一种煤矿地下水库储水系数测定方法与流程

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测定方法。

背景技术：

储水系数是指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：①含水层下部的弹性水量；②水头变化一个单位所疏干的含水层水量。

煤层开挖导致覆岩发生断裂，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，含水层中的水将沿着煤层上部岩层的孔隙、裂隙流入采空区，造成大量水资源浪费。通过利用工作面采空区的密闭空间，将上覆含水层中的水储存起来，形成地下水库，不仅可以将矿井水变废为宝，而且还可以通过对地下水库水资源进行合理调配，解决西部矿区季节性缺水的难题。

由于煤矿地下水库的储水系数不仅受到采空区冒落岩层的断裂块度、堆积形态、断裂结构等因素影响，还受到上覆潜水含水层的物理、化学作用的影响，是一个在空间、时间四个维度的变量，虽然可以通过理论计算方法估算垂直方向的储水系数变化规律，但其它三个维度仍然难以确定。地下水库的储水系数不仅与水库的库容计算息息相关，而且还将直接影响水库人工坝体的安全，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，目前对于煤矿地下水库储水系数并没有准确连续的测定方法。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有技术缺少对煤矿地下水库储水系数准确连续的测定方法的技术问题，提供一种煤矿地下水库储水系数测定方法。

本发明提供一种煤矿地下水库储水系数测定方法，包括：

三维相似试验模型建立步骤，包括：建立关于待测定矿井的三维相似试验模型，所述三维相似试验模型包括从上至下依次设置的上覆岩层、含水层、隔水层、地下水库岩层和底板岩层；

三维相似试验模型煤层开挖步骤，包括：对所述三维相似试验模型进行工作面煤层开挖处理；

注水与放水步骤，包括：对所述三维相似试验模型进行注水与放水试验，得到所述地下水库岩层水位每下降单位高度所对应的放水量；

体积确定步骤，包括：确定所述地下水库岩层每单位高度所对应的含水体积；

储水系数确定步骤，包括：根据所述地下水库岩层每单位高度所对应的含水体积与所述地下水库岩层水位每下降单位高度所对应的放水量，确定每单位高度对应的储水系数。

进一步的，所述注水放水步骤，具体包括：

向所述含水层注水至预设含水层高度；

对所述三维相似试验模型进行放水试验，记录设置在所述底层岩板的压力表的压力值，当所述压力值每下降一个单位高度对应的压力值，则将当前放水量作为所述地下水库岩层水位下降至该单位高度所对应的放水量。

进一步的，所述体积确定步骤，具体包括：

将所述三维相似模型中的水全部放空并干燥后，向所述三维相似模型中注入凝胶，待所述三维相似模型中的凝胶干燥固结后，移除模型的边界约束得到注胶后模型；

将所述注胶后模型中的地下水库岩层按照单位高度进行切割得到多层块体，每层块体的高度为所述单位高度，对每层块体进行扫描得到每层块体的体积作为所述地下水库岩层该单位高度所对应的含水体积。

进一步的，还包括：平均储水系数确定步骤，包括：

根据所述地下水库岩层每单位高度所对应的含水体积，计算所述地下水库岩层的总含水体积；

确定所述注水与放水试验的总放水量；

根据所述总放水量与所述总含水体积计算平均储水系数。

进一步的：

所述注水与放水步骤，具体包括：对所述三维相似试验模型进行多次注水与放水试验，得到每次试验所述地下水库岩层水位每下降单位高度所对应的放水量；

所述储水系数确定步骤，具体包括：根据所述地下水库岩层每单位高度所对应的含水体积与每次试验所述地下水库岩层水位每下降单位高度所对应的放水量，确定每次试验的每单位高度对应的储水系数。

