一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法及装置与流程

本发明涉及矿井涌水量预测领域，尤其涉及一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法及装置。

背景技术：

华北型煤田岩溶水系统模式及其岩溶水动力学特征，决定了其煤(采煤)、水(岩溶水)关系的基本格局。单斜顺置型及向斜—盆地型岩溶水系统之上的矿井(工作面)，多位于岩溶水系统集中排泄区—泉群出露河床标高之下，属径流承压或滞留承压区，岩溶水动力特征决定其涌水危险性或概率通常高于其它系统模式，与单斜逆置型岩溶水系统比较尤为明显。大量岩溶水害案例表明，奥陶系和煤系共同发育的张性断层、裂隙带及岩溶陷落柱，其煤系层段是岩溶水弹性释放的主要途径或通道，因此认识奥陶系岩溶发育与岩溶水赋存规律，在承压岩溶水释放或涌入矿井时，预测其流量(强度)及延续时间的累积水量，具有重要现实意义。

目前对于奥陶系岩溶发育与岩溶水赋存规律、岩溶水系统发育规律与发育史、岩溶水系统动力学特征以及与之密切相关的承压岩溶水释放或涌出机理等北方岩溶水诸方面认识的局限，因此，对承压岩溶水一旦释放或涌入矿井，其流量(强度)及延续时间的累积水量预测的研究少有涉及或严重滞后。设防或防止水措施抑或事故应急处理，往往只能经验使然，不可避免地存在盲目性。

技术实现要素：

本发明实施例为克服上述技术缺陷，提供一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法及装置。

第一方面，本发明实施例提供一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法，包括：

获取非稳定流井定降深井流数据，根据所述非稳定流井定降深井流数据得到自流井流量；

获取概化自流井灰岩段半径和自流井定降深，根据所述自流井流量、所述概化自流井灰岩段半径和所述自流井定降深，得到涌水流量；

根据所述涌水流量，获取预设时间段内的累积涌水量。

第二方面，本发明实施例提供一种华北型煤田矿井岩溶水量预测装置，包括：

获取模块，用于获取非稳定流井定降深井流数据，根据所述非稳定流井定降深井流数据得到自流井流量；

预测模块，用于获取概化自流井灰岩段半径和自流井定降深，根据所述自流井流量、所述概化自流井灰岩段半径和所述自流井定降深，得到涌水流量；

累积模块，用于根据所述涌水流量，获取预设时间段内的累积涌水量。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如第一方面所述的一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法。

本发明实施例提供的一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法及装置，从奥陶系岩溶水系统的形成，岩溶水系统模式，岩溶水赋存及其动力学等特征方面入手，基于承压岩溶水弹性释放及非稳定流理论的矿井承压岩溶水涌水预测，着眼于涌水概率最大或有着最多涌水案例的张性断层、裂隙带及陷落柱，得到涌水的流量及某时间段的涌水总量，突破了岩溶涌水难以预测的禁锢，促进矿井岩溶水防治更科学、主动和有效。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的岩溶水涌水通道示意图；

图3为本发明实施例提供的工作面释水通道示意图；

图4为本发明实施例提供的无越流补给承压含水层定降深井流流量函数和无量纲时间关系曲线图；

图5为本发明实施例提供的涌水量与岩溶含水层水文地质参数关系曲线图；

图6为本发明实施例提供的涌水量定积分计算示意图；

图7为本发明实施例提供的一种华北型煤田矿井岩溶水量预测装置的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

图1为本发明实施例提供的一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法的流程示意图，如图1所示，包括：

步骤11，获取非稳定流井定降深井流数据，根据所述非稳定流井定降深井流数据得到自流井流量；

步骤12，获取概化自流井灰岩段半径和自流井定降深，根据所述自流井流量、所述概化自流井灰岩段半径和所述自流井定降深，得到涌水流量；

步骤13，根据所述涌水流量，获取预设时间段内的累积涌水量。

岩溶水径流带所控制的岩溶水网络系统，使得岩溶水赋存、分布在空间上极不均匀，这与构造对岩溶发育规律的控制相一致。因此，在构造不发育或发育简单、灰岩相对完整的区段(块)，岩溶不发育，岩溶水贫乏甚至为无水区。这些区段(块)之上的矿井(工作面)，也就无水可涌，无突水危险性可言。构造发育区段(块)，岩溶相对发育，岩溶水相对富集，往往构成岩溶水网络的一脉或局部，采掘工程一旦揭露其延展于煤系地层中的形迹要素，往往引发岩溶水弹性释放，例如定降深承压水流，形成矿井涌水。

