水灾防治(第4章).ppt

矿井水灾防治 第四章矿井涌水预测 第一节矿井涌水预测 指矿井在建设开采过程中 单位时间内不同水源的水通过不同途径流入矿井的水量 矿井涌水量的详细划分和区别对于正确设计矿井防排水系统和选择防治水措施具有重要意义 矿井涌水量 1 按其性质分为 矿井正常涌水量 矿井最大涌水量 矿井灾害涌水量2 根据矿井涌水量在矿井中分布位置的不同 将其分为 井筒涌水量 水平涌水量 采区涌水量 工作面涌水量和全矿井涌水量 矿井涌水量分类 一 矿井涌水的基本概念 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本概念 指开采系统达到某一标高 水平或中段 时 正常状态下保持相对稳定时的涌水量 通常是指平水年的涌水量 矿井正常涌水量 矿井最大涌水量 矿井灾害涌水量 指正常状态下开采系统在丰水年雨季的最大涌水量 矿井最大涌水量就有个多少年一遇的时间概念 实际上是矿井在不可预知的充水条件发生时所产生的涌水量 从理论上讲 矿井灾害涌水量是不可预知的 是无法通过预测计算所能获得的矿井涌水量 Q uA式中 u 过水通道中水的流速A 过水通道断面积 水流量的基本计算公式为 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本概念 矿井涌水量预测虽然在地质勘探中占有重要位置 但至今对它的研究还很不够 仍处于近似计算的水平 二 矿井涌水量预测的基本原则和基本理论 一 矿井涌水量预测的基本原则 计算参数要有代表性 正确选择数学模型 查清条件 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本原则 二 矿井涌水量预测的基本原则和基本理论 1 Darcy定律 式中 Q 流量 A 过水通道断面积 h1 上游的测压水头 h2 下游的测压水头 L 水流经的砂柱长度 K 比例系数 单位时间内流过断面A的水的渗流量与砂柱中不变的横断面积A及水头差 h1 h2 成正比 而与水流经的砂柱的长度L成反比 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本理论 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本理论 Darcy定律试验装置示意图 如果将 h1 h2 L定义为水力梯度J 则达西定律表明地下水流过某一断面的流量与该断面面积 介质的渗透系数及水力梯度成正比 即达西定律产生的基础是通过在具有一维流动的砂柱中实验得出的 但它对于多维地下水流动问题 如二维流动或三维流动 仍具有适用性和可推广性 一般认为Re 10时 Darcy定律就是适用的 2 水量守恒原理 在特定时间内 流入某一特定含水层系统的水量与流出该含水层系统的水量之差 等于含水层系统内部储存水量的变化量 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本理论 第一层面 对于一个同时包含有地下水补给 排泄和径流的完整的水流系统而言 地下水系统的总补给量与总排泄量之差等于地下水系统内部储存水量的变化量 式中 P t时段内地下水的补给强度 m3 h Q t时段内地下水的排泄强度 m3 h Vl 含水层在 t时段内的疏干体积 m3 重力给水度 S 弹性给水度 h H t H t t 水头压力变化量 它是空间坐标的函数 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本理论 完整地下水系统水均衡关系示意图 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本理论 含水层系统的补给量P与排泄量Q并不是一个恒定不变的量 而是随t的变量 在含水层中任意地隔离出一块典型单元体 则在给定的 t时段内流入该单元体的水量与流出该单元体水量之差等于该单元体内储存水量的变化量 这一基本概念的建立 对于从微观到宏观建立地下水系统中水流运动的微分方程 具有重要意义 第二层面 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本理论 第三层面 含水层中任意划出一个断面或一个块体 则从该断面 块体 流出或流入的水量等于断面相邻块体流入或流出的水量 承压含水层中任意切出一个断面I