煤层顶板岩层富水性分区指标及其涌水量预测
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摘 要 :针对矿井顶板水害发生与防治过程中的环境时变性及模糊性问题 ,着重研究了兴隆庄煤矿 3 煤 顶板中 (粗) 砂岩厚度 、冲洗液最大消耗量 、取芯率 、平均孔隙度 、断层密度 5 个因素的影响作用 ,同时参考了钻 孔测井电性曲线的影响 ,然后利用信息拟合方法完成了顶板富水性分区 ,在此基础上进行了模糊预测 ,最后给 出了应用实例 。
液消耗量和断层密度都从一个方面反映了砂岩富
水性 ,单独采用某一个指标还不能完全和准确地反 映地下水赋存情况 。而取芯率 、平均孔隙度 、冲洗
液消耗量是分别从不同角度反映了岩体中的裂隙
情况 ,不独立反映出对顶板富水百度文库影响的程度。尝 试把顶板砂岩相对厚度 、冲洗液消耗量和断层密度
三个独立反映顶板富水性的因素综合成一个量化
启性或不连通性裂隙 。所谓开启性或连通性裂隙
是指与含水体或地表相连通的裂隙或不同裂隙组
合交切而成的裂隙带 。如果这类裂隙与地表或浅
部含水体相通 ,由于有储水体作为补给源而必定含 水 ,或成为地下水流通道。非开启或非连通裂隙是 指不与地表或地下水体相连通的 ,终止于岩体内部 的那些裂隙 。这类裂隙不构成涌水通道 。在这里
洗液消耗量的权重 ; x 1 、x 2 、x 3 为等级化系数 。
a1 i 、a2 i 、a3 i 的取值方法综合分析后认为 :各
中 (粗) 砂岩层的权重 ( a1 i) 按岩性 、裂隙发育程
度以及厚度取值 。各种构造的权重 ( a2 i) 按构造的
种类 、构造的性质 、规模取值 。不同等级冲洗液消
的防排水费用高达千万元以上 ;安全系数过小 ,矿 井 (采区) 防排水能力不足 ,造成淹井淹采区甚至 伤人的重大事故 。因此 ,考虑生产过程中的环境 时变性及模糊性 ,利用信息拟合方法 、模糊理论 , 研究顶板岩层富水性分区及顶板水的涌出条件 , 准确预测生产区域的涌水量及危害性等级 ,并提 供防治决策 ,正确设计和安排防排水工程 ,减少防 排水费用和灾害事故 ,降低生产成本 ,确保安全生 产 ,提高矿井经济效益 ,具有重要的现实意义 。
取芯率指大于 10cm 的岩芯长度与钻孔深度比值 , 用百分数表示。这个指标是反映岩体完整的指标 , 即反映岩体裂隙交切程度的指标。取芯率低 ,裂隙 交切程度高则是连通性裂隙 ,反之则是非连通性裂 隙 。根据取芯率大小做出等值线图 。
2. 2 顶板岩层富水性分区量化指标
顶板砂岩相对厚度 、取芯率 、平均孔隙度 、冲洗
关键词 :矿井 ;顶板 ;水害 ;模糊评判 中图分类号 : TD 745. 21 文献标识码 :A
Zoning Index of Rich Water2bearing Roof Strata and Water Inrush Forecasting in Coal Seams
BU Qing2lin1 , CHEN Cheng2xing2 , YAN G Cheng2chao1 , M EN G Xiang2jun3 , GUAN Yun2zhang3
30
山 东 科 技 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 24 卷
种因素的各自数值在不同数量级上 , 潍了让三种 因素具有可对比性 ,调整常数 x 1 、x 2 、x 3 将 H 、D 、 L 的数值换算到同一数量级 , 这样综合指数 Z 才 科学合理 。
由于资料不全面 ,有的钻孔中缺少漏失量 L , 这时 将 a1 、a2 归 一 化 处 理 ( a1 = 0. 5714 、a2 = 0. 4286 、a3 = 0) 。每一个钻孔都计算出综合指数 Z 值 ,根据 Z 的大小划分富水区域 ,得到顶板富水 性分区草图 。然后 , 以取芯率 、平均孔隙度等值线 图进行拟合改进 。在此基础上 ,结合已有水文单元 与条件 ,逐步拟合改进富水性分区图 ,并用实测涌 水量数据作最后验证 、拟合改进 ,确定最终富水性 分区 ,如图 1 所示 。
