Chapter礦井涌水量預測課件

1、第五章 礦井涌水量預測礦井涌水量：是礦井建設和生產(chǎn)中單位時間內(nèi)通過各種途徑流入礦井的水量。意義：它是對煤田進行水文地質(zhì)條件復雜程度評價、技術(shù)經(jīng)濟評價、合理開發(fā)的重要指標，是設計和生產(chǎn)部門制訂采掘方案，確定排水能力和防治措施的重要依據(jù)。在煤勘和礦建生產(chǎn)中重大意義。第1頁，共44頁。2022/8/41包括：礦井正常涌水量：開采系統(tǒng)達到某一標高時，正常狀態(tài)下保持相對穩(wěn)定時的總涌水量，通常指平水年的涌水量；礦井最大涌水量：正常狀態(tài)下開采系統(tǒng)在豐水年雨季時的最大涌水量；開拓井巷涌水量：井筒（立、斜井）和巷道（平硐、平巷、斜巷、石門）在開拓過程中的涌水量疏干工程的排水量：在規(guī)定的疏干時間內(nèi)，將水位降到某一

2、規(guī)定標高時所需的疏干排水強度；礦井突水量：礦井采掘過程中在某些因素的作用下，含水層（體）中地下水突破隔水層而突然進入開采系統(tǒng)的水量，往往是正常涌水量的整數(shù)倍或數(shù)十倍。第2頁，共44頁。2022/8/42回顧：礦井涌水量觀測1.礦井涌水量觀測站（點）的布設原則 礦井涌水量觀測站點分：固定站點和臨時站2種。 一般情況下，礦井的每一開采水平，每一水平的不同開采翼不同開采層，疏干石門或水文地質(zhì)條件復雜的開采區(qū)域，長期涌水的突水點，放水孔等重要的水點，都要設立固定站，對井下涌水量進行長期測定。 采掘工作面的探放水鉆孔，一般出水點，井筒新揭露的含水層等，通常都設置臨時站測定涌水量。第3頁，共44頁。202

3、2/8/432.礦井涌水量觀測站點位置的選擇重要涌水點附近、水文地質(zhì)條件復雜區(qū)域、排水井的下游、疏干石門水溝的出口處或各主要含水層水溝的下游、不同開采翼大巷水溝入水倉等，都是設站點的位置。3.礦井涌水量觀測工作 （1）對井下新揭露的突水點、探放水鉆孔，在涌水量尚未穩(wěn)定和尚未掌握其變化規(guī)律前，觀測時間間隔要短。 （2）各固定站的觀測間隔時間應根據(jù)各礦井的水文地質(zhì)條件確定。 （3）礦井涌水量觀測一般應分礦井水平設站觀測，每月觀測1-3次，雨季觀測次數(shù)應適當增加。第4頁，共44頁。2022/8/443.礦井涌水量觀測工作（4）當采掘工作面上方影響范圍內(nèi)有地表水體、富含水層、穿過構(gòu)造斷裂帶或接近老窯積

4、水區(qū)時，應每天觀測。（5）新鑿立井、斜井，垂深每延伸10m，觀測一次涌水量；掘至新的含水層時，也應觀測（6）涌水量的觀測的觀測，應注重觀測的連續(xù)性和精度，（7）井下疏水降壓鉆孔涌水量、水壓觀測。在涌水量、水壓穩(wěn)定前，應每小時觀測1-2次，涌水量、水壓基本穩(wěn)定后，按正常觀測要求進行。第5頁，共44頁。2022/8/45精查：預計礦井總涌水量、首采區(qū)及第一水平的正常和最大涌水量；建井預計井筒、開拓巷道的涌水量；生產(chǎn)階段：進行開采水平、采區(qū)、巷道和礦井總涌水量的計算，在有條件時，還應對有可能突水的地段進行突水量預計。預計不但工作量大、復雜，而且還不易準確預計。在70年代末期，地質(zhì)部聯(lián)合冶金部、煤炭部

