太阳城集团

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一种煤层底板高承压水井下单孔疏降优化方法.pdf

摘要
申请专利号:

CN201510354956.6

申请日:

2015.06.24

公开号:

太阳城集团CN105046060A

公开日:

2015.11.11

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 19/00申请日:20150624|||公开
IPC分类号: G06F19/00(2011.01)I 主分类号: G06F19/00
申请人: 中国矿业大学
发明人: 孟磊; 冯启言; 丁恩杰
地址: 221116江苏省徐州市大学路1号中国矿业大学科研院
优先权:
专利代理机构: 南京经纬专利商标代理有限公司32200 代理人: 唐惠芬
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510354956.6

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2018.05.08|||2015.12.09|||2015.11.11

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团一种煤层底板高承压水井下单孔疏降优化方法,适用于采矿中通过单个钻孔对煤层底板高承压含水层水进行疏排。包括将疏排钻孔候选位置所在巷道概化为直线段,最佳疏排钻孔位置是直线段内满足各控制点达到安全水位降深时所需最大疏排流量达到最小的点,当待疏降含水层为均质各向同性含水层时,该点为巷道直线段上距离各控制点最远距离达到最小的点,当待疏降含水层为均质各向异性时,该点为巷道直线段上使各控制点所需疏排流量最大值达到最小的点,通过遗传算法求解得到钻孔最佳位置精确坐标与最佳疏排流量。该方法对煤层底板高承压水单孔疏降工程进行优化,在达到安全采掘前提下,最大限度保护地下水资源,实现安全、经济与环保的最佳平衡。

