一种煤矿地下水库储水系数的测定方法及电子设备与流程

本发明涉及煤矿地下水库相关技术领域，特别是一种煤矿地下水库储水系数的测定方法及电子设备。

背景技术：

储水系数是指在含水层具有弹性的前提下，由含水层的储水率来定义，即当含水层水头变化一个单位时，从底面积为一个单位、其高度等于含水层厚度的柱体中所释放(或储存)的水量。对于潜水含水层，其储水系数释放的水量主要由两部分组成：一是含水层下部的弹性水量；二是水头变化一个单位所疏干的含水层水量。

煤层开采导致上覆岩层发生变形、破坏、垮落，当冒落带、裂隙带高度波及煤层上方的含水层时，含水层发生破坏，含水层中的水通过空隙、裂隙等流入工作面采空区，形成矿井水。据不完全统计，我国西部水资源匮乏的大型矿区平均每开采1吨煤炭需要排放约2吨矿井水，不仅造成了水资源的大量浪费，加剧了西部缺水矿区的生态环境恶化，而且采空区中的积水还会对周边工作面及下部煤层开采造成影响，极易诱发工作面突水溃沙等安全事故。传统的保水开采技术主要包括充填开采(固体、膏体、高水充填)、条带开采、限高开采等，其技术本质为通过降低工作面煤层开采形成的冒落带、裂隙带高度，减轻煤层开采对上部含水层的破坏，但由于充填开采、条带开采等开采方法存在成本高、效率低、效益差等问题，难以实现大面积推广应用。

通过建立煤矿地下水库将传统的保水开采转变为储水开采，利用工作面采空区及上部冒落带空间对含水层中的水进行储存，将矿井水变废为宝，不仅可以有效解决煤炭开采导致的水资源浪费问题，而且通过对地下水库水资源进行合理调配，还可以解决西部矿区季节性缺水的难题。地下水库的储水系数不仅与水库的库容计算息息相关，而且还直接影响水库人工坝体的安全，因此，储水系数是煤矿地下水库建设与利用过程中一个非常关键的参数。

然而，现有技术并没有关于煤矿地下水库储水系数的确定方法。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有技术缺乏关于煤矿地下水库储水系数的确定方法的技术问题，提供一种煤矿地下水库储水系数的测定方法及电子设备。

本发明提供一种煤矿地下水库储水系数的测定方法，包括：

参数获取步骤，包括：获取待测煤矿用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角、每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、每层顶板岩层的初始体积；

垮落空间体积确定步骤，包括：根据用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角，确定煤层开挖后顶板岩层的垮落空间体积；

储水系数确定步骤，包括：根据每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、每层顶板岩层的初始体积、以及顶板岩层的垮落空间体积，确定待测煤矿地下水库的储水系数。

进一步的，所述储水系数确定步骤，具体包括：

根据每层顶板岩层厚度，确定每层顶板岩层对采空区的充填高度，根据每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度，确定在垂直高度方向上每层顶板岩层的储水系数；

根据每层顶板岩层的初始体积、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、以及顶板岩层的垮落空间体积，确定待测煤矿地下水库的平均储水系数。

更进一步的，所述在垂直高度方向上每层顶板岩层的储水系数采用如下方式确定：

第i层顶板岩层的储水系数ri＝ki+φi-1，其中，ki为第i层顶板岩层碎胀系数，φi为第i层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度。

更进一步的，所述平均储水系数其中，v为顶板岩层的垮落空间体积，vi为第i层顶板岩层的初始体积，n为顶板岩层的数量，φi为第i层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度。

进一步的，所述垮落空间体积确定步骤，具体包括：

根据用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角，确定煤层开挖后顶板岩层的垮落空间体积其中l为推进长度，m为开采高度，mi为第i层顶板岩层厚度，αi为第i层顶板岩层垮落角，li为第i层顶板岩层的垮落长度。

本发明提供一种用于煤矿地下水库储水系数计算的电子设备，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行：

参数获取步骤，包括：获取待测煤矿用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角、每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、每层顶板岩层的初始体积；

垮落空间体积确定步骤，包括：根据用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角，确定煤层开挖后顶板岩层的垮落空间体积；

储水系数确定步骤，包括：根据每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、每层顶板岩层的初始体积、以及顶板岩层的垮落空间体积，确定待测煤矿地下水库的储水系数。

