基于三维地质模型煤层底板岩溶水害防治钻孔设计方法

技术领域

本发明涉及煤层开采技术领域，尤其涉及基于三维地质模型煤层底板岩溶水害防治钻孔设计方法。

背景技术

两淮煤田是重要煤炭基地，随着浅部煤层资源不断开采，向-800米以深开采成为必然趋势。深部开采面临高地温、高地应力、高水压等复杂地质环境，尤其是采动对底板产生破坏，导致底板岩溶突水，严重威胁煤矿生产安全。以往采用煤层底板进行注浆加固，难以解决高水压、高应力、破坏大的复杂地质条件井下开采，难以保障施工作业安全。目前采用地面定向钻孔技术，即采用地面定向垂直钻孔与分支孔相结合的钻探技术，探查水害威胁的奥陶系、寒武系岩溶水文地质条件，并随之开展区域注浆改造工程，不仅探查煤层与岩溶含水层之间导水通道发育情况，同时对此进行治理，在治理范围内形成了隔水底板，阻止岩溶水害发生，保障井下安全生产。

地面区域治理首先要确定煤层底板至下部灰岩层之间安全厚度，依突水系数来设计主孔位置和分支钻孔所布置的层位，需要利用已有地质资料，通过三维可视化和基于三维模型分析计算实现注浆层的空间位置。目前所设计方法均基于二维平面图，而钻孔轨迹、靶点和控制点计算精度有待提高。国内尚未采用有关利用三维地质模方法，设计区域治理注浆钻孔层位设置，来达到煤层底板岩溶水害防治目的。钻孔轨迹布设基于煤层底板等高线及目标层位厚度估算，安全厚度计算和突水系数计算的参数均利用局部数据(煤层厚度、灰岩层厚度均视为等厚层状地质体)，没有考虑煤层厚度、灰岩厚度在空间变化规律，以及要编制多个等高线图，且图件之间属性运算难以自动实现可视化，运算精度偏低，且十分耗时。基于此，如何设计一种基于三维地质模型煤层底板岩溶水害防治钻孔设计方法是本发明所要解决的技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供基于三维地质模型煤层底板岩溶水害防治钻孔设计方法。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

基于三维地质模型煤层底板岩溶水害防治钻孔设计方法，包括以下步骤：

Ⅰ构建三维地质模型：利用探查治理区的钻孔分层数据，建立开采煤层下各个地质体分层界面；

Ⅱ获取突水系数计算公式：依煤矿《煤矿防治水细则》(2017)，确保受岩溶水威胁的煤层安全开采计算公式为：T＝P/M，其中T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受实际水头压力值，MPa；M为煤层底板至含水层顶板的垂直距离，即隔水层厚度，m；水头压力值主要选取近三年突水含水层水压观测最大值；

Ⅲ安全开采隔水厚度计算：煤层底板安全厚度主要与煤层底板主要突水含水层的水头压力P有直接关系，该参数在煤层底板每一个位置是不一样的，需要逐点运算，其公式为：P＝(h1-h2+M)*0.0098，其中h1为该区域与底板灰岩水发生水力联系的最高水头，每个区域为一定值；h2为开采煤层底板各处标高，在模型的属性中储存；由于底板隔水层实际厚度大于计算值时为安全的，可得公式：

Ⅳ生成安全层位虚拟层面：在三维地质模型上运行脚本语言:{M＝(h1-h2)*0.0098/(0.06-0.0098)；}，可以获取开采煤层底板各处的安全厚度值，该值作为煤层底板的一个属性储存，是位置(x，y)的函数，进一步利用脚本语言:{Z＝Z-M；}，生成虚拟安全地质层面；

Ⅴ筛选符合条件的注浆目标层位：根据虚拟安全厚度，在三维地质模型中，通过虚拟安全厚度层面与目标层位的地质界面是否相交，选择位于奥陶系顶界面以上煤层以下的安全灰岩层位；

Ⅵ目标层位稳定性和厚度：依次层位厚度、稳定性、顶板特性先后次序，首先考虑层位稳定性、其次考虑厚度、然后考虑顶板特性；

Ⅶ根据层位产状和构造确定分支钻孔轨迹：为保证钻孔穿层率和成孔率，探查注浆水平分支钻孔布置走向应与断层走向垂直或斜交，分支顺层钻孔长度小于1600米，孔间距为50-60米；

Ⅷ控制点及靶点坐标自动获取：利用投影方式，直接获取钻孔轨迹的三维坐标；将设计好的钻孔轨迹点按照60米间隔打断加密，将目标层底板的坐标，通过垂直投影的方式，映射到钻孔轨迹上，钻孔轨迹即具有三维坐标信息；其原理如下：

