采空区覆岩渗流能力计算与修复方法、装置及电子设备

1.本发明涉及采空区覆岩结构渗流能力修复与治理领域，尤其涉及一种采空区覆岩渗流能力计算与修复方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.85％以上的煤矿采用井工开采，煤炭地下开采后工作面后方采空区上覆岩层由下向上依次发育形成“三带”结构，包含冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。其中弯曲下沉带由于没有形成连通的裂隙或仅仅存在一些因离层产生的横向分布裂隙，对水体的流动影响不大，但冒落带和裂隙带中裂隙发育纵横交错，尤其是裂隙带中贯穿岩层的竖向裂隙，为地下水的跃层流动提供了主要通道，不仅对煤矿安全生产带来严重的安全隐患，同时造成地下水系统的破坏，对矿区生态环境和水土保持具有重要影响。特别是，一些矿区(比如中国西部矿区)处于干旱气候地区，矿区煤矿上覆岩的弱胶结特征显著，岩层多为砂岩、砂质泥岩等水理效应显著的岩性，例如，经研究表明，布尔台矿上覆岩层中砂质泥岩吸水饱和后抗压强度和抗拉强度下降60％以上，岩石塑性增大30％以上，裂隙发育所需消耗的能量增大50％以上，生态环境极其脆弱，煤炭资源开采与生态、水环境保护的协调发展问题十分突出。采空区覆岩结构中冒落带、裂隙带的竖向裂隙渗流能力对采空区覆岩稳定性具有重大影响，对采空区覆岩渗流能力计算及修复治理是亟需解决的技术难点，也对煤炭安全生产、含水层保护以及环境保护具有重要意义。


技术实现要素：

3.针对背景技术所指出的技术问题，本发明的目的在于提供一种采空区覆岩渗流能力计算与修复方法、装置及电子设备，结合覆岩岩性硬度分类计算三带结构高度，通过超声波测试法进行裂隙测量并能计算得到覆岩渗流能力，利用高压水射流对主要竖向裂隙通道进行水力化碎胀处理，实现覆岩结构裂隙带人工修复与治理，为煤炭安全生产、含水层保护以及环境保护提供技术保障。
4.本发明的目的通过下述技术方案实现：
5.采空区覆岩渗流能力计算与修复方法，其方法包括：
6.a、根据覆岩岩性硬度依次划分坚硬、中硬、软弱、极软四个等级，将研究矿区覆岩从下至上依次划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带的三带结构，根据研究矿区的地质参数得出工作面覆岩的冒落带高度、裂隙带高度、弯曲下沉带高度；
7.b、利用超声波测试法对研究矿区覆岩的三带结构进行测量，得到裂隙带竖向裂隙通道、弯曲下沉带的分布位置数据，裂隙带竖向裂隙通道的分布位置数据包括竖向裂隙通道位置数据与尺寸数据，弯曲下沉带的分布位置数据包括弯曲下沉带的位置、高度数据；从裂隙带竖向裂隙通道的分布位置数据中筛选出主要的竖向裂隙通道；
8.c、按照如下公式计算研究矿区覆岩的渗水能力k
原
:
9.k
原
＝βd3/12，其中β为裂隙长度，d为主要竖向裂隙通道开度；
10.d、对筛选出的主要竖向裂隙通道按照如下方法进行修复：
11.d1、以筛选出的主要竖向裂隙通道作为目标裂隙通道，由地面向位于目标裂隙通道上方的弯曲下沉带、目标裂隙通道竖向钻孔，在孔中布设高压水管，高压水管位于目标裂隙通道的部分开有出水喷头；
12.d2、利用高压水管进行水压控制在目标裂隙通道中进行高压水射流处理，将目标裂隙通道的大裂隙通道打碎成为n个开度更小的裂缝；
13.e、计算修复后研究矿区覆岩的渗水能力k
修
， 1≤i≤n，其中di表示裂缝i的开度，βi为裂隙i的长度；
14.f、评估修复后研究矿区覆岩渗透改善情况，渗透改善情况采用包括渗流能力降低量k
降
、渗流能力降低倍率b
降
两个指标，k
降
＝k
原-k
修
，
15.本发明步骤e可以按照如下方法进行替换：方法e采用如下方法计算修复后研究矿区覆岩的渗水能力k
修
：
16.e1、目标裂隙通道两壁岩土的吸水膨胀变形公式表示为δυ＝αδx/(x
l
+x)，δυ表示岩体体积变化量，α表示吸水膨胀系数，x
l
表示吸水膨胀的含水率修正参数，x表示总的含水率，δx表示吸水量.
