[0001] 本发明涉及煤矿水害监测技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于数学模型的煤层顶板含水层边界定位系统。

[0002] 在典型的黄土塬梁、沟壑地貌特征矿区，井内含水层由白垩系下统(K1)、侏罗系(J)、三叠系上统(T3)组成，以基岩层状裂隙承压水为主，第四系孔隙潜水次之，煤层开采后，顶板岩层会出现冒落和垮塌，导致覆岩移动并形成导水裂隙，这些裂隙成为含水层水进入矿井的主要通道，地下水通过裂隙优势通道汇集到导水裂隙带，主要沿着层理方向侧向进入，并通过裂隙网络渗入井下采空区，同时，在裂隙带上部的地下水在水头差驱动下向下渗流，形成垂向渗入裂隙带的现象，最终进入矿井采空区，通常情况下，工作面回采后，会以采空区为中心形成导水裂隙带网络，地下水稳定进入这些裂隙带，导致矿井涌水呈现出持续、稳定、逐渐增大的趋势，在顶板垮落过程中，如果导水裂隙沟通到富水性较强的区域，会因为含水层的静储量释放而导致水量突然增大，严重影响工作面回采，因此，采动引起的导水裂隙带是矿井充水的主要通道，对生产造成较大影响，此外，断裂构造常常影响贮水空间、导水通道和积水廊道的形成，对矿井充水有显著影响，张性断层尤其容易形成贮水空间和积水廊道，导致局部富水异常并造成高强度充水，同时，断层作为导水通道，直接或通过裂隙带间接与含水层相连，成为含水层进入矿井的主要充水通道，尤其是在向斜构造中岩层堆积，含水层厚度增大，地下水汇集于向斜核部分，形成水害高发区，同时煤层坡向变率偏高的地区会受到褶皱和采动影响较大，在含水层隔水层岩芯采取率越低岩体完整性越差，裂隙发育程度越高，突水危险性更高，然而，顶板含水层边界的定位往往不准确，使得煤层顶板水害的预警和防治变得困难。

[0036] 下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的技术方案仅仅是本发明一部分而不是全部。基于本发明中的发明内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他技术方案，都属于本发明保护的范围。

[0037] 煤层顶板含水层通常由白垩系下统、侏罗系和三叠系上统等多个地层组成。这些地层在地质年代上各不相同，由于不同的岩性和成岩作用，它们的水文地质条件也有所区别。这些含水层中，基岩层状裂隙承压水是主要的水源。这类水主要存于岩石的自然裂隙中，由于裂隙的连通性和广泛性，这类水具有较高的流动性和一定的压力，对矿井的水害防治构成较大的挑战。位于上述基岩层之上的第四系地层中，主要以孔隙潜水形式存在，这类水填充在较松散的沉积物孔隙中，其水动力条件通常较弱，但在地下水位较高或降水丰富时，也能对矿井安全构成威胁。由于地层的多样性和复杂的构造活动，这些区域的水文地质条件通常较为复杂。不同地层和不同区域的水文地质特征可能大相径庭，需详细调查以准确评估矿区的水害风险。地下水在裂隙中的高压力可能导致矿井中的水突发，特别是在煤层开采过程中，如果穿透到含水较丰富的裂隙系统，会引发严重的水害事故。因此针对这样的地质特征，本发明提出一种基于数学模型的煤层顶板含水层边界定位系统。