权利要求书

1.一种煤层底板高承压水井下单孔疏降优化方法,其特征在于步骤如下:
a.收集开采区的地质、水文、勘探太阳城集团,根据收集到的太阳城集团对待疏降区水文地质条件进
行概化,即将含水层实际的边界特征、内部结构、渗透性能、水力特征和补径条件进行简化;
根据现有公知的不同地理位置钻孔抽水试验得到的渗透系数,比较被测区域的待疏降含水层
在待疏降区内不同点位同方向上的渗透系数值是否存在显著差异,如果不同点位同方向上的
渗透系数值相差较小则将待疏降含水层概化为均质含水层,相差较大则概化为非均质含水层,
比较待疏降含水层在待疏降区内任一点在不同方向上渗透系数值是否存在显著差异,如果相
差较小则将待疏降含水层概化为各向同性含水层,相差较大则概化为各向异性含水层;
b.当待被测区域的疏降含水层被概化为均质含水层时,以覆盖待掘巷道或开采工作面范
围边界作为疏降边界,在疏降边界内选择巷道或工作面端头点为水位控制点;
计算水位控制点安全水位降深:
利用斯列萨列夫公式:计算掘进巷道的水位控制点处底板承受的安
全水压psafe,单位MPa,式中:t为隔水层厚度,单位m,L为巷道宽度,单位m,γ为底板隔
水层的平均重度,单位MN/m3;Kp为底板隔水层的平均抗拉强度,单位MPa;
利用突水系数公式:psafe=TsMt,计算开采工作面的水位控制点处底板承受的安全水压
psafe,单位MPa,式中:Mt为底板隔水层厚度,单位m,Ts为临界突水系数,Ts值根据《煤
矿防治水规定》中,底板受构造破坏块段为0.06MPa/m,正常块段为0.1MPa/m;
收集各水位控制点煤层底板标高Hf=[Hf1,...,Hfi,...Hfn]与疏降前的水位标高
Ho=[Ho1,...,Hoi,...Hon],单位m,利用公式Hsafe=psafe×100+Hf,将安全水压转换为安全水
位Hsafe=[Hs1,...,Hsi,...Hsn],再利用公式Ssafe=Ho-Hsafe,得到各水位控制点处的安全水位降
深Ssafe=[Ss1,...,Ssi,...,Ssn],式中Ssi为第i个控制点的安全水位降深;
c.构建疏排钻孔候选位置:将钻孔候选位置所在的巷道抽象为一条由钻孔候选位置坐标
点构成的直线段,利用直线段上任意两点x和y通过公式:y=ax+b得到疏排钻孔候选位置
的直线方程,标注出直线段的x点所在的坐标范围xp1≤x≤xp2,式中:a为直线斜率,b为
直线截距,[xp1,xp2]为直线段坐标范围;
d.均质各项同性含水层井下单孔疏排优化:
优化钻孔位置:当被测区域在步骤a中待疏降含水层概化为均质各向同性含水层时,以
被测区域巷道抽象成的直线段y=ax+b上的点与巷道中各水位控制点最远距离最小为目标
函数,建立如下优化模型:
mindm=max(di)
s.t.di=(xp-xi)2+(yp-yi)2
yp=axp+b
xp1≤xp≤xp2
i=1,2,3,..n
式中,(xp,yp)为疏排钻孔坐标,(xi,yi)为第i个水位控制点坐标,di为疏排钻孔与控制
点间的距离,利用遗传算法在直线段坐标范围内求解上述优化模型,得到与各水压/水位控制
点最远距离最小的疏排钻孔坐标,即最佳疏排钻孔坐标(xbest,ybest);
优化钻孔疏排流量:当疏排钻孔未完全穿透整个含水层厚度,即钻孔为非完整井,且水
位控制点与疏降钻孔中心的直线距离为时,采用公式:
S ( r , z , t ) = Q 4 πT r r W ( u r ) + δ s ]]>
δ s ( r , z , t ) = Q 4 πT r r ζ ]]>
ζ ( l M , d M , r M , z M ) = 4 M π ( l - d ) Σ n = 1 1 n 2 [ s i n ( n π l M ) - s i n ( n π d M ) ] c o s ( n π z M ) K 0 ( n π r M ) ]]>
u r = r 2 μ e 4 K r r M t ]]>
W ( u r ) = u e - y y d y , ]]>
优化钻孔疏排流量;
当钻孔完全穿透整个地下含水层,即为完整井,或者钻孔为非完整井且时,
采用公式:
S ( r , t ) = Q 4 πK r r M W ( u r ) , ]]>优化钻孔疏排流量;
式中:Q为钻孔疏排流量/涌水量,Krr为疏降剖面水平方向渗透系数;Kzz为垂直方向
渗透系数;M为含水层厚度;μe为弹性释水系数;W(ur)为Theis井函数;ζ为非完整性
附加阻力系数;r为疏降钻孔至控制点的直线距离;d为含水层顶板到疏降钻孔过滤器顶部
的距离;l为含水层顶板到疏降钻孔过滤器底部的距离;z为含水层顶板到水位观测孔底部即
开口位置之间的距离;
在(xbest,ybest)处布设疏排钻孔,计算降深为巷道或工作面疏降前含水层水位高度与煤层底
板标高之差(记为Smax)条件下钻孔排水流量(记为Qmax),该流量是优化中的最大值约束
条件,即钻孔疏排流量上限值,具体是将S(r,t)=Smax,r=rw,z=0.7l,d=0代入公式
其中rw为疏排钻孔半径计算得到Qmax;之后依次将各水位控制点代
入上式计算得到达到安全水位降深Ssafe所需的疏排流量Qp=[Qp1,...,Qpi,...Qpn],Qpi为水位控
制点i达到安全水位降深Ssi时对应的钻孔疏排流量,将Qp中的最大值(max(Qp))与Qmax比
较,如果max(Qp)≤Qmax,则钻孔最优疏排流量Qbest=max(Qp),优化成功;否则,单个钻孔
疏降不能实现安全掘进和回采的目标,优化步骤结束;
e.均质各向异性含水层情况下的疏排优化:
当步骤a中待疏降含水层概化为均质各向异性含水层时,原始工程布置地图坐标轴方向
与含水层渗透系数主方向会出现不一致现象,旋转地图使坐标轴方向与渗透系数主方向一致,
根据旋转坐标轴角度和方向更新各水位控制点坐标,重复步骤c得到旋转后的坐标系下巷道
直线方程y=ax+b及其坐标范围,以最小化各控制点达到安全水位降深Ssafe所需最大疏排流
量为目标函数,建立优化模型:
当疏排钻孔为非完整井的情况,模型形式如下:
minQpm=max(Qpi)
s . t . S i ( r i , z , t ) = Q p i 4 πK θ i M W ( u r ) + δ s ]]> r i 1.5 M K θ i K z z ]]>
S i ( r i , z , t ) = Q p i 4 πK θ i M W ( u r ) ]]> r i 1.5 M K θ i K z z ]]>
K θ i = K x x K y y K x x sin 2 θ i + K y y cos 2 θ i ]]>
r i = ( x i - x p ) 2 + ( y i - y p ) 2 ]]>
yp=axp+b
θ i = a r c t a n ( y p - y i x p - x i ) ]]>
Si≥Ssi
xp1≤xp≤xp2
0<Qpi≤Qmax
i=1,2,3...,n;
当疏排钻孔为完整井的情况,模型形式如下:
minQpm=max(Qpi)
s . t . S i ( r i , z , t ) = Q p i 4 πK θ i M W ( u r ) ]]>
K θ i = K x x K y y K x x sin 2 θ i + K y y cos 2 θ i ]]>
r i = ( x i - x p ) 2 + ( y i - y p ) 2 ]]>
yp=axp+b,
θ i = a r c t a n ( y p - y i x p - x i ) ]]>
Si≥Ssi
xp1≤xp≤xp2
0<Qpi≤Qmax
i=1,2,3...,n
式中:Kxx为待疏降含水层x方向主渗透系数,Kyy为y方向主渗透系数,Kzz为z方向
主渗透系数,二者方向相互垂直,θi为疏排钻孔与控制点i连线与x主渗透方向之间的夹角,
Kθi为疏排钻孔与控制点i连线方向的渗透系数,Qpi为控制点i达到安全水位降深Ssi所需钻
孔疏排流量,Qmax为钻孔最大疏排流量,Qmax计算采用步骤d中的公式;
采用遗传算法求解上述优化模型,当存在满足约束条件的最优解,则优化成功,将得到
的孔位坐标旋转至原始坐标系下,得到最佳孔位坐标(xbest,ybest)和疏排流量Qbest,如果不存在
最优解,则单个钻孔疏排不能实现安全掘进和回采的目标,优化结束。