17.e2、岩土体材料可近似看成为各向同性材料，其某一方向的线应变约为体应变的三分之一，具体的层状裂隙通道的开度减小系数定义为
18.e3、计算修复后研究矿区覆岩的渗水能力计算公式为：考虑到岩体碎裂吸水膨胀，修复后研究矿区覆岩的渗水能力k
修
，其中di表示裂缝i的开度，βi为裂隙i的长度，λ为具体的层状裂隙通道的开度减小系数。
19.本发明提供全面针对覆岩岩性硬度为坚硬、中硬、软弱、极软四个等级的分类计算，以本发明主要针对的覆岩岩性硬度为软弱为优选方案并提供如下计算方法：
20.覆岩岩性为软弱的冒落带高度公式如下：
21.hm＝100∑m/(6.2∑m+32)
±
1.5，其中m表示采高，单位m；
22.覆岩岩性为软弱的裂隙带高度公式如下：
23.h
l
＝100∑m/(3.1∑m+5)
±
4.0，其中m表示采高，单位m；
24.覆岩岩性为软弱的弯曲下沉带高度等于采深减去裂隙带高度。
25.本发明优选的步骤b方法包括：
26.向研究矿区覆岩发出超声波，根据超声波在研究矿区覆岩的三带结构中传播速度、振幅的区别识别三带结构的具体带层及带层的高度；若超声波在研究矿区覆岩三带结构某个带层具有明显波速变化，则判断该带层为裂隙带，同时根据超声波的波速变化记录情况得出裂隙带竖向裂隙通道的分布位置数据。
27.本发明优选的步骤d1中钻孔包括竖直孔和l型孔，竖直孔中布设的高压水管配合
为竖直形状的高压水管，l型孔中布设的高压水管配合为l型高压水管。
28.本发明优选的步骤d2中单个目标裂隙通道的高压水射流处理后打碎成为n 个开度为di、长度为βi的裂缝，则该目标裂隙通道的渗流能力降低倍率其中β
原
为目标裂隙通道裂隙长度，d
原
为目标裂隙通道开度，di表示裂缝i的开度，βi为裂隙i的长度。
29.本发明优选的目标裂隙通道的渗流能力降低量
30.一种采空区覆岩渗流能力计算与修复装置，所述装置包括：
31.获取模块，用于获取研究矿区覆岩的裂隙带竖向裂隙通道、弯曲下沉带的分布位置数据，获取模块内部按照覆岩岩性硬度等级构建有冒落带高度、裂隙带高度、弯曲下沉带高度的公式数据库，获取模块还用于获取研究矿区覆岩所对应的覆岩岩性硬度；
32.修复系统，筛选出的主要竖向裂隙通道进行竖向钻孔，在孔中布设高压水管，利用高压水管进行水压控制在目标裂隙通道中进行高压水射流处理，将目标裂隙通道的大裂隙通道打碎成为n个开度更小的裂缝；
33.处理模块，用于计算研究矿区覆岩修复前后的渗水能力，并计算得到渗流能力降低量、渗流能力降低倍率评估修复后研究矿区覆岩渗透改善情况。
34.一种电子设备，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至少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执行采空区覆岩渗流能力计算与修复方法的步骤。
35.本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
36.(1)本发明结合覆岩岩性硬度分类计算三带结构高度，通过超声波测试法进行裂隙测量并能计算得到覆岩渗流能力，利用高压水射流对主要竖向裂隙通道进行水力化碎胀处理，实现覆岩结构裂隙带人工修复与治理，为煤炭安全生产、含水层保护以及环境保护提供技术保障。
37.(2)本发明能够全面针对覆岩岩性硬度四个等级进行渗流能力计算与修复，尤其是对覆岩为弱胶结特征显著，岩层多为砂岩、砂质泥岩等水理效应显著的岩性，利用高压水射流技术对裂隙带和弯曲下沉带主要竖向通道裂隙进行水力化碎胀处理，有效阻抑导水裂隙带纵向传导过程。
附图说明
38.图1为实施例中研究矿区地质参数示意及修复高压水管布设示意图；
39.图2为实施例中岩体体积变化率与吸水率的关系图；
40.图3为本发明高压水射流处理的结构示意图；
41.图4为实施例中举例大裂隙通道打碎为小裂隙的对比示意图。
具体实施方式
42.下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
43.实施例
44.如图1～图4所示，采空区覆岩渗流能力计算与修复方法，其方法包括：
