CN111798043B - 一种矿井涌水量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种矿井涌水量计算方法，提出矿井涌水量非稳定流动态预测方法‑非稳定流释水‑断面流法，在计算矿井涌水量时，考虑了因煤层上覆地层周期性冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量，与其外侧含水断面的弹性释水量叠加得到矿井涌水量，对于冒裂二元结构体的外侧释水断面，研究了其工作面随时间不断推进的迭代过程，推导出每次顶板冒裂各释水断面持续释水时间以及涌水量，提供了新的矿井涌水量预测方法‑非稳定释水‑断面流法，能够计算在不断推进迭代过程中的矿井涌水量，考虑的矿井涌水量相关因素更加全面，最终计算出的矿井涌水量更加准确。
Description
技术领域
本发明属于地质勘探技术领域，尤其涉及一种矿井涌水量计算方法。
背景技术
对于矿井涌水量的计算，目前主要的计算方法有大井法、比拟法和数值法。
基于传统采煤方法、规模等因素的矿井涌水量预测，囿于对矿井水文地质条件的简单概化，对矿井顶板地下水含水***认识不足，忽略了煤层上覆地层周期性冒裂形成冒裂二元结构体的自身含水释放及其外侧释水断面弹性释水。这是矿井涌水量计算中往往误差较大的重要原因之一。如，常用的“大井法”就完全无视其“井”含水介质的存在，即忽视了冒裂二元结构体的自身含水释放量，漏掉了矿井最初、最直接的涌水，因此是不全面、不准确的计算。
比拟法为经验公式，没有理论依据，且需要比拟对象；数值法需要完备的水文地质数据，对勘探结果的详细程度有很大的要求。
发明内容
为克服上述现有问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种矿井涌水量计算方法。
本发明实施例提供了一种矿井涌水量计算方法，包括：
计算单次冒裂二元结构体的自身含水释放量和所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量；
随着工作面随时间不断推进，计算每次顶板冒裂各释水断面持续释水时间及涌水量；
计算不断推进迭代过程中当前冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量和所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量；
将当前冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量和所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量叠加得到当前冒裂的矿井涌水量。
本发明实施例提供一种矿井涌水量计算方法，提出矿井涌水量非稳定流动态预测方法—非稳定流释水-断面流法，在计算矿井涌水量时，考虑了因煤层上覆地层周期性冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量，与其外侧含水断面的弹性释水量叠加得到矿井涌水量，对于冒裂二元结构体的外侧释水断面，研究了其工作面随时间不断推进的迭代过程，推导出每次顶板冒裂各释水断面持续释水时间以及涌水量，提供了新的矿井涌水量预测方法—非稳定释水-断面流法，能够计算在不断推进迭代过程中的矿井涌水量，考虑的矿井涌水量相关因素更加全面，最终计算出的矿井涌水量更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的矿井涌水量计算方法整体流程示意图；
图2为本发明实施例的冒裂二元结构体示意图；
图3为本发明实施例的冒裂二元结构体示意图；
图4为本发明实施例的冒裂二元结构体外侧断面定降深释水示意图；
图5为冒裂二元结构体外侧断面延展、迭代示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
参见图1，提供了一种矿井涌水量计算方法，包括：
