基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法与流程

1.本发明涉及于煤矿开采生态损伤检测领域，特别涉及一种基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法。


背景技术：

2.采动覆岩损伤变化是一个动态过程，常规地质勘探方法难以获得开采全周期的连续变化信息，必须集成高精度地球物理探测技术，对地表层和覆岩体进行综合探测，以研究采动覆岩变化规律，主要采用卫星遥感、影像雷达、测量分析等手段。而这类探测技术所需装备属于高精密仪器，操作难度和分析难度较大。遥感监测方法所需花费的时间和金钱成本更高，使用门槛也较高，导致应用范围受到极大的限制。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是现有采动覆岩损伤判断方法存在的探测仪器操作和分析难度较大、成本高及效率低的问题，为此，本发明提出了一种基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法。
4.针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
5.本发明一部分实施例提供一种基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，包括如下步骤：
6.确定浅层煤炭开采区域中的沉陷区域及所述沉陷区域内的地下水库分布信息；
7.获取所述沉陷区域的地表渗水量；
8.对所述沉陷区域内的地下水库水量变化信息进行监测；
9.根据所述地表渗水量和所述地下水库水量变化信息确定所述沉陷区域中上覆岩层渗水强度；
10.根据所述上覆岩层渗水强度确定上覆岩层损伤程度。
11.本发明一些实施例中所述的基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，确定浅层煤炭开采区域中的沉陷区域及所述沉陷区域内的地下水库分布信息的步骤包括：
12.获得所述浅层煤炭开采区域中的水文地质信息；
13.根据所述水文地质信息，确定所述浅层煤炭开采区域中与地下水库水利连通的汇水区域；
14.根据所述汇水区域划定所述沉陷区域。
15.本发明一些实施例中所述的基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，确定浅层煤炭开采区域中的沉陷区域及所述沉陷区域内的地下水库分布信息的步骤中：
16.所述地下水库被设计为具有进水通道和出水通道的储水空间；
17.所述进水通道设置有监测进水量的传感器件，所述出水通道设置有监测出水量的
传感器件。
18.本发明一些实施例中所述的基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，确定浅层煤炭开采区域中的沉陷区域及所述沉陷区域内的地下水库分布信息的步骤中：
19.所述地下水库设置有液位传感器，所述液位传感器用于监测所述地下水库的液位高度信息。
20.本发明一些实施例中所述的基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，对所述沉陷区域内的地下水库水量变化信息进行监测的步骤中：
21.根据设定时段内、所述地下水库的所述进水量、所述出水量和液位高度变化及储水面积确定所述地下水库水量变化信息。
22.本发明一些实施例中所述的基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，根据所述地表渗水量和所述地下水库水量变化信息确定所述沉陷区域中上覆岩层渗水强度的步骤中：
23.根据设定时段内监测到的地下水库水量变化信息确定经由上覆岩层渗入地下水库内的渗水量；
24.根据设定时段内浅层煤炭开采区域的降水量、蒸发量、地面水体侧向补给量和分水岭补给量得到上覆岩层表面的汇水量；
25.根据所述水文地质信息和所述汇水量确定地表下渗量；
26.根据所述地表下渗量和所述渗水量得到上覆岩层渗水系数，所述上覆岩层渗水系数对应于上覆岩层渗水强度。
27.本发明一些实施例中所述的基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，所述水文地质信息包括上覆岩层结构信息、岩层渗透性信息、天然隔水层分布信息、上部含水层分布信息、地面水体的侧向补给信息及分水岭补给信息。
