1.一种水体下煤岩地层构造勘测方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将勘测区域划分为阵列网格,以阵列网格的中心为原点构建三维坐标系,以原点所在的水平面的垂直方向分别定义X轴和Y轴,以原点所在的竖直方向定义Z轴,在每个网格的中心点确定钻孔点位;
S2:使用钻孔设备以Z轴方向依次沿钻孔点位进行钻孔作业,钻出预设深度的钻孔后对钻孔内的岩层进行取样,将试样带回地面检测其物理力学参数的数据;
S3:将声波发射换能器和声波接收换能器分别置于两个对称的钻孔点位内,两个对称的钻孔点位以原点中心对称,在同一高度区间内,检测两个对称钻孔点位之间地层并生成声波图谱的数据;
S4:将地层视为连续介质,通过积分计算不同深度地层所受的重力应力值 ,积分公式为 ,其中, 为地层密度随深度的变化函数, 为重力加速度;
将地层的变形过程离散化,分析在不同时间步长和空间位置上的应变值 ,差分公式为,其中 为地层深度变化量,为L地层总深度;
S5:将多个试样的物理力学参数数据、多个声波图谱的数据、重力应力值数据 以及应变值数据 均输入三维地质建模软件,构建地层构造模型;
S6:在勘测区域对地下水的水头和储水率进行测量,模拟地下水在不同深度地层的流动特性,并结合地层构造模型中的孔隙结构参数和构造特征,预测地下水在裂隙、断层构造处可能出现的涌水区域,在地层构造模型中以时间轴确定地层内裂缝和断层的变化位置,形成具备动态涌水区域的变化区间。
2.如权利要求1所述的一种水体下煤岩地层构造勘测方法,其特征在于,在步骤S1中,在三维坐标系中,以原点所在的水平面定义多个放射构造线,多个放射构造线以原点为交点呈放射状排布,每条放射构造线上途径至少四个钻孔点位,四个钻孔点位两两一组,且每组钻孔点位以原点中心对称排布;
同一放射构造线上位于同一象限内的相邻两个钻孔点位之间的距离为10~30m,同一放射构造线上相对象限相近的两个钻孔点位之间的距离为30~50m。
3.如权利要求1所述的一种水体下煤岩地层构造勘测方法,其特征在于,在步骤S2中,在进行钻孔作业时,实时监测钻孔参数,钻孔垂直偏差值不超过±0.5°,深度误差不超过±
0.5m;
当钻孔设备达到预定深度后,对孔壁进行处理,清除孔壁表面的松散物质和杂质,使孔壁表面粗糙度小于±1cm。
4.如权利要求1所述的一种水体下煤岩地层构造勘测方法,其特征在于,在步骤S2中,钻孔设备采用岩心管钻头,钻孔设备的单次钻进深度不大于30m,在不同深度间隔采集煤岩试样,每孔采集不少于5个试样,试样的长度为2~2.5m;
采集的试样达到地面后进行密封处理并转运至实验室进行物理力学实验:
a、称重测量试样并计算试样的密度,误差控制在±0.5%以内;
b、利用抗压强度试验机和抗拉强度试验机,对试样进行单轴抗压强度和抗拉强度测试,加载速率控制在0.05~0.5mm/min,测试精度在±1%以内;
c、利用超声波脉冲法,测量试样的弹性模量和泊松比,测量频率范围为50~500kHz,测量精度在±3%以内;
d、利用压汞试验测量试样的孔隙分布,汞注入压力范围为10~100MPa,测量孔隙度精度在±0.1%以内,孔径分布测量精度在±0.01mm以内;
e、利用稳态法或脉冲衰减法测量试样的渗透性,气体选用氮气或氦气,渗透率测量范围为5~100mD,测试精度在±5%以内。
5.如权利要求1所述的一种水体下煤岩地层构造勘测方法,其特征在于,在步骤S3中,将声波发射换能器和声波接收换能器分别置于对称的两个钻孔内并同步依次下降至多个取样区域分别进行声波检测;
