專利名稱：煤層頂板涌(突)水條件定量評價預測的三圖雙預測法的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種煤礦山煤層頂板涌(突)水條件的定量評價預測方法，尤其是一種煤層頂 板涌(突)水評價預測的三圖一雙預測新型實用方法。
背景技術：
煤層頂板水害問題是困擾中國煤礦安全生產和煤炭工業可持續發展的主要水患之一，特 別是隨著礦山開采深度逐漸加大和下組煤回采，頂板冒裂溝通上覆含水體而導致頂板涌(突) 水災害發生或惡化工作面生產環境的實例日益增多，例如開灤集團目前近一半的生產礦井遭 受頂板水害的嚴重威脅。以荊各莊礦為例，該礦自1979年正式投產以來,共發生了 3次大的突 水事故,均為煤9頂板突水，突水水源是煤9上覆的煤5頂板砂巖裂隙含水層,其最大突水量高達 44 m7min,造成工作面整體被淹，生產被迫終止。
因此，如何解決煤層頂板涌(突)水條件定量評價預測問題，對扭轉目前煤炭安全生產 的被動局面具有極其重要的理論指導意義和實用價值。
發明內容
本發明目的之一在于，滿足中國煤炭工業可持續發展的需求，提供一種從對煤層頂板涌 (突)水條件的定性綜合分析，到涌(突)水危險區定量圈定的定量評價預測方法。
本發明進一步的目的在于，滿足中國煤炭工業可持續發展的需求，提供一種從對煤層頂 板涌(突)水條件的定性綜合分析，到動態模擬預測在不采取任何人為工程措施和采取人為干 擾措施兩種前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和滲流場分布的定量模擬預測評價 方法。
為了實現上述目的，經過長期的研究和實踐，本發明采用了以下技術方案煤層頂板涌(突) 水條件定量評價預測的三圖一雙預測法，包括以下步驟-
1. 在礦井水文地質條件的系統綜合分析基礎上，確定與煤層頂板突水關系密切的直接充 水含水層和間接充水含水層；
2. 根據多源地學信息復合原理，依據直接和間接充水含水層巖性巖相變化、構造場、水 化學場、抽水試驗場、突水事件滲流場和鉆孔沖洗液消耗量變化等6方面信息和探測數據，建 立各自子專題層圖，然后應用非線性(如人工神經網絡等)或線性數學方法(如層次分析法 等)，確定控制富水性的各主控因素的"權重"系數，建立含水層富水性的評價模型，復合 疊加，計算煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性指數，在此研究基礎上，編制出頂板直 接和間接充水含水層的富水性量化分區3. 根據地面和井下的冒裂發育帶實際監測數據，應用數值仿真模擬技術和經驗、半經驗 等公式，評價不同開采方法和工藝條件下煤層回采的頂板冒裂帶發育高度，根據與煤層至充 水含水層之間的頂板覆巖厚度相比較，確定各點回采的冒裂安全程度，在此研究基礎上，編 制出煤層開采頂板冒裂安全性分區4. 應用地理信息系統技術，復合疊加上述兩個分區所有地學信息，提出煤層開采頂板涌 (突)水條件綜合分區方案，編制出煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區5. 應用現代數值模擬技術，動態模擬預測在不采取任何人為工程措施前提下的煤層回采 工作面頂板工程涌(突)水量和滲流場分布；
6. 應用現代數值模擬技術，動態模擬預測在采取人為干擾措施前提下的煤層回采工作面 頂板工程涌(突)水量和超前預處理滲流場分布。
由于采用了上述的"三圖-雙預測法"技術方案，本發明具有的有益效果是 41. "三圖-雙預測法"從煤層頂板涌(突)水條件的定性綜合分析，到涌(突)水危險區圈 定和超前預處理水量、滲流場分布的定量模擬預測，形成了一整套系統的研究思路和工作方 法；2. 運用多源地學信息復合疊加原理，根據多個水文地質物理場的不同特征，相互對比驗 證，互相彌補不足，通過建立各自子專題層圖，然后應用非線性或線性數學方法，確定控制 富水性的各主控因素的"權重"系數，建立含水層富水性的評價模型，計算煤層頂板直接和 間接充水含水層的富水性指數，在此研究基礎上，編制出頂板直接和間接充水含水層的富水 性量化分區圖，對充水含水層的富水性進行了系統綜合分析和定量評價；3. 對預測精度要求較高的回采工作面的整體和分段工程涌水量和滲流場分布的動態預測 具有一定優勢。
附圖l，本發明煤層頂板涌(突)水條件定量評價預測的三圖一雙預測法工作流程圖。 具體實施例下面結合附圖對本發明作詳細描述。本發明一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預測的三圖一雙預測法的具體實施技術方 案包括以下步驟1. 根據對礦井水文地質條件的系統綜合分析，確定與煤層頂板突水關系密切的主要充水 含水層，包括直接充水含水層和間接充水含水層；2. 編制煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性分區圖煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性分區圖是在煤層頂板直接和間接充水含水層的 富水性分區研究基礎上形成的。