基于钻孔出水特征的工作面动态涌水量预测方法

技术领域

本发明属于矿井防治水技术领域，涉及一种基于钻孔出水特征的工作面动态涌水量预测方法。

背景技术

超前精准预测矿井涌水量，是开展矿井水害防治的关键。目前，针对矿井的涌水量预测，主要有解析法和比拟法两类方法。其中，解析法主要包括大井法和廊道法，主要通过取得的工作面单宽流量、水力梯度和上覆含水层厚度等间接参数，预测矿井涌水量。而实际中，不同矿区的地质条件存在差异，该方法往往不能体现不同矿区在地质条件上的差异性，所使用的参数未必符合地区特征。

在矿井涌水量预测当中，另一种预测方法为比拟法，该方法是基于在所要预测的待采工作面和与之邻近的已采工作面在地质条件、工作面布置等方面具有相似性的情况下，通过已采工作面实测水量，反推待采工作面水量。用该方法进行涌水量预计，与解析法相比，虽然避免了不同矿区的地质条件差异所带来的误差，但用于比拟的仅仅是已采工作面的总水量，该数据不能展现出工作面富水区对于涌水量的影响。

因此，探究一种可以克服上述缺陷，研发矿井涌水量的预测方法尤为必要，以期为矿井水害防治提供可靠依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于钻孔出水特征的工作面动态涌水量预测方法，解决了现有技术中存在的矿井涌水量预测方法针对性不足，数据处理量大，准确性可靠性不足的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于钻孔出水特征的工作面动态涌水量预测方法，按照以下步骤实施：

步骤1：选定与待采工作面相邻的已采工作面，统计已采工作面的实际涌水量、疏放水终孔水量和终孔水压；

步骤2：将回采进尺分段，统计每个分段内已采工作面涌水量总量，绘制涌水量总量随进尺变化的曲线；利用GIS信息绘制终孔水量、终孔水压的等值线，并结合分段进尺数据，沿待采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线；

步骤3：将涌水量总量、终孔水量和终孔水压在回采进尺端点处的全部数据进行曲线拟合，获得涌水量总量与终孔水量、终孔水压之间的拟合方程；

步骤4：对待采工作面进行区段划分，统计待采工作面的疏放水终孔水量和终孔水压；

步骤5：绘制待采工作面的疏放水终孔水量、终孔水压的等值线图，并结合进尺数据，沿待采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线；

步骤6：根据相似原理，以待采工作面的终孔水量、终孔水压为自变量，采用拟合方程计算待采工作面不同区段内的涌水量总量；

步骤7：采用累加计算，获取随回采进尺变化的涌水量预测曲线。

本发明的有益效果是，基于所要预测的待采工作面和与之邻近的已采工作面在地质条件、工作面布置等方面具有相似性的情况下，通过已采工作面实测水量，反推待采工作面水量的比拟法，考虑了待采工作面在不同区域的富水性差异，对已采工作面进行区段划分，将工作面沿走向划分成等距离区域，以实测涌水量绘制涌水量曲线、以终孔水量和终孔水压绘制终孔水量、水压曲线，并对曲线进行相关性分析，获得比例系数，拟合方程。再对待采工作面进行区段划分，划分距离与已采工作面保持一致，继而结合待采工作面测得的终孔水量、终孔水压数据，绘制终孔水量曲线图，分析相关性。最后将待采、已采工作面的分析结果相结合，计算并预测待采工作面的涌水量。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的MKQ-4工作面顶板疏放水钻孔终孔涌水量柱状及水压折线图；

图3是本发明实施例的MKQ-4工作面涌水量总量随进尺变化曲线；

图4a是本发明实施例的MKQ-4工作面终孔水量等值线；图4b是本发明实施例的MKQ-4工作面终孔水压等值线；

图5a是本发明实施例的MKQ-4工作面终孔水量随进尺变化曲线；图5b是本发明实施例的MKQ-4工作面终孔水压随进尺变化曲线；

图6是本发明实施例的MKQ-5工作面实测水量与预测水量对比；

图7是本发明实施例的MKQ-5工作面终孔水量柱状图及实测、预测水量对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明的预测方法，按照以下步骤实施：