说明书

一种煤层底板高承压水井下单孔疏降优化方法

技术领域

本发明涉及一种疏降优化方法,尤其适用于通过单个钻孔对煤层底板高承压含水层水进
行疏排的煤层底板高承压水井下单孔疏降优化方法。

背景技术

煤炭资源开采过程中,由于煤层底板下伏含水层水头压力大,在采动条件下高承压水极
易突入矿井诱发突水灾害,随着开采深度的逐渐增大,煤层底板所承受的水压越来越大,突
水危险越来越高。疏水降压是预防矿井底板突水的主要措施之一,通过钻孔或其它排水设施
对威胁矿井安全生产的主要充水含水层中的水在人工受控的条件下进行疏排,将水位降至预
先设计的安全标高之下,降低或消除在巷道开拓和工作面回采过程中发生突水的风险。但是,
地下水本身还是人类赖以生存和发展的重要水资源,仅为了安全采出煤炭资源而不加限制地
疏排地下水,将严重破坏地下水资源,并且增加了煤矿生产成本,给煤矿区的可持续发展带
来严重问题。因此,在满足安全生产条件下,最大程度减少排水总量,实现安全、经济和环
境效益之间的最佳平衡,是开展煤层底板高承压水疏降工程优化的根本出发点。

根据疏排设施布置,矿井疏水降压工程分为地面、井下以及地面和井下联合疏降3种类
型,根据疏排设施不同,分为群孔、单孔、泄水巷等类型。地面疏降适用于待疏降含水层埋
深较浅的情况,群孔疏降适用于地面空间约束较少的条件。然而,煤层底板高承压水疏降工
程中,由于含水层埋藏较深,地面施工疏排钻孔难度大、成本高、工期长,井下巷道与含水
层垂向距离较近,井下疏降更加容易,并且在底板隔水层较厚、阻水性能较好、水压不太高
的区域,采用单个钻孔疏排可满足疏降目标。在此条件下,施工单个钻孔成本低、工期短、
难度低,更适用于煤层底板高承压水疏降。因此,煤层底板高承压水井下单孔疏降具有较广
的现实应用需求。

煤矿井下底板高程压水单孔疏降工程优化包括疏排钻孔位置和单位太阳城集团疏排水量(疏排
流量)优化。疏排钻孔最佳位置和疏排流量通常作为优化模型中的决策变量和目标函数,即
满足水位降深等约束条件下,达到疏排流量最小目标的最佳位置。优化模型构建方法包括嵌
入法和响应矩阵法。嵌入法是将地下水系统模拟模型直接作为数学规划的等式约束条件,联
立其它条件,使地下水模拟与优化一步完成的地下水优化模型构建方法。响应矩阵法是基于
线性系统叠加原理,各源汇单独作用的代数和等于各源或汇同时作用的效果,首先建立抽水
量与水位降深之间的单位脉冲响应函数,并形成其集合即响应矩阵,再作为数学规划中的水
均衡约束条件来建立优化模型。优化模型求解方法包括单纯形法、遗传算法、模拟退火算法、
禁忌搜索算法等。遗传算法是模拟达尔文遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型,
是一种直接的全局优化搜索算法,对优化问题没有连续性和可导性限制,简单易用,鲁棒性
强,不要求地下水系统必须是线性的,适合求解复杂的地下水管理问题。

与地面疏排条件不同井下疏水降压工程中,钻孔候选位置约束在巷道空间内,目前的优
化模型均是预先指定若干离散位置构成候选孔位集合,通过优化模型计算得出各候选孔位疏
降水量,其中非零的候选井位即是最终井位,也有的采用0-1整数规划法,以取值为0和1
的整数型变量作为决策变量,计算结果中0表示该位置点不是最优井位,1表示该位置点为
最优井位。该方法实质是将巷道空间离散为若干个点,在离散点集合中搜索最佳井位,而巷
道本身是个连续空间,传统的模型本质上是一种近似优化,尤其是在单孔疏降工程优化中,
钻孔最佳位置的精确坐标直接关系到总疏排水量的大小,离散点集搜索得到的解劣于连续模
型得到的最优解的可能性很大,使总排水量仍然较高,达不到真正优化目的,目前,还尚未
有在巷道受限连续空间搜索的优化方法和模型。

发明内容

针对上述技术的不足之处,提供一种方法简单,处理成本低,针对井下疏排钻孔布设受
巷道空间限制,在底板隔水层较厚、阻水性能较好、水压不太高的区域,采用单个钻孔疏排
可达到疏降目标,待疏降含水层可概化为均质含水层条件下的煤层底板高承压水井下单孔疏
降优化方法。

