一种煤层顶板含水层可疏放水量的计算方法及设备与流程

1.本发明涉及煤矿防治水领域，具体为一种煤层顶板含水层可疏放水量的计算方法及设备。


背景技术：

2.煤层顶板水害是影响矿井安全生产的重要因素，且随着煤炭开采深度的逐步增加，煤层顶板含水层水文地质条件越来越复杂，煤层顶板水害问题日益凸显，威胁矿工生命安全、给矿方造成重大经济损失，因此，开展煤层顶板水害的高效防治具有重要的现实意义与重大的社会意义。
3.现阶段，煤层顶板水害防治的常规做法是煤炭资源勘探阶段探查水文地质条件，生产阶段一是采用地球物理勘探方法探查含水层富水异常区，二是运用地学统计、数学地质、多源地学信息融合等方法预测煤层顶板含水层强富水区，三是利用钻孔单位涌水量的大小圈定煤层顶板含水层强富水区，然后根据煤层开采后导水裂隙带是否沟通富水异常、强富水区的情况，设计、施工顶板疏放水钻孔对顶板含水层水进行疏放，保障煤层安全回采。其中，煤层顶板含水层富水异常区与强富水区的确定是煤矿防治水工作的重要环节，目前顶板含水层富水异常区、强富水区的确定存在如下问题：
4.(1)由于采用地球物理勘探方法解译含水层富水异常区时存在多解性，降低了含水层富水异常区的可靠性；
5.(2)影响含水层富水性的因素众多，影响机制复杂，不同地质、水文地质条件，含水层富水性影响的因素不同，预测指标选取不同，且各含水层富水性预测指标之间可能存在一定的相关关系，运用地学统计、数学地质、多源地学信息融合等方法预测煤层顶板含水层强富水区时较难选择典型的富水性预测指标，影响含水层富水性预测结果的准确性；
6.(3)钻孔单位涌水量虽然是评价含水层富水性最直接、最准确的手段，但钻孔单位涌水量是在钻孔中开展抽水试验所获得的，费用较高、数据有限、点状分布，较难反映含水层空间富水性；
7.(4)目前的含水层富水性预测方法均为定性评价含水层的富水程度，对顶板疏放水的指导意义不明显。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种煤层顶板含水层可疏放水量的计算方法及设备。
9.本发明是通过以下技术方案来实现：
10.一种煤层顶板含水层可疏放水量的计算方法，包括如下步骤：
11.步骤1，确定影响煤层开采的主要含水层；
12.步骤2，采取主要含水层岩心样品确定主要含水层孔隙度以及渗透率下限；
13.步骤3，通过主要含水层孔隙度以及渗透率测试实验确定孔隙度、渗透率；
14.步骤4，建立孔隙度与声波时差关系；
15.步骤5，采用声波时差曲线求取未测孔隙度的主要含水层孔隙度；
16.步骤6，利用含水饱和度公式计算主要含水层含水饱和度；
17.步骤7，计算主要含水层孔隙度大于孔隙度、渗透率下限且导水裂隙带沟通区域的可疏放水量；
18.步骤8，利用富水异常区探查与钻孔单位涌水量校正可疏放水量计算结果。
19.优选的，步骤1中，采集煤炭资源勘探阶段水文地质资料并根据含水层划分及其主要水文地质特征、煤层开采的导水裂隙带发育情况确定出影响煤层开采的主要含水层，其中煤炭资源勘探阶段水文地质资料包括水文孔钻孔柱状、水文孔抽水实验成果、水文地质综合柱状图、地质勘探报告和水文地质补充勘探报告。
20.进一步的，确定主要含水层的满足条件包括：
21.a、主要含水层的钻孔单位涌水量大；
22.b、主要含水层厚度大；
23.c、煤层开采后导水裂隙带发育高度部分或全部区域沟通主要含水层。
24.优选的，步骤2中，采用岩心驱替实验确定主要含水层孔隙度以及渗透率下限，即孔隙度、渗透率大于等于此下限值时煤层开采导水裂隙带沟通该主要含水层时含水层中的水会释出。
25.优选的，步骤3中，孔隙度为连通的孔隙空间与岩石的总体积之比，且孔隙度≥5％。
26.优选的，步骤4中，将孔隙度与声波时差测井曲线联合，构建孔隙度与声波时差拟合关系式，关系式如下：
