一种特厚煤层多分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计的新方法与流程

1.本发明涉及地质勘探技术领域，具体涉及一种特厚煤层多分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计的新方法。


背景技术：

2.侏罗系煤层成煤时代晚，含煤地层胶结程度差，物理力学强度低、易崩解，特厚煤层(》15m)分层开采反复扰动顶板岩层，极易引发回采工作面突水溃砂事故。在勘探阶段预测的导水裂缝带发育高度普遍与矿井实测值相差较大，而实际导水裂缝带发育高度也随不同分层采厚及开采方式而波动，导致该开采条件下的导水裂缝带高度计算极为困难。因此，为分析覆岩破坏波及含水层情况，有必要采用一种准确有效方法来准确预测特厚煤层分层开采不同阶段中的导水裂缝带发育高度。
3.现阶段常用的导水裂缝带预计方法有：“三下”经验公式法、模拟法、类比法等。对于使用最为普遍的“三下”经验公式法，仅有累计采厚不超过15m的厚煤层导水裂缝带发育高度计算公式，尚无特厚煤层(》15m)分层开采计算方法；对于模拟法，水文地质模型过度概化、相关参数难以精准查清，造成计算结果一定程度失真，目前主要作为一种辅助手段；对于类比法，将目的矿区与水文地质条件相似矿区已有的导水裂缝带发育高度类比，由于特厚煤层的特殊性，不同矿区间分层采厚不尽相同且分层开采方式区别较大，难以精确类比。因此，如何优化导水裂缝带预计方法成为目前本领域亟待解决的关键问题。