I 该断面将含水层切割为A B两区 设在单位时间内从A区经断面I I 流出的水量为QA出 B区经断面I I 流入的水量为QB入 即QA出 QB入 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本理论 线性系统是指系统的输入与输出之间存在着线性对应关系 输入增加时 输出则按照固定不变的倍数或比例关系随着增加 当系统的输入为x时 输出为y 当系统的输入为kx时 输出则为ky 即存在输入与输出之间的倍比关系 y kx当系统有两个输入 分别为 和时 则系统的输出为y 即系统对合输入的输出等于分项输入作用下输出之和 3 线性与非线性地下水流系统 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本理论 叠加原理应用效果原理图 对于一个线性地下水系统而言 叠加原理的应用 就是指复合输入问题的解等于单个输入的解的合成 从而把复杂问题的求解变为简单问题解的叠加 对于一个线性地下水系统 当大气降水输入为x时 地下水位上升过程线为 当大气降水输入为y时 地下水位上升过程线为 而当大气降水输入为x y时 地下水位上升过程线为 第四章矿井涌水预测第一节矿井涌水基本理论 第二节矿井涌水量估算方法 一 预测的复杂性与困难 矿井涌水量大小的正确预测一直是矿井水文地质工作中一项复杂而困难的工作 这种复杂性和困难主要表现在以下几个方面 影响矿井涌水量的地质和水文地质条件复杂多变 矿井所拥有的地质与水文地质资料差别很大 矿井充水条件千差万别 二 矿井涌水量估算方法 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 常见估算方法 相似条件比拟法 相关因素统计预测法 地下水动力学解析计算法 水文地质数值计算法 电模拟法 一 相似条件比拟法 相似条件比拟法是建立在条件相似的基础上的 这种条件相似主要是指影响矿井涌水量的主要相关因素 含水层的水文地质性质 隔水层的结构与埋藏条件 矿井充水的水流动力学性质 矿井采掘方法与采掘的三维空间分布等 具有相似性或具有可比较的内在相关联系 相似条件比拟法常见的有充水系数法 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 充水系数是指某个影响矿井充水因素的单位变化量或一组因素的单位变化量所引起的矿井涌水量的变化量 充水系数法 式中 矿井充水系数 在因素作用下同一时期矿井总涌水量 影响矿井充水的作用因素 矿井充水系数是根据矿井建设或生产过程中 矿井的实际排 涌 量与同一时间段内影响矿井涌水量的主要因素之间建立的一种比拟关系式 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 矿井涌水量计算公式 式中 用比拟法预测的矿井涌水量 选择的矿井涌水量比拟影响因素 对应矿井涌水量影响因素作用下的矿井充水系数 最常见的比拟因素有 矿井采掘面积 S 矿井采空体积 V 矿井巷道与工作面揭露的地质空间长度 L 矿井采掘区煤层底板承受的水压系数 矿井采掘区煤层顶板隔水层厚度 M 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 对应的矿井涌水量相似条件比拟计算公式为 充水系数数量的变化反映出矿井涌水量与其主控影响因素并不是永远呈线性关系 而矿井充水系数类型的转化反映了在矿井采掘的不同阶段控制矿井充水量的因素会发生变化 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 双因素作用下的矿井充水系数 常见矿井涌水量与比拟因素相关曲线类型图 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 相关因素统计分析方法也可称之为回归分析方法 该方法是数理统计计算方法的一种 它的本质就是根据矿井采掘历史及当前的水文地质资料 建立起矿井涌水量与其影响因素之间的内在相互关系 并利用这种相互关系预测矿井未来的涌水量及其状态变量的变化规律 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 二 相关因素统计预测法 矿井涌水量与其影响因素之间的关系一般可表示为 式中 矿井涌水量 