申请/专利权人：六盘水师范学院

申请日：2018-10-29

公开（公告）日：2021-06-01

公开（公告）号：CN109190854B

主分类号：G06Q10/04(20120101)

分类号：G06Q10/04(20120101);G06F30/20(20200101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.06.01#授权;2019.02.12#实质审查的生效;2019.01.11#公开

摘要：本发明涉及矿井水文地质领域，公开一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，步骤一：确定煤层开采底板直接充水含水层；步骤二：确定预测工作面的直接充水含水层的Q～S曲线类型；步骤三：获取预测工作面的参数；步骤四：获取与所述预测工作面比拟的采煤工作面的参数；步骤五：利用步骤三和步骤四的参数预测底板充水采煤工作面的涌水量Q1；步骤六：依据预测的底板充水采煤工作面的涌水量Q1布置工作面排水系统，使得工作面排水系统的排水能力Q2不小于λQ1，λ为安全系数。本发明的方法具有以下特点：操作简单、易实施；考虑充水含水层的水文地质条件，预测更准确；能够与水文地质条件有一定差别的工作面进行类比，可参考范围更广。

主权项：1.一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：确定煤层开采底板直接充水含水层；步骤二：确定预测工作面的直接充水含水层的Q～S曲线类型；步骤三：获取预测工作面的参数，该参数包括预测工作面面积F1、预测工作面直接充水含水层从原始水位降低至煤层底板时的水位降低值S1以及预测工作面的直接充水含水层的水文地质条件系数值c1，c1通过步骤二获得的Q～S曲线获取；步骤四：获取与所述预测工作面比拟的采煤工作面的参数，该参数包括比拟的采煤工作面面积F0、比拟的采煤工作面直接底板充水含水层从原始水位降低至煤层底板时的水位降低值S0以及比拟的采煤工作面直接充水含水层的水文地质条件系数值c0；c0是在比拟的采煤工作面开采以前，通过比拟工作面的单孔放水试验获得相应的Q～S曲线获取；所述比拟的采煤工作面的单孔放水试验的Q～S曲线类型与所述预测工作面的单孔放水试验的Q～S曲线类型一致；步骤五：预测底板充水采煤工作面的涌水量Q1： 步骤六：依据预测的底板充水采煤工作面的涌水量Q1布置工作面排水系统，使得工作面排水系统的排水能力Q2不小于λQ1，λ为安全系数，Q0为开采后工作面涌水量实测值。

