一种工作面全生命周期涌水量预测方法及系统与流程

1.本发明属于水文地质、采矿工程的综合应用技术领域，尤其涉及一种工作面全生命周期涌水量预测方法及系统。


背景技术：

2.我国“富煤少气贫油”的能源禀赋特征，决定了煤炭是我国未来长期稳定的主体能源，2020年我国煤炭产量高达39亿吨，是全球最大的煤炭生产和消费国，且我国煤炭资源生产与需求绝对量仍处于增长态势，十四五期间煤炭产量将维持在40亿吨左右。随着东部和西部浅部煤炭资源的枯竭，未来煤炭开采将向西部深部延伸，其中陕北、黄陇、神东、宁东等矿区的深埋区又是重中之重，煤层埋深普遍超过500m，具有煤质优良、地质条件简单等特点，但是西部矿区属于新开发矿区，煤层赋存条件、顶板地层结构、含水层空间展布特征等变化较大，对研究区水文地质条件仍不完全清楚，导致难以形成有针对性强和科学有效的防治水措施，多个矿井在基建和生产过程中发生了多种类型的水害问题，给煤炭资源的安全高效开采造成了严重威胁。西部矿区主采煤层顶板发育多层富水含水层，煤炭开采过程中，不同矿井多个含水层都出现了显著的水位下降。目前大量研究集中在工作面回采过程中涌水量变化规律分析、涌水量预测计算等方面，具有很大的局限性，最终误差也非常显著，而且工作面回采结束后涌水量如何变化？工作面从开始回采到结束后的全生命周期涌水量如何演化？如何准确预测？都缺少相关研究。
3.因此，非常有必要开展井下工作面煤层及顶板地质水文地质特征、工作面回采覆岩破坏导水裂隙带发育特征、回采结束后顶板隔水层再造(自愈合)特征、工作面回采前和回采后涌水量演化特征研究，建立准确科学的工作面全周期涌水量预测方法。但是往往工作面回采结束后，就不再对其采空区涌水量进行观测，缺少工作面采空区涌水量数据，导致难以建立与实际吻合的工作面全周期涌水量预测方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种工作面全生命周期涌水量预测方法及系统，解决了西部矿区工作面在回采过程中和回采结束后的未开展过全生命周期涌水量准确预测的问题。
5.为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
6.一种工作面全生命周期涌水量预测方法，具体包括：
7.对工作面回采前期、工作面回采中后期和工作面回采结束后的全生命周期涌水量变化规律进行分析，构建工作面全生命周期涌水量预测公式：
8.9.式中，q—工作面采空区涌水量，m3/h；公式(1)用于工作面回采前期涌水量预测；公式(2)用于工作面回采中后期涌水量预测；公式(3)用于工作面回采结束后的涌水量预测；
10.hd—导水裂隙带向上发育高度，m，hd＝αx；α—导水裂隙带与推采进尺之间的系数；x—表示推采进尺，m；
11.s—工作面顶板导水裂隙带发育面积，m2；s＝xy，y—工作面宽度，m；
12.r—导水裂隙自愈合比率，r＝βt；β—导水裂隙自愈合比率随时间的系数，t表示时间，天；
13.a1—工作面回采前期涌水量方程的斜率；b1—工作面回采前期涌水量方程的截距；
14.a2—工作面回采中后期涌水量方程的斜率；b2—工作面回采中后期涌水量方程的截距；
15.a3—工作面回采结束后涌水量方程的斜率；b3—工作面回采结束后涌水量方程的截距。
16.可选的，还包括：步骤1：工作面基本特征；对煤矿井下待采工作面基本参数进行搜集，确定工作面面宽y，单位：m；
17.步骤2：工作面回采覆岩演化特征；对工作面回采过程中覆岩破坏引起的导水裂隙带发育特征进行研究，确定导水裂隙带发育高度hd，单位，m；
18.步骤3：工作面涌水量演化特征；对工作面回采过程中采空区涌水量q演化特征进行研究，确定采空区涌水量与顶板导水裂隙带的关系；对工作面回采结束后采空区涌水量演化特征进行研究，确定采空区涌水量与隔水层再造的关系，即导水裂隙自愈合比率r。