[0038] 如图1所示，本发明提出的一种基于数学模型的煤层顶板含水层边界定位系统，包括井下设备和地面设备，井下设备包括地质数据采集模块、压力传感器、水位监测传感器、光纤微震传感器、数据采集分站和地下交换机，地质数据采集模块采集钻探、地震勘测、地质测绘手段获取矿井区域煤层、顶板岩层和含水层分布的地质数据，并将数据传输给数据采集分站，压力传感器、水位监测传感器、光纤微震传感器实时采集矿井内的水压、水位、矿井周边岩体破裂信号、微震定位和能量数据，并将数据传输给数据采集分站，数据采集分站汇集并存储井下各类传感器的数据和地质数据，将数据传输给地下交换机，地下交换机利用网络路由算法，优化数据传输路径，地面设备包括地表背景噪声成像设备、地上交换机、监测主机、GIS系统、云计算平台、时间服务器和数据分析主机，地表背景噪声成像设备采集地表背景噪声数据，基于背景噪声的地震成像算法，反演地下煤层、含水层及岩层结构，地上交换机用于实现地面设备之间的数据交换，并通过光纤与地下交换机实现数据传输，监测主机使用数据融合和综合分析算法，实时监控和处理来自井下和地面的数据，GIS系统基于地理空间分析算法，用于空间数据的处理和展示，云计算平台利用云计算技术、分布式计算和大数据处理算法，部署计算和存储资源，时间服务器基于网络时间协议，确保时间同步精度，数据分析主机将采集的数据输入预设的第一含水层特征分析公式、第二含水层特征分析公式、第三含水层特征分析公式，分别获取第一含水层特征分析值、第二含水层特征分析值、第三含水层特征分析值，再将这三个数据输入预设的综合含水层定位特征分析公式，获取综合含水层定位特征分析值，结合数学模型、GIS技术、三维模型，实现顶板含水层边界定位。

[0039] 使用贝塞尔函数、勒让德多项式、拉盖尔多项式等高级数学模型，精确描述地下水流动和岩层应力分布，提高含水层边界的定位精度，减少矿井水害发生的风险，融合井下设备和地面设备，实现多源数据的实时采集和融合，提高数据的完整性和可靠性，通过监测主机和GIS系统，利用数据融合和综合分析算法，实时监控井下和地面的数据，提供动态预警和实时分析，帮助及时发现和处理潜在的水害风险，能够处理和分析复杂的地质和水文数据，提供更高精度和更深层次的分析结果，利用三维建模技术，构建详细的三维地质模型，直观展示煤层、顶板岩层和含水层的三维分布，有助于更全面地理解地下水流动和岩层稳定性，地下交换机利用网络路由算法优化数据传输路径，云计算平台提供高效的计算和存储资源，确保数据传输和处理的高效性和实时性，通过综合含水层定位特征分析公式，结合多种分析结果，提供全面的决策支持信息，帮助制定科学有效的水害预防和治理策略。

[0040] 需要说明的是，在数据分析主机中，预设的第一含水层特征分析公式使用贝塞尔函数分析地下水流经圆形及弯曲通道的行为，使用勒让德多项式分析煤层含水层中水流在复杂地质结构中的动态，使用误差函数分析含水层岩体应变率在预设范围内的变异性，含水层边界地质特征分析公式为：

[0041] GFA＝α*BESSELJ(0,SD)+β*LEGENDRE(1,GR)+γ*ERF(SR)

[0042] 式中：GFA为第一含水层特征分析值，SD为地震数据，来源于地表背景噪声成像设备，包括地震波速和振幅，GR为地质雷达探测结构，来源于地下地质数据采集模块，提供岩层和煤层的厚度及连续性信息，SR为岩体应变率，由压力传感器测得，反映岩石应力状态，α、β、γ为根据实际地质条件调整的权重系数，BESSELJ为贝塞尔函数，LEGENDRE为勒让德多项式，ERF为误差函数。

[0043] 在数据分析主机中，预设的第一含水层特征分析公式利用贝塞尔函数、勒让德多项式和误差函数等高级数学函数来处理和分析地质数据。这些函数各自有其特殊的表达形式和独特的应用价值。贝塞尔函数零阶形式表达式J0(SD)，具有径向对称性，适用于描述在圆形或弯曲路径(如钻孔周围)中的流动和波动，用于分析地下水流经圆形及弯曲通道的行为，精确模拟地下水的流动路径和流速。勒让德多项式的一阶勒让德多项式在球形坐标系中具有很好的正交性，适用于描述复杂地质结构中的水流动态，用于分析煤层含水层中水流在复杂地质结构中的动态，能够处理地质雷达探测结构中的厚度及连续性信息。误差函数能够平滑地处理在预设范围内的变异性，适用于处理噪声和异常值，用于分析含水层岩体应变率的变异性，能够平滑处理应变率数据中的噪声和异常值，提高数据的准确性。权重系数的设置基于实际地质条件和各变量对含水层特征的重要性。具体设置方法包括：