计算单次冒裂二元结构体的自身含水释放量和所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量；
随着工作面随时间不断推进，计算每次顶板冒裂各释水断面持续释水时间及涌水量；
计算不断推进迭代过程中当前冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量和所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量；
将当前冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量和所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量叠加得到当前冒裂的矿井涌水量。
可以理解的是，针对现有技术的问题，本发明实施例提供了一种新的涌水量计算方法，在研究、刻画释水断面延展、迭代时空规律基础上，给出断面释水流量预测方法、公式，与冒裂二元结构体自身周期性释水流量叠加，获新的矿井涌水量预测方法—非稳定释水-断面流法。
其中，对于煤层上覆地层周期性冒裂形成的冒裂二元结构体(也可称为采空区)，冒裂二元结构体的边界呈六面体闭合形态，参见图2。底部边界为煤层底板，通常为隔水边界；厚基岩型顶部边界常为隔水边界；薄基岩型顶部边界多与松散孔隙含水层或地表(水)相通，通常不宜触及，或露天开采，或采取防治水工程措施后方可开采，该类边界流量问题本方案暂不涉及。所切围岩近似对称的四周边界断面，形成所及承压含水层的释水断面，为矿井涌水的主要途径。因此，将采空区概化为四面进水的箱形模型进行矿井涌水量的预测，其中，采空区的箱形模型，可参见图3。
厚基岩条件下矿井涌水通常由冒裂二元结构体自身释水与其四周外侧边界对称断面释水叠加而成，而冒裂二元结构体及其外侧边界释水断面随工作面推进或持续释水或周期性更替或周期性延展累积，矿井涌水量随之变化。首先计算单次冒裂二元结构体的自身含水释放量和冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量，随着工作面的推进，计算每次顶板冒裂各释水断面持续释水时间及涌水量，随着不断推进迭代过程，计算当前冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量和冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量，将冒裂二元结构体的自身含水释放量和外侧释水断面的弹性释水量叠加得到矿井涌水量。设当前冒裂二元结构体自身释水量为Q内，其外侧边界释水断面的释水量为Q外，则矿井涌水量为：
Q＝Q内+Q外。(1)
作为一个可选的实施例，随着工作面随时间不断推进，计算每次顶板冒裂各释水断面持续释水时间及涌水量包括：
计算每次冒裂各释水断面的单宽流量和各释水断面的持续释水时间；
根据每次冒裂各释水断面的单宽流量和各释水断面的持续释水时间，计算每次顶板冒裂各释水断面的涌水量。
可以理解的是，因冒裂自下而上发育，裂隙由含水层底板切入，因此假定冒裂二元结构体外侧边界切穿所及承压含水层。设含水层均质、各向同性、等厚、平面无限延伸，地下水运动符合达西定律，且承压水头下降时含水层地下水释放瞬时完成。进而认为，随冒裂二元结构体发育、释水，其外侧边界裂隙所切承压含水层水头同时降至其顶界，外侧承压含水层地下水由边界断面释放。据此，认为边界含水层断面影响区域之地下水向矿井运动为一维非稳定流，可用非稳定流定降深沟(渠)流方程描述，可参见图4，描述方程为：
求解上列方程，得降深方程：
S＝S定Ds(u)；(3)
式中，Ds(u)称为定降深沟流降深函数，可通过查表获得。
基于以上各方程，根据达西定律和公式(3)，计算边界过水断面外侧任意距离x处在时间t时刻的单宽流量：
则边界过水断面处单宽流量q(t)，只要使上式中x→0即可获得，为：
若边界过水断面所及n个承压含水层，则第i承压含水层释水断面单宽流量表示为：
作为一个可选的实施例，计算每次冒裂各释水断面的持续释水时间包括：
