一种煤层顶板突水危险性评价方法与流程

本发明涉及矿井水文地质技术领域，尤其涉及一种煤层顶板突水危险性评价方法。

背景技术：

煤层顶板水害问题是困扰中国煤矿安全生产和煤炭工业可持续发展的主要水患之一，特别是随着矿山开采深度逐渐加大和下组煤回采，顶板冒裂沟通上覆含水体而导致顶板涌(突)水灾害发生或恶化工作面生产环境的实例日益增多。

目前煤层顶板危险性评价主要方法有“三图双预测方法”和“导水裂缝带最大高度”等，评价的主要因子为富水性(钻孔单位涌水量，l/(m·s))，只是定性评价，不能定量评价。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种煤层顶板突水危险性评价方法，以解决的现有技术中的至少一种技术问题。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：一种煤层顶板突水危险性评价方法，包括以下步骤：

步骤1、设定至少一个危险性评价域，获取煤层、充水含水层的特征参数评价域；

步骤2、建立单位静涌水量分布模型、充水含水层底板标高分布模型、导水裂缝带高度标高分布模型、煤层顶板标高分布模型和充水强度分布模型，生成其他充水通道分布模型，并将其导通值赋值为-1；

步骤3、建立导通模型，利用导通模型、单位静涌水量分布模型和充水强度分布模型进行空间分析，建立所述评价域的危险评价模型；

步骤4、对所述危险评价模型中的分区单元进行危险分区评价。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所述步骤4中的危险分区评价包括如下步骤：

步骤4.1，以导通值对危险区进行第一次分区；

步骤4.2，以单位静涌水量对危险区进行第二次分区；

步骤4.3，以充水强度对危险区进行第三次分区。

进一步，所述步骤4.1具体包括如下步骤：

提供导通值w、保护层厚度b、分区单元和评价值；

当w≤0时，将所述分区单元赋值为危险区，将所述评价值赋值为“危险”；

当0≤w≤b时，将所述分区单元赋值为相对危险区，将所述评价值赋值为“相对”；

当w≥b时，将所述分区单元赋值为安全区，将所述评价值赋值为“安全”。

进一步，所述步骤4.2具体包括如下步骤：

提供所述单位静涌水量q及所述单位静涌水量q依次增大的临界值q1、q2和q3；

如果评价值为“危险”，

当q≤q1时，将所述分区单元赋值为危险小区，将所述评价值赋值为“小”；

当q1＜q≤q2时，将所述分区单元赋值为危险中等区，将所述评价值赋值为“中”；

当q2＜q≤q3时，将所述分区单元赋值为危险大区，将所述评价值赋值为“大”；

当q3＜q时，将所述分区单元赋值为危险极大区，将所述评价值赋值为“极”。

进一步，所述步骤4.3具体包括如下步骤：

提供所述充水强度u及所述充水强度依次增大的临界值u1、u2和u3；

根据所述评价值的赋值，对比所述充水强度u与临界值u1、u2和u3，对所述评价值进行二次赋值：

如果评价值为“小”,

当u1＜q≤u2时，二次赋值所述评价值为“中”；

当u2＜q≤u3时，二次赋值所述评价值为“大”；

当u3＜q时，二次赋值所述评价值为“极”；

如果评价值为“中”，

当u2＜u≤u3时，二次赋值所述评价值为“大”；

当u3＜u时，二次赋值所述评价值为“极”；

如果评价值为“大”，

当u3＜u时，二次赋值所述评价值为“极”。

进一步，所述特征参数包括单位面积静涌水量、充水强度、充水含水层底板标高、煤层导水裂缝带高度标高、煤层顶板标高和其他充水通道。

进一步，所述充水强度选用渗透系数、富水系数和单位涌水量中的至少一个。

进一步，所述建立导水裂缝带高度标高分布模型具体包括以下步骤：

s1、根据煤层顶板标高经过空间分析方法建立煤层顶板标高模型；

s2、根据所述导水裂缝带高度经过空间分析方法建立导水裂缝带高度模型；

s3、根据所述煤层顶板标高模型和所述导水裂缝带高度模型经过空间分析的方法得到所述导水裂缝带高度标高分布模型，将煤层顶板标高与导水裂缝带高度之和赋值到导水裂缝带高度标高。

进一步，所述步骤3中的建立导通模型具体为：将所述充水含水层底板标高与导水裂缝带高度标高之差赋值到导通值中，利用空间分析的方法，根据导通值建立导水裂缝带导通充水含水层型模型，其他充水通道分布模型与所述导水裂缝带导通充水含水层型模型进行空间分析，建立导通模型。

