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Yun,欣怡王、赵焉耆Haolin Shi,奢靡刘,中国牛, ”定量评价的威胁程度的热储层深的煤矿”,Geofluids, 卷。2020年, 文章的ID8885633, 15 页面, 2020年。 https://doi.org/10.1155/2020/8885633
定量评价的威胁程度的热储层深的煤矿
Yun陈
,1
欣怡王,1,2,3
焉耆赵,1
Haolin史,1
奢靡刘,1
和
中国牛4
1资源与环境学院、河南理工大学、焦作454000年,中国
2协同创新中心的煤层气和页岩气中原经济区的河南省焦作454000年,中国
3国家协同创新中心的煤炭安全生产和简洁高效利用,454000年焦作,中国
4河南省煤炭地质调查和研究所,450052年郑州,中国
文摘
以Suiqi煤田位于华北为对象,在煤层埋藏深度超过1100米,屋顶的水丰富孔隙热储含水层比平均地面温度高得离谱,和水文地质数据相对缺乏,本文选择并确定八个指标因素影响煤田的开采。基于层次分析法(AHP),定义了体重指数的因素,然后,屋顶热储含水层的威胁程度的煤矿是定量评估和除以使用模糊可变集合理论。评价结果表明,屋顶的威胁程度通常是大于东部地区,西部地区,近煤层露头线、威胁程度越高;Qs1水井附近的地区,Qs5, Qs8,这位朋友,Tk5, Zc4, Zc7,接近隐藏的煤层露头线,威胁程度的分类特征值大于3.5,这是在高威胁区灾害引起的煤层开采期间屋顶热储含水层。medium-threat区上方的面积占整个研究区域的71.82%,表明深煤矿是受多种因素影响,屋顶水和热灾害更有可能发生。
1。介绍
在华北煤田和鄂尔多斯盆地南部煤田,可开采的煤层是直接或间接由蓄热器不同粗细的蓄水层和煤层开采业务面临双重顶板突水的严重威胁和地热灾害。例如,煤矿的正常涌水量鄂尔多斯盆地的南缘达到106520米3/ d和水温在700米深度达到41°C,这大大影响煤矿的正常生产。确保安全的地下采矿工程、屋顶热储含水层的威胁程度已经成为一个紧迫的问题,需要解决煤矿生产中通过科学评估。
许多学者进行了一系列的研究工作在煤层顶板灾害的问题。形成的理论和方法主要包括“上三个区”理论(1- - - - - -3),“关键层理论”(4),“三maps-double预测方法”(5),数学综合评价方法(6),数值模拟方法(7]。其中,“上三个区”理论是使用最广泛的,和相应的经验公式计算指导预测,评估和预防煤层顶板突水的(8,9]。近年来,一些学者使用综合的方法来解决实际生产问题。例如,Booth和布鲁尔和吴等人应用MODFLOW软件模拟浅含水层的水文效应的影响下采用长,提出水文参数的变化规律,如水头与矿业时间和空间和推测,开采过程中产生的裂缝引起的含水层的水头下降系统[10,11]。周等人建立了矿井突水的概念模型组成的核心网络,一个地下监测网络,和一个操作系统,地下开挖和突水灾害过程可以通过使用原始地下数据(模拟12]。张等人获得“上三个区”的高度,数值模拟,用它来研究屋顶覆失败(13]。杨和太阳决定水流通过裂隙带的高度通过使用现场测量,数值模拟和经验公式“上三个区”理论能够合理地确定防水安全煤柱的大小(14]。姚明等人使用数值模拟软件模拟水流断裂带的分布特征和屋顶的水的渗流特点workface矿业;此外,分析了顶板含水层的突水风险(15]。基于灰色关联层次分析法,张、杨提出了顶板突水预测模型挖掘浅煤层时,和模型验证了工程实例(16]。吴等人,曾庆红等人研究了水流的高度煤层顶板断裂带和丰富性的富水含水层,然后计算含水层的突水风险根据富含水分分区地图(17,18]。任、吴修订“三图双预测方法”和突水的风险评估领域的高度屈服区由煤矿的海拔低于屋顶蓄水层(19]。雷和郭等人利用神经网络智能预测模型来确定水裂缝带的高度和评估模型的性能通过使用各种性能指标(相关系数、方差等)20.,21]。阮突水等人提出了一个预测模型基于AHP和Dempster-Shafer证据理论和模型的可行性和适用性也验证(22]。
