一种矿井老空水分布范围预测方法

1.本发明涉及矿井灾害防治领域，特别涉及一种矿井老空水分布范围预测方法。


背景技术：

2.我国作为世界上第一采煤大国，煤炭资源十分丰富且地域分布辽阔，煤矿床水文地质条件复杂，是世界上矿山水害最严重的国家之一。在这些水害事故中，老空水水害占较大的比例，是矿井地质灾害重大隐患之一。实践证明，在水压和矿压动态耦合作用下老空水形成机制多样，给老空水防治造成极大挑战。实践证明，矿井老空水防治工作关键点在于查明老空水空间分布规律。但当前尚未有老空水空间分布规律的预测方法。
3.当前老空水空间分布规律的主要研究方法有：资料分析法、现场调查法、钻探法、物探法。资料分析与现场调查法为根据上层(部)开采中的水文地质情况，通过现场的探勘，分析预测下层(部)采空积水问题。该方法是当前矿井生产常用的方法，具有简单、便捷、成本低的特点，但对于地质条件复杂的矿井分析的可靠性与准确度较低。钻探法是针对有疑似老空水区域进行钻孔探放验证，但该方法施工成本高，往往与物探相结合使用。物探法是采用地球物理探测的方法对老空水赋存区域进行探测，但受地球物理多解性的特点，其结果往往是推断的，准确度受现场施工环境与地质条件影响较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种矿井老空水分布范围预测方法，解决目前对老空水害空间分布预测难的问题。
5.本发明采用的技术方案如下：一种矿井老空水分布范围预测方法，包括以下步骤：
6.步骤s101：根据煤矿的勘探钻孔信息、采掘见煤点信息或三维激光扫描的底板点云，通过插值处理形成煤层底板网格点。
7.步骤s102：从形成的煤层底板网格点数据中提取凹地，将计算的凹地区域作为煤层的底板低洼积水区。
8.步骤s103：计算步骤s101中形成的煤层底板网格点的老空水运移方向矩阵。
9.步骤s104：利用步骤s103计算的各网格点老空水运移方向矩阵，采用溯源法进行汇流累积量的计算。
10.步骤s105：设置阈值，将汇流累积量大于阈值的网格点作为老空水运移路径并与保护煤柱进行叠合分析，将两者重叠区作为老空水运移富水区。
11.步骤s106：合并步骤s105预测的运移富水区与步骤s102预测的低洼积水区作为矿井老空水分布范围。
12.进一步的，步骤s102中采用surfer的peak and depression模块提取凹地。
13.进一步的，步骤s103包括如下步骤：
14.步骤s103.1、选择步骤s101中某一网格点为中心，对与其相邻的8个网格节点采用2n的数字编码表示相对该中心网格点的方向，n为0～7的整数。
15.步骤s103.2、计算相邻的8个网格节点相对中心网格节点的坡度；坡度计算公式为：
16.式中，hi和hj分别为中心网格节点与相邻网格节点的煤层底板高程值，d为该两个网格节点中心的水平距离；求取这8个相邻网格节点相对中心网格节点的坡度值的最大值作为中心网格节点的坡度。
17.步骤s103.3、根据坡度最大值对应的相邻网格节点的方向编码作为该中心网格节点老空水流的运移方向矩阵。
18.进一步的，步骤s104采用溯源法进行汇流累积量的计算方法为：假设每个网格点处均有一个单位的水量；按照水流方向连接各网格点，从各水流线源头开始计算每个网格点的汇流累积量；根据步骤s103计算的各网格点老空水运移方向，计算该网格点的汇流累积量等于以该网格点为中心的8个网格点流向中心网格点老空水量+自身积水量；此时，流出的网格点的老空水量-1；该过程直到所有网格点全部计算完毕。
19.进一步的，步骤s105预测的老空水运移富水区为老空水运移路径与工作面煤柱重叠点靠近运移上游方向的区域。