进一步的，所述储水系数确定步骤，具体包括：

根据每层顶板岩层厚度，确定每层顶板岩层对采空区的充填高度，根据每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度，确定在垂直高度方向上每层顶板岩层的储水系数；

根据每层顶板岩层的初始体积、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、以及顶板岩层的垮落空间体积，确定待测煤矿地下水库的平均储水系数。

更进一步的，所述在垂直高度方向上每层顶板岩层的储水系数采用如下方式确定：

第i层顶板岩层的储水系数ri＝ki+φi-1，其中，ki为第i层顶板岩层碎胀系数，φi为第i层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度。

更进一步的，所述平均储水系数其中，v为顶板岩层的垮落空间体积，vi为第i层顶板岩层的初始体积，n为顶板岩层的数量，φi为第i层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度。

进一步的，所述垮落空间体积确定步骤，具体包括：

根据用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角，确定煤层开挖后顶板岩层的垮落空间体积其中l为推进长度，m为开采高度，mi为第i层顶板岩层厚度，αi为第i层顶板岩层垮落角，li为第i层顶板岩层的垮落长度。

本发明通过对顶板岩层的碎胀系数、垮落形态、垮落体积等进行计算，确定含水层下方岩层的破碎块度、充填体积及孔隙、裂隙分布规律，计算得出地下水库的储水系数。本发明可以实现对地下水库储水系数进行合理测定，指导地下水库库容计算、人工坝体结构等进行优化设计。

附图说明

图1为本发明一种煤矿地下水库储水系数的测定方法的工作流程图；

图2为采空区顶板岩层断裂结构示意图；

图3为采空区断裂空间及相关参数示意图；

图4为本发明最佳实施例一种煤矿地下水库储水系数的测定方法的工作流程图；

图5为本发明一种用于煤矿地下水库储水系数计算的电子设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明一种煤矿地下水库储水系数的测定方法，包括：

步骤s101，包括：获取待测煤矿用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角、每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、每层顶板岩层的初始体积；

步骤s102，包括：根据用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角，确定煤层开挖后顶板岩层的垮落空间体积；

步骤s103，包括：根据每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、每层顶板岩层的初始体积、以及顶板岩层的垮落空间体积，确定待测煤矿地下水库的储水系数。

具体来说，步骤s101的各参数可以采用如下方式获得：

充分调研工作面煤层顶、底板赋存情况(煤层顶、底板岩层岩性、厚度、层位)及含水层层位、水头、厚度，如图2所示，包括煤层1、顶板岩层2、含水层3、底板岩层4，分析工作面开采技术参数(开采高度、工作面长度、工作面推进长度)对顶板岩层破断的影响，初步确定顶板岩层断裂形态及结构5。

分别对工作面上部不同层位顶板岩层进行取样，每层岩层取样数量不少于5个，采用实验室ct扫描技术对顶板岩层试件进行扫描，确定岩石内的原始孔隙、裂隙度。

基于工作面原岩地应力场状态及开采技术参数，建立工作面煤层开挖的三维数值计算模型，模拟工作面煤层开挖过程，并对不同层位顶板岩层三向应力进行监测，确定煤层开挖过程中不同层位顶板岩层的应力路径。

基于工作面不同层位顶板岩层的应力路径，对不同层位顶板岩层试件进行真三轴压缩试验，建立三向应力状态下岩层原生裂隙扩展的力学模型，将同一层位不同岩石试件破坏后的块度进行正交分析，采用分形几何理论估算顶板岩层断裂块度，确定不同层位顶板岩层的碎胀系数(ki)。

基于顶板岩层试件真三轴压缩试验结果，考虑岩石与岩体强度的尺度效应，将岩石试件强度代入一定的折减系数，确定顶板岩层的强度，经查表可得不同层位顶板岩层的断裂垮落角(αi)。

在得到相关参数后，通过执行步骤s102、s103得到相应的储水系数。

本发明通过对顶板岩层的碎胀系数、垮落形态、垮落体积等进行计算，确定含水层下方岩层的破碎块度、充填体积及孔隙、裂隙分布规律，计算得出地下水库的储水系数。本发明可以实现对地下水库储水系数进行合理测定，指导地下水库库容计算、人工坝体结构等进行优化设计。

在其中一个实施例中，所述步骤s103，具体包括：

根据每层顶板岩层厚度，确定每层顶板岩层对采空区的充填高度，根据每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度，确定在垂直高度方向上每层顶板岩层的储水系数；