由岩溶水系统模式及岩溶水动力学特征不难看出，岩溶水弹性释放是承压滞留区矿井岩溶水涌出的本质特征。

大量岩溶水害案例表明，奥陶系和煤系共同发育的张性断层、裂隙带及岩溶陷落柱，其煤系层段是岩溶水弹性释放的主要途径或通道。

图2为本发明实施例提供的岩溶水涌水通道示意图，如图2所示，f2、f3断层因未一并切割奥陶系和煤系，采掘工程中不易或不能引发岩溶水弹性释放；f4断层虽发育于煤系和奥陶系中，但因其压扭性，断层带岩性致密，通常岩溶不发育，不能构成岩溶水网络系统的有效组成，因此也难以引发岩溶水弹性释放；唯有f1断层，其断层带张性裂隙发育，在灰岩中往往形成岩溶发育带和富水带，是岩溶水网络系统的重要组成部分，其煤系层段也往往具有相对好的含水性，构成岩溶水弹性释放涌入矿井的通道(天然状态下，往往是岩溶水系统与煤系砂岩地下水系统水力联系的通道)。这种连接岩溶水网络系统与采空区，具有透水空隙的断层、裂隙带及陷落柱，称为岩溶水弹性释放或涌水通道。

采掘工程揭露岩溶水弹性释水通道，造成岩溶水涌出的方式大体可分为两种，一种是一触即发式，意指一经揭露即刻涌出。往往天然状态下，煤层顶板地下水系统与下伏岩溶地下水系统一通过上述通道保持着水力联系；另一种是滞后延迟式，通道在岩溶水顶托“压裂”及压差作用下，或逐渐开裂、或扩大，进而连通，引发岩溶水弹性释放。释水流量通常有小渐大，进而衰减直至断流。这一过程同样存在于一触即发式。这种在水压作用下，介质开裂、扩大、连通的原理与油气层水力压裂相似。根据水力压力学原理，只要有足够的压力液及使裂隙延伸的压力，裂隙就会沿阻力最小的方向发展；同时在水压裂扩容作用下，在主裂隙周围产生“翼”状次生裂隙，形成局部剪切贯穿裂隙带。采煤工作面的形成，改变了地层的应力平衡，形成承压岩溶水与煤层底板间的水头压差即水力梯度，张性断层、裂隙带所控制的岩溶水网络中的承压水，在水头压力作用下，对连接其与采空区的构造带施以类如水力压裂的揳劈作用，压裂裂隙逐渐扩大、连通，形成岩溶水弹性释放通道。显然，通道形成速度、规模与岩溶水承压水头，岩溶水与采空区间的水力梯度，构造带岩性结构及厚度有关。承压岩溶水弹性释放，流量往往随着通道的形成由小变大，水流由清变浊，而之后的由大变小，由浊变清，逐渐衰减，则是由于承压水头逐渐降低，岩溶水弹性释放逐渐减少所致。

张性断层、裂隙带及陷落柱的煤系层段是奥陶系岩溶水释放涌入矿井的主要通道。当采掘工程揭露与岩溶水裂隙网络系统相连的通道时，承压岩溶水通过压裂、揳劈等作用，疏通通道，进入矿井，岩溶水承压水头即刻降至接近煤层底板，岩溶水弹性释放形成定降深承压自涌水流，类如定降深承压自流井。

图3为本发明实施例提供的工作面释水通道示意图，如图3所示，工作面(采掘工程)揭露通道形式，在目前地震等勘探精度及采煤技术条件下，通常设计工作面所及断层规模较小(断距一般小于5米)。

承压岩溶水弹性释放涌入矿井，水头降至接近煤层底板，属定降深自涌承压水流，假定其满足非稳定流完整井定降深井流条件，则可用非稳定流定降深井流理论研究、预测承压岩溶水释放即涌水流量问题。在侧向无限延伸、均质各向同性含水层中，水头下降引起地下水从贮存量中释放是瞬时完成的。本发明实施例提供的方法，首先获取非稳定流井定降深井流数据，所述非稳定流井定降深井流数据具体包括：

