[发明专利]一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法

权利要求书

1.一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定煤层顶板直接充水含水层；具体步骤为：首先计算各区域导水裂隙带高度并换算成标高，并根据地质钻孔数据统计出顶板各含水层顶底界标高，然后通过构建导水裂隙带与含水层空间关系模型，分析导水裂隙带与煤层顶板各含水层顶底界的空间位置关系，确定导水裂隙带范围内的含水层即为顶板直接充水含水层；

(2)确定煤层顶板充水强度主控因素，包括：将充水强度主控因素分为充水水源与充水通道两个方面，充水水源方面为含水层厚度、岩心采取率、渗透系数和沉积环境影响指数，充水通道方面为含水层扰动指数；沉积环境影响指数表示地层沉积特征的差异造成储水空间及导水性能的差别，从而影响充水强度，计算方法为：首先，根据钻孔岩层的组分、粒度、胶结物及形式、分选性、磨圆度对其沉积特征进行识别，判定其沉积相并细分沉积亚/微相，之后，按照沉积亚/微相对含水层充水强度影响程度的不同进行赋值，赋值标准如下表：

最后，按照以下公式计算该区域的沉积环境影响指数：

式中：SI为沉积环境影响指数；a为水下分流河道相厚度；b为分流间湾、天然堤、沼泽相厚度；c为河道砂坝相厚度；d为泛滥平原、河漫滩相厚度；

含水层扰动指数其含义为综合反映垮落带和裂隙带对含水层的扰动程度，表示充水通道的通畅程度，垮落带与裂隙带对含水层的扰动程度不同，垮落带内岩层失去整体性，岩块杂乱、裂隙宽大、联通性强，而裂隙带内岩层依然保持整体性，裂隙较窄、连通性相对垮落带差，其计算方法为：首先，计算出垮落带、导水裂隙带发育高度，垮落带高度计算方法为若研究区有垮落带高度实测数据，则根据实测数据对相关规范提供的经验公式进行修正计算修正系数，其中修正系数为实测结果与经验公式计算结果的比值，再根据修正后的经验公式计算垮落带高度，若无实测数据则采用相似条件比拟、经验公式计算的方法预计垮落带高度，然后，分别对比垮落带、导水裂隙带对直罗组一段含水层的破坏厚度，最后，将垮落带的破坏厚度赋值为1，裂隙带的破坏厚度赋值为0.3，通过含水层扰动指数计算公式计算“两带”对直接充水含水层的扰动指数：

式中：DI为含水层扰动指数，M_k为直接充水含水层被垮落带破坏的厚度、M_d为直接充水含水层被导水裂隙带破坏的厚度，M为直接充水含水层厚度；

(3)主控因素量化、专题图绘制及建立主控因素量化数据库，以地质钻孔及水文地质钻孔为基础对各主控因素进行提取与量化，采用Surfer软件对钻孔因素量化数据进行插值，获得研究区各区块的主控因素量化值，借助ArcGIS软件的专题图展示与数据分析功能，绘制出各主控因素专题图，各主控因素专题图通过“归一化”与“联合”操作实现主控因素量化数据库的构建；

(4)确定各主控因素对顶板砂岩含水层充水强度的影响权重，采用定性与定量相结合的权重确定方法—层次分析法进行权重的计算，首先将各主控因素划分为层次结构模型，然后在咨询行业内资深专家意见的基础上两两比较主控因素的相对重要程度，并据此构建判断矩阵，最后通过层次排序及一致性检验计算出各主控因素对充水强度的影响权重；

(5)构建顶板充水强度评价模型计算充水强度指数，根据多源信息融合理论构建的充水强

度评价模型如下：

式中：FI为充水强度指数；W_i为主控因素权重；f_i(x,y)为主控因素量化函数；x、y为位置坐标；n为主控因素的个数；

然后将步骤(3)建立的主控因素量化数据导入到充水强度评价模型中，计算出各区域的充水强度指数；

(6)顶板充水强度评价与分区，充水强度指数大小代表该区域矿井涌水量的相对大小，根据充水强度指数大小将充水强度分为五个等级，充水强度等级由小到大分别为相对弱充水区、较弱充水区、中等充水区、较强充水区、相对强充水区，采用聚类分析方法计算分区阈值向量T＝(t1，t2，t3，t4)，然后根据分区阈值与充水强度分区之间的对应关系对研究区充水强度进行分区，充水强度分区等级与分区阈值关系为：

min(FI)≤相对弱充水区t₁；

t₁≤较弱充水区t₂；

t₂≤中等充水区t₃；

t₃≤较强充水区t₄；

t₄≤相对强充水区≤max(FI)；

采用聚类分析方法计算分区阈值向量，且采用的聚类分析方法为快速均值聚类K-means算法，该方法通过测算类内距与类间距，使得每类内的数据最为相似，计算过程具体可分为以下步骤：

将步骤(5)计算出的充水强度指数采用K-means算法分为五类，获得每个充水强度指数对应的类别；

将获得的充水强度指数对应的类别按照充水强度指数的大小进行排序，寻找两个相邻类别变化位置处所对应的充水强度指数，共获得包含8个充水强度指数临界值的临界向量C＝(c₁，c₂，c₃，c₄，c₅，c₆，c₇，c₈)；

按照以下表达式计算充水强度分区阈值向量T：

2.根据权利要求1所述的一种煤层顶板砂岩含水层充水强度评价方法，其特征在于，计算各区域导水裂隙带高度的方法为：若研究区有导水裂隙带高度实测数据，则根据实测数据对相关规范提供的经验公式进行修正计算修正系数，其中修正系数为实测结果与经验公式计算结果的比值，再根据修正后的经验计算导水裂隙带高度，若无实测数据则采用相似条件比拟、经验公式计算的方法预计导水裂隙带高度。