45.a、根据覆岩岩性硬度依次划分坚硬、中硬、软弱、极软四个等级，将研究矿区覆岩从下至上依次划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带的三带结构，根据研究矿区的地质参数(包括覆岩岩性硬度、工作面布置、开采参数)得出工作面覆岩的冒落带高度、裂隙带高度、弯曲下沉带高度，地质参数为研究矿区的覆岩岩性硬度并按照覆岩岩性硬度划分坚硬、中硬、软弱、极软的四个等级确定研究矿区的覆岩岩性硬度等级，研究矿区的工作面布置和开采参数如图1所示，研究矿区覆岩从下至上依次划分为冒落带3、裂隙带4和弯曲下沉带5的三带结构，采空区1大部分位于冒落带3下方位置，采空区1部分处于煤层2中，弯曲下沉带5上方可能具有离层7。经研究总结，覆岩层岩性按照覆岩岩性硬度呈现不同分布特性，为了应对所有覆岩岩性硬度的计算，本发明提供如下高度公式：覆岩岩性为坚硬的冒落带高度公式如下： hm＝100
×
∑m/(2.1
×
∑m+16)
±
2.5，其中m表示采高，覆岩岩性为坚硬的裂隙带高度公式如下：h
l
＝100∑m/(1.2∑m+2)
±
8.9，其中m表示采高，单位m；覆岩岩性为坚硬的弯曲下沉带高度等于采深减去裂隙带高度。覆岩岩性为中硬的冒落带高度公式如下：hm＝100∑m/(4.7∑m+19)
±
2.2，其中m表示采高，单位m；覆岩岩性为中硬的裂隙带高度公式如下： h
l
＝100∑m/(1.6∑m+3.6)
±
5.6，其中m表示采高，单位m；覆岩岩性为中硬的弯曲下沉带高度等于采深减去裂隙带高度。覆岩岩性为软弱的冒落带高度公式如下：hm＝100∑m/(6.2∑m+32)
±
1.5，其中m表示采高，单位m；覆岩岩性为软弱的裂隙带高度公式如下： h
l
＝100∑m/(3.1∑m+5)
±
4.0，其中m表示采高，单位m；覆岩岩性为软弱的弯曲下沉带高度等于采深减去裂隙带高度。覆岩岩性为极软弱的冒落带高度公式如下：hm＝100∑m/(7.0m+63)
±
1.2，其中m表示采高；覆岩岩性为极软弱的裂隙带高度公式如下： h
l
＝100∑m/(5m+8)
±
3.0，其中m表示采高；覆岩岩性为极软弱的弯曲下沉带高度等于采深减去裂隙带高度。本实施例选取中国西部矿区岩层为例，矿区岩层弱胶结特征显著，覆岩岩性为软弱，采高m选取8.6m，采深h为 200m。土层厚度范围为0～27m。根据表中公式计算得冒落带高度hm范围为8.6～ 11.6m，裂隙带高度h
l
范围为23.2～31.2m，弯曲下沉带高度范围为142～178m。
46.b、利用超声波测试法对研究矿区覆岩的三带结构进行测量(重点是针对三带结构的竖向裂隙通道进行分布测量并筛选出主要的竖向裂隙通道，在筛选出主要的竖向裂隙通道后，可以对冒落带、裂隙带和弯曲下沉带进行精准测量)，得到裂隙带竖向裂隙通道、弯曲下沉带的分布位置数据，裂隙带竖向裂隙通道的分布位置数据包括竖向裂隙通道位置数据与尺寸数据，弯曲下沉带的分布位置数据包括弯曲下沉带的位置、高度数据；从裂隙带竖向裂隙通道的分布位置数据中筛选出主要的竖向裂隙通道。在一些实施例中，步骤b方法包括：
47.向研究矿区覆岩发出超声波，根据超声波在研究矿区覆岩的三带结构中传播速度、振幅的区别识别三带结构的具体带层及带层的高度；若超声波在研究矿区覆岩三带结构某个带层具有明显波速变化，则判断该带层为裂隙带，同时根据超声波的波速变化记录情况得出裂隙带竖向裂隙通道的分布位置数据。以中国西部矿区岩层为例，获得覆岩裂隙带主要竖向裂隙通道高度为27～33.2m，开度为10cm，弯曲下沉带离层高度为157.2～157.8m离层高度为60cm。本发明采用按照覆岩层岩性进行理论计算和重点区域实际探测相结合，对于三带位置及结构有较为全面的了解，为打钻孔和导水管的铺设提供保障，省时省
力。
48.c、按照如下公式计算研究矿区覆岩的渗水能力k
原
:
49.k
原
＝βd3/12，其中β为裂隙长度，d为主要竖向裂隙通道开度；
50.d、对筛选出的主要竖向裂隙通道按照如下方法进行修复：
51.d1、以筛选出的主要竖向裂隙通道作为目标裂隙通道，由地面向位于目标裂隙通道上方的弯曲下沉带、目标裂隙通道竖向钻孔，在孔中布设高压水管，高压水管位于目标裂隙通道的部分开有出水喷头。在一些实施例中，步骤d1中钻孔包括竖直孔和l型孔，竖直孔中布设的高压水管配合为竖直形状的高压水管，l型孔中布设的高压水管配合为l型高压水管，竖直形状的高压水管与l型高压水管布设情况如图1所示，图1中标号6表示竖直孔或l型孔，标号8表示高压水管。