声波发射换能器和声波接收换能器均处于取样区域的中部,声波发射换能器和声波接收换能器同步发射和接收声波,生成一条水平声波图谱;
声波发射换能器和声波接收换能器分别处于取样区域的顶部和底部,声波发射换能器和声波接收换能器同步发射和接收声波,分别生成两条倾斜声波图谱;
测量一条水平声波图谱和两条倾斜声波图谱在同一对称的钻孔间的传播时间、振幅衰减和相位变化参数,传播时间测量精度达到±0.05ms,振幅衰减测量精度达到±0.05dB,相位变化测量精度达到±0.1°,利用传播时间、振幅衰减和相位变化的参数,通过层析成像技术构建该取样区域所在地层的声波速度图像,层析成像算法采用迭代重建算法,对地层进行精细成像,图像分辨率达到±0.5m,根据声波速度图像,识别地层中的构造界面、异常体分布特征,分析构造的地层所在取样区域高度内的空间形态和延伸方向。
6.如权利要求5所述的一种水体下煤岩地层构造勘测方法,其特征在于,当完成同一组对称的两个钻孔的多个取样区域的声波检测后,对同一组对称的两个钻孔的相邻的两个取样区域交错进行声波检测;
在交错进行声波检测时,声波发射换能器和声波接收换能器均位于取样区域的中部,分别形成多条第一角度的声波图谱和多条第二角度的声波图谱,多条第一角度的声波图谱分别与相邻的两个取样区域中的水平声波图谱和倾斜声波图谱耦合,多条第二角度的声波图谱分别与相邻的两个取样区域中的水平声波图谱和倾斜声波图谱耦合,二者求加权平均后模拟相邻两个取样区域之间地层中的构造界面、异常体分布特征,分析构造地层的空间形态和延伸方向。
7.如权利要求1所述的一种水体下煤岩地层构造勘测方法,其特征在于,在步骤S5中,在构建地层构造模型时,将地层划分为不同级别的层序,每个层序由相对整合的一套地层组成,其顶界面和底界面为不整合面或与之可对比的整合面,通过识别岩性变化和沉积旋回标志确定地层的层序边界,利用煤层所在位置和煤层厚度变化趋势进行对比追踪,为地层构造模型提供基础框架,在基础框架内划分若干个三维网格单元,利用插值方法在三维网格单元中构建地层界面模型,对每个地层界面模型,根据钻孔和取样区域中地层界面的深度信息,通过插值计算得到每个三维网格单元的界面高程值。
8.如权利要求7所述的一种水体下煤岩地层构造勘测方法,其特征在于,在基础框架内划分若干个三维网格单元时,按照地层所在区域的重要程度和地层所在区域的稳定程度划分网格尺寸大小:在地层重要区域和非稳定区域,网格尺寸为(2~5)m×(2~5)m×(2~5)m;
在地层非重要区域和稳定区域,网格尺寸为(5~20)m×(5~20)m×(5~20)m。
9.如权利要求1所述的一种水体下煤岩地层构造勘测方法,其特征在于,在步骤S6中,在模拟地下水在不同深度地层的流动特性时,建立地下水在煤岩地层中的流动方程:;
其中, 和 分别为X轴和Y轴方向的渗透系数,h为水头,S为储水率,t为时间,在求解流动方程时,运用微积分中的积分变换和数值计算的方法。
10.如权利要求1所述的一种水体下煤岩地层构造勘测方法,其特征在于,在步骤S6中,针对涌水区域划分风险等级,计算涌水区域的水力梯度与地层临界水力梯度的比值,当该比值大于1时,定义为活跃区域,当比值小于等于1时,定义为非活跃区域;模拟断层活动速率值,若断层活动速率值大于1cm/年,定义为活跃区域,若断层活动速率值小于等于1cm/年,定义为非活跃区域;
两个活跃区域叠加的涌水区域为高风险区域,活跃区域和非活跃区域叠加的涌水区域为中风险区域,两个非活跃区域叠加的涌水区域为低风险区域,在地层构造模型中以不同颜色标识高风险区域、中风险区域以及低风险区域的动态变化区域。