27.y＝ax+b
28.式中：y为有效孔隙度％；x为声波时差数据μs/s；a和b为常数。
29.优选的，步骤6中，取主要含水层的岩样，开展主要含水层的岩-电实验，确定主要含水层含水饱和度计算公式的有关系数，具体公式如下：
[0030][0031]
其中，sw为含水饱和度；n为饱和度指数；a，m为与岩性及孔隙结构有关的系数；rw为孔隙水电阻率；r
t
为岩层电阻率；为孔隙度。
[0032]
优选的，步骤7中，计算主要含水层孔隙度大于孔隙度、渗透率下限且导水裂隙带沟通区域的可疏放水量，计算公式如下：
[0033]
e＝sw×h[0034]
其中，e为含水层可疏放水量；sw为含水饱和度；h为含水层厚度。
[0035]
一种煤层顶板含水层可疏放水量的计算设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述的煤层顶板含水层可疏放水量的计算方法。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0037]
本发明提供了一种煤层顶板含水层可疏放水量的计算方法，充分利用煤炭资源勘
探阶段的测井资料，建立测井曲线与含水层孔隙度之间的关系，用于计算未测含水层区域孔隙度，计算含水层的可疏放水量，减少孔隙度测试数量与钻探、地球物理勘探工程量，降低了煤矿防治水费用。
[0038]
进一步的，本发明计算了煤层顶板主要含水层的可疏放水量，相较以往的相对富水性，能够高效地指导顶板水疏放工作。
附图说明
[0039]
图1为本发明中煤层顶板含水层可疏放水量的计算方法的流程图；
[0040]
图2为本发明中声波测井与孔隙度之间的相关关系图；
[0041]
图3为本发明中含水层可疏放水量计算区域分布图。
具体实施方式
[0042]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0043]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0044]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0045]
参见图1，本发明一个实施例中，提供了一种煤层顶板含水层可疏放水量的计算方法，包括如下步骤：
[0046]
步骤1，确定影响煤层开采的主要含水层；
[0047]
具体的，采集煤炭资源勘探阶段水文地质资料并根据含(隔)水层划分及其主要水文地质特征、煤层开采的导水裂隙带发育情况确定出影响煤层开采的主要含水层，其中煤炭资源勘探阶段水文地质资料包括水文孔钻孔柱状、水文孔抽水实验成果、水文地质综合柱状图、地质勘探报告和水文地质补充勘探报告。
[0048]
确定主要含水层的满足条件如下：
[0049]
a、主要含水层的钻孔单位涌水量大；
[0050]
b、主要含水层厚度大；
[0051]
c、煤层开采后导水裂隙带发育高度部分或全部区域沟通主要含水层。
[0052]
步骤2，采取主要含水层岩心样品确定主要含水层孔隙度以及渗透率下限；
[0053]
其中，步骤2中，采用岩心驱替实验确定主要含水层孔隙度以及渗透率下限，即孔隙度、渗透率大于等于此下限值时煤层开采导水裂隙带沟通该主要含水层时含水层中的水
会释出。
[0054]
本发明中，岩心驱替实验原理：根据驱替机理和相似原理将地层按相似比例开展方案设计，在模拟地层压力、温度条件下，借助现代科学技术最新成果，如计算机技术、先进传感器技术、自动控制技术等等，进行物理模拟试验。其主要用于模拟不同温度、压力以及地层条件下，水在模拟岩样中的流动驱替过程。确定出临界孔隙度、渗透率，即在正常地层压力等于注入水压力时的孔隙度、渗透率，大于此值，含水层水会释出，可为后续主要含水层可疏放水量计算提供依据。
