CN110567854B - 一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，包括步骤：步骤一，建立矿井闭井后相邻矿井水文地质模型；步骤二，基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型进行涌水量预计和计算。步骤一包括：步骤11：分析矿井闭坑后的充水条件；步骤12，确定矿井闭坑后的充水条件，步骤11的边界条件包括：以较大的断层自然地质边界为界；或者以人为的技术边界划界；步骤一矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的渗流运动符合水文地质理论的达西定律,步骤二矿井闭坑后对相邻矿井开采影响和涌水量预计和计算采用达西公式预测。达西公式为：Q＝KIF，式中:Q表示涌水量，单位为m3/min；F表示渗流断面面积，单位为m2；I表示水力坡度；K表示渗透系数。
Description
技术领域
本发明涉及属于煤矿防治水行业领域，特别涉及一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法。
背景技术
矿井闭坑后对相邻矿井开采的影响分析及渗流量计算方法，是用于煤矿水害防治技术领域，属于煤矿防治水行业。随着煤矿的开采，大量矿井由于资源枯竭而闭坑，许多矿区尤其是邯邢矿区，许多矿井不是以断层等自然地质边界为界，而是以人为的技术边界为界，从水文地质角度分析，虽然有些矿井是不同的矿井，但同属一个水文地质单元。因此，一旦相邻矿井中的一个矿井闭井后自然而然地会对以技术边界为界的相邻的另一侧同属一个水文地质单元的矿井产生重大影响，显而易见，分析矿井闭坑后对相邻矿井的安全开采影响以及进行评价，并制定相应的防治水措施，就显得极为重要。目前国内对矿井闭坑后的影响分析，主要是从对环境的影响分析评价以及闭坑方案等方面上，而从防治水角度分析矿井闭坑对周边相邻矿井安全开采的影响分析和评价方法以及水文地质模型建立和涌水量预计，未见国内相关报道。
因此，有必要提供一种分析评价煤矿闭坑后对以技术为边界的相邻矿井安全开采的影响分析评价方法。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，包括步骤：
步骤一，建立矿井闭井后相邻矿井水文地质模型；
步骤二，基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型进行涌水量预计和计算。
优选地，所述步骤一包括：
步骤11：分析矿井闭坑后的充水条件，当矿井闭坑后,随着矿井停止排水，矿井水位将逐步上升,在边界条件完整的情况下,淹没水位将取决于主要含水层的水位，矿井关闭后整个矿井在淹没水位以下的各煤层采空区、含水层演变成为一个具有统一水位的巨大含水体，从而整个矿井的采空区、含水层将作为一个整体，具有统一的水位,各向具有均一性质的含水层，相邻矿井的涌水量取决于边界煤柱的地质、水文地质和工程地质条件；
步骤12，确定矿井闭坑后的充水条件，假定相邻矿井的边界煤柱是完整的，那么一旦矿井闭坑后,随着矿井停止排水，矿井水位将逐步上升，闭坑矿一侧的各煤层采空区以及导水裂隙带范围内的岩层将演化成为统一的含水层,且具有稳定的补给和水位,各煤层导水裂隙带范围的空间将演化成一个具有均一性的一个强含水层，随着矿井闭坑,原来矿井的涌水将充满矿井的所有巷道以及采空区和导水裂隙带范围以内的所有空间和裂隙,水位逐渐向上升，同时随水位上升对周围所有可渗透的地方进行渗透,边界煤柱成为制约矿井水渗透的主要因素。
优选地，所述步骤11的边界条件包括：一是以较大的断层自然地质边界为界，有较大的地质边界相隔且相邻矿井留有隔离煤柱，一旦矿井闭坑后基本没有影响；二是以人为的技术边界划界的，这类矿井没有自然地质边界相隔，相邻矿井同属一个水文地质单元，一矿闭坑必然会影响相邻矿井的开采。