显然,上述研究成果主要集中在顶板水害的预测和预防,而很少有研究水的威胁程度评估风险的叠加效应下地面温度高。此外,现有的方法通常需要改进的预测基于地层岩性顶板突水的可能性和矿业的影响,未能完全反映地质等多种因素的联合效应,水文地质、地热田,采矿失败。因此,开展研究具有重要意义的威胁程度的水热耦合深层煤炭开采条件下的灾难。
本文以Suiqi煤田位于华北煤田区域为对象,根据收集和地热勘探钻孔数据,测量的关键评价指标等因素的地质、水文地质、地热田,和采矿失败。然后,基于分形理论、层次分析法和模糊可变集合理论,构造一个数学模型,热储含水层的影响程度深煤矿是定量评估。结果可以为采矿工程的布局提供技术支持和安全生产热储含水层的掩护下,也可以提供一个参考屋顶水和热灾害的识别在其他在华北煤田矿区。
2。地质和水文地质特征
Suiqi煤田(图1),它包含大约4900公里的一个领域2,位于开封城市的结,商丘市,周口城市中部的华北煤田区域。1100 ~ 2000 m的埋藏深度。21煤层的平均厚度和煤炭储量是5.3和230亿吨,分别。煤炭资源的逐渐枯竭在其他领域,满足经济和社会发展的需要,本煤田的开采煤炭资源将是必要的。
2.1。地质特征
根据钻探资料,地层上覆。21煤层在煤田区域包括山西形成(P1sh)和较低的石河子形成(P1二叠纪的x)系统,新系统(N)和四元体系(Q)。合并后的地质地层中可以看到图的列2。
这个地区的地质构造相对发达(图1),Changsi背斜在北部和南部泰康向斜。故障主要包括Liaocheng-Lankao错,Suixian错,Minquan-Yucheng错,Cuiqiao错,正常的缺点和其他。缺点有巨大的下降和扩展,发生因素如表所示1。这些地质构造破坏煤层在不同程度的发生,导致缺乏含煤地层和煤厚度的变化。
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2.2。水文地质特征
屋顶蓄水层影响的挖掘。21煤层山西组砂岩裂隙含水层的形成和低石河子新第三纪时期的形成和孔隙含水层组。水丰富的砂岩裂隙含水层组在山西形成和综合形成相对较弱,它的开采影响不大。21煤层在没有电源的情况下。
新第三纪含水层组主要由细砂介质具有良好的水丰富,平均单位涌水量的0.73 L / s·m。含水层组直接影响的挖掘。21煤层的隐藏露头区煤层和间接威胁到矿业的没有。21煤层在其他领域通过底层含水层组。
这个地区的地温梯度是3.35到3.81°C / 100 m,平均值为3.58°C / 100 m。围岩的平均温度和地下水的深度1100米可以达到54.56°C。煤炭开采业务将受到异常高地热灾害。
3所示。指数因子选择和体重的决心
3.1。指数因子选择
屋顶热储含水层的威胁程度在Suiqi煤田开采中主要控制的地质、水文地质、地热场;采矿失败;和其他因素(如图3)。
地质因素包括煤层上覆岩层结构,岩石厚度、煤层埋藏深度的屋顶,和故障特征。的屋顶。21煤层在煤田区域是一个脆弱的砂岩和塑料夹层泥岩。越大的砂岩层和一层厚度越大,越容易屋顶将损坏的影响下挖掘。因此,岩石脆性和塑料的厚度比(脆性岩石厚度比塑料岩石厚度)暴露于钻井可以用来描述煤层上覆岩层的结构和厚度。埋藏深度越深的煤层顶板和上覆岩层厚层,屋顶上的压力会越大在挖掘。越复杂煤层断层的屋顶,屋顶失败高度越高,越突水。因此,厚度比的脆性和塑性岩石,煤层埋藏深度的屋顶,选择和故障的复杂性,以反映地质因素的影响。
水文地质因素包括含水层的厚度和高度内的水丰富的“上三个区”屋顶失败。厚度越大,越强水丰富,提供了更多的水,在侵入和越有害。含水层的厚度和水可以获得丰富的钻井和现场抽(注)水试验数据。因为Suiqi煤田的勘探阶段,没有抽(注)水试验进行了。此外,地热井构建在该地区的数量是有限的,它是很难获得单位涌水量,描述含水层的水丰富。没有单位涌水量,钻孔冲洗液消耗量和核心回收率可以用作替代措施(23,24]。冲洗液消耗量越大在钻井施工中,越发达的孔隙和裂缝岩石层和含水层的水丰富越强。
