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法律状态
2018-06-12
授权
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2016-11-16
实质审查的生效 IPC(主分类):E21C41/18 申请日:20160518
实质审查的生效
2016-10-19
公开
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【技术领域】
本发明涉及一种煤矿开采防治水方法，尤其涉及基于地下水流速流向测定的煤矿开采防治水方法。
【背景技术】
我国煤炭开采普遍受水害威胁，目前水害是仅次于瓦斯灾害的第二大灾害。水害严重的煤矿，水害常常会造成人员伤亡和数额巨大的经济损失。因此，煤矿开采工程必须开展水害防治工作。目前，水害防治的总体方法步骤是首先采用钻探和物探在矿区整体上进行一次抽样式的区域勘探，然后在区域勘探的成果上设计煤炭开采的工作面，在设计好的工作面进行进一步的详细探查，最后依据详细探查的结果开展采煤工作面水害防治工作。其中主要的存在问题有：
1)区域探查工作的钻探部分，不能每个钻孔都进行水文试验，因此获取的区域水文信息十分匮乏，往往不足以指导下一步的工作面设计。而进一步大量的钻探工作在经济上是不可取的。
2)区域探查工作的物探部分，虽然可以控制面积广但是精度低，无法定量获取水文信息，只能探查出疑似区，往往存在遗漏等问题。
3)煤矿工作面设计由于前期区域探查工作的不确定性，往往难以合理设计工作面来达到区域防治水害的目的，使得最后一步的防治水工作十分被动。
4)采煤工作面的水害防治工作，受制于前面探查成果精度问题，往往投入费用巨大的防治水经费，也不能保证水害的不发生。
【发明内容】
本发明为了解决上述问题，提供一种基于地下水流速流向测定的煤矿开采防治水方法。
一种基于地下水流速流向测定的煤矿开采防治水方法，包括以下步骤：
(1)在进行既定的煤田勘探过程中，测定每个钻孔的大地坐标和孔口标高，钻孔至目标含水层后，对每个钻孔中目标含水层进行静水位标高测量，然后获取含水层的厚度和水头高度；
(2)测定每个钻孔中目标含水层的流速和流向，根据所有钻孔目标含水层的流向确定含水层的分水岭；
(3)根据步骤(2)的结果获取每个钻孔目标含水层的水力坡度，根据该水力坡度确定每个钻孔目标含水层的渗透系数，所述钻孔目标含水层的渗透系数为流速与水力坡度的比值；
(4)确定矿区内目标含水层的富水区，先开采非富水区煤炭资源，再开采富水区煤炭资源。
以对采煤有威胁的主要含水层作为目标含水层，钻孔时，首先施工至目标含水层底板深度，等流速流向测定完之后，再继续钻进至煤层底板，并记录煤层底板标高。
测定流速流向前，首先对钻孔进行洗井，使目标含水层在钻孔内正常流动，然后在钻孔的不同深度采集照片，以不同深度中颗粒运动方向最一致的测定结果的平均值作为该钻孔的流速和流向。
在测量深度的测定结果中，剔除掉离群值，所述离群值指：与每个钻孔选定的测定结果的平均值相差10％以上。
测定流速和流向的过程中，若发现目标含水层中杂质较多，则采用5％～20％的硫酸铝为絮凝剂，投入钻孔。
所述步骤(2)中分水岭的确定方法为：将勘探网上两个相邻的钻孔测定的流向结果的流向反向延长线夹角大于等于90°的两个钻孔找出其中点，然后顺次圆滑连接找出的各中点，连接线即为分水岭；以分水岭、矿区边界线和自然排泄或补给边界来划分矿区的水文地质亚单元。
所述每个钻孔目标含水层的水力坡度的确定方法为：首先找出每个钻孔的目标含水层流向投影上距离该钻孔最近的另一个钻孔作为对孔，若投影方向上无其他钻孔，则选取同一水文地质亚单元中距离最近的钻孔作为对孔，该钻孔和对孔水位标高差的绝对值与对孔之间平面距离的比值即为水力坡度。