更进一步的，还包括：平均储水系数确定步骤，包括：

根据所述地下水库岩层每单位高度所对应的含水体积，计算所述地下水库岩层的总含水体积；

确定每次注水与放水试验的总放水量；

根据每次注水与放水试验的总放水量与所述总含水体积计算每次注水与放水试验的平均储水系数。

进一步的，所述三维相似试验模型建立步骤，具体包括：

对待测定矿井的煤层赋存条件、开采技术参数进行调研，对煤层上覆岩层进行现场取样，对每个层位的岩样试件进行单轴抗拉、抗压、抗剪切试验，确定各层位岩层的物理力学参数；

对上覆含水层岩样的孔隙度、渗透性进行测试，确定含水层岩层的初始水饱和系数及渗透系数；

确定关于待测定矿井的三维相似试验模型与待测定矿井工作面的几何相似比、应力相似比、强度相似比、运动相似比、时间相似比；

根据所述煤层赋存条件、开采技术参数、各层位岩层的物理力学参数、几何相似比、应力相似比、强度相似比、以及运动相似比，建立关于待测定矿井的三维相似试验模型，所述三维相似试验模型包括从上至下依次设置的上覆岩层、含水层、隔水层、地下水库岩层和底板岩层；

根据含水层岩层的初始水饱和系数及渗透系数，确定所述含水层的水量。

更进一步的，所述三维相似试验模型煤层开挖步骤，具体包括：按时间相似比常数对所述三维相似试验模型进行工作面煤层开挖处理。

再进一步的，所述三维相似试验模型包括相似模拟试验台架、以及设置在相似模拟试验台架上的模型本体，所述模型本体包括从上至下依次设置的上覆岩层、含水层、隔水层、地下水库岩层和底板岩层，在与待测定矿井工作面开挖范围内的煤层标高最低处对应位置安装出水阀门及压力表，在含水层位置设置注水孔。

本发明过采用相似模拟试验，对地下水库的水压、水量、采空区冒落矸石的裂隙、孔隙分布状态进行监测，得出地下水库储水系数的空间、时间变化关系。本发明可以实现对煤矿地下水库的储水系数进行准确、连续监测，为地下水库的建设与利用提供基础理论数据。

附图说明

图1为本发明一种煤矿地下水库储水系数测定方法的工作流程图；

图2为本发明的三维相似试验模型的结构示意图。

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测定方法的工作流程图，包括：

步骤S101，包括：建立关于待测定矿井的三维相似试验模型，所述三维相似试验模型包括从上至下依次设置的上覆岩层、含水层、隔水层、地下水库岩层和底板岩层。

步骤S102，包括：对所述三维相似试验模型进行工作面煤层开挖处理。

具体来说，由于煤层上方的潜水含水层对下部岩层主要存在物理、化学作用(承压含水层则还存在水力劈裂作用)，所以将相似模拟试验细分为两个过程：(1)在一定水头压力作用下，模拟煤层开挖引起的煤层上部岩层破坏、垮落及导通含水层的过程；(2)模拟上覆潜水含水层破坏后，矿井水持续流入采空区的过程，即进行地下水库反复的注、放水试验过程，研究地下水库(垮落岩层)储水系数的时间效应。在步骤S102进行工作面煤层开挖处理，模拟煤层上部岩层的断裂、垮落、贯通含水层的过程。待煤层上部岩层断裂形成稳定结构后，执行步骤S103进行注水放水试验。

步骤S103，包括：对所述三维相似试验模型进行注水放水试验，得到所述地下水库岩层水位每下降单位高度所对应的放水量。

步骤S104，包括：确定所述地下水库岩层每单位高度所对应的含水体积。

步骤S105，包括：根据所述地下水库岩层每单位高度所对应的含水体积与所述地下水库岩层水位每下降单位高度所对应的放水量，确定每单位高度对应的储水系数。

具体来说，基于煤层上部岩层垮落空间体积与放出水量的关系，计算沿垂直方向地下水库第i个单位高度的储水系数Ri为：

其中i为自含水层底板向下的单位高度，V水i为地下水库岩层水位下降第i个单位高度所对应的放水量，Vi为所述地下水库岩层第i个单位高度所对应的含水体积。

本发明采用相似模拟试验，对地下水库的水压、水量、采空区冒落矸石的裂隙、孔隙分布状态进行监测，得出地下水库储水系数的空间、时间变化关系。本发明可以实现对煤矿地下水库的储水系数进行准确、连续监测，为地下水库的建设与利用提供基础理论数据。