Suiqi煤田的地面温度高得离谱。直接的威胁地面温度场深部煤层开采,围岩温度在煤层顶板的深度是用来表示自己的影响力。Suiqi煤田,基岩砂岩和泥岩组成的分离之间的新第三纪热储含水层组和没有。21煤层开采。差别越大屋顶高度和失败的整个厚度基岩在煤矿,更高的新第三纪热储含水层的影响煤层开采。因此,区别“上三个区”的高度和基岩厚度选择描述采矿失败的影响。
简而言之,是合理和实用的选择以下八个元素指标因素的威胁程度评估热含水层上覆在煤矿操作:脆性和塑性岩石的厚度比,煤层顶深度、故障的复杂性,含水层厚度、钻孔冲洗液消耗量,核心回收率、围岩温度,区别“上三个区”的高度和基岩厚度。
根据水和热灾害特征的煤层顶板(1之间的区别),“上三个区”的高度和基岩厚度和断层的复杂性应该是最重要的八个指标因素之间的水平;含水层厚度、钻孔冲洗液消耗量,核心回收率和围岩温度应该在第二个最重要的影响水平,而煤层顶板的深度和厚度比脆性和塑性岩石已经反映在其他指标在某种程度上,他们应该在第三个影响水平。
3.2。体重指数的因素
指的是现有的结果(25),八个指标因素的权重可以通过层次分析法确定。判断矩阵的八个指标因素的评价体系由表所示2- - - - - -5。
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注:最大的特征值
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,和
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注:最大的特征值
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,和
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注意:最大特点5值
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注:最大的特征值
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,和
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当AHP模型用于确定指标因素权重,只有当它建立一致性指数 和一致性比率 可以判断矩阵和单一顺序的因素是逻辑上一致,计算结果是可信的。显然,本文中的所有水平的结果已经通过了一致性测试,和确定指标因素权重是可信的。结果如表所示6。
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4所示。量化指标的价值因素划分
4.1。故障的复杂性
分形理论可以用来区分故障的复杂性在研究区26]。根据一定规模,研究区成几个街区,街区包含故障计算和编号。为块 ,首先把它根据规模放大 ,和包含故障轨迹计算块段的数量 ;此外,根据规模除以 ,和计算块的数量包含故障轨迹。的拟合直线方程和可以建造的,直线的斜率故障分形维数块 。同样的,其他模块的故障分形维数可以获得。分形维数越大 ,块中包含的更多的故障跟踪和故障的复杂性越高27]。
研究区域分为49块,其中31断块,如图4。根据上述步骤,每一块的分维值可以确定,结果如表所示7。显然,故障分形维数范围是0.7551 ~ 1.5838,平均值为1.2432。的相关系数和每一块都高于0.96,这表明断层分布的分形特征在研究区都是不错的选择。此外,统计自相似性的分形结构是好的,和分维值可以用来代表故障的复杂性。
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28个地质钻孔属于不同的块,表示断层复杂的分形维数如表所示8。
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4.2。区别“上三个区”的高度和基岩厚度