52.d2、利用高压水管进行水压控制在目标裂隙通道中进行高压水射流处理，将目标裂隙通道的大裂隙通道打碎成为n个开度更小的裂缝。如图3所示，在目标裂隙通道中布设高压水管8，高压水管8上的高压水喷头10置于目标裂隙通道中，高压水通过高压水管8传至目标裂隙通道内部，由高压水喷头10喷射而出，射入目标裂隙通道的侧壁岩层11，目标裂隙通道内部岩石碎胀12，将大裂隙通道打碎成为开度更小的裂缝13。
53.e、计算修复后研究矿区覆岩的渗水能力k
修
， 1≤i≤n，其中di表示裂缝i的开度，βi为裂隙i的长度。简单举例如下：若步骤d2中将目标裂隙通道的大裂隙通道打碎成为n个开度为d/n(如图4打碎对比所示)、裂隙长度βi的裂缝，目标裂隙通道原始的渗水能力k
原
＝βd3/12，一般来说βi会小于目标裂隙通道的长度，故此可以看出修复后目标裂隙通道的渗水能力至少降低了n2倍。明显减少主裂缝通道，增加复杂的次生小裂缝，能够实现有效抑制地下水渗流目的。以中国西部矿区岩层为例，通过高压水射流处理的一条开度为10cm的主裂隙变为10个开度为0.7cm 的次生裂隙，渗透能力由k减小为343k/100000，大大缩小了，因此，对裂隙进行水力化打散之后，碎裂岩石吸水膨胀，可有效阻抑导水裂隙带纵向传导过程。
54.在一些实施例中，方法e采用如下方法计算修复后研究矿区覆岩的渗水能力k
修
：
55.e1、目标裂隙通道两壁岩土的吸水膨胀变形公式表示为δυ＝αδx/(x
l
+x)，δυ表示岩体体积变化量，α表示吸水膨胀系数，x
l
表示吸水膨胀的含水率修正参数，x表示总的含水率，δx表示吸水量.
56.e2、岩土体材料可近似看成为各向同性材料，其某一方向的线应变约为体应变的三分之一，如图2所示，具体的层状裂隙通道的开度减小系数定义为
57.e3、计算修复后研究矿区覆岩的渗水能力计算公式为：考虑到岩体碎裂吸水膨胀，修复后研究矿区覆岩的渗水能力k
修
，其中di表示裂缝i的开度，βi为裂隙i的长度，λ为具体的层状裂隙通道的开度减小系数。
58.f、评估修复后研究矿区覆岩渗透改善情况，渗透改善情况采用包括渗流能力降低量k
降
、渗流能力降低倍率b
降
两个指标，k
降
＝k
原-k
修
，
59.在一些实施例中，步骤d2中单个目标裂隙通道的高压水射流处理后打碎成为n个开度为di、长度为βi的裂缝，则该目标裂隙通道的渗流能力降低倍率其中β
原
为目标裂隙通道裂隙长度，d
原
为目标裂隙通道开度，di表示裂缝i的开度，βi为裂隙i的长度。简单举例如下：若将目标裂隙通道的大裂隙通道打碎成为n个开度为(1-δυ)d/n、裂隙长度β(假如打碎的裂缝长度取目标裂隙通道开始的裂隙长度，实际上是远小于的)的裂缝，目标裂隙通道原始的渗水能力k
原
＝βd3/12，根据公式计算得到，修复后目标裂隙通道的渗水能力至少降低了n2倍。目标裂隙通道的渗流能力降低量渗流能力降低量也大大降低了。本发明修复方法对裂隙进行水力化打散之后，碎裂岩石吸水膨胀，可有效阻抑导水裂隙带纵向传导过程。
60.一种采空区覆岩渗流能力计算与修复装置，所述装置包括：
61.获取模块，用于获取研究矿区覆岩的裂隙带竖向裂隙通道、弯曲下沉带的分布位置数据，获取模块内部按照覆岩岩性硬度等级构建有冒落带高度、裂隙带高度、弯曲下沉带高度的公式数据库，获取模块还用于获取研究矿区覆岩所对应的覆岩岩性硬度；
62.修复系统，筛选出的主要竖向裂隙通道(从研究矿区覆岩的所有裂隙进行筛选)进行竖向钻孔，在孔中布设高压水管，利用高压水管进行水压控制在目标裂隙通道中进行高压水射流处理，将目标裂隙通道的大裂隙通道打碎成为n 个开度更小的裂缝；
63.处理模块，用于计算研究矿区覆岩修复前后的渗水能力，并计算得到渗流能力降低量、渗流能力降低倍率评估修复后研究矿区覆岩渗透改善情况。
64.一种电子设备，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至少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执行本发明采空区覆岩渗流能力计算与修复方法的步骤。
65.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。