CN111239840B - 一种基于高密度电法的底板突水预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿水情监测技术领域，尤其是涉及一种基于高密度电法的底板突水预警方法。该方法包括：根据矿井地质资料及钻孔测井资料建立底板层状地质模型，在工作面未开采前，对煤层底板岩层视电阻率值进行实测，获取在工作面底板岩层未受到采动干扰情况下的电阻率背景值；底板最小安全隔水层厚度确定；将突水预警等级划分三类不同的预警等级，包括：一般报警、严重报警和紧急报警，并制定对应的响应措施。本发明采用高密度电法监测手段，可以监测不同岩层富水状态电阻率变化特征，并基于底板低阻异常区的发育高度，进行预警阈值设置，达到实时报警的要求。

Description

一种基于高密度电法的底板突水预警方法

技术领域

本发明涉及煤矿水情监测技术领域，尤其是涉及一种基于高密度电法的底板突水预警方法。

背景技术

目前，国内煤矿水情监测***主要对钻孔水位、矿井排水量以及水仓水位等进行实时监测，其功能与回采工作面突水危险的预警要求还有一定差距。还有为数不多的底板突水监测多以单因素或静态监测为主，仅对煤层底板的可疑地段进行定时定点监测，比如钻孔应力监测、钻孔水压监测等，不能实现对工作面底板全时空在线监测。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高密度电法的底板突水预警方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于高密度电法的底板突水预警方法，包括：

S1、根据矿井地质资料及钻孔测井资料建立底板层状地质模型，该底板层状地质模型包括煤层、底板最小安全隔水层、隔水层和奥灰层，在工作面未开采前，对煤层底板岩层视电阻率值进行实测，获取在工作面底板岩层未受到采动干扰情况下的电阻率背景值；

S2、底板最小安全隔水层厚度确定，根据公式：

式1中：T_s—突水系数，MPa/m；

P_s—底板隔水层承受的水头压力，Mpa；

h₀—底板最小安全隔水层厚度，m；

其中，式中的P_s的取值按照如下选择：

1)、底板受构造破坏的地段P_s按0.06MPa/m计算；

2)、隔水层完整无断裂构造破坏的地段P_s按0.1MPa/m计算；

其中，式中的T_s的取值根据工作面区域地质资料确定；

S3、将突水预警等级划分三类不同的预警等级，包括：一般报警、严重报警和紧急报警；

所述一般报警等级的预警阈值h₁满足：

所述严重报警等级的预警阈值h₂满足：

所述紧急报警等级的预警阈值h₃满足：h₃＝M-h₀ 式4；

式2、式3、式4中：M为隔水层厚度，h₀为底板最小安全隔水层厚度；

在实际回采过程中,测试低阻区发育高度h，根据低阻区发育高度h的取值范围制定对应的响应措施，其中，

当h≤h₁时，表示：底板隔水层厚度完全达到安全生产要求，正常生产；

当h₁≤h＜h₂时，表示：低阻富水区向上发育，但不影响底板的安全，仍能正常生产，但在回采过程中应关注电阻率异常区的变化；

当h₂≤h＜h₃时，表示：含水构造或裂隙向上发育，但不影响底板的安全，仍能正常生产，但低阻区高度已逐渐接近最小安全隔水层厚度，此时应加强富含水构造或裂隙的观测，提前做好准备工作；

当h≥h₃时，表示：停止生产，采取治理措施。

作为一种进一步的技术方案，根据开采前底板岩体视电阻率背景值以及岩体富水性的判别，采用高密度电法测试底板岩层视电阻率，对比采动前和采动后底板岩层电阻率的变化，判断底板承压水沿着底板岩层的上升高度，从而得到低阻区发育高度h。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明可以实现对工作面底板水情变化的全覆盖监测，克服以往监测手段的单点或局部监测的缺陷；

(2)本发明可以实现对工作面底板水情变化的24小时动态监测，克服以往静态监测手段反应迟缓的弊端；

(3)本发明采用高密度电法监测手段，可以监测不同岩层富水状态电阻率变化特征，并基于底板低阻异常区的发育高度，进行预警阈值设置，达到实时报警的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的底板层状地质模型的示意图；

图2为本发明实施例提供的低阻区上升至底板下h₁距离处示意图；

图3为本发明实施例提供的低阻区上升至底板下h₂距离处示意图；

图4为本发明实施例提供的低阻区上升至最小安全隔水层厚度示意图。

图标：1-煤层；2-底板最小安全隔水层；3-隔水层；4-奥灰层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本实施例提供一种基于高密度电法的底板突水预警方法，包括：

