煤矿充水含水层富水规律与分区评价及疏降水量动态预测

发布时间：2018-03-18 08:06

本文选题：充水含水层　切入点：富水性评价　出处：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：我国煤系地层的充水含水层类型多样、条件复杂,由于充水含水层的非均质性、各向异性以及非连续性等特点,使其具有富水性不均,分布不连续等特征,给煤矿的安全生产与水害的有效防治造成很大的困难。煤矿充水含水层富水性分区评价是矿井防治水工作的重要前提,不仅可以有针对性的布置防治水工程,而且能有效避免局部强富水区域发生水害事故的可能性。同时,近年来随着开采深度的增加和开采水平的延伸,水文地质条件更为复杂,具有补给条件的煤层底板充水含水层水头压力越来越大,区域断层使矿井开采煤层与厚层灰岩对接等一系列问题严重制约了矿井的安全生产。因此,在煤矿实际生产过程中,掌握煤层充水含水层富水分布规律,预测出矿井煤层底板的疏降水量,对于保障我国矿井水害的有效防治以及煤炭的安全开采具有重要的现实意义。本文根据煤矿充水含水层的类型与特征,在缺少水文地质钻孔或者水文地质钻孔不足的情况下,建立一套较为系统的煤矿充水含水层富水性评价指标体系,应用多种先进的数学理论与方法,建立出符合含水层富水规律的新型实用型模型对不同类型充水含水层富水性进行新的评价,并以河北蔚县单侯煤矿、陕西神木柠条塔煤矿两个典型煤矿进行实例分析。同时提出了一种基于矿井生产衔接计划的矿井疏降水量动态预测方法,通过对区域岩溶发育规律与地下水流场的科学分析,在合理概化奥灰含水层水文地质概念模型的基础上,建立复杂水文地质条件下单侯矿奥灰疏降水量的数学模型,并根据矿井工作面的生产衔接计划,分阶段对矿井奥灰的疏降水量进行动态预测。这些研究对于预防矿井水害的发生和保障矿井安全生产具有重要的理论指导意义和实用价值。取得的具体研究成果如下:(1)根据煤矿充水含水层的类型与特征,分别从沉积环境与岩性结构、地质构造与岩溶发育、风化特征、水力特征以及物探特征五个方面构建了一套相对系统的煤矿充水含水层富水性评价指标体系。“沉积环境与岩性结构”包括沉积环境影响指数、砂泥(岩)比、卵砾石(岩)层厚度、卵砾石(岩)层层数以及含水层厚度五个指标。用沉积环境影响指数这一指标刻画了沉积(微)相类型及分布对含(隔)水层在平面和剖面的空间展布规律与充水含水层富水性分布规律的影响。其余四个指标是地下水赋存最直接的控制因素,决定了含水层赋存空间的大小和水力联系的强弱。“地质构造与岩溶发育”包括断层分布、褶皱轴影响带、构造分维指数、钻孔线溶率与钻孔遇洞率五个指标,引入的构造分维指数更能准确的刻画出构造对周边富水性的控制作用。“风化特征”包括风化影响指数和岩性组合指数两个指标,其中风化影响指数通过将风化基岩厚度和风化强弱程度相结合来综合刻画风化基岩对含水层富水性的影响;岩性组合指数通过将风化基岩的岩性与岩性组合相结合来综合刻画风化基岩对含水层富水性的影响。“水力特征”包括单位涌水量、渗透系数、冲洗液消耗量以及岩芯采取率四个指标。“物探特征”包含物探富水异常指数和测井富水异常指数两个指标,这两个指标能较为准确的反映研究区域的富水性分布,在富水性分区评价中有效弥补了地质与水文地质钻孔之间区域资料的空白,减少数据插值的误差。(2)利用沉积(微)相类型及分布从成因上分析了含(隔)水层在平面和剖面的空间展布规律与充水含水层富水性分布规律。