自流井降深、自流井出水段半径、承压含水层导水系数、承压含水层水头扩散系数和自流井涌水时间。

得到非稳定流井定降深井流数据后，根据非稳定流井定降深井流数据得到自流井流量。

其次，获取概化自流井灰岩段半径和自流井定降深，基于承压含水层弹性释放的非稳定流理论，及其定降深井流方程，进行华北型煤田矿井承压岩溶水涌水流量预测。通常情况下，华北型煤田下伏奥陶系岩溶含水层可概化或理解为无限承压含水层。在已知岩溶水系统模式、矿井所处岩溶水系统位置，获取岩溶承压含水层水文地质参数、岩溶水承压水头(由煤层底板或揭露通道处算起)等数据及探获工作面将揭露通道空间展布特征情况下，将经突水危险性评价为危险区域的构造之线状过水断面和释水通道，概化成环状过水断面和释水通道，线状过水断面长度等效于承压自流井含水层段井壁周长，就可用非稳定流定降深承压水井流方程预测断层、裂隙带、陷落柱等线形构造可能引发的涌水流量及其动态变化，即根据自流井流量、概化自流井灰岩段半径和自流井定降深，得到涌水流量。最后，根据涌水流量，获取预设时间段内的累积涌水量，其中，可以通过定积分的方式，来获得某时间段的累积涌水量。

本发明实施例提供的一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法，从奥陶系岩溶水系统的形成，岩溶水系统模式，岩溶水赋存及其动力学等特征方面入手，基于承压岩溶水弹性释放及非稳定流理论的矿井承压岩溶水涌水预测，着眼于涌水概率最大或有着最多涌水案例的张性断层、裂隙带及陷落柱，得到涌水的流量及某时间段的涌水总量，突破了岩溶涌水难以预测的禁锢，促进矿井岩溶水防治更科学、主动和有效。

在上述实施例的基础上，所述根据所述非稳定流井定降深井流数据得到自流井流量，具体包括：

其中，q为所述自流井流量，t为所述承压含水层导水系数，sw为所述自流井降深，a为所述承压含水层水头扩散系数，t为所述自流井涌水时间，rw为所述自流井出水段半径。

所述概化自流井灰岩段半径具体为：

其中，r线为所述概化自流井灰岩段半径，l为过水断面长度。

所述根据所述自流井流量、所述概化自流井灰岩段半径和所述自流井定降深，得到涌水流量，具体包括：

其中，q涌为所述涌水流量，t为所述承压含水层导水系数，s定为所述自流井定降深，a为所述承压含水层水头扩散系数，t为所述自流井涌水时间，l为所述过水断面长度。

承压岩溶水弹性释放涌入矿井，水头降至接近煤层底板，属定降深自涌承压水流，假定其满足非稳定流完整井定降深井流条件，则可用非稳定流定降深井流理论研究、预测承压岩溶水释放即涌水流量问题。在侧向无限延伸、均质各向同性含水层中，水头下降引起地下水从贮存量中释放是瞬时完成的。据此，自流井流量可用下式描述，

式中：q-自流井流量，m³t^-1；

t--承压含水层导水系数，m²t^-1；

sw--自流井降深，m；

a--承压含水层水头扩散系数，m²t^-1；

t--自流井涌水时间，s；

rw--自流井出水段半径，m。

上式给出了承压自流井涌水量与涌水延续时间、含水层导水系数、贮水系数、压力传导系数、降深及释水段半径的函数关系。图4为本发明实施例提供的无越流补给承压含水层定降深井流流量函数和无量纲时间关系曲线图，如图4所示，在双对数坐标中，q-t曲线与g(λ)-λ曲线形状相同，可以看出，随着时间增加，流量随之减小。华北型煤田矿井承压岩溶水水文地质条件及涌水特征，符合上述规律，已在大量的矿井岩溶涌水案例中得到证明。

基于承压含水层弹性释放的非稳定流理论，及其定降深井流方程，为华北型煤田矿井承压岩溶水涌出流量及累积水量预测等提供了科学方法。

通常情况下，华北型煤田下伏奥陶系岩溶含水层可概化或理解为无限承压含水层。由上式可知，在已知岩溶水系统模式、矿井所处岩溶水系统位置，获取岩溶承压含水层水文地质参数、岩溶水承压水头(由煤层底板或揭露通道处算起)等数据及探获工作面将揭露通道空间展布特征情况下，将经突水危险性评价为危险区域的构造之线状过水断面和释水通道，概化成环状过水断面和释水通道，线状过水断面长度等效于承压自流井含水层段井壁周长，就可用非稳定流定降深承压水井流方程预测断层、裂隙带、陷落柱等线形构造可能引发的涌水流量及其动态变化。

