一种基于浅表水系统稳定性约束的矿井布局方法技术方案

本发明专利技术属于煤矿开采设计领域，具体涉及一种基于浅表水系统稳定性约束的矿井布局方法。包括以下步骤：S100：确定浅表含水层扰动指标E

【技术实现步骤摘要】
一种基于浅表水系统稳定性约束的矿井布局方法


[0001]本专利技术属于煤矿开采设计领域，具体涉及一种基于浅表水系统稳定性约束的矿井布局方法。

技术介绍

[0002]现有的充填开采、短壁开采及采充并行等保水开采方法，存在效率低、成本高、效益差等问题，矿区大规模多开采空间的长时累加效应又加剧对浅表水的影响。因此，寻求煤炭科学开采规模与水资源承载力之间最优解是西北煤炭基地水资源保护性开采面临的重大难题。
[0003]近年来，专家学者围绕“保水采煤”这一主题，开展了多角度、多维度保水采煤理论与技术方面的研究工作。但研究成果主要集中在单一工作面采动过程，而浅表水系统是具有统一水力联系、统一地下水循环规律的含水地质体，仅从单工作面尺度来研究采动对浅表水的影响是不全面的，理应从矿区视角探析煤炭开采强度与水资源承载力的协调关系。为了避免重走先开发后保护、先污染后治理的老路，迫切需要对矿区进行采前合理布局，采中合理调控，力求将煤炭资源开发对浅表水系统的负面影响降到最低，实现煤炭资源开采与水资源保护的协调发展。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了现有矿区规划中存在的问题，提供一种基于浅表水系统稳定性约束的矿井布局方法。
[0005]本专利技术采取以下技术方案：一种基于浅表水系统稳定性约束的矿井布局方法，包括以下步骤：S100：结合煤层开采后上覆浅表含水层的水位变化，确定浅表含水层扰动指标E
r
；S200：根据区水文地质资料，选定矿区范围、矿井范围以及拟采矿井数量；S300：计算出拟采矿井不同开采高度条件下覆岩等效渗透系数；S400：建立单矿井开采含补给入渗浅表水渗漏模型；S500：对拟采矿井采用0
‑
1数学规划方法，新建矿井设定为1，不进行新建矿井设定为0；S600：在确定开采矿井后，确定矿井的开采规模，矿井规模是反应生成能力的基本指标，矿井的开采规模设定为1、2、
…
M；S700：分析多个矿井开采条件下浅表水响应特征，建立多个矿井开采条件下浅表水扰动定量评价模型，根据多个矿井开采条件下浅表水扰动定量评价模型累加得到矿井开采下浅表水系统的扰动程度量化指标；S800：根据S100中的含水层扰动指标E
r
和S700中的多个矿井开采条件下浅表水扰动定量评价模型，实现基于浅表水系统稳定的矿区规划，给出浅表含水层扰动指标约束下的最优开采方案，即最大产能。
[0006]步骤S100中，浅表含水层扰动指标为E
r
，式中：H为原始水位埋深，
△
H为采掘扰动后的水位降深，L为含水层厚度。
[0007]步骤S300包括，S301：通过岩石试样的三轴渗流试验，建立岩石渗透率K
r
‑
损伤、土层渗透率K
s
‑
损伤的关系方程；S302：采用数值模拟方法，说明采动覆岩残余岩石损伤值D
r
与残余土层损伤值D
s
演变规律；D
r
=0.008947288940115+206.356959841208*exp(
‑
0.5*((H
r
*cos(0.0611662226596795)+H
c
*sin(0.0611662226596795)
‑
5178.39169459232*cos(0.0611662226596795)
‑
322.101883501657*sin(0.0611662226596795))/1593.22687465674)^2
‑
0.5*((
‑
H
r
*sin(0.0611662226596795)+H
c
*cos(0.0611662226596795)+5178.39169459232*sin(0.0611662226596795)
‑
322.101883501657*cos(0.0611662226596795))/7.70147431943825)^2)式中，H
c
:开采高度，H
r
：岩石层中间层层位高度；D
s
=
‑
3.34630328719303e
‑
5+603.520006742591*exp(
‑
0.5*((H
s
*cos(
‑
18.776007513983)+H
c
*sin(
‑
18.776007513983)
‑
3509.440648628*cos(
‑
18.776007513983)
‑
264.15168154946*sin(
‑
18.776007513983))/984.283914614401)^2
‑
0.5*((
‑
H
s
*sin(
‑
18.776007513983)+H
c
*cos(
‑
18.776007513983)+3509.440648628*sin(
‑
18.776007513983)
‑
264.15168154946*cos(
‑
18.776007513983))/
‑
8.6280080422184)^2)；式中，H
c
:开采高度，H
s
：土层中间层层位高度。
[0008]S303：将S302步骤中的采动覆岩残余岩石损伤值D
