CN105719027B - 开采煤层顶底板碎屑岩类含水层富水性定量预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开采煤层顶底板碎屑岩类含水层富水性定量预测方法,包括以下步骤:(1)确定碎屑岩类含水层富水性的主控因素;(2)确定煤层开采导致的顶底板岩层扰动范围;(3)研究区沉积特征评价;(4)研究区地质构造复杂程度定量评价;(5)构建岩性结构‑地质构造预测模型,综合评价碎屑岩类含水层富水性;(6)碎屑岩类含水层富水性科学区划与定量评价。克服了前人在水文地质资料匮乏条件无法对碎屑岩类含水层富水性做出有效评价的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种开采煤层顶底板碎屑含水层富水性的定量预测方法,尤其是一种水文地质勘探程度较低煤矿的煤层顶底板碎屑岩类含水层富水性定量预测方法。
背景技术
矿井突涌水是影响煤矿安全生产的主要灾害类型之一,随着我国煤炭资源开采规模和强度不断加大,矿井突涌水灾害更为突出,尤其是复杂水文地质类型的矿井建设和开采过程中,时常伴随相互关联的水文地质条件探查不清的不利因素,水害风险和危害日趋严重。砂(砾)岩等碎屑岩类含水层作为矿井突涌水的重要来源,广泛发育于含煤地层中,由于距离煤层近,对煤层开采影响显著。如华北型煤田的山西组砂岩,侏罗系煤田的煤系砂岩等往往构成矿井充水的主要水源,在应对措施不当情况下也会酿成灾害,导致工作面因水患而影响生产甚至淹面、淹采区等。含煤地层中的砂(砾)岩含水层往往具有富水性不均一、差异性大的特点,其赋水特征不易查明,尤其是对于新建井田或采区,水文地质勘探程度低,水文地质资料匮乏,往往导致煤层顶、底板水害危险性预测与评价难以进行。
现有含水层富水性评价方法主要依赖于水文地质观测网络以及据此进行的抽放水试验,但是当这些数据不足,将难以对研究区进行必要的研究。长期以来,新建井田或新采区的安全生产需要一种能够较准确定量评价顶底板碎屑岩含水层富水性的方法和技术。
中国专利申请CN 102799955 A公开了一种突水系数小于0.06MPa/m区底板突水评价三图法,包括以下步骤:1.主采煤层开采的带压区范围的圈定;2.确定导水通道立体空间位置,建立其空间位置分布图;3.基于不同勘探信息源资料,研发煤层底板充水含水层富水性分区图;4.基于GIS复合功能,叠加分析影响主采煤层安全开采的底板突水的诸因素,建立主采煤层底板突水危险性预测分区图,对主采煤层开采过程中底板突水危险状况做出预测评价。该专利提出了底板突水评价的三图法,并进行了含水层富水性分区研究,但是该专利含水层富水性分区采用了传统的钻探资料、物探资料以及水文地质试验分析方法,未能充分考虑到地层岩性及其组合关系对富水性的影响,未能建立地层结构定量评价模型,且富水性分区的研究方法更适合于水文地质资料丰富的矿区,对于水文地质勘探程度低的区域适用性较差。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足,针对水文地质勘探程度低的新矿井、新采区,基于区域的水文地质与构造地质环境的分析,利用已有钻探、地球物理探查资料,提供一种开采煤层顶底板碎屑岩类含水层富水性定量预测方法,该方法简单、实用、易操作,能够较准确定量预测顶底板碎屑岩含水层富水性。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种开采煤层顶底板碎屑岩类含水层富水性定量预测方法,
包括以下步骤:
A.确定碎屑岩类含水层富水性的主控因素:采用沉积-构造分析方法,研究含煤地层沉积环境和地质构造演化史,确定含煤地层沉积体系,并开展地质构造复杂程度评价,确定碎屑岩类含水层富水性主控因素。
B.确定煤层开采导致的顶底板岩层扰动范围:综合确定煤层开采时引起的顶板导水裂缝带发育最大高度及底板破坏带最大深度,据此圈定煤层开采造成的顶底板岩层扰动范围。
C.研究区沉积特征评价:提出岩性结构系数表征沉积环境对含水层富水性的影响大小,定量评价含水层富水性的物质基础条件。
D.研究区地质构造复杂程度定量评价:利用分形理论定量评价地质构造复杂程度,反映构造区含水层富水特征。
E.构建岩性结构-地质构造预测模型,综合评价碎屑岩类含水层富水性:确定出岩性结构特征与地质构造发育程度两因素对碎屑岩类含水层富水性的权值,构建富水性评价的岩性结构-地质构造复合评价模型。
F.碎屑岩类含水层富水性科学区划:基于岩性结构-地质构造复合评价模型绘制富水性赋值分布平面图;根据地球物理探测结果确定富水性分区阈值,提出含水层富水性等级划分方法,绘制富水性分区图。
所述步骤A中确定碎屑岩类含水层富水性的主控因素具体包括:
a)采用沉积-构造分析方法,研究含煤地层沉积环境和地质构造演化史,确定含煤地层沉积体系,划分含煤地层中主要的含水层岩性、含水层单层厚度、含水层总厚度、含水层-隔水层界面数量。
b)定性评价研究区地质构造发育程度,包括断裂构造性质及产状、规模,褶皱构造类型及密度,以及岩溶陷落柱的分布及类型。
c)确定碎屑岩类含水层富水性的主控影响因素包括含水层岩性、含水层总厚度、含水层-隔水层组合特征、断裂构造复杂程度、褶皱构造复杂程度以及岩溶陷落柱构造特征。
所述步骤B中确定煤层开采导致顶底板岩层扰动范围具体包括:
a)对开采工作面充水的含水层主要位于煤层开采扰动范围之内。运用理论分析、现场试验及模型试验等研究手段,确定煤层开采时引起的顶板导水裂缝带发育范围及底板破坏带深度。
b)结合研究区钻孔揭露的地层结构特征,圈定煤层开采造成的顶底板岩层扰动范围:
若导水裂缝带上界或底板采动破坏带下界岩层为隔水层,则表明开采扰动范围内的含水层完全破坏,则开采扰动范围即为导水裂缝带及底板采动破坏带。
若导水裂缝带上界或底板采动破坏带下界岩层为含水层,则表明此处含水层未完全破坏,则保持了含水层的水力联系,对该含水层进行水力补给,因此开采扰动范围比导水裂缝带及采动破坏带范围要大,需将未破坏含水层包含进去。
所述步骤C中研究区沉积特征评价具体包括:
a)考虑碎屑含水层粒径大小、含水层-隔水层沉积间隔、含水层岩性及单层厚度对煤层顶板富水性影响,提出运用岩性结构系数(LSC)表征顶板扰动区内岩层富水程度;
式中:m-含水层数量;i—含水层编号,i=1,2,3……m;h(wb)i—第i个含水层单层厚度,单位m;ri—第i个含水层厚度等效系数;R—顶板扰动带中含水层所占比重,即含水层累计厚度与扰动带高度之比;n—顶板扰动带内含水层-隔水层转换界面数量;
b)为便于确定富水性分区指标,采用极差标准化方法将各钻孔LSC数据进行标准化处
理,获得各钻孔煤层顶板扰动区顶板岩性结构系数标准值极差标准化方法进行数据处理是公知技术,不再赘述。
所述步骤D中研究区地质构造复杂程度定量评价具体包括:
a)采用相似维方法描述研究区地质构造复杂程度,获得研究区断裂构造分维值D(fa)s及褶曲分维值D(fao)s,相似维方法是公知技术,不再赘述。
b)基于研究区或邻区已有水害资料,结合“征集专家评分”的方法,确定断裂构造引发水害所占权值a以及褶曲引发水害所占权值b。征集专家评分是公知技术,不再赘述。
c)根据步骤a)和步骤b)中计算的断裂构造分维值D(fa)s、褶曲分维值D(fao)s、断裂构造权值a以及褶曲权值b,构建构造复杂程度评价模型,获取构造综合复杂程度特征值Ds,定量表征研究区地质构造复杂程度:
Ds=a·D(fa)s+b·D(fao)sα
式中:Ds—构造综合复杂程度特征值,D(fa)s—断裂构造分维值,D(fao)s—褶曲分维值,a—断裂构造权值,b—褶曲权值;
d)采用极差标准化方法将Ds数据进行标准化处理,获得构造复杂性标准值极差标准化方法进行数据处理是公知技术,不再赘述。
所述步骤E中构建岩性结构-地质构造预测模型,综合评价碎屑岩类含水层富水性具体包括:
a)综合考量岩性结构特征以及地质构造发育程度,利用征集专家评分法或聚类分析、模糊数学等非线性数学方法,确定出岩性结构特征与地质构造发育程度两因素对碎屑岩类含水层富水性的权值α及β;
b)构建富水性评价的岩性结构-地质构造复合评价模型:
式中:F—富水程度值,α—岩性结构权值,β—地质构造发育程度权值;—岩性结构系数标准值,—构造复杂性标准值。
所述步骤F中碎屑岩类含水层富水性科学区划具体包括:
a)基于岩性结构-地质构造复合评价模型,应用GIS与数据融合技术,绘制富水性赋值分布平面图。
b)分析研究区已开展的顶底板含水层富水性地球物理探测结果,确定富水性分区阈值区间。
c)提出研究区顶板岩层富水性等级划分方法,绘制含水层富水性分区图。
d)含水层富水性分区划分为强富水区、中等富水区及弱富水区等3个等级,其中,F≥0.55为强富水区;0.35<F<0.55为中等富水区;F≤0.35为弱富水区。
本发明的有益效果是:
(1)将沉积-构造综合研究方法运用至煤矿碎屑岩类含水层富水性评价研究中,为矿井水害预测预报研究开辟了新途径。
(2)确定了碎屑岩含水层富水性的两个基本因素,即岩性基础和构造基础,综合岩性、含水层厚度、含水层-隔水层组合关系、开采扰动区范围等指标,提出岩性结构系数公式量化含煤地层的岩性及组合关系,引入分形理论评价地质构造复杂程度,建立含水层富水性评价模型。
(3)本发明充分考虑到水文地质勘探程度较低区域水文地质参数的匮乏,充分利用矿区勘探阶段的钻探及含水层富水性地球物理勘探成果,开展碎屑岩类含水层富水性定量评价预测工作,克服了前人在水文地质资料匮乏条件无法对含水层富水性做出有效评价的缺陷。
附图说明
图1是本发明的工作流程图;
图2是本发明开采扰动范围确定示意图;
图3是本发明岩性结构系数等值线图;
图4是本发明地质构造分维值等值线图;
图5是本发明碎屑岩类含水层富水性分区图;
其中,1-1:碎屑岩类含水层,1-2:隔水层;1-3:开采煤层,1-4:采空区,1-5:导水裂缝带,1-6:导水裂缝带最大高度,1-7:剩余含水层厚度,1-8:煤层开采扰动范围,3-1:Ds≤0.4,3-2:0.4<Ds≤0.6,3-3:0.6<Ds≤0.8,3-4:0.8<Ds,4-1:强富水区,4-2:中等富水区;4-3:弱富水区,4-4:已揭露的顶板砂岩突水点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
某煤矿主采煤层为3煤层,浅部煤炭资源开采殆尽,需开采深部煤炭资源。由于深部煤炭资源赋存于湖下,不具备大规模水文地质勘探条件。相邻矿山开采表明,深部3煤顶板水害更为严重,为了查明顶板水害威胁程度,需对深部采区3煤层顶板砂岩含水层富水性开展研究。
参照附图1,本发明水文地质勘探程度较低区域煤层顶底板碎屑类含水层富水性预测方法,采用的技术方案包括以下步骤:
1.确定碎屑岩类含水层富水性的主控因素:
(1)采用沉积-构造分析方法,研究含煤地层沉积环境和地质构造演化史,确定含煤地层沉积体系,划分含煤地层中主要的含水层岩性、含水层厚度、含水层-隔水层组合关系。
