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一種煤層底板高承壓水井下單孔疏降優化方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510354956.6

申請日:

2015.06.24

公開號:

CN105046060A

公開日:

2015.11.11

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 19/00申請日:20150624|||公開
IPC分類號: G06F19/00(2011.01)I 主分類號: G06F19/00
申請人: 中國礦業大學
發明人: 孟磊; 馮啟言; 丁恩杰
地址: 221116江蘇省徐州市大學路1號中國礦業大學科研院
優先權:
專利代理機構: 南京經緯專利商標代理有限公司32200 代理人: 唐惠芬
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201510354956.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.05.08|||2015.12.09|||2015.11.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種煤層底板高承壓水井下單孔疏降優化方法,適用于采礦中通過單個鉆孔對煤層底板高承壓含水層水進行疏排。包括將疏排鉆孔候選位置所在巷道概化為直線段,最佳疏排鉆孔位置是直線段內滿足各控制點達到安全水位降深時所需最大疏排流量達到最小的點,當待疏降含水層為均質各向同性含水層時,該點為巷道直線段上距離各控制點最遠距離達到最小的點,當待疏降含水層為均質各向異性時,該點為巷道直線段上使各控制點所需疏排流量最大值達到最小的點,通過遺傳算法求解得到鉆孔最佳位置精確坐標與最佳疏排流量。該方法對煤層底板高承壓水單孔疏降工程進行優化,在達到安全采掘前提下,最大限度保護地下水資源,實現安全、經濟與環保的最佳平衡。

