基于水文探查及放水试验的含水层疏放可行性分析方法与流程

本发明涉及一种煤矿水害防治技术，尤其是一种基于水文探查及放水试验的含水层疏放可行性分析方法。

背景技术：

煤矿水害防治工作是煤矿安全生产工作的重中之重。针对煤层底板水害防治问题，主要采用煤层底板含水层注浆改造技术对煤层底板突水可能性大的区域进行注浆改造，或利用煤层底板含水层疏水降压技术对危险区域进行疏水降压。上述这些措施的使用，最大限度地避免了水害事故的发生，实现了安全开采。

其中疏水降压技术是通过对煤层底板有突水危险的承压含水层进行钻探疏放，使得承压含水层水位下降到安全水位以下，实现底板隔水层水压下降到安全水压以下。在对含水层采用疏水降压之前需要对含水层疏降可行性进行评价，目前常用评价方法是通过钻孔单孔涌水量和钻孔获取的水文地质参数定性评价疏降可行性，但评价结果可信度较差，尤其是不能反应多大的疏降量和多久的疏降时间才能达到疏降目的。

中国专利申请cn105260537a公开了一种裂隙型含水层富水性分析方法及工作面涌水量预计方法，富水性分析方法包括：从井田的所有地质钻孔柱状图的相关信息中提取与每个钻孔相关的开孔坐标、相邻于裂隙型含水层的煤层的煤层厚度等关键信息，利用所提取的关键信息针对每个钻孔计算裂隙型含水层的富水性指数，利用每个钻孔的开孔坐标以及相对应的富水性指数绘制富水性等值线图，然后利用井田的采掘工程平面图以及所绘制的富水性等值线图来分析井田的各个待开采工作面处裂隙型含水层的富水性。同时还公开了工作面涌水量预计方法。该专利申请通过从地质钻孔提取开孔坐标、煤层厚度等关键信息针对砂岩裂隙含水层富水性进行预测，具有一定的实践意义，但该专利申请仅仅是考虑基础钻孔资料评价富水性，采用的资料和方法单一局限，没有考虑物探、放水试验等综合分析方法，同时该专利申请不能用于评价含水层疏降可行性，不能对含水层疏降时间和疏降量进行预测。

中国专利申请cn106968707a公开了一种煤层为主含水层矿井的水害防治设计方法，通过判断工作面排水系统排水量，是否存在工作面局部向斜，是否存在工作面顶板冲刷带和相邻采空区，从而进行工作面的排水能力核算与保障和超前疏放采空区积水。该专利申请主要是针对工作面排水能力进行评价，并非针对矿井主要充水含水层疏降可行性进行分析，不能有效预测矿井充水含水层的疏降时间和疏降量。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于水文探查及放水试验的含水层疏放可行性分析方法，通过物探钻探等方式，实现含水层疏放可行性的定量评价。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于水文探查及放水试验的含水层疏放可行性分析方法，包括以下步骤：

a.物探探查富水异常区：通过多种物探探查手段，综合确定含水层富水异常区；

b.钻探验证富水异常区：通过钻探手段对物探探查的富水性异常区进行钻探验证；

c.设计疏放可行性放水试验：结合物探、钻探成果，为了评价含水层疏放可行性选择特定放水孔及观测孔，设计特有的放水和观测方式；

d.进行放水试验，完成数据收集：在放水试验期间进行水位观测及水质取样相关工作；

e.分析放水试验成果：分析放水试验成果，获取水文地质参数，确定疏放含水层与其他含水层的水利联系；

f.综合评价含水层疏降可行性：计算含水层疏降到安全水压所需要的时间以及疏水量，并结合已获取的水文地质参数，综合分析评价含水层疏降可行性。

所述步骤a中物探探查确定富水异常区具体包括：通过三维高密度电法、瞬变电磁技术和音频电透视技术探查手段对含水层富水异常区探查，分析各手段成果，综合确定含水层富水异常区；

a)利用瞬变电磁技术对工作范围内含水异常体或含水构造体进行探测，圈定含水赋集区域范围；

b)采用矿井音频电透视技术探查工作区域内岩层赋水性异常的位置、范围及相对强弱；

c)结合所有富水性探查物探成果，综合确定含水层富水异常区。

所述步骤b中钻探验证富水异常区具体包括：

a)结合含水层富水异常区，合理布置钻探探查孔，对富水异常区加密布置，非富水异常区适当减少钻孔布置，确保获取整个研究区富水性探查单孔涌水量数据；

b)对比分析钻探单孔涌水量结果与物探富水异常区范围，综合评价含水层富水性、导水性、补给强弱，为后续疏放可行性放水试验设计提供依据。

所述步骤c中设计疏放可行性放水试验具体包括：

a)结合步骤b中成果和探查孔单孔涌水量数据，合理选择放水孔，在不超过矿井最大排水能力的前提下，选择单孔涌水量较大的探查孔作为放水孔，以最大的放水量进行放水试验，获得整个含水层以最大放水量进行放水的疏降效果；