统计研究区内地质钻孔揭露的地层资料,详细统计煤顶板砂岩含水层的岩性(包括细砂岩、中砂岩、粗砂岩及砾岩)、含水层厚度(包括含水层单层厚度及总厚度)、含水层数量(包括总数量和各类岩性的数量)、隔水层岩性及厚度(包括泥岩、页岩、粉砂岩等泥质岩厚度)、隔水层数量等基础数据,并分钻孔统计含水层-隔水层界面数量,确定含水层-隔水层组合关系。
(2)定性评价研究区地质构造发育程度,本煤矿断裂构造发育,褶曲及陷落柱不发育。因此,本次研究在详细分析三维地震资料基础上,结合井巷揭露的实际断层资料,详细统计了研究区内断裂构造性质(包括正断层、逆断层等)、产状、规模、数量,定性划分断裂构造复杂程度。
(3)确定本煤矿碎屑岩类含水层富水性的主控影响因素包括含水层岩性、含水层总厚度、含水层-隔水层组合特征、断裂构造复杂程度。
2.确定煤层开采导致顶底板岩层扰动范围
(1)利用本矿微震监测***监测资料及相邻采区工作面导水裂缝带实测数据,确定本矿深部采区工作面导水裂缝带发育高度为55m。
(2)根据区内26个钻孔揭露的地层组合资料,确定了开采扰动范围为55~68.75m。
3.研究区沉积特征评价
(1)考虑碎屑含水层粒径大小、含水层-隔水层沉积间隔、含水层岩性及单层厚度对煤层顶板富水性影响,提出运用岩性结构系数(LSC)表征顶板扰动区内岩层富水程度。
式中:m-含水层数量;i—含水层编号,i=1,2,3……m;h(wb)i—第i个含水层单层厚度,单位m;ri—第i个含水层厚度等效系数;R—顶板扰动带中含水层所占比重,即含水层累计厚度与扰动带高度之比;n—顶板扰动带内含水层-隔水层转换界面数量;
(2)为便于确定富水性分区指标,采用极差标准化方法将各钻孔LSC数据进行标准化处理,获得各钻孔煤层顶板扰动区顶板岩性结构系数标准值极差标准化方法进行数据处理是公知技术,不再赘述。
4.研究区地质构造复杂程度定量评价
a)采用相似维方法描述研究区地质构造复杂程度,获得研究区断裂构造分维值D(fa)s及褶曲分维值D(fao)s,相似维方法是公知技术,不再赘述。
b)基于研究区或邻区已有水害资料,结合“征集专家评分”的方法,确定断裂构造引发水害所占权值a以及褶曲引发水害所占权值b。征集专家评分是公知技术,不再赘述。
c)根据a)和b)中计算的断裂构造分维值D(fa)s、褶曲分维值D(fao)s、断裂构造权值a以及褶曲权值b,构建构造复杂程度评价模型,获取构造综合复杂程度特征值Ds,定量表征研究区地质构造复杂程度。
Ds=a·D(fa)s+b·D(fao)sα
式中:Ds—构造综合复杂程度特征值,D(fa)s—断裂构造分维值,D(fao)s—褶曲分维值,a—断裂构造权值,b—褶曲权值。
d)采用极差标准化方法将Ds数据进行标准化处理,获得构造复杂性标准值极差标准化方法进行数据处理是公知技术,不再赘述。上述步骤中,可以概括为:
(1)定量描述分形结构不规则性的分维数可以作为定量评价断层、褶皱复杂程度的一种指标,反映了构造区含水层富水特征。
(2)井田总体为一宽缓单斜构造,断层发育,因此仅对切割顶板含水层的断层构造进行统计分析。
5.构建岩性结构-地质构造预测模型,综合评价碎屑岩类含水层富水性
(1)权值确定:统计该煤矿建井以来涌水量Q>30m3/h的3煤顶板砂岩含水层水害事故,分析可知,因断裂构造沟通顶板含水层造成的涌(突)水案例占总数的62.5%。据此对矿井顶板富水性主控因素中顶板岩性结构特征及构造复杂程度分别赋以0.4和0.6的权值。
(2)构建岩性结构-地质构造预测模型,综合评价碎屑岩类含水层富水性如下:
式中:F—富水程度值,α—岩性结构权值,β—地质构造发育程度权值;—岩性结构系数标准值,—构造复杂性标准值。6.富水性科学区划与定量评价