每次顶板冒裂各释水断面持续释水时间可由下式获得：
ty＝(d-j)tz+td。(9)
其中，同一工作面顶板冒裂破断距为定值，在工作面正常推进中，顶板冒裂破断时间间隔视为常数，用tz表示，d表示冒裂总次数，j表示冒裂序数，td表示第d次冒裂形成的释水断面释水延续时间，0＜td≤tz，若d次冒裂后工作面推进减缓或停采，则td＞tz。
其中，冒裂二元结构体及其平行工作面推进方向的外侧边界过水断面，随煤层开采即上覆含水层周期性冒裂而延展累积。如图5所示，平行、垂直工作面推进方向释水断面分别为aj、bj断面，宽度分别为a、b，其中，j为随着工作推进的第j次冒裂。
对于每一个冒裂，均产生两个a断面，产生一个b断面，初次冒裂，a、b四断面所切承压含水层的定降深由初始流场之初始水头决定，即，同含水层四断面定降深可视为相同；按一维流理论，水头压力沿断面外法线方向传导，因此，每次冒裂形成的a断面其释水定降深也均由断面处初始水头算起(若初始流场水力坡度小，可令定降深为定值或取工作面区段均值)；b0断面持续释水；b1及其之后更替的bj断面(第二次冒裂之后的各次冒裂b断面)释水定降深，由前次冒裂形成的bj-1释水断面释水在此处彼时形成的“降压漏斗”水头决定，断面的释水定降深为不断衰减的变量，如公式(10)所示：
作为一个可选的实施例，冒裂二元体结构外侧释水断面包括沿平行、垂直工作面推进方向分别为aj、bj断面，aj、bj断面的宽度分别为a、b，其中，j为随着工作推进的第j次冒裂。
通过如下方式计算每一次冒裂形成的a断面的释水流量：
根据公式(7)，a断面单一承压含水层释水流量可用下式计算：
Sa定＝H0；
其中，H0为初始水头，a为a断面宽度，m。
若边界释水断面所及n个承压含水层(与冒裂二元结构体中含水层对应)则，a断面的所有承压含水层释水总流量可由下式获得：
式中，Saji定为第j次冒裂a断面第i承压含水层定降深，m；Ti为第i承压含水层导水系数，12t-1；ui ※为第i承压含水层贮水系数。
作为一个可选的实施例，通过如下方式分别计算b0断面及bj断面的释水流量：
通过如下公式计算b0断面单一承压含水层释水流量：
式中，b为b断面宽度，m。
对于n个承压含水层，b0断面的所有承压含水层的释水总流量为：
式中，为b0断面i含水层定降深，m。
与b0断面对称的断面bj，随周期性冒裂而更新，如前所述，第二次冒裂之后形成的该断面的定降深皆随前期断面释水所引起的承压水头降低而减小，见(8)式，bj释水断面单一承压含水层释水流量由下式计算：
其中，Sbj定可参考公式(10)
对于n个释水含水层，bj断面的所有释水含水层的释水总流量为：
作为一个可选的实施例，a，b断面释水流量叠加得随顶板周期性冒裂而变化的边界释水断面流量，即Q外，由公式(12)、(14)和(16)可得：
式中，sji定 0为第j次冒裂a断面第i个承压含水层定降深，m；s0i定为b断面第i个承压含水层定降深，m；sji定为第j次冒裂bj断面第i个含水层定降深，m；
若初始流场水力坡度较小或b断面间初始水头差远小于定降深，则sji定 0≈s0i定，则：
作为一个可选的实施例，冒裂二元体结构的自身含水释放量包括冒裂二元体结构的重力释水流量和冒裂二元体结构的弹性释水流量。
可以理解的是，首先对冒裂二元结构体自身释水进行计算，顶板含水层冒裂的同时，冒裂二元结构体中含水层承压水头骤降为零，承压含水层地下水弹性贮存瞬间释放形成最初的矿井涌水。
其中，冒裂二元体结构的自身含水释放量主要包括冒裂二元体结构的重力释水流量和冒裂二元体结构的弹性释水流量两部分。
作为一个可选的实施例，通过如下方式计算冒裂二元体结构的重力释水流量：
式中：Qi重为第i含水层重力释水流量，m3t-1；Ki为第i含水层渗透系数，mt-1；F为冒裂面积，m2；
通过如下方式计算冒裂二元体结构的弹性释水总流量：
对于冒裂二元体结构，所有承压含水层的弹性释水量为：
式中，F为冒裂面积，m2；Hi第i含水层承压水头，m；ui ※第i含水层贮水系数，n为冒裂二元结构体的承压含水层的数量。
对于冒裂二元体结构，所有承压含水层的重力性释水量为：