r
与残余土层损伤值D
s
，带入到S301步骤中岩石渗透率K
r
‑
损伤、土层渗透率Ks
‑
损伤的关系方程，进而得到残余基岩渗透系数Kr与残余土层渗透系数Ks表征方法。
[0009]S304：给出拟采矿井不同开采高度条件下覆岩等效渗透系数，
式中，残余基岩与残余土层的总厚度为H
z
，总等效渗透率为K
e
，其中单个地层的厚度为H
i
，该层的等效渗透系数为K
ei
，残余基岩渗透系数为K
r
，残余基岩的厚度为H
r
；残余土层渗透系数为K
s
，残余土层的厚度为H
s
。
[0010]步骤S400中，单矿井开采含补给入渗浅表水渗漏模型为：a=0.457294330561178；b=25.9532271913645；c=
‑
70.8004969865701；d=35.1937426460841；e=58.7851023452796；f=2.43358318433559e
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于浅表水系统稳定性约束的矿井布局方法，其特征在于：包括以下步骤，S100：结合煤层开采后上覆浅表含水层的水位变化，确定浅表含水层扰动指标E
r
；S200：根据区水文地质资料，选定矿区范围、矿井范围以及拟采矿井数量；S300：计算出拟采矿井不同开采高度条件下覆岩等效渗透系数K
e
；S400：建立单矿井开采含补给入渗浅表水渗漏模型，根据渗漏模型计算得到单矿井不同开采规模下的水位降深
△
H；S500：对拟采矿井采用0
‑
1数学规划方法，新建矿井设定为1，不进行新建矿井设定为0；S600：在确定开采矿井后，确定矿井的开采规模，矿井规模是反应生成能力的基本指标，矿井的开采规模设定为1、2、
…
M，将矿井开采方案与开采规模相结合构建元胞数组；S700：分析多个矿井开采条件下浅表水响应特征，建立多个矿井开采条件下浅表水扰动定量评价模型，根据多个矿井开采条件下浅表水扰动定量评价模型累加得到矿井开采下浅表水系统的扰动程度量化指标；S800：根据S100中的含水层扰动指标E
r
和S700中的多个矿井开采条件下浅表水扰动定量评价模型，实现基于浅表水系统稳定的矿区规划，给出浅表含水层扰动指标约束下的最优开采方案，即最大产能。2.根据权利要求1所述的基于浅表水系统稳定性约束的矿井布局方法，其特征在于：所述的步骤S100中，浅表含水层扰动指标为E
r
，式中：H为原始水位埋深，
△
H为采掘扰动后的水位降深，L为含水层厚度。3.根据权利要求1所述的基于浅表水系统稳定性约束的矿井布局方法，其特征在于：所述的步骤S300包括，S301：通过岩石试样的三轴渗流试验，建立岩石渗透率K
r
‑
损伤、土层渗透率K
s
‑
损伤的关系方程；S302：采用数值模拟方法，说明采动覆岩残余岩石损伤值D
r
与残余土层损伤值D
s
演变规律；D
r
=0.008947288940115+206.356959841208*exp(
‑
0.5*((H
r
*cos(0.0611662226596795)+H
c
*sin(0.0611662226596795)
‑
5178.39169459232*cos(0.0611662226596795)
‑
322.101883501657*sin(0.0611662226596795))/1593.22687465674)^2
‑
0.5*((
‑
H
r
*sin(0.0611662226596795)+H
c
*cos(0.0611662226596795)+5178.39169459232*sin(0.0611662226596795)
‑
322.101883501657*cos(0.0611662226596795))/7.70147431943825)^2)
式中，H
c
:开采高度，H
r
：岩石层中间层层位高度；D
s
=
‑
3.34630328719303e
‑
5+603.520006742591*exp(
‑
0.5*((H
s
*cos(
‑
18.776007513983)+H
c
*sin(
‑
18.776007513983)
‑
3509.440648628*cos(
‑
18.776007513983)
‑
264.15168154946*sin(
‑
18.776007513983))/984.283914614401)^2
‑
0.5*((
‑
H
s
*sin(
‑
18.776007513983)+H
c
*cos(
‑
18.776007513983)+3509.440648628*sin(
‑
18.776007513983)
‑
264.15168154946*cos(
‑
18.776007513983))/
‑
8.6280080422184)^2)；式中，H
c
:开采高度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帅，张东升，冯国瑞，朱成，范钢伟，范张磊，梁帅帅，蔚蔚，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：