步骤1：选定与待采工作面相邻的已采工作面，统计已采工作面的实际涌水量、疏放水终孔水量和终孔水压，(终孔水量和终孔水压全称分别为钻孔终孔水量和钻孔终孔水压)；

在预测待采工作面的涌水量前，先选定可用于比拟参照的已采工作面，然后，取得已采工作面实测所得的相关参数。

步骤2：将回采进尺分段，统计每个分段内已采工作面涌水量总量，绘制涌水量总量随进尺变化的曲线；利用GIS信息绘制终孔水量、终孔水压的等值线，并结合分段进尺数据，沿待采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线；

对各个涌水量相关数据的分区段监测，不同于已采工作面整体监测，在进行了待采工作面的区段划分后，监测得到的实际涌水量、终孔水量、终孔水压等数据按照相同的长度间隔D进行划分，划分后进行终孔水压、终孔水量及涌水量曲线绘制，其对应的回采进尺S的间隔为D，更易体现待采工作面的区域富水性变化特征。

步骤3：将涌水量总量、终孔水量和终孔水压在回采进尺端点处的全部数据进行曲线拟合，获得涌水量总量与终孔水量、终孔水压之间的拟合方程；

在监测得到用于拟合参照的已采工作面相关数据后，利用该数据进行实际涌水量曲线和终孔水量、终孔水压曲线绘制，然后对该曲线进行相关性分析，并获得比例系数。

步骤4：对待采工作面进行区段划分，统计待采工作面的疏放水终孔水量和终孔水压；

在预测待采工作面的涌水量时，首先将待采工作面分为长度为D的区段，再分区段监测，得到疏放水终孔水量和终孔水压的数据。

步骤5：绘制待采工作面的疏放水终孔水量、终孔水压的等值线图，并结合进尺数据，沿待采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线；

待采工作面监测得到的数据用于绘制待采工作面的疏放水终孔水量、终孔水压等值线图后，再沿工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线。

步骤6：根据相似原理，以待采工作面的终孔水量、终孔水压为自变量，采用拟合方程计算待采工作面不同区段内的涌水量总量；

预测涌水量总量需结合已采工作面拟合所得方程，方程中各相关性系数不变，以区段长度D为间隔的回采进尺S、终孔水量Q

步骤7：采用累加计算，获取随回采进尺变化的涌水量预测曲线；

通过已采工作面、待采工作面相关性分析所得参数，比拟求得需要预测的待采工作面的涌水量。

实施例1

以蒙陕矿区某矿MKQ-4工作面2020年全年的矿井涌水量预测为例。该煤矿开采时，矿井涌水量有较大增量，关于涌水量总量、终孔水量、终孔水压的台账记录全面。因此，针对该矿井开展基于钻孔出水特征的涌水量预测具有较好的说明效果。

本发明方法的实施例，按照以下步骤具体实施：

步骤1：选定与待采工作面相邻的已采工作面，统计已采工作面的实际涌水量、疏放水终孔水量和终孔水压。

步骤2：将回采进尺分段，统计每个分段内已采工作面涌水量总量，绘制涌水量总量随进尺变化的曲线；利用GIS信息绘制终孔水量、终孔水压等值线。并结合分段进尺数据，沿已采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线。

取MKQ-4已采工作面划分区段长度为100m，则绘制各参数随进尺变化曲线时，进尺变化间隔为100m。图2为本发明实施例的MKQ-4工作面顶板疏放水钻孔施工图；图2为本发明实施例的MKQ-4工作面顶板疏放水钻孔终孔涌水量柱状及水压折线图；图3为MKQ-4已采工作面涌水量总量随进尺变化曲线；图4a、图4b分别为工作面终孔水量、终孔水压等值线，图5a、图5b分别为沿工作面中部走向提取的终孔水量、终孔水压随进尺变化曲线。