所述的煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性分區研究，包括對該煤層充水含水層的 巖性巖相變化、構造場、水化學場、抽水試驗場、突水事件滲流場和鉆孔沖洗液消耗量變化 等6個方面地學信息的綜合分析研究，建立各自子專題層圖，然后應用非線性(如人工神經網 絡等)或線性數學方法(如層次分析法等)，確定控制富水性的各主控因素的"權重"系數， 復合疊加，建立含水層富水性的評價模型，計算煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性指 數，提出煤層頂板含水層富水性分區的劃分方案；在此研究基礎上，編制出頂板直接和間接 充水含水層的富水性量化分區圖；所述的煤層頂板砂巖含水層富水性分區的劃分方案按照富水性由強到弱依次劃分為A，B， C， D, E…等區。3. 編制煤層開采頂板冒裂安全性分區圖煤層開采頂板冒裂安全性分區圖是在煤層開采頂板冒裂帶發育高度與覆巖段厚度比較研 究基礎上形成的。根據地面和井下的冒裂發育帶實際監測數據，應用數值仿真模擬技術和經 驗、半經驗等公式，評價不同開采方法和工藝條件下煤層回采的頂板冒裂帶發育高度。所述的煤層開采頂板冒裂安全性分區研究包括覆巖段巖性巖相分析和頂板冒裂帶發育高 度計算。覆巖段厚度減去頂板冒裂帶發育高度，即冒裂安全區與非安全區的界限；除采厚外， 綜合考慮開采方法、覆巖段巖性巖相變化及地質構造等控制因素，確定煤層頂板冒裂安全性分區方案所述的煤層頂板冒裂安全性分區方案由最安全(頂板冒裂帶發育高度小于覆巖段厚度) 到最危險(頂板冒裂帶發育高度遠大于覆巖厚度)按照突水危險性由小到大依次劃分為A， B， C， D， E…等區。4. 編制煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區圖煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區圖由上述的煤層頂板充水含水層的富水性分區圖和 煤層開采頂板冒裂安全性分區圖復合疊加形成。因為開采深部煤層導致頂板涌(突)水災害發生，其充分必要條件是煤層回采形成的頂板冒裂帶發育帶溝通了上覆充水含水層，且直接充 水含水層在回采工作面對應位置的富水性較強，因此，復合疊加上述的富水性和冒裂安全性 兩個分區所有地學信息，提出煤層開釆頂板涌(突)水條件的綜合分區劃分方案。所述的煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區劃分方案由上覆充水含水層的富水性較差、 突水危險性小的A區與上覆充水含水層的富水性較好、且在該區范圍內，大部分區域頂板冒裂 帶發育高度均大于覆巖段厚度、突水危險性較大的E區組成。所述的突水危險性小的A區按照突水危險性由小到大依次進一步細分為A-1， A-2…等子區。所述的突水危險性大的E區按照突水危險性由小到大依次進一步細分為E-1， E-2…等子區。5. 在不采取任何人為工程措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和滲流場分 布的動態預測根據煤層頂板涌(突)水量預測的水文地質概念模型，應用Visual Modflow專業軟件系 統建立三維數值模擬模型，運用Visual Modflow的Zone Budget功能，根據相鄰工作面周期 來壓規律，對即將回采的工作面的工程涌水量進行隨工作面不斷向前推進(以周期來壓步距 為單位)的動態預測和對應滲流場的動態預測。6. 在采取人為干擾措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和超前預處理滲流 場分布的動態模擬預測根據擬合好的數值模擬模型，應用Visual Modflow的Zone Budget功能，對人為干擾措 施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和超前預處理滲流場進行動態模擬預測。
權利要求
1.一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預測的三圖-雙預測法，其特征在于技術方案包括以下步驟(1)在礦井水文地質條件的系統綜合分析基礎上，確定與煤層頂板突水關系密切的直接充水含水層和間接充水含水層；(2)在煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性量化分區研究基礎上編制出頂板直接充水含水層的富水性分區圖；(3在煤層開采頂板冒裂安全性分區研究基礎上繪制出煤層開采頂板冒落安全性分區圖；(4)復合疊加上述兩個分區所有地學信息，提出煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區方案，編制出煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區圖；(5)應用現代數值模擬技術，動態模擬預測在不采取任何人為工程措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和滲流場分布；(6)應用現代數值模擬技術，動態模擬預測在采取人為干擾措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和超前預處理滲流場分布。