20.本发明的有益效果在于：本发明提供了一种矿井老空水分布范围预测方法，本方法不需要钻探法或物探法，而是充分利用勘探钻孔或见煤点信息进行老空水分布的预测，大大提高了工作效率；由于该方法能自动分析老空水可能富集区域，大大降低了老空水探放的成本；此外，本方法采用的空间分析方法通过构建煤层底板模型预测矿井老空水运移路径与底板低洼区，具有计算快捷，成果直观的特点。
附图说明
21.图1是本技术方法老空水运移方向计算原理示意图；图a)为插值后的高程网格点；图b)为计算的各网格点方向矩阵；图c)为按方向编码表示的方向矩阵。
22.图2是本技术方法老空水汇流累积量计算原理示意图；图a)为初始网格点水量为1；图b)为溯源计算各网格点的汇流累积量；图c)为获得最终的汇流累积量。
23.图3是本技术方法老空水运移路径示意图；图a)为汇流累积量；图b)为提取的老空水运移路径。
24.图4是本技术方法老空水运移富水区预测原理示意图；图中1-工作面煤柱，2-预测的运移路径，3-预测的运移富水区。
25.图5是本技术实施例中步骤1根据钻孔柱状图见煤点插值形成网格单元的示意图；图中1-钻孔见煤点，2-网格节点。
26.图6是本技术实施例中按照步骤2计算的低洼易积水区的示意图。
27.图7是本技术实施例中步骤3计算出网格的老空水流方向示意图。
28.图8是本技术实施例中步骤4根据汇流累积量向大于设定阈值的网格节点计算的老空水运移路径示意图。
29.图9是本技术实施例中步骤5最终预测的老空水富集区域与已知区域的对比图；图
中：1-采煤工作面，2-已知的老空水，3-预测的低洼积水区，4-预测的运移路径，5-预测的老空水运移富集区。
30.图10是本技术方法的流程框图。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.本技术矿井生产实践发现老空水易受煤层底板起伏形态的影响而富集在低洼区域或沿煤层局部倾斜方向运移后受工作面煤柱阻挡而富集。根据此发现，本技术对煤层底板数字化后进行空间分析，提取煤层底板凹陷区及老空水运移路径与工作面煤柱重叠区将有助于预测预报老空水富集区域。因此本发明所述的预测方法共分为上述两个方面老空水的预测，总体分为六个步骤，具体如下。
33.步骤s101、收集各勘探钻孔提取的煤层信息及采掘揭露的见煤点信息或三维激光扫描的底板点云，采用surfer软件进行插值处理形成规则的煤层底板网格点。
34.步骤s102、采用surfer软件的peak and depression模块，从形成的煤层底板网格点数据中提取凹地，将计算的凹地区域作为煤层的底板低洼积水区。
35.步骤s103、计算出每一个网格的老空水方向矩阵。为了分析老空水径流在老空区的流动过程，老空水的水流方向分析将是十分关键的。当老空区积水后会在工作面底板形成径流，而矿井生产实践表明老空水径流在流域空间内总是要从煤层底板高处向地势低处流动，又总是沿着最陡坡的方向流动，这种老空水运移富集规律，可以采用计算网格节点坡度与老空水运移方向(坡向)进行确定。坡度与坡向计算过程如下(参照图1理解)：
36.步骤s103.1、选择步骤s101计算的某一网格点为中心，对与其相邻的8个网格节点采用2n(n为0～7的整数)的数字编码表示相对该中心网格点的方向(如图1b)所示)。其中方向数字编码变化范围是1～255。其中1：东；2：东南；4南；8：西南；16：西；32：西北；64：北；128：东北。
37.步骤s103.2、计算这相邻的8个网格节点相对中心网格节点的坡度。坡度计算公式为：式中，hi和hj分别为中心网格节点与相邻网格节点的煤层底板高程值，d为该两个网格节点中心的水平距离。求取这8个相邻网格节点相对中心网格节点的坡度值的最大值作为中心网格节点的坡度。
