400、当含水层的富水性满足预设条件时定义为监测含水层，并对监测含水层设置监测钻孔200，且监测钻孔200设置在采动影响范围500以外。
[0072]
具体地，步骤s100还包括：获取覆岩破坏高度h_h并计算裂采比，裂采比的计算公式为：
[0073][0074]
其中，h
lie
为裂采比数值，m为煤层10开采厚度。
[0075]
应用本实施例的矿井突涌水预警分析方法的第一阶段时，可构建工作面三维参数模型：
[0076]
第一步、统计工作面400的煤层10厚度、含水层和隔水层的厚度：具体为，统计研究区域钻孔柱状图，提取各钻孔煤层10厚度m0、顶板含隔水层厚度m
i
，煤层10与顶板岩层的底板标高h
i
，并构建工作面400三维模型；
[0077]
第二步、开展工作面400含水层富水性分析：具体为，开展工作面400顶板含水层抽水试验，获取含水层渗透系数k、单位涌水量q、含水层水位标高h等参数；
[0078]
第三步、预计工作面400覆岩破坏范围：具体为，统计工作面400及周边钻孔柱状图的岩性，分析上覆岩层力学参数，结合《建筑物、水体下、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》给出的相关参数，以确定覆岩的类型，以工作面开采厚度为基数，预计覆岩破坏高度h_h，分析工作面开采过程中可能波及含水层。
[0079]
参阅图3所示，应用本实施例的矿井突涌水预警分析方法的第二阶段时，可建立工作面上覆含水层监测：
[0080]
第一步、确定工作面400需要监测的含水层层位：具体为，结合覆岩破坏高度预计范围和含水层富水特性，以富水性、导水裂缝100带波及范围为依据，筛选出监测的重点含水层，并针对富水性中等及以上、可能采动影响范围500波及到的含水层来布置监测钻孔200；
[0081]
第二步、确定水文长观孔布置的位置：具体为，根据工作面400开采影响边界以外，如图3所示，角300为岩层移动边界角，将监测钻孔200布置在采动影响范围500以外，可将测钻孔200布置在开切眼附近、工作面400见方附近、以及工作面停采线附近。
[0082]
具体地，步骤s100中，还包括获取顶板岩层的底板标高h；当含水层的水位下降至预设水位值时，对工作面的涌水量进行分析的步骤，还包括：通过监测钻孔200获取含水层的水位变化数值，当含水层的水位下降至预设水位值时，可对含水层的涌水量进行分析操作；获取工作面400的煤层埋藏深度，计算采空区600重新压实范围为0.3h。
[0083]
进一步地，步骤s100还包括获取顶板含隔水层厚度m
i
、煤层10与顶板岩层的底板标高h
i
；当含水层的水位下降至预设水位值时，对含水层的预计涌水量进行分析的步骤包括：采用稳定流计算公式计算矿井预计涌水量，稳定流计算公式为：
[0084][0085]
其中，q
预
为预计涌水量，k为渗透系数，h0为自然水位至含水层底板的距离，h0′
为水文监测钻孔获取的含水层水位标高与含水层底板标高的差值，r0为引用影响半径，r0为引用半径
[0086]
具体地，在上述实施例中，引用半径r0的计算公式为：
[0087][0088]
其中，其中h为工作面400煤层的埋深，l为工作面400斜长。
[0089]
具体地，引用影响半径r0的计算公式为：
[0090][0091]
其中，l0为水位降深。
[0092]
具体地，步骤s100还包括：获取导水裂缝100带的预计高度l1和隔水层的厚度l2并进行判断，若l1>l2，则判断充水危险性大于预设危险性；若l1<l2则判断充水危险性小于预设危险性。应用本实施例的矿井突涌水预警分析方法的第三阶段时，可开展工作面的充水危险性分析：
[0093]
第一步、计算开采对上覆含水层的影响：具体为，按照导水裂缝带100的预计高度、煤层顶板与含水层之间的隔水层厚度，计算两者的差值，当导水裂缝带高度大于煤层顶板与含水层之间的隔水层厚度，则具有充水危险性，反之充水危险性较小，计算并绘制出工作面的开采影响程度等值线图；具体地，在本实施例中，可以将各个钻孔的两者差值输入到arcgis软件中，绘制出工作面的开采影响程度等值线图；
[0094]
第二步、分析含水层富水特性：具体为，根据含水层单位涌水量q，绘制含水层富水性等值线图；具体地，可以采用arcgis软件，绘制含水层富水性等值线图；
[0095]
第三步、分析工作面充水危险性：具体为，将开采影响程度等值线图和富水性等值线图进行叠加，获取工作面充水危险性图；具体地，可以采用arcgis软件中的叠加功能，以将开采影响程度等值线图和富水性等值线图进行叠加，获取工作面充水危险性图。
