一种隐伏承压含水层水力联系点的计算方法

摘要

本发明属于矿井防治水突水事故的范畴，具体为一种隐伏承压含水层水力联系点的计算方法。本发明计算方法的步骤是：得到各监测孔的水位变化情况，确定流场区域，把流场区域剖分为方形网格，实际监测孔与划分的某节点重合。假设每一个节点都有可能是水力联系点，进行分次计算，将每次观测点的计算水头与实测水头进行比较，并建立优化目标函数式，即观测点水头值与实测水头值的差值达到最小值时，为计算终了时刻判据，从而找到计算区域内潜在的水力联系点。本发明采取了在空间上具备区域性，在时间上具备实时性的隐伏水力联系点计算的新方法，尽早对隐伏水力联系点做出准确的预报，有效的防止矿井突水事故的发生。

说明书

技术领域：

本发明属于矿井防治水突水事故的范畴，具体为一种隐伏承压含水层水力联系点的计算方法。

背景技术：

煤炭是我国的主要能源，近些年来，随着浅部煤层的枯竭，矿井不断的向深部延深，许多矿井面临要在承压水上采煤，开采煤层时受到底板奥陶纪灰岩承压水(简称奥灰水)的危害日益增加，矿井隐伏构造突水的事故时有发生。隐伏构造突水是指潜伏在煤层中的构造(断层、陷落柱)与煤层底板下的奥陶纪承压灰岩水导通，在采掘过程中，揭露隐伏构造时大量水突然涌入采掘区域，淹没工作面、采区、巷道，甚至整个矿井，造成重大的人员伤亡和经济损失的矿井灾害。因此，奥灰突水预报方法是矿业工作者关注的首要问题。公开号为CN 1472422A的专利通过在煤层底板至奥陶纪灰岩之间打水文监测孔，根据各个监测孔水位变化数据，运用突水监测预报软件进行计算分析，则可获得监测区域水位分布图和突水预报结果。但是该专利并没有公开怎么运用各个监测孔水位变化数据来预报获得监测区域水位分布图和突水预报结果，故本专利是在上述专利的基础上，给出一种含水层隐伏构造水力联系点的具体位置的计算方法。

发明内容

本专利为了运用各个监测孔水位变化数据来预报矿井奥灰突水，提供了一种隐伏承压含水层水力联系点的计算方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种隐伏承压含水层水力联系点的计算方法，包括以下步骤：

(1)确定流场计算区域，根据井田面积和监测孔位置所圈定的区域，选择包含考察区域在内的整个独立流域或可考察的水文地质边界作为流场计算区域边界；

(2)根据选择区域内部流场分布特征，将流场计算区域剖分为大小不同的方形网格，网格节点编号为1、2、3.......N，共有N个节点，每个节点作为一个虚拟的水位观测孔，并确保每个实际监测孔，都能与某个特定的虚拟的水位观测孔重合，实际监测孔个数为M≤N，M≥3；

(3)以1号节点作为假设突水点(奥灰水含水层与煤层底板之间小含水层的水力联系点)，即设1号节点水位为奥灰水水位，采用现场测得的岩石渗流系数(渗透系数、贮水系数)，利用非稳定二维渗流方程式对整个渗流场的节点水位进行计算，得到假设1号节点为突水点时的其它N-1个节点的水位；

(4)分别计算监测孔观测水位h_i0与各自对应重合的虚拟的水位观测孔的计算水位h_i1的误差的平方，i为监测孔编号，并将求得的平方求和，得到

(5)以2号节点作为假设突水点，即设2号节点水位为奥灰水水位，采用现场测得的岩石渗流系数，利用非稳定二维渗流方程式对整个渗流场的节点水位进行计算，得到假设2号节点为突水点时的其它N-1个节点的水位；

(6)再分别计算监测孔观测水位h_i0与各自对应重合的虚拟的水位观测孔的计算水位h_i2的误差的平方，i为监测孔编号，并将求得的平方求和，得到

(7)依次类推，分别以3号节点、4号节点……N号节点为假设突水点，即分别设3、4……N号节点的水位为奥灰水水位，采用现场测得的岩石渗流系数，利用非稳定二维渗流方程式对整个渗流场的节点水位计算；并计算监测孔的观测水位h_i0与各自对应重合的虚拟的水位观测孔的计算水位的误差的平方，并将求得的平方求和，分别得到