S1、根据矿井地质资料及钻孔测井资料建立底板层状地质模型，结合图1所示，该底板层状地质模型包括煤层1、底板最小安全隔水层2、隔水层3和奥灰层4，在工作面未开采前，对煤层底板岩层视电阻率值进行实测，获取在工作面底板岩层未受到采动干扰情况下的电阻率背景值(此时测试的电阻率值，为工作面没有开采前，底板岩层没有破坏时的底板岩层电阻率值，作为工作面开采后底板岩层破坏电阻值的背景值，或者称为初始值)；

S2、根据国家煤矿安全监察局2018年印发《煤矿防治水细则》，计算回采工作面在不同地质条件下，底板最小安全隔水层厚度h₀，底板最小安全隔水层厚度确定，根据公式：

式1中：T_s—突水系数，MPa/m；

P_s—底板隔水层承受的水头压力，Mpa；

h₀—底板最小安全隔水层厚度，m；

其中，式中的P_s的取值按照如下选择：

1)、底板受构造破坏的地段P_s按0.06MPa/m计算(构造发育块段取0.06MPa/m)；

2)、隔水层完整无断裂构造破坏的地段P_s按0.1MPa/m计算(正常块段取0.1MPa/m)；

其中，式中的T_s的取值根据工作面区域地质资料确定；

S3、将突水预警等级划分三类不同的预警等级，包括：一般报警、严重报警和紧急报警；

所述一般报警等级的预警阈值h₁满足：

所述严重报警等级的预警阈值h₂满足：

所述紧急报警等级的预警阈值h₃满足：h₃＝M-h₀ 式4；

式2、式3、式4中：M为隔水层厚度，h₀为底板最小安全隔水层厚度；

在实际回采过程中,测试低阻区发育高度h，根据低阻区发育高度h的取值范围制定对应的响应措施，其中，

当h≤h₁时，表示：底板隔水层厚度完全达到安全生产要求，正常生产；

当h₁≤h＜h₂时，表示：低阻富水区向上发育，但不影响底板的安全，仍能正常生产，但在回采过程中应关注电阻率异常区的变化；

当h₂≤h＜h₃时，表示：含水构造或裂隙向上发育，但不影响底板的安全，仍能正常生产，但低阻区高度已逐渐接近最小安全隔水层厚度，此时应加强富含水构造或裂隙的观测，提前做好准备工作；

当h≥h₃时，表示：停止生产，采取治理措施。

表1预警阀值及等级设置

注：h₁、h₂、h₃为底板电阻率异常区上升高度值，h为低阻区高度，M为隔水层厚度，h₀为底板最小安全隔水层厚度。

如图2所示，根据对底板岩层视电阻率的监测，发现底板岩层局部视电阻率降低，说明采煤工作面底板下可能存在富含水构造或裂隙发育区，其电阻率低阻区高度为h₁。将h₁确定为一般报警等级阀值，如果h<h₁，说明工作面底板下电阻率低阻区高度小于h₁，此时底板隔水层厚度完全达到安全生产要求。如果在实时监测过程中，某一时刻h₁≤h＜h₂，此时说明底板下电阻率低阻区高度已经大于等于h₁，此时低阻富水区向上发育，但不影响底板的安全，仍可以安全生产。但是，在回采过程中应关注电阻率异常区的变化(见表1)。

如图3所示，根据对底板岩层视电阻率的监测，发现底板岩层局部视电阻率降低，说明采煤工作面底板下可能存在富含水构造或裂隙发育区，其电阻率低阻区高度为h₂，将h₂确定为严重报警等级阀值，如果在实时监测过程中，某一时刻h₂≤h＜h₃，此时说明底板下电阻率低阻区高度已经大于等于h₂，此时含水构造或裂隙向上发育，但不影响底板的安全，仍可以安全生产。但是，低阻区高度已逐渐接近最小安全隔水层厚度，此时应该加强富含水构造或裂隙的观测，提前做好准备工作(表1)。

如图4所示，根据对底板岩层视电阻率的监测，发现底板岩层局部视电阻率降低，说明采煤工作面底板下存在富含水构造或裂隙发育区，其低阻异常区顶部已发展到工作面底板安全隔水层距离为h₀底界，即正好为最小安全隔水层厚度，低阻异常区高度h₃。将h₃确定为严重报警等级阀值，如果在实时监测过程中，某一时刻h≥h₃，此时说明底板下电阻率低阻区高度已经大于等于h₃，此时低阻区高度已达到或超过最小安全隔水层厚度底界，突水系数已大于等于临界安全突水系数。该情况下如果进一步的开采生产，将有可能引发工作面底板突水事故，此时应停止生产，采取相应安全治理措施(表1)。