全文数据：一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法技术领域本发明涉及矿井水文地质领域，尤其涉及煤矿底板充水多因素比拟预测采煤工作面涌水量的方法。背景技术采煤工作面排水能力的设计取决于采煤工作面涌水量的大小，若预测的工作面涌水量偏小，会造成工作面突水事故，若预测的涌水量偏大，则造成排水系统闲置、效率低下。特别是煤层底板充水的工作面，我国煤层底板充水含水层多为岩溶裂隙含水层，其重要特征是不均一性，即预测底板充水工作面涌水量时，传统的“比拟法”存有缺陷。传统的“比拟法”预测涌水量主要考虑水文条件类似的工作面，依据开采面积的不同、含水层降深不同，来预测未来工作面的涌水量，虽然比较贴近实际，但是水文地质条件完全类似在很多情况下难以达到，且水文地质条件相似程度无法评估，使得预测结果与实际有差距。综合以上，目前预测底板充水工作面涌水量的方法存在以下几点问题：1传统的“比拟法”难以寻找水文地质条件完全相似的工作面，实施预测工作面困难；2传统的“比拟法”，只考虑工作面开采的面积和含水层降深，对水文地质条件包括含水层补给性、渗透性的相似程度不予考虑，使得工作面涌水量预测存在偏差。发明内容本发明为了解决上述问题，提供一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法。本发明采用的技术方案如下：一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，包括下述步骤：步骤一：确定煤层开采底板直接充水含水层；步骤二：确定预测工作面的直接充水含水层的Q～S曲线类型；步骤三：获取预测工作面的参数，该参数包括预测工作面面积F1、预测工作面直接充水含水层从原始水位降低至煤层底板时的水位降低值S1以及预测工作面的直接充水含水层的水文地质条件系数值c1，c1通过步骤二获得的Q～S曲线获取；步骤四：获取与所述预测工作面比拟的采煤工作面的参数，该参数包括比拟的采煤工作面面积F0、比拟的采煤工作面直接底板充水含水层原始水位降低至煤层底板的水位降低值S0以及比拟的采煤工作面直接充水含水层的水文地质条件系数值c0；c0是在比拟的采煤工作面开采以前，通过比拟工作面的单孔放水试验获得相应的Q～S曲线获取；所述比拟的采煤工作面的单孔放水试验的Q～S曲线类型与所述预测工作面的单孔放水试验的Q～S曲线类型一致；步骤五：预测底板充水采煤工作面的涌水量Q1：步骤六：依据预测的底板充水采煤工作面的涌水量Q1布置工作面排水系统，使得工作面排水系统的排水能力Q2不小于λQ1，λ为安全系数。步骤一的具体过程如下：计算煤层底板含水层突水系数值TS，煤层底板含水层突水系数值TS大于等于临界突水系数TS0的含水层为底板直接充水含水层。煤层底板含水层突水系数值TS的计算方法如下：其中，P为煤层底板至含水层之间的隔水层承受的底板含水层给予的水压；M为煤层底板至含水层之间的隔水层厚度。临界突水系数TS0的取值为0.06～0.10。步骤二的具体过程如下：对预测工作面的直接充水含水层采用同一个钻孔，钻孔孔径大于等于91mm，对直接充水含水层层位进行不同放水量Q的单孔放水试验3次以上，分别测定钻孔内含水层水位降深值S，并采用最小二乘法分别拟合直线型曲线方程Q＝qS、抛物线型曲线方程S＝aQ+bQ2、幂函数型曲线方程Q＝nSm和对数曲线方程型Q＝c+dlgS，其中q、a、b、c、d、m与n为待定系数；分别计算各拟合曲线方程的拟合度R12、R22、R32和R42，选择拟合度最大的拟合曲线方程为预测工作面的直接充水含水层的Q～S曲线类型。步骤三中，预测工作面的直接充水含水层的水文地质条件系数值c1获取过程如下：在步骤二获得的Q～S曲线上找出水位降低值为S1时所对应的钻孔放水量Q′，有则其中，预测工作面的单孔放水试验产生的多次钻孔内含水层水位低值的最大值的1.5～10倍均须大于预测工作面的水位降低值S1。步骤四中，c0通过比拟工作面的单孔放水试验获得相应的Q～S曲线获取的过程如下：在比拟工作面的单孔放水试验获得相应的Q～S曲线上找到水位降低值S1时所对应的钻孔放水量Q′0，有则其中，比拟工作面的单孔放水试验产生的多次钻孔水位降低值的最大值的1.5～10倍均须大于比拟的工作面的水位降低值S0及预测工作面的水位降低值S1。