開采煤層頂?shù)装逅樾紟r類含水層富水性定量預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種開采煤層頂?shù)装逅樾己畬痈凰缘亩款A(yù)測(cè)方法，尤其是一種 水文地質(zhì)勘探程度較低煤礦的煤層頂?shù)装逅樾紟r類含水層富水性定量預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 礦井突涌水是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害類型之一，隨著我國(guó)煤炭資源開采規(guī) 模和強(qiáng)度不斷加大，礦井突涌水災(zāi)害更為突出，尤其是復(fù)雜水文地質(zhì)類型的礦井建設(shè)和開 采過(guò)程中，時(shí)常伴隨相互關(guān)聯(lián)的水文地質(zhì)條件探查不清的不利因素，水害風(fēng)險(xiǎn)和危害日趨 嚴(yán)重。砂(堿)巖等碎屑巖類含水層作為礦井突涌水的重要來(lái)源，廣泛發(fā)育于含煤地層中，由 于距離煤層近，對(duì)煤層開采影響顯著。如華北型煤田的山西組砂巖，保羅系煤田的煤系砂巖 等往往構(gòu)成礦井充水的主要水源，在應(yīng)對(duì)措施不當(dāng)情況下也會(huì)釀成災(zāi)害，導(dǎo)致工作面因水 患而影響生產(chǎn)甚至淹面、淹采區(qū)等。含煤地層中的砂(堿)巖含水層往往具有富水性不均一、 差異性大的特點(diǎn)，其賦水特征不易查明，尤其是對(duì)于新建井田或采區(qū)，水文地質(zhì)勘探程度 低，水文地質(zhì)資料匿乏，往往導(dǎo)致煤層頂、底板水害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)難W進(jìn)行。
[0003] 現(xiàn)有含水層富水性評(píng)價(jià)方法主要依賴于水文地質(zhì)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)W及據(jù)此進(jìn)行的抽放 水試驗(yàn)，但是當(dāng)運(yùn)些數(shù)據(jù)不足，將難W對(duì)研究區(qū)進(jìn)行必要的研究。長(zhǎng)期W來(lái)，新建井田或新 采區(qū)的安全生產(chǎn)需要一種能夠較準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)頂?shù)装逅樾紟r含水層富水性的方法和技術(shù)。
[0004] 中國(guó)專利申請(qǐng)CN 102799955 A公開了一種突水系數(shù)小于0.06MPa/m區(qū)底板突水評(píng) 價(jià)=圖法，包括W下步驟：1.主采煤層開采的帶壓區(qū)范圍的圈定;2.確定導(dǎo)水通道立體空間 位置，建立其空間位置分布圖；3.基于不同勘探信息源資料，研發(fā)煤層底板充水含水層富水 性分區(qū)圖；4.基于GIS復(fù)合功能，疊加分析影響主采煤層安全開采的底板突水的諸因素，建 立主采煤層底板突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)分區(qū)圖，對(duì)主采煤層開采過(guò)程中底板突水危險(xiǎn)狀況做出預(yù) 測(cè)評(píng)價(jià)。該專利提出了底板突水評(píng)價(jià)的=圖法，并進(jìn)行了含水層富水性分區(qū)研究，但是該專 利含水層富水性分區(qū)采用了傳統(tǒng)的鉆探資料、物探資料W及水文地質(zhì)試驗(yàn)分析方法，未能 充分考慮到地層巖性及其組合關(guān)系對(duì)富水性的影響，未能建立地層結(jié)構(gòu)定量評(píng)價(jià)模型，且 富水性分區(qū)的研究方法更適合于水文地質(zhì)資料豐富的礦區(qū)，對(duì)于水文地質(zhì)勘探程度低的區(qū) 域適用性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)水文地質(zhì)勘探程度低的新礦 井、新采區(qū)，基于區(qū)域的水文地質(zhì)與構(gòu)造地質(zhì)環(huán)境的分析，利用已有鉆探、地球物理探查資 料，提供一種開采煤層頂?shù)装逅樾紟r類含水層富水性定量預(yù)測(cè)方法，該方法簡(jiǎn)單、實(shí)用、易 操作，能夠較準(zhǔn)確定量預(yù)測(cè)頂?shù)装逅樾紟r含水層富水性。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] -種開采煤層頂?shù)装逅樾紟r類含水層富水性定量預(yù)測(cè)方法，
[000引包括W下步驟：