(1)绘制顶板岩性结构系数标准值等值线图及断层分维值等值线图;
(2)基于富水性岩性结构-地质构造复合评价模型,绘制富水性赋值分布平面图。
(3)分析研究区已开展的顶底板含水层富水性地球物理探测结果,确定富水性分区阈值区间,将含水层富水性分区划分为强富水区、中等富水区及弱富水区3个等级。阈值区间分别为
F≥0.55为富水性强区;
0.35<F<0.55为富水性中等区;
F≤0.35为富水性弱区。
(4)绘制3煤顶板砂岩含水层富水性分区图。
参照附图2,所述的开采扰动范围1-8确定方法,包括:
1.若导水裂缝带1-5上界岩层为隔水层1-2,则表明开采扰动范围1-8内的含水层完全破坏,则开采扰动范围1-8即为导水裂缝带1-5。
2.若导水裂缝带1-5上界岩层为含水层1-1,则表明此处含水层未完全破坏,则保持了含水层的水力联系,对该含水层进行水力补给,因此开采扰动范围1-8比导水裂缝带1-5范围要大,需将未破坏的剩余含水层厚度1-7包含进去。
参照附图3,所述的岩性结构系数标准值等值线图,将岩性结构系数标准化值分为4个等级,分别为:
参照附图4,所述的断层分维值等值线图,将断层分维值标准值分为4个等级,分别为:
参照附图5,所述的某煤矿碎屑岩类含水层富水性分区图,将富水性分区分为3个等级,分别为:
F≥0.55为强富水性区4-1;
0.35<F<0.55为中等富水性区4-2;
F≤0.35为弱富水性区4-3。
井田内已采工作面发生的顶板突水点4-4分布图表明,顶板砂岩突水点均位于预测的富水性强区及中等区域,表明该发明方法的可靠性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.开采煤层顶底板碎屑岩类含水层富水性定量预测方法,其特征是,包括以下步骤:
A.确定碎屑岩类含水层富水性的主控因素:采用沉积-构造分析方法,研究含煤地层沉积环境和地质构造演化史,确定含煤地层沉积体系,并开展地质构造复杂程度评价,确定碎屑岩类含水层富水性主控因素;
B.确定煤层开采导致的顶底板岩层扰动范围:综合确定煤层开采时引起的顶板导水裂缝带发育最大高度及底板破坏带最大深度,据此圈定煤层开采造成的顶底板岩层扰动范围;
C.研究区沉积特征评价:提出岩性结构系数表征沉积环境对含水层富水性的影响大小,定量评价含水层富水性的物质基础条件;
岩性结构系数LSC如下所示:
式中:m-含水层数量;i—含水层编号,i=1,2,3……m;h(wb)i—第i个含水层单层厚度,单位m;ri—第i个含水层厚度等效系数;R—顶板扰动带中含水层所占比重,即含水层累计厚度与扰动带高度之比;n—顶板扰动带内含水层-隔水层转换界面数量;
D.研究区地质构造复杂程度定量评价:利用分形理论定量评价地质构造复杂程度,反映构造区含水层富水特征;
E.构建岩性结构-地质构造预测模型,综合评价碎屑岩类含水层富水性:确定出岩性结构特征与地质构造发育程度两因素对碎屑岩类含水层富水性的权值,构建富水性评价的岩性结构-地质构造复合预测模型;
F.碎屑岩类含水层富水性科学区划与定量评价:基于岩性结构-地质构造复合预测模型绘制富水性赋值分布平面图;根据地球物理探测结果确定富水性分区阈值,提出含水层富水性等级划分方法,绘制富水性分区图。
2.如权利要求1所述的方法,其特征是,所述步骤A中确定碎屑岩类含水层富水性的主控因素具体包括:
a)划分含煤地层中主要的含水层岩性、含水层单层厚度、含水层总厚度、含水层-隔水层界面数量;
b)定性评价研究区地质构造发育程度,包括断裂构造性质及产状、规模,褶皱构造类型及密度,以及岩溶陷落柱的分布及类型;