38.步骤s103.3、根据坡度最大值对应的相邻网格节点的方向编码作为该中心网格节点老空水的运移方向矩阵(如图1c)所示)。以左上角156网格点为例，计算以该点为中心的相邻网格点坡度：θ
1，2
＝arctg((156-144)/1)＝1.49；
θ
2，1
＝arctg((156-148)/1)＝1.45；取相邻网格点坡度的最大值作为此中心网格点的坡度，其对应的方向作为坡向。因此，左上角156网格点对应的方向为该中心点东南方向的点134，其方向编码为2。其他网格点以此类推，直到计算完所有的点。
39.步骤s104、根据老空水流从高到低汇流的自然规律，利用步骤s103计算的各网格点老空水运移方向矩阵，采用溯源法进行汇流累积量的计算(如图8)。汇流累积量计算过程如下：
40.步骤s104.1、假设每个网格点处均有一个单位的水量，即每个网格点水量值为1(如图2a)所示)；
41.步骤s104.2、按照水流方向连接各网格点，从各水流线源头开始计算每个网格点的汇流累积量。根据步骤s103计算的各网格点老空水运移方向，计算该网格点的汇流累积量等于以该网格点为中心的8个网格点流向中心网格点老空水量+自身积水量(如图2b)所示)。此时，对应老空水流出的网格点的老空水量-1。该过程直到所有网格点全部计算完毕(如图2c)所示)。
42.步骤s105、设定阈值，将大于阈值的网格点用折线进行连接，最终的折线就是潜在的老空水运移路径(如图3所示)。由于采煤工作面之间存在保护煤柱将对运移的老空水有阻挡，老空水将在工作面保护煤柱处靠水流上游一侧富集。因此，将步骤s104预测的老空水运移路径与矿方提供的工作面煤柱区域进行叠合，该叠合点靠近运移上游一侧区域为老空水运移富水区(如图4所示)。
43.步骤s106、合并步骤s105预测的运移富水区与步骤s102预测的低洼积水区作为本技术最终预测的老空水可能富集区域。
44.实施例
45.内蒙古某煤矿周边小煤窑星罗棋布、地面露采坑乱采滥挖，老空积水范围及积水量难以查清，老空水害对矿井安全生产构成严重威胁。老空水害预测预报是老空水防治工作的基础，矿方先后投入大量资金和人力对老空水进行了物探和钻探等探查工作。为了缩小老空水探测区域，提高老空水探查效率，保障煤矿安全生产，对矿区老空水可能分布的范围采用本技术方法进行了预测预报并与现有揭露的老空水区域进行了对比验证，有力表明了该方法的有效性。下面详细介绍本技术的方法在本实施例中的应用。
46.本技术实施例提供的一种矿井老空水分布范围预测方法包括如下步骤：
47.步骤1、搜集矿区所有钻孔柱状图与井下编录的见煤点信息，对其采用surfer软件进行插值形成煤层底板的网格单元点，如图5所示，图中1-钻孔见煤点，2-网格节点。
48.步骤2、根据步骤s102方法采用surfer的peak and depression模块计算煤层底板凹陷区作为煤层的底板低洼易积水区，如图6所示)。
49.步骤3、根据步骤s103方法计算每一网格点的老空水水流方向(如图7所示)。
50.步骤4、根据步骤s104方法计算所有网格点的汇流累积量，本次设定网格的汇流累积量大于700的区域为老空水可能运移的网格作为区域内潜在的老空水运移路径(类似于地表的沟谷)(如图8所示)。
51.步骤5、将步骤s104预测的老空水运移路径(如图9中的标号4指示)与工程布置图的采煤工作面煤柱(如图9中的标号1指示)进行叠合，该重叠点的靠近运移上游方向区域为老空水运移富水区(如图9中的若干圆形圈5指示)；图9中：1-采煤工作面，2-已知的老空水区域，3-预测的低洼积水区，4-预测的运移路径，5-预测的老空水运移富水区。