權利要求書

1.一種煤層底板高承壓水井下單孔疏降優化方法,其特征在于步驟如下:
a.收集開采區的地質、水文、勘探信息,根據收集到的信息對待疏降區水文地質條件進
行概化,即將含水層實際的邊界特征、內部結構、滲透性能、水力特征和補徑條件進行簡化;
根據現有公知的不同地理位置鉆孔抽水試驗得到的滲透系數,比較被測區域的待疏降含水層
在待疏降區內不同點位同方向上的滲透系數值是否存在顯著差異,如果不同點位同方向上的
滲透系數值相差較小則將待疏降含水層概化為均質含水層,相差較大則概化為非均質含水層,
比較待疏降含水層在待疏降區內任一點在不同方向上滲透系數值是否存在顯著差異,如果相
差較小則將待疏降含水層概化為各向同性含水層,相差較大則概化為各向異性含水層;
b.當待被測區域的疏降含水層被概化為均質含水層時,以覆蓋待掘巷道或開采工作面范
圍邊界作為疏降邊界,在疏降邊界內選擇巷道或工作面端頭點為水位控制點;
計算水位控制點安全水位降深:
利用斯列薩列夫公式:計算掘進巷道的水位控制點處底板承受的安
全水壓psafe,單位MPa,式中:t為隔水層厚度,單位m,L為巷道寬度,單位m,γ為底板隔
水層的平均重度,單位MN/m3;Kp為底板隔水層的平均抗拉強度,單位MPa;
利用突水系數公式:psafe=TsMt,計算開采工作面的水位控制點處底板承受的安全水壓
psafe,單位MPa,式中:Mt為底板隔水層厚度,單位m,Ts為臨界突水系數,Ts值根據《煤
礦防治水規定》中,底板受構造破壞塊段為0.06MPa/m,正常塊段為0.1MPa/m;
收集各水位控制點煤層底板標高Hf=[Hf1,...,Hfi,...Hfn]與疏降前的水位標高
Ho=[Ho1,...,Hoi,...Hon],單位m,利用公式Hsafe=psafe×100+Hf,將安全水壓轉換為安全水
位Hsafe=[Hs1,...,Hsi,...Hsn],再利用公式Ssafe=Ho-Hsafe,得到各水位控制點處的安全水位降
深Ssafe=[Ss1,...,Ssi,...,Ssn],式中Ssi為第i個控制點的安全水位降深;
c.構建疏排鉆孔候選位置:將鉆孔候選位置所在的巷道抽象為一條由鉆孔候選位置坐標
點構成的直線段,利用直線段上任意兩點x和y通過公式:y=ax+b得到疏排鉆孔候選位置
的直線方程,標注出直線段的x點所在的坐標范圍xp1≤x≤xp2,式中:a為直線斜率,b為
直線截距,[xp1,xp2]為直線段坐標范圍;
d.均質各項同性含水層井下單孔疏排優化:
優化鉆孔位置:當被測區域在步驟a中待疏降含水層概化為均質各向同性含水層時,以
被測區域巷道抽象成的直線段y=ax+b上的點與巷道中各水位控制點最遠距離最小為目標
函數,建立如下優化模型:
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)為疏排鉆孔坐標,(xi,yi)為第i個水位控制點坐標,di為疏排鉆孔與控制
點間的距離,利用遺傳算法在直線段坐標范圍內求解上述優化模型,得到與各水壓/水位控制
點最遠距離最小的疏排鉆孔坐標,即最佳疏排鉆孔坐標(xbest,ybest);
優化鉆孔疏排流量:當疏排鉆孔未完全穿透整個含水層厚度,即鉆孔為非完整井,且水
位控制點與疏降鉆孔中心的直線距離為時,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 , ]]>
優化鉆孔疏排流量;
當鉆孔完全穿透整個地下含水層,即為完整井,或者鉆孔為非完整井且時,
采用公式:
S ( r , t ) = Q 4 πK r r M W ( u r ) , ]]>優化鉆孔疏排流量;
式中:Q為鉆孔疏排流量/涌水量,Krr為疏降剖面水平方向滲透系數;Kzz為垂直方向
滲透系數;M為含水層厚度;μe為彈性釋水系數;W(ur)為Theis井函數;ζ為非完整性
附加阻力系數;r為疏降鉆孔至控制點的直線距離;d為含水層頂板到疏降鉆孔過濾器頂部
的距離;l為含水層頂板到疏降鉆孔過濾器底部的距離;z為含水層頂板到水位觀測孔底部即
開口位置之間的距離;
在(xbest,ybest)處布設疏排鉆孔,計算降深為巷道或工作面疏降前含水層水位高度與煤層底
板標高之差(記為Smax)條件下鉆孔排水流量(記為Qmax),該流量是優化中的最大值約束
條件,即鉆孔疏排流量上限值,具體是將S(r,t)=Smax,r=rw,z=0.7l,d=0代入公式
其中rw為疏排鉆孔半徑計算得到Qmax;之后依次將各水位控制點代
入上式計算得到達到安全水位降深Ssafe所需的疏排流量Qp=[Qp1,...,Qpi,...Qpn],Qpi為水位控
制點i達到安全水位降深Ssi時對應的鉆孔疏排流量,將Qp中的最大值(max(Qp))與Qmax比
較,如果max(Qp)≤Qmax,則鉆孔最優疏排流量Qbest=max(Qp),優化成功;否則,單個鉆孔
疏降不能實現安全掘進和回采的目標,優化步驟結束;
e.均質各向異性含水層情況下的疏排優化:
當步驟a中待疏降含水層概化為均質各向異性含水層時,原始工程布置地圖坐標軸方向
與含水層滲透系數主方向會出現不一致現象,旋轉地圖使坐標軸方向與滲透系數主方向一致,
根據旋轉坐標軸角度和方向更新各水位控制點坐標,重復步驟c得到旋轉后的坐標系下巷道
直線方程y=ax+b及其坐標范圍,以最小化各控制點達到安全水位降深Ssafe所需最大疏排流
量為目標函數,建立優化模型:
當疏排鉆孔為非完整井的情況,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;
當疏排鉆孔為完整井的情況,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為待疏降含水層x方向主滲透系數,Kyy為y方向主滲透系數,Kzz為z方向
主滲透系數,二者方向相互垂直,θi為疏排鉆孔與控制點i連線與x主滲透方向之間的夾角,
Kθi為疏排鉆孔與控制點i連線方向的滲透系數,Qpi為控制點i達到安全水位降深Ssi所需鉆
孔疏排流量,Qmax為鉆孔最大疏排流量,Qmax計算采用步驟d中的公式;
采用遺傳算法求解上述優化模型,當存在滿足約束條件的最優解,則優化成功,將得到
的孔位坐標旋轉至原始坐標系下,得到最佳孔位坐標(xbest,ybest)和疏排流量Qbest,如果不存在
最優解,則單個鉆孔疏排不能實現安全掘進和回采的目標,優化結束。