[0055]
岩心驱替实验岩样为圆柱形，岩心直径为2～20cm，高度为5～30cm，将岩心放在恒温箱内高温70～90℃，10～12小时，充分干燥。测试环境温度为10～30℃，环境湿度≤80％rh，地面平整无强振动。驱替压力为30～60mpa，围压压力为40～70mpa。
[0056]
步骤3，通过主要含水层孔隙度以及渗透率测试实验确定孔隙度、渗透率；
[0057]
具体的，开展主要含水层孔隙度、渗透率测试实验，获得主要含水层孔隙度、渗透率。孔隙度是在自然状态下岩石中的的孔隙体积与岩石总体积之比，包括岩石中所有的孔隙，不管它们是否连通。本发明测试的孔隙度为连通的孔隙空间与岩石的总体积之比，且孔隙度≥5％。
[0058]
步骤4，建立孔隙度与声波时差关系；
[0059]
具体的，将孔隙度与声波时差测井曲线联合，构建孔隙度与声波时差拟合关系式，关系式如下：
[0060]
y＝ax+b
[0061]
式中：y为有效孔隙度％；x为声波时差数据μs/s；a和b为常数。
[0062]
步骤5，采用声波时差曲线求取未测孔隙度的主要含水层孔隙度；
[0063]
步骤6，利用含水饱和度公式计算主要含水层含水饱和度；
[0064]
具体的，取主要含水层的岩样，开展主要含水层的岩-电实验，确定主要含水层含水饱和度计算公式的有关系数，具体公式如下：
[0065][0066]
其中，sw为含水饱和度；n为饱和度指数；a，m为与岩性及孔隙结构有关的系数；rw为孔隙水电阻率；r
t
为岩层电阻率；为孔隙度。
[0067]
步骤7，计算主要含水层孔隙度大于孔隙度、渗透率下限且导水裂隙带沟通区域的可疏放水量；
[0068]
具体的，计算主要含水层孔隙度大于孔隙度、渗透率下限且导水裂隙带沟通区域的可疏放水量，计算公式如下：
[0069]
e＝sw×h[0070]
其中，e为含水层可疏放水量；sw为含水饱和度；h为含水层厚度。
[0071]
步骤8，利用富水异常区探查与钻孔单位涌水量校正可疏放水量计算结果。
[0072]
收集瞬变电磁、直流电法探测等富水性评价报告与水文孔抽水试验获取的钻孔单位涌水量，对照分析主要含水层可疏放水量计算的准确性，重点根据钻孔单位涌水量的大小校正含水层可疏放水量计算结果。依据可疏放水量计算结果指导疏放水设计、施工。
[0073]
实施例
[0074]
某煤矿开采2号煤层，煤层厚度5.2m，埋深380m，属于近水平煤层，煤层上覆延安组、直罗组、安定组、洛河组砂岩含水层，顶板砂岩厚度300m左右，富水性不均一。目前开采31123工作面，该工作面回采前采用以下步骤计算顶板砂岩可疏放水量，科学指导了顶板水疏放。
[0075]
步骤一：确定影响煤层开采的主要含水层为直罗组含水层。收集煤矿地质勘探报告、水文地质补勘报告、钻孔柱状图、水文孔抽水试验成果等资料，结合该矿导水裂隙带实测数据，确定主要含水层具体如下：
[0076]
(1)直罗组含水层的抽水试验的钻孔单位涌水量为1.2～1.5l/(s
·
m)，较延安组、安定组、洛河组含水层钻孔单位涌水量大；
[0077]
(2)延安组含水层厚度为60～100m，直罗组含水层厚度为150～200m，安定组含水层厚度为50～80m，洛河组含水层厚度为30～70m，直罗组含水层厚度最大；
[0078]
(3)2号煤层开采后导水裂隙带发育高度为采高的23倍，导水裂隙带发育高度为119.6m，2号煤层开采后导水裂隙带沟通贯穿延安组含水层，部分沟通直罗组含水层。
[0079]
步骤二：确定主要含水层孔隙度下限为8％，渗透率下限为120md。在31123工作面采取直罗组含水层岩心，岩心直径为3cm，高度为10cm，将岩心放在恒温箱内高温80℃，11小时，充分干燥。测试环境温度为24℃，环境适度75％rh，地面平整无强振动。驱替压力为35mpa，围压压力为45mpa。孔隙度大于8％、渗透率大于120md，煤层开采导水裂隙带沟通直罗组含水层的区域含水层水随即释出，为顶板疏放钻孔施工后含水层可疏放量计算提供依据。