(4) 砂岩总厚 :砂岩厚度是决定富水性前提条 件 ,是影响地下水赋存的首要因素 。综合考虑本 井田范围内开采煤层厚度及采用的开采技术等因 素 ,开采后采空区的导水裂隙带高度范围内砂岩 含水层是主要含水层 。因此 ,将这一范围内的砂
岩厚度作为含水层相对厚度 ,做出砂岩厚度分布 等值线图 。
(5) 取芯率 :从透水性或含水性观点分析 ,实际 岩体中的裂隙可分为开启性或连通性裂隙和非开
(3) 冲洗液漏失量 :砂岩中地下水赋存极不均 匀 ,受裂隙和孔隙发育程度所控制 ,在钻进过程中 常用漏水现象发生 ,裂隙孔隙发育的地方往往是 富水地段 。根据现有的钻孔资料中的冲洗液消耗 量曲线 ,在所考虑范围内取其最大值 ,把所涉及的 钻孔按最大漏失量分成 0～0. 3 、0. 3～0. 6 、0. 6～ 0. 9 、0. 9～1. 2 和 > 1. 2 (m3/ h) 五个等级来划分不 同区域 ,得到冲洗液漏失量等值线图 。
指标 Z 来表示富水性 ,进而进行富水性分区。
m
∑hi ·a1 i
n
∑di ·a2 i
p
∑li ·a3 i
Z = i =1 x1
+ i =1 x2
+ i =1 x3
式中 : H 为中 (粗) 砂岩相对厚度 , a1 i 为各中
(粗) 砂岩层的权重 ; D 为构造密度 , a2 i 为各种构
造的权重 ; L 为冲洗液消耗量 , a3 i 为不同等级冲
域构造 、岩性 、孔隙特性 、裂隙率 、赋存条件等 。针 对兴隆庄矿的具体情况 ,查阅了该矿现有的大量 资料 。在确定了水的来源和补给条件的基础上 , 着重研究了该矿 3 煤顶板中 (粗) 砂岩厚度 、冲洗 液最大消耗量 、取芯率 、平均孔隙度 、断层密度 5 个因素的影响作用 。
(1) 平均孔隙度 :岩体的富水性主要取决于岩 体孔隙裂隙的发育情况 。因而可利用孔隙度来划 分岩层的富水程度 。利用γ- γ曲线来反算岩石 密度 。γ- γ法是研究岩层对入射伽玛射线的散 射和吸收为基础的一种核测井方法 。它测量的是 被岩层所散射的伽玛射线强度 。理论和实践表 明 ,当所使用的伽玛源的能量在一定范围内时 (0. 25mev～2mev) ,被测定的散射伽玛射线强度 与岩石的密度有密切关系 ,所以γ- γ测井又称为 密度测井 。当砂岩厚度比较大时 ,伽玛测井曲线 起伏可能比较大 ,计算出的岩石孔隙度差别会很 大 。为了提高最终计算结果的准确度 ,采用加权 平均法算出了煤顶板砂岩的平均孔隙度 。然后绘 制出等值线图 。
Vol. 24 No. 3 Sep . 2005
煤层顶板岩层富水性分区指标及其涌水量预测Ξ
卜庆林1 ,陈成星2 ,杨成超1 ,孟祥军3 ,官云章3
(1. 山东省煤矿安全监察局 ,山东 济南 250000 ; 2. 山东省煤炭工业管理局 ,山东 济南 250000 ; 3. 兖矿集团 兴隆庄煤矿 ,山东 兖州 272000)
耗量的权重 ( a3 i) 按冲洗液消耗量的等级来取值 。 三种因素在影响岩层富水性方面权重差别不
大 ,顶板中 (粗) 砂岩相对厚度在影响岩层富水性 的权重为 a1 = 0. 8 ,构造密度在影响岩层富水性 的权重为 a2 = 0. 6 ,冲洗液消耗量在影响岩层富 水性的权重为 a3 = 0. 7 ,归一化后的权值分别为 : a1 = 0. 3810 、a2 = 0. 2857 和 a3 = 0. 3333 。但三
1 研究现状及现实意义
我国华东 、华北 、东北平原地区的煤系地层普 遍被第四纪含水松散层 、第三纪覆盖 ,淮南 、淮北 、 皖北 、枣庄 、兖州 、淄博 、龙口 、大屯 、苏南 、焦作 、郑 州 、邯郸 、峰峰 、邢台 、开滦 、沈北 、沈南 、梅河 、鹤 岗 、石嘴山等矿区 ,都有水体下采煤及顶板岩体突 水问题 。对矿井顶板水的分布及富水性分区研究 不够 ,对顶板水涌出量的预测不当 ,过分增加安全 系数而极大地增加了防治工程的费用 ,大水矿井