[0044] 历史数据分析：基于矿井的历史监测数据，分析各变量在预测水害风险中的贡献度。

[0045] 专家经验：综合地质专家和工程师的经验，对各变量的重要性进行权重分配。

[0046] 统计方法：使用回归分析或机器学习算法，计算各变量对结果的影响，设置相应的权重。

[0047] 通过高级数学函数的应用，可以精确模拟地下水流动和岩层应力分布，提高含水层边界定位的精度。误差函数能够平滑处理数据中的噪声和异常值，保证分析结果的可靠性。结合地震数据、地质雷达探测数据和岩体应变率，提供全面的地质特征分析，实时监控和处理数据，提供动态预警和实时分析，及时发现和处理潜在的水害风险，通过综合含水层定位特征分析公式，提供全面的决策支持信息，帮助制定科学有效的水害预防和治理策略。

[0048] 需要说明的是，在数据分析主机中，预设的第二含水层特征分析公式利用拉盖尔多项式分析含水层水压随深度衰减的非线性特性，利用切比雪夫多项式平衡地质数据处理中裂隙率的测量误差，减少极端数据点的影响，利用埃尔米特多项式分析含水层微震信号强度和频率中的峰值和噪声，预设的第二含水层特征分析公式为：

[0049] FRA＝δ*LAGUERRE(1,WP)+ε*CHEBYSHEV(1,FR)+ζ*HERMITE(1,MS)[0050] 式中：FRA为第二含水层特征分析值，WP为水压数据，由水位监测传感器提供，反映含水层的压力状态，FP为裂隙发展率，由光纤微震传感器提供的微震数据分析得出，MS为微震信号的强度和频率，由光纤微震传感器采集，δ、ε、ζ为根据矿井内具体情况调整的权重系数，LAGUERRE为拉盖尔多项式，CHEBYSHEV为切比雪夫多项式，HERMITE为艾尔米特多项式。

[0051] 椭圆积分公式适用于描述水流通过不规则路径时的动态，有助于更准确地模拟和预测含水层的流动行为；黎曼ζ函数可以揭示隔水层质量分布中的复杂模式和不均匀性，为隔水层的特性分析提供科学依据；切比雪夫多项式在平滑和优化温度数据方面表现优异，能够减少数据中的噪声和异常波动，提供更可靠的温度分布分析。

[0052] 需要说明的是，在数据分析主机中，预设的第三含水特征分析公式利用椭圆积分公式计算含水层水流通过不规则岩层时的流动，通过黎曼ζ函数分析隔水层质量的分布特性，通过切比雪夫多项式处理温度数据的变化，稳定和平滑温度分布数据，第三含水层特征分析公式为：

[0053] MDA＝η*ELLIPTIC(WI)+θ*ZETA(QC)+ι*CHEBYSHEV(1,TS)

[0054] 式中：MDA为第三含水层特征分析值，WI为水流入量，由水位监测传感器和水质监测传感器提供，QC为隔水层的质量，从地质数据采集模块的钻探数据中获得，T为井下隔水层温度稳定性代表值，由井下温度传感器监测获得，ELLIPTIC为椭圆积分公式，ZETA为黎曼ζ函数。

[0055] 通过使用椭圆积分、黎曼ζ函数和切比雪夫多项式，能够更精确地模拟和理解不规则岩层中水流的行为、隔水层的质量分布以及温度变化。这些高级数学工具能帮助揭示数据中隐藏的复杂模式和关系，从而提供更深入的地质理解；准确的数据分析使得预测含水层的行为和反应变得更加可靠，通过黎曼ζ函数分析隔水层的质量分布能帮助预测该层的稳定性和风险点，从而提前采取预防措施；精确的数据分析结果能指导矿井开采和水害防治的策略，使资源管理更加高效，对水流动态的精确理解能帮助优化排水系统设计，减少开采中的水害风险；通过分析温度数据的变化和稳定性，能更好地控制矿井内的环境条件，及时发现潜在的问题区域，能有效降低由于环境不稳定引起的安全事故的风险。