煤层是出土后,顶板覆岩倒闭失败分为区,裂纹区,和弯曲带(称为“上三个地区”)。根据煤柱预订的代码和矿业的压力下建筑物、水体、铁路及主要轴(28](称为“三降低代码”)和代码在矿区水文地质工程地质勘探(29日](称为“矿区代码”),“上三个区”的高度可以通过经验公式计算(表9)。选择最大价值作为评价的基本数据摘要(30.)(见表10)。煤层顶板基岩厚度的可以由钻井勘探结果,和之间的区别“上三个区”的高度和基岩厚度如表所示10。
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注意:上三个地区的高度(米),累计开采厚度(m)(什么时候
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需要1;当
,
2),弯曲区高度为10米,是直接包含在公式。 |
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4.3。指标因素集
索引,如厚度比脆性和塑性岩石,含水层厚度、钻孔冲洗液消耗量,核心回收率,煤层顶深度、围岩温度在屋顶高度“上三个区”的失败,可以获得统计上根据实际勘探钻井所披露的信息。为方便评估、互惠的价值核心的回收率。
根据28 Suiqi煤田地质钻孔,8个指标因素的量化值用来评估热储含水层的威胁程度是列在表中11。
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5。评价的影响程度
5.1。基本公式
让 , , , ,和点模糊域(见图5),间隔 属于区间 ,和点位于区间的中点吗 。
如果时间间隔 和 是用和 ,分别任何样品 。根据模糊理论的变量集,可以计算相对偏差程度如下。
当时间间隔内和左边的点,然后我们有以下:
当时间间隔内和右边的点,然后我们有以下:
当不属于区间 ,然后我们有以下: 在哪里通常是一个指数大于0, 。
在使用公式(1)- (3)获得的相对差异程度 ,下面的公式可以用来计算相对隶属度 :
如果有时间间隔在域级别和示例是由指数因素,综合相对隶属度的样本属于水平可以计算如下: 在哪里是相对加入指标因素;体重指数的因素; ; ; 是优化准则参数( 或 );和是距离参数( 汉明距离和吗 是欧氏距离)。
级别特征值的计算公式的样本如下:
根据特征值的水平 ,样品的水平可以判断。
5.2。水平矩阵结构
针对覆热储含水层位于研究区具有良好的水丰富,受到地面温度高,指的是现有研究成果(31日)的威胁程度上覆煤层的热储含水层是分为五个层次,即。,safe, low threat, medium threat, relatively high threat, and high threat, which are expressed as I, II, III, IV, and V, respectively. The corresponding level characteristic values are shown in Table12。
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某些评价指标因子,间隔 和 对应这五个层次可以确定根据mean-standard偏差方法(32]。的平均值吗和 ,和具体的计算公式如表所示13。
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注意:和是该指数的平均值和标准偏差的因素,分别;当或小于0,它的值是0。 |
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根据表中的分配标准13, , ,和矩阵是由索引的因素和威胁水平,如表所示14- - - - - -16。
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5.3。评价结果
钻孔Qs1,相对差异度和相对隶属度(如表所示17和18可以通过使用公式()1)- (6);然后,综合隶属度和级别特征值(如表所示19和20.)在不同参数和可以进一步计算。计算结果表明,平均水平钻孔Qs1的特征值为3.8603,属于高威胁区根据分类标准表12。根据钻孔Qs1的计算步骤,28个钻孔的级别特征值可以反过来,如表所示21。