优选的，所述步骤12所述随水位上升对周围所有可渗透的地方进行渗透包括：矿井闭坑后淹没水体通过隔离煤柱岩体的砂岩含水层、煤系薄层灰岩含水层产生渗流,进入含水层采空范围,使相邻矿井涌水量增加，相邻矿井渗流量取决于煤柱岩体宽度,岩性以及淹没压力。
优选地，所述步骤二所述涌水量预计和计算与边界煤岩柱砂岩含水层和灰岩含水层的渗透能力以及边界宽度、长度和相邻矿井的开采情况相关。
优选地，所述步骤一所述矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的渗流运动符合水文地质理论的达西定律,所述步骤二矿井闭坑后对相邻矿井开采影响和所述涌水量预计和计算采用达西公式进行预测，所述达西公式为：
Q＝KI F
式中:Q表示涌水量，单位为m3/min；F表示渗流断面面积，单位为m2；I表示水力坡度；K表示渗透系数，单位为m/min，所述渗透系数K采用闭坑矿井或相邻矿井的实际数值。
优选地，所述步骤二包括：
步骤21，先假定闭坑矿井水位按照能够升到奥灰含水层的最高水位+H进行计算，如果计算的渗透水量小于闭坑矿井的原矿井涌水量，则闭坑矿井水位最终会升到奥灰含水层的最高水位+H，如果计算的渗透水量大于闭坑矿井的原矿井涌水量，则闭坑矿井水位会持续下降，随着闭坑水位的降低，则渗透水量也会逐渐降低，直至降低到与闭坑矿井涌水量持平时，矿井水位则保持稳定，
步骤22，生产矿井按照开采不同煤层的情况，根据闭坑矿井原涌水量数据，根据达西公式则可计算出闭坑矿井的矿井稳定水位。
优选地，所述步骤22对于开采一个煤层时渗透水量预计方法包括：设边界煤柱开采长度为S1 m,底板标高为M1 m，闭坑矿井淹没水位为H,煤柱宽度L1 m,单一煤层顶板砂岩含水层厚度m1,单位为m，渗透系数为K1，单位为m/d,生产矿开采单一煤层的底板标高为M1,单位为m，水淹没至H m时，对于开采一个煤层时的预计渗流量Q1为:
Q1＝(H-M1/L1)×K1×S1×m1。
优选地，所述步骤22对于开采两个煤层时渗透水量预计方法包括：设边界煤柱开采长度为S2 m，煤柱宽度L2 m,第二煤层底板灰岩含水层厚度m2,单位为m，渗透系数为K2，单位m/d,生产矿开采第二煤层的底板标高为M2,单位为m，水淹没至H m时，对于开采两个煤层时的预计渗流量Q2为:
Q2＝Q1+(H–M2/L2)×K2×S2×m2。
优选地，所述步骤22对于开采三个煤层时渗透水量关于及方法包括：设边界煤柱开采长度为S3 m，煤柱宽度L3 m,第二煤层底板灰岩含水层厚度m3,渗透系数为K3，单位为m/d,生产矿开采第三煤层的底板标高为M3,单位为m，水淹没至H m时，对于开采三个煤层时的预计渗流量Q3为:
Q3＝Q1+Q2+(H–M3/L3)×K3×S3×m3。
本发明的有益效果：
将复杂的矿井水文条件分析和涌水量预计，简化为一种简单的水文地质模型，按照该模型，利用达西公式进行计算即可，该方法简单明了，非常巧妙地将复杂的水文地质条件分析简单化、模型化、量化，既符合矿井水文地质理论和规律，又符合矿井实际，大大减少了复杂的水文地质条件分析和复杂计算，闭坑矿井的涌水量的计算和预测，不再分析和研究矿井复杂的水文地质条件和矿井涌水量的分布和规律，对相邻矿井的影响和渗流量大小只取决于矿井边界条件的水文地质条件和矿井涌水量的大小，如果渗流量小于闭坑矿井原涌水量，则闭坑矿井的水位将上升到奥灰水位，则闭坑矿井的部分涌水量渗流到生产矿井一侧，渗透量大小按照达西公式计算即可。如果渗流量大于闭坑矿井原涌水量，则闭坑矿井的涌水量全部渗流到生产矿井一侧，从而为另一侧生产矿井涌水量的预测提供可供参考的计算方法，为矿井防治水对策提供了依据，为安全生产奠定了基础。
附图说明
附图1是根据本发明实施例的相邻矿井隔离煤柱剖面示意图(生产矿井开采到2#煤层)；
附图2是根据本发明实施例的相邻矿井隔离煤柱剖面示意图(生产矿井开采到4#煤层)；