19.可选的，所述的步骤2中，导水裂隙带的高度确定结合导水裂隙带实测高度和采空区涌水量变化综合判断得到。
20.可选的，所述的导水裂隙带实测高度的测量主要在推采过程中施工导水裂隙带观测孔，对导水裂隙带的高度进行测量；采空区涌水量主要采取井下实际观测统计的方式得到。
21.一种工作面全生命周期涌水量预测系统，具体包括：
22.工作面全生命周期涌水量预测模块：
23.式中，q—工作面采空区涌水量，m3/h；公式(1)用于工作面回采前期涌水量预测；公式(2)用于工作面回采中后期涌水量预测；公式(3)用于工作面回采结束后的涌水量预测；
24.hd—导水裂隙带向上发育高度，m，hd＝αx；α—导水裂隙带与推采进尺之间的系数；x—表示推采进尺，m；
25.s—工作面顶板导水裂隙带发育面积，m2；s＝xy，y—工作面宽度，m；
26.r—导水裂隙自愈合比率，r＝βt；β—导水裂隙自愈合比率随时间的系数，t表示时间，天；
27.a1—工作面回采前期涌水量方程的斜率；b1—工作面回采前期涌水量方程的截距；
28.a2—工作面回采中后期涌水量方程的斜率；b2—工作面回采中后期涌水量方程的截距；
29.a3—工作面回采结束后涌水量方程的斜率；b3—工作面回采结束后涌水量方程的截距。
30.可选的，还包括：
31.工作面基本特征获取模块：对煤矿井下待采工作面基本参数进行搜集，确定工作面面宽y，单位：m；
32.工作面回采覆岩演化特征获取模块：对工作面回采过程中覆岩破坏引起的导水裂隙带发育特征进行研究，确定导水裂隙带发育高度hd，单位，m；
33.工作面涌水量演化特征获取模块：对工作面回采过程中采空区涌水量q演化特征进行研究，确定采空区涌水量与顶板导水裂隙带的关系；对工作面回采结束后采空区涌水量演化特征进行研究，确定采空区涌水量与隔水层再造的关系，即导水裂隙自愈合比率r。
34.可选的，所述的工作面回采覆岩演化特征获取模块中，导水裂隙带的高度确定结合导水裂隙带实测高度和采空区涌水量变化综合判断得到。
35.可选的，所述的导水裂隙带实测高度的测量主要在推采过程中施工导水裂隙带观测孔，对导水裂隙带的高度进行测量；采空区涌水量主要采取井下实际观测统计的方式得到。
36.本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
37.(1)本发明确定的工作面回采过程中采空区涌水量变化特征，可以用来科学准确判断顶板导水裂隙带动态发育规律。
38.(2)本发明确定的工作面回采后采空区涌水量变化特征，可以为顶板隔水层再造、导水裂隙自愈合提供科学依据。
39.(3)本发明建立的工作面全生命周期涌水量计算公式，能够科学准确地开展工作面回采过程中和回采后涌水量预测研究。
附图说明
40.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
41.图1为工作面回采过程中导水裂隙带监测图；
42.图2为一种工作面全生命周期涌水量变化图。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
44.参见图1和图2，本发明给出一种工作面全生命周期涌水量预测方法，需要解决的技术难题包括：对西部矿区典型煤矿井下待采工作面煤层、顶板地质水文地质特征进行勘察，并掌握工作面回采工艺、采厚等参数；对工作面回采过程中导水裂隙带发育特征和回采
结束后顶板隔水层再造(自愈合)特征进行研究；对工作面回采过程中采空区涌水量演化特征进行研究，确定采空区涌水量与顶板导水裂隙带的关系，确定采空区涌水量与隔水层再造的关系；对工作面回采过程中和回采结束后的全生命周期涌水量变化规律进行分析，构建工作面全生命周期涌水量预测方法，为西部矿区工作面全生命周期涌水量准确预测提供科学依据。