进一步，当所述评价域中包括两个或两个以上的充水含水层时，每一层所述充水含水层的危险性评价重复所述步骤2、步骤3和步骤4。

综上所述，本发明的有益效果是：本发明利用定量方法对煤层危险进行了分析，采用空间分析技术，以单位面积静涌水量和充水强度作为评价因子，计算单位面积静涌水量和充水强度的空间分布，为评价煤矿安全的影响程度提供基础数据，保障煤矿设计和安全生产，为煤矿顶板危险性定量评价提供了可行的技术方案，将煤层进行危险性分区评价，并将评价结果整合，直观地反应出煤层评价域中的危险等级，给予煤矿设计和安全生产提供数据支持。

附图说明

图1为本发明实施例提供的煤层顶板突水危险性评价流程图；

图2为本发明实施例提供的某矿勘查孔分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的煤层顶板突水危险性评价方法，包括以下步骤：步骤1、设定至少一个危险性评价域，获取所述充水含水层的特征参数；步骤2、建立单位面积静涌水量分布模型、充水含水层底板标高分布模型、导水裂缝带高度标高分布模型、煤层顶板标高分布模型和充水强度分布模型，生成其他充水通道分布模型；步骤3、建立导通模型，利用导通模型、单位静涌水量分布模型和充水强度分布模型进行空间分析，建立所述评价域的危险评价模型；步骤4、对所述危险评价模型中的分区单元进行危险分区评价。

相对于现有技术，本发明的煤层顶板突水危险性评价方法利用定量方法对煤层危险性进行了分析，采用空间分析技术，以单位面积静涌水量和充水强度作为评价因子，计算单位面积静涌水量和充水强度的空间分布，为评价煤矿安全的影响程度提供基础数据，保障煤矿设计和安全生产，为煤矿顶板危险性定量评价提供了可行的技术方案，将煤层进行危险性分区评价，并将评价结果整合，直观地反应出煤层评价域中的危险情况，给予煤矿设计和安全生产提供数据支持，攻克了煤层顶板危险性评价不能定量评价的难题。

具体的，步骤1具体为：设定包括至少一个危险性的评价域，获取该评价域的特征参数，即包括静涌水量、充水强度、充水含水层底板标高、煤层导水裂缝带高度标高、煤层顶板标高和充水通道附加参数等勘查资料。其中，所述充水强度包括渗透系数、富水系数和单位涌水量中的至少一个，也就是说，选用渗透系数、富水系数和单位涌水量中的至少一个作为评价因子；所述其他充水通道包括断层、封闭不良钻孔等。

在本发明的一些实施例中，进行空间分析时的空间分析平台选用mapgis系列，arcgis系列等。步骤2中的建立充水强度分布模型，其充水强度根据资料选用渗透系数、富水系数和单位涌水量中的一个。根据其他充水通道生成其他充水通道分布模型，并将其含水层导通值赋值为-1。在建立某煤层导水裂缝带高度标高分布模型时，导水裂缝带高度可以通过经验公式或实测得到，导水裂缝带高度模型与煤层顶板标高模型进行空间分析，即可得到煤层导水裂缝带高度标高分布模型。

在步骤3中，通过煤层导水裂缝带高度标高分布模型和各顶板充水含水层底板标高的分布模型建立煤层导水裂缝带导通充水含水层型。以各顶板充水含水层底板标高减去导水裂缝带高度标高赋值给相应的含水层导通值。对煤层导水裂缝带导通充水含水层模型与其他充水通道分布模型进行空间分析，建立导通模型。通过煤层导水裂缝带导通充水含水层模型和充水含水层单位静涌水量分布模型、充水含水层率水强度分布模型进行空间分析建立危险性评价模型。

在本发明的一些实施例中，所述步骤4中的危险分区评价包括如下步骤：

步骤4.1，以导通值对危险区进行第一次分区，提供导通值w、保护层厚度b、分区单元和评价值；当w≤0时，将所述分区单元赋值为危险区，将所述评价值赋值为“危险”；当0≤w≤b时，将所述分区单元赋值为相对危险区，将所述评价值赋值为“相对”；当w≥b时，将所述分区单元赋值为安全区，将所述评价值赋值为“安全”。

步骤4.2，以单位静涌水量对危险区进行第二次分区，提供所述单位静涌水量q及所述单位静涌水量q依次增大的临界值q1、q2和q3；当q≤q1时，将所述分区单元赋值为危险小区，将所述评价值赋值为“小”；当q1＜q≤q2时，将所述分区单元赋值为危险中等区，将所述评价值赋值为“中”；当q2＜q≤q3时，将所述分区单元赋值为危险大区，将所述评价值赋值为“大”；当q3＜q时，将所述分区单元赋值为危险极大区，将所述评价值赋值为“极”。以上的单位面积静涌水量临界值q1、q2和q3根据矿井实际数据或规范要求确定。

