专利名称：奥灰水突出的监测预报方法
技术领域：
本发明属于煤矿水害范畴，具体地讲，涉及一种防治奥灰岩含水层突水的方法。
背景技术：
我国煤炭资源丰富，是能源组成的重要部分，然而我国灰岩岩溶分布广泛，随着浅部煤层的枯竭，开采强度的增加，矿井的深度不断延伸，来自煤层底部奥陶纪灰岩承压水(简称奥灰水)的危害日趋加剧，矿井突水事故时有发生。奥灰水突出是指煤矿采掘过程中，潜伏于煤层底板下面的奥陶纪灰岩岩溶承压水沿煤层底扳的裂隙带、构造带(断层、无炭柱)突然大量涌入采掘区域，淹没工作面、采区，甚至整个矿井，造成重大的经济损失和人员伤亡的重大自然灾害。因此，对奥灰岩含水层的突水研究已成为矿业工作者关注的问题，其中突水监测预报的研究是防治矿井突水的关键。
目前，国内外对奥灰水突出的监测预报方法，主要有1、用模式识别法和智能识别法，针对采掘空间的水文环境和条件，提出预测煤矿突水。是利用大量已开采过的煤矿的多种水文地质资料构成模式分类标准，用计算机对其突水与否进行判别。
2、用概率指数法预测底板突水，它是用加权的方法，将影响底板突水的各种因素在底板突水中所起的作用进行定量化，通过数学模型求得总体量化指标即为概率标准，其大小可作为突水与否的标准。
3、利用GIS技术，在分折矿区工程地质、水文地质、突水资料的基础上，建立能够反映多因素综合作用的突水模式，通过计算、分析，获得信息，以图形表格形式表示矿井突水预测结果。
4、利用专家系统建立煤层底板突水预测模型，由专家的知识、推理，来寻求底板突水的可能性。
5、利用应力应变和水压传感器及计算机，把突水前兆转变为地质信息，分析水情变化，实现对底板突水进行动态实时预报。
奥灰水突出的预测、预报是防治奥灰水突出最主要的手段，从工程角度讲，一个适用的奥灰突水监测技术必须具备两个条件，一是在空间上具备区域性，即用少量的几个观测点，就可以准确监测较大范围内奥灰水的动态变化。二是在预报的时间上具备实时性，即可以提前几天，最少提前几个小时对突水作出预报。只有满足以上两条，才有防灾避灾的可能，才有其实用性。上述国内外对奥灰水突出的预测预报系统，均不能满足上述要求，因而在生产实践中很少得到使用，致使矿井突水事故频繁发生，而无较理想的防治奥灰水突出的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种奥灰水突出的监测预报的新方法，该方法不仅能准确地监测较大范围内奥灰水的动态变化，而且可提前几天，最少可提前几个小时，对突水地点作出准确预报，实现在空间上具备区域性、在时间上具备实时性的突水监测预报，从而科学有效地防止矿井突水灾害。
为达到上述目的，本发明采取一种奥灰水突出的监测预报的方法，其预报原理如下现有研究发现，在石炭二迭纪煤系地层的奥陶纪灰岩含水层之上的煤层底板中，普遍存在若干个小的含水层，该含水层分布均匀、范围广，在一般情况下是各自独立的水系。只有原生导水构造或采动活化引起的次生构造使各含水层连通，形成渗透通道时，才会发生水力联系，进而引发突水事故。基于上述地质现象的发现，由于奥灰水突出时，首先要经过渗透通道流入其上覆含水层，如果上覆含水层的某一层或几层的渗透性较好，水压的反映速度较快，也即此含水层水位的变化能够很好地反映它与奥灰水的连通程度，那么此含水层就可以作为监测层，即在此含水层中根据现场情况布置监测网，通过监测网中各点水压的变化幅度来反演突水区域，进而计算突水点的位置，尽早做出突水预报。
一种奥灰水突出的监测预报方法，其步骤如下(1)在石炭二迭纪煤系地层的奥陶纪灰岩含水层之上的煤层底板中，找出至少一个小的含水层作为监测层；(2)在监测层中布设水位监测孔，形成监测网；(3)确定监测孔的位置后，钻孔至监测层，下套管，在孔口处安装水位传感器、压力表以及数据采集系统，通过电缆与地面计算机连接；(4)根据数据采集系统对各个监测孔中水位的变化数据，运用突水监测预报软件进行计算分析，则可获得监测区域水位的分布图和突水预报结果。