通过对柠条塔矿直罗组地层沉积环境与层序地层特征的研究,对多相变、多旋回的直罗组沉积地层进行了系统划分,直罗组下段以辫状河三角洲沉积为主,该段砂体厚度较大、连通性较好、空间展布较稳定,为地下水的赋存和径流提供了有利空间。直罗组上段以曲流河沉积为主,主要发育泛滥平原沉积,夹小型河道砂体,砂体呈孤立状,尽管部分砂体具有一定的厚度,使其具有一定的储水空间,但是连通性较差,不利于地下水的存储和径流。(3)通过建立沉积(微)相展布规律与PNN神经网络的耦合模型,对基岩裂隙含水层富水性分区进行了新的评价。以柠条塔矿直罗组砂岩裂隙含水层为例,在缺少水文地质钻孔的条件下,构建含有沉积环境影响指数、风化程度指数、含水层厚度以及岩芯采取率四个指标的评价体系,采用能同时考虑多种因素,并能处理模糊信息问题的PNN神经网络模型对直罗组裂隙含水层富水性分区进行评价,并与传统的富水性评价方法进行对比分析。结果表明:该方法能很好实现对直罗组砂岩裂隙含水层的富水性分区,与实际情况较为吻合,可为缺少水文地质试验矿井地区的基岩裂隙含水层富水性评价提供参考。(4)通过建立岩性结构与多指标综合未确知测度理论的耦合模型,对松散孔隙含水层富水性分区进行了新的评价。以单侯矿第四系下部松散孔隙含水层为例,针对研究区第四系下部松散含水层的岩性结构和沉积特征,在缺少水文地质钻孔的条件下,构建含有砂泥比、卵砾石层厚度、卵砾石层层数以及含水层厚度四个指标的评价体系,采用能处理影响因素模糊性和不确定性的多指标综合未确知测度模型对松散孔隙含水层富水性分区进行评价,并与传统的富水性评价方法进行对比分析,进而通过松散含水层富水性分区确定浅部煤层水体下安全煤岩柱留设类型与高度。结果表明:该方法能很好实现对松散孔隙含水层的富水性分区,与实际情况较为吻合,可为缺少水文地质试验矿井地区的松散孔隙含水层富水性评价提供参考。(5)根据提出的一种基于分区变权理论的权重确定方法,对碳酸盐岩岩溶含水层富水性分区进行了新的评价。为解决传统用于含水层富水性分区评价的常权模型不能有效反映各指标内部差异性问题,提出了一种基于分区变权理论的碳酸盐岩岩溶含水层富水性分区评价方法。以单侯矿奥灰岩溶含水层为例,在水文地质钻孔较少,不能有效反映整个研究区富水性分布情况下,构建含有断层分布、断层分维指数、物探富水异常指数、单位涌水量以及渗透系数五个主控因素在内的评价体系,采用分区变权理论中的分段强激励—惩罚型变权模型对其进行新的评价,并与传统的富水性评价结果进行比较。结果表明:该方法使得评价结果更具有离散性,更为容易划分等级,在一定程度上克服了常权模型在权重分配中的缺陷,有效地提高了煤层底板奥灰岩溶含水层富水性评价的精度。(6)在合理概化奥灰含水层水文地质概念模型的基础上,结合矿井的生产衔接计划,对复杂水文地质条件下矿井奥灰含水层的疏降水量进行了动态预测。针对复杂水文地质条件下概念模型的边界条件和内部结构难以概化问题,以单侯矿奥灰岩溶含水层为例,通过对研究区的抽(放)水试验、矿区地质剖面以及矿井突水等水文地质资料的综合分析,建立了区域性自然边界模型,合理概化了矿区边界条件的水力性质与含水层内部结构的非均质性特征。再利用识别校准后的数学模型,结合矿井工作面的生产衔接计划,通过不断调整各阶段虚拟疏放孔的水量和位置,从而分阶段预测出矿井奥灰含水层的动态疏降水量。该种方法相对勘探阶段采区整体疏降预测而言,一定程度上提高了疏降水量预测的精度与实用性。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD745.2;P641.461

【参考文献】