5、各地質(zhì)局和有關(guān)院校等二十多個單位對55個大水巖溶礦床進行了調(diào)查，初步總結(jié)出預計涌水量和實際涌水量相比，誤差小于30%的占10%，誤差大于50%的占80%。其中，河南平頂山煤礦精查報告對-80水平的涌水量預計為14544m3/d，而開采后實測涌水量為960m3/d，誤差達1415%。預測涌水量，制定防治水方案：1、大了：安全，但工程量大2、小了：費用低，但不安全第6頁，共44頁。2022/8/46預計誤差較大的原因：水文地質(zhì)條件未查清：水文地質(zhì)條件的合理分析是正確預測涌水量的基礎，如未查清，則判斷錯誤，結(jié)論不符；選取參數(shù)缺乏代表性: 隨著開掘活動的影響，水文地質(zhì)參數(shù)發(fā)生改變，后期評價采用前期參數(shù)

6、，缺乏代表性；數(shù)學模型選擇不當: 選擇的數(shù)學模型必須以水文地質(zhì)模型為依據(jù)，水文地質(zhì)條件未查明，導致模型選擇不當；礦井涌水量預計必須遵循三原則：查明條件、選用代表性的水文地質(zhì)參數(shù)、選擇正確的數(shù)學模型。第7頁，共44頁。2022/8/47涌水量預計步驟之一（兩建一解模型）（）查清條件，建立礦井水文地質(zhì)模型。首先查明自然條件下水文地質(zhì)單元（或工作區(qū)）的特征，如查清主要充水含水層的均質(zhì)性，邊界條件，含水層厚度、范圍，補給、徑流、排泄條件，動態(tài)變化和靜止水頭分布、水力坡度等，常繪綜合水文地質(zhì)圖和各種圖表來體現(xiàn)與檢驗；然后，根據(jù)開采方案，概化邊界條件，充水因素和水動力特征（如層流、紊流、平面流、空間流、穩(wěn)

7、定非穩(wěn)定流等），建立礦井水文地質(zhì)模型。（）確定合適的計算方法，建立數(shù)學模型（）解算數(shù)學模型和評價預測結(jié)果第8頁，共44頁。2022/8/48第一節(jié) 水文地質(zhì)比擬法第二節(jié) 回歸分析法第三節(jié) 涌水量曲線方程法第四節(jié) 解析法第五節(jié) 水均衡法及其它方法簡介礦井涌水量預計方法第9頁，共44頁。2022/8/49第一節(jié) 水文地質(zhì)比擬法水文地質(zhì)比擬法是利用地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相似、開采方法基本相同的生產(chǎn)礦井(采區(qū)或工作面)的排水或涌水量觀測資料，來預測新建礦井的涌水量。該法的應用前提是新建礦井(采區(qū)或工作面)與老礦井(采區(qū)或工作面)的條件應基本相似，老礦井要有長期的水量觀測資料，以保證涌水量與各影響因素之間數(shù)

8、學表達式的可靠程度。但水文地質(zhì)條件完全相似的礦井少見，再加上開采條件也有差異，故它只是一種近似的計算方法。第10頁，共44頁。2022/8/410已建礦新建礦礦井涌水量礦井生產(chǎn)能力 1、富水系數(shù)：指一定時間內(nèi)礦井排出的總水量Q0與同時期內(nèi)的采礦量P0之比。經(jīng)濟評價第11頁，共44頁。2022/8/411富水系數(shù)不僅取決于礦區(qū)的自然條件，而且還與開采條件有關(guān)。因此，在用此法預測礦井涌水量時，要充分考慮開采方法、范圍、進度等方面的相似性。為了排除生產(chǎn)條件的影響，人們對該法作了修正，提出了新概念，一般采用綜合平均值為比擬依據(jù)。采空區(qū)面積F0富水系數(shù)采礦量P0富水系數(shù)采掘長度L0富水系數(shù)綜合第12頁，

9、共44頁。2022/8/412 2、單位涌水量比擬法 疏干面積F0和水位降深S0，是礦井涌水量Q0變化的兩個主要影響因素。 根據(jù)生產(chǎn)礦井(采區(qū)或水平)有關(guān)資料求得的單位涌水量q0，可作為預測類似條件下新礦井(采區(qū)或水平)在某個開采面積F和水位降深S條件下涌水量Q的依據(jù)。已建礦新建礦第13頁，共44頁。2022/8/413注意： 如果涌水量與開采面積和水位降深之間的關(guān)系為非直線，可按下式預測類似條件下的礦井(采區(qū)或水平)涌水量最小二乘法第14頁，共44頁。2022/8/414第二節(jié) 回歸分析法一、回歸分析法的基本原理二、影響礦井涌水量的動態(tài)因素及主要因素的確定三、回歸直線方程的建立四、回歸直線方