所述富水区和非富水区的确定方法为：依据每个水文地质亚单元内的钻孔坐标和渗透系数画出矿区目标含水层渗透系数的等值线图，以既定的等值线10-4cm/s为界，大于等于该值的区域为富水区，小于的为非富水区。
所述非富水区的开采方法为：进行既定的物探工程圈出采煤工作面上及周边的富水异常区，针对富水异常区采用钻探工程对目标含水层进行探放，然后开采该区煤炭；在富水区上游的非富水区探放时对富水区方向无论是否有富水异常均实施探放水钻孔进行放水。
所述富水区的开采方法为：进行既定的物探工程圈出采煤工作面上及周边的富水异常区，针对富水异常区和渗透系数K大于等于10-3cm/s的区域均进行钻探放水，配备的潜水泵的排水能力Q根据以下计算：
(1)如果含水层为潜水含水层，则根据以下公式计算排水能力：
(2)如果含水层为承压转潜水，则根据以下公式计算排水能力：
(3)如果含水层为承压含水层，则根据以下公式计算排水能力：
其中，Kmax为采煤工作面上各钻孔目标含水层渗透系数的最大值，S为煤层开采该含水层水位的降深，R为引用影响半径，r为引用半径，r＝η×(a+b)/4，a、b 为采煤工作面的长与宽，η为形状系数，h0为剩余水头高度，H为目标含水层的水头高度，M为目标含水层厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明方法在开采过程中，首先测定每个钻孔目标含水层的流速和流向，然后以该流速和流向确定分水岭，水力坡度、渗透系数等，采用流速留向测定的水文参数密度大、更准确，能够指导每个采煤工作面的矿井涌水量预测。
【附图说明】
图1是本发明的流程图。
【具体实施方式】
如图1所示，一种基于地下水流速流向测定的煤矿开采防治水方法，包括下述步骤：
步骤一：进行既定的煤田勘探工程。煤田勘探工程为1000m×1000m勘探网格布置或更密，每个钻孔的孔口利用全站仪、GPS等仪器测定每个钻孔大地坐标和孔口标高。依据矿区普查时的水文地质资料，确定对采煤有威胁的主要含水层，设为目标含水层，钻孔首先施工至目标含水层底板的深度，若目标含水层上面有其他含水层，下套管止水。
步骤二：对每个钻孔中目标含水层进行静水位标高测量。同时，依据钻孔柱状图获取含水层厚度M和目标含水层的水头高度H。
步骤三：对每个钻孔中目标含水层进行流速流向测定。在观测前，对钻孔进行洗井，使得目标含水层在钻孔内正常流动。采用现有的对地下含水层中大量随地下水运动的胶质颗粒进行放大拍照，并辅以磁通阀门罗盘进行定方位，将大量含水层中颗粒运动信息进行统计，进而确定目标含水层的流速和流向。其具体操作方法是将拍照探头首先放至目标含水层底部进行一次测定，然后每次提升目标含水层8-12％厚度，优选的采用10％厚度的高度进行一次测定(若目标含水层厚度不大于10m则每次提升1m直至距离含水层液面小于1m)，从上述不同深度的测量结果中选出颗粒运动方向最为一致的测定结果，记录该次每个颗粒的运动方向(正北为0°， 测定值为0°～360°)和速度(依据颗粒运动轨迹获得)，将该深度的测定结果中的离群值剔除(与每个钻孔选定的测定结果中的所有的统计值的平均值相差10％以上定为离群值)，剔除后的测定结果统计值的平均值作为目标含水层的流速和流向。另外，若目标含水层中杂质较多影响观测，采用浓度为5％～20％的硫酸铝为絮凝剂，投入钻孔，从而方便观测。观测完成后，既定的煤田勘探钻孔继续钻进至煤层底板，并记录煤层底板标高。
步骤四：依据所有钻孔目标含水层的流向测定结果来找出地下含水层的分水岭。其方法是将勘探网上两个相邻的钻孔测定的流向结果的流向反向延长线夹角大于等于90°的两个钻孔找出其中点，然后顺次圆滑连接找出的各中点，连接线即为分水岭。以分水岭、矿区边界线和自然排泄或补给边界(通过野外探勘获取自然排泄或补给边界)来划分矿区的水文地质亚单元。