(1. Shandong Bureau of Coal Mine Safety Inspection , Jinan , Shandong 250000 , China ; 2. Shandong Coal Industry Administration , Jinan , Shandong 250000 , China ;
Ⅰ—少量含水 ; Ⅱ—含水较少 ; Ⅲ—含水中等 ; Ⅳ—含水较丰富 ; Ⅴ—含水丰富
图 1 顶板岩层富水性分区图 Fig. 1 Zoning of rich water2bearing roof strata
3 煤层顶板水涌出量模糊预测及其防治
模糊综合评判 (决策) 是在模糊的环境中 ,考 虑了多种因素的影响 ,对某事物做出综合决断或 决策 。模糊综合评判是模糊数学中最基本的应用 方法之一 。影响矿井顶板水涌出的因素很多 ,首 先建立起各影响因素对于矿井顶板水涌出的隶属 函数 ,并确定各影响因素对于顶板水涌出的影响 权值 ,然后建立数学模型 ,进行综合评判 ,根据最 大隶属度原则 ,判断顶板水涌出的等级 ,根据顶板 水涌出的等级 ,确定其危害性 ,针对其危害程度 , 给出防治措施 (图 2) 。 3. 1 顶板水涌出影响因素及其隶属度
第 24 卷第 3 期 2005 年 9 月
山东科技大学学报 (自然科学版) Journal of Shandong University of Science and Technology (Natural Science)
文章编号 :1672 - 3767 (2005) 03 - 0028 - 04
(2) 断层密度 :一般来说 ,在断层附近构造裂 隙发育部位是富水地段 。根据已有的突水资料分 析和长期从事矿井水防治的经验 ,在断裂构造发 育 、断层密度较大的地方就容易发生突水 。并且 由于断层密度数据易于采集和理解 ,误差小 。所 以 ,在此选用这个指标 。首先做出断层密度统计 网格图 ,然后绘出等值线图 。
3. Xinglongzhuang Coal Mine , Yanzhou Mining Group , Yanzhou , Shandong 272000 , China)
Abstract : This paper , aiming at t he problems of t he environmental time2variation and f uzziness in t he pro2 cess of occurrence and prevention of mine roof water inrush , emphasizes t he st udy on t he effect of such five factors as t he t hickness of medium (coarse) sandstone , maximum consumption of drilling fluid , coring rate , average porosit y , fault density in t he 3rd coal seam roof of Xinglongzhuang Mine , especially references t he influence of t he elect ric property curve of logging in borehole , and t hen completes t he zoning work of rich water2bearing roof st rata by means of information fitting met hod. On above basis t he f uzzy prediction is carried out and practical application is given. Key words :mine ; roof ; water hazard ; f uzzy judgment
Ξ 收稿日期 :2005 - 05 - 25 作者简介 :卜庆林 (1962 - ) ,男 ,山东潍坊人 ,高级工程师 ,主要从事安全生产管理方面的研究.