矿井涌水量与其影响因素之间的相关函数关系式 影响矿井涌水量的主要因素 根据的不同 可将相关方程的类型分为线性相关方程和非线性相关方程两大类 线性相关方程有直线型相关方程 非线性相关方程包括抛物线型相关方程 幂函数曲线型相关方程 对数曲线型相关方程等 认真分析矿井的地质与水文地质条件 分析研究矿井在采掘历史上所积累的矿井涌水量及其可能的相关因素的变化规律 寻找影响或控制矿井涌水量的主要因素 实际上寻找影响和控制矿井涌水量的主要因素 就是寻找和确定进行相关分析 回归分析 的状态变量和控制变量 根据所选定的相关变量 分别作出矿井涌水量与各相关变量之间的相关曲线图和相关散点图 进一步定性分析所选择的变量与矿井涌水量之间是否存在相关性及其相关程度 如果选择了矿井月涌水量与大气降水因素进行相关性分析 则应作图4 18所示的相关分析图 根据相关散点图上关联数据点的分布特征 在数据点的中央位置作出一条散点分布趋势线 根据趋势线的形态分析相关类型 并确定回归方程的类型 常见的散点图和趋势线类型如图4 19所示 根据相关趋势线的特征 判断确定回归方程的类型 并求解回归方程 采用相关因素分析法预测矿井涌水量的基本步骤 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 地下水动力学方法 就是依据多孔介质 松散沉积的孔隙介质 可溶岩类的喀斯特裂隙介质 成岩作用与构造作用下的孔隙裂隙介质 中地下水流动力学的基本理论 分析研究地下水在多孔介质中的运动规律 运动状态 受控条件 地层的渗透性 补给 径流和排泄条件 边界约束条件 水力驱动条件等 及含水层水涌入矿井的流动条件 建立起描述研究区地下水运动规律的基本方程 通过求解描述地下水运动规律的基本方程而获得在假设条件下矿井涌水量的基本方法 三 解析地下水动力学方法 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 1 解析法对信息量的要求 1 目标含水层及其埋藏条件 2 含水层的边界条件 定水头补给边界 流量补给边界 隔水边界 3 含水层状态变量与控制变量相互关系信息 4 与采掘相关的信息 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 1 裘布依井流计算公式 2 解析法预测矿井涌水量的地下水动力学基础理论 裘布依井流计算方法是一种地下水稳定流解析计算方法 袭布依井流计算公式是在下列假设条件下并依据达西地下水渗流定律和水均衡原理推导出来的 含水层为均质各向同性 含水层隔水底板水平延伸 天然状态下 是在未进行矿井疏水或排水之前 潜水面是水平的 含水层四周为与疏排水中心几乎等距离的定水头边界 在上述假设条件下 可得裘布依潜水含水层中井流疏水量与其相关因素之间有下列关系 或 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 2 泰斯非稳定流水文地质参数与矿井涌水量计算方法如果假设含水层具有下列基本性质 含水层在水平方向无限延伸 即为无限含水层 含水层均质 等厚和各向同性 渗流服从达西渗流定律 水和含水层的结构骨架均为弹性体 水头下降过程中 从含水层中释放的水是瞬时完成的 抽水前含水层的水头面是水平的 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 3 井群疏降预测与叠加原理 根据前面所述的地下水系统的叠加原理 对于一个具线性性质或近似线性性质的含水层系统而言 平面上任意分布的多个井对含水层系统的整体激励可处理为每单个点井对含水层系统激励的线性叠加 因此 假设平面上有n个任意分布的疏水孔同时工作 其工作流量分别为Ql Q2 Qn则疏水区平面上的任意一点M处的水位响应 水位降深 应是每个井分别抽水带来的响应的叠加 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 数值法是随着电子计算机的出现而发展起来的 应用十分广泛 理论上看 尽管它是对渗流偏微分方程的一种近似解 但实际应用中完全可以满足精度要求 它可以解决许多复杂条件下的地下水资源评价问题 往往比简化条件的解析解更为精确 是一种较好的方法 四 数值法 第四章矿井涌水预测第二节矿井涌水量估算方法 由于地下水在多孔介质中渗流的达西定律与电流的欧姆定律相似 所以可用电流模型