說明書

一種煤層底板高承壓水井下單孔疏降優化方法

技術領域

本發明涉及一種疏降優化方法,尤其適用于通過單個鉆孔對煤層底板高承壓含水層水進
行疏排的煤層底板高承壓水井下單孔疏降優化方法。

背景技術

煤炭資源開采過程中,由于煤層底板下伏含水層水頭壓力大,在采動條件下高承壓水極
易突入礦井誘發突水災害,隨著開采深度的逐漸增大,煤層底板所承受的水壓越來越大,突
水危險越來越高。疏水降壓是預防礦井底板突水的主要措施之一,通過鉆孔或其它排水設施
對威脅礦井安全生產的主要充水含水層中的水在人工受控的條件下進行疏排,將水位降至預
先設計的安全標高之下,降低或消除在巷道開拓和工作面回采過程中發生突水的風險。但是,
地下水本身還是人類賴以生存和發展的重要水資源,僅為了安全采出煤炭資源而不加限制地
疏排地下水,將嚴重破壞地下水資源,并且增加了煤礦生產成本,給煤礦區的可持續發展帶
來嚴重問題。因此,在滿足安全生產條件下,最大程度減少排水總量,實現安全、經濟和環
境效益之間的最佳平衡,是開展煤層底板高承壓水疏降工程優化的根本出發點。

根據疏排設施布置,礦井疏水降壓工程分為地面、井下以及地面和井下聯合疏降3種類
型,根據疏排設施不同,分為群孔、單孔、泄水巷等類型。地面疏降適用于待疏降含水層埋
深較淺的情況,群孔疏降適用于地面空間約束較少的條件。然而,煤層底板高承壓水疏降工
程中,由于含水層埋藏較深,地面施工疏排鉆孔難度大、成本高、工期長,井下巷道與含水
層垂向距離較近,井下疏降更加容易,并且在底板隔水層較厚、阻水性能較好、水壓不太高
的區域,采用單個鉆孔疏排可滿足疏降目標。在此條件下,施工單個鉆孔成本低、工期短、
難度低,更適用于煤層底板高承壓水疏降。因此,煤層底板高承壓水井下單孔疏降具有較廣
的現實應用需求。

煤礦井下底板高程壓水單孔疏降工程優化包括疏排鉆孔位置和單位時間疏排水量(疏排
流量)優化。疏排鉆孔最佳位置和疏排流量通常作為優化模型中的決策變量和目標函數,即
滿足水位降深等約束條件下,達到疏排流量最小目標的最佳位置。優化模型構建方法包括嵌
入法和響應矩陣法。嵌入法是將地下水系統模擬模型直接作為數學規劃的等式約束條件,聯
立其它條件,使地下水模擬與優化一步完成的地下水優化模型構建方法。響應矩陣法是基于
線性系統疊加原理,各源匯單獨作用的代數和等于各源或匯同時作用的效果,首先建立抽水
量與水位降深之間的單位脈沖響應函數,并形成其集合即響應矩陣,再作為數學規劃中的水
均衡約束條件來建立優化模型。優化模型求解方法包括單純形法、遺傳算法、模擬退火算法、
禁忌搜索算法等。遺傳算法是模擬達爾文遺傳選擇和自然淘汰的生物進化過程的計算模型,
是一種直接的全局優化搜索算法,對優化問題沒有連續性和可導性限制,簡單易用,魯棒性
強,不要求地下水系統必須是線性的,適合求解復雜的地下水管理問題。

與地面疏排條件不同井下疏水降壓工程中,鉆孔候選位置約束在巷道空間內,目前的優
化模型均是預先指定若干離散位置構成候選孔位集合,通過優化模型計算得出各候選孔位疏
降水量,其中非零的候選井位即是最終井位,也有的采用0-1整數規劃法,以取值為0和1
的整數型變量作為決策變量,計算結果中0表示該位置點不是最優井位,1表示該位置點為
最優井位。該方法實質是將巷道空間離散為若干個點,在離散點集合中搜索最佳井位,而巷
道本身是個連續空間,傳統的模型本質上是一種近似優化,尤其是在單孔疏降工程優化中,
鉆孔最佳位置的精確坐標直接關系到總疏排水量的大小,離散點集搜索得到的解劣于連續模
型得到的最優解的可能性很大,使總排水量仍然較高,達不到真正優化目的,目前,還尚未
有在巷道受限連續空間搜索的優化方法和模型。