为实现上述技术目的,本发明所述的煤层底板高承压水井下单孔疏水降压优化方法,包
括以下步骤:

a.收集开采区的地质、水文、勘探太阳城集团,根据收集到的太阳城集团对待疏降区水文地质条件进
行概化,即将含水层实际的边界特征、内部结构、渗透性能、水力特征和补径条件进行简化;
根据现有公知的不同地理位置钻孔抽水试验得到的渗透系数,比较被测区域的待疏降含水层
在待疏降区内不同点位同方向上的渗透系数值是否存在显著差异,如果不同点位同方向上的
渗透系数值相差较小则将待疏降含水层概化为均质含水层,相差较大则概化为非均质含水层,
比较待疏降含水层在待疏降区内任一点在不同方向上渗透系数值是否存在显著差异,如果相
差较小则将待疏降含水层概化为各向同性含水层,相差较大则概化为各向异性含水层;

b.当待被测区域的疏降含水层被概化为均质含水层时,以覆盖待掘巷道或开采工作面范
围边界作为疏降边界,在疏降边界内选择巷道或工作面端头点为水位控制点;

计算水位控制点安全水位降深:

利用斯列萨列夫公式:计算掘进巷道的水位控制点处底板承受的安
全水压psafe,单位MPa,式中:t为隔水层厚度,单位m,L为巷道宽度,单位m,γ为底板隔
水层的平均重度,单位MN/m3;Kp为底板隔水层的平均抗拉强度,单位MPa;

利用突水系数公式:psafe=TsMt,计算开采工作面的水位控制点处底板承受的安全水压
psafe,单位MPa,式中:Mt为底板隔水层厚度,单位m,Ts为临界突水系数,Ts值根据《煤
矿防治水规定》中,底板受构造破坏块段为0.06MPa/m,正常块段为0.1MPa/m;

收集各水位控制点煤层底板标高Hf=[Hf1,...,Hfi,...Hfn]与疏降前的水位标高
Ho=[Ho1,...,Hoi,...Hon],单位m,利用公式Hsafe=psafe×100+Hf,将安全水压转换为安全水
位Hsafe=[Hs1,...,Hsi,...Hsn],再利用公式Ssafe=Ho-Hsafe,得到各水位控制点处的安全水位降
深Ssafe=[Ss1,...,Ssi,...,Ssn],式中Ssi为第i个控制点的安全水位降深;

c.构建疏排钻孔候选位置:将钻孔候选位置所在的巷道抽象为一条由钻孔候选位置坐标
点构成的直线段,利用直线段上任意两点x和y通过公式:y=ax+b得到疏排钻孔候选位置
的直线方程,标注出直线段的x点所在的坐标范围xp1≤x≤xp2,式中:a为直线斜率,b为
直线截距,[xp1,xp2]为直线段坐标范围;

d.均质各项同性含水层井下单孔疏排优化:

优化钻孔位置:当被测区域在步骤a中待疏降含水层概化为均质各向同性含水层时,以
被测区域巷道抽象成的直线段y=ax+b上的点与巷道中各水位控制点最远距离最小为目标
函数,建立如下优化模型:

mindm=max(di)

s.t.di=(xp-xi)2+(yp-yi)2

yp=axp+b

xp1≤xp≤xp2

i=1,2,3,..n

式中,(xp,yp)为疏排钻孔坐标,(xi,yi)为第i个水位控制点坐标,di为疏排钻孔与控制
点间的距离,利用遗传算法在直线段坐标范围内求解上述优化模型,得到与各水压/水位控制
点最远距离最小的疏排钻孔坐标,即最佳疏排钻孔坐标(xbest,ybest);

优化钻孔疏排流量:当疏排钻孔未完全穿透整个含水层厚度,即钻孔为非完整井,且水
位控制点与疏降钻孔中心的直线距离为时,采用公式:

S ( r , z , t ) = Q 4 πT r r W ( u r ) + δ s ]]>

δ s ( r , z , t ) = Q 4 πT r r ζ ]]>

ζ ( l M , d M , r M , z M ) = 4 M π ( l - d ) Σ n = 1 1 n 2 [ s i n ( n π l M ) - s i n ( n π d M ) ] c o s ( n π z M ) K 0 ( n π r M ) ]]>

u r = r 2 μ e 4 K r r M t ]]>

W ( u r ) = u e - y y d y , ]]>

优化钻孔疏排流量;

当钻孔完全穿透整个地下含水层,即为完整井,或者钻孔为非完整井且时,
采用公式:

S ( r , t ) = Q 4 πK r r M W ( u r ) , ]]>优化钻孔疏排流量;

式中:Q为钻孔疏排流量/涌水量,Krr为疏降剖面水平方向渗透系数;Kzz为垂直方向
渗透系数;M为含水层厚度;μe为弹性释水系数;W(ur)为Theis井函数;ζ为非完整性
附加阻力系数;r为疏降钻孔至控制点的直线距离;d为含水层顶板到疏降钻孔过滤器顶部
的距离;l为含水层顶板到疏降钻孔过滤器底部的距离;z为含水层顶板到水位观测孔底部即
开口位置之间的距离;