作为一种进一步的技术方案，根据开采前底板岩体视电阻率背景值以及岩体富水性的判别，采用高密度电法测试底板岩层视电阻率，对比采动前和采动后底板岩层电阻率的变化，判断底板承压水沿着底板岩层的上升高度，从而得到低阻区发育高度h。例如相对干燥、孔隙发育的砂岩岩体视电阻率为200～500Ω·m，当含水层水向上导升，砂岩被水体浸润，其视电阻率降为在5～20Ω·m，高密度电法仪监测所得底板岩体视电阻率图中，会出现底板岩体低阻区域，由此可以判断低阻区发育高度h值。

本实施例中，采用低阻区位移预警法。预警设计中考虑到在工作面回采的不同时间段，随着工作面回采引起的地应力释放，深部异常区域会发生位置性的变化。预警***软件根据监测结果数据自动指定一个低电阻率平均标准值。后期监测过程中通过计算一定时间间隔内两次电法仪在指定高度检测到的低视电阻率的平均值，预警软件自动对比分析两次监测结果的偏离度，如果偏差越大预警等级越高。

高密度电法监测在回采工作面上下平巷，每隔10m布置一个电极，对巷道底板80m范围的充水水情分布及变动情况进行监测，其主要技术优点表现为：

(1)本发明可以实现对工作面底板水情变化的全覆盖监测，克服以往监测手段的单点或局部监测的缺陷；

(2)本发明可以实现对工作面底板水情变化的24小时动态监测，克服以往静态监测手段反应迟缓的弊端；

(3)本发明采用高密度电法监测手段，可以监测不同岩层富水状态电阻率变化特征，并基于底板低阻异常区的发育高度，进行预警阈值设置，达到实时报警的要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种基于高密度电法的底板突水预警方法，其特征在于，包括：

S1、根据矿井地质资料及钻孔测井资料建立底板层状地质模型，该底板层状地质模型包括煤层、底板最小安全隔水层、隔水层和奥灰层，在工作面未开采前，对煤层底板岩层视电阻率值进行实测，获取在工作面底板岩层未受到采动干扰情况下的电阻率背景值；

S2、底板最小安全隔水层厚度确定，根据公式：

式1中：T_s—突水系数，MPa/m；

P_s—底板隔水层承受的水头压力，Mpa；

h₀—底板最小安全隔水层厚度，m；

其中，式中的P_s的取值按照如下选择：

1)、底板受构造破坏的地段P_s按0.06MPa/m计算；

2)、隔水层完整无断裂构造破坏的地段P_s按0.1MPa/m计算；

其中，式中的T_s的取值根据工作面区域地质资料确定；

S3、将突水预警等级划分三类不同的预警等级，包括：一般报警、严重报警和紧急报警；

所述一般报警等级的预警阈值h₁满足：

所述严重报警等级的预警阈值h₂满足：

所述紧急报警等级的预警阈值h₃满足：h₃＝M-h₀式4；

式2、式3、式4中：M为隔水层厚度，h₀为底板最小安全隔水层厚度；

在实际回采过程中,测试低阻区发育高度h，根据低阻区发育高度h的取值范围制定对应的响应措施，其中，

当h≤h₁时，表示：底板隔水层厚度完全达到安全生产要求，正常生产；

当h₁≤h＜h₂时，表示：低阻富水区向上发育，但不影响底板的安全，仍能正常生产，但在回采过程中应关注电阻率异常区的变化；

当h₂≤h＜h₃时，表示：含水构造或裂隙向上发育，但不影响底板的安全，仍能正常生产，但低阻区高度已逐渐接近最小安全隔水层厚度，此时应加强富含水构造或裂隙的观测，提前做好准备工作；

当h≥h₃时，表示：停止生产，采取治理措施。

2.根据权利要求1所述的基于高密度电法的底板突水预警方法，其特征在于，根据开采前底板岩体视电阻率背景值以及岩体富水性的判别，采用高密度电法测试底板岩层视电阻率，对比采动前和采动后底板岩层电阻率的变化，判断底板承压水沿着底板岩层的上升高度，从而得到低阻区发育高度h。

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