步骤六中，λ的取值为1.2～1.5。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：传统的比拟法预测底板充水占绝对优势的采煤工作面涌水量时，只考虑直接充水含水层降深S和工作面开采面积F，认为工作面涌水量Q与降深S和开采面积F的12次方成正比，但工作面底板充水含水层由于补给性能和渗透性能差距很大，使得传统预测方法存在弊端。本发明的底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法先确定煤层开采中预测工作面底板直接充水含水层，再确定预测工作面底板直接充水含水层的Q～S曲线类型，Q～S曲线中包含有工作面不同的水文地质条件信息，因此可提高涌水量预测的精度。而水文地质条件系数值是钻孔内的直接充水含水层在相同降低值S1和相同孔径的前提下，降低1个单位深度下的钻孔涌水量，且该值是源于在不同钻孔涌水量和钻孔内含水层降深的试验经验公式上获取的，因此能够表征直接充水含水层在该区域的补给性和渗透性。所以，考虑含水层水文地质条件的底板充水工作面涌水量预测是考虑了底板含水层条件类型和数值差异的预测，相比传统预测方法更加接近实际。因此本发明的方法还具有：1操作简单、易实施；2考虑充水含水层的水文地质条件，预测更准确；3能够与水文地质条件有一定差别的工作面进行类比，可参考范围更广。附图说明图1是本发明底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法的流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。如图1所示，本发明的底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，包括下述步骤：步骤一：确定煤层开采底板直接充水含水层。具体过程为：针对底板充水占绝对优势的采煤工作面，依据煤田勘探资料计算煤层底板含水层突水系数值TS、煤层底板含水层突水系数值TS大于等于临界突水系数TS0的含水层为底板直接充水含水层，TS0为0.06～0.10。煤层底板含水层突水系数TS的计算方法如下：其中，P为煤层底板至含水层之间的隔水层承受的底板含水层给予的水压，单位MPa；M为煤层底板至含水层之间的隔水层厚度，单位m。步骤二：确定预测工作面的直接充水含水层的Q～S曲线类型。具体过程为：对预测工作面的直接充水含水层采用有代表性的同一个钻孔，钻孔孔径大于等于91mm，对直接充水含水层层位进行不同放水量Q的单孔放水试验3次以上，分别测定钻孔内含水层水位降深S值，并采用最小二乘法分别拟合直线型曲线方程Q＝qS、抛物线型曲线方程S＝aQ+bQ2、幂函数曲线型曲线方程Q＝nSm和对数曲线型曲线方程Q＝c+dlgS，分别计算各拟合曲线方程的拟合度R12、R22、R32和R42，其中q、a、b、c、d、m与n为待定系数，拟合度最大的拟合方程选定为预测工作面的直接充水含水层的Q～S曲线类型，即预测工作面的直接充水含水层的Q～S曲线为直线型、抛物线型、幂函数曲线型或对数曲线型4个中的1个。步骤三：获取预测的采煤工作面的多个参数。参数包括预测的采煤工作面面积F1单位为m2、预测的采煤工作面直接充水含水层从原始水位降低至煤层底板时的水位降低值S1单位为m及预测工作面的直接充水含水层的水文地质条件系数值c1无量纲。其中c1采用预测工作面的单孔放水试验获取的拟合度最高的Q～S曲线1，在Q～S曲线1上找出降深为S1时曲线对应的钻孔放水量Q1’单位L·s-1，依照如下方法计算得出：其中，预测工作面的单孔放水试验产生的多次钻孔内含水层水位降深的最大值的1.5～10倍均须大于预测工作面的水位降低值S1。步骤四：获取与所述预测工作面比拟的采煤工作面的多个参数。该比拟的采煤工作面可以不与预测的工作面地质条件完全一致，但单孔放水试验的Q～S曲线类型应与所述预测工作面的单孔放水试验的Q～S曲线类型一致。获取的比拟的采煤工作面的参数包括比拟的采煤工作面面积F0单位为m2、比拟的采煤工作面直接底板充水含水层原始水位降低至煤层底板的水位降低值S0单位为m、比拟的采煤工作面直接充水含水层的水文地质条件系数值c0无量纲及开采后工作面涌水量实测值Q0单位为m3h。