CN104569352B - 奥灰顶部充填带结构判别指标的确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种奥灰顶部充填带结构判别指标的确定方法,属于含水层地质结构判别指标的确定方法。将埋深深度大于等于300m的下组煤煤田基底,即奥灰顶部充填带划分为3种类型:隔水充填带、弱隔水充填带、富水带;隔水充填带可直接作为隔水层利用,弱隔水充填带可以通过注浆改造为隔水层后加以利用。二者的判别及发育深度的确定,对深部矿井下组煤开采奥灰水害防治意义重大;依据钻孔单位涌水量q值、井下钻孔放水试验Q值、渗透试验K值,划分奥灰顶部隔水充填带类型,给出了各类型判别指标的确定方法。优点:本发明的结构判别指标均是从常规水文试验中获取,获取方法相对简单,易于现场人员操作,便于现场应用实践,应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种含水地质结构判别指标及确定方法,特别是一种奥灰顶部充填带结构判别指标及确定方法。
背景技术
奥陶系灰岩一直作为华北型煤田区域上强含水层,是下组煤开采水害威胁的主要对象。且随着采深增加,水压增高,危险性越来越大。据估算,我国华北型煤田受深部高承压奥灰水威胁(突水系数大于0.1MPa/m)的煤炭地质储量约150亿吨。因此,如何实现下组煤安全带压开采,降低开采成本是近年来华北型煤田探索的目标。
新世纪年以前,学者多把焦点放在下组煤开采奥灰突水危险性评价或突水的机理研究上,忽略了奥陶系灰岩顶部为古风化壳、其地质组成结构和充填特征在许多矿井(区)可作为隔水层、弱隔(透)水层(适宜注浆改造为隔水层)的意义。新世纪以来,随着华北型煤田一些矿井开采深度已接近奥灰突水系数临界值,这样导致很大一部分埋深较大的下组煤不能被释放出来。如何实现下组煤的安全开采成为该阶段所面临的问题。基于大量的现场抽(放)水试验,表明有些钻孔初进奥灰时水量很小或无水,表明奥灰顶部为低渗介质,可以作为隔水层直接加以利用。而现场抽、放水试验也表明,一部分钻孔在进入奥灰顶部时出水量中等或出水量与下伏奥灰强含水层无区别,这表明充填带的渗透性差异较大,不能笼统的当做隔水层加以利用。从岩体结构控制渗流角度出发,认为该带结构是控制充填带表现不同渗透性的关键因素。
奥灰顶部充填带的类型划分及其隔水性利用,已被逐渐认识和少数开采实践矿井证实。但如何确定充填带的类型,目前主要是利用钻探取芯观察描述、裂隙统计等方法大致、定性划分充填带类型,人为主观因素较大,缺乏定量指标确定方法。
发明内容
本发明的目的是要提供一种奥灰顶部充填带结构判别指标的确定方法,解决利用钻探取芯观察描述、裂隙统计方法大致、定性划分充填带类型,人为主观因素较大,缺乏定量指标确定方法的问题。
本发明的目的是这样实现的:本发明的奥灰顶部充填带结构判别指标的确定方法:
一、首先确定连续充填、断续充填和无充填三种充填带结构,依据三种充填带结构,确定判别指标为:钻孔单位涌水量q、井下放水量Q和奥灰层段渗透系数K;然后再根据三种充填带结构对应不同的隔水性能分别确定各指标的阈值;具体步骤如下:
1、首先对充填带野外露头进行大量取样,调查充填带裂隙的被泥质充填情况,提出充填带依据裂隙被充填的程度,识别为:连续充填、断续充填和无充填三种充填带结构;三种充填带结构所对应的充填带类型分别为隔水型、弱透水型和富水型;
2、当充填带埋深深度大于等于300m时,依据抽、放水试验而确定充填带结构的三种指标,即:钻孔单位涌水量q、井下放水量Q和奥灰层段渗透系数K;
2-1、钻孔单位涌水量q指标的获取:地面钻孔根据岩芯采取率、冲洗液消耗量及泥质发育程度,综合确定充填带的发育终止深度;确定岩性采取率小于50%,泥质发育的终止深度,为充填带的发育终止深度;从而确定抽水试验的层段为自进入奥灰至该深度的层段,依据公式(1)计算得该层段的q值;
式中,Q为井流量,m3/s;M为抽水层段厚度,m;R为影响半径,m;rw为抽水井的半径,m;