[0009] A.確定碎屑巖類含水層富水性的主控因素:采用沉積-構(gòu)造分析方法，研究含煤地 層沉積環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造演化史，確定含煤地層沉積體系，并開展地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)，確 定碎屑巖類含水層富水性主控因素。
[0010] B.確定煤層開采導(dǎo)致的頂?shù)装鍘r層擾動(dòng)范圍：綜合確定煤層開采時(shí)引起的頂板導(dǎo) 水裂縫帶發(fā)育最大高度及底板破壞帶最大深度，據(jù)此圈定煤層開采造成的頂?shù)装鍘r層擾動(dòng) 范圍。
[0011] C.研究區(qū)沉積特征評(píng)價(jià):提出巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)表征沉積環(huán)境對(duì)含水層富水性的影響 大小，定量評(píng)價(jià)含水層富水性的物質(zhì)基礎(chǔ)條件。
[0012] D.研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)：利用分形理論定量評(píng)價(jià)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程 度，反映構(gòu)造區(qū)含水層富水特征。
[0013] E.構(gòu)建巖性結(jié)構(gòu)-地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)模型，綜合評(píng)價(jià)碎屑巖類含水層富水性:確定出巖 性結(jié)構(gòu)特征與地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度兩因素對(duì)碎屑巖類含水層富水性的權(quán)值，構(gòu)建富水性評(píng)價(jià) 的巖性結(jié)構(gòu)-地質(zhì)構(gòu)造復(fù)合評(píng)價(jià)模型。
[0014] F.碎屑巖類含水層富水性科學(xué)區(qū)劃:基于巖性結(jié)構(gòu)-地質(zhì)構(gòu)造復(fù)合評(píng)價(jià)模型繪制 富水性賦值分布平面圖；根據(jù)地球物理探測(cè)結(jié)果確定富水性分區(qū)闊值，提出含水層富水性 等級(jí)劃分方法，繪制富水性分區(qū)圖。
[0015] 所述步驟A中確定碎屑巖類含水層富水性的主控因素具體包括：
[0016] a)采用沉積-構(gòu)造分析方法，研究含煤地層沉積環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造演化史，確定含煤 地層沉積體系，劃分含煤地層中主要的含水層巖性、含水層單層厚度、含水層總厚度、含水 層-隔水層界面數(shù)量。
[0017] b)定性評(píng)價(jià)研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度，包括斷裂構(gòu)造性質(zhì)及產(chǎn)狀、規(guī)模，權(quán)皺構(gòu)造 類型及密度，W及巖溶陷落柱的分布及類型。
[0018] C)確定碎屑巖類含水層富水性的主控影響因素包括含水層巖性、含水層總厚度、 含水層-隔水層組合特征、斷裂構(gòu)造復(fù)雜程度、權(quán)皺構(gòu)造復(fù)雜程度W及巖溶陷落柱構(gòu)造特 征。
[0019] 所述步驟B中確定煤層開采導(dǎo)致頂?shù)装鍘r層擾動(dòng)范圍具體包括：
[0020] a)對(duì)開采工作面充水的含水層主要位于煤層開采擾動(dòng)范圍之內(nèi)。運(yùn)用理論分析、 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及模型試驗(yàn)等研究手段，確定煤層開采時(shí)引起的頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍及底板 破壞帶深度。
[0021] b)結(jié)合研究區(qū)鉆孔掲露的地層結(jié)構(gòu)特征，圈定煤層開采造成的頂?shù)装鍘r層擾動(dòng)范 圍：
[0022] 若導(dǎo)水裂縫帶上界或底板采動(dòng)破壞帶下界巖層為隔水層，則表明開采擾動(dòng)范圍內(nèi) 的含水層完全破壞，則開采擾動(dòng)范圍即為導(dǎo)水裂縫帶及底板采動(dòng)破壞帶。
[0023] 若導(dǎo)水裂縫帶上界或底板采動(dòng)破壞帶下界巖層為含水層，則表明此處含水層未完 全破壞，則保持了含水層的水力聯(lián)系，對(duì)該含水層進(jìn)行水力補(bǔ)給，因此開采擾動(dòng)范圍比導(dǎo)水 裂縫帶及采動(dòng)破壞帶范圍要大，需將未破壞含水層包含進(jìn)去。
