开采煤层顶底板碎屑岩类含水层富水性定量预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设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】
[0002] 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(碱)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，保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(碱)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，水文地质资料匿乏，往往导致煤层顶、底板水害危险性预测与评价难W进行。
[0003] 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W及据此进行的抽放 水试验，但是当运些数据不足，将难W对研究区进行必要的研究。长期W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。
[0004] 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=图法，包括W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=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W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】
[0005] 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。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0007] -种开采煤层顶底板碎屑岩类含水层富水性定量预测方法，
[000引包括W下步骤：
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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阔值，提出含水层富水性 等级划分方法，绘制富水性分区图。
[0015] 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：
[0016] 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。
[0017] 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，權皱构造 类型及密度，W及岩溶陷落柱的分布及类型。
[0018] 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、權皱构造复杂程度W及岩溶陷落柱构造特 征。
[0019] 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：
[0020] 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。
[0021] b)结合研究区钻孔掲露的地层结构特征，圈定煤层开采造成的顶底板岩层扰动范 围：
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 所述步骤C中研究区沉积特征评价具体包括：
[0025] 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化SC)表征顶板扰动区内岩层富水程度；
[0026]
[0027] 巧甲：i-宵7於居效重，h(wb)i-第i个含水层单层厚度，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；
[0028] 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.段S。极差标准化方法进行 数据处理是公知技术，不再寶述。
[0029] 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：
[0030] 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及權曲分维值D(fan)s，相似维方法是公知技术，不再寶述。
[0031] 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aW及權曲引发水害所占权值b。征集专家评分是公知技术，不再寶述。
[0032] C)根据步骤a)和步骤b)中计算的断裂构造分维值D(fa)s、權曲分维值D(fan)s、断裂构 造权值a W及權曲权值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化，定 量表征研究区地质构造复杂程度；
[003；3] Ds = a ? D(fa)s+b ? D(fa〇)sQ
[0034] 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-權曲分维 值，a-断裂构造权值，b-權曲权值；
[0035] d)采用极差标准化方法将化数据进行标准化处理，获得构造复杂性标准值馬，极 差标准化方法进行数据处理是公知技术，不再寶述。
[0036] 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：
[0037] a)综合考量岩性结构特征W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a及e;
[0038] b)构建富水性评价的岩性结构-地质构造复合评价模型：
[0039] F = ".丘户'.耳
[0040]