在(xbest,ybest)处布设疏排钻孔,计算降深为巷道或工作面疏降前含水层水位高度与煤层底
板标高之差(记为Smax)条件下钻孔排水流量(记为Qmax),该流量是优化中的最大值约束条
件,即钻孔疏排流量上限值,具体是将S(r,t)=Smax,r=rw,z=0.7l,d=0代入公式
其中rw为疏排钻孔半径计算得到Qmax;之后依次将各水位控制点代
入上式计算得到达到安全水位降深Ssafe所需的疏排流量Qp=[Qp1,...,Qpi,...Qpn],Qpi为水位控
制点i达到安全水位降深Ssi时对应的钻孔疏排流量,将Qp中的最大值(max(Qp))与Qmax比
较,如果max(Qp)≤Qmax,则钻孔最优疏排流量Qbest=max(Qp),优化成功;否则,单个钻孔
疏降不能实现安全掘进和回采的目标,优化步骤结束;

e.均质各向异性含水层情况下的疏排优化:

当步骤a中待疏降含水层概化为均质各向异性含水层时,原始工程布置地图坐标轴方向
与含水层渗透系数主方向会出现不一致现象,旋转地图使坐标轴方向与渗透系数主方向一致,
根据旋转坐标轴角度和方向更新各水位控制点坐标,重复步骤c得到旋转后的坐标系下巷道
直线方程y=ax+b及其坐标范围,以最小化各控制点达到安全水位降深Ssafe所需最大疏排流
量为目标函数,建立优化模型:

当疏排钻孔为非完整井的情况,模型形式如下:

minQpm=max(Qpi)

s . t . S i ( r i , z , t ) = Q p i 4 πK θ i M W ( u r ) + δ s r i 1.5 M K θ i K z z ]]>

S i ( r i , z , t ) = Q p i 4 πK θ i M W ( u r ) r i > 1.5 M K θ i K z z ]]>

K θ i = K x x K y y K x x sin 2 θ i + K y y cos 2 θ i ]]>

r i = ( x i - x p ) 2 + ( y i - y p ) 2 ]]>

yp=axp+b

θ i = a r c t a n ( y p - y i x p - x i ) ]]>

Si≥Ssi

xp1≤xp≤xp2

0<Qpi≤Qmax

i=1,2,3...,n


当疏排钻孔为完整井的情况,模型形式如下:

minQpm=max(Qpi)

s . t . S i ( r i , z , t ) = Q p i 4 πK θ i M W ( u r ) ]]>

K θ i = K x x K y y K x x sin 2 θ i + K y y cos 2 θ i ]]>

r i = ( x i - x p ) 2 + ( y i - y p ) 2 ]]>

yp=axp+b,

θ i = a r c t a n ( y p - y i x p - x i ) ]]>

Si≥Ssi

xp1≤xp≤xp2

0<Qpi≤Qmax

i=1,2,3...,n

式中:Kxx为待疏降含水层x方向主渗透系数,Kyy为y方向主渗透系数,Kzz为z方向
主渗透系数,二者方向相互垂直,θi为疏排钻孔与控制点i连线与x主渗透方向之间的夹角,
Kθi为疏排钻孔与控制点i连线方向的渗透系数,Qpi为控制点i达到安全水位降深Ssi所需钻
孔疏排流量,Qmax为钻孔最大疏排流量,Qmax计算采用步骤d中的公式;

采用遗传算法求解上述优化模型,当存在满足约束条件的最优解,则优化成功,将得到
的孔位坐标旋转至原始坐标系下,得到最佳孔位坐标(xbest,ybest)和疏排流量Qbest,,如果不存
在最优解,则单个钻孔疏排不能实现安全掘进和回采的目标,优化结束。

有益效果:本发明的方法通过在连续线性空间中搜索,可直接计算疏排钻孔最佳坐标数
值,下钻位置精确度高,利用本发明构建的优化模型最优解的搜索空间广,最终得到的疏排
水总量比传统模型少,能够在达到疏降效果的条件下最大程度地减少地下水排放量,减少煤
矿企业缴纳的排水费用,降低水处理成本,提高企业经济效益,最大限度降低对周边及下游
地区生产、生活和生态用水的影响从而达到安全、经济与环境保护的最佳平衡点。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图:

图2为本发明使用的的均质各向异性含水层渗透系数椭圆图;

图3为本发明的工程实例底板承压水疏降工程布置图;

图4为本发明的工程实例均质各向同性条件下单孔疏降优化模型遗传算法搜索图;

图5为本发明的工程实例均质各向异性条件下单孔疏降优化模型遗传算法搜索图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的说明:

如图1所示,本发明的煤层底板高承压水井下单孔疏降优化方法,包括如下步骤:

a.资料收集与含水层概化:

收集开采区的地质、水文、勘探太阳城集团,根据收集到的太阳城集团对待疏降区水文地质条件进行
概化,即将含水层实际的边界特征、内部结构、渗透性能、水力特征和补径条件进行简化或
抽象;根据现有公知的不同地理位置钻孔抽水试验得到的渗透系数,比较被测区域的待疏降
含水层在待疏降区内不同点位同方向上的渗透系数值是否存在显著差异,如果不同点位同方
向上的渗透系数值相差较小则将待疏降含水层概化为均质含水层,相差较大则概化为非均质
含水层,比较待疏降含水层在待疏降区内任一点在不同方向上渗透系数值是否存在显著差异,
如果相差较小则将待疏降含水层概化为各向同性含水层,相差较大则概化为各向异性含水层;

b.选取水位控制点:

当待被测区域的疏降含水层被概化为均质含水层时,以覆盖待掘巷道或开采工作面范围
边界作为疏降边界,在疏降边界内选择巷道或工作面端头点为水位控制点;

计算水位控制点安全水位降深:

利用斯列萨列夫公式:计算掘进巷道的水位控制点处底板承受的安
全水压psafe,单位MPa,式中:t为隔水层厚度,单位m,L为巷道宽度,单位m,γ为底板隔
水层的平均重度,单位MN/m3;Kp为底板隔水层的平均抗拉强度,单位MPa;

利用突水系数公式:psafe=TsMt,计算开采工作面的水位控制点处底板承受的安全水压
psafe,单位MPa,式中:Mt为底板隔水层厚度,单位m,Ts为临界突水系数,Ts值根据《煤
矿防治水规定》中,底板受构造破坏块段为0.06MPa/m,正常块段为0.1MPa/m;

收集各水位控制点煤层底板标高Hf=[Hf1,...,Hfi,...Hfn]与疏降前的水位标高
Ho=[Ho1,...,Hoi,...Hon],单位m,利用公式Hsafe=psafe×100+Hf,将安全水压转换为安全水
位Hsafe=[Hs1,...,Hsi,...Hsn],再利用公式Ssafe=Ho-Hsafe,得到各水位控制点处的安全水位降
深Ssafe=[Ss1,...,Ssi,...,Ssn],式中Ssi为第i个控制点的安全水位降深;

c.构建疏排钻孔候选位置:

将钻孔候选位置所在的巷道抽象为一条由钻孔候选位置坐标点构成的直线段,利用直线
段上任意两点x和y通过公式:y=ax+b得到疏排钻孔候选位置的直线方程,标注出直线段
的x点所在的坐标范围xp1≤x≤xp2,式中:a为直线斜率,b为直线截距,[xp1,xp2]为直线段
坐标范围;

d.均质各项同性含水层井下单孔疏排优化

优化钻孔位置:当被测区域在步骤a中待疏降含水层概化为均质各向同性含水层时,以
被测区域巷道抽象成的直线段y=ax+b上的点与巷道中各水位控制点最远距离最小为目标
函数,建立如下优化模型:

mindm=max(di)

s.t.di=(xp-xi)2+(yp-yi)2

yp=axp+b

xp1≤xp≤xp2

i=1,2,3,..n

式中,(xp,yp)为疏排钻孔坐标,(xi,yi)为第i个水位控制点坐标,di为疏排钻孔与控制
点间的距离,利用遗传算法在直线段坐标范围内求解上述优化模型,得到与各水压/水位控制
点最远距离最小的疏排钻孔坐标,即最佳疏排钻孔坐标(xbest,ybest);

优化钻孔疏排流量:首先引入排水流量与水位降深之间的计算公式,当疏排钻孔未完全
穿透整个含水层厚度,即钻孔为非完整井,且水位控制点与疏降钻孔中心的直线距离为
时,采用公式:

S ( r , z , t ) = Q 4 πT r r W ( u r ) + δ s ]]>

δ s ( r , z , t ) = Q 4 πT r r ζ ]]>

ζ ( l M , d M , r M , z M ) = 4 M π ( l - d ) Σ n = 1 1 n 2 [ s i n ( n π l M ) - s i n ( n π d M ) ] c o s ( n π z M ) K 0 ( n π r M ) ]]>

u r = r 2 μ e 4 K r r M t ]]>

W ( u r ) = u e - y y d y , ]]>

优化钻孔疏排流量;

当钻孔完全穿透整个地下含水层,即为完整井,或者钻孔为非完整井且时,
采用公式:

S ( r , t ) = Q 4 πK r r M W ( u r ) , ]]>优化钻孔疏排流量;

式中:Q为钻孔疏排流量/涌水量,Krr为疏降剖面水平方向渗透系数;Kzz为垂直方向
渗透系数;M为含水层厚度;μe为弹性释水系数;W(ur)为Theis井函数;ζ为非完整性
附加阻力系数;r为疏降钻孔至控制点的直线距离;d为含水层顶板到疏降钻孔过滤器顶部
的距离;l为含水层顶板到疏降钻孔过滤器底部的距离;z为含水层顶板到水位观测孔底部即
开口位置之间的距离;