根据每层顶板岩层的初始体积、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、以及顶板岩层的垮落空间体积，确定待测煤矿地下水库的平均储水系数。

本实施例通过确定在垂直高度方向上每层顶板岩层的储水系数以及平均储水系数，对地下水库储水系数进行全面测定。

在其中一个实施例中，所述在垂直高度方向上每层顶板岩层的储水系数采用如下方式确定：

第i层顶板岩层的储水系数ri＝ki+φi-1，其中，ki为第i层顶板岩层碎胀系数，φi为第i层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度。

由于不同层位顶板岩层的厚度、岩性、强度等均不同，顶板岩层的碎胀系数、原始孔隙和裂隙度也不同，在采空区的充填形态也不一样，导致地下水库的储水系数在垂直方向上存在较大差异。根据煤层开挖后的采空区垮落形态、顶板岩层厚度(mi)、碎胀系数(ki)、原始孔隙和裂隙度(φi)，确定第i层顶板岩层对采空区的充填高度(hi)，计算在垂直高度方向(hi-1-hi，其中h0＝0)地下水库的储水系数(ri)为：ri＝ki+φi-1。

在其中一个实施例中，所述平均储水系数其中，v为顶板岩层的垮落空间体积，vi为第i层顶板岩层的初始体积，n为顶板岩层的数量，φi为第i层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度。

基于工作面采空区的断裂空间体积(v)、断裂垮落岩层的初始体积断裂垮落岩层的原始孔隙和裂隙体积可计算地下水库的平均储水系数(rmid)：

式中，vi为第i层顶板岩层的初始体积，可通过其断裂垮落角及推进长度确定。

在其中一个实施例中，所述步骤s102，具体包括：

根据用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角，确定煤层开挖后顶板岩层的垮落空间体积其中l为推进长度，m为开采高度，mi为第i层顶板岩层厚度，αi为第i层顶板岩层垮落角，li为第i层顶板岩层的垮落长度。

基于工作面开采高度(m)、推进长度(l)、不同层位顶板岩层厚度(mi)、顶板岩层垮落角(αi)、顶板岩层碎胀系数(ki)计算可得煤层开挖后顶板岩层的垮落形态及垮落空间体积(v，在工作面长度方向取单位长度计算)，如图3所示；含水层下方顶板岩层的垮落空间体积如下(工作面长度方向取单位长度)：

式中，i为顶板岩层的层位编号，从煤层顶板自下而上为1，2，3，…，n，li为第i层顶板岩层的垮落长度。

如图4所示为本发明最佳实施例的工作流程图，包括：

步骤s401，充分调研工作面煤层顶、底板赋存情况(煤层顶、底板岩层岩性、厚度、层位)及含水层层位、水头、厚度，见图2所示，包括煤层1、顶板岩层2、含水层3、底板岩层4，分析工作面开采技术参数(开采高度、工作面长度、工作面推进长度)对顶板岩层破断的影响，初步确定顶板岩层断裂形态及结构5。

步骤s402，分别对工作面上部不同层位顶板岩层进行取样，每层岩层取样数量不少于5个，采用实验室ct扫描技术对顶板岩层试件进行扫描，确定岩石内的原始孔隙、裂隙度。

步骤s403，基于工作面原岩地应力场状态及开采技术参数，建立工作面煤层开挖的三维数值计算模型，模拟工作面煤层开挖过程，并对不同层位顶板岩层三向应力进行监测，确定煤层开挖过程中不同层位顶板岩层的应力路径。

步骤s404，基于工作面不同层位顶板岩层的应力路径，对不同层位顶板岩层试件进行真三轴压缩试验，建立三向应力状态下岩层原生裂隙扩展的力学模型，将同一层位不同岩石试件破坏后的块度进行正交分析，采用分形几何理论估算顶板岩层断裂块度，确定不同层位顶板岩层的碎胀系数(ki)。

步骤s405，基于顶板岩层试件真三轴压缩试验结果，考虑岩石与岩体强度的尺度效应，将岩石试件强度代入一定的折减系数，确定顶板岩层的强度，经查表可得不同层位顶板岩层的断裂垮落角(αi)。