技术实现要素：

4.为解决上述技术中问题，本发明提供了一种特厚煤层多分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计的新方法，该方法充分考虑侏罗系特厚煤层多分层开采条件下，导水裂缝带随煤炭开采发生的变化，能够有效解决由于导水裂缝带发育高度预计偏差引起的突水溃砂或过量压煤问题，其技术方案具体为：
5.一种特厚煤层多分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计的新方法，以包括材料模拟、数值模拟和现场实测为对象，构建覆岩导水裂缝带发育高度数据库，并根据覆岩导水裂缝带发育高度数据库通过数理统计回归分析推导覆岩导水裂缝带发育高度理论预计公式。
6.在实施上述实施例时，优选地，包括以下步骤：
7.s1、获取综合资料；
8.s2、现场勘察，实测各分层的导水裂缝带发育高度；
9.s3、结合目的矿井实际水文地质结构，进行室内相似材料模拟实验和数值计算模拟；
10.s4、根据综合资料、现场勘察、模拟数值，建立覆岩导水裂缝带发育高度数据库；
11.s5、采用数理统计回归分析，推导不同分层开采高度的覆岩导水裂缝带发育高度理论预计公式。
12.在实施上述实施例时，优选地，s1中的综合资料包括目的矿井已有或水文地质结构相似矿井的特厚煤层多分层开采覆岩导水裂缝带发育高度以往实地探测资料。
13.在实施上述实施例时，优选地，s2中的实测方法为“井下+井上”联合的方法。
14.在实施上述实施例时，优选地，所述井下方法为井下仰孔封堵测漏方法。
15.在实施上述实施例时，优选地，所述井上方法为地表钻孔漏失液观测方式辅助钻孔电视成像方法。
16.在实施上述实施例时，优选地，s3中以目的矿井实际水文地质结构，绘制目的矿井主要含水层位置关系图，以矿井水文地质参数和岩石力学参数为依据开展室内相似材料实验模拟和数值计算模拟。
17.在实施上述实施例时，优选地，所述室内相似材料实验模拟为建造物理模型，模拟特厚煤矿多分层开采，利用光学全站仪仪器记录导裂带发育全过程。
18.在实施上述实施例时，优选地，所述数值计算模拟为使用有限元模拟软件建立数值模型，以s1和s2的导高数据为参考进行参数调整，模拟并监测特厚煤层多分层开采导水裂缝带演化过程。
19.在实施上述实施例时，优选地，s4中还包括根据覆岩导水裂缝带发育高度数据库厘清侏罗系特厚煤层多分层开采导水裂缝带高度变化基本规律。
20.在实施上述实施例时，优选地，s5中，通过数理统计回归分析推导不同分层开采高度的覆岩导水裂缝带发育高度理论预计新公式如下：
[0021][0022]
式中：h裂——导水裂缝带发育高度，单位m；xi——分层开采高度，单位m；n——分层数目，n＝1，2,3
……
；c——南北翼岩性差异松弛量，取10；在南翼计算中取正值，北翼计算中取负值。
[0023]
本发明有益效果是：与现有技术相比，本发明整合了同区域相似水文地质条件特厚煤层多分层开采的已有导高数据，然后应用“井上+井下”现场实测保证实测数据的准确，物理和数值模型模拟结果作为补充，呈现了裂隙在垂向上的分布和演化规律，最后利用数理统计回归分析推导出特厚煤层多分层开采的覆岩导水裂缝带发育高度理论预计公式。该方法建立了同区域内长久可用并持续改进的导高数据库和数学计算公式，提升了该地区类似开采情况下的预测精度，为侏罗系特厚煤层多分层开采覆岩导水裂缝带发育高度的预计提供了一种新的更优化更实用的方法。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
[0025]
图1为本发明的特厚煤层多分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计方法流程图；
[0026]
图2为本发明实施例主要含水层位置关系图；
[0027]
图3a—3d为本发明实施例物理模型采动覆岩裂缝的演化规律图；
[0028]
图4为本发明实施例覆岩破坏的采高效应离散元计算模型；
[0029]
图5为本发明实施例分层开采导水裂缝带高度变化趋势图。
具体实施方式
[0030]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
[0031]
本发明提供的一种特厚煤层多分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计的新方法，以包括材料模拟、数值模拟和实际勘探为对象，构建覆岩导水裂缝带发育高度数据库，并根据覆岩导水裂缝带发育高度数据库通过数理统计回归分析推导覆岩导水裂缝带发育高度理论预计公式。
[0032]
具体包括以下步骤：
[0033]
s1、获取目的矿井已有或水文地质结构相似矿井特厚煤层多分层开采覆岩导水裂缝带发育高度实地探测资料，对导高数据进行统计整合；
[0034]
s2、应用“井下+井上”联合的方法，即应用井下仰孔封堵测漏方法和地表钻孔漏失液观测方式辅助钻孔电视成像实测各分层的导水裂缝带发育高度。
[0035]
s3、查明矿井实际水文地质结构，绘制目的矿井主要含水层位置关系图。按规范求取矿井水文地质参数和岩石力学参数，利用河砂、石膏、重钙粉、水泥等材料按合适配比建造物理模型，模拟特厚煤矿多分层开采，利用pentax r-322nx型光学全站仪等仪器记录导裂带发育全过程；使用flac3d或udec有限元模拟软件建立数值模型，以s1和s2导高数据为参考进行参数调整，模拟并监测特厚煤层多分层开采导水裂缝带演化过程。
[0036]
s4、综合资料获取、现场勘察、模型模拟结果，建立导水裂缝带发育高度数据库并厘清侏罗系特厚煤层多分层开采导水裂缝带高度变化基本规律。
[0037]
s5、采用数理统计回归分析推导不同分层开采高度的覆岩导水裂缝带发育高度理论预计公式。
[0038]
下面将结合实施例以更加清晰、明确表述本发明的技术方案。
[0039]
s1、统计并整合目的矿井或水文地质结构相似矿井以往的导高实测资料。
[0040]
某煤矿侏罗系煤层平均厚度36m，全区分布，厚度稳定，现阶段分层开采。现收集以往在该井田分层开采期间的各分层导水裂缝带发育高度实测结果，对导高数据进行整合。
[0041]
表1，本发明实施例某井田以往导高实测结果
[0042][0043]
s2、应用“井下+井上”联合的方法，即应用井下仰孔封堵测漏方法和地表钻孔漏失液观测方式辅助钻孔电视成像实测各分层的导水裂缝带发育高度。
[0044]
表2，本发明实施例某井田“井上+井下”导高实测结果
[0045]
[0046][0047]
s3、查明矿井实际水文地质结构，绘制目的矿井主要含水层位置关系图，如图2所示。以矿井水文地质参数和岩石力学参数为依据开展室内相似材料实验模拟和数值计算模拟，研究裂隙在垂直方向的分布及采动过程中裂隙的演化(张开及闭合)规律，如图3a—3d和图4所示。
[0048]
表3，本发明实施例模型相似配比
[0049]
[0050][0051]
s4、综合资料获取、现场勘察、模型模拟，即s1、s2、s3的结果，建立导水裂缝带发育高度数据库。
[0052]
表4，本发明实施例建立的导水裂缝带发育高度数据库
[0053]
[0054][0055]
结合s1、s2、s3，绘制了分层开采导水裂缝带高度变化趋势图，即数据库可视化，如图5所示。
[0056]
从可视化导水裂缝带发育高度变化图可厘清侏罗系特厚煤层多分层开采导水裂缝带高度变化基本规律：
[0057]
(1)一、二分层开采导水裂缝带高度与开采厚度基本呈线性增长，二分层开采单位开采厚度导水裂缝带高度增幅为一分层的109％左右，随分层厚度增大导水裂缝带高度增幅有增大趋势。
[0058]
(2)导水裂缝带高度已经波及ⅳ煤顶板条件下，进行三分层开采导水裂缝带高度增幅明显减小，三分层单位开采厚度导水裂缝带高度增幅为一分层的23％左右；
[0059]
(3)一、二分层开采对导水裂缝带高度的增长率贡献大，主要是一、二分层开采使得覆岩裂缝增多，裂缝增多表现为岩性变软特性，所以三分层开采导水裂缝带增幅降低，累计采厚裂采比为18。
[0060]
(4)南北翼开采地质条件差异较大，一般南翼导水裂缝带高度较北翼大。分层采厚相同条件下(1204面、1203面)，覆岩导水裂缝带高度不同。北翼含煤地层较厚，对导水裂缝带发育高度起到抑制作用(裂采比为18.42)，而南翼含煤地层薄，覆岩导水裂缝带较发育(裂采比为20.3)；二分层综放开采条件下，北翼的裂采比为21.59，而南翼的裂采比为23.01。
[0061]
(5)导水裂缝带高度呈马鞍形分布，开采宽度达到250m时，覆岩导水裂缝带高度达到最大。
[0062]
s5、通过数理统计回归分析推导不同分层开采高度的覆岩导水裂缝带发育高度理论预计新公式如下：
[0063][0064]
式中h裂——导水裂缝带发育高度，单位m；xi——分层开采高度，单位m；n——分层数目，n＝1，2,3
……
；c——南北翼岩性差异松弛量，取10；(在南翼计算中取正值，北翼计算中取负值)。将理论预计公式计算的导水裂缝带发育高度与钻孔探测值比较：
[0065]
表5，本发明实施例建立的理论计算导水裂缝带发育高度与钻孔探测值比较
[0066][0067]
根据计算结果，理论模型能够满足工程需要。
[0068]
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。