[0056] 需要说明的是，综合含水层特征分析值为第一含水层分析值、第二含水层分析值和第三含水层分析值的加权之和，综合含水层特征分析公式为：

[0057] CLA＝κ*GFA+λ*FRA+μ*MDA

[0058] 式中：CLA为综合含水层特征分析值，κ、λ、μ分别为综合重视程度系数。

[0059] 通过将不同含水层的分析值结合起来，能获得一个更全面的地下水系统概述，有助于揭示不同含水层之间的相互作用和综合影响，提供更为全面的地下水状况分析；通过为每个含水层分配不同的权重系数，能根据各层的实际重要性和对总体安全和效率的影响程度进行调整，更加灵活和针对性的分析，确保关键因素得到足够的关注；综合含水层特征分析值提供一个量化的、易于解读的指标，有助于快速评估整体地质情况和潜在风险，从而做出更明智的管理决策；通过综合分析，能更有效地识别哪些区域需要更多的监测和维护资源，哪些区域相对安全，从而优化资源分配和投入；整合多源数据不仅能提高对潜在问题的预测能力，还能在水文地质异常或水害风险较高的情况下及时提醒相关人员采取行动；使用加权和的数学模型进行数据综合处理显示了数据分析的科学性和系统性，有助于提高结果的准确性和可靠性。

[0060] 需要说明的是，数学模型的应用流程包括：

[0061] 步骤一，数据采集和处理：利用地质数据采集模块、压力传感器、水位监测传感器和光纤微震传感器，收集关于煤层、顶板岩层和含水层的地质数据，以及水压、水位和微震活动数据，并将这些数据传输至数据采集分站，汇总至地下交换机；

[0062] 步骤二，数据传输：地下交换机通过光纤和地面交换机进行数据交换和传输，并将数据传输给监测主机，监测主机实时监测获取的数据，并将数据传输给GIS系统、云计算平台、时间服务器和数据分析主机；

[0063] 步骤三，特征分析：通过数据分析主机中预设的第一含水层特征分析公式、第二含水层特征分析公式、第三含水层特征分析公式分别获取第一含水层特征分析值、第二含水层特征分析值和第三含水层特征分析值。

[0064] 通过压力传感器、水位监测传感器和光纤微震传感器收集数据，能获取高精度和实时的地质以及水文数据，这些数据的准确性是进行有效分析和制定应对措施的基础；数据从地下通过光纤传输至地面交换机，并实时监控，使得任何异常或重要的地质活动都能迅速被检测和响应，极大地提高了对潜在风险的管理能力和响应速度；通过GIS系统、云计算平台和数据分析主机的结合使用，数据不仅仅是被收集和监控，还被综合分析，以揭示更深层次的模式和趋势，这种综合分析能力是优化矿产资源开发和管理的关键；利用专门设计的含水层特征分析公式，能详细了解不同含水层的特性，如水压、水位和微震活动等，这些分析结果对于预防水害、优化矿井设计和提高安全性至关重要；所有数据和分析结果的集成提供了强大的决策支持，特别是在资源分配、风险管理和灾害预防方面，具有显著的作用。

[0065] 需要说明的是，GI S系统基于地理空间分析算法，进行空间数据的处理和展示的过程包括：

[0066] 步骤1，数据整合：整合井下数据和地面数据，井下数据包括地质数据采集模块、压力传感器、水位监测传感器和光纤微震传感器收集的数据，地面属于包括地表背景噪声成像设备采集的地震数据；

[0067] 步骤2，数据传输：将步骤1采集的数据在数据采集分站汇总后通过地下交换机和地上交换机传输到监测主机；

[0068] 步骤3，空间数据处理：GIS系统利用地理空间分析算法处理接收的数据，将地质结构、水文地质数据和微震事件数据转换为空间数据模型，帮助识别关键的地质特征，包括断层线、裂隙区域和水流路径；

