一种深部高-超高压底板突水多区段综合预测方法

本发明涉及煤矿开采水害预测预报，具体涉及一种深部高-超高压底板突水多区段综合预测方法。

背景技术：

1、煤炭是我国的重要能源，早期华北产煤区面临严重的底板奥陶系灰岩含水层突水问题，威胁着开采安全。为此在上世纪60年代的焦作水文地质会战中广大研究者通过大量现场实践总结出了一种规律性方法——突水系数法，明确用突水系数ts(底板隔水层承受的水头值除以隔水层厚度)的两个临界值(0.06mpa/m以及0.1mpa/m)来进行突水风险预测。该方法最终被引入《煤矿防治水细则》并一直沿用在预测底板突水风险中，在一般水压(小于3mpa)下基本符合实际。

2、由于我国对煤炭长期大量的需求，浅部资源逐渐枯竭，深部开采已成为必然趋势。“深部”不仅指煤层埋深的加大，深部地质体处在高地应力、高渗透压、复杂水化学、复杂地质构造等地质环境中，其工程地质属性较浅部有显著差异。深部开采中，底板岩层在高围压下卸荷产生底板破坏带，加之某些煤田的下组煤埋深可达千米以上，奥灰水水压为3.0～6.0mpa的“高压水”甚至6.0mpa以上的一种底板“超高压水”，形成较高的导升带高度，尤其是底板突水事故绝大部分与底板不良构造有关，求得的系数远远大于规范规程中所规定的存在构造时的阈值0.06mpa/m，甚至常常大于0.1mpa/m，因此仅依靠目前的两个阈值难以评价“深部”中底板水压较大、隔水层较厚这类更加复杂地质条件下的采煤安全。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种深部高-超高压底板突水多区段综合预测方法，其能够解决“深部”高-超高压煤炭开采中突水风险难以预测的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种深部高-超高压底板突水多区段综合预测方法，包括以下步骤：

4、s1、收集矿井煤层开采底板突水统计案例作为样本点，拟合出一条临界线作为突水预测线；

5、s2、建立结构力学模型，基于极限平衡理论得到水压和隔水层厚度之间的临界方程，验证突水预测线；

6、s3、收集相关的水文地质数据；

7、s4、综合突水预测线和现有突水系数法的两个阈值，制定突水预测评价标准；

8、s5、进行突水风险预测分区评价。

9、优选地，步骤s1中，收集全国矿井巷道掘进和工作面回采时底板突水灾害的实例，包括调查数据结果和文献样本；分别以隔水层厚度为横坐标、以底板测得的突水水压为纵坐标，形成底板涌突水案例分布，对突水系数法阈值0.06mpa/m以下的点进一步的分类，得到一条突水临界曲线：

10、p＝0.00207m2-0.03922m+0.1112

11、预测线形式上符合一元二次抛物线。

12、优选地，步骤s2中，建立结构力学模型，基于极限平衡理论获取临界状态下断层破碎带受到的外部剪切力和内部的抗剪力平衡关系式：

13、f＝tsinβ

14、其中，f为断层底界面的外部总剪切力；t为断层破碎带与岩层的内部抗剪力；

15、按照下式获取断层底界面外部的总剪切力f为：

16、f＝[p-γ(m+h)]ld

17、p＝p0+γw(m+h)；

18、其中，p为作用在断层底面的水压；γ为断层破碎带物质的平均容重；m、h分别为底板破坏带和隔水层的厚度；l为断层的水平断距；d为工作面斜长；p0为实测的底板顶面的水压；γw为地下水的容重，常取值1；

19、按照下式获取底板岩体内部抗剪力为：

20、t＝2τdm

21、τ＝c+σetanφ

22、

23、其中，τ为断层面上抗剪强度；c为断层破碎带的内摩擦力；σe为断层破坏面上的法向应力；φ为内摩擦角；ξ为侧压系数；

24、建立水压和隔水层厚度之间关系式：

25、

26、即，

27、规定令式中

28、

29、

30、c＝(γ-1)h；

31、则p＝am2-bm+c，验证得到临界水压力值与底板隔水层厚度的关系符合一元二次方程。

32、优选地，步骤s3中，收集的数据煤层底界面距离含水层顶界面的厚度m和含水层的水位值，根据含水层水位值计算水压p。

33、优选地，步骤s4中，针对很多“深部”高-超高压水上煤层开采水文地质勘探点的数据，仅依靠更改阈值后的预测线不能够很好适用，综合采用突水预测线和突水系数法的两个阈值，提出一种多区段分类综合预测方法，分为三个风险区，具体评价标准为:

34、当p<0.00207m2-0.03922m+0.1112，15m<m<46.78m；或p<0.06m，m>46.78m时，定为低风险区；

35、当0.00207m2-0.03922m+0.1112<p<0.1m，0m<m<46.78m；或0.06m<p<0.1m，46.78m<m<66.45m；或0.00207m2-0.03922m+0.1112<p，66.45m<m，定为中等-高风险区；

36、当p>0.1m，0m<m<66.45m或p>0.00207m2-0.03922m+0.1112，66.45m<m，定为极高风险区。

37、其中，ts的单位mpa/m，m的单位为m，p的单位为mpa。

38、优选地，步骤s5中，对工作面进行底板突水预测评价时，在工作面范围内或附近选取至少3个水文地质孔进行突水风险预测评价，取最高危险等级的预测结果作为工作面的突水风险预测评价结果；对整个矿区进行突水风险预测评价时，令i＝0.00207m2-0.03922m+0.1112-p，利用插值法绘制整个研究区突水系数和i值的等值线图，然后将两个等值线图进行叠加，利用叠加后的图按风险预测标准划分矿区底板突水不同风险区域。

39、本发明的有益效果在于：针对现有突水系数法评价开采风险已经不能完全适用于“深部”高-超高煤层开采，本发明在突水系数方法的基础上，结合突水模型力学分析和大量据统计处理，引入了一条新的突水预测线作为阈值，作为突水系数法的补充，建立了一种“深部”高-超高压底板突水多区段综合预测方法评价标准，从而更加准确高效的对矿井“深部”高-超高压水上煤层开采进行突水风险分区评价，对实现安全采矿具有重要意义。

技术特征：

1.一种深部高-超高压底板突水多区段综合预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种深部高-超高压底板突水多区段综合预测方法，其特征在于：步骤s1中，收集全国矿井巷道掘进和工作面回采时底板突水灾害的实例，包括调查数据结果和文献样本；分别以隔水层厚度为横坐标、以底板测得的突水水压为纵坐标，形成底板涌突水案例分布，对突水系数法阈值0.06mpa/m以下的点进一步的分类，得到一条突水临界曲线：

3.如权利要求2所述的一种深部高-超高压底板突水多区段综合预测方法，其特征在于：步骤s2中，建立结构力学模型，基于极限平衡理论获取临界状态下断层破碎带受到的外部剪切力和内部的抗剪力平衡关系式：

4.如权利要求3所述的一种深部高-超高压底板突水多区段综合预测方法，其特征在于：步骤s3中，收集的数据煤层底界面距离含水层顶界面的厚度m和含水层的水位值，根据含水层水位值计算水压p。

5.如权利要求4所述的一种深部高-超高压底板突水多区段综合预测方法，其特征在于：步骤s4中，针对很多“深部”高-超高压水上煤层开采水文地质勘探点的数据，仅依靠更改阈值后的预测线不能够很好适用，综合采用突水预测线和突水系数法的两个阈值，提出一种多区段分类综合预测方法，分为三个风险区，具体评价标准为:

6.如权利要求1所述的一种深部高-超高压底板突水多区段综合预测方法，其特征在于：步骤s5中，对工作面进行底板突水预测评价时，在工作面范围内或附近选取至少3个水文地质孔进行突水风险预测评价，取最高危险等级的预测结果作为工作面的突水风险预测评价结果；对整个矿区进行突水风险预测评价时，令i＝0.00207m2-0.03922m+0.1112-p，利用插值法绘制整个研究区突水系数和i值的等值线图，然后将两个等值线图进行叠加，利用叠加后的图按风险预测标准划分矿区底板突水不同风险区域。

技术总结
本发明公开了一种深部高‑超高压底板突水多区段综合预测方法，包括：收集矿井煤层开采底板突水统计案例作为样本点，拟合出一条临界线作为突水预测线；建立结构力学模型，基于极限平衡理论得到水压和隔水层厚度之间的临界方程，验证突水预测线；收集相关的水文地质数据；综合突水预测线和现有突水系数法的两个阈值，制定突水预测评价标准；进行突水风险预测分区评价。本发明在突水系数方法的基础上，结合突水模型力学分析和大量据统计处理，引入了一条新的突水预测线作为阈值，作为突水系数法的补充，建立了本方法评价标准，从而更加准确高效的对矿井“深部”高‑超高压水上煤层开采进行突水风险分区评价，对实现安全采矿具有重要意义。

技术研发人员：乔伟,刘英杰,管彦太,吕玉广,汪祯,谢俊霞,刘梦楠
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14