發明內容

針對上述技術的不足之處,提供一種方法簡單,處理成本低,針對井下疏排鉆孔布設受
巷道空間限制,在底板隔水層較厚、阻水性能較好、水壓不太高的區域,采用單個鉆孔疏排
可達到疏降目標,待疏降含水層可概化為均質含水層條件下的煤層底板高承壓水井下單孔疏
降優化方法。

為實現上述技術目的,本發明所述的煤層底板高承壓水井下單孔疏水降壓優化方法,包
括以下步驟:

a.收集開采區的地質、水文、勘探信息,根據收集到的信息對待疏降區水文地質條件進
行概化,即將含水層實際的邊界特征、內部結構、滲透性能、水力特征和補徑條件進行簡化;
根據現有公知的不同地理位置鉆孔抽水試驗得到的滲透系數,比較被測區域的待疏降含水層
在待疏降區內不同點位同方向上的滲透系數值是否存在顯著差異,如果不同點位同方向上的
滲透系數值相差較小則將待疏降含水層概化為均質含水層,相差較大則概化為非均質含水層,
比較待疏降含水層在待疏降區內任一點在不同方向上滲透系數值是否存在顯著差異,如果相
差較小則將待疏降含水層概化為各向同性含水層,相差較大則概化為各向異性含水層;

b.當待被測區域的疏降含水層被概化為均質含水層時,以覆蓋待掘巷道或開采工作面范
圍邊界作為疏降邊界,在疏降邊界內選擇巷道或工作面端頭點為水位控制點;

計算水位控制點安全水位降深:

利用斯列薩列夫公式:計算掘進巷道的水位控制點處底板承受的安
全水壓psafe,單位MPa,式中:t為隔水層厚度,單位m,L為巷道寬度,單位m,γ為底板隔
水層的平均重度,單位MN/m3;Kp為底板隔水層的平均抗拉強度,單位MPa;

利用突水系數公式:psafe=TsMt,計算開采工作面的水位控制點處底板承受的安全水壓
psafe,單位MPa,式中:Mt為底板隔水層厚度,單位m,Ts為臨界突水系數,Ts值根據《煤
礦防治水規定》中,底板受構造破壞塊段為0.06MPa/m,正常塊段為0.1MPa/m;

收集各水位控制點煤層底板標高Hf=[Hf1,...,Hfi,...Hfn]與疏降前的水位標高
Ho=[Ho1,...,Hoi,...Hon],單位m,利用公式Hsafe=psafe×100+Hf,將安全水壓轉換為安全水
位Hsafe=[Hs1,...,Hsi,...Hsn],再利用公式Ssafe=Ho-Hsafe,得到各水位控制點處的安全水位降
深Ssafe=[Ss1,...,Ssi,...,Ssn],式中Ssi為第i個控制點的安全水位降深;

c.構建疏排鉆孔候選位置:將鉆孔候選位置所在的巷道抽象為一條由鉆孔候選位置坐標
點構成的直線段,利用直線段上任意兩點x和y通過公式:y=ax+b得到疏排鉆孔候選位置
的直線方程,標注出直線段的x點所在的坐標范圍xp1≤x≤xp2,式中:a為直線斜率,b為
直線截距,[xp1,xp2]為直線段坐標范圍;

d.均質各項同性含水層井下單孔疏排優化:

優化鉆孔位置:當被測區域在步驟a中待疏降含水層概化為均質各向同性含水層時,以
被測區域巷道抽象成的直線段y=ax+b上的點與巷道中各水位控制點最遠距離最小為目標
函數,建立如下優化模型:

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)為疏排鉆孔坐標,(xi,yi)為第i個水位控制點坐標,di為疏排鉆孔與控制
點間的距離,利用遺傳算法在直線段坐標范圍內求解上述優化模型,得到與各水壓/水位控制
點最遠距離最小的疏排鉆孔坐標,即最佳疏排鉆孔坐標(xbest,ybest);