10、程的顯著性檢驗和預測精度第15頁，共44頁。2022/8/415一、回歸分析法的基本原理變量關(guān)系與分類：屬數(shù)理統(tǒng)計方法，它研究處于某一統(tǒng)一體中各種變量之間相互關(guān)系。這些變量之間有：1）變量之間具有確定性的函數(shù)關(guān)系，2）變量間沒有關(guān)系；3）呈統(tǒng)計相關(guān)：統(tǒng)計看有一定的關(guān)系，但關(guān)系不確定，具一定的波動性，一元多元線性非線性：兩變量間呈現(xiàn)統(tǒng)計相關(guān)關(guān)系時，稱為一元相關(guān)或簡單相關(guān)；兩個以上的變量具相關(guān)關(guān)系時，稱為多元相關(guān)或復相關(guān)。同時，把變量之間存在線性變化的相關(guān)稱為線性相關(guān)，反之，稱為非線性相關(guān)。回歸分析法預測過程：先觀測分析資料（多年排水或抽水試驗中涌水量和水位降深、開采面積、巷道長度等）；找出它們之

11、間相互聯(lián)系的近似表達式，確定變量之間的密切程度，并依這種近似關(guān)系外推設計降深或設計開采面積的涌水量。第16頁，共44頁。2022/8/416自然因素氣象因素水文因素地形地貌構(gòu)造斷裂含水層本身的性質(zhì)二、影響礦井涌水量的因素人為因素井巷采掘長度開采方法機械化程度高低地下水位降低數(shù)值采礦破壞天然補徑排的動平衡狀態(tài)，要重新認識第17頁，共44頁。2022/8/417找主要因素：定性分析、方法手段、優(yōu)劣對比上述因素直接或間接影響涌水量的大小,礦井的涌水量是諸因素綜合作用的結(jié)果。一般地，在影響涌水量的動態(tài)變化中人為因素較自然因素來得強烈、迅速、起主導作用。實際工作中應針對具體礦區(qū)特點來確定主要，忽略次要的

12、影響因素，抓住與涌水量相關(guān)的主導因素，建立相關(guān)關(guān)系式進行預測。第18頁，共44頁。2022/8/418（）通過長期觀測和收集各類資料，作各自的或綜合的動態(tài)曲線圖來認識和判別。（）通過抽水試驗來揭示與確定。（）通過逐步回歸分析的方法計算、篩選主導因素。 找主要因素：定性分析、方法手段、優(yōu)劣對比第19頁，共44頁。2022/8/419第一種方法分析長期觀測資料，進行曲線判后選定公式即可進行涌水量預計，簡單易行，較實用。第二種方法需投入一定的工程量，不經(jīng)濟；第三種方法需要有較多的觀測數(shù)據(jù)，同時需要進行復雜的計算。目前，對各礦均具有意義，又便于觀測和進行回歸計算的主導因素有開采面積F，水位降深，巷道長

13、度，大氣降水量等因素。數(shù)據(jù)滿足：代表性、真實性、相似性找主要因素：定性分析、方法手段、優(yōu)劣對比第20頁，共44頁。2022/8/420第三節(jié) 涌水量曲線方程法 根據(jù)穩(wěn)定井流理論，抽水井的涌水量Q與水位降深S之間可用QS曲線的函數(shù)關(guān)系表示。 QS曲線法就是利用穩(wěn)定流抽(放)水試驗的資料，建立涌水量Q與水位降深S的曲線方程，然后根據(jù)試驗階段與未來開采階段水文地質(zhì)條件的相似性，把QS曲線外推，以預測涌水量。第21頁，共44頁。2022/8/421QS曲線法一般有四個步驟： 1、建立各種類型QS曲線方程 2、判別實際的QS曲線的類型 3、確定方程中的待定參數(shù)a和b 4、井徑換算（鉆孔井徑）第22頁，共