45.由此，为实现本发明的具体目的，一种工作面全生命周期涌水量预测方法包含如下步骤：
46.一种工作面全生命周期涌水量预测方法，该方法通过研究研究井下工作面煤层及顶板地质水文地质特征、工作面回采覆岩破坏导水裂隙带发育特征、回采结束后顶板隔水层再造(自愈合)特征、工作面回采前和回采后涌水量演化特征，建立工作面全周期涌水量预测方法，为西部矿区工作面全生命周期涌水量准确预测提供科学依据，具体包括：
47.步骤1：工作面基本特征；
48.对西部矿区典型煤矿井下待采工作面基本参数进行确定，包括工作面面宽(y)、面长等，以及开采工艺、开采厚度(m)等。
49.步骤2：工作面回采覆岩演化特征；
50.对工作面回采过程中覆岩破坏引起的导水裂隙带发育特征进行研究，确定导水裂隙带发育高度(hd)；
51.步骤3：工作面涌水量演化特征；
52.对工作面回采过程中采空区涌水量(q)演化特征进行研究，确定采空区涌水量与顶板导水裂隙带的关系；对工作面回采结束后采空区涌水量演化特征进行研究，确定采空区涌水量与隔水层再造的关系，即导水裂隙自愈合比率(r)。
53.步骤4：工作面全周期涌水量预测；
54.对工作面回采前期、工作面回采中后期和工作面回采结束后的全生命周期涌水量变化规律进行分析，构建工作面全生命周期涌水量预测公式：
[0055][0056]
式中，q—工作面采空区涌水量，m3/h；公式(1)用于工作面回采前期涌水量预测；公式(2)用于工作面回采中后期涌水量预测；公式(3)用于工作面回采结束后的涌水量预测；
[0057]
hd—导水裂隙带向上发育高度，m，hd＝αx；α—导水裂隙带与推采进尺之间的系数；x—表示推采进尺，m；
[0058]
s—工作面顶板导水裂隙带发育面积，m2；s＝xy，y—工作面宽度，m；
[0059]
r—导水裂隙自愈合比率，r＝βt；β—导水裂隙自愈合比率随时间的系数，t表示时间，天；
[0060]
a1—工作面回采前期涌水量方程的斜率；b1—工作面回采前期涌水量方程的截距；
[0061]
a2—工作面回采中后期涌水量方程的斜率；b2—工作面回采中后期涌水量方程的截距；
[0062]
a3—工作面回采结束后涌水量方程的斜率；b3—工作面回采结束后涌水量方程的截距。
[0063]
综合步骤1、步骤2、步骤3、步骤4，对工作面全生命周期涌水量进行科学预测。
[0064]
在步骤2中，导水裂隙带动态发育过程相对复杂，可以结合导水裂隙带实测和采空区涌水量变化，综合判断导水裂隙带发育的动态变化。步骤2中，由于覆岩裂隙结构的变化，发生了导水裂隙的自愈合，但是实际的导水裂隙自愈合比率r无法直接测得，因此在步骤3中利用采空区涌水量来推算导水裂隙自愈合比率。
[0065]
在步骤4中，不同工作面全周期涌水量变化存在一定差异，需掌握涌水量最大值、涌水全周期时间等参数。采空区涌水量观测过程中，具体的涌水量值、推采进尺、历时时间等数据都已经得到。
[0066]
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0067]
实施例1：
[0068]
本实施例以西部鄂尔多斯盆地深部侏罗纪煤田区为例进行进一步说明，我国鄂尔多斯盆地深部侏罗纪煤田是未来煤炭资源开发的重中之重，煤层埋深普遍超过500m，具有煤质优良、地质条件简单等特点，但是西部矿区属于新开发矿区，煤层赋存条件、顶板地层结构、含水层空间展布特征等变化较大，对研究区水文地质条件仍不完全清楚，导致难以形成有针对性强和科学有效的防治水措施，多个矿井在基建和生产过程中发生了多种类型的水害问题，给煤炭资源的安全高效开采造成了严重威胁。西部矿区主采煤层顶板发育多层富水含水层，煤炭开采过程中，不同矿井多个含水层都出现了显著的水位下降。