優化鉆孔疏排流量:當疏排鉆孔未完全穿透整個含水層厚度,即鉆孔為非完整井,且水
位控制點與疏降鉆孔中心的直線距離為時,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 , ]]>

優化鉆孔疏排流量;

當鉆孔完全穿透整個地下含水層,即為完整井,或者鉆孔為非完整井且時,
采用公式:

S ( r , t ) = Q 4 πK r r M W ( u r ) , ]]>優化鉆孔疏排流量;

式中:Q為鉆孔疏排流量/涌水量,Krr為疏降剖面水平方向滲透系數;Kzz為垂直方向
滲透系數;M為含水層厚度;μe為彈性釋水系數;W(ur)為Theis井函數;ζ為非完整性
附加阻力系數;r為疏降鉆孔至控制點的直線距離;d為含水層頂板到疏降鉆孔過濾器頂部
的距離;l為含水層頂板到疏降鉆孔過濾器底部的距離;z為含水層頂板到水位觀測孔底部即
開口位置之間的距離;

在(xbest,ybest)處布設疏排鉆孔,計算降深為巷道或工作面疏降前含水層水位高度與煤層底
板標高之差(記為Smax)條件下鉆孔排水流量(記為Qmax),該流量是優化中的最大值約束條
件,即鉆孔疏排流量上限值,具體是將S(r,t)=Smax,r=rw,z=0.7l,d=0代入公式
其中rw為疏排鉆孔半徑計算得到Qmax;之后依次將各水位控制點代
入上式計算得到達到安全水位降深Ssafe所需的疏排流量Qp=[Qp1,...,Qpi,...Qpn],Qpi為水位控
制點i達到安全水位降深Ssi時對應的鉆孔疏排流量,將Qp中的最大值(max(Qp))與Qmax比
較,如果max(Qp)≤Qmax,則鉆孔最優疏排流量Qbest=max(Qp),優化成功;否則,單個鉆孔
疏降不能實現安全掘進和回采的目標,優化步驟結束;

e.均質各向異性含水層情況下的疏排優化:

當步驟a中待疏降含水層概化為均質各向異性含水層時,原始工程布置地圖坐標軸方向
與含水層滲透系數主方向會出現不一致現象,旋轉地圖使坐標軸方向與滲透系數主方向一致,
根據旋轉坐標軸角度和方向更新各水位控制點坐標,重復步驟c得到旋轉后的坐標系下巷道
直線方程y=ax+b及其坐標范圍,以最小化各控制點達到安全水位降深Ssafe所需最大疏排流
量為目標函數,建立優化模型:

當疏排鉆孔為非完整井的情況,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


當疏排鉆孔為完整井的情況,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為待疏降含水層x方向主滲透系數,Kyy為y方向主滲透系數,Kzz為z方向
主滲透系數,二者方向相互垂直,θi為疏排鉆孔與控制點i連線與x主滲透方向之間的夾角,
Kθi為疏排鉆孔與控制點i連線方向的滲透系數,Qpi為控制點i達到安全水位降深Ssi所需鉆
孔疏排流量,Qmax為鉆孔最大疏排流量,Qmax計算采用步驟d中的公式;

采用遺傳算法求解上述優化模型,當存在滿足約束條件的最優解,則優化成功,將得到
的孔位坐標旋轉至原始坐標系下,得到最佳孔位坐標(xbest,ybest)和疏排流量Qbest,,如果不存
在最優解,則單個鉆孔疏排不能實現安全掘進和回采的目標,優化結束。

有益效果:本發明的方法通過在連續線性空間中搜索,可直接計算疏排鉆孔最佳坐標數
值,下鉆位置精確度高,利用本發明構建的優化模型最優解的搜索空間廣,最終得到的疏排
水總量比傳統模型少,能夠在達到疏降效果的條件下最大程度地減少地下水排放量,減少煤
礦企業繳納的排水費用,降低水處理成本,提高企業經濟效益,最大限度降低對周邊及下游
地區生產、生活和生態用水的影響從而達到安全、經濟與環境保護的最佳平衡點。