所述的监测层，是在一个区域内存在，厚度不大的小含水层，具有良好的渗透能力和稳定的水力学参数。
所述的监测网中的监测孔均匀布置，监测孔的合理间距Lc＝hTm/Tf式中Lc是监测孔的最大间距，Tm是监测层的导水系数，Tf.是导水构造的导水系数，h是监测层到煤层底板的距离。
所述的突水监测预报软件是依据含水层渗流力学控制方程，将每一观测时刻获得的各监测层中监测孔实测水位，作为目标函数，采用有限元方法对含水层渗流力学控制方程离散，并结合含水层水位的反演分析，编制的计算机软件。
本发明由于利用在石炭二迭纪煤系地层的奥陶纪灰岩含水层之上、煤层底板之下的含水层，作为奥灰水突出的监测层，当奥灰水因原生构造或人为原因，与监测层发生水力联系时，由于流体的不可压缩性、连续性、敏感性，监测孔中的水位就会迅速随着水力联系的加强发生动态变化。根据各监测孔中的水位变化，与奥灰水位对比分析，就能迅速准确实时预报奥灰水突出的地点及时间。及时采取防灾措施或避灾措施，就能防止人员和财产的损失。本发明克服了现有技术在矿井突水监测预报实施上存在的盲目性，采取了一种在空间上具备区域性、在时间上具备实时性的突水监测预报新技术，它具有深厚的理论价值和广泛的实用价值。
下面将通过实施例并结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是导水构造(断层)形成的底板多含水层水力联系示意图；图2是导水无炭柱形成的底板多含水层水力联系示意图；图3是煤层采动裂缝寻高带及破碎区形成的底板多含水层水力联系示意图；图4是监测孔合理布置示意图；图5是监测系统示意图。
具体实施例方式为了进一步说明本发明的技术方案，首先结合附图1、2、3详细叙述奥灰水突出的区域性预报原理。根据奥灰水突出的孕育过程，分以下三种情况加以叙述。
1、构造(断层)带、无炭柱原生导水时的情况(参看图1、2)
图中1表示煤层，2表示构造带，3表示靠近煤层的小含水层，4表示靠近奥灰水层的小含水层，5表示奥灰水层，6表示监测孔，7表示无炭柱。
实际上小含水层3和小含水层4通过原生导水构造带2或无炭柱7，始终与奥灰岩溶含水层5沟通。其沟通情况取决于原生导水构造的导水性。若导水性很好，则小含水层3和小含水层4与奥灰岩溶含水层5几乎成了一个水系，其静态水头相差无几。这种情况下，最靠近煤层1的小含水层3对煤矿采掘的威胁最大，就不能按照常规仅考虑奥灰水的突出，而重点考虑含水层3。当原生导水构造导水性较差，小含水层3和小含水层4就形成了以导水构造为补给点的最高水位分布。这两种情况下，只要在小含水层3和小含水层4中布置适当的水位监测孔6，实时观察各监测孔的水位及其变化，将各监测孔实测水头输入小含水层3和小含水层4的渗流控制方程，通过反演分析，即可确定小含水层3和小含水层4的水力分布规律，找到多含水层的水力联系点，即导水构造的确切位置。并可掌握导水构造的补水特征，进而通过导水构造的控制方程，反演出导水构造中水的渗流规律和导水能力。通过在煤层中对应的导水构造区域内留设防水煤柱或其他防灾措施，从而确保构造不会导致奥灰水突出。
2、构造(断层)带、无炭柱原生不导水，由于采动活化而导水的情况(参看图1、2)首先构造活化是一个缓变过程，一般来说奥灰水沿活化的导水构造向上涌出，由于小含水层3、4的储水能力强，导水性好，奥灰水首先进入靠近奥灰岩含水层5的小含水层4，形成以导水构造为补给水源，当含水层4中的水力梯度高到足以克服导水构造阻力时，奥灰水5同时也向小含水层3补给，当含水层3中的水力梯度高到足以克服导水构造阻力时，若煤层已被开采，则奥灰水逐渐向采掘空间渗出，水的渗出过程不断冲刷构造带2的填充物，而导致失稳产生大系统的活化，进而淹没采掘空间，甚至矿井。若煤层未采掘，或导水构造由防水煤柱保护，则不会发生突水事故。