[0024] 所述步驟C中研究區(qū)沉積特征評(píng)價(jià)具體包括：
[0025] a)考慮碎屑含水層粒徑大小、含水層-隔水層沉積間隔、含水層巖性及單層厚度對(duì) 煤層頂板富水性影響，提出運(yùn)用巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)化SC)表征頂板擾動(dòng)區(qū)內(nèi)巖層富水程度；
[0026]
[0027] 巧甲：i-宵7於居效重，h(wb)i-第i個(gè)含水層單層厚度，m;ri-第i個(gè)含水層厚度等 效系數(shù);R-頂板擾動(dòng)帶中含水層所占比重，即含水層累計(jì)厚度與擾動(dòng)帶高度之比;n-頂板 擾動(dòng)帶內(nèi)含水層-隔水層轉(zhuǎn)換界面數(shù)量；
[0028] b)為便于確定富水性分區(qū)指標(biāo)，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法將各鉆孔LSC數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn) 化處理，獲得各鉆孔煤層頂板擾動(dòng)區(qū)頂板巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值.段S。極差標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理是公知技術(shù)，不再寶述。
[0029] 所述步驟D中研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度定量評(píng)價(jià)具體包括：
[0030] a)采用相似維方法描述研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度，獲得研究區(qū)斷裂構(gòu)造分維值 D(fa)s及權(quán)曲分維值D(fan)s，相似維方法是公知技術(shù)，不再寶述。
[0031] b)基于研究區(qū)或鄰區(qū)已有水害資料，結(jié)合"征集專家評(píng)分"的方法，確定斷裂構(gòu)造 引發(fā)水害所占權(quán)值aW及權(quán)曲引發(fā)水害所占權(quán)值b。征集專家評(píng)分是公知技術(shù)，不再寶述。
[0032] C)根據(jù)步驟a)和步驟b)中計(jì)算的斷裂構(gòu)造分維值D(fa)s、權(quán)曲分維值D(fan)s、斷裂構(gòu) 造權(quán)值a W及權(quán)曲權(quán)值b，構(gòu)建構(gòu)造復(fù)雜程度評(píng)價(jià)模型，獲取構(gòu)造綜合復(fù)雜程度特征值化，定 量表征研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度；
[003；3] Ds = a ? D(fa)s+b ? D(fa〇)sQ
[0034] 式中：Ds-構(gòu)造綜合復(fù)雜程度特征值，D(fa)s-斷裂構(gòu)造分維值，D(fao)s-權(quán)曲分維 值，a-斷裂構(gòu)造權(quán)值，b-權(quán)曲權(quán)值；
[0035] d)采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法將化數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得構(gòu)造復(fù)雜性標(biāo)準(zhǔn)值馬，極 差標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是公知技術(shù)，不再寶述。
[0036] 所述步驟E中構(gòu)建巖性結(jié)構(gòu)-地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測(cè)模型，綜合評(píng)價(jià)碎屑巖類含水層富水性 具體包括：
[0037] a)綜合考量巖性結(jié)構(gòu)特征W及地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度，利用征集專家評(píng)分法或聚類分 析、模糊數(shù)學(xué)等非線性數(shù)學(xué)方法，確定出巖性結(jié)構(gòu)特征與地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度兩因素對(duì)碎屑 巖類含水層富水性的權(quán)值a及e;
[0038] b)構(gòu)建富水性評(píng)價(jià)的巖性結(jié)構(gòu)-地質(zhì)構(gòu)造復(fù)合評(píng)價(jià)模型：
[0039] F = ".丘戶'.耳
[0040]