式中：Mi为第i含水层厚度，单位m；ui第i含水层给水度。
其中，V弹和V重分别为冒裂二元结构体弹性、重力释水(体积)量计算公式，冒裂二元体结构的总释水量为：
为了刻画其释水过程、释水延续时间及强度，进而进行矿井涌水流量累积预测计算，需获得其释水流量。冒裂二元结构体所含重力水量固定，冒裂二元体结构的重力释水延续时间为Tu，亦即冒裂二元结构体疏干时间，由公式(19)和公式(21)可得：
将弹性释水量的瞬时释放延长至与重力释水延续时间相同，即将弹性释水量均分于重力释水延续时间段，则由(20)、(23)式得冒裂二元结构体的所有承压含水层的弹性释水总流量：
由公式(19)和公式(24)冒裂二元结构体的自身含水释放量为：
其中，通过二元结构体自身释水和外边界断面释水的研究课对矿井涌水量进行动态预测。研究表明，冒裂二元结构体中承压含水层释水(弹性、重力)持续时间较短，通常小于冒裂周期，即，Tu＜tz，这也是随冒裂矿井涌水由大渐小的影响因素之一。容易理解，冒裂二元结构体释水的阶段性、不连续及其周期性特征。因此，仅将预测时间点之前形成的冒裂二元结构体在Tdu时间段的释水流量计入彼时矿井涌水总流量。据此，将该二元结构体冒裂面积Fd、承压水头Hdi及重力释水时间Tdu代入(25)式，得到：
式中，Fd为冒裂二元结构体第i承压含水层的冒裂面积、Hdi为冒裂二元结构体第i承压含水层，Tdu为为冒裂二元结构体的重力释水延续时间。
将(18)式和(26)式代入式(1)中，得到每一次冒裂时矿井涌水量：
本发明实施例提供的一种矿井涌水量计算方法，研究煤层上覆含水层发育规律及深层地下水赋存机理，在揭示承压含水层弹性贮存、弹性释放之非稳定流本质特征基础上，提出矿井涌水量非稳定流动态预测方法——非稳定流释水-断面流法，在计算矿井涌水量时，考虑了因煤层上覆地层周期性冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量，与其外侧释水断面的弹性释水量叠加得到矿井涌水量，相比传统忽略煤层上覆地层周期性冒裂形成冒裂二元结构体的自身含水释放量及其外侧释水断面的弹性释水，对于冒裂二元结构体的外侧释水断面，研究了其工作面随时间不断推进的迭代过程，推导出每次顶板冒裂各释水断面持续释(涌)水时间以及涌水量，提供了新的矿井涌水量预测方法—非稳定释水-断面流法，能够计算在不断推进迭代过程中的矿井涌水量，考虑的矿井涌水量相关因素更加全面，最终计算出的矿井涌水量更加准确。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种矿井涌水量计算方法，其特征在于，包括：
计算单次冒裂二元结构体的自身含水释放量和所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量；
随着工作面随时间不断推进，计算每次顶板冒裂各释水断面持续释水时间及涌水量；
计算不断推进迭代过程中当前冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量和所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量；所述当前冒裂形成的所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量是基于所述外侧释水断面持续释水时间及涌水量得到的；
将当前冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量和所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量叠加得到当前冒裂的矿井涌水量；
所述随着工作面随时间不断推进，计算每次顶板冒裂各释水断面持续释水时间及涌水量包括：
计算每次冒裂各释水断面的单宽流量和各释水断面的持续释水时间；
根据每次冒裂各释水断面的单宽流量和各释水断面的持续释水时间，计算每次顶板冒裂各释水断面的涌水量；
所述计算每次冒裂各释水断面的单宽流量包括：
所述冒裂二元体结构外侧释水断面影响区域地下水向矿井运动为一维非稳定流，能够用非稳定流定降深沟流方程描述：
