传奇矿井涌水量计算的非稳定流解析法 |
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作者:去玩变态 文章来源:Www.75bt.com |
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| 第22卷期2010年10月中国煤炭地质01．22．10．2010：10．3969，．．1674-1803．2010．10．09文章编号：674-1803(2010)10-0038-03矿井涌水量计算的非稳定流解析法华解明(中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸056004)摘要：目前矿井涌水量预测普遍存在着评价方法简单、机械套用计算公式、或利用应用软件玩模拟游戏等现象，反而对非常适用的非稳定流解析法重视不够。根据非稳定流解析法公式的基本原理，对其在矿井涌水量预测方面的适用性进行了讨论，并以山西省霍州煤电集团公司某煤矿采区水文地质补充勘查报告矿井涌水量预测为例进行了计算，计算结果表明：非稳定流解析法的雅柯布(近似)公式对于煤层底板突水的矿井涌水量预测，较稳定流解析法和传统的类比外推法在理论上更适用，操作上更灵活；与数值法相比，其又具有较好的直观性。在实践中，该方法计算过程清晰。计算结果可靠。具有推广应用价值。关键词：矿井涌水量；突水量；非稳定流；雅柯布公式；预测中图分类号：742+．1；641．2文献标识码：(，056004)：，8峨，．"，'8．：，；．，．：；；；；1矿井涌水量预测方法现状矿井涌水量预测是矿床水文地质勘查的主要成果之一。准确预测矿坑涌水量，是一项重要而复杂的工作。我国矿床水文地质工作虽然已经开展半个多世纪。但至今对它的研究还很不够，仍处于近似计算的水平。较早的矿井涌水量计算有类比外推法，如传统的?曲线方程法和水文地质比拟法；相关分析法；稳定流和非稳定流解析法；数值法等。各种方法都有其适用性(局限性)。如曲线方程法在利用抽水资料作外推预测时，推断范围一般不宜超过抽水试验时最大降深的2?3倍，超过时可靠程度基金项目：中国煤炭地质总局科技发展基金项目《煤炭开采顶、底板突水预测评价技术与采空区富水性探测方法研究资助2009一Ⅱ一14。作者简介：华解明(195归)。男，江苏苏州人，教授级高级工程师。收稿日期：20104?12责任编辑：樊小舟就会降低；水文地质比拟法要求具有水文地质条件相似的生产矿区的水文地质资料；相关分析法对原始数据要求较高：稳定流解析法难以适用于矿井疏干条件。而非稳定井流理论却更为完善，因其包含有时间变量，所以能够描述疏干的全部过程，应用发展前景更为广阔。随着计算机技术的发展，数值法模拟矿井水文地质条件，预测矿井涌水量发展迅速，各种应用软件应运而生，其中加拿大水文地质公司研发的即是其中的佼佼者。但是，综观近年来的矿井水文地质勘查报告中有关矿井涌水量预测评价方法，存在两类倾向性问题：一类是图省事，不管适用条件，机械套用计算公式(如“大井法”、?曲线方程法等)，无限制外推；另一类是不认真研究区域和矿床水文地质条件．利用现成的应用软件，玩模拟游戏，最后列出一堆花花绿绿的模拟图纸和数据表格，不知就里。而对于颇为费事，但却能较好适用矿井涌水量预测的非稳定流10期华解明：矿井涌水量计算的非稳定流解析法39解析法却重视不够。本文就此展开讨论。2非稳定流解析法预测矿井涌水量2．1计算公式众所周知，地下水非稳定流数学表达式为：．=器字也。在地下水动力学中，常用井函数形代替指数积分，即形(“)=』二也=-0．5772一“+一互爻至2广+寿一丽4+．．?则方程的解有如下形式：=芈眦)，(1)此式人们称为泰斯公式。