设r线为概化自流井灰岩段半径，则，

其中，r线为所述概化自流井灰岩段半径，l为过水断面长度。

用s定表示自流井定降深，即由煤层底板算起的岩溶水承压水头，与(2)式一并代入(1)式，则得预测岩溶构造可能的涌水流量公式，

其中，q涌为所述涌水流量，t为所述承压含水层导水系数，s定为所述自流井定降深，a为所述承压含水层水头扩散系数，t为所述自流井涌水时间，l为所述过水断面长度。此为华北型煤田矿井岩溶水涌水流量预测公式，简称岩溶涌水流量公式。

图5为本发明实施例提供的涌水量与岩溶含水层水文地质参数关系曲线图，如图5所示，q-t曲线为涌水量与时间的关系曲线，q-t曲线为涌水量与岩溶含水层导水系数的关系曲线，q-s定曲线为涌水量与自流井定降深的关系曲线，q-u^*曲线为涌水量与贮水系数的关系曲线，q-l曲线为涌水量与岩溶构造规模(过水断面长度)的关系曲线，q-t曲线表明，涌水量与岩溶含水层导水系数为线性关系，随着导水系数等幅增加，涌水量几乎呈倍增式加大；q-s定曲线呈现出，涌水量随定降深加大，呈直线上升趋势；q-u^*曲线显示，随岩溶含水层贮水系数增大，涌水量增大，且有增速加快趋势；q-l曲线反映出，涌水量随岩溶构造规模(过水断面长度)增大而加大的趋势，但增速逐渐变缓。

本发明实施例提供的一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法，从奥陶系岩溶水系统的形成，岩溶水系统模式，岩溶水赋存及其动力学等特征方面入手，基于承压岩溶水弹性释放及非稳定流理论的矿井承压岩溶水涌水预测，着眼于涌水概率最大或有着最多涌水案例的张性断层、裂隙带及陷落柱，得到涌水的流量及某时间段的涌水总量，突破了岩溶涌水难以预测的禁锢，促进矿井岩溶水防治更科学、主动和有效。

在上述实施例的基础上，所述根据所述涌水流量，获取预设时间段内的累积涌水量，具体包括：

获取涌水流量时间函数其中t＞0；

获取所述预设时间段内的累积涌水量其中q(t)为所述涌水流量时间函数，t1为所述预设时间段的起算时间，t2为所述预设时间段的截止时间，0＜t1＜t2＜∞。

矿井累积涌水量，简称涌水量，指承压岩溶水涌过程中，从始涌延续到某时间点(或某时间段内)涌入矿井的总水量，为体积量。

由(1)、(3)式可知，岩溶含水层水文地质参数、定降深及线状构造长度确定，涌水流量随时间延续而衰减，流量是时间的函数，即，

q(t)为连续函数。令a＝12.56ts定，则

设t1为所述预设时间段的起算时间，t2为所述预设时间段的截止时间，0＜t1＜t2＜∞，q(t)在(t1,t2)上连续。用w表示涌水量，则，

(6)式为承压岩溶水矿井涌水量预测公式。由定积分原理可知，图6为本发明实施例提供的涌水量定积分计算示意图，如图6所示，涌水量w为图6所示曲边梯形面积。至此，用程序或科学计算器可快捷计算任意延续时间的岩溶水涌水量。