2. 根據權利要求l所述的一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預測的三圖一雙預測法，其特征在于所述的煤層頂板直接和間接充水含水層的富水性分區研究，包括根據多源地 學信息復合原理，依據直接和間接充水含水層巖性巖相變化、構造場、水化學場、抽水試驗 場、突水事件滲流場和鉆孔沖洗液消耗量變化等6方面信息和探測數據，建立各自子專題層圖， 然后應用非線性(如人工神經網絡等)或線性數學方法(如層次分析法等)，確定控制富水 性的各主控因素的"權重"系數，建立含水層富水性的評價模型，復合疊加，計算煤層頂板 直接和間接充水含水層的富水性指數，提出煤層頂板砂巖含水層富水性分區的劃分方案。
3. 根據權利要求2所述的一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預測的三圖一雙預測法，其特征在于所述的煤層頂板砂巖含水層富水性分區的劃分方案按照富水性由強到弱依次劃分為A， B， C， D， E…等區。
4. 根據權利要求l所述的一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預測的三圖一雙預測法，其特征在于所述的煤層開采頂板冒裂安全性分區研究包括覆巖段巖性巖相分析和頂板冒裂 帶發育高度計算；覆巖段厚度減去頂板冒裂帶發育高度，即冒裂安全區與非安全區的界限； 除采厚外，綜合考慮開采方法、覆巖段巖性巖相變化及地質構造等控制因素，確定煤層頂板 冒裂安全性分區方案。
5. 根據權利要求4所述的一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預測的三圖一雙預測法， 其特征在于所述的煤層頂板冒落安全性分區方案由最安全(導水裂隙帶發育高度小于覆巖 段厚度)到最危險(導水裂隙帶高度遠大于覆巖厚度)按照突水危險性由小到大依次劃分為A， B， C， D， E…等區。
6. 根據權利要求l所述的一種煤層頂板涌(突)水條件定量評價預測的三圖一雙預測法， 其特征在于所述的煤層開采頂板涌(突)水條件綜合分區劃分方案由上覆充水含水層的富水 性較差、突水危險性小的A區與上覆充水含水層的富水性較好、且在該區范圍內，大部分區域 頂板冒裂帶發育高度均大于覆巖段厚度、突水危險性較大的E區組成。
7. 根據權利要求6所述的一種煤層頂板涌(突)水條件的定量評價方法，其特征在于所 述的突水危險性小的A區按照突水危險性由小到大依次進一步細分為A-1， A-2…等子區。
8. 根據權利要求6所述的一種煤層頂板涌(突)水條件的定量評價方法，其特征在于所 述的突水危險性大的E區按照突水危險性由小到大依次進一步細分為E-1， E-2…等子區。
9. 根據權利要求1所述的一種煤層頂板涌(突)水條件的定量評價方法，其特征在于所 述的在不采取任何人為工程措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和滲流場分布 的動態預測，是指根據煤層頂板涌(突)水量預測的水文地質概念模型，應用Visual Modflow 專業軟件系統建立三維數值模擬模型，應用Visual Modflow的Zone Budget功能，根據相鄰 工作面周期來壓規律，對即將回采的工作面的工程涌水量進行隨工作面不斷向前推進(以周 期來壓步距為單位)的動態預測和對應滲流場的動態預測。
10.根據權利要求1所述的一種煤層頂板涌(突)水條件的定量評價方法，其特征在于所 述的在采取人為干擾措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和超前預處理滲流場 分布的動態模擬預測，是指根據擬合好的數值模擬模型，應用VisualModflow的Zone Budget 功能，對人為干擾措施前提下的煤層回采工作面頂板工程涌(突)水量和超前預處理滲流場進 行動態模擬預測。
全文摘要
本發明涉及一種煤田煤炭工業煤層頂板涌(突)水條件的定量評價方法。在礦井水文地質條件的系統綜合分析基礎上，找出與煤層頂板突水關系密切的直接和間接充水含水層，繪制富水性分區圖和冒落安全性分區圖，復合疊加上述兩個分區所有地學信息，繪制涌(突)水條件綜合分區圖；運用Visual Modflow專業軟件對將回采的工作面的工程涌水量和頂板直接充水含水層的采前預疏放方案進行動態預測。“三圖-雙預測法”從涌(突)水條件的定性綜合分析，到涌(突)水量和采前預疏放量的定量模擬預測，形成了一整套系統的研究思路和研究方法；對預測精度要求較高的回采工作面的整體和分段工程涌水量的動態預測具有一定優勢。
文檔編號E21F17/00GK101660427SQ20091001489
公開日2010年3月3日 申請日期2009年5月18日 優先權日2009年5月18日
發明者強 武 申請人:中國礦業大學(北京)