附圖說明

圖1為本發明的方法流程框圖:

圖2為本發明使用的的均質各向異性含水層滲透系數橢圓圖;

圖3為本發明的工程實例底板承壓水疏降工程布置圖;

圖4為本發明的工程實例均質各向同性條件下單孔疏降優化模型遺傳算法搜索圖;

圖5為本發明的工程實例均質各向異性條件下單孔疏降優化模型遺傳算法搜索圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步的說明:

如圖1所示,本發明的煤層底板高承壓水井下單孔疏降優化方法,包括如下步驟:

a.資料收集與含水層概化:

收集開采區的地質、水文、勘探信息,根據收集到的信息對待疏降區水文地質條件進行
概化,即將含水層實際的邊界特征、內部結構、滲透性能、水力特征和補徑條件進行簡化或
抽象;根據現有公知的不同地理位置鉆孔抽水試驗得到的滲透系數,比較被測區域的待疏降
含水層在待疏降區內不同點位同方向上的滲透系數值是否存在顯著差異,如果不同點位同方
向上的滲透系數值相差較小則將待疏降含水層概化為均質含水層,相差較大則概化為非均質
含水層,比較待疏降含水層在待疏降區內任一點在不同方向上滲透系數值是否存在顯著差異,
如果相差較小則將待疏降含水層概化為各向同性含水層,相差較大則概化為各向異性含水層;

b.選取水位控制點:

當待被測區域的疏降含水層被概化為均質含水層時,以覆蓋待掘巷道或開采工作面范圍
邊界作為疏降邊界,在疏降邊界內選擇巷道或工作面端頭點為水位控制點;

計算水位控制點安全水位降深:

利用斯列薩列夫公式:計算掘進巷道的水位控制點處底板承受的安
全水壓psafe,單位MPa,式中:t為隔水層厚度,單位m,L為巷道寬度,單位m,γ為底板隔
水層的平均重度,單位MN/m3;Kp為底板隔水層的平均抗拉強度,單位MPa;

利用突水系數公式:psafe=TsMt,計算開采工作面的水位控制點處底板承受的安全水壓
psafe,單位MPa,式中:Mt為底板隔水層厚度,單位m,Ts為臨界突水系數,Ts值根據《煤
礦防治水規定》中,底板受構造破壞塊段為0.06MPa/m,正常塊段為0.1MPa/m;

收集各水位控制點煤層底板標高Hf=[Hf1,...,Hfi,...Hfn]與疏降前的水位標高
Ho=[Ho1,...,Hoi,...Hon],單位m,利用公式Hsafe=psafe×100+Hf,將安全水壓轉換為安全水
位Hsafe=[Hs1,...,Hsi,...Hsn],再利用公式Ssafe=Ho-Hsafe,得到各水位控制點處的安全水位降
深Ssafe=[Ss1,...,Ssi,...,Ssn],式中Ssi為第i個控制點的安全水位降深;

c.構建疏排鉆孔候選位置:

將鉆孔候選位置所在的巷道抽象為一條由鉆孔候選位置坐標點構成的直線段,利用直線
段上任意兩點x和y通過公式:y=ax+b得到疏排鉆孔候選位置的直線方程,標注出直線段
的x點所在的坐標范圍xp1≤x≤xp2,式中:a為直線斜率,b為直線截距,[xp1,xp2]為直線段
坐標范圍;

d.均質各項同性含水層井下單孔疏排優化

優化鉆孔位置:當被測區域在步驟a中待疏降含水層概化為均質各向同性含水層時,以
被測區域巷道抽象成的直線段y=ax+b上的點與巷道中各水位控制點最遠距離最小為目標
函數,建立如下優化模型:

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)為疏排鉆孔坐標,(xi,yi)為第i個水位控制點坐標,di為疏排鉆孔與控制
點間的距離,利用遺傳算法在直線段坐標范圍內求解上述優化模型,得到與各水壓/水位控制
點最遠距離最小的疏排鉆孔坐標,即最佳疏排鉆孔坐標(xbest,ybest);

優化鉆孔疏排流量:首先引入排水流量與水位降深之間的計算公式,當疏排鉆孔未完全
穿透整個含水層厚度,即鉆孔為非完整井,且水位控制點與疏降鉆孔中心的直線距離為
時,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 , ]]>