附图3是根据本发明实施例的相邻矿井隔离煤柱剖面示意图(生产矿井开采到6#煤层)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。
本实施例提供一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法。
1、建立水文地质模型：
该方法的依据为条件分析方法，即水文地质模型的建立。其中建立水文地质模型的方法包括：首先分析矿井闭坑后的充水条件，当矿井闭坑后,随着矿井停止排水，矿井水位将逐步上升,在边界条件完整的情况下,淹没水位将取决于主要含水层的水位。由于各煤层均已基本开采,且各煤层巷道相通,因此矿井一旦关闭,整个矿井在淹没水位以下的各煤层采空区、含水层将演变成为一个具有统一水位的巨大含水体。也可以说整个矿井的采空区、含水层将作为一个整体,具有统一的水位,各向具有均一性质的含水层。因而随着矿井淹没水位的上升，必将会对周边相邻尤其是以技术边界为界的矿井产生重大水害影响,而如何影响以及是否增加相邻矿井的涌水量以及增加多少，如何评价，将取决于边界煤柱的地质、水文地质和工程地质条件。
矿井边界分为两种：一是以较大的断层自然地质边界为界，这类边界因有较大的地质边界相隔且相邻矿井留有隔离煤柱，一旦矿井闭坑后基本没有影响；二是以人为的技术边界划界的，这类矿井没有自然地质边界相隔，相邻矿井同属一个水文地质单元，一矿闭坑必然会影响相邻矿井的开采。因而，着重分析第二种边界情况。
假定相邻矿井的边界煤柱是完整的，那么一旦矿井闭坑后,随着矿井停止排水，矿井水位将逐步上升，闭坑矿一侧的各煤层采空区以及导水裂隙带范围内的岩层将演化成为统一的含水层,且具有稳定的补给和水位,也可以说各煤层导水裂隙带范围的空间将演化成一个具有均一性的一个强含水层。随着矿井闭坑,原来矿井的涌水将充满矿井的所有巷道以及采空区和导水裂隙带范围以内的所有空间和裂隙,一方面水位逐渐向上升这是主要方面,另一方面随水位上升对周围所有可渗透的地方进行渗透,包括通过技术边界向相邻矿井渗透。边界煤柱成为制约矿井水渗透的主要因素。
矿井闭坑后淹没水体将对相邻矿产生影响,表现在淹没水体将主要通过隔离煤柱岩体的砂岩含水层、煤系薄层灰岩含水层等含水层产生渗流,进入后者采空范围,使相邻矿井涌水量增加，那么其渗流量取决于煤柱岩体宽度,岩性以及淹没压力。也就是说这就是矿井闭坑后淹没水体对相邻矿井的影响所在。
此后进行对于渗透水量的评估和评价。矿井闭坑后相当于一个具有统一水力联系和水位的含水体，到底向相邻矿井渗透多少水量，不取决于闭坑矿井自身原涌水量的大小，而是取决于边界煤岩柱砂岩含水层和灰岩含水层的渗透能力以及边界宽度、长度和相邻矿井的开采情况。因此，复杂的矿井渗透量预测问题简化为一个水文地质模型，其渗流运动符合水文地质理论的达西定律,因此，矿井闭坑后对相邻矿井开采影响和渗透水量，用达西公式进行预测即可,公式如下:
Q＝KI F
式中:Q表示涌水量，单位为m3/min；F表示渗流断面面积，单位为m2；I表示水力坡度；K表示渗透系数，单位为m/min，本实施例中渗透K采用闭坑矿井或相邻矿井的实际数值即可。
2、具体计算过程
2.1计算闭坑矿井对相邻矿井的渗透水量时，先假定闭坑矿井水位按照能够升到奥灰含水层的最高水位+H进行计算，如果计算的渗透水量小于闭坑矿井的原矿井涌水量，则闭坑矿井水位最终会升到奥灰含水层的最高水位+H，如果计算的渗透水量大于闭坑矿井的原矿井涌水量，则闭坑矿井水位会持续下降，随着闭坑水位的降低，则渗透水量也会逐渐降低，直至降低到与闭坑矿井涌水量持平时，矿井水位则保持稳定，根据闭坑矿井原涌水量数据，根据达西公式则可计算出闭坑矿井的矿井稳定水位。
2.2根据图1、图2、图3所示情况，生产矿井按开采2#煤层、开采2#、4#煤层以及开采2#、4#、6#煤层时三种情况，对渗透水量进行预计：