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从表可以看出21的比例28水井的高威胁,威胁相对较高水平是57.14%,32.14%的水井在中威胁和低威胁的水平,和10.71%的水井在安全水平。
等高线地图可以基于特征值的平均水平的28个水井,和威胁程度的上覆热储含水层条件下煤矿可以划定根据标准表13,如图6。
整体的威胁程度的屋顶热储含水层如下:威胁程度研究西部地区比东部部分,和威胁程度增加隐藏露头煤层的走向。由于多种因素的影响,特征值的平均水平附近地区的水井Qs1、Qs5 Qs8,这位朋友,Tk5, Zc4, Zc7,接近隐藏的煤层露头线,大于3.5,这是造成的高威胁区屋顶热储含水层。
根据统计结果如图6,它可以看到屋顶的高威胁区热储含水层研究区域的占10.21%,相对高威胁区占33.85%,medium-threat区占27.76%,低度威胁区占19.76%,安全区域占8.42%。显然,medium-threat区上方的区域的比例是71.82%,和屋顶的水和热的可能性发生灾难事故在煤矿开采条件下更大。
5.4。验证评价结果
根据“上三个区”理论的煤层屋顶,当“上三个区”的计算高度大于基岩的厚度,屋顶失败区煤矿操作将达到强的上覆新第三纪热储含水层水丰富和良好的渗透性,这将大大增加屋顶灾难的风险。因此,不同的厚度煤层顶板基岩和“上三个区”的高度(称为“差异”)是一种常见的指数和传统的方法来评估目前屋顶威胁等级。“差异”越小,屋顶威胁程度越大。“差异”是消极的地区属于高威胁地区的屋顶。
“差异”Suiqi煤田如图的轮廓7。显然,“差异”在西部大于东部矿业中没有。21煤层,这表明屋顶灾难威胁更大的是隐藏的露头煤层的走向。此外,屋顶的高威胁区在图7位于高威胁区和相对高威胁区在图吗6的评价结果,表明“差异”的方法,本文中采用的方法基本上是相同的。然而,本文中采用的模糊变量设置方法考虑更多的影响因素,可以获得更精确的评估结果。
6。结论
(1)基于多个影响因素的分析煤矿,八个因素选为威胁评估的指标因素,包括厚度比脆性和塑性岩石,煤层顶深度、故障的复杂性,含水层厚度、钻孔冲洗液消耗量,核心回收率、围岩温度,和之间的区别“上三个区”的高度和基岩厚度,提供全面、准确的保证识别煤层水和热灾害的屋顶(2)威胁程度评估的数学模型建立了耦合AHP和模糊可变集合理论。基于权重和量化值的八个指标因素,热储含水层的威胁程度深煤矿操作被确认和威胁程度划分,为预防和控制奠定了基础的水和上覆地层的热灾害和安全开采(3)的定量评价热储含水层的威胁程度表明,西部地区的风险小于在东部地区,而越近,是煤层露头线,风险越大;附近地区的水井Qs1、Qs5 Qs8,这位朋友,Tk5, Zc4, Zc7,接近隐藏的煤层露头线,威胁程度的分类特征值大于3.5,属于高威胁区造成的屋顶热储含水层。在这些地区,屋顶的水和热灾害容易发生在煤矿(4)根据蓄热器的威胁程度的煤层顶板含水层,比较传统的评估结果“上三个区”理论(以区别基岩的厚度和高度的“上三个区”作为参数)与现代数学方法(AHP耦合和可变模糊集理论),它可以获得这两种方法的评价结果基本相同,但后者的评价结果更精确(5)对整个研究区,高威胁区占10.21%,相对高威胁区占33.85%,medium-threat区占27.76%,低度威胁区占19.76%,安全区域占8.42%。medium-threat区上方的区域占71.82%,其中包括更大可能性的屋顶水和热灾害发生期间没有开采。21煤层
数据可用性
所有数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号41672240和41672240),创新河南省科学家和技术人员队伍建设项目(批准号CXTD2016053),河南理工大学的基础研究基金(NSFRF200103)。
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