8第七章煤矿涌水量预测

目的：煤矿涌水量不仅是对煤田进行技术经济评价的重要指标，而且也是设计和生产部分制订采掘方案、确定排水能力和防治措施的重要依据。任务：煤田勘探（详勘）阶段要进行首采区及第一开采水平的正常和最大涌水量预计；煤矿建设和生产阶段，要在勘探阶段涌水量预计的基础上，结合煤矿建设和生产过程中获得的观测资料进行验证对比和加以确定，对下一开采水平及水文地质条件复杂的地段单独进行巷道、采区或采面涌水量预算。在有条件时，应对有可能突水的地段进行突水量预计。煤矿涌水量预测是建立在定性分析基础上的定量评价。所以，预测结果是否准确可靠，在很大程度上取决于定性分析成果（如充水因素、边界条件等）。涌水量预测一般有三个步骤：1.建立预测煤矿涌水量的水文地质模型2.建立相应的数学模型3.代入参数解算数学模型涌水量预测一般有三个步骤：1.建立预测煤矿涌水量的水文地质模型包括概化自然条件下的煤矿水文地质条件，如矿区含水层及隔水层的基本结构特征，以及地下水的补给、径流、排泄条件等；根据煤矿开采方案（如开采深度、范围、方式等），确定煤矿的内边界条件；分析未来充水因素，预测不同时期开采时的外边界条件。涌水量预测一般有三个步骤：2.建立相应的数学模型目前，常用的数学模型分确定性和非确定性两种，确定性模型包括解析法、数值法、均衡法等，不确定性模型如经验方程（比拟法）模型和回归方程（相关分析）模型。涌水量预测一般有三个步骤：3.代入参数解算数学模型将参数代入数学模型求解，并对解算结果进行分析评价，如发现解算结果不合理（或用不同方法解算结果相关悬殊，或与类似水文地质模型的解算结果相差甚远），应作认真检查，或修改水文地质模型或修改参数进行重新解算，直至合理时结束。研究涌水量与影响因素之间的数学规律为基础，建立某种可以表达这种规律的函数关系，并依此来外推未来设计疏干条件下的煤矿涌涌水量。常用的有：①水文地质比拟法②Q－s曲线法①水文地质比拟法原理：用地质、水文地质条件相似、开采方法相同的生产矿井的水文地质资料，来预测新矿井的涌涌水量。应用条件：a)新、老矿井的水文地质条件要基本相似b)老矿井有长期的涌水量观测资料计算方法：①水文地质比拟法计算方法关键在于涌水量与开采面积和水位降深之间的关系是否成直线，应按实际情况修改公式水文地质比拟法计算公式②Q－s曲线法原理：根据抽（放）水试验所获得的资料建立起来的Q－s曲线方程，预测井筒、矿井开采水平或开采地段的涌水量，反之，也可以根据涌水量预测水位降深。应用条件：预测地区与试验地区的水文地质条件基本相似，同时，要有三个或三个以上的稳定降深和阶梯流量抽水试验资料。计算方法：②Q－s曲线法计算方法：（1）分析整理抽水试验资料，一般列出这样的表格：抽水试验资料表②Q－s曲线法计算方法：（2）判别曲线类型，选择计算公式①曲线Ⅰ,当含水层均质、等厚且抽水试验水位降深不大，水井附近地下水运动状态保持层流时，呈直线关系；②曲线Ⅱ，在富水性强的承压含水层中进行强烈抽水时，抽水井附近水流呈紊流状态，而在离抽水进较远的地方则水流仍保持层流状态；大裂隙中的水呈紊流状态，而小裂隙中的水仍呈层流状态时，Q－s曲线呈抛物线型；③曲线Ⅲ，在地下水以储存量为主且补给来源差和导水性强的地区，水位降深小时，涌水量随降深大幅度增加；当水位降深过一定深度后，涌水量随降深增加的幅度很小，曲线有明显的下垂现象，曲线呈幂函数型，④曲线Ⅳ，对数曲线型，在富水性弱或分布范围有限，以及地下水补给贫乏且储量不大的含水层中抽水时；⑤曲线Ⅴ通常表明试验有错误或资料不可靠②Q－s曲线法计算方法：（2）判别曲线类型，选择计算公式②Q－s曲线法计算方法：（2）判别曲线类型，选择计算公式当Q－s曲线是直线时，可以直接用公式计算。当Q－s曲线不是直线时，需要判断是何种曲线类型。这时可以用伸直法、差分法、曲度法进行判断。