其中，c0的获取是在比拟的工作面开采以前，通过比拟工作面的单孔放水试验获得相应的Q～S曲线2，在Q～S曲线2上找到降深S1对应的钻孔放水量Q0’单位为L·s-1，依照如下方法计算得出：其中，比拟工作面的单孔放水试验产生的多次钻孔水位降深的最大值的1.5～10倍均须大于比拟的工作面的水位降低值S0及预测工作面的水位降低值S1。步骤五：预测底板充水采煤工作面的涌水量Q1，单位为m3h，采用如下方法步骤六：依据预测的工作面涌水量布置工作面排水系统，使得正常排水能力Q2大于预测的工作面涌水量Q1的1.2～1.5倍，从而保证工作面回采时涌水能够及时排出，避免水害发生。本发明底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法的运行原理如下：传统的比拟法预测底板充水占绝对优势的采煤工作面涌水量时，只考虑直接充水含水层降深S和工作面开采面积F，认为工作面涌水量Q与降深S和开采面积F的12次方成正比，但工作面底板充水含水层由于补给性能和渗透性能差距很大，使得传统预测方法存在弊端。在预测工作面进行单孔放水试验，确定预测工作面的水文地质条件类型，并求取底板含水层水文地质条件系数值。水文地质条件类型考虑的4种Q～S曲线类型是最为常见的4种含水层条件类型，代表了4种典型水文地质条件，因此在选取比拟工作面时依照不同的水文地质条件有差别的选择，可提高涌水量预测的精度。而水文地质条件系数值是钻孔内的直接充水含水层在相同降深S1和相同孔径大于等于91mm的前提下，降低1个单位深度下的钻孔涌水量，且该值是源于在不同钻孔涌水量和钻孔内含水层降深的试验经验公式上获取的，因此能够表征直接充水含水层在该区域的补给性和渗透性。所以，考虑含水层水文地质条件的底板充水工作面涌水量预测是考虑了底板含水层条件类型和数值差异的预测，相比传统预测方法更加接近实际。实施例：本实施例以某矿的5203工作面涌水量预测为例，步骤如下：步骤一：某矿的5203工作面受底板水害威胁，其下K2含水层给予隔水的水压为1.1MPa，隔水层厚度为10m，计算得出煤层底板含水层突水系数值TS＝0.11，大于矿区的临界突水系数值TS0＝0.6，因此判断K2含水层为5203工作面的底板直接充水含水层。步骤二：对5203工作面在同一个位置，进行单孔放水试验，试验采用的钻孔孔径为91mm，试验层位为K2含水层，试验4次，其结果如下表：孔内水位降深Sm1.85.47.910.5钻孔流量QL·s-198188211250采用最小二乘法对上述4种曲线类型分别进行拟合，得到直线型的拟合度R12＝0.960，抛物线型的拟合度R22＝0.989，幂函数型的拟合度R32＝0.991最大，对数曲线型的拟合度R42＝0.990，因此可以判断5203工作面的直接充水含水层的Q～S曲线类型为幂函数型，其Q～S曲线1的方程为Q＝73.05S0.527。步骤三：5203工作面的走向长为1200m，倾向长为100m，可计算5203工作面的面积F1＝120000m2，当工作面开采时K2含水层会降低S1＝100m，Q～S曲线1上S＝S1＝100m时，对应的钻孔放水量Q1’＝Q＝827L·s-1，预测工作面的水文地质条件系数值c1＝8.27。步骤四：同一个矿井5202工作面与5203工作面的Q～S曲线类型不一致，而5201工作面与5203工作面的Q～S曲线类型一致，因此选取5201工作面作为比拟的采煤工作面。通过测量得到5201工作面采煤工作面面积F0＝1100╳110＝121000m2，通过钻孔柱状图获取比拟的采煤工作面直接底板充水含水层原始水位降低至煤层底板的水位降低值S0＝92m，通过5201工作面单孔放水实验获取比拟的采煤工作面直接充水含水层的水文地质条件系数值c0＝7.32，开采后工作面涌水量实测值Q0＝834m3h。步骤五：预测底板充水采煤工作面的涌水量Q1如下：步骤六：依据预测的工作面涌水量布置工作面排水系统，使得正常排水能力Q2＝1200m3h大于预测的工作面涌水量Q1的1.2倍，从而保证工作面回采时涌水能够及时排出，避免水害发生。实际5203工作面开采过程中的涌水量达到982m3h，若采用传统的水文地质比拟法预测涌水量865.9m3h，本次使用的方法准确率更高，对水害的防治更为有效。