；
求解上列方程，得降深方程：
；
；
；
式中，称为定降深沟流降深函数；
根据达西定律，计算边界过水断面外侧任意距离x处在时间t时刻的单宽流量：
；
则边界过水断面处单宽流量q(t)为：
；
对于单一承压含水层，其释水断面单宽流量为：
；
所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量为：
Q外=Qa(t)+Qb0(t)+Qbj(t)
；
式中，为第j次冒裂a断面第i个承压含水层定降深，m；
为b断面第i个承压含水层定降深，m；/>为第j次冒裂bj断面第i个含水层定降深，m；
若初始流场水力坡度较小或b断面间初始水头差远小于定降深，则，，则：
；
所述冒裂二元体结构的自身含水释放量包括冒裂二元体结构的重力释水流量和冒裂二元体结构的弹性释水流量；
通过如下方式计算冒裂二元体结构的重力释水流量：
；
式中：Qi重为第i含水层重力释水流量，m3t-1；为第i含水层渗透系数，mt-1；F为冒裂面积，m2；
通过如下方式计算冒裂二元体结构的弹性释水总流量：
对于冒裂二元体结构，所有承压含水层的弹性释水量为：
；
式中，F为冒裂面积，m2；第i含水层承压水头，m；/>为第i含水层贮水系数，n为冒裂二元结构体的承压含水层的数量；
对于冒裂二元体结构，所有承压含水层的重力性释水量为：
；
式中：Mi为第i含水层厚度，单位m;ui第i含水层给水度；
冒裂二元体结构的重力释水延续时间Tu为：
；
冒裂二元体结构的所有承压含水层的弹性释水总流量为：
；
其中，冒裂二元体结构的弹性释水延续时间与重力释水延续时间相同；
冒裂二元结构体的自身含水释放量为：
；
其中，在冒裂二元结构体的自身含水释放量的计算统计时，将计算统计之前形成的冒裂二元结构体在Tdu时间段的释水流量计入彼时矿井涌水总流量，则：
；
式中，为冒裂二元结构体第i承压含水层的冒裂面积、Hdi为冒裂二元结构体第i承压含水层，/>为冒裂二元结构体的重力释水延续时间。
2.根据权利要求1所述的矿井涌水量计算方法，其特征在于，所述计算每次冒裂各释水断面的持续释水时间包括：
每次顶板冒裂各释水断面持续释水时间可由下式获得：
；
其中，同一工作面顶板冒裂破断距为定值，在工作面正常推进中，顶板冒裂破断时间间隔视为常数，用tz表示，d表示冒裂总次数，j表示冒裂序数，td表示第d次冒裂形成的释水断面释水延续时间，0＜td≤tz，若d次冒裂后工作面推进减缓或停采，则，td＞tz。
3.根据权利要求2所述的矿井涌水量计算方法，其特征在于，
所述冒裂二元体结构外侧释水断面包括沿平行工作面推进方向aj断面、垂直工作面推进方向bj断面，aj断面的宽度分别为a，bj断面的宽度为b，其中，j为随着工作推进的第j次冒裂。
4.根据权利要求3所述的矿井涌水量计算方法，其特征在于，通过如下方式计算每次冒裂aj断面的涌水量：
aj断面单一承压含水层释水流量可用下式计算：
；
；
式中，H0为初始水头，a为aj断面宽度，m，则aj断面的所有承压含水层的释水总流量为：
；
式中：为第j次冒裂aj断面第i承压含水层定降深，m；Ti为第i承压含水层导水系数，l2t-1；ui ※为第i承压含水层贮水系数。
5.根据权利要求4所述的矿井涌水量计算方法，其特征在于，通过如下方式分别计算b0断面及bj断面的释水流量：
通过如下公式计算b0断面单一承压含水层释水流量：
；
；
式中，b为b断面宽度，m；
则b0断面的所有承压含水层的释水总流量为：
；
式中，为b0断面i含水层定降深，m；
bj断面单一承压含水层释水流量由下式计算：
；
其中，每次冒裂各断面释水定降深为不断衰减的变量：
；
则bj断面的所有承压含水层的释水总流量为：
。
6.根据权利要求5所述的矿井涌水量计算方法，其特征在于，所述将当前冒裂形成的冒裂二元结构体的自身含水释放量和所述冒裂二元体结构外侧释水断面的弹性释水量叠加得到当前冒裂的矿井涌水量包括：
。
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