2.2.1开采2#煤层时渗透水量预计：设边界煤柱开采长度为S1 m,底板标高为M1m，闭坑矿井淹没水位为+H,煤柱宽度L1m,2#煤层顶板砂岩含水层厚度m1,渗透系数为K1(m/d),生产矿开采2#煤层的底板标高为M1,水淹没至H m时，预计渗流量Q1为:
Q1＝(H-M1/L1)×K1×S1×m1
2.2.2开采2#、4#煤层时渗透水量预计，设边界煤柱开采长度为S2 m，煤柱宽度L2m,4#煤层底板灰岩含水层厚度m2,渗透系数为K2(m/d),生产矿开采4#煤层的底板标高为M2,水淹没至+Hm时，预计渗流量Q2为:
Q2＝Q1+(H–M2/L2)×K2×S2×m2
2.2.3开采2#、4#、6#煤层时渗透水量预计，设边界煤柱开采长度为S3 m，煤柱宽度L2m，4#煤层底板灰岩含水层厚度m3,渗透系数为K3(m/d)，生产矿开采6#煤层的底板标高为M3,水淹没至H m时，预计渗流量Q3为:
Q3＝Q1+Q2+(H–M3/L3)×K3×S3×m3。
本实施例将复杂的矿井水文条件分析和涌水量预计，简化为一种简单的水文地质模型，按照该模型，利用达西公式进行计算即可，该方法简单明了，非常巧妙地将复杂的水文地质条件分析简单化、模型化、量化，既符合矿井水文地质理论和规律，又符合矿井实际，大大减少了复杂的水文地质条件分析和复杂计算，闭坑矿井的涌水量的计算和预测，不再分析和研究矿井复杂的水文地质条件和矿井涌水量的分布和规律，对相邻矿井的影响和渗流量大小只取决于矿井边界条件的水文地质条件和矿井涌水量的大小，如果渗流量小于闭坑矿井原涌水量，则闭坑矿井的水位将上升到奥灰水位，则闭坑矿井的部分涌水量渗流到生产矿井一侧，渗透量大小按照达西公式计算即可。如果渗流量大于闭坑矿井原涌水量，则闭坑矿井的涌水量全部渗流到生产矿井一侧，从而为另一侧生产矿井涌水量的预测提供可供参考的计算方法，为矿井防治水对策提供了依据，为安全生产奠定了基础。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，其特征在于包括步骤：
步骤一，建立矿井闭井后相邻矿井水文地质模型；
步骤二，基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型进行涌水量预计和计算；
所述步骤一包括：
步骤11：分析矿井闭坑后的充水条件，当矿井闭坑后,随着矿井停止排水，矿井水位将逐步上升,在边界条件完整的情况下,淹没水位将取决于主要含水层的水位，矿井关闭后整个矿井在淹没水位以下的各煤层采空区、含水层演变成为一个具有统一水位的巨大含水体，从而整个矿井的采空区、含水层将作为一个整体，具有统一的水位,各向具有均一性质的含水层，相邻矿井的涌水量取决于边界煤柱的地质、水文地质和工程地质条件；
步骤12，确定矿井闭坑后的充水条件，假定相邻矿井的边界煤柱是完整的，那么一旦矿井闭坑后,随着矿井停止排水，矿井水位将逐步上升，闭坑矿一侧的各煤层采空区以及导水裂隙带范围内的岩层将演化成为统一的含水层,且具有稳定的补给和水位,各煤层导水裂隙带范围的空间将演化成一个具有均一性的一个强含水层，随着矿井闭坑,原来矿井的涌水将充满矿井的所有巷道以及采空区和导水裂隙带范围以内的所有空间和裂隙,水位逐渐向上升，同时随水位上升对周围所有可渗透的地方进行渗透,边界煤柱成为制约矿井水渗透的主要因素。
2.根据权利要求1所述的一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，其特征在于所述步骤11的边界条件包括：一是以较大的断层自然地质边界为界，有较大的地质边界相隔且相邻矿井留有隔离煤柱，一旦矿井闭坑后基本没有影响；二是以人为的技术边界划界的，这类矿井没有自然地质边界相隔，相邻矿井同属一个水文地质单元，一矿闭坑必然会影响相邻矿井的开采。