在其中一个实施例中，所述步骤S103，具体包括：

向所述含水层注水至预设含水层高度；

对所述三维相似试验模型进行放水试验，记录设置在所述底层岩板的压力表的压力值，当所述压力值每下降一个单位高度对应的压力值，则将当前放水量作为所述地下水库岩层水位下降至该单位高度所对应的放水量。

本实施例采用压力值来表征水头下降高度，具体可以通过预先测定水头每下降单位高度所对应的压力值来确定。

在其中一个实施例中，所述步骤S104，具体包括：

将所述三维相似模型中的水全部放空并干燥后，向所述三维相似模型中注入凝胶，待所述三维相似模型中的凝胶干燥固结后，移除模型的边界约束得到注胶后模型；

将所述注胶后模型中的地下水库岩层按照单位高度进行切割得到多层块体，每层块体的高度为所述单位高度，对每层块体进行扫描得到每层块体的体积作为所述地下水库岩层该单位高度所对应的含水体积。

本实施例采用注胶方式来确定含水体积。

在其中一个实施例中，还包括：平均储水系数确定步骤，包括：

根据所述地下水库岩层每单位高度所对应的含水体积，计算所述地下水库岩层的总含水体积；

确定所述注水与放水试验的总放水量；

根据所述总放水量与所述总含水体积计算平均储水系数。

具体来说，平均储水系数Rmid为：

其中V水为注水放水试验的总放水量，为地下水库岩层的总含水体积，n为地下水库岩层单位高度的数量。

在其中一个实施例中：

所述步骤S103，具体包括：对所述三维相似试验模型进行多次注水放水试验，得到每次试验所述地下水库岩层水位每下降单位高度所对应的放水量；

所述步骤S105，具体包括：根据所述地下水库岩层每单位高度所对应的含水体积与每次试验所述地下水库岩层水位每下降单位高度所对应的放水量，确定每次试验的每单位高度对应的储水系数。

具体来说，第j次试验的第i个单位高度对应的储水系数Rji为：

其中，V水ji为j次试验所述地下水库岩层水位下降第i个单位高度所对应的放水量。

在其中一个实施例中，还包括：平均储水系数确定步骤，包括：

根据所述地下水库岩层每单位高度所对应的含水体积，计算所述地下水库岩层的总含水体积；

确定每次注水放水试验的总放水量；

根据每次注水放水试验的总放水量与所述总含水体积计算每次注水放水试验的平均储水系数。

具体来说，第j次试验的平均储水系数Rmid(j)为：

在其中一个实施例中，所述步骤S101，具体包括：

对待测定矿井的煤层赋存条件、开采技术参数进行调研，对煤层上覆岩层进行现场取样，对每个层位的岩样试件进行单轴抗拉、抗压、抗剪切试验，确定各层位岩层的物理力学参数；

对上覆含水层岩样的孔隙度、渗透性进行测试，确定含水层岩层的初始水饱和系数及渗透系数；

确定关于待测定矿井的三维相似试验模型与待测定矿井工作面的几何相似比、应力相似比、强度相似比、运动相似比、时间相似比；

根据所述煤层赋存条件、开采技术参数、各层位岩层的物理力学参数、几何相似比、应力相似比、强度相似比、以及运动相似比，建立关于待测定矿井的三维相似试验模型，所述三维相似试验模型包括从上至下依次设置的上覆岩层、含水层、隔水层、地下水库岩层和底板岩层；

根据含水层岩层的初始水饱和系数及渗透系数，确定所述含水层的水量。

在其中一个实施例中，所述步骤S102，具体包括：按时间相似比常数对所述三维相似试验模型进行工作面煤层开挖处理。

如图2所示，在其中一个实施例中，所述三维相似试验模型包括相似模拟试验台架1、以及设置在相似模拟试验台架1上的模型本体2，所述模型本体2包括从上至下依次设置的上覆岩层21、含水层22、隔水层23、地下水库岩层24和底板岩层25，在与待测定矿井工作面开挖范围内的煤层标高最低处对应位置安装出水阀门3及压力表4，在含水层位置设置注水孔5。