步骤五：获取每个钻孔目标含水层的水力坡度I。获取方法：首先找出每个钻孔的目标含水层流向投影上距离该钻孔最近的另一个钻孔作为对孔，若投影方向上无其他钻孔，则选取同一水文地质亚单元中距离最近的钻孔作为对孔。该钻孔和对孔水位标高差的绝对值与对孔之间平面距离(通过对孔的坐标求取平面距离)的比值即为水力坡度I。
步骤六：获取每个钻孔目标含水层的渗透系数K。在每个水文地质亚单元内，流速V比上水力坡度I即为钻孔目标含水层的渗透系数K。
步骤七：找出矿区内目标含水层的富水区。依据每个水文地质亚单元内的钻孔坐标和渗透系数K画出矿区目标含水层渗透系数K的等值线图，以既定的等值线10-4cm/s为界，大于等于该值的区域为富水区，小于的为非富水区，优选采用surfer软件进行确定。
步骤八：先开采矿区的非富水区煤炭资源。其开采防治水方法为进行既定的物探工程圈出采煤工作面上及周边的富水异常区，针对富水异常区采用钻探工程对目标含水层进行探放，然后开采该区煤炭。另外，在富水区上游的非富水区探放时对富水区方向无论是否有富水异常均 实施探放水钻孔进行放水。
步骤九：在非富水区煤炭开采后，进行富水区煤炭开采。其开采防治水方法为进行既定的物探工程圈出采煤工作面上及周边的富水异常区，针对富水异常区和渗透系数K大于等于10-3cm/s的区域均进行钻探放水。另外，配备一组潜水泵，其排水能力应为Q，其计算方法若是潜水含水层用既定公式(1)、承压转潜水用既定公式(2)和承压含水层既定公式(3)。
其中，Kmax为采煤工作面上各钻孔目标含水层渗透系数的最大值；S为煤层开采该含水层水位的降深，通过煤层开采后水位实测获取。R为引用影响半径，r为引用半径，r＝η×(a+b)/4，其中a、b为采煤工作面的长与宽，η为形状系数，一般取1.12。h0为剩余水头高度，通过煤层开采后水位实测获取。
步骤十：在上述区域探查和工作面探放的基础上，合理选用井下排水泵，伴随煤炭开采的过程，涌出的水能够被水泵及时排放，未发生突水灾害，实现煤炭安全高效开采。
运行原理：
以往的既定煤田勘探工程中水文钻孔十分稀少，因此获取的水文信息十分匮乏，无法在大区域上指导煤炭开采防治水工程。对钻孔中目标含水层流速流向的测定简单易实施，每个钻孔更是获取了目标含水层的流速和流向这种常规勘探所不能获取的动态信息(其中流速和流向依据现有的技术获取，即对水中颗粒快速摄像，依据摄像中颗粒运动的轨迹来确定流向，运动轨迹与时间的商为流速，因为水体中的颗粒运动主要受地下水流动控制，但还有其他因素影响， 因此采用大量的观测的平均值作为流速和流向的测定结果)，获取的动态信息很好的划分了水文地质亚单元，这样防止水文地质信息成图时本来无水力联系的区域混为一体，使得水文信息不准确。由于地下含水层是不均质的，现行的用来预测工作面涌水量的水文参数多是少量数据推算而来的，不够准确，采用流速留向测定的水文参数密度大、更准确，能够指导每个采煤工作面的矿井涌水量预测。另外，常规的物探工程存在一定的误差，使得漏掉富水区，因此结合水文参数划分的结果，可以减少误差率，减少矿井突涌水事故。
本发明方法简单易实施、无额外的大量工程，节约时间和成本；在区域勘探阶段就有针对性的防治水害，使得防治工作主动；大大减少水害的发生，保障人身生命安全和降低经济损失；工作面具体防治水工作有针对性，减少了工作量和工作时间。
应用实例：
某矿开采2-2号煤，该煤层上面有一个第四系含水层威胁煤炭开采，采用以下步骤实施基于地下水流速流向测定的防治水工程的煤炭开采：
步骤一：进行既定的煤田勘探工程。煤田勘探工程为1000m×1000m勘探网格布置，每个钻孔的孔口利用全站仪、GPS等仪器测定每个钻孔大地坐标和孔口标高，其中几个钻孔大地坐标和孔口标高如下表。依据矿区普查时的水文地质资料，第四系松散含水层确定对采煤有威胁的主要含水层，设为目标含水层，钻孔首先施工至目标含水层底板的深度，为5～40m，第四系含水层上没有其他含水层，不需要下套管止水。