優化鉆孔疏排流量;

當鉆孔完全穿透整個地下含水層,即為完整井,或者鉆孔為非完整井且時,
采用公式:

S ( r , t ) = Q 4 πK r r M W ( u r ) , ]]>優化鉆孔疏排流量;

式中:Q為鉆孔疏排流量/涌水量,Krr為疏降剖面水平方向滲透系數;Kzz為垂直方向
滲透系數;M為含水層厚度;μe為彈性釋水系數;W(ur)為Theis井函數;ζ為非完整性
附加阻力系數;r為疏降鉆孔至控制點的直線距離;d為含水層頂板到疏降鉆孔過濾器頂部
的距離;l為含水層頂板到疏降鉆孔過濾器底部的距離;z為含水層頂板到水位觀測孔底部即
開口位置之間的距離;

在(xbest,ybest)處布設疏排鉆孔,計算降深為巷道或工作面疏降前含水層水位高度與煤層底
板標高之差(記為Smax)條件下鉆孔排水流量(記為Qmax),該流量是優化中的最大值約束條
件,即鉆孔疏排流量上限值,具體是將S(r,t)=Smax,r=rw,z=0.7l,d=0代入公式
其中rw為疏排鉆孔半徑計算得到Qmax;之后依次將各水位控制點代
入上式計算得到達到安全水位降深Ssafe所需的疏排流量Qp=[Qp1,...,Qpi,...Qpn],Qpi為水位控
制點i達到安全水位降深Ssi時對應的鉆孔疏排流量,將Qp中的最大值(max(Qp))與Qmax比
較,如果max(Qp)≤Qmax,則鉆孔最優疏排流量Qbest=max(Qp),優化成功;否則,單個鉆孔
疏降不能實現安全掘進和回采的目標,優化步驟結束;

e.均質各向異性含水層情況下的疏排優化:

當步驟a中待疏降含水層概化為均質各向異性含水層時,原始工程布置地圖坐標軸方向
與含水層滲透系數主方向會出現不一致現象,旋轉地圖使坐標軸方向與滲透系數主方向一致,
根據旋轉坐標軸角度和方向更新各水位控制點坐標,重復步驟c得到旋轉后的坐標系下巷道
直線方程y=ax+b及其坐標范圍,以最小化各控制點達到安全水位降深Ssafe所需最大疏排流
量為目標函數,建立優化模型:

當疏排鉆孔為非完整井的情況,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


當疏排鉆孔為完整井的情況,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為待疏降含水層x方向主滲透系數,Kyy為y方向主滲透系數,Kzz為z方向
主滲透系數,二者方向相互垂直,θi為疏排鉆孔與控制點i連線與x主滲透方向之間的夾角,
Kθi為疏排鉆孔與控制點i連線方向的滲透系數,其計算原理如圖2所示,Qpi為控制點i達到
安全水位降深Ssi所需鉆孔疏排流量,Qmax為鉆孔最大疏排流量,Qmax計算采用步驟d中的公
式;

采用遺傳算法求解上述優化模型,當存在滿足約束條件的最優解,則優化成功,將得到
的孔位坐標旋轉至原始坐標系下,得到最佳孔位坐標(xbest,ybest)和疏排流量Qbest,反,則單個
鉆孔疏排不能實現安全掘進和回采的目標,優化結束。

本發明的特征在于針對井下疏排鉆孔位置僅能選擇在巷道內,而巷道為線性空間,將鉆
孔候選位置所在巷道概化為1條直線段,在這條直線段上搜索滿足條件的最佳點位,能夠得
到精確的孔位坐標。

本發明的特征還在于根據短板效應,提出最佳疏排鉆孔位置是巷道直線段內滿足各控制
點達到安全水位降深時所需疏排流量最大值達到最小的點。對于待疏降含水層為均質各向同
性含水層時,該點同時是巷道直線段上與各控制點的最遠距離達到最小的點。對于待疏降含
水層為均質各向異性時,該點是巷道直線段上使疏排流量最大值達到最小的點。

