专利名称：一种松散含水层下保水开采地质条件确定方法
技术领域：
本发明涉及含水层地质开采技木，尤其涉及一种松散含水层下保水开采地质条件确定方法。
背景技术：
有些煤炭资源区域的地表生态环境十分脆弱，而位于浅埋煤层附近的潜水因受采动影响而极易流失，进而会导致环境的进ー步恶化，所以，保水开采是生态脆弱区煤层开发的关键性保障技木。研究认为浅部煤层的开采使其顶板破断直接影响到地表，顶板破断角大，地表下沉速度快，来压明显且难以控制。但在矿业开采水资源保护方面，研究成果特别很少，迄今还没有明确提出与保水开采相关的采矿理念和开采方法。 传统的开采方法，基本上是“先采后治”，甚至“采后不治”，没有考虑到开采引起的地质环境变化及其对人类的不良影响或危害，使得土地荒漠化的趋势呈直线上升；对水资源造成极大的负面影响和破坏。在现代开采技术下矿区地下水系统发生了剧烈的变化，地下水资源量也发生了明显的变化；因此开采后产生了如地下水水位大幅度下降、地表河流流量衰竭、地表生态环境破坏等一系列环境水文地质问题。以往在煤炭开采以前，未能准确地探測其内部地质构造并掌握煤厚变化及上覆岩层结构条件，因此煤炭开采会导致水资源和生态环境破坏。所以，确定松散含水层下保水开采地质条件是非常必要的。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种确定松散含水层下保水开采地质条件的方法。本发明提供的方法包括以下步骤对开采区进行地质勘察，以获取地质參数，所述地质參数包括含水层压カ；根据所述地质參数，计算煤层顶板的有效保护层厚度；根据有效保护层厚度和含水层压力，计算保水危险系数；根据有效保护层的岩性和结构、有效保护层厚度、保水危险系数，确定保水开采地质条件。优选地，所述地质參数还包括含水层厚度、滲透系数、単位涌水量、岩性组合、保护层结构。优选地，保水危险系数通过下式计算Ts = P/H式中TS_保水危险系数，单位是MPa/m ;P-含水层水压，单位是MPa ；H-有效保护层厚度，单位是m。优选地，有效保护层的岩性包括泥岩、砂泥岩复合型、砂岩中的任何ー种。优选地，有效保护层的结构包括完整结构、块裂结构、碎裂结构、松散结构中的任何ー种。优选地，有效保护层厚度通过以下算式得出H= Ah-Hli,其中Ah是开采煤层顶界至第四系松散含水层底界之间距离；Hli是开采煤层一次采全高形成的冒落裂隙带高度。相对于现有技术，本发明通过对采区地质条件勘査，预测地下水运移趋势，实现资源回收率与水资源保护的最优化，为保护采区地下水资源提供科学合理的技术方法。
图I是本发明ー种优选实施方式的松散含水层下保水开采地质条件确定方法的流程图；图2是采用本发明ー种具体实施方式
的保水开采方法留存的防水安全煤柱的结构示意图。
具体实施例方式如图I所示，本发明ー种优选实施方式的松散含水层下保水开采地质条件确定方法包括以下步骤步骤101，首先探测开采区的地质參数，以便实现开采区的水文地质条件勘察。所述地质參数包括含水层压力。在采区水文地质条件勘察中，为了获得保水开采地质參数，采用基于地球物理勘探技术的方法对采区水文地质条件进行动态勘察，在本发明中，基于地球物理勘探技术的方法包括地震法、电法、地质雷达法以及这些方法的有效结合，从而可以获得更为精确的煤岩层结构、含水层结构及其分布、浅部松散层结构及赋水性等关键信息。基于地球物理勘探技术的方法可以采用目前各种适合的地质勘察方法。获得的地质參数包括含水层厚度、滲透系数、単位涌水量、岩性组合、含水层压力、保护层结构等。基于上述地质參数的探測，特别是基于含水层厚度、滲透系数、単位涌水量，可以将含水层划分成五种类型，具体參见表I :
松散含水层类型富水程度含水层厚度/m 单位涌水量渗透系数/m.d
/L.s^.m'1
I极强>30>10>50
II强15-305-1010-50
III中5-150.1-51-10
IV弱1-50.005-0.10.01-1
V极弱<1<0.005<0.01
表I对于表I中第I类、II类和III类含水层，由于富水程度相对较高，开采时含水层水压会较大。步骤102，根据所述地质參数，计算煤层顶板的有效保护层厚度。煤层开采时需要留设防水安全煤柱，防水安全煤柱的作用是为了避免导水裂缝带波及水体。因此，防水安全煤柱的垂高Hsh应大于或等于导水裂缝带的最大高度Hli加上保护层厚度Hb，如图2所示，即Hsh ^ H1^Hb如图所示，开采煤层顶界至第四系松散含水层底界之间距离Ah减去开采煤层一次采全高形成的冒落裂隙带高度Hli为有效保护层厚度H H=A h-も 式中Ah为开采煤层顶界至含水层底界之间距离；Hli为开采煤层一次采全高形成的冒落裂隙带高度。若有效保护层厚度H小于或等于零，含水层的水可能涌入回采工作面，造成顶板突水，自然条件下不能实现保水开采，需要采用安全措施才能实现开采。若有效保护层厚度H大于零，说明开采时可以一次采全高，不会导致导水裂隙带直接导通第四系松散含水层水，即保护层达到规定要求即可实现保水采煤。有效保护层的厚度从松散层底部的隔水层底面向下计算，若松散层底部无隔水层，就应从基岩顶面向下计算。