52.步骤6、综合老空水运移富水区与低洼易积水区作为最终的老空水富集区域。从图9中可以看到，除已知的北侧工作面未准确预测以外(该老空水区是由于开切眼附近地压较大、采动裂隙较多而引起的的老空水富集)，其他预测的老空水富集区域与已知老空水区域基本吻合，这充分表明了本发明提出的老空水分布范围预测预报方法具有较高的准确性。可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种矿井老空水分布范围预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s101：根据煤矿的勘探钻孔信息、采掘见煤点信息或三维激光扫描的底板点云，通过插值处理形成煤层底板网格点；步骤s102：从形成的煤层底板网格点数据中提取凹地，将计算的凹地区域作为煤层的底板低洼积水区；步骤s103：计算步骤s101中形成的煤层底板网格点的老空水运移方向矩阵；步骤s104：利用步骤s103计算的各网格点老空水运移方向矩阵，采用溯源法进行汇流累积量的计算；步骤s105：根据步骤s103计算的汇流累积量设置阈值提取老空水运移路径并与保护煤柱进行叠合分析，将两者重叠区作为老空水运移富水区；步骤s106：合并步骤s105预测的运移富水区与步骤s102预测的低洼积水区作为矿井老空水分布范围。2.根据权利要求1所述的矿井老空水分布范围预测方法，其特征在于，步骤s102中采用surfer的peak and depression模块提取凹地。3.根据权利要求1所述的矿井老空水分布范围预测方法，其特征在于，步骤s103包括如下步骤：步骤s103.1、选择步骤s101中某一网格点为中心，对与其相邻的8个网格节点采用2
n
的数字编码表示相对该中心网格点的方向，n为0～7的整数；步骤s103.2、计算相邻的8个网格节点相对中心网格节点的坡度；坡度计算公式为：式中，h
i
和h
j
分别为中心网格节点与相邻网格节点的煤层底板高程值，d为该两个网格节点中心的水平距离；求取这8个相邻网格节点相对中心网格节点的坡度值的最大值作为中心网格节点的坡度；步骤s103.3、根据坡度最大值对应的相邻网格节点的方向编码作为该中心网格节点老空水流的运移方向矩阵。4.根据权利要求1所述的矿井老空水分布范围预测方法，其特征在于，步骤s104采用溯源法进行汇流累积量的计算方法为：假设每个网格点处均有一个单位的水量；按照水流方向连接各网格点，从各水流线源头开始计算每个网格点的汇流累积量；根据步骤s103计算的各网格点老空水运移方向，计算该网格点的汇流累积量等于以该网格点为中心的8个网格点流向中心网格点老空水量+自身积水量；此时，流出的网格点的老空水量-1；该过程直到所有网格点全部计算完毕。5.根据权利要求1所述的矿井老空水分布范围预测方法，其特征在于，步骤s105预测的老空水运移富水区为老空水运移路径与工作面煤柱重叠点靠近运移上游方向的区域。

技术总结
本发明公开了一种矿井老空水分布范围预测方法；该方法包括以下步骤：插值处理形成煤层底板网格点；提取煤层底板低洼积水区；计算老空水运移方向矩阵；计算汇流累积量；设置阈值提取老空水运移路径并与保护煤柱进行叠合分析，将两者重叠区作为老空水运移富水区；合并预测的运移富水区与预测的低洼积水区作为矿井老空水分布范围；该老空水空间分布预测方法可以低成本、快速直观、高效地对矿井老空水空间赋存分布进行预测，有效弥补了煤矿老空水害空间分布预测预报方法的不足，为老空水害探放及采矿设计提供了科学依据。放及采矿设计提供了科学依据。放及采矿设计提供了科学依据。


技术研发人员：何滔 吴祥业 郑有伟 尚海丽 常建平 马志旺
受保护的技术使用者：内蒙古科技大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/28