第 3 期 卜庆林等 :煤层顶板岩层富水性分区指标及其涌水量预测
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2 煤层顶板岩层富水性量化分区指标研究
2. 1 顶板岩层富水性影响因素研究 影响顶板富水性的因素是多方面的 ,包括区
液消耗量和断层密度都从一个方面反映了砂岩富
水性 ,单独采用某一个指标还不能完全和准确地反 映地下水赋存情况 。而取芯率 、平均孔隙度 、冲洗
液消耗量是分别从不同角度反映了岩体中的裂隙
情况 ,不独立反映出对顶板富水百度文库影响的程度。尝 试把顶板砂岩相对厚度 、冲洗液消耗量和断层密度
三个独立反映顶板富水性的因素综合成一个量化
启性或不连通性裂隙 。所谓开启性或连通性裂隙
是指与含水体或地表相连通的裂隙或不同裂隙组
合交切而成的裂隙带 。如果这类裂隙与地表或浅
部含水体相通 ,由于有储水体作为补给源而必定含 水 ,或成为地下水流通道。非开启或非连通裂隙是 指不与地表或地下水体相连通的 ,终止于岩体内部 的那些裂隙 。这类裂隙不构成涌水通道 。在这里
洗液消耗量的权重 ; x 1 、x 2 、x 3 为等级化系数 。
a1 i 、a2 i 、a3 i 的取值方法综合分析后认为 :各
中 (粗) 砂岩层的权重 ( a1 i) 按岩性 、裂隙发育程
度以及厚度取值 。各种构造的权重 ( a2 i) 按构造的
种类 、构造的性质 、规模取值 。不同等级冲洗液消
的防排水费用高达千万元以上 ;安全系数过小 ,矿 井 (采区) 防排水能力不足 ,造成淹井淹采区甚至 伤人的重大事故 。因此 ,考虑生产过程中的环境 时变性及模糊性 ,利用信息拟合方法 、模糊理论 , 研究顶板岩层富水性分区及顶板水的涌出条件 , 准确预测生产区域的涌水量及危害性等级 ,并提 供防治决策 ,正确设计和安排防排水工程 ,减少防 排水费用和灾害事故 ,降低生产成本 ,确保安全生 产 ,提高矿井经济效益 ,具有重要的现实意义 。
取芯率指大于 10cm 的岩芯长度与钻孔深度比值 , 用百分数表示。这个指标是反映岩体完整的指标 , 即反映岩体裂隙交切程度的指标。取芯率低 ,裂隙 交切程度高则是连通性裂隙 ,反之则是非连通性裂 隙 。根据取芯率大小做出等值线图 。
2. 2 顶板岩层富水性分区量化指标
顶板砂岩相对厚度 、取芯率 、平均孔隙度 、冲洗
关键词 :矿井 ;顶板 ;水害 ;模糊评判 中图分类号 : TD 745. 21 文献标识码 :A
Zoning Index of Rich Water2bearing Roof Strata and Water Inrush Forecasting in Coal Seams
BU Qing2lin1 , CHEN Cheng2xing2 , YAN G Cheng2chao1 , M EN G Xiang2jun3 , GUAN Yun2zhang3
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山 东 科 技 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 24 卷
种因素的各自数值在不同数量级上 , 潍了让三种 因素具有可对比性 ,调整常数 x 1 、x 2 、x 3 将 H 、D 、 L 的数值换算到同一数量级 , 这样综合指数 Z 才 科学合理 。
由于资料不全面 ,有的钻孔中缺少漏失量 L , 这时 将 a1 、a2 归 一 化 处 理 ( a1 = 0. 5714 、a2 = 0. 4286 、a3 = 0) 。每一个钻孔都计算出综合指数 Z 值 ,根据 Z 的大小划分富水区域 ,得到顶板富水 性分区草图 。然后 , 以取芯率 、平均孔隙度等值线 图进行拟合改进 。在此基础上 ,结合已有水文单元 与条件 ,逐步拟合改进富水性分区图 ,并用实测涌 水量数据作最后验证 、拟合改进 ,确定最终富水性 分区 ,如图 1 所示 。
(4) 砂岩总厚 :砂岩厚度是决定富水性前提条 件 ,是影响地下水赋存的首要因素 。综合考虑本 井田范围内开采煤层厚度及采用的开采技术等因 素 ,开采后采空区的导水裂隙带高度范围内砂岩 含水层是主要含水层 。因此 ,将这一范围内的砂