28.本发明一些实施例中所述的基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，根据所述地表下渗量和所述渗水量得到上覆岩层渗水系数的步骤中：
29.通过如下方式得到所述上覆岩层渗水系数：
30.k＝q/q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
31.q＝v(h1,t1)-v(h2,t2)-q
in
+q
ex
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
32.q＝qa+q
p
+q
l
+q
w-qeꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
33.q
p
＝i
p
×
(t
2-t1)
×sꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；
34.qe＝ie×
(t
2-t1)
×sꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)；
35.其中，k为上覆岩层渗水系数；q为经由上覆岩层渗入地下水库内的渗水量，单位为m3；q为地表下渗量，单位为m3；q
in
为设定时段内地下水库总注水量，单位为m3；q
ex
为设定时段内地下水库总抽水量，单位为m3；
36.v(h,t)为时间为t、水位高度为h时的地下水库储水量，单位为m3；t1为设定时段的初期，t2为设定时段的终期，h1为设定时段的初期水位，单位为m；h2为设定时段的终期t2水位，单位为m；
37.qa为上部含水层水量，单位为m3；q
p
为降水量，单位为m3；qe为蒸发量，单位为m3；q
l
为地面水体侧向补给量，单位为m3；qw为分水岭补给量，单位为m3；
38.i
p
为区域单位时间内降水强度，单位为m；s为汇水区域地表面积，单位为m2；ie为区域单位时间内蒸发强度，单位为m。
39.本发明一些实施例中所述的基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，根据所述地表下渗量和所述渗水量得到上覆岩层渗水系数的步骤中：
40.通过如下方式得到地下水库储水量：
[0041][0042]
θ为煤层倾角，单位为度；z表示地下水库截面高度，s’(z)为地下水库的高度为z时的储水面积，单位为m2，r(z,t)为储水系数。
[0043]
本发明一些实施例中所述的基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，根据所述上覆岩层渗水强度确定上覆岩层损伤程度的步骤中：
[0044]
所述上覆岩层渗水系数越高，则所述上覆岩层渗水强度越大，则所述上覆岩层损伤程度越高；其中：
[0045]
根据所述上覆岩层渗水系数的范围将所述上覆岩层损伤程度分为轻度损伤区、中度损伤区和重度损伤区。
[0046]
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
[0047]
本发明提供的基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，确定浅层煤炭开采区域中的沉陷区域及沉陷区域内的地下水库分布信息，获取沉陷区域的地表渗水量，对沉陷区域内的地下水库水量变化信息进行监测，根据地表渗水量和地下水库水量变化信息确定沉陷区域中上覆岩层渗水强度，根据上覆岩层渗水强度确定上覆岩层损伤程度。以上方案中，基于煤矿井下地下水库系统，利用地下水库储水量的变化反应地下水库上方的上覆岩层的渗水能力的变化，将上覆岩层的渗水能力作为上覆岩层损伤程度的影响因素，给出了具体的判断方法。本发明的上述方案具有方法简单，结果可靠，实现了煤矿开采上覆岩层生态损伤的快速简单判断的效果。
附图说明
[0048]
下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:
[0049]
图1为本发明一个实施例所述基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法的示意图；
[0050]
图2为本发明一个实施例所述地下水库与上覆岩层的水渗透关系。
具体实施方式
[0051]
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。
[0052]
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。