目前大量研究集中在工作面回采过程中涌水量变化规律分析、涌水量预测计算等方面，具有很大的局限性，最终误差也非常显著，而且工作面回采结束后涌水量如何变化？工作面从开始回采到结束后的全生命周期涌水量如何演化？如何准确预测？都缺少相关研究。因此，非常有必要开展井下工作面煤层及顶板地质水文地质特征、工作面回采覆岩破坏导水裂隙带发育特征、回采结束后顶板隔水层再造(自愈合)特征、工作面回采前和回采后涌水量演化特征研究，建立准确科学的工作面全周期涌水量预测方法。但是往往工作面回采结束后，就不再对其采空区涌水量进行观测，缺少工作面采空区涌水量数据，导致难以建立与实际吻合的工作面全周期涌水量预测方法。因此，构建工作面全生命周期涌水量预测方法，能够为西部矿区工作面全生命周期涌水量准确预测、煤矿井下合理布置工作面/矿井防排水系统、开展科学的防治水措施提供很好的科学依据。
[0069]
西部鄂尔多斯盆地深部侏罗纪煤田区为例进行进一步说明，西部矿区不同时期的构造运动作用下，受到沉积旋回控制，煤层顶板导水裂隙带范围内发育了多层含水层。在此条件下，对西部矿区典型煤矿井下待采工作面煤层、顶板地质水文地质特征进行勘察，并掌握工作面回采工艺、采厚等参数；对工作面回采过程中导水裂隙带发育特征和回采结束后顶板隔水层再造(自愈合)特征进行研究；对工作面回采过程中采空区涌水量演化特征进行研究，确定采空区涌水量与顶板导水裂隙带的关系，确定采空区涌水量与隔水层再造的关系；对工作面回采过程中和回采结束后的全生命周期涌水量变化规律进行分析，构建工作面全生命周期涌水量预测方法。
[0070]
步骤1：工作面基本特征；
[0071]
对西部矿区某典型煤矿井下待采工作面煤层、顶板地质水文地质特征进行勘察，研究区受控于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的单斜构造，煤层及上覆地层由东向西呈缓倾角展布(倾角1～5
°
)；主采侏罗系延安组3-1煤(厚度3～6m)，煤层顶板发育延安组三段、直罗组、安定组、志丹群等地层，均属于河流/河湖相沉积，空间上呈含隔水层互层状展布，隔水层岩性为泥岩、砂质泥岩；受沉积旋回控制，顶板导水裂隙带范围内发育了3层含水层，岩性为中砂岩和粗砂岩，具体为ⅰ#含水层(即直罗组一段七里镇砂岩含水层)、ⅱ#含水层(即延安组三段真武洞砂岩含水层)和ⅲ#含水层(即3-1煤顶板含水层)，距离3-1煤层顶板分别为77.4～109.4m、48.7～83.2m和4.9～16.2m，其中ⅰ#含水层富水性强(钻孔涌水量92.0～136.0m3/h)、水压高(5.0～6.0mpa)；
[0072]
01工作面是本矿井首采工作面，呈西北-东南向布置，工作面面长2600m、面宽240m；02工作面是次采工作面，与01工作面相邻，工作面面长3100m、面宽240m。
[0073]
步骤2：工作面回采覆岩演化特征；
[0074]
本矿井采取综采一次采全高方式，开采厚度5～6m。工作面回采过程中，覆岩破坏大致可以分为三个阶段：(1)工作面回采前期是覆岩破坏导致导水裂隙带向上发育的过程，
①
初次来压位于60m位置，导水裂隙带发育沟通ⅲ#含水层；
②
回采至150～180m，出现第一次大的周期性来压，导水裂隙带发育沟通ⅱ#含水层；
③
工作面回采至280～320m，出现第二次大的周期性来压，导水裂隙带发育沟通ⅰ#含水层。(2)工作面回采中后期，随着采空区范围越来越大，顶板导水裂隙带逐渐向外扩大；同时，受到关键层悬臂梁作用，导水裂隙带成一定的周期性发育。(3)工作面回采结束后，由于煤层顶板隔水层以泥岩、砂质泥岩为主，泥质的成分以高岭石、绿泥石为主，另外还含有约25％的伊利石和蒙脱石；泥岩遇水膨胀特性和采空区顶板压实作用，起到了“隔水层再造”作用，导致顶板导水裂隙自愈合和隔水层重新生成。
[0075]