c)确定碎屑岩类含水层富水性的主控影响因素包括含水层岩性、含水层总厚度、含水层-隔水层组合特征、断裂构造复杂程度、褶皱构造复杂程度以及岩溶陷落柱构造特征。
3.如权利要求1所述的方法,其特征是,所述步骤B中确定煤层开采导致顶底板岩层扰动范围具体包:
a)对开采工作面充水的含水层主要位于煤层开采扰动范围之内,运用理论分析、现场试验及模型试验研究手段,确定煤层开采时引起的顶板导水裂缝带发育范围及底板破坏带深度;
b)结合研究区钻孔揭露的地层结构特征,圈定煤层开采造成的顶底板岩层扰动范围:
若导水裂缝带上界或底板采动破坏带下界岩层为隔水层,则表明开采扰动范围内的含水层完全破坏,则开采扰动范围即为导水裂缝带及底板采动破坏带;
若导水裂缝带上界或底板采动破坏带下界岩层为含水层,则表明此处含水层未完全破坏,则保持了含水层的水力联系,对该含水层进行水力补给,因此开采扰动范围比导水裂缝带及采动破坏带范围要大,需将未破坏含水层包含进去。
4.如权利要求1所述的方法,其特征是,所述步骤C中研究区沉积特征评价具体包括:
(1)考虑碎屑含水层粒径大小、含水层-隔水层沉积间隔、含水层岩性及单层厚度对煤层顶板富水性影响,提出运用岩性结构系数LSC表征顶板扰动区内岩层富水程度;
(2)为便于确定富水性分区指标,采用极差标准化方法将各钻孔LSC数据进行标准化处理,获得各钻孔煤层顶板扰动区顶板岩性结构系数标准值
5.如权利要求1所述的方法,其特征是,所述步骤D中研究区地质构造复杂程度定量评价具体包括:
a)采用相似维方法描述研究区地质构造复杂程度,获得研究区断裂构造分维值D(fa)s及褶曲分维值D(fao)s;
b)基于研究区或邻区已有水害资料,结合“征集专家评分”的方法,确定断裂构造引发水害所占权值a以及褶曲引发水害所占权值b;
c)根据步骤a)和步骤b)中计算的断裂构造分维值D(fa)s、褶曲分维值D(fao)s、断裂构造权值a以及褶曲权值b,构建构造复杂程度评价模型,获取构造综合复杂程度特征值Ds,定量表征研究区地质构造复杂程度
Ds=a·D(fa)s+b·D(fao)sα
式中:Ds—构造综合复杂程度特征值,D(fa)s—断裂构造分维值,D(fao)s—褶曲分维值,a—断裂构造权值,b—褶曲权值;
d)采用极差标准化方法将Ds数据进行标准化处理,获得构造复杂性标准值
6.如权利要求1所述的方法,其特征是,所述步骤E中构建岩性结构-地质构造预测模型,综合评价碎屑岩类含水层富水性具体包括:
a)综合考量岩性结构特征以及地质构造发育程度,利用征集专家评分法或聚类分析或模糊数学非线性数学方法,确定岩性结构特征与地质构造发育程度两因素对碎屑岩类含水层富水性的权值α及β;
b)构建富水性评价的岩性结构-地质构造复合预测模型
式中:F—富水程度值,α—岩性结构权值,β—地质构造发育程度权值;—岩性结构系数标准值,—构造复杂性标准值。
7.如权利要求6所述的方法,其特征是,所述步骤F中富水性科学区划与定量评价具体包括:
a)基于岩性结构-地质构造复合预测模型,应用GIS与数据融合技术,绘制富水性赋值分布平面图;
b)分析研究区已开展的顶底板含水层富水性地球物理探测结果,确定富水性分区阈值区间;
c)提出研究区顶板岩层富水性等级划分方法,绘制含水层富水性分区图;
d)含水层富水性分区划分为强富水区、中等富水区及弱富水区3个等级。
8.如权利要求7所述的方法,其特征是,步骤d)中:
F≥0.55为强富水区;
0.35<F<0.55为中等富水区;
F≤0.35为弱富水区。
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