[0053]
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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0054]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0055]
煤炭开采后地下形成采空区，诱发上覆岩层的移动变形，三带(冒落带、导水裂隙带、整体变形带)发育，以及地表生态恶化，造成了上覆岩层的损伤。上覆岩及地表的损伤破坏了原有的地下水系统，导致地下渗流场发生变化，产生大量矿井水，发明人在实现本发明的过程中发现，煤炭开采造成的上覆岩层损伤程度是渗流场演化规律的重要组成部分。基于此原理，本发明以下实施例中的方案基于上述现有技术中已经构建的地下水库系统，提出利用地下水库储水量的变化反应上覆岩层的渗水能力的变化，进而确定上覆岩层的损伤程度。
[0056]
在本实施例中提供一种基于地下水库的浅层煤炭开采上覆岩层损伤程度确定方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0057]
步骤一：确定浅层煤炭开采区域中的沉陷区域及所述沉陷区域内的地下水库分布信息；其中，地下水库需具备长期水位及补给排数据监测条件，可以直接采用现有的已经建好的地下水库，沉陷区域和汇水区域是在煤炭开采过程中所形成的区域，沉陷区域，故名思议，其相比于周围平坦的区域会具有一定的凹陷，在凹陷内可以对诸如降雨的水量进行存储，汇水区域可以直接与地下水库存在水利连接，汇水区域最终将沉陷区域内汇集的水传递至地下水库。
[0058]
步骤二：获取所述沉陷区域的地表渗水量。本步骤中，可以通过对浅层煤炭开采区域的地表进行地质参数的分析后确定其渗水能力，在一定时间内，是可以通过检测降水量、蒸发量以及其他情形所产生的水量进行检测的，由此能确定地表所接受到的水量，根据地表的渗水能力就能够判断出地表渗入到上覆岩的水量，将其作为地表渗水量。
[0059]
步骤三：对所述沉陷区域内的地下水库水量变化信息进行监测。可以通过设置于地下水库中的各类传感器对地下水库中的水量变化进行监测。
[0060]
步骤四：根据所述地表渗水量和所述地下水库水量变化信息确定所述沉陷区域中上覆岩层渗水强度。上覆岩层如果没有被破坏时，通过对上覆岩层的渗水能力进行预先检测，就能够确定出地表渗水量应当渗入到地下水库中的渗水量，但是如果上覆岩层发生损伤，则会出现裂隙等加快渗水的情形出现，地表渗水量渗入到地下水库中的比例就会增大。而地下水库中的水量，除了正常流入的进水量和正常抽送出去的出水量之外，其他的水量变化就可以认为是从上覆岩层渗透得到的。因此，可以通过地表渗水量和所述地下水库水量变化信息的关系确定出上覆岩层渗水强度。
[0061]
步骤五：根据所述上覆岩层渗水强度确定上覆岩层损伤程度。
[0062]
本实施例提供的以上方案，确定浅层煤炭开采区域中的沉陷区域及沉陷区域内的地下水库分布信息，获取沉陷区域的地表渗水量，对沉陷区域内的地下水库水量变化信息
进行监测，根据地表渗水量和地下水库水量变化信息确定沉陷区域中上覆岩层渗水强度，根据上覆岩层渗水强度确定上覆岩层损伤程度。以上方案中，基于煤矿井下地下水库系统，利用地下水库储水量的变化反应地下水库上方的上覆岩层的渗水能力的变化，将上覆岩层的渗水能力作为上覆岩层损伤程度的影响因素，给出了具体的判断方法。本发明的上述方案具有方法简单，结果可靠，实现了煤矿开采上覆岩层生态损伤的快速简单判断的效果。
[0063]
在一些实施例中，步骤一中可以包括：
[0064]
(一)获得所述浅层煤炭开采区域中的水文地质信息。所述水文地质信息包括上覆岩层结构信息、岩层渗透性信息、天然隔水层分布信息、上部含水层分布信息、地面水体的侧向补给信息及分水岭补给信息。
[0065]
(二)根据所述水文地质信息，确定所述浅层煤炭开采区域中与地下水库水利连通的汇水区域。
[0066]
(三)根据所述汇水区域划定所述沉陷区域。
[0067]
具体实现时，可以通过采用调研、观测、资料收集等方法，获得地下水库周围区域的水文地质资料，根据本方案的实现原理可以确定，水文地质资料的收集时，可以会影响地表水量变化以及地表、上覆岩层渗水能力的相关信息。
[0068]