根据工作面回采过程，在工作面范围内布置4～8个导水裂隙带监测孔，包括了工作面回采前期范围和工作面回采中后期范围，通过监测掌握回采过程中导水裂隙带发育高度hd(图1)。
[0076]
步骤3：工作面涌水量演化特征；
[0077]
受回采过程中覆岩破坏发育和回采结束后裂隙和隔水层自愈合作用，采空区涌水量也主要分为三个阶段：(1)工作面回采前期，由于导水裂隙带向上发育沟通不同含水层，导致采空区涌水量呈台阶式快速增加，当导水裂隙带发育沟通ⅰ#含水层，采空区涌水量增至132～183m3/h，形成第一个涌水量波峰；(2)工作面回采中后期，受到关键层悬臂梁作用，导水裂隙带呈周期性发育，随着顶板含水层破坏范围的扩大，采空区涌水量也表现为“台阶式”增加，到回采结束前后，出现采空区涌水量最高值(390m3/h左右)；(3)工作面回采结束后，由于煤层顶板隔水层以泥岩、砂质泥岩为主，泥质的成分以高岭石、绿泥石为主，另外还含有约25％的伊利石和蒙脱石；泥岩遇水膨胀特性和采空区顶板压实作用，起到了“隔水层再造”作用，导致顶板导水裂隙自愈合和隔水层重新生成。
[0078]
工作面回采结束后，顶板导水裂隙带的自愈合程度难以通过现场监测获得，鉴于导水裂隙自愈合程度绝对了采空区涌水量的变化，本研究中利用采空区涌水量随时间的变化，来反推导水裂隙自愈合比率，即建立导水裂隙自愈合比率(r)与涌水量时间(t)的关系公式，具体见步骤4。
[0079]
步骤4：工作面全周期涌水量预测；
[0080]
对工作面回采过程中和回采结束后的全生命周期涌水量变化规律进行分析，发现回采进尺/回采时间与涌水量是关系较密切的参数，不同阶段的涌水量则受到覆岩破坏导水裂隙带发育影响，这个可以体现在计算公式的斜率中，由此根据构建的工作面全生命周期涌水量预测预测公式：
[0081][0082]
将导水裂隙带向上发育高度(hd)、工作面顶板导水裂隙带发育面积(s)、导水裂隙自愈合比率(r)归一化到推采进尺(l)或历时时间(t))，分别得到hd＝0.48l，s＝240l，r＝0.0018t，a1—工作面回采前期涌水量方程的斜率；b1—工作面回采前期涌水量方程的截距；a2—工作面回采中后期涌水量方程的斜率；b2—工作面回采中后期涌水量方程的截距；a3—工作面回采结束后涌水量方程的斜率；b3—工作面回采结束后涌水量方程的截距；
[0083]
具体数据为：a1＝1.301875；b1＝12.052；a2＝0.001389；b2＝120.89；a3＝-415.556；b3＝32490；
[0084]
由此确定出本工作面全生命周期涌水量计算方程：
[0085][0086]
综合步骤1、步骤2、步骤3、步骤4，可以将构建西部深埋矿区工作面全生命周期涌水量预测公式，实现对工作面回采过程中和回采结束后涌水量的准确预测。
[0087]
由此，本发明的一种工作面全生命周期涌水量预测方法具有如下优点：对西部矿区典型煤矿井下待采工作面煤层、顶板地质水文地质特征进行勘察，并掌握工作面回采工艺、采厚等参数；对工作面回采过程中导水裂隙带发育特征和回采结束后顶板隔水层再造(自愈合)特征进行研究；对工作面回采过程中采空区涌水量演化特征进行研究，确定采空区涌水量与顶板导水裂隙带的关系，确定采空区涌水量与隔水层再造的关系；对工作面回采过程中和回采结束后的全生命周期涌水量变化规律进行分析，构建工作面全生命周期涌水量预测方法，为西部矿区工作面全生命周期涌水量准确预测提供科学依据。
[0088]
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
[0089]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0090]
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。