本发明最佳实施例，主要包含以下步骤：

步骤1，对模拟矿井的煤层赋存条件(煤层厚度、顶底板岩层厚度、岩性及层位分布)、开采技术参数(开采高度、工作面长度、推进长度)进行调研，对煤层上覆岩层进行现场取样，每个层位岩层至少取5个试样。

步骤2，对每个层位的岩样试件进行单轴抗拉、抗压、抗剪切试验，确定各层位岩层的物理力学参数(抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角)。

步骤3，对上覆含水层岩样的孔隙度、渗透性进行测试，确定含水层岩层的初始水饱和系数及渗透系数。

步骤4，确定相似模型与研究矿井工作面的几何相似比、应力相似比、强度相似比、运动相似比、时间相似比常数，根据矿井工作面顶底板岩层赋存条件、物理力学参数、开采技术参数建立三维相似试验模型，见图2所示，所述三维相似试验模型包括相似模拟试验台架1、以及设置在相似模拟试验台架1上的模型本体2，所述模型本体2包括从上至下依次设置的上覆岩层、含水层、隔水层、地下水库岩层和底板岩层，在与待测定矿井工作面开挖范围内的煤层标高最低处对应位置安装出水阀门3及压力表4，在含水层位置设置注水孔5。根据煤层顶、底板岩层厚度、强度、岩性铺设相似试验模型，并在含水层下部设置隔水层，对含水层中的水进行密封。

步骤5，由于煤层上方的潜水含水层对下部岩层主要存在物理、化学作用(承压含水层则还存在水力劈裂作用)，所以将相似模拟试验细分为两个过程：(1)在一定水头压力作用下，模拟煤层开挖引起的煤层上部岩层破坏、垮落及导通含水层的过程；(2)模拟上覆潜水含水层破坏后，矿井水持续流入采空区的过程，即进行地下水库反复的注、放水试验过程，研究垮落岩层储水系数的时间效应。

步骤6，按时间相似比常数进行工作面煤层开挖，模拟煤层上部岩层的断裂、垮落、贯通含水层的过程。待煤层上部岩层断裂形成稳定结构后，通过注水孔5向含水层注水，同时观测压力表4的数值，待地下水库的水头高度达到含水层高度时停止注水。

步骤7，打开相似模型的出水阀门3进行放水试验，记录压力表压力与放出水量V水i的对应关系(压力表压力每下降1个单位高度记录1次)，其中i为自含水层底板向下的单位高度，i＝1，2，3，…，n，且∑i等于煤层底板至含水层底板的厚度。通过压力表监测的水头压力变化及监测的放出水量，则反应出地下水库中冒落岩层空隙的空间变化规律。

步骤8，为了测定地下水库储水系数的时间演化关系，每间隔5天进行一次注水与放水试验，且重复注水与放水试验次数不少于5次，重复步骤⑦的监测过程，得出地下水库中冒落岩层空隙的时间演化规律。

步骤9，将相似模型中的水全部放空，并将相似模型干燥5天，随后向相似模型中注入凝胶，待相似模型干燥、固结后移除模型的边界约束。

步骤10，将相似模型进行切割，并将切割后的块体进行CT扫描及编号，将扫描结果进行拼接，可得煤层开挖后上覆岩层垮落空间的体积其中i为自含水层底板向下的单位高度，i＝1，2，3，…，n，且∑i等于含水层底板到煤层底板的厚度，Vi为第i个单位高度的含水体积。

步骤11，计算地下水库储水系数的时间变化规律。基于煤层上部岩层垮落空间体积与重复试验放出水量的关系，计算地下水库储水系数的时间变化规律如下(由于地下水库中的水主要为静态水，因此可以忽略水库中的水对模型开挖后垮落边界的影响)：

式中，j为进行注水与放水试验的次数，Rji为第j次试验时第i个单位高度的储水系数，V水ji为第j次试验时第i个单位高度位放出水的体积。

步骤12，计算地下水库平均储水系数随时间的变化规律(Rmid(j))。基于重复注水与放水试验过程中每次放出水的总体积(Vj水)与煤层上部岩层垮落空间的总体积可以计算地下水库平均储水系数随时间的变化规律，即第j次试验的平均储水系数Rmid(j)为：

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。