例如，某煤矿井，根据抽(放)水试验资料获得奥陶系岩溶含水层导水系数t＝200m²/d，贮水系数u^*＝10^-4，由煤层底板算起的岩溶水承压水头为500m(s定＝500m)，工作面揭露一条发育于煤系和奥陶系的正断层，所及长度20m(l＝20m)。用上述方法可预测该断层一旦涌水，其最大涌(突)水流量，之后任意时间的涌水流量及任意时间段的总涌水量。用q(0.5)、q(5)和q(10)分别表示涌水30分钟、5小时、10小时的流量，w5、w10和w15分别表示从30分钟到5小时、10小时、15小时的涌水量，相关数据输入程序，即得预测水量，

q(0.5)＝5729m³/d，

q(5)＝4575m³/d，

q(10)＝4314m³/d，

q(15)＝4174m³/d，

w5＝22092m³，

w10＝44226m³，

w15＝65419m³。

矿井涌水量预测可为矿井排水系统及防治水工程等提供科学依据，将有效提升矿井岩溶水防治水平。

图7为本发明实施例提供的一种华北型煤田矿井岩溶水量预测装置的结构示意图，如图7所示，包括获取模块71、预测模块72和累积模块73，其中：

获取模块71用于获取非稳定流井定降深井流数据，根据所述非稳定流井定降深井流数据得到自流井流量；

预测模块72用于获取概化自流井灰岩段半径和自流井定降深，根据所述自流井流量、所述概化自流井灰岩段半径和所述自流井定降深，得到涌水流量；

累积模块73用于根据所述涌水流量，获取预设时间段内的累积涌水量。

本发明实施例提供的装置，首先获取模块71获取非稳定流井定降深井流数据，所述非稳定流井定降深井流数据具体包括：

自流井降深、自流井出水段半径、承压含水层导水系数、承压含水层水头扩散系数和自流井涌水时间。

得到非稳定流井定降深井流数据后，获取模块71根据非稳定流井定降深井流数据得到自流井流量，所述非稳定流井定降深井流数据具体包括：

自流井降深、自流井出水段半径、承压含水层导水系数、承压含水层水头扩散系数和自流井涌水时间。

其次，预测模块72获取概化自流井灰岩段半径和自流井定降深，基于承压含水层弹性释放的非稳定流理论，及其定降深井流方程，进行华北型煤田矿井承压岩溶水涌水流量预测。通常情况下，华北型煤田下伏奥陶系岩溶含水层可概化或理解为无限承压含水层。在已知岩溶水系统模式、矿井所处岩溶水系统位置，获取岩溶承压含水层水文地质参数、岩溶水承压水头(由煤层底板或揭露通道处算起)等数据及探获工作面将揭露通道空间展布特征情况下，将经突水危险性评价为危险区域的构造之线状过水断面和释水通道，概化成环状过水断面和释水通道，线状过水断面长度等效于承压自流井含水层段井壁周长，就可用非稳定流定降深承压水井流方程预测断层、裂隙带、陷落柱等线形构造可能引发的涌水流量及其动态变化，即根据自流井流量、概化自流井灰岩段半径和自流井定降深，得到涌水流量。最后，累积模块73根据涌水流量，获取预设时间段内的累积涌水量，

本发明实施例提供的装置是用于执行上述各方法实施例的，具体的流程和详细介绍请参见上述各方法实施例，此处不再赘述。

本发明实施例提供的一种华北型煤田矿井岩溶水量预测装置，从奥陶系岩溶水系统的形成，岩溶水系统模式，岩溶水赋存及其动力学等特征方面入手，基于承压岩溶水弹性释放及非稳定流理论的矿井承压岩溶水涌水预测，着眼于涌水概率最大或有着最多涌水案例的张性断层、裂隙带及陷落柱，得到涌水的流量及某时间段的涌水总量，突破了岩溶涌水难以预测的禁锢，促进矿井岩溶水防治更科学、主动和有效。

图8为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(communicationsinterface)820、存储器(memory)830和总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过总线840完成相互间的通信。总线840可以用于电子设备与传感器之间的信息传输。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行如下方法：获取非稳定流井定降深井流数据，根据所述非稳定流井定降深井流数据得到自流井流量；获取概化自流井灰岩段半径和自流井定降深，根据所述自流井流量、所述概化自流井灰岩段半径和所述自流井定降深，得到涌水流量；根据所述涌水流量，获取预设时间段内的累积涌水量。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令使计算机执行上述实施例所提供的一种华北型煤田矿井岩溶水量预测方法，例如包括：获取非稳定流井定降深井流数据，根据所述非稳定流井定降深井流数据得到自流井流量；获取概化自流井灰岩段半径和自流井定降深，根据所述自流井流量、所述概化自流井灰岩段半径和所述自流井定降深，得到涌水流量；根据所述涌水流量，获取预设时间段内的累积涌水量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书定义的范围。

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。