步骤4.3，以充水强度对危险区进行第三次分区，提供所述充水强度u及所述充水强度依次增大的临界值u1、u2和u3；根据所述评价值的赋值，对比所述充水强度u与临界值u1、u2和u3，对所述评价值进行二次赋值；当u1＜q≤u2时，二次赋值所述评价值为“中”；当u2＜q≤u3时，二次赋值所述评价值为“大”；当u3＜q时，二次赋值所述评价值为“极”。具体来说，当评价值为“小”时：当u1＜q≤u2，处于危险中等区，并将评价值赋值为“中”；当u2＜q≤u3，处于危险大区，并将评价值赋值为“大”；当u3＜q，危险极大区，并将“评价值j”赋值为“极”；当评价值为“中”时：当u2＜q≤u3，危险大区，并将评价值赋值为“大”；当u3＜q，处于危险极大区，并将“评价值j”赋值为“极”；当评价值为“大”时：当u3＜q，处于危险极大区，并将评价值赋值为“极”；当u3＜q，处于危险极大区，并将评价值赋值为“极”；以上的充水强度临界值u1、u2和u3值根据矿井实际数据或规范要求确定。

在本发明的一些实施例中，所述评价域中包括一个或多个充水含水层；当所述评价域中包括两个或两个以上的充水含水层时，每一层所述充水含水层的危险性评价重复所述步骤2、步骤3和步骤4。

在本发明的一些实施例中，对每一单元的评价值进行判别。判别方法如下：当有一层评价值为“极”，或二层及以上评价值为“大”，赋值评价值为“极”，并修改该单元颜色为危险极大区色号；并将该单元的评价值清空；当有一层评价值为“大”或二层及以上评价值为“中”时，赋值评价值为“大”，并修改该单元颜色为危险大区色号；并将该单元的评价值清空；有一层评价值为“中”或二层及以上评价值为“小”时，赋值评价值为“中”，并修改该单元颜色为危险中区色号；并将该单元的评价值清空；当有一层评价值为“小”或二层及以上评价值为“相对”时，赋值评价值为“小”，并修改该单元颜色为危险小区色号，并将该单元的评价值清空；当有一层评价值为“相对”，赋值评价值为“相对”，并修改该单元颜色为相对危险区色号；并将该单元的评价值清空；当有一层及以上评价值为“安全”时，赋值评价值为“安全”，并修改该单元颜色为安全区色号；并将该单元的评价值清空。

下面结合某矿某煤层顶板突水危险性评价的具体实施例来详细说明本发明创造。

第一步，获取勘查的特征参数，如图2所示，某矿勘查孔有10个(s1-s10)和一条导水断层(f1)，某煤层顶板只有一充水含水层，其单位面积静涌水量(q静)、充水含水层底板标高、某煤层顶板标高、某煤层导水裂缝带高度标高(h)和渗透系数如下表1所示。

表1特征参数(数据不针对特定矿区)

第二步，在mapgis平台，利用表1数据，分别建立所述单位面积静涌水量分布模型、充水含水层底板标高分布模型、导水裂缝带高度标高分布模型、某煤层顶板标高分布模型、充水强度(实例选渗透系数)分布模型。根据断层f1生成其他充水通道分布模型，将其含水层导通值赋值为-1。

第三步，对煤层顶板标高分布模型和导水裂缝带高度分布模型进行空间分析，建立导水裂缝带高度标高分布模型；或在勘查数据库中将煤层顶板标高与导水裂缝带高度之和赋值到导水裂缝带高度标高属性中，根据导水裂缝带高度标高建立导水裂缝带高度标高模型。

第四步，对充水含水层底板标高分布模型和导水裂缝带高度标高进行空间分析，建立导水裂缝带导通充水含水层型模型；或在勘查数据库中将导水裂缝带高度标高与充水含水层底板标高之差赋值到导通值属性中，根据导通值建立导水裂缝带导通充水含水层型模型。

第五步，对导水裂缝带导通充水含水层型模型和其他充水通道分布模型进行空间分析，建立导通模型。

第六步，对导通模型和静涌水量模型、充水强度模型进行空间分析，建立评价模型。

第七步，先后对导通值、单位面积静涌水量、充水强度进行判别分析，建立危险性分区模型。其中，保护层厚度b＝20m；q1＝5,q2＝10,q3＝15；u1＝0.1,u2＝1,u3＝10。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。