[0080]
步骤三：确定31123工作面直罗组含水层孔隙度。采取直罗组含水层岩心10块，开展直罗组含水层孔隙度、渗透率测试实验，获得主要含水层孔隙度，孔隙度如下表：
[0081][0082]
步骤四：建立孔隙度与声波时差关系。收集勘探阶段钻孔声波时差测井数据，联合步骤三测试的孔隙度，构建孔隙度与声波时差拟合关系式(图2)，如下式：
[0083]
y＝0.0215x+3.4728
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0084]
r2＝0.9094
[0085]
式中：y为有效孔隙度(％)；x为声波时差数据(μs/s)；r2为相关系数。
[0086]
步骤五：利用步骤四的孔隙度与声波时差拟合关系式(1)计算31123工作面中尚未测试孔隙度区域的直罗组含水层孔隙度，如图2所示。计算结果如下表：
[0087]
表2工作面未测孔隙度区域孔隙度计算结果
[0088]
序号孔隙度(％)声波时差(μs/s)序号孔隙度(％)声波时差(μs/s)17.7728(剔除)20098.052321328.0523213108.525323538.6973243118.6328240
47.8803(剔除)205127.9878(剔除)21058.0953215138.073821468.2028220148.202822078.4178230158.804824888.2888224168.1598218
[0089]
步骤六：利用含水饱和度公式计算直罗组含水层含水饱和度。采取直罗组含水层岩样，进行岩-电实验，确定出含水饱和度计算公式中有关系数，系数包括饱和度指数、与岩性及孔隙结构有关的系数、孔隙水电阻率、岩层电阻率等，经实验，最终确定饱和度指数n为2，与岩性及孔隙结构有关的系数a为0.7，m为1.9，孔隙水电阻率rw为，岩层电阻率r
t
为1.3ω
·
m，孔隙水电阻率rw为0.5ω
·
m。
[0090]
步骤七：计算直罗组含水层可疏放水量。选取步骤三和步骤五中孔隙度大于8％、渗透率大于120md、导水裂隙带沟通直罗组含水层的区域，按照如下公式计算可疏放水量：
[0091][0092]
式中：e为含水层可疏放水量；n为符合条件的数据；s
wi
为含水饱和度；hi为含水层厚度。
[0093]
经筛选数据、计算直罗组含水层可疏放水量为2.5万m3。
[0094]
步骤八：利用富水异常区探查与钻孔单位涌水量校正可疏放水量计算结果，如图3所示。收集瞬变电磁、直流电法探测等富水性评价报告与水文孔抽水试验获取的钻孔单位涌水量，对照分析主要含水层可疏放水量计算的准确性，重点根据钻孔单位涌水量的大小校正含水层可疏放水量计算结果。依据可疏放水量计算结果指导疏放水设计、施工。
[0095]
本发明中煤层顶板含水层可疏放水量的计算方法是通过煤层顶板含水层可疏放水量的计算设备实现的，煤层顶板含水层可疏放水量的计算设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述所述的煤层顶板含水层可疏放水量的计算方法。
[0096]
综上所述，本发明充分利用煤炭资源勘探阶段的测井资料，建立测井曲线与含水层孔隙度之间的关系，用于计算未测含水层区域孔隙度，计算含水层的可疏放水量，减少孔隙度测试数量与钻探、地球物理勘探工程量，降低了煤矿防治水费用；本发明计算了煤层顶板主要含水层的可疏放水量，相较以往的相对富水性，能够高效地指导顶板水疏放工作。
[0097]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。