在(xbest,ybest)处布设疏排钻孔,计算降深为巷道或工作面疏降前含水层水位高度与煤层底
板标高之差(记为Smax)条件下钻孔排水流量(记为Qmax),该流量是优化中的最大值约束条
件,即钻孔疏排流量上限值,具体是将S(r,t)=Smax,r=rw,z=0.7l,d=0代入公式
其中rw为疏排钻孔半径计算得到Qmax;之后依次将各水位控制点代
入上式计算得到达到安全水位降深Ssafe所需的疏排流量Qp=[Qp1,...,Qpi,...Qpn],Qpi为水位控
制点i达到安全水位降深Ssi时对应的钻孔疏排流量,将Qp中的最大值(max(Qp))与Qmax比
较,如果max(Qp)≤Qmax,则钻孔最优疏排流量Qbest=max(Qp),优化成功;否则,单个钻孔
疏降不能实现安全掘进和回采的目标,优化步骤结束;

e.均质各向异性含水层情况下的疏排优化:

当步骤a中待疏降含水层概化为均质各向异性含水层时,原始工程布置地图坐标轴方向
与含水层渗透系数主方向会出现不一致现象,旋转地图使坐标轴方向与渗透系数主方向一致,
根据旋转坐标轴角度和方向更新各水位控制点坐标,重复步骤c得到旋转后的坐标系下巷道
直线方程y=ax+b及其坐标范围,以最小化各控制点达到安全水位降深Ssafe所需最大疏排流
量为目标函数,建立优化模型:

当疏排钻孔为非完整井的情况,模型形式如下:

minQpm=max(Qpi)

s . t . S i ( r i , z , t ) = Q p i 4 πK θ i M W ( u r ) + δ s r i 1.5 M K θ i K z z ]]>

S i ( r i , z , t ) = Q p i 4 πK θ i M W ( u r ) r i > 1.5 M K θ i K z z ]]>

K θ i = K x x K y y K x x sin 2 θ i + K y y cos 2 θ i ]]>

r i = ( x i - x p ) 2 + ( y i - y p ) 2 ]]>

yp=axp+b

θ i = a r c t a n ( y p - y i x p - x i ) ]]>

Si≥Ssi

xp1≤xp≤xp2

0<Qpi≤Qmax

i=1,2,3...,n


当疏排钻孔为完整井的情况,模型形式如下:

minQpm=max(Qpi)

s . t . S i ( r i , z , t ) = Q p i 4 πK θ i M W ( u r ) ]]>

K θ i = K x x K y y K x x sin 2 θ i + K y y cos 2 θ i ]]>

r i = ( x i - x p ) 2 + ( y i - y p ) 2 ]]>

yp=axp+b,

θ i = a r c t a n ( y p - y i x p - x i ) ]]>

Si≥Ssi

xp1≤xp≤xp2

0<Qpi≤Qmax

i=1,2,3...,n

式中:Kxx为待疏降含水层x方向主渗透系数,Kyy为y方向主渗透系数,Kzz为z方向
主渗透系数,二者方向相互垂直,θi为疏排钻孔与控制点i连线与x主渗透方向之间的夹角,
Kθi为疏排钻孔与控制点i连线方向的渗透系数,其计算原理如图2所示,Qpi为控制点i达到
安全水位降深Ssi所需钻孔疏排流量,Qmax为钻孔最大疏排流量,Qmax计算采用步骤d中的公
式;

采用遗传算法求解上述优化模型,当存在满足约束条件的最优解,则优化成功,将得到
的孔位坐标旋转至原始坐标系下,得到最佳孔位坐标(xbest,ybest)和疏排流量Qbest,反,则单个
钻孔疏排不能实现安全掘进和回采的目标,优化结束。

本发明的特征在于针对井下疏排钻孔位置仅能选择在巷道内,而巷道为线性空间,将钻
孔候选位置所在巷道概化为1条直线段,在这条直线段上搜索满足条件的最佳点位,能够得
到精确的孔位坐标。

本发明的特征还在于根据短板效应,提出最佳疏排钻孔位置是巷道直线段内满足各控制
点达到安全水位降深时所需疏排流量最大值达到最小的点。对于待疏降含水层为均质各向同
性含水层时,该点同时是巷道直线段上与各控制点的最远距离达到最小的点。对于待疏降含
水层为均质各向异性时,该点是巷道直线段上使疏排流量最大值达到最小的点。

以下设计1个煤层底板高承压水单孔疏降优化工程实例,包含均质各向同性与均质各向
异性两种情况,采用本发明分别求解满足安全回采条件下的最佳孔位坐标及疏排流量。

河南某煤矿回采21051和21031工作面,煤层底板标高-540m,下伏高承压含水层,厚度
200m,初始水位标高-165m,煤层与含水层之间完整隔水层厚度70m,底板承受水头压力
4.45MPa,突水系数0.064,大于《矿井防治水规定》中的0.06临界值,具有突水危险。计划
开采前30天(30d)进行疏水降压,目标是水压降至临界突水系数值,以保证安全回采。分
别计算含水层概化为均质各向同性与均质各向异性条件下,最佳疏降钻孔位置坐标与疏排流
量。工作面布置图如图3所示。