以下設計1個煤層底板高承壓水單孔疏降優化工程實例,包含均質各向同性與均質各向
異性兩種情況,采用本發明分別求解滿足安全回采條件下的最佳孔位坐標及疏排流量。

河南某煤礦回采21051和21031工作面,煤層底板標高-540m,下伏高承壓含水層,厚度
200m,初始水位標高-165m,煤層與含水層之間完整隔水層厚度70m,底板承受水頭壓力
4.45MPa,突水系數0.064,大于《礦井防治水規定》中的0.06臨界值,具有突水危險。計劃
開采前30天(30d)進行疏水降壓,目標是水壓降至臨界突水系數值,以保證安全回采。分
別計算含水層概化為均質各向同性與均質各向異性條件下,最佳疏降鉆孔位置坐標與疏排流
量。工作面布置圖如圖3所示。

待疏降含水層概化為均質各向同性含水層條件下,含水層水文地質及鉆孔參數見下表。



待疏降含水層概化為均質各向異性含水層條件下,含水層x主滲透方向與地圖二維平面
坐標系x軸正方向夾角α=10°(順時針),含水層水文地質參數與鉆孔參數見下表。


應用:

含水層概化均質各向同性條件下,以遠離疏排鉆孔的工作面上下巷道端頭為控制點(如
圖3所示),各控制點作為水位測點,觀測的是煤層底板隔水層底承受的水壓,即z=0。為便
于計算,在地圖上選取點(38450440,3773700)為相對原點,得到控制點相對坐標見下表。

控制點編號
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,計算控制點安全水壓為4.2MPa,計算安全水位降深為25m。疏排
鉆孔最大降深為375m。疏排鉆孔為非完整井,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 ]]>

計算疏排鉆孔最大疏排流量為191.75m3/d。

建立巷道直線方程,根據疏降工程布置圖,取擬布設鉆孔的巷道中心線上兩端點,采用
兩點公式得到巷道直線方程為

y=6.1344x-378.2,66.041≤x≤157.916

采用Matlab遺傳算法工具箱,求解優化模型: 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 , ]]>遺傳算
法搜索過程如圖4,得到最佳孔位坐標為(115.947,333.065)。

以各控制點水位降深為25m為條件,計算所需的鉆孔疏排流量(如下表所示),其中最大
值為169.48m3/d,小于鉆孔最大疏排流量。計算該流量下各控制點水位降深,結果均滿足安
全水位降深要求,優化成功。因此,疏排鉆孔最佳位置坐標為(115.947,333.065),最佳疏排
流量為169.48m3/d。


可以看出,優化后的疏排流量比鉆孔最大降深條件下的疏排流量減少了22.27m3/d,整個
疏降期內減少疏排水量668.1m3。

含水層概化為均質各向異性情況下,以相對原點為基點逆時針旋轉地圖α角度,使地圖
坐標軸方向與含水層滲透系數主方向一致,旋轉后的控制點坐標見下表。

控制點編號
X
Y
1
932.289
359.472
2
917.473
232.477
3
620.014
253.171
4
605.980
126.432

旋轉后的巷道直線方程為:

y=-77.275x+4702.533,52.947≤x≤60.363

計算控制點安全水壓為4.2MPa,計算安全水位降深為25m,疏排鉆孔最大降深為375m,
疏排鉆孔為非完整井,計算疏排鉆孔最大疏排流量為191.75m3/d。

根據疏排鉆孔為非完整井的情況發模型建立如下優化模型:

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遺傳算法工具箱求解優化模型,搜索過程如圖5所示,結果如下表所示。結
果中的最佳孔位坐標(52.974,608.967)為地圖旋轉之后的坐標系下的坐標,再以相對原點為
基點順時針旋轉地圖α角度,得到原始坐標系下的最佳孔位坐標為(157.915,590.517),最佳
疏排流量為164.36m3/d。



可以看出,優化后的疏排流量比最大疏排流量減少了27.39m3/d,整個疏降期內減少疏排
水量821.7m3。

以上所述僅為本發明的較佳實施案例,并不用于限制本發明,凡在本發明的原則和精神
之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均就包含在本發明的保護范圍之內。

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一種 煤層 底板 高承壓 水井 單孔 優化 方法
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