当井函数展开式中名的相当小时，级数自第三项以后的项数值都非常小，可以忽略不计，此时式(1)又可表示为：=芈，警，(2)(2)式即为雅柯布近似公式。并已证明，当径向距离较小而时间比较长的情况下，雅柯布近似公式适用。当配取不同数值时，雅柯布近似公式和泰斯公式的误差如表所示。衰1雅可布近似公式和泰斯公式的误差1Ⅱ取值误差≤0．0Ⅱ≤0．05≤0．10．25％左右2％左右5％左右将式(1)变换形式，即得计算井(孔)涌水量公式：=器?击=象，(3)当1,≤0．01。0．1时传奇网。即得涌水量计算的雅柯布近似公式：器他警，(4)其中：?流量(涌水量)，3；?井壁水位降，；卜导水系数，；卜井孔(突水)半径，；，广释水系数；?抽(放)水延续时间，。2．2矿井涌水量计算的适用性一般矿井突水具有突水径大、瞬时水量大、降深大(可达数百)的特点，这些是稳定流理论公式所无法解决的，非稳定流理论方法却能面对这些问题，模拟较大降深、瞬时或是任意时刻的水量变化。上述雅可布公式形式简单，使用方便，是工程技术人员利用钻孔抽水试验资料进行水文地质参数计算常用的方法之一。但是对于矿井涌水量计算是否合适呢，就雅可布近似公式的适用情况分析于下。2．2．1瞬时突水量计算矿井突水时的流量变化具有突水初期涌水量急剧增大至最大值，数小时或数天以后涌水量逐步减少，直至趋于稳定，整个流量变化是一个非稳定流变化过程。因此，所谓的矿井突水量应该是突水初期的最大出水量，一般方法难以求取，而(4)式却能解决，只要所选取的时间满足=24≤0．01加．1条件即可。其实这个条件是很容易满足的。如取释水系数=10。，导水系数=1032，突水半径=0．5，当突水时间18(即186400)时，计算-0．000540．01交流。也就是说，用公式(4)计算任意时刻的突水量，其计算精度误差也在0．25％以下。2．2．2关于井径(突水点径)影响从上面讨论已经看出，突水点的大小，并不会影响公式(4)的适用条件，即使突水点半径再增加一倍．按上面假设的条件，计算-0．00216，也小于0．01。另外。当需要用“疏干范围”来计算矿井涌水量时．可以利用公式(4)的适用条件来判断其“疏干范围”的适宜半径。假设矿井疏干时间为90，其余参数同上，当-0．01时，“疏干半径”可达6000，采掘工作面显然不会如此大。因此，公式(4)中井径的取值，一般不会影响其计算精度。2．2．3水文地质参数获取非稳定流解析法计算公式中的水文地质参数都可以通过抽水试验非稳定流观测资料获得。相对于稳定流公式多了一个释水系数)，此值利用多孔或单孑抽水试验资料不难获得。关于释水系数①)的求取方法已有多种成熟的计算方法，在此不再赘述。2．2．4关于“水跃值”影响利用抽水试验资料进行水文地质参数和水量计算时，往往有人会提出“水跃值”的问题。所谓的“水跃值”，是指潜水井抽水时，井内水位和井壁外水位会有一个水位差。即井内水位比井壁水位低，有人把这个水位差叫“渗出面”。当水位降深很大时，井内水位比井壁水位低得多。实践证明，随着降深的增加，中国煤炭地质第22卷水跃值也相应增大，此时用井内观测水位计算的水文地质参数(渗透系数)会比实际的小很多。井径增大，则水跃值相应的减小。对于矿井涌水量计算．特别是对于我国北方石炭一二叠系煤层下伏的岩溶强含水层涌水量计算。则无需考虑“水跃值”的影响．一方面矿井涌水量计算井径都比较大，更主要的是，对于主要威胁煤矿采掘安全的岩溶地下水都是煤层底板以下的承压地下水。疏干井壁内外不存在“渗出面”。3示例3．1实例山西省霍州煤电集团公司某煤矿采区水文地质补充勘查报告矿井涌水量预测采用了稳定流理论的“大井法”。报告在突水危险性分区的基础上，采用“大井法”预测下组煤开采时底部奥灰岩溶地下水的突水量。