b)为了防止放水集中使得工作面疏降不均匀造成含水层不能在整个研究区疏降到安全水位以下，专门在研究区的两端和中部同时布置放水孔，在一端放水的同时其他放水孔备用；

c)为了达到更好的疏降效果，设计专门的放水顺序和放水量调整方式：前期为了获取含水层水文地质参数先在北端打开放水孔进行三个落程的放水，三个落程放水量由小到大进行；当三个落程放水稳定时以最大放水量打开研究区中部的备用放水孔，当放水稳定时继续以最大放水量打开南部的备用放水孔，这样在研究区不同区域以最大放水量进行疏放，分析疏降效果确定含水层疏降可行性。

所述步骤d进行放水试验，完成数据收集具体包括：

a)在放水试验各个阶段详细收集记录放水孔流量及观测孔水压和水位数据；

b)在放水试验各个阶段对目的含水层进行水质取样，并进行水质化验分析。

所述步骤e分析放水试验成果具体包括：

a)绘制放水孔各阶段流量变化曲线和放水孔水位水压变化曲线，分析含水层富水性及补给强弱；

b)画出放水孔流量-时间曲线及观测孔水位的降深-时间曲线，利用配线法计算渗透系数和给水度水文地质参数，分析含水层渗透性强弱和储水能力，评价含水层富水性；

c)根据各观测孔降深-时间曲线确定疏放含水层与其他含水层之间的水力联系，分析目的含水层补给强弱。

所述步骤f综合评价含水层疏降可行性具体包括：

a)记录一定放水量时研究区含水层水位疏降到安全水位时所需要的时间；

b)计算疏降过程中各时段观测孔的突水系数，绘制突水系数等值线图，分析各时段疏降后安全范围变化；

c)根据水文地质参数、矿井排水能力、疏降时间、疏降量及疏降后安全范围综合评价含水层的疏降可行性。

本发明的有益效果是：

(1)通过多种物探探查方法综合分析确定了主要充水含水层富水异常区范围，为钻探工程布置提供了参考依据，提高了钻探探水准确性和效率。

(2)在物探和钻探成果的基础上设计放水试验，能够更好的选择放水孔和观测孔位置，并能根据排水能力合理设计放水量、放水阶段，提高了放水试验质量，获得了更准确的水文地质参数，更好的指导水害防治工作。

(3)通过在放水试验设计专门的放水孔位置、放水顺序和放水量调整方式，在研究区不同区域以最大放水量进行疏放，能够获取更直接的数据准确的评价含水层疏降可行性，同时能有效预测含水层疏降量和疏降时间。

(4)通过专门的放水试验数据，可以计算疏降过程中各时段观测孔的突水系数，绘制突水系数等值线图，分析各时段疏降后安全范围变化，并结合水文地质参数、矿井排水能力、疏降时间、疏降量等综合评价含水层的疏降可行性，有针对性的进行水害防治工作。

附图说明

图1是十四灰含水层富水异常区分布图；

图2是放水试验工程布置图；

图3是十四灰含水层水位变化曲线图；

图4是奥灰含水层水位变化曲线图；

图5是放水试验第四阶段初十四灰突水系数等值线图；

图6是放水试验第四阶段开始4天后十四灰突水系数等值线图；

图7是放水试验第四阶段开始6天后十四灰突水系数等值线图；

图8是放水试验第四阶段开始14天后十四灰突水系数等值线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

某煤矿16煤开采的间接充水含水层为太原组十四灰含水层和奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层(简称奥灰含水层)。为了查明16煤底板十四灰含水层富水性、渗透性、各向径流速度差异、影响范围、与奥灰水力联系强弱、与奥灰水力联系通道位置，同时分析十四灰含水层水文地质特征及在矿井最大排水能力允许下的疏降可行性，即在允许最大放水量条件下，能否将突水系数降至临界安全突水系数以下，多长时间能降至安全突水系数以下，在16104工作面进行水文地质探查及十四灰含水层群孔放水试验。