(7)比较R₁(h)、R₂(h)，…，R_N(h)的大小，找出R＝min(R₁......R_N)时对应的虚拟突水点，该点即为本方法找出的矿井隐伏的突水点(即水力联系点),根据计算结果，得到含水层之间可能的水力联系点，并进而得到各含水层的水位分布。

在煤层底板下面有奥陶纪灰岩含水层和太原组灰岩含水层,两者的水位有很大的差别，一般情况下，奥陶纪灰岩含水层的水位要高于太原组灰岩含水层水位的50-100m以上，在没有构造导通的情况下，两者是独立的水系，由于奥灰水的水位和太原组灰岩含水层的水位有差别，往往都是奥陶纪灰岩的水位高于太原组灰岩的水位，在没有水力联系点的情况下，两者水位有很大的差别，如果有水力联系点导通后，通过水力联系点渗透导通后，太原组灰岩的水位基本和奥陶纪灰岩水位相同。现在最精确的办法是打水文观测孔，观测太原组灰岩水位的的监测孔，监测它的水位是否有变化，通过它的水位的变化来确定是否有水力联系点。但是在实际工程中，只能通过有限的观测孔来观测，不可能无限制的加密观测孔，同时无限制的加密观测孔在工程上是不现实的，也是不经济的。通过有限的观测孔，测定太原组含水层的渗流参数后，把井田所处流域剖分为不同的正方形网格，网格的每个节点作为虚拟的观测井，确保实际观测井与某个虚拟观测井重合，这样依次假如每个虚拟的观测点作为矿井水力联系点，通过测到太原组含水层的渗流参数，采用二维非稳定的渗流方程，反算实际观测井的计算水位，如果实际观测井的计算水位和实际观测到的水位误差在1％时，那就说明假设水力联系点正确。现在目前压力和水位传感器，误差在1％，本次根据现有测量精度，定位误差达到1％时，认为计算流场水位分布正确，计算参数合适，计算结果准备，达到要求，从而找到隐伏的水力联系点。

通过划分虚拟的观测孔，计算流场分布，从而找到隐伏水力联系点，这样能够对带压开采防治煤层底板突水减小工程量，同时提供钻探验证底板是否突水的钻孔布置位置提供补充依据。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

一种隐伏承压含水层水力联系点的计算方法，包括以下步骤：

(1)确定流场计算区域，根据井田面积和监测孔位置所圈定的区域，选择包含考察区域在内的整个独立流域或可考察的水文地质边界作为流场计算区域边界；

(2)根据选择区域内部流场分布特征，将流场计算区域剖分为10-100m的矩形网格，网格节点编号为1、2、3.......N，共有N个节点，每个节点作为一个虚拟的水位观测孔，并确保每个实际监测孔，都能与某个特定的虚拟的水位观测孔重合，实际监测孔个数为M≤N，M≥3；

(3)以1号节点作为假设突水点(奥灰水含水层与煤层底板之间小含水层的水力联系点)，即设1号节点水位为奥灰水水位，采用现场测得的岩石渗流系数(渗透系数、贮水系数)，利用非稳定二维渗流方程式对整个渗流场的节点水位进行计算，得到假设1号节点为突水点时的其它N-1个节点的水位；

(4)分别计算监测孔观测水位h_i0与各自对应重合的虚拟的水位观测孔的计算水位h_i1的误差的平方，i为监测孔编号，并将求得的平方求和，得到

(5)以2号节点作为假设突水点，即设2号节点水位为奥灰水水位，采用现场测得的岩石渗流系数，利用非稳定二维渗流方程式对整个渗流场的节点水位进行计算，得到假设2号节点为突水点时的其它N-1个节点的水位；

(6)再分别计算监测孔观测水位h_i0与各自对应重合的虚拟的水位观测孔的计算水位h_i2的误差的平方，i为监测孔编号，并将求得的平方求和，得到

(7)依次类推，分别以3号节点、4号节点……N号节点为假设突水点，即分别设3、4……N号节点的水位为奥灰水水位，采用现场测得的岩石渗流系数，利用非稳定二维渗流方程式对整个渗流场的节点水位计算；并计算监测孔的观测水位h_i0与各自对应重合的虚拟的水位观测孔的计算水位的误差的平方，并将求得的平方求和，分别得到

(7)比较R₁(h)、R₂(h)，…，R_N(h)的大小，找出R＝min(R₁......R_N)时对应的虚拟突水点，该点即为本方法找出的矿井隐伏的突水点(即水力联系点),根据计算结果，得到含水层之间可能的水力联系点，并进而得到各含水层的水位分布。