岩厚度作为含水层相对厚度 ,做出砂岩厚度分布 等值线图 。
(5) 取芯率 :从透水性或含水性观点分析 ,实际 岩体中的裂隙可分为开启性或连通性裂隙和非开
(3) 冲洗液漏失量 :砂岩中地下水赋存极不均 匀 ,受裂隙和孔隙发育程度所控制 ,在钻进过程中 常用漏水现象发生 ,裂隙孔隙发育的地方往往是 富水地段 。根据现有的钻孔资料中的冲洗液消耗 量曲线 ,在所考虑范围内取其最大值 ,把所涉及的 钻孔按最大漏失量分成 0～0. 3 、0. 3～0. 6 、0. 6～ 0. 9 、0. 9～1. 2 和 > 1. 2 (m3/ h) 五个等级来划分不 同区域 ,得到冲洗液漏失量等值线图 。
指标 Z 来表示富水性 ,进而进行富水性分区。
m
∑hi ·a1 i
n
∑di ·a2 i
p
∑li ·a3 i
Z = i =1 x1
+ i =1 x2
+ i =1 x3
式中 : H 为中 (粗) 砂岩相对厚度 , a1 i 为各中
(粗) 砂岩层的权重 ; D 为构造密度 , a2 i 为各种构
造的权重 ; L 为冲洗液消耗量 , a3 i 为不同等级冲
域构造 、岩性 、孔隙特性 、裂隙率 、赋存条件等 。针 对兴隆庄矿的具体情况 ,查阅了该矿现有的大量 资料 。在确定了水的来源和补给条件的基础上 , 着重研究了该矿 3 煤顶板中 (粗) 砂岩厚度 、冲洗 液最大消耗量 、取芯率 、平均孔隙度 、断层密度 5 个因素的影响作用 。
(1) 平均孔隙度 :岩体的富水性主要取决于岩 体孔隙裂隙的发育情况 。因而可利用孔隙度来划 分岩层的富水程度 。利用γ- γ曲线来反算岩石 密度 。γ- γ法是研究岩层对入射伽玛射线的散 射和吸收为基础的一种核测井方法 。它测量的是 被岩层所散射的伽玛射线强度 。理论和实践表 明 ,当所使用的伽玛源的能量在一定范围内时 (0. 25mev～2mev) ,被测定的散射伽玛射线强度 与岩石的密度有密切关系 ,所以γ- γ测井又称为 密度测井 。当砂岩厚度比较大时 ,伽玛测井曲线 起伏可能比较大 ,计算出的岩石孔隙度差别会很 大 。为了提高最终计算结果的准确度 ,采用加权 平均法算出了煤顶板砂岩的平均孔隙度 。然后绘 制出等值线图 。
Vol. 24 No. 3 Sep . 2005
煤层顶板岩层富水性分区指标及其涌水量预测Ξ
卜庆林1 ,陈成星2 ,杨成超1 ,孟祥军3 ,官云章3
(1. 山东省煤矿安全监察局 ,山东 济南 250000 ; 2. 山东省煤炭工业管理局 ,山东 济南 250000 ; 3. 兖矿集团 兴隆庄煤矿 ,山东 兖州 272000)
耗量的权重 ( a3 i) 按冲洗液消耗量的等级来取值 。 三种因素在影响岩层富水性方面权重差别不
大 ,顶板中 (粗) 砂岩相对厚度在影响岩层富水性 的权重为 a1 = 0. 8 ,构造密度在影响岩层富水性 的权重为 a2 = 0. 6 ,冲洗液消耗量在影响岩层富 水性的权重为 a3 = 0. 7 ,归一化后的权值分别为 : a1 = 0. 3810 、a2 = 0. 2857 和 a3 = 0. 3333 。但三
1 研究现状及现实意义
我国华东 、华北 、东北平原地区的煤系地层普 遍被第四纪含水松散层 、第三纪覆盖 ,淮南 、淮北 、 皖北 、枣庄 、兖州 、淄博 、龙口 、大屯 、苏南 、焦作 、郑 州 、邯郸 、峰峰 、邢台 、开滦 、沈北 、沈南 、梅河 、鹤 岗 、石嘴山等矿区 ,都有水体下采煤及顶板岩体突 水问题 。对矿井顶板水的分布及富水性分区研究 不够 ,对顶板水涌出量的预测不当 ,过分增加安全 系数而极大地增加了防治工程的费用 ,大水矿井
(1. Shandong Bureau of Coal Mine Safety Inspection , Jinan , Shandong 250000 , China ; 2. Shandong Coal Industry Administration , Jinan , Shandong 250000 , China ;