[0096]
应用本实施例的矿井突涌水预警分析方法的第四阶段时，可开展工作面400的充水危险性分析：
[0097]
第一步、监测含水层水位变化：具体为，通过地面水位监测钻孔200监测含水层水
位变化，当含水层水位下降为预设水位值时，可以开展工作面涌水量分析工作；
[0098]
第二步、确定工作面采动影响范围：具体为，统计首采工作面煤层埋深，确定首采工作面回采过程中采空区重新压实范围。根据矿山压力岩层移动经验，如图4所示，确定埋深的0.3倍为采空区重新压实范围；
[0099]
第三步、预计工作面涌水量：具体为，可按照“大井法”，结合周边钻孔获取的含水层水位监测数据，针对出现水位变化的含水层，分析前后水位变化情况，采用承压转无压完整井的稳定流计算公式，预计工作面回采过程中矿井涌水量，具体地，稳定流计算公式为：
[0100][0101]
第四步、对比分析工作面涌水量、修正渗透系数和单位涌水量：具体为，通过地面水文长观孔进行监测含水层的变化，结合水位变化情况，分别制定相应的调整方案。
[0102]
进一步地，通过监测钻孔200获取含水层的水位变化数值，当含水层的水位下降至预设水位值时，可对工作面的涌水量进行分析操作的步骤之后，还包括步骤：获取工作面的涌水量数值，并与预计涌水量比对；
[0103]
当工作面仅第一含水层受采动扰动影响时，通过工作面监测获取的涌水量q
测均1
与q
预
之间的关系，对比分析两者之间的差值。观测工作面获取的最近10组观测数据的平均值q
测均1
，结合两者对比，以r
01
(第一含水层的引用影响半径)为影响半径，调整影响半径范围以内的水文孔参数，以k
01
为初始渗透系数为基数进行调整渗透系数，渗透系数的计算公式为：
[0104][0105]
k
01
＝k
01
′
[0106][0107]
其中，k
01
′
为修正后的渗透系数，q
测均1
为所获取工作面的涌水量，k
01
为初始渗透系数，q
01
′
为修正后的工作面涌水量数值，q
01
为初始工作面涌水量数值。
[0108]
具体地，当工作面同时受第一含水层、第二含水层受采动扰动影响时，工作面导水裂缝带波及到第二含水层时，修正工作面裂采比，将原有裂采比h
lie
修正为h
lie
′
，且h
lie
′
的计算公式为：
[0109][0110]
需要说明的是，在本实施例中，mm为煤层顶板距第一层含水层之间的距离，m
i
为上覆含隔水层厚度。m
2x
‑1(x为正整数，且x>1)为第2x
‑
1隔水层，m
2x
(x为正整数，且x>1)为第x含水层。
[0111]
通过工作面监测获取的涌水量q
测均
与q
预
(q
预1
q
预2
)之间的关系，对比分析两者之间的差值，观测工作面获取的最近10组观测数据的平均值q
测均
，结合两者对比，以k
01
和k
02
为初始渗透系数为基数进行调整渗透系数。考虑到k
01
在前期回采过程中已结合实测数据进行了
修改、调整，本次调整主要对k
02
进行调整，因此主要对比q
测均
‑
q
预1
和q
预2
之间的关系，以r
02
(第二含水层的引用影响半径)为影响半径，调整影响半径范围以内的水文孔参数，并修正k
02
，渗透系数的计算公式为：
[0112][0113]
k
02
＝k
02
′
[0114][0115]
其中，k
02
′
为修正后的渗透系数，q
测均
为所获取工作面的涌水量，k
02
为初始渗透系数，q
02
′
为修正后的工作面涌水量数值，q
02
为初始工作面涌水量数值。
[0116]
应用本实施例的矿井突涌水预警分析方法的第五阶段时，可实现动态调整工作面突涌水危险性：
[0117]
具体为，结合修正后的工作面涌水量q
01
′
、q
02
′
和工作面导水裂缝带高度运用arcgis软件，修正工作面上覆含水层富水性等值线图和工作面开采影响程度等值线图，运用arcgis的叠加功能，将开采影响等值线图和富水性等值线图进行叠加，获取修正后的工作面突涌水危险性等值线图。
[0118]
具体地，参阅图2所示，在本实施例中：
[0119]
h
h
＝mm m1 m2 m3 m4[0120]
在本实施例的矿井突涌水预警分析方法的步骤中，构建了工作面涌水量动
‑
静态监测预警算法，并且实现对工作面涌水量进行动态监测、对相关参数进行动态调整的功能，另外，通过对工作面含水层单位涌水量参数、导水裂缝带高度的调整，实现工作面充水危险性评价的动态调整，使用效果好。
[0121]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。