步骤s406，基于工作面开采高度(m)、推进长度(l)、不同层位顶板岩层厚度(mi)、顶板岩层垮落角(αi)、顶板岩层碎胀系数(ki)计算可得煤层开挖后顶板岩层的垮落形态及垮落空间体积(v，在工作面长度方向取单位长度计算)，见图3所示；含水层下方顶板岩层的垮落空间体积如下(工作面长度方向取单位长度)：

式中，i为顶板岩层的层位编号，从煤层顶板自下而上为1,2,3，…，n，li为第i层顶板岩层的垮落长度。

步骤s407，由于不同层位顶板岩层的厚度、岩性、强度等均不同，顶板岩层的碎胀系数、原始孔隙和裂隙度也不同，在采空区的充填形态也不一样，导致地下水库的储水系数在垂直方向上存在较大差异。根据煤层开挖后的采空区垮落形态、顶板岩层厚度(mi)、碎胀系数(ki)、原始孔隙和裂隙度(φi)，确定第i层顶板岩层对采空区的充填高度(hi)，计算在垂直高度方向(hi-1-hi，其中h0＝0)地下水库的储水系数(ri)为：

ri＝ki+φi-1

步骤s408，基于工作面采空区的断裂空间体积(v)、断裂垮落岩层的初始体积断裂垮落岩层的原始孔隙和裂隙体积可计算地下水库的平均储水系数(rmid)：

式中，vi为第i层顶板岩层的初始体积，可通过其断裂垮落角及推进长度确定。

如图5为本发明一种用于煤矿地下水库储水系数计算的电子设备的硬件结构示意图，包括：

至少一个处理器501；以及，

与所述至少一个处理器501通信连接的存储器502；其中，

所述存储器502存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行：

参数获取步骤，包括：获取待测煤矿用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角、每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、每层顶板岩层的初始体积；

垮落空间体积确定步骤，包括：根据用于建设地下水库的工作面开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角，确定煤层开挖后顶板岩层的垮落空间体积；

储水系数确定步骤，包括：根据每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、每层顶板岩层的初始体积、以及顶板岩层的垮落空间体积，确定待测煤矿地下水库的储水系数。

图5中以一个处理器502为例。

电子设备还可以包括：输入装置503和输出装置504。

处理器501、存储器502、输入装置503及显示装置504可以通过总线或者其他方式连接，图中以通过总线连接为例。

存储器502作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的煤矿地下水库储水系数的测定方法对应的程序指令/模块，例如，图1所示的方法流程。处理器501通过运行存储在存储器502中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的煤矿地下水库储水系数的测定方法。

存储器502可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据煤矿地下水库储水系数的测定方法的使用所创建的数据等。此外，存储器502可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器502可选包括相对于处理器501远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至执行煤矿地下水库储水系数的测定方法的装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置503可接收输入的用户点击，以及产生与煤矿地下水库储水系数的测定方法的用户设置以及功能控制有关的信号输入。显示装置504可包括显示屏等显示设备。

在所述一个或者多个模块存储在所述存储器502中，当被所述一个或者多个处理器501运行时，执行上述任意方法实施例中的煤矿地下水库储水系数的测定方法。

在其中一个实施例中，所述储水系数确定步骤，具体包括：

根据每层顶板岩层厚度，确定每层顶板岩层对采空区的充填高度，根据每层顶板岩层碎胀系数、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度，确定在垂直高度方向上每层顶板岩层的储水系数；

根据每层顶板岩层的初始体积、每层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度、以及顶板岩层的垮落空间体积，确定待测煤矿地下水库的平均储水系数。

在其中一个实施例中，所述在垂直高度方向上每层顶板岩层的储水系数采用如下方式确定：

第i层顶板岩层的储水系数ri＝ki+φi-1，其中，ki为第i层顶板岩层碎胀系数，φi为第i层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度。

在其中一个实施例中，所述平均储水系数其中，v为顶板岩层的垮落空间体积，vi为第i层顶板岩层的初始体积，n为顶板岩层的数量，φi为第i层顶板岩层的原始孔隙和裂隙度。

在其中一个实施例中，所述垮落空间体积确定步骤，具体包括：

根据开采高度、推进长度、每层顶板岩层厚度、每层顶板岩层垮落角，确定煤层开挖后顶板岩层的垮落空间体积其中l为推进长度，m为开采高度，mi为第i层顶板岩层厚度，αi为第i层顶板岩层垮落角，li为第i层顶板岩层的垮落长度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。