步骤3：将涌水量总量、终孔水量和终孔水压在回采进尺端点处的全部数据进行曲线拟合，获得涌水量总量与终孔水量、终孔水压之间的拟合方程。

在监测得到MKQ-4已采工作面相关数据后，绘制实际涌水量曲线和终孔水量、终孔水压变化曲线后，对该曲线进而相关性分析，得到相关系数，进而得到预测涌水量方程：

Q＝Q

其中，Q为涌水量总量；

Q

P

S为开采进尺。

步骤4：对MKQ-5待采工作面进行区段划分，统计待采工作面的疏放水终孔水量和终孔水压；

取MKQ-4已采工作面的疏放水终孔水量和终孔水压数据用于预测其涌水量，并与实际涌水量进行对比，见表1。

表1、实施例1的MKQ-5工作面的终孔水量、终孔水压统计

步骤5：绘制待采工作面的疏放水终孔水量、终孔水压等值线图，并结合进尺数据，沿待采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线。

取MKQ-4已采工作面监测得到的数据绘制疏放水终孔水量、终孔水压等值线图，并沿MKQ-4已采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线图，所得等值线图及曲线见图4a、图4b、图5a、图5b。

步骤6：根据相似原理，以待采工作面的终孔水量、终孔水压为自变量，采用拟合方程计算待采工作面不同区段内的涌水量总量，

Q＝Q

其中，Q为涌水量总量；

Q

P

S为开采进尺。

将终孔水量、终孔水压，及回采进尺参数代入方程，可求得预测涌水量总量Q，不同进尺下预测得到的涌水量如表2所示。

表2、实施例1的MKQ-4工作面不同进尺下的工作面涌水量预测结果

步骤7：采用累加计算，获取随回采进尺变化的涌水量预测曲线。

参照图6和图7，将上述的预测水量曲线与工作面实测水量曲线进行对比，二者显示出较好的相关性，表明本发明方法的预测结果相对准确，本发明方法明显具有可行性及数据的可靠性。

实施例2

以蒙陕矿区某矿MKQ-4工作面2020年全年的矿井涌水量预测为例。该煤矿开采时，矿井涌水量有较大增量，关于涌水量总量、终孔水量、终孔水压的台账记录全面。因此，针对该矿井开展基于钻孔出水特征的涌水量预测具有较好的说明效果。

本发明方法的实施例，按照以下步骤具体实施：

步骤1：选定与待采工作面相邻的已采工作面，统计已采工作面的实际涌水量、疏放水终孔水量和终孔水压。

步骤2：将回采进尺分段，统计每个分段内已采工作面涌水量总量，绘制涌水量总量随进尺变化的曲线；利用GIS信息绘制终孔水量、终孔水压等值线。并结合分段进尺数据，沿已采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线。

取MKQ-4已采工作面划分区段长度为100m，则绘制各参数随进尺变化曲线时，进尺变化间隔为100m。图2为本发明实施例的MKQ-4工作面顶板疏放水钻孔施工图；图2为本发明实施例的MKQ-4工作面顶板疏放水钻孔终孔涌水量柱状及水压折线图；图3为MKQ-4已采工作面涌水量总量随进尺变化曲线；图4a、图4b分别为工作面终孔水量、终孔水压等值线，图5a、图5b分别为沿工作面中部走向提取的终孔水量、终孔水压随进尺变化曲线。

步骤3：将涌水量总量、终孔水量和终孔水压在回采进尺端点处的全部数据进行曲线拟合，获得涌水量总量与终孔水量、终孔水压之间的拟合方程。

在监测得到MKQ-4已采工作面相关数据后，绘制实际涌水量曲线和终孔水量、终孔水压变化曲线后，对该曲线进而相关性分析，，得到相关系数，进而得到预测涌水量方程：

Q＝Q

其中，Q为涌水量总量；

Q

P

S为开采进尺。

步骤4：对MKQ-5待采工作面进行区段划分，统计待采工作面的疏放水终孔水量和终孔水压；

取MKQ-4已采工作面的疏放水终孔水量和终孔水压数据用于预测其涌水量，并与实际涌水量进行对比，见表3。

表3、实施例2的MKQ-5工作面的终孔水量、终孔水压统计

步骤5：绘制待采工作面的疏放水终孔水量、终孔水压等值线图，并结合进尺数据，沿待采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线。

取MKQ-4已采工作面监测得到的数据绘制疏放水终孔水量、终孔水压等值线图，并沿MKQ-4已采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线图，所得等值线图及曲线见图4a、图4b、图5a、图5b。