3、采动和奥灰水复合作用的情况(参见附图3)实际上产生的裂缝导水带由两部分组成，第一部分是因采动而产生的底板破碎区8、裂隙区9，已有较多的研究，可以计算。另一部分是奥灰水5渗流使裂隙导高带上升，最终使开采引起的底板破碎区8、裂隙区9与奥灰水5引起的裂隙导高带连通，进而形成新的裂隙突水通道。这种通道的产生是相当缓慢的，首先要经历奥灰水通过裂隙缓慢补给含水层4，进而补给含水层3，最后沿通道涌出，形成突水事故。
从上述过程得到启示，如果在奥灰岩之上的含水层中，布设一些钻孔，并实时监测钻孔水位变化，就可以提前预知突水事件及其可能突水的确切位置，从而使我们可从容应对，在突水通道上方留设大的安全的防水煤柱，甚至有些工作面都可以不开采。另外，由于含水层水位变化的敏感性和区域性，可以使我们通过较少的监测钻孔，实时的预报突水及其具体位置，从而实现区域性与实时性的突水预报新技术。
根据上述奥灰水突出的预报原理，以下给出一个具体实施方案。
如图4、5所示，一种奥灰水突出的监测预报方法，其步骤是(1)在石炭二迭纪煤系地层的奥陶纪灰岩含水层5之上的煤层1底板中，找出小含水层3、小含水层4，作为监测层；(2)在监测层中布设水位监测孔6，形成监测网；(3)确定监测孔的位置后，钻孔至监测层，下套管10，在孔口处安装水位传感器11、压力表12以及数据采集系统13，通过电缆与井下或地面计算机14连接；(4)根据数据采集系统13对各个监测孔6中水位的变化数据，运用突水监测预报软件进行计算分析，则可获得监测区域水位的分布图和突水预报结果。
所述的监测层，是在一个区域内存在厚度不大的小含水层，具有良好的渗透能力和稳定的水力学参数。
所述的监测网中的监测孔6均匀布置，监测孔的合理间距按公式Lc＝hTm/Tf计算，式中Lc是监测孔的最大间距，Tm是监测层的导水系数，Tf.是导水构造的导水系数，h是监测层到煤层底板的距离。
权利要求
1.一种奥灰水突出的监测预报方法，其特征在于所述的步骤是(1)在石炭二迭纪煤系地层的奥陶纪灰岩含水层(5)之上的煤层(1)底板中，找出至少一个小的含水层作为监测层；(2)在监测层中布设水位监测孔(6)，形成监测网；(3)确定监测孔的位置后，钻孔至监测层，下套管(10)，在孔口处安装水位传感器(11)、压力表(12)以及数据采集系统(13)，通过电缆与井下或地面计算机(14)连接；(4)根据数据采集系统对各个监测孔中水位的变化数据，运用突水监测预报软件进行计算分析，则可获得监测区域水位的分布图和突水预报结果。
2.按照权利要求1所述的奥灰水突出的监测预报方法，其特征在于所述的监测层，是在一个区域内存在厚度不大的小含水层，具有良好的渗透能力，稳定的水力学参数。
3.按照权利要求1所述的奥灰水突出的监测预报方法，其特征在于所述的监测网中的监测孔(6)均匀布置，监测孔的合理间距按公式Lc＝hTm/Tf计算，式中Lc是监测孔的最大间距，Tm是监测层的导水系数，Tf.是导水构造的导水系数，h是监测层到煤层底板的距离。
全文摘要
奥灰水突出的监测预报方法，涉及一种防治矿井突水事故的范畴。采取了在空间上具备区域性、在时间上具备实时性的突水监测预报新技术，尽早对突水地点作出准确预报，科学有效地防止矿井突水事故。本发明的监测预报方法的步骤是在石炭二迭纪煤系地层的奥灰水之上的煤层底板中，找出至少一个小的含水层作为监测层；在监测层中布设水位监测孔形成监测网；确定监测孔的位置后，钻孔至监测层，下套管，在孔口处安装水位传感器、压力表以及数据采集系统，通过电缆与井下或地面计算机连接；根据监测数据运用软件进行计算分析，获得监测区域水位的分布图和突水预报结果。它具有深厚的理论价值和广泛的实用价值。
文档编号E21F17/00GK1472422SQ0317833
公开日2004年2月4日 申请日期2003年7月10日 优先权日2003年7月10日
发明者赵阳升, 胡耀青, 杨栋, 段康廉, 梁卫国 申请人:太原理工大学