2-2、井下放水量Q指标的获取:对井下钻孔进行放水试验,每2m记录该层段的放水量;对没有如此大密度记录的井下放水试验,应对所记录的放水量Q,进行拟合分析,以某一放水钻孔的拟合公式进行说明,公式(2)得到自进入进奥灰各深度的放水量值;
Q=63.56ln(x)-483.8 (2)
式中,x为进入奥灰的深度,m;Q为进入到奥灰各深度的放水量,也即井下放水量m3/s;
2-3、渗透系数K的获取:对井下钻孔进行放水试验,分别记录各层段的稳定水压P1、及放水过程中阀门关死时的瞬时水压P2,即代表该层段放水试验过程中的水压值,计算出放水过程中的实际降深值S,依据公式(3)(4),计算得出该层段的渗透系数K;
式中,K为渗透系数,cm/s;Sw为井中水位降深,m;其他参数与公式(1)意义相同;
3、钻孔单位涌水量q指标、井下放水量Q指标与渗透系数K指标的阈值的确定方法,具体步骤如下:
3-1、确定钻孔单位涌水量q的阈值:因连续充填结构为隔水的,在抽水试验中q<0.001L/s.m时,抽水层段表现隔水,确定q<0.001L/s.m的层段为隔水型充填带;因断续充填结构为弱透水的,在抽水试验中0.001<q<0.01L/s.m时,抽水层段表现弱透水,确定0.001<q<0.01L/s.m的层段为弱透水型充填带;因无充填结构为富水的,在抽水试验中q>0.01L/s.m时,抽水层段表现富水,确定q>0.01L/s.m的层段为富水型充填带;
3-2、确定井下放水量Q的阈值:依据步骤3-1确定的q阈值与埋深深度大于等于300m平均降深的乘积,得到Q的阈值;其中以埋深深度大于等于300m下组煤的赋存位置,确定其奥灰水压值为4个水平,分别为3MPa、4MPa、5MPa、6MPa,并假定抽、放水试验水位降深为最大降深,即分别为300m、400m、500m、600m;确定井下放水量的阈值;
3-3、确定渗透系数K的阈值:在抽水试验中渗透系数K<10-5cm/s时,试验层段表现为隔水,确定K<10-5cm/s为隔水型充填带;在抽水试验中渗透系数10-5<K<10-4cm/s时,试验层段表现为弱透水,确定10-5<K<10-4cm/s为弱透水型充填带;在抽水试验中,渗透系数K>10-4cm/s时,试验层段表现为富水,确定K>10-4cm/s为富水型充填带。
二、该方法进一步包括:
1、依据结构判别指标方法的判别指标及其阈值、综合确定充填带的类型及各类型的厚度,对于隔水型充填带直接可作为隔水层加以利用;对于弱透水型充填带,可经注浆改造后加以利用;富水型充填带与下伏奥灰渗透性无异,不可作为隔水层利用;
2、绘制隔水型充填带的厚度等值线图、未考虑隔水型充填带的突水系数等值线图、考虑隔水型充填带的突水系数等值线图;并把未考虑隔水型充填带的突水系数等值线图和考虑隔水型充填带的突水系数等值线图进行对比、分析,确定下组煤的安全开采区域。
有益效果,由于采用了上述方案,给出了充填带的结构判别指标,弥补了充填带在埋深深度大于等于300m即华北型煤田大埋深状态下不容易识别问题;并给出了各指标的结构阈值,给出了充填带的各结构的量化标准,解决了以往只依靠经验来确定充填带所带来的主观性较大问题;本发明所确定的隔水型充填带直接可作为隔水层加以利用;对于弱透水型充填带,可经注浆改造后加以利用;富水型充填带与下伏奥灰渗透性无异,不可作为隔水层利用;为埋深深度大于300m即华北型煤田开采下组煤利用充填带实现安全开采提供了技术基础支持。
优点:本发明所提出的结构判别指标均是从常规水文试验中获取,获取方法相对简单,易于现场人员操作,便于现场应用实践。给出的结构判别指标和阈值对华北型煤田充填带均适用,适用范围广,应用前景广阔。
附图说明:
图1为本发明奥陶系顶部充填带结构及其富水性示意图。
图2为本发明充填带结构指标确定方法。
图3为本发明实施例鲍店煤矿奥灰顶部充填带厚度等值线图。
图4为本发明实施例鲍店煤矿奥灰对17煤突水系数分布图。
图5为本发明实施例鲍店煤矿奥灰对17煤加充填带突水系数分布图。
具体实施方式
本发明的奥灰顶部充填带结构判别指标的确定方法:
一、首先确定连续充填、断续充填和无充填三种充填带结构,依据三种充填带结构确定判别指标为:钻孔单位涌水量q、井下放水量Q和奥灰层段渗透系数K;然后再根据三种结构对应不同的隔水性能分别确定各指标的阈值;具体步骤如下:
1、首先对充填带野外露头进行大量取样,调查充填带裂隙的被泥质充填情况,提出充填带依据裂隙被充填的程度,识别为:连续充填、断续充填和无充填三种充填带结构;三种充填带结构所对应的充填带类型分别为隔水型、弱透水型和富水型;
2、当充填带埋深深度大于等于300m时,依据抽、放水试验而确定充填带结构的三种指标,即:钻孔单位涌水量q、井下放水量Q和奥灰层段渗透系数K;
2-1、钻孔单位涌水量q指标的获取:地面钻孔根据岩芯采取率、冲洗液消耗量及泥质发育程度,综合确定充填带的发育终止深度;确定岩性采取率小于50%,泥质发育的终止深度,为充填带的发育终止深度;从而确定抽水试验的层段为自进入奥灰至该深度的层段,依据公式(1)计算得该层段的q值;
式中,Q为井流量,m3/s;M为抽水层段厚度,m;R为影响半径,m;rw为抽水井的半径,m;
2-2、井下放水量Q指标的获取:对井下钻孔进行放水试验,每2m记录该层段的放水量;对没有如此大密度记录的井下放水试验,应对所记录的放水量Q,进行拟合分析,以某一放水钻孔的拟合公式进行说明,公式(2)得到自进入进奥灰各深度的放水量值;
Q=63.56ln(x)-483.8 (2)
式中,x为进入奥灰的深度,m;Q为进入到奥灰各深度的放水量,也即井下放水量m3/s;
2-3、渗透系数K的获取:对井下钻孔进行放水试验,分别记录各层段的稳定水压P1、及放水过程中阀门关死时的瞬时水压P2,即代表该层段放水试验过程中的水压值,计算出放水过程中的实际降深值S,依据公式(3)(4),计算得出该层段的渗透系数K;
式中,K为渗透系数,cm/s;Sw为井中水位降深,m;其他参数与公式(1)意义相同;
3、钻孔单位涌水量q指标、井下放水量Q指标与渗透系数K指标的阈值的确定方法,具体步骤如下:
3-1、确定钻孔单位涌水量q的阈值:因连续充填结构为隔水的,在抽水试验中q<0.001L/s.m时,抽水层段表现隔水,确定q<0.001L/s.m的层段为隔水型充填带;因断续充填结构为弱透水的,在抽水试验中0.001<q<0.01L/s.m时,抽水层段表现弱透水,确定0.001<q<0.01L/s.m的层段为弱透水型充填带;因无充填结构为富水的,在抽水试验中q>0.01L/s.m时,抽水层段表现富水,确定q>0.01L/s.m的层段为富水型充填带;
3-2、确定井下放水量Q的阈值:依据步骤3-1确定的q阈值与埋深深度大于等于300m平均降深的乘积,得到Q的阈值;其中以埋深深度大于等于300m下组煤的赋存位置,确定其奥灰水压值为4个水平,分别为3MPa、4MPa、5MPa、6MPa,并假定抽、放水试验水位降深为最大降深,即分别为300m、400m、500m、600m;确定井下放水量的阈值;
3-3、确定渗透系数K的阈值:在抽水试验中渗透系数K<10-5cm/s时,试验层段表现为隔水,确定K<10-5cm/s为隔水型充填带;在抽水试验中渗透系数10-5<K<10-4cm/s时,试验层段表现为弱透水,确定10-5<K<10-4cm/s为弱透水型充填带;在抽水试验中,渗透系数K>10-4cm/s时,试验层段表现为富水,确定K>10-4cm/s为富水型充填带。
二.该方法进一步包括:
(1)依据结构判别指标方法的判别指标及其阈值、综合确定充填带的类型及各类型的厚度,对于隔水型充填带直接可作为隔水层加以利用;对于弱透水型充填带,可经注浆改造后加以利用;富水型充填带与下伏奥灰渗透性无异,不可作为隔水层利用;
(2)绘制隔水型充填带的厚度等值线图、未考虑隔水型充填带的突水系数等值线图、考虑隔水型充填带的突水系数等值线图;并把未考虑隔水型充填带的突水系数等值线图和考虑隔水型充填带的突水系数等值线图进行对比、分析,确定下组煤的安全开采区域。
下面通过图、表及实施例对本发明进一步说明
实施例1:所述的结构判别指标:钻孔单位涌水量q、井下放水量Q、渗透系数K,具体步骤如下:
1、钻孔单位涌水量q指标的获取:地面钻孔根据岩芯采取率、冲洗液消耗量及泥质发育程度,综合确定充填带的发育终止深度。确定岩性采取率小于50%,泥质发育的终止深度,为充填带的发育终止深度;从而确定抽水试验的层段为自进入奥灰至该深度的层段,依据公式(1)计算得该层段的q值;
2、井下放水量Q指标的获取:对井下钻孔进行放水试验,每2m记录该层段的放水量;对没有如此大密度记录的以往井下放水试验,对其所记录的放水量Q,进行拟合分析,以某一放水钻孔的拟合公式进行说明,如公式(2)并得到自进入进奥灰各深度的放水量值;
3、渗透系数K的获取:对井下钻孔进行放水试验,分别记录各层段的稳定水压P1、及放水过程中阀门关死时的瞬时水压P2,即代表该层段放水试验过程中的水压值,从而计算出放水过程中的实际降深值Sw,依据公式(3)(4),可以计算得出该层段的渗透系数K;
所述的各指标(q、Q与K)阈值是通过如下方法确定的,具体步骤如下:
4、确定钻孔单位涌水量q<0.001L/s.m的层段为隔水型充填带;0.001<q<0.01L/s.m为弱透水型充填带;q>0.01L/s.m的层段为富水型充填带;依据渗透系数K值,确定K<10-5cm/s为隔水型充填带;10-5<K<10-4cm/s为弱透水型充填带;K>10-4cm/s为富水型充填带;并依据东部矿区下组煤的赋存位置,确定其奥灰水压值为4个水平,分别为3MPa、4MPa、5MPa、6MPa,并假定抽、放水试验水位降深为最大将深,即分别为300m、400m、500m、600m;确定钻孔涌水量的阈值;
如表1、表2
表1东部矿区充填带类型划分依据——q、K阈值
表2东部矿区充填带类型划分依据——Q阈值
6、依据上述评价指标及其阈值、综合确定充填带的类型及各类型的厚度(如表3、4、5),为安全起见,确定充填带厚度为三种指标综合确定的最小厚度
表3鲍店煤矿奥灰钻孔单位涌水量数据统计表
孔号 | 钻孔单位涌水量估算值q(L/(s.m)) | 厚度(m) | 充填带类型 |
O2-2 | 0.0079 | 49.42 | 弱透水层 |
O2-3 | 0.0078 | 54.00 | 弱透水层 |
O2-7 | 0.0022 | 83.6 | 弱透水层 |
O2-8 | 0.006 | 75.47 | 弱透水层 |
表4鲍店煤矿井下放水孔涌水量统计表
钻孔 | 隔水型充填带厚度(m) | 弱透水型充填带厚度(m) |
O2X-1 | 10.10 | 81.75 |
O2X-2 | 0.23 | 13.73 |
O2X-3 | 1.63 | 6.89 |
O2X-4 | 7.04 | 0.89 |
O2X-5 | 7.09 | 94.08 |
O2X-6 | 103.10 | ------- |
O2X-7 | 19.74 | 40.74 |
O2X-8 | 3.18 | 38.62 |
O2X-9 | 87.95 | 10.59 |
O2X-10 | 17 | ------- |
O2X-11 | 22.57 | 9.63 |
O2X-13 | ------- | 19.18 |
表5鲍店煤矿依据抽、放水试验所得的渗透系数值
7、绘制鲍店煤矿隔水型充填带的厚度等值线图(图3)。以及未考虑隔水型充填带的突水系数等值线图(图4)、考虑隔水型充填带的突水系数等值线图(图5);并把未考虑充填带厚度及考虑充填带厚度的两张等值线图进行对比、分析,分析两图的突水系数变化(表6),确定鲍店煤矿下组煤的安全开采区域。
表6鲍店矿安全性评价面积(km2)
由表6及图4、图5可见,17煤考虑充填带时安全区由无增加8.09km2,安全区分布主要在第一勘探区,增幅达13.55%;相对安全区大约增加13.66km2,增幅为22.88%;危险区减小21.81km2,减小36.43%。可见充填带对17煤开采比较有利,使得安全区和相对安全区大幅度增加,危险区大幅度减小。
Claims (2)
1.一种奥灰顶部充填带结构判别指标的确定方法,其特征是:首先确定连续充填、断续充填和无充填三种充填带结构,依据三种充填带结构,确定判别指标为:钻孔单位涌水量q、井下放水量Q和奥灰层段渗透系数K;然后再根据三种充填带结构对应不同的隔水性能分别确定各指标的阈值;具体步骤如下:
(1)首先对充填带野外露头进行大量取样,调查充填带裂隙的被泥质充填情况,提出充填带依据裂隙被充填的程度,识别为:连续充填、断续充填和无充填三种充填带结构;三种充填带结构所对应的充填带类型分别为隔水型、弱透水型和富水型;
(2)当充填带埋深深度大于等于300m时,依据抽、放水试验而确定充填带结构的三种指标,即:钻孔单位涌水量q、井下放水量Q和奥灰层段渗透系数K;
2-1、钻孔单位涌水量q指标的获取:地面钻孔根据岩芯采取率、冲洗液消耗量及泥质发育程度,综合确定充填带的发育终止深度;确定岩性采取率小于50%,泥质发育的终止深度,为充填带的发育终止深度;从而确定抽水试验的层段为自进入奥灰至该深度的层段,依据公式(1)计算得该层段的q值;
式中,Q为井流量,m3/s;M为抽水层段厚度,m;R为影响半径,m;rw为抽水井的半径,m;
2-2、井下放水量Q指标的获取:对井下钻孔进行放水试验,每2m记录该层段的放水量;对没有如此大密度记录的井下放水试验,应对所记录的放水量Q,进行拟合分析,以某一放水钻孔的拟合公式进行说明,公式(2)得到自进入进奥灰各深度的放水量值;
Q=63.56ln(x)-483.8 (2)
式中,x为进入奥灰的深度,m;Q为进入到奥灰各深度的放水量,也即井下放水量m3/s;2-3、渗透系数K的获取:对井下钻孔进行放水试验,分别记录各层段的稳定水压P1、及放水过程中阀门关死时的瞬时水压P2,即代表该层段放水试验过程中的水压值,计算出放水过程中的实际降深值S,依据公式(3)(4),计算得出该层段的渗透系数K;
式中,K为渗透系数,cm/s;Sw为井中水位降深,m;其他参数与公式(1)意义相同;
(3)钻孔单位涌水量q指标、井下放水量Q指标与渗透系数K指标的阈值的确定方法,具体步骤如下:
3-1、确定钻孔单位涌水量q的阈值:因连续充填结构为隔水的,在抽水试验中q<0.001L/s.m时,抽水层段表现隔水,确定q<0.001L/s.m的层段为隔水型充填带;因断续充填结构为弱透水的,在抽水试验中0.001<q<0.01L/s.m时,抽水层段表现弱透水,确定0.001<q<0.01L/s.m的层段为弱透水型充填带;因无充填结构为富水的,在抽水试验中q>0.01L/s.m时,抽水层段表现富水,确定q>0.01L/s.m的层段为富水型充填带;
3-2、确定井下放水量Q的阈值:依据步骤3-1确定的q阈值与埋深深度大于等于300m平均降深的乘积,得到Q的阈值;其中以埋深深度大于等于300m下组煤的赋存位置,确定其奥灰水压值为4个水平,分别为3MPa、4MPa、5MPa、6MPa,并假定抽、放水试验水位降深为最大降深,即分别为300m、400m、500m、600m;确定井下放水量的阈值;
3-3、确定渗透系数K的阈值:在抽水试验中渗透系数K<10-5cm/s时,试验层段表现为隔水,确定K<10-5cm/s为隔水型充填带;在抽水试验中渗透系数10-5<K<10-4cm/s时,试验层段表现为弱透水,确定10-5<K<10-4cm/s为弱透水型充填带;在抽水试验中,渗透系数K>10-4cm/s时,试验层段表现为富水,确定K>10-4cm/s为富水型充填带。
2.权利要求1所述的一种奥灰顶部充填带结构判别指标的确定方法,其特征是:该方法进一步包括:
(1)依据结构判别指标方法的判别指标及其阈值、综合确定充填带的类型及各类型的厚度,对于隔水型充填带直接可作为隔水层加以利用;对于弱透水型充填带,可经注浆改造后加以利用;富水型充填带与下伏奥灰渗透性无异,不可作为隔水层利用;
(2)绘制隔水型充填带的厚度等值线图、未考虑隔水型充填带的突水系数等值线图、考虑隔水型充填带的突水系数等值线图;并把未考虑隔水型充填带的突水系数等值线图和考虑隔水型充填带的突水系数等值线图进行对比、分析,确定下组煤的安全开采区域。
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