待疏降含水层概化为均质各向同性含水层条件下,含水层水文地质及钻孔参数见下表。



待疏降含水层概化为均质各向异性含水层条件下,含水层x主渗透方向与地图二维平面
坐标系x轴正方向夹角α=10°(顺时针),含水层水文地质参数与钻孔参数见下表。


应用:

含水层概化均质各向同性条件下,以远离疏排钻孔的工作面上下巷道端头为控制点(如
图3所示),各控制点作为水位测点,观测的是煤层底板隔水层底承受的水压,即z=0。为便
于计算,在地图上选取点(38450440,3773700)为相对原点,得到控制点相对坐标见下表。

控制点编号
X
Y
1
980.547
192.121
2
943.903
69.628
3
654.557
141.661
4
618.728
19.284

利用公式:p=TsMt,计算控制点安全水压为4.2MPa,计算安全水位降深为25m。疏排
钻孔最大降深为375m。疏排钻孔为非完整井,利用公式:

S ( r , z , t ) = Q 4 πT r r W ( u r ) + δ s ]]>

δ s ( r , z , t ) = Q 4 πT r r ζ ]]>

ζ ( l M , d M , r M , z M ) = 4 M π ( l - d ) Σ n = 1 1 n 2 [ s i n ( n π l M ) - s i n ( n π d M ) ] c o s ( n π z M ) K 0 ( n π r M ) ]]>

u r = r 2 μ e 4 K r r M t ]]>

W ( u r ) = u e - y y d y ]]>

计算疏排钻孔最大疏排流量为191.75m3/d。

建立巷道直线方程,根据疏降工程布置图,取拟布设钻孔的巷道中心线上两端点,采用
两点公式得到巷道直线方程为

y=6.1344x-378.2,66.041≤x≤157.916

采用Matlab遗传算法工具箱,求解优化模型: min d m = max ( d i ) s . t . d i = ( x p - x i ) 2 + ( y p - y i ) 2 y p = ax p + b x p 1 x p x p 2 i = 1 , 2 , 3 , .. n , ]]>遗传算
法搜索过程如图4,得到最佳孔位坐标为(115.947,333.065)。

以各控制点水位降深为25m为条件,计算所需的钻孔疏排流量(如下表所示),其中最大
值为169.48m3/d,小于钻孔最大疏排流量。计算该流量下各控制点水位降深,结果均满足安
全水位降深要求,优化成功。因此,疏排钻孔最佳位置坐标为(115.947,333.065),最佳疏排
流量为169.48m3/d。


可以看出,优化后的疏排流量比钻孔最大降深条件下的疏排流量减少了22.27m3/d,整个
疏降期内减少疏排水量668.1m3。

含水层概化为均质各向异性情况下,以相对原点为基点逆时针旋转地图α角度,使地图
坐标轴方向与含水层渗透系数主方向一致,旋转后的控制点坐标见下表。

控制点编号
X
Y
1
932.289
359.472
2
917.473
232.477
3
620.014
253.171
4
605.980
126.432

旋转后的巷道直线方程为:

y=-77.275x+4702.533,52.947≤x≤60.363

计算控制点安全水压为4.2MPa,计算安全水位降深为25m,疏排钻孔最大降深为375m,
疏排钻孔为非完整井,计算疏排钻孔最大疏排流量为191.75m3/d。

根据疏排钻孔为非完整井的情况发模型建立如下优化模型:

minQpm=max(Qpi)

s . t . Q p i = 4 πK θ i M ( S i ( r i , z , t ) - δ s ) W ( u r ) r i 1.5 M K θ i K z z ]]>

Q p i = 4 πK θ i MS i ( r i , z , t ) W ( u r ) r i > 1.5 M K θ i K z z ]]>

K θ i = K x x K y y K x x sin 2 θ i + K y y cos 2 θ i ]]>

r i = ( x i - x p ) 2 + ( y i - y p ) 2 ]]>

yp=-77.275xp+4702.533

θ i = a r c t a n ( y p - y i x p - x i ) ]]>

25≤Si(ri,z,t)<375

52.947≤xp≤60.363

0<Qpi≤191.75

i=1,2,3,4

采用Matlab遗传算法工具箱求解优化模型,搜索过程如图5所示,结果如下表所示。结
果中的最佳孔位坐标(52.974,608.967)为地图旋转之后的坐标系下的坐标,再以相对原点为
基点顺时针旋转地图α角度,得到原始坐标系下的最佳孔位坐标为(157.915,590.517),最佳
疏排流量为164.36m3/d。



可以看出,优化后的疏排流量比最大疏排流量减少了27.39m3/d,整个疏降期内减少疏排
水量821.7m3。

以上所述仅为本发明的较佳实施案例,并不用于限制本发明,凡在本发明的原则和精神
之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均就包含在本发明的保护范围之内。

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一种 煤层 底板 高承压 水井 单孔 优化 方法
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