②Q－s曲线法计算方法：（2）判别曲线类型，选择计算公式伸直法②Q－s曲线法计算方法：（2）判别曲线类型，选择计算公式差分法一阶差分误差的大小，可用曲线拟合误差c来表示：C越小，拟合的越好。②Q－s曲线法计算方法：（2）判别曲线类型，选择计算公式曲度法判别式：当n=1时，为直线；1＜n＜2时，为幂函数曲线；当n=2时，为抛物线；当n＞2时，为对数曲线；如果n＜1，则抽水资料可能有误。②Q－s曲线法计算方法：（3）确定涌水量方程参数a、b，计算预测涌水量可以使用图解法、均衡误差法、最小二乘法确定参数a、b。图解法实例：东庄煤矿竖井设计井深118m，预计将揭穿煤系地层30m、岩溶灰岩86m，勘探阶段在建井地段布置一水文地质孔，并进行了分层抽水试验。抽水结果表明，煤系地层含水微弱，计算涌水量时可以忽略，故未来竖井的总涌水量即为其揭露灰岩含水层的涌水量。计算步骤：解析法是根据地下水动力学原理，用数学分析的方法，对一定的边界和初始条件下的地下水运动，建立定解公式，应用这些公式来预测煤矿涌水量。解析法又称地下水动力学法，它沿用了地下水动力学中的基本公式，如达西公式、裘布衣公式、泰斯公式等。在实际应用时应结合矿区的边界条件、开采条件、含水层条件，选用合适的公式进行涌水量预测。这里仅讨论边界条件、参数的选用及特定条件下的煤矿涌水量计算方法。矿区构造条件复杂，水文网纵横切割，使矿区边界条件形态不规则，相当复杂，为了获得理想的解析解，需要对此进行概化。1、边界进水类型根据解析法的要求，边界进水类型可以分为以下两种：隔水边界：指含水层与弱透水层、隔水层或隔水断层间的界线。在自然界中，由于绝对的隔水层是不存在的，因此常用相对隔水层的概念，即将弱透水或局部透水局部富水的岩层（这些岩层与该区含水层相比都弱得多），均作为相对隔水层处理。1、边界进水类型供水边界：理论上的供水边界指具有无限补给的定水头边界轮廓线，如含水层与地表水体（具有强烈水力联系）的接触线。此外，一些强含水层也可成为弱含水层的定水头供水边界。上述边界性质不是一成不变的。2、边界形态解析法要求将不规则的边界形态，简化为一些理想化的几何图形，如半无限直线边界、直交边界、斜交边界、平等边界。参数的选用直接影响煤矿涌水量预测的精度。为此，必须根据公式要求，结合矿区的水文地质条件及未来的开拓方案，合理地确定各项参数。1、渗透系数值的确定渗透系数K由抽水试验获得。在实际应用中，因为含水层的非均质性和抽水试验人为的误差，往往使求得的K值在同一含水层的不同地段差异很大，同一抽水孔中用不同方法和不同深度所获得的K值也不相同。1、渗透系数值的确定一般地，在抽水试验的渗流场中，都可以找到一个裘布依公式的适用区。裘布衣公式的适用区：16M≤r≤0.178R式中：M为含水层厚度，mR为补给半径（影响半径），mr为抽水孔至观测孔的距离，m在该区域测得的水位降深值代入裘布衣公式，才能求得真实的K值。1、渗透系数值的确定复杂多变的地质体是很难符合上述要求的，因此，在煤矿涌水量计算时，通常采用以下两种方法利用抽水试验获得的K值。①加权平均法分以下三种情况：a）当垂直方向渗透性有变化时，如彼此之间有水力联系的几个透水性不同的砂层、砾石层或坚硬裂隙地层等，采用以下加权平均法1、渗透系数值的确定①加权平均法分以下三种情况：b）沿水平各向岩石透水性有变化时，渗透系数值可由下式求得：式中：Li——不同方向渗透段的长度，m1、渗透系数值的确定①加权平均法分以下三种情况：c）对平面非均质情况，即含水层在水平方向上渗透性有变化时，应作渗透系数分布图，采用下式计算渗透系数：式中：Ai——某块段的面积，m21、渗透系数值的确定②流场分析法它是利用抽（放）水资料绘制等水位线图，然后根据流场特征，采用闭合等值线法及辐射流法计算渗透系数。