14、44頁。2022/8/4221、建立各種類型QS曲線方程 QS曲線方程可歸納為四種基本類型和數(shù)學模型：直線型拋物線型冪曲線型對數(shù)曲線型SQQS第23頁，共44頁。2022/8/423SQQS 直線型-承壓井流（或厚度很大、降深相對較小的潛水井流） 拋物線型-潛水、承壓-無壓井流（或三維流、紊流影響下的承壓井流） 冪曲線型-從某一降深值起，涌水量Q隨陣深S的增大而增加很少 對數(shù)型-補給衰竭或水流受阻，即隨S增大，Q的增量很小，曲線趨向S軸 -表明試驗可能有誤或特殊現(xiàn)象發(fā)生第24頁，共44頁。2022/8/424 QS曲線方程法的優(yōu)點： 它避開了各種水文地質(zhì)參數(shù)，且計算簡單易行。因此在一些水文地質(zhì)

15、條件復雜的礦區(qū)，當邊界條件復雜而難以建立解析公式時，常借助該法來解決礦井涌水量的預測問題。第25頁，共44頁。2022/8/425 一般認為： I型曲線出現(xiàn)在承壓含水層或潛水含水層(此時水位降深與含水層厚度相比應很小)中，地下水呈層流狀態(tài)； 型曲線是在富水性強的含水層中強烈抽水、地下水在水井附近或強徑流通道附近發(fā)生紊流的情況下出現(xiàn)的，這時水位降深在一些地區(qū)與流量的平方成正比； 、IV型曲線一般認為是在含水層規(guī)模小、補給條件差的情況下出現(xiàn)的，此時一定要用真正穩(wěn)定的Q和S建立方程。第26頁，共44頁。2022/8/426 QS曲線方程法是以穩(wěn)定井流為基礎的，而在含水層規(guī)模小或補給條件差的情況下，抽

16、(放)水是很難出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的（非穩(wěn)定流）。 涌水量曲線方程的形態(tài)不僅與含水層的介質(zhì)性質(zhì)、補給條件有關(guān)，而且隨抽水時間的長短、抽水強度的不同而變化。 因此采用QS曲線方程法時，一般要求試驗孔的類型符合未來的開采條件，盡量采用大口徑、大降深的抽水試驗，同時延長抽水時間，以使水文地質(zhì)條件充分暴露，這樣所建立的涌水量曲線方程才能反映未來的開采條件。 第27頁，共44頁。2022/8/427 QS曲線方程法在作外推預測時，推斷的范圍一般不應超過抽水試驗最大降深的23倍(也有人認為不應超過最大降深)，否則預測的可靠性就會降低。 SmaxS推第28頁，共44頁。2022/8/428第四節(jié) 解析法一、解析法原

17、理和應用條件二、計算方法和步驟第29頁，共44頁。2022/8/429一、解析法原理和應用條件解析法原理就是地下水動力學中穩(wěn)定流、非穩(wěn)定流理論，將其各種公式在礦井涌水量預計中擴展應用。應用時，應注意公式的適用條件和礦井水文地質(zhì)條件的適應性。（一）穩(wěn)定流解析法（動態(tài)平衡）（二）非穩(wěn)定流解析法第30頁，共44頁。2022/8/430二、計算方法和步驟解析法預計涌水量的步驟是：（一）先定性調(diào)查工作：簡化礦井水文地質(zhì)條件建立數(shù)學模型（二）計算參數(shù)的確定（三）水文地質(zhì)參數(shù)計算（四）計算公式的選用計算礦井的最大涌水量和平水期的正常涌水量第31頁，共44頁。2022/8/431第五節(jié) 水均衡法及其它方法簡介

18、一、水均衡法二、礦井涌水量預計的其它方法簡介第32頁，共44頁。2022/8/432一、水均衡法 水均衡法是以質(zhì)量守恒為基礎，研究在一定時期、一定流域范圍內(nèi)，地下水的收入與支出之間的數(shù)量關(guān)系，依補給量、排泄量和儲存量均衡變化的方程式，求解礦井總的涌水量。 它常起輔助驗證其它預計方法的作用。第33頁，共44頁。2022/8/433一、水均衡法（一）基本原理、方法步驟和應用條件*（二）以降水補給的露天煤礦水均衡計算*（三）裸露巖溶區(qū)分水嶺地段的礦井涌水量計算第34頁，共44頁。2022/8/434在礦井所處的水文地質(zhì)單元（均衡區(qū)）中，一定時期內(nèi)（均衡期）地下水的補給量B大于排泄量P時，地下水的儲存