权利要求：1.一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：确定煤层开采底板直接充水含水层；步骤二：确定预测工作面的直接充水含水层的Q～S曲线类型；步骤三：获取预测工作面的参数，该参数包括预测工作面面积F1、预测工作面直接充水含水层从原始水位降低至煤层底板时的水位降低值S1以及预测工作面的直接充水含水层的水文地质条件系数值c1，c1通过步骤二获得的Q～S曲线获取；步骤四：获取与所述预测工作面比拟的采煤工作面的参数，该参数包括比拟的采煤工作面面积F0、比拟的采煤工作面直接底板充水含水层原始水位降低至煤层底板的水位降低值S0以及比拟的采煤工作面直接充水含水层的水文地质条件系数值c0；c0是在比拟的采煤工作面开采以前，通过比拟工作面的单孔放水试验获得相应的Q～S曲线获取；所述比拟的采煤工作面的单孔放水试验的Q～S曲线类型与所述预测工作面的单孔放水试验的Q～S曲线类型一致；步骤五：预测底板充水采煤工作面的涌水量Q1：步骤六：依据预测的底板充水采煤工作面的涌水量Q1布置工作面排水系统，使得工作面排水系统的排水能力Q2不小于λQ1，λ为安全系数。2.根据权利要求1所述的一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，其特征在于，步骤一的具体过程如下：计算煤层底板含水层突水系数值TS，煤层底板含水层突水系数值TS大于等于临界突水系数TS0的含水层为底板直接充水含水层。3.根据权利要求2所述的一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，其特征在于，煤层底板含水层突水系数值TS的计算方法如下：其中，P为煤层底板至含水层之间的隔水层承受的底板含水层给予的水压；M为煤层底板至含水层之间的隔水层厚度。4.根据权利要求2所述的一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，其特征在于，临界突水系数TS0的取值为0.06～0.10。5.根据权利要求1所述的一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，其特征在于，步骤二的具体过程如下：对预测工作面的直接充水含水层采用同一个钻孔，钻孔孔径大于等于91mm，对直接充水含水层层位进行不同放水量Q的单孔放水试验3次以上，分别测定钻孔内含水层水位降深值S，并采用最小二乘法分别拟合直线型曲线方程Q＝qS、抛物线型曲线方程S＝aQ+bQ2、幂函数型曲线方程Q＝nSm和对数型曲线方程Q＝c+dlgS，其中q、a、b、c、d、m与n为待定系数；分别计算各拟合曲线方程的拟合度R12、R22、R32和R42，选择拟合度最大的拟合曲线方程为预测工作面的直接充水含水层的Q～S曲线类型。6.根据权利要求1所述的一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，其特征在于，步骤三中，预测工作面的直接充水含水层的水文地质条件系数值c1获取过程如下：在步骤二获得的Q～S曲线上找出水位降低值为S1时所对应的钻孔放水量Q′，有则其中，预测工作面的单孔放水试验产生的多次钻孔内含水层水位低值的最大值的1.5～10倍均须大于预测工作面的水位降低值S1。7.根据权利要求1所述的一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，其特征在于，步骤四中，c0通过比拟工作面的单孔放水试验获得相应的Q～S曲线获取的过程如下：在比拟工作面的单孔放水试验获得相应的Q～S曲线上找到水位降低值S1时所对应的钻孔放水量Q0′，有则其中，比拟工作面的单孔放水试验产生的多次钻孔水位降低值的最大值的1.5～10倍均须大于比拟的工作面的水位降低值S0及预测工作面的水位降低值S1。8.根据权利要求1所述的一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法，其特征在于，步骤六中，λ的取值为1.2～1.5。

百度查询： 六盘水师范学院 一种底板充水多因素比拟预测工作面涌水量的方法

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