对于保水危险系数Ts，可以设置相应的安全开采的临界系数Tso 当Ts < Tso时，有效保护层能有效阻隔含水层水压，开采是安全的；当Ts > Tso时，有效保护层不能有效阻隔含水层水压，开采时存在渗流危险。安全开采的临界系数Tso的设置，可根据对不同地质条件保水开采的安全统计数据确定。在计算保水危险系数时，含水层水压P的获取可以在步骤101进行地质勘察的时候获取，例如可以通过钻孔、设置压カ传感器的方式检测含水层水压，也可以通过本领域其他的測量手段检测含水层水压P。步骤103，根据有效保护层厚度和含水层压力，计算保水危险系数。含水层水压P与有效保护层厚度H之比，称为保水危险系数Ts Ts = P/H式中Ts-保水危险系数，MPa/m ；P-含水层水压，MPa，无实测值时可以按0. Olh估算，h为松散含水层厚度；H-有效保护层厚度。步骤104，根据有效保护层的岩性和结构、有效保护层厚度、保水危险系数，确定保水开采地质条件。(I)有效保护层的岩性在水文地质学中一般将钻孔単位涌水量小于0. OOlL/s. m的岩层视为隔水层。隔水层的抗水压能力隔水层的岩性密切相关。对于煤系沉积岩石，隔水层岩性主要有泥岩、粉砂岩和砂岩。从岩性角度，可将隔水层岩性分为泥岩为主型、砂岩为主型和砂泥岩复合型。在隔水性能方面泥岩为主型表现为塑性，隔水性能好，从泥岩封盖能力的实验分析表明，平均渗透率为0. 089X 10-3iim2，平均孔隙度为I. 97%，平均突破压カ为20. 6MPa，平均扩散系数为1.33X10_5，说明该区泥岩具有较强的封盖能力。但泥岩力学强的相对较低，抗水压能力弱。砂岩为主型表现为脆性，隔水性能较差；但岩石力学强相对较高，抗水压能力较强。而砂泥岩复合型处于两者之间。岩性不同则隔水性能和抗水压能力不同。由于受沉积环境的控制，隔水层岩性在垂向上旋回变化，不同岩性的岩层作有规律的组合，称层组岩体(简称岩体)，因此作为有效保护层的岩体力学性质及其稳定性，并不是由一层岩性所能代表的，而是多层岩性的组合，不同沉积岩性具有不同力学性能。对于有效保护层采用泥岩百分比含量(K)来表示有效保护层岩性特征k = ニX100%(3)式中h为有效保护层中泥岩层厚度之和(单位为m)；H为有效保护层厚度(单位为m)。 根据K值的大小将有效保护层岩性分为三类，为泥岩为主型、砂岩为主型和砂泥岩复合型，如表2。
有效保护层 K值主要岩性主要岩相隔水性能
_岩性类型__ ( % )____
泥岩为主型 265 砂泥岩、主要为泛滥平原、沼泽相好
粉砂质泥和泥炭沼泽相、泻湖海湾 岩和煤层相沉积等砂泥岩复合 35~ 粉砂岩、主要为分流间湾、泛滥平中等
型65 粉砂质泥原和天然堤相沉积等
岩和泥岩
砂岩为主型 <35 砂岩、粉主要为分流河道、河口沙差
砂岩和石坝和决ロ扇及小型水道相 灰岩或淺海相沉积等表 2(2)有效保护层的结构根据有效保护层断裂构造发育程度和工程規模，将有效保护层划分为完整结构、块裂结构、碎裂结构和松散结构四类，如表3所示
权利要求
1.一种松散含水层下保水开采地质条件确定方法，其特征在于，所述方法包括 a.对开采区进行地质勘察，以获取地质參数，所述地质參数包括含水层压カ； b.根据所述地质參数，计算煤层顶板的有效保护层厚度； c.根据有效保护层厚度和含水层压力，计算保水危险系数； d.根据有效保护层的岩性和结构、有效保护层厚度、保水危险系数，确定保水开采地质条件。
2.根据权利要求I的方法，其特征在于，所述地质參数还包括含水层厚度、滲透系数、単位涌水量、岩性组合、保护层结构。
3.根据权利要求I的方法，其特征在于，保水危险系数通过下式计算 Ts = P/H 式中=Ts-保水危险系数，单位是MPa/m ； P-含水层水压，単位是MPa ； H-有效保护层厚度，单位是m。
4.根据权利要求1-3中任何ー项的方法，其特征在于，有效保护层的岩性包括泥岩、砂泥岩复合型、砂岩中的任何ー种。
5.根据权利要求1-3中任何ー项的方法，其特征在于，有效保护层的结构包括完整结构、块裂结构、碎裂结构、松散结构中的任何ー种。
6.根据权利要求1-3中任何ー项的方法，其特征在于，有效保护层厚度通过以下算式得出 H = Ah-Hli，其中 Ah是开采煤层顶界至第四系松散含水层底界之间距离； Hli是开采煤层一次采全高形成的冒落裂隙带高度。
全文摘要
本发明公开的方法包括以下步骤对开采区进行地质勘察，以获取地质参数，所述地质参数包括含水层压力；根据所述地质参数，计算煤层顶板的有效保护层厚度；根据有效保护层厚度和含水层压力，计算保水危险系数；根据有效保护层的岩性和结构、有效保护层厚度、保水危险系数，确定保水开采地质条件。本发明通过对采区地质条件勘查，预测地下水运移趋势，实现资源回收率与水资源保护的最优化，为保护采区地下水资源提供科学合理的技术方法。
文档编号E21C41/16GK102865078SQ201210133830
公开日2013年1月9日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者孟召平, 赵永峰, 彭苏萍 申请人:中国神华能源股份有限公司, 中国矿业大学(北京)