19、量（）便會增加，地下水位上升；反之，儲存量減少。按質(zhì)量守恒原理，它們應滿足：通過觀測確定地下水位變化值（）和B后，從上式中解出P，即可預計礦井總的涌水量（開采時Qp主要由礦井排水量構(gòu)成）。 （一）基本原理、方法步驟和應用條件第35頁，共44頁。2022/8/435水均衡法預計涌水量關(guān)鍵是劃分和選擇均衡區(qū)，選取均衡期，確定均衡要素和建立均衡式。均衡區(qū)應是一個完整的流域單元，補給和排泄邊界要清楚。如山間盆地、自流盆地、自流斜地等，其地下水分水嶺、隔水層、隔水斷層、巖體等均可作為圈定均衡區(qū)的邊界。 均衡期常取一年。均衡要素的項目和數(shù)值，主要應考慮開采情況下，影響礦井滲流場變化的因素，其次是天然因素，

20、通過到氣象站、水文站收集和觀測長期動態(tài)資料測定各均衡要素的數(shù)值，然后取均衡期內(nèi)的統(tǒng)計平均值，最后，按收支平衡原理建立均衡式。 （一）基本原理、方法步驟和應用條件第36頁，共44頁。2022/8/436一般情況下，一個地區(qū)的地下水均衡式為： 式中， 均衡區(qū)含水層的分布面積，2； 含水層的給水度或儲水系數(shù)； 計算時間內(nèi)水位變化值，； A1、A2 大氣降水滲入量和蒸發(fā)蒸騰量，3； B1、B2 流入和流出均衡區(qū)的地下水量，3； C1、C2 有其它含水層流入和流往其它含水層的地下水量，3； D1、D2 地表水滲入和地下水補給地表水水量，3； E1、E2 灌溉、排水滲入、人工回灌和供水、排水水量，3。第3

21、7頁，共44頁。2022/8/437對具體的礦井，式中有的均衡要素不存在，有的數(shù)值很小，可忽略不計，計算時應根據(jù)礦井具體情況建立相應的均衡式。水均衡法主要應用于地下水的均衡項目容易確定、均衡要素數(shù)值能準確獲得的礦井。如補給和排泄條件簡單的小型自流盆地；處于分水嶺地帶的裸露巖溶充水礦井；以大氣降水補給為主的露天煤礦。此時，用水均衡法預計往往比其它方法準確。在其它方法難于預計的非均質(zhì)暗河型巖溶礦床，它是唯一可行的方法。但在均衡要素較難確定的礦井常作為輔助的預計方法。 第38頁，共44頁。2022/8/438水均衡法的優(yōu)點是：不必考慮地下水在含水層中的復雜運動情況和機理，可省去大量的水文地質(zhì)勘探工程

22、量，減少求參和復雜的計算，可以獲得全礦最大可能涌水量，從這個角度上起到檢驗其它預計方法可靠性的作用。缺點是：有些均衡要素（如計算滲入量、土中蒸發(fā)量等）的測定較困難，計算精度低，不能分水平預計涌水量。第39頁，共44頁。2022/8/439根據(jù)礦井水文地質(zhì)特征和設計需要，還可采用數(shù)值法、電模擬法、數(shù)值解析法、模糊數(shù)學法等方法預計礦井涌水量。數(shù)值法（逼近模擬法），一般在含水層非均質(zhì)性明顯、邊界復雜、工程較多的大水礦區(qū)采用。電模擬法是根據(jù)滲流與電流兩個系統(tǒng)的物理量（如水位和電位、滲透系數(shù)和導電率、滲流量和電流量等）、微分方程類型等特征具有相似性的特點，通過研究電場來實現(xiàn)研究滲流場的方法。電模擬法，在礦井生產(chǎn)中，一般只適用于礦區(qū)水文地質(zhì)條件過于復雜，用解析法或數(shù)值法都很難預測的情況?？蒲兄?，往往用于驗證解析法或研究新問題。二、礦井涌水量預計的其它方法簡介第40頁，共44頁。2022/8/440各種方法對比在礦井涌水量預計的方法中，一般認為：水文地質(zhì)比擬法、回歸分析法和涌水量曲線方程法在條件相似的情況下預計效果較好；解析法對孔隙類含水層，邊界規(guī)則簡單的礦井預計效果較好，其它