进一步地，所述地下水库被设计为具有进水通道和出水通道的储水空间；所述进水通道设置有监测进水量的传感器件，所述出水通道设置有监测出水量的传感器件。参考图2为对于地下水库的简单示意图，其中上覆岩层1可以渗水，经汇水区域汇集后流至地下水库2，地下水库2中的液体3的高度是可以确定的，而进水口4和出水口5可以分别通过传感器件进行水量检测。具体地：所述地下水库2中还可以设置有液位传感器，所述液位传感器用于监测所述地下水库的液位高度信息。在此基础上，根据设定时段内、所述地下水库的所述进水量、所述出水量和液位高度变化及储水面积确定所述地下水库水量变化信息。本步骤中，结合水库运行使用情况，确定设定时段的时间长度，明确监测的起始及终止时间。监测记录地下水库水位变化，统计计算期内地下水库总注水量及总抽水量。具体地，可以通过如下步骤对上覆岩深水强度进行判断：
[0069]
(1)根据设定时段内监测到的地下水库水量变化信息确定经由上覆岩层渗入地下水库内的渗水量。
[0070]
(2)根据设定时段内浅层煤炭开采区域的降水量、蒸发量、地面水体侧向补给量和分水岭补给量得到上覆岩层表面的汇水量。
[0071]
(3)根据所述水文地质信息和所述汇水量确定地表下渗量。
[0072]
(4)根据所述地表下渗量和所述渗水量得到上覆岩层渗水系数，所述上覆岩层渗水系数对应于上覆岩层渗水强度。
[0073]
优选地，通过如下方式得到所述上覆岩层渗水系数：
[0074]
k＝q/q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
[0075]
q＝v(h1,t1)-v(h2,t2)-q
in
+q
ex
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0076]
q＝qa+q
p
+q
l
+q
w-qeꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0077]qp
＝i
p
×
(t
2-t1)
×sꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0078]
qe＝ie×
(t
2-t1)
×sꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)；
[0079]
其中，k为上覆岩层渗水系数；q为经由上覆岩层渗入地下水库内的渗水量，单位为
m3；q为地表下渗量，单位为m3；q
in
为设定时段内地下水库总注水量，单位为m3；q
ex
为设定时段内地下水库总抽水量，单位为m3；v(h,t)为时间为t、水位高度为h时的地下水库储水量，单位为m3；t1为设定时段的初期，t2为设定时段的终期，h1为设定时段的初期水位，单位为m；h2为设定时段的终期t2水位，单位为m；qa为上部含水层水量，单位为m3；q
p
为降水量，单位为m3；qe为蒸发量，单位为m3；q
l
为地面水体侧向补给量，单位为m3；qw为分水岭补给量，单位为m3；i
p
为区域单位时间内降水强度，单位为m；s为汇水区域地表面积，单位为m2；ie为区域单位时间内蒸发强度，单位为m。
[0080]
以上各式中，含水层水量可能为0，例如在上部含水层疏干后，公式(3)中含水层水量赋值为0；一段时期内降水量值也可能为0；地表水体侧向补给量、分水岭补给量均有可能为0，甚至还可能是负值。其根据地下水库和采空区所在的实际地理位置进行确定即可。而且，地下水库的水源可能不止有公式(3)提到的五类，也可能有其他形式，当出现其他形式时，可累加在公式(4)中。
[0081]
本实施例的以上方案，给出了一种计算上覆岩层渗水能力的简单方法，用以判断上覆岩层损伤程度，实现了煤矿开采上覆岩层生态损伤的快速简单判断。
[0082]
以上公式中，通过如下方式得到地下水库储水量：
[0083][0084]
θ为煤层倾角，单位为度；z表示地下水库截面高度，s’(z)为地下水库的高度为z时的储水面积，单位为m2，r(z,t)为储水系数，其也可以参考文献cn201711222824.3一种煤矿地下水库储水系数测算方法中所公开的算法进行计算。
[0085]
一些方案中，当得到了上覆岩层渗水系数后，所述上覆岩层渗水系数越高，则所述上覆岩层渗水强度越大，则所述上覆岩层损伤程度越高；其中：根据所述上覆岩层渗水系数的范围将所述上覆岩层损伤程度分为轻度损伤区、中度损伤区和重度损伤区。其中不同程度损伤区域的划分标准可以通过历史经验值进行设定，也可以通过预先在实验室进行标定模拟试验进行设定。本实施例提供的方案，与卫星遥感等地表损伤勘探方法相比具有简单易实现、成本低的优势。
[0086]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。