步骤二：对每个钻孔中目标含水层进行静水位标高测量。同时，依据钻孔柱状图获取含水层厚度M，为5～40m和目标含水层的水头高度H为3.5～37.2m。
步骤三：对每个钻孔中目标含水层进行流速流向测定。在观测前，对钻孔进行洗井，使得目标含水层在钻孔内正常流动。采用现有的对地下含水层中大量随地下水运动的胶质颗粒进行放大拍照，并辅以磁通阀门罗盘进行定方位，将大量含水层中颗粒运动信息进行统计，进而确定目标含水层的流速和流向。其具体操作方法是将拍照探头首先放至目标含水层底部进行一次测定，然后每次提升目标含水层10％厚度的高度进行一次测定(其中4个钻孔的目标含水层厚度不大于10m，每次提升1m，直至距离含水层液面小于1m)，从上述不同深度的测量结果中选出颗粒运动方向最为一致的测定结果，记录该次每个颗粒的运动方向(正北为0°，测定值为0°～360°)和速度(依据颗粒运动轨迹获得)，将该深度的测定结果中的离群值剔除(每个钻孔剔除离群值13～129个)，剔除后的测定结果的平均值作为目标含水层的流速和流向，其结果如下表。另外，若目标含水层中杂质较多影响观测，采用浓度为5％～20％的硫酸铝为絮凝剂，投入钻孔，从而方便观测。观测完成后，既定的煤田勘探钻孔继续钻进至煤层底板，并记录煤层底板标高。
步骤四：依据所有钻孔目标含水层的流向测定结果来找出地下含水层的分水岭。其方法是将勘探网上两个相邻的钻孔测定的流向结果的流向反向延长线夹角大于等于90°的两个钻孔找出其中点，然后顺次圆滑连接找出的各中点，连接线即为分水岭。以分水岭、矿区边界线和自然排泄或补给边界(通过野外探勘获取自然排泄或补给边界)来划分矿区的水文地质亚单元，本次共划分出3个水文地质亚单元。
步骤五：获取每个钻孔目标含水层的水力坡度I。获取方法：首先找出每个钻孔的目标含水层流向投影上距离该钻孔最近的另一个钻孔作为对孔，若投影方向上无其他钻孔，则选取同一水文地质亚单元中距离最近的钻孔作为对孔。该钻孔和对孔水位标高差的绝对值与对孔之间平面距离(通过对孔的坐标求取平面距离)的比值即为水力坡度I，本次工程水力坡度为0.006～0.035。
步骤六：获取每个钻孔目标含水层的渗透系数K。在每个水文地质亚单元内，流速V比上水力坡度I即为钻孔目标含水层的渗透系数K为5.3×10-2～8.1×10-6cm/s。
步骤七：找出矿区内目标含水层的富水区。采用surfer软件，依据每个水文地质亚单元内的钻孔坐标和渗透系数K画出矿区目标含水层渗透系数K的等值线图。以既定的等值线10-4cm/s为界，大于等于该值的区域为富水区，小于的为非富水区。
步骤八：先开采矿区的非富水区煤炭资源。其开采防治水方法为进行既定的物探工程圈出采煤工作面上及周边的富水异常区，针对富水异常区采用钻探工程对目标含水层进行探放，然后开采该区煤炭。另外，在富水区上游的非富水区探放时对富水区方向无论是否有富水异常均实施探放水钻孔进行放水。
步骤九：在非富水区煤炭开采后，进行富水区煤炭开采。其开采防治水方法为进行既定的物探工程圈出采煤工作面上及周边的富水异常区，针对富水异常区和渗透系数K大于等于10-3cm/s的区域均进行钻探放水。另外，配备一组潜水泵，其排水能力Q为88.3～221m3/h，其计算方法若是潜水含水层用既定公式(1)。
其中，Kmax为采煤工作面上各钻孔目标含水层渗透系数的最大值；S为煤层开采该含水层水位的降深，通过煤层开采后水位实测获取。R为引用影响半径，r为引用半径，r＝η×(a+b)/4，其中a、b为采煤工作面的长与宽，η为形状系数，一般取1.12。h0为剩余水头高度，通过煤层开采后水位实测获取。
步骤十：在上述区域探查和工作面探放的基础上，合理选用井下排水泵实现煤炭安全高效开采，未发生突水灾害。
机译： 贯穿深井的地下水水流速度及流向及生物学参数的测量装置及方法
机译： 贯穿深孔的地下水流速度及流向和地质参数的测量装置及方法
机译： 地下水流向和流速的测量方法及装置