A）闭合等值线法根据达西定律，式中L1,L2——任意两条闭合等值线的长度，mΔr——两条闭合等值线的平均距离，mΔh——两条闭合等值线的水位差，m1、渗透系数值的确定②流场分析法b）辐射流法采用下式计算：式中b1，b2——分别为辐射状上下游断面上的宽度，m；h1，h2——分别为上下游断面隔水底板上的水头高度，m；L——b1，b2断面之间的距离，m2、含水层厚度值的确定通常含水层的厚度是依据钻孔简易水文地质观测、物探油井和抽水试验的成果分析确定的。对于岩溶充水矿井，特别是巨厚层岩溶含水层充水的矿井，确定其厚度时，必须根据岩溶的发育规律及其富水性变化，划分出强弱含水带，决不能把整个岩溶地层的厚度作为含水层的厚度。计算时，分别计算各区含水层的平均厚度，最后加权平均，求得矿区含水层的总体平均厚度。式中：MCP(HCP)——承压水（或潜水）含水层总体平均厚度，mAi——某一计算区的面积，m2Mi(Hi)——承压水（或潜水）含水层的厚度，m3、引用半径和巷道系统面积的确定在预测巷道系统和露天采矿场的涌水量时，常把矿井的形状复杂的巷道系统（或露天采矿场的轮廓）所包围的面积，看作以r0为半径的圆形大井的面积。R0称为引用半径。由于矿井四周边界所包围面积的形状均不相同，下表罗列了几种几何形状及其r0的表达式。巷道系统面积的确定，是用巷道系统、采区所占的水平投影面积；用设计巷道所包围地段的面积；用靠排水巷道最近一条封闭等水位（水压）线所圈定的面积。4、影响半径和引用影响半径的确定1）影响半径的确定影响半径的确定方法很多，可采用裘布依公式、经验公式、抽水试验资料来确定，也可采用下述两种方法来确定：a）直接观测法：利用地下水的天然露头或观测孔为观测点，直接确定抽（排）水时各降深的影响半径。4、影响半径和引用影响半径的确定1）影响半径的确定b）作图法：在直角坐标上，将抽水孔与分布在同一直线上的各观测孔所测得的水位连接起来，并沿曲线趋势延长，与抽水前的静止水位线相交，该交点至抽水孔的距离即为影响半径。在观测孔较多时，用本方法确定影响半径较精确。作图法确定影响半径示意图1——静止水位2——动水位3——观测水位4、影响半径和引用影响半径的确定2）引用影响半径的确定a）当巷道系统所穿过的含水层原始水位近于水平时，可用下式计算：R0=R+r0式中：R0——巷道系统的引用影响半径，m；r0——巷道系统的引用半径，m。b）当巷道靠近地表水体时，可利用弗尔赫格依米尔公式计算引用影响半径，即：R0＝2a+r0式中：a——巷道边界线至地表水体的距离，mc）对于外形较复杂的巷道系统，当巷道系统位于地表水体附近，或者巷道分布在透水性很强的含水层、富水断层带附近时，可以用巷道边界线与地表水体或其它天然水文地质边界之间距离的加权平均值来计算引用影响半径：式中：aCP——巷道边界线与地表水体之间的平均距离，m；l——相邻两条剖面线之间的距离，m。5、给水度、储水系数和导水系数的确定储水系数、导水系数利用非稳定流抽水试验，通过图解法就可以获得，这里只强调一下给水度。给水度的确定一般有以下3种方法：1）对于裂隙、岩溶化含水层，可以近似用裂隙率、岩溶率代替。2）根据抽（放）水试验资料获得稳定流抽水时：式中：V——疏干漏斗体积，可以通过绘制等降深图求得，m3；Q——抽水量，m3；Qa——补给量消耗（在抽水开始的瞬间，Qa＝0；水位稳定后，Qa=Q），m3；Qc——储存量消耗（在抽水开始的瞬间，Qc=Q；水位稳定后，Qc=0），m3。其中ΣQc可根据Q－t和s-t曲线资料通过作图求得。5、给水度、储水系数和导水系数的确定2）根据抽（放）水试验资料获得非稳定流抽水时：5、给水度、储水系数和导水系数的确定3）根据无补给季节的动态观测资料，利用有限差分方程计算给水度利用稳定流公式计算矿井涌水量o无限边界完整井涌水量计算•竖井、水平巷道涌水量计算•倾斜巷道涌水量计算•巷道系统涌水量计算o有限边界完整井涌水量计算利用非稳定流公式计算矿井涌水量o无限边界完整井涌水量计算o有限边界完整井涌水量计算目前，在矿井涌水量预测方面，使用较为广泛的有解析法、水文地质比拟法、相关分析法和应用Benoulli能量方程进行预