实施方案步骤如下：

1.物探探查确定富水异常区

设计三维高密度电法、瞬变电磁、音频电透视等多种富水性探查手段进行含水层富水异常区探查，分析各手段成果，综合确定含水层富水异常区。

a)利用三维高密度电法技术对工作范围内含水异常体进行探测，圈定含水赋集区域范围；

b)利用瞬变电磁技术对工作范围内含水异常体或含水构造体进行探测，圈定含水赋集区域范围；

c)采用矿井音频电透视技术探查工作区域内岩层赋水性异常的位置、范围及相对强弱；

d)结合所有富水性探查物探成果，综合确定含水层富水异常区。

通过以上三种方法对16104工作面底板进行富水性探查，并根据三种物探成果综合确定十四灰含水层富水异常区分布图。参照附图1。

2.钻探验证富水性异常区

a)结合含水层富水异常区，合理布置钻探探查孔，对富水异常区加密布置，非富水异常区适当减少钻孔布置，确保获取整个研究区富水性探查单孔涌水量数据。

b)在16104工作面共施工4个奥灰孔和55个十四灰孔，对比分析钻探单孔涌水量结果与物探富水异常区范围，综合评价16104工作面十四灰含水层富水性、导水性、补给强弱，为后续疏放可行性放水试验设计提供依据。

3.设计疏放可行性放水试验

a)结合步骤b中成果和探查孔单孔涌水量数据，合理选择放水孔，在不超过矿井最大排水能力的前提下，选择单孔涌水量较大的探查孔作为放水孔，以最大的放水量进行放水试验，获得整个含水层以最大放水量进行放水的疏降效果。

b)为了防止放水集中使得工作面疏降不均匀造成含水层不能在整个研究区疏降到安全水位以下，专门在研究区的南端、北端和中部同时布置放水孔，在一端放水的同时其他放水孔备用。

c)为了达到更好的疏降效果，设计专门的放水顺序和放水量调整方式：前期为了获取含水层水文地质参数先在北端打开放水孔进行三个落程的放水，三个落程放水量由小到大进行。当三个落程放水稳定时以最大放水量打开研究区中部的备用放水孔，当放水稳定时继续以最大放水量打开南部的备用放水孔，这样在研究区不同区域以最大放水量进行疏放，分析疏降效果确定含水层疏降可行性。

参照附图2，设计放水试验方案，前三个落程在工作面北部布置四个放水孔，第四落程在工作面中部和南部布置四个备用放水孔。四次降深的放水水量分别为340m³/h、140m³/h、100m³/h、356m³/h，符合前放水水量三个落程依次减小，第四落程最大的设计。

4.进行放水试验，完成数据收集

a)在放水试验各个阶段详细收集记录放水孔流量及观测孔水压、水位数据；

b)在放水试验各个阶段对目的含水层进行水质取样，并进行水质化验分析。

5.分析放水试验成果

a)绘制放水孔各阶段流量变化曲线和放水孔水位水压变化曲线，分析含水层富水性及补给强弱；

b)画出放水孔流量-时间曲线及观测孔水位的降深-时间曲线，利用配线法计算渗透系数和给水度等水文地质参数，分析含水层渗透性强弱和储水能力，评价含水层富水性；

c)根据各观测孔降深-时间曲线确定疏放含水层与其他含水层之间的水力联系，分析目的含水层补给强弱。

参照附图3、附图4，绘制了16104工作面放水试验期间十四灰及奥灰水位变化曲线图，判断十四灰与奥灰含水层有较弱的水力联系，评价十四灰含水层具有富水性中等、连通性较好、补给较差的特征，判断十四灰含水层疏降性较好。

6.综合评价含水层疏降可行性

a)记录一定放水量时研究区含水层水位疏降到安全水位时所需要的时间。

b)计算疏降过程中各时段观测孔的突水系数，绘制突水系数等值线图，分析各时段疏降后安全范围变化；

c)根据水文地质参数、矿井排水能力、疏降时间、疏降量及疏降后安全范围等综合评价含水层的疏降可行性。

参照附表1，计算了放水试验第四阶段不同时段各钻孔十四灰突水系数，并根据突水系数值绘制了突水系数等值线图，参照附图5、附图6、附图7、附图8。

表1放水试验第四阶段不同时段各钻孔十四灰突水系数表

参照附图5～附图8，第四阶段从初始的356m³/h疏降量逐渐减小至稳定疏降水量为240m³/h，在工作面北部、中部和南部同时最大流量放水后，疏降4天后，16104工作面南半部基本降至0.06mpa/m以下。疏降6天后，切眼以南除55号孔附近外基本都降至0.06mpa/m以下。疏降14天后，整个16104工作面及附近区域均已降至0.06mpa/m以下。

可以认为为解决底板十四灰水害，对十四灰含水层进行疏放是可行的，且以356m³/h的疏降量对整个工作面的十四灰含水层进行疏降，经过半月左右即可将十四灰水位降至安全水位以下。

后期16104工作面以350m³/h的初始疏降量对16104工作面进行了疏放，经过17天将整个工作面十四灰含水层水位疏降至安全水位以下，突水系数均小于0.06mpa/m，十四灰疏降效果比较明显，表明该发明方法的可靠性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。