Ⅰ—少量含水 ; Ⅱ—含水较少 ; Ⅲ—含水中等 ; Ⅳ—含水较丰富 ; Ⅴ—含水丰富
图 1 顶板岩层富水性分区图 Fig. 1 Zoning of rich water2bearing roof strata
3 煤层顶板水涌出量模糊预测及其防治
模糊综合评判 (决策) 是在模糊的环境中 ,考 虑了多种因素的影响 ,对某事物做出综合决断或 决策 。模糊综合评判是模糊数学中最基本的应用 方法之一 。影响矿井顶板水涌出的因素很多 ,首 先建立起各影响因素对于矿井顶板水涌出的隶属 函数 ,并确定各影响因素对于顶板水涌出的影响 权值 ,然后建立数学模型 ,进行综合评判 ,根据最 大隶属度原则 ,判断顶板水涌出的等级 ,根据顶板 水涌出的等级 ,确定其危害性 ,针对其危害程度 , 给出防治措施 (图 2) 。 3. 1 顶板水涌出影响因素及其隶属度
第 24 卷第 3 期 2005 年 9 月
山东科技大学学报 (自然科学版) Journal of Shandong University of Science and Technology (Natural Science)
文章编号 :1672 - 3767 (2005) 03 - 0028 - 04
(2) 断层密度 :一般来说 ,在断层附近构造裂 隙发育部位是富水地段 。根据已有的突水资料分 析和长期从事矿井水防治的经验 ,在断裂构造发 育 、断层密度较大的地方就容易发生突水 。并且 由于断层密度数据易于采集和理解 ,误差小 。所 以 ,在此选用这个指标 。首先做出断层密度统计 网格图 ,然后绘出等值线图 。
3. Xinglongzhuang Coal Mine , Yanzhou Mining Group , Yanzhou , Shandong 272000 , China)
Abstract : This paper , aiming at t he problems of t he environmental time2variation and f uzziness in t he pro2 cess of occurrence and prevention of mine roof water inrush , emphasizes t he st udy on t he effect of such five factors as t he t hickness of medium (coarse) sandstone , maximum consumption of drilling fluid , coring rate , average porosit y , fault density in t he 3rd coal seam roof of Xinglongzhuang Mine , especially references t he influence of t he elect ric property curve of logging in borehole , and t hen completes t he zoning work of rich water2bearing roof st rata by means of information fitting met hod. On above basis t he f uzzy prediction is carried out and practical application is given. Key words :mine ; roof ; water hazard ; f uzzy judgment
Ξ 收稿日期 :2005 - 05 - 25 作者简介 :卜庆林 (1962 - ) ,男 ,山东潍坊人 ,高级工程师 ,主要从事安全生产管理方面的研究.
第 3 期 卜庆林等 :煤层顶板岩层富水性分区指标及其涌水量预测
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2 煤层顶板岩层富水性量化分区指标研究
2. 1 顶板岩层富水性影响因素研究 影响顶板富水性的因素是多方面的 ,包括区