计算取表2中的降深和导水系数值，设突水点等效半径为。得出采区区(突水危险性大区)最大突水量为4463：并且根据区采掘疏干面积计算等效井径为927，降深和导水系数值仍取表2中数值，计算得区最大涌水量为19893。现根据非稳定流理论，采用雅可布近似公式(4)计算该矿采区区开采下组煤时底部奥灰岩溶地下水的涌水量。突水半径、水位降深和导水系数值同上，释水系数取1酽，时间分别取(6．910-4)和90，计算得涌水量分别为1643和4163(表2)。表2非稳定流矿井涌水量计算23．2讨论①原报告利用稳定流解析法的“大井法”，以突水点(1等效半径)计算最大突水量和以采掘疏干面积作为“大井”(927等效半径)计算最大涌水量分别为4463和19893。本文利用雅可布公式以突水点涌水量随时间变化规律，计算该区开采下组煤时，奥灰岩溶水的瞬时(1)最大涌水量为1164；矿井疏排90时的涌水量为4163。据此计算结果可以看出，非稳定流解析法较之稳定流解析法更为合理，也更符合矿井涌(突)水规律。②矿井突水的水量变化规律一般是先期大，随着时间推移，逐渐变小，直至趋于稳定。将计算时间为时的涌水量作为瞬时最大突水量，符合矿井突水规律。也符合非稳定流泰斯公式假设。③从表2中可知，采用的参数和时间、=径数据．远远满足Ⅱ≤．～0．1的精度条件，雅可布近似公式适用。4结论①非稳定流解析法预测矿井涌水量较稳定流解析法和传统的类比外推法理论上更适用，应用上更灵活；而与数值法相比，具有较好的直观性传奇之，因其计算过程清晰明了，更受生产单位青睐。②在以往矿床水文地质勘查报告中一般都是计算矿井涌水量．避免涉及“突水量”，因为突水量是指矿井突水时的瞬时涌水量．一般方法难以计算，而非稳定流解析法能够做到。③利用非稳定流解析法不仅能够计算预测矿井涌水量、突水量，还可以在稳定流量的基础上。计算不同时间、不同位置的水位降深或不同条件下的疏排时间，以满足煤矿生产单位制定防治水措施的需要。④非稳定流解析法亦局限于对水文地质条件的理想化，但是通过对非稳定流的反复解析计算。可以加深对计算区域水文地质条件认识的深化。计算预测人员将计算公式编制程序化后，可以极大的提高计算分析速度和工程技术人员的动手动脑水平。⑤以上非稳定流解析法计算预测矿井涌水量都是针对煤层底板下伏高压岩溶地下水矿床类型的．并不适用于煤层顶板含水层疏干时的矿井涌水量预测。⑥本文作为对比分析而引用的稳定流“大井法”实例，取自近年勘查评价报告，而本文的非稳定流解析计算分析，则是尝试一种更符合矿井突水规律的预测评价方法，其准确性和适用性有待生产实际验证，并希望与有关同仁争鸣。参考文献：武克俭，李文彬．地下水加坡理论在井筒涌水量预算中的应用叨．中国煤炭地质，2008，20(11)：24?25．12薛禹群．朱学愚．地下水动力学．北京：地质出版社．1979．31施普德．井水量计算的理论与实践[．北京：地质出版社．1977．4房佩贤，等．专门水文地质学[．长春：长春地质学院出版社，1985．51华解明．“大井法”预测矿井涌水量问题探讨忉．中国煤炭地质。209，21(6)．矿井涌水量计算的非稳定流解析法作者：华解明，作者单位：中国煤炭地质总局水文地质局,河北邯郸,056004刊名：中国煤炭地质英文刊名：年，卷(期)：2010,22(10)参考文献(5条)1.华解明"大井法"预测矿井涌水量问题探讨[期刊论文-中国煤炭地质2009(06)2.房佩贤专门水文地质学19853.施普德井水量计算的理论与实践19774.薛禹群;朱学愚地下水动力学19795.武克俭;李文彬地下水加坡理论在井筒涌水量预算中的应用[期刊论文-中国煤炭地质2008(11) |
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