步骤6：根据相似原理，以待采工作面的终孔水量、终孔水压为自变量，采用拟合方程计算待采工作面不同区段内的涌水量总量，

Q＝Q

其中，Q为涌水量总量；

Q

P

S为开采进尺。

将终孔水量、终孔水压，及回采进尺参数代入方程，可求得预测涌水量总量Q，不同进尺下预测得到的涌水量如表4所示。

表4、实施例2的MKQ-4工作面不同进尺下的工作面涌水量预测结果

步骤7：采用累加计算，获取随回采进尺变化的涌水量预测曲线。

参照图6和图7，将上述的预测水量曲线与工作面实测水量曲线进行对比，二者显示出较好的相关性，表明本发明方法的预测结果相对准确，本发明方法明显具有可行性及数据的可靠性。

实施例3

以蒙陕矿区某矿MKQ-4工作面2020年全年的矿井涌水量预测为例。该煤矿开采时，矿井涌水量有较大增量，关于涌水量总量、终孔水量、终孔水压的台账记录全面。因此，针对该矿井开展基于钻孔出水特征的涌水量预测具有较好的说明效果。

本发明方法的实施例，按照以下步骤具体实施：

步骤1：选定与待采工作面相邻的已采工作面，统计已采工作面的实际涌水量、疏放水终孔水量和终孔水压。

步骤2：将回采进尺分段，统计每个分段内已采工作面涌水量总量，绘制涌水量总量随进尺变化的曲线；利用GIS信息绘制终孔水量、终孔水压等值线。并结合分段进尺数据，沿已采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线。

取MKQ-4已采工作面划分区段长度为100m，则绘制各参数随进尺变化曲线时，进尺变化间隔为100m。图2为本发明实施例的MKQ-4工作面顶板疏放水钻孔施工图；图2为本发明实施例的MKQ-4工作面顶板疏放水钻孔终孔涌水量柱状及水压折线图；图3为MKQ-4已采工作面涌水量总量随进尺变化曲线；图4a、图4b分别为工作面终孔水量、终孔水压等值线，图5a、图5b分别为沿工作面中部走向提取的终孔水量、终孔水压随进尺变化曲线。

步骤3：将涌水量总量、终孔水量和终孔水压在回采进尺端点处的全部数据进行曲线拟合，获得涌水量总量与终孔水量、终孔水压之间的拟合方程。

在监测得到MKQ-4已采工作面相关数据后，绘制实际涌水量曲线和终孔水量、终孔水压变化曲线后，对该曲线进而相关性分析，，得到相关系数，进而得到预测涌水量方程：

Q＝Q

其中，Q为涌水量总量；

Q

P

S为开采进尺。

步骤4：对MKQ-5待采工作面进行区段划分，统计待采工作面的疏放水终孔水量和终孔水压；

取MKQ-4已采工作面的疏放水终孔水量和终孔水压数据用于预测其涌水量，并与实际涌水量进行对比，见表5。

表5、实施例3的MKQ-5工作面的终孔水量、终孔水压统计

步骤5：绘制待采工作面的疏放水终孔水量、终孔水压等值线图，并结合进尺数据，沿待采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线。

取MKQ-4已采工作面监测得到的数据绘制疏放水终孔水量、终孔水压等值线图，并沿MKQ-4已采工作面中部走向提取终孔水量、终孔水压随进尺的变化曲线图，所得等值线图及曲线见图4a、图4b、图5a、图5b。

步骤6：根据相似原理，以待采工作面的终孔水量、终孔水压为自变量，采用拟合方程计算待采工作面不同区段内的涌水量总量，

Q＝Q

其中，Q为涌水量总量；

Q

P

S为开采进尺。

将终孔水量、终孔水压，及回采进尺参数代入方程，可求得预测涌水量总量Q，不同进尺下预测得到的涌水量如表6所示。

表6、实施例3的MKQ-4工作面不同进尺下的工作面涌水量预测结果

步骤7：采用累加计算，获取随回采进尺变化的涌水量预测曲线。

参照图6和图7，将上述的预测水量曲线与工作面实测水量曲线进行对比，二者显示出较好的相关性，表明本发明方法的预测结果相对准确，本发明方法明显具有可行性及数据的可靠性。