[0069] 步骤4，可视化展示：GIS系统提供动态地图和三维视图，帮助直观观察地下结构的分布，包括煤层、顶板岩层和含水层的分布，整合热点分析和趋势预测工具，帮助预测矿井顶板含水层水害。

[0070] G IS系统能够整合来自不同来源(井下和地面)的地质和环境数据，这种集成视图为管理和决策提供了一个全面的数据基础，有助于识别和解决跨不同数据集的复杂问题；通过GIS的地理空间分析算法，能精确地处理和解释地质结构、水文地质和微震事件数据，有助于精确识别断层线、裂隙区域和水流路径等关键地质特征，这对于矿井设计和灾害预防至关重要；GI S提供的动态地图和三维视图使得地下结构和地质现象的观察更为直观，不仅提高了数据的可解释性，也使非专业人员能更容易理解复杂的地质情况；GI S系统中的热点分析和趋势预测工具能基于历史和当前数据提供未来的风险评估，为矿井管理提供了前瞻性的决策支持，有助于提前规划和实施必要的预防措施，从而减少潜在的安全事故和经济损失；GIS系统能快速处理和展示实时数据，使得在发生地质或水文事件时，响应措施能更加迅速和有针对性，对于应对突发水害地质灾害尤为重要。

[0071] 需要说明的是，三维模型的构建过程包括：

[0072] 步骤S1，模型的初步构建：利用数学模型对数据初步分析，去读懂关键地质特征和参数，包括含水层的边界、岩层的应力状态；

[0073] 步骤S2，模型细化：将初步构建的模型分为不同层次，包括煤层、顶板岩层和含水层，每一层设置不同的厚度、孔隙率、渗透率的属性参数，使用克里金插值法为每一层分配属性值，确保模型的连续性和准确性；

[0074] 步骤S3，模型的验证和动态更新：将模型和实测数据进行比对，验证模型的准确性，及时调整模型参数，实时监测采集新的数据，并将其传输至数据分析主机，利用实时数据对模型进行动态更新，根据新数据对模型进行优化和调整，确保模型的持续准确性，在监测到新的微震事件时，更新模型中的裂隙位置和扩展情况；

[0075] 步骤S4，模型的展示和应用：使用三维可视化软件展示地质模型，提供交互功能，使用模型进行流体动力学模拟，预测含水层变化和水害风险，模拟开采活动对含水层的影响，评估突水涌入点和流量，根据模拟结果指定矿井安全管理和水害防治措施，并提供详细的报告和分析结果。

[0076] 通过数学模型初步分析地质数据，确定关键地质特征和参数，如含水层边界和岩层应力状态，能建立更为精确的地质认知，这种精确的初步分析是所有后续决策和模拟的基础；通过克里金插值法等先进的地统计方法细化模型，赋予不同地层详细的物理和化学属性，如厚度、孔隙率和渗透率，保证了模型的连续性和高度准确性，这种详细性对于理解复杂地质结构至关重要；将最新的实测数据与模型对比并用于动态更新，确保模型始终反映当前的地质状态，能够及时捕捉地下环境的变化，如新的微震事件和裂隙扩展，从而使模型持续有效；使用模型进行流体动力学模拟，能预测含水层的变化和潜在的水害风险，评估开采活动的影响，这种模拟对于预测和防控突水灾害、制定安全措施极为重要；三维可视化和交互功能提升了模型的可用性和直观性，帮助更好地理解复杂的地质情况和模拟结果，使得非专业人员也能理解模型分析结果，增强跨部门的沟通和决策制定；根据模型的分析和预测结果，能更有效地设计矿井结构，制定应急响应计划和安全措施，有助于减少人员伤亡和财产损失，确保矿井操作的安全性；模型用于生成详细的报告和分析结果，为科学研究、合规报告和未来的地质探索提供文档支持。

[0077] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

[0078] 最后：以上所述仅为本发明的优选方案而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。