3.根据权利要求1所述的一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，其特征在于所述步骤12所述随水位上升对周围所有可渗透的地方进行渗透包括：矿井闭坑后淹没水体通过隔离煤柱岩体的砂岩含水层、煤系薄层灰岩含水层产生渗流,进入含水层采空范围,使相邻矿井涌水量增加，相邻矿井渗流量取决于煤柱岩体宽度,岩性以及淹没压力。
4.根据权利要求1所述的一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，其特征在于所述步骤二所述涌水量预计和计算与边界煤岩柱砂岩含水层和灰岩含水层的渗透能力以及边界宽度、长度和相邻矿井的开采情况相关。
5.根据权利要求1所述的一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，其特征在于所述步骤一所述矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的渗流运动符合水文地质理论的达西定律,所述步骤二矿井闭坑后对相邻矿井开采影响和所述涌水量预计和计算采用达西公式进行预测，所述达西公式为：
Q＝KIF
式中:Q表示涌水量，单位为m3/min；F表示渗流断面面积，单位为m2；I表示水力坡度；K表示渗透系数，单位为m/min，所述渗透系数K采用闭坑矿井或相邻矿井的实际数值。
6.根据权利要求5所述的一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，其特征在于所述步骤二包括：
步骤21，先假定闭坑矿井水位按照能够升到奥灰含水层的最高水位+H进行计算，如果计算的渗透水量小于闭坑矿井的原矿井涌水量，则闭坑矿井水位最终会升到奥灰含水层的最高水位+H，如果计算的渗透水量大于闭坑矿井的原矿井涌水量，则闭坑矿井水位会持续下降，随着闭坑水位的降低，则渗透水量也会逐渐降低，直至降低到与闭坑矿井涌水量持平时，矿井水位则保持稳定，
步骤22，生产矿井按照开采不同煤层的情况，根据闭坑矿井原涌水量数据，根据达西公式则可计算出闭坑矿井的矿井稳定水位。
7.根据权利要求6所述的一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，其特征在于所述步骤22对于开采一个煤层时渗透水量预计方法包括：设边界煤柱开采长度为S1 m,底板标高为M1 m，闭坑矿井淹没水位为H,煤柱宽度L1 m,单一煤层顶板砂岩含水层厚度m1,单位为m，渗透系数为K1，单位为m/d,生产矿开采单一煤层的底板标高为M1,单位为m，水淹没至H m时，对于开采一个煤层时的预计渗流量Q1为:
Q1＝(H-M1/L1)×K1×S1×m1。
8.根据权利要求7所述的一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，其特征在于：所述步骤22对于开采两个煤层时渗透水量预计方法包括：设边界煤柱开采长度为S2 m，煤柱宽度L2 m,第二煤层底板灰岩含水层厚度m2,单位为m，渗透系数为K2，单位m/d,生产矿开采第二煤层的底板标高为M2,单位为m，水淹没至H m时，对于开采两个煤层时的预计渗流量Q2为:
Q2＝Q1+(H-M2/L2)×K2×S2×m2。
9.根据权利要求8所述的一种基于矿井闭井后相邻矿井水文地质模型的涌水量预计和计算方法，其特征在于：所述步骤22对于开采三个煤层时渗透水量关于及方法包括：设边界煤柱开采长度为S3 m，煤柱宽度L3 m,第二煤层底板灰岩含水层厚度m3,渗透系数为K3，单位为m/d,生产矿开采第三煤层的底板标高为M3,单位为m，水淹没至H m时，对于开采三个煤层时的预计渗流量Q3为:
Q3＝Q1+Q2+(H–M3/L3)×K3×S3×m3。
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