If(point(x,y)＝＝surface(x,y))then

point(z)＝surface(z)+3。

作为上述技术方案的改进，所述的基于三维地质模型煤层底板岩溶水害防治钻孔设计方法，步骤Ⅰ中，治理区域一般选择避开落差大的主要断层，断层面看作近似连续介面。

作为上述技术方案的改进，所述的基于三维地质模型煤层底板岩溶水害防治钻孔设计方法，步骤Ⅶ中，水平钻孔走向沿地层倾向方向自上而下布设，钻孔沿层面下行施工。

本发明的优点在于：本发明的基于三维地质模型煤层底板岩溶水害防治钻孔设计方法，充分利用区域治理范围的钻孔资料，采用三维地质模型方法，重建与底板防治水有关含隔水层和相关参数空间展布，根据已知参数，通过编程自动计算每个点位置上的突水系数和安全厚度，更合理地选择均匀、分布覆盖全区目标层，且依地层产状、构造展布，选择钻孔轨迹布设方案。

附图说明

图1为本发明技术流程图。

图2为三维模型构建图。

图3为安全层位计算参数含义示意图。

图4为安全层位虚拟界面生成图。

图5为安全目标层筛选时安全位置图。

图6为安全目标层筛选时筛选符合安全系数要求的层位图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，实施例1，基于三维地质模型煤层底板岩溶水害防治钻孔设计方法，包括以下步骤：

Ⅰ构建三维地质模型：利用探查治理区的钻孔分层数据，建立开采煤层下各个地质体分层界面，治理区域一般选择避开落差大的主要断层，故层面看作近似连续介面，但可能存在局部尖灭现象；

例如，参见图2，华北型煤层底板的层面划分可依岩性变化、含隔水层结构，划分为灰岩层，薄煤层和泥岩层和砂岩层四大类；通过采集各个层面三维坐标点集,采用克离格插值方法，结合三角网构建不同岩性的界面层，采用不同颜色充填上下层面，即可得到各个地质实体；

Ⅱ获取突水系数计算公式：依煤矿《煤矿防治水细则》(2017)，确保受岩溶水威胁的煤层安全开采计算公式为：T＝P/M，其中T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受实际水头压力值，MPa；M为煤层底板至含水层顶板的垂直距离，即隔水层厚度，m；水头压力值主要选取近三年突水含水层水压观测最大值；

Ⅲ安全开采隔水厚度计算：参见图3，煤层底板安全厚度主要与煤层底板主要突水含水层的水头压力P有直接关系，该参数在煤层底板每一个位置是不一样的，需要逐点运算，其公式为：P＝(h1-h2+M)*0.0098，其中h1为该区域与底板灰岩水发生水力联系的最高水头，每个区域为一定值；h2为开采煤层底板各处标高，在模型的属性中储存；由于底板隔水层实际厚度大于计算值时为安全的，可得公式：

Ⅳ生成安全层位虚拟层面：参见图4，在三维地质模型上运行脚本语言:{M＝(h1-h2)*0.0098/(0.06-0.0098)；}，可以获取开采煤层底板各处的安全厚度值，该值作为煤层底板的一个属性储存，是位置(x，y)的函数，进一步利用脚本语言:{Z＝Z-M；}，生成虚拟安全地质层面；

Ⅴ筛选符合条件的注浆目标层位：根据虚拟安全厚度，在三维地质模型中，通过虚拟安全厚度层面与目标层位的地质界面是否相交，选择位于奥陶系顶界面以上煤层以下的安全灰岩层位；

例如，参见图5、6，淮南煤田某矿开采工作面三维地质模型，在本案例中存在三层灰岩达到安全层突水系数要求；

Ⅵ目标层位稳定性和厚度：依次层位厚度、稳定性、顶板特性先后次序，首先考虑层位稳定性、其次考虑厚度、然后考虑顶板特性；

Ⅶ根据层位产状和构造确定分支钻孔轨迹：为保证钻孔穿层率和成孔率，探查注浆水平分支钻孔布置走向应与断层走向垂直或斜交，分支顺层钻孔长度小于1600米，孔间距为50-60米；为提高穿层率，降低施工难度，水平钻孔走向沿地层倾向方向自上而下布设，钻孔沿层面下行施工；

Ⅷ控制点及靶点坐标自动获取：利用投影方式，直接获取钻孔轨迹的三维坐标；将设计好的钻孔轨迹点按照60米间隔打断加密，将目标层底板的坐标，通过垂直投影的方式，映射到钻孔轨迹上，钻孔轨迹即具有三维坐标信息；其原理如下：

If(point(x,y)＝＝surface(x,y))then

point(z)＝surface(z)+3；

以2000米*250米面积为例，煤层开采厚度3米，经过底板灰岩水超前区域探测治理后，预计可解放煤炭资源405万吨，预计开采成本97200万元(240元/吨)，预计销售总额为162000万元(400元/吨)，预计盈利64800万元；

本发明的基于三维地质模型煤层底板岩溶水害防治钻孔设计方法，充分利用区域治理范围的钻孔资料，采用三维地质模型方法，重建与底板防治水有关含隔水层和相关参数空间展布，根据已知参数，通过编程自动计算每个点位置上的突水系数和安全厚度，更合理地选择均匀、分布覆盖全区目标层，且依地层产状、构造展布，选择钻孔轨迹布设方案。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。