矿井涌水量PPT课件.ppt

矿井涌水量 第一节 矿井水观测 第二节 矿井涌水量的测定 第三节 矿井涌水量预测方法 中国矿业大学 郑丽萍Email zhlp1978 2013年10月16日 1 矿井涌水量是指矿山建设和生产过程中单位时间内流入矿井 包括各种巷道和开采系统 的水量 矿床水文地质条件类型矿床水文地质条件复杂程度矿床开发经济技术条件矿山疏干排水设计矿井生产能力防治水措施 确定依据 意义 它是对煤田进行技术经济评价 合理开发的重要指标 也是设计和生产部门制订采掘方案 确定排水能力和防治措施的重要依据 在煤勘和矿建生产中具有重大意义 2 1 矿井正常涌水量 矿井开采系统在某一标高时 正常状态保持相对稳定的总涌水量 2 矿井最大涌水量 矿井开采系统在正常开采时雨季期间的最大涌水量 3 开拓井巷涌水量井筒 立井 斜井 和巷道 平硐 平巷 斜巷 石门 在开拓过程中的涌水量 江西榨一煤矿 主要工作 3 4 疏干工程的排水量在规定的疏干时间内 将水位降到某一规定标高时所需的疏干排水强度 5 矿井突水量矿井采掘过程中在某些因素的作用下 含水层 体 中的地下水突破隔水层而突然进入开采系统的水量 突水量常常是正常涌水量的数倍甚至数十倍 人为 难以预测 4 第一节 矿井水观测 5 6 矿井涌水量观测 1 涌水量观测站点的布置 固定站点 长期突水点 水文地质复杂的开采区 排水井的下游 疏干石门水沟的出口 大巷水沟入水仓处 临时站点 一般出水点 采掘工作面的探放水钻孔 井筒新揭露的含水层 7 2 涌水量观测要求 按时间 一般每旬观测一次初揭露的涌水量未稳定之前 每天测量一次突然涌水 每隔1 2h观测一次按突水点 回采工作面通过重要含水结构时 每天或每班测定一次疏干钻孔或老窑防水钻孔 每隔3 5天测定一次竖井每延伸10m 斜井每延伸20m测量一次 8 3 观测资料的整理 9 10 某矿23采区充水性图1 断层 2 突水点 3 经常性涌水地点及所测流量 4 疏干顶板含水层的放水钻孔 5 巷道 6 水仓及其容积 7 排水沟及水流方向 8 采空区 9 测水站10 巷道揭露的含水层 11 水泵数量及其排水能力 12 排水管道及水流方向 13 上层煤采空积水区及其积水体积 14 顶板出水点 15 煤层 矿井充水性图 11 12 1 容积法 2 浮标法 3 堰测法 4 流速仪法 5 水仓水位法 第二节 矿井涌水量的测定 13 一 容积法 适用于涌水量较小时 涌水量计算公式为 14 二 浮标法 涌水量计算公式为 式中Q 涌水量 m3 min F 排水沟过水断面平均值 m2 L 上 下游断面间的距离 m t 浮标从上游断面流到下游断面所需的时间 min 15 三 堰测法 1 三角堰 2 梯形堰 3 矩形堰 16 三角堰 三角堰 适用于涌水量较小 0 01m3 s 的情况涌水量计算公式为 式中Q 过堰流量 L s h 过堰水深 cm 17 梯形堰 梯形堰 适用于涌水量较大情况 0 01 0 3m3 s 涌水量计算公式为 式中Q 过堰流量 L s h 过堰水深 cm B 堰底宽度 cm 18 矩形堰 矩形堰 适用于涌水量大的情况 0 3m3 s 1 无缩流时 涌水量计算公式为 2 有缩流时 涌水量计算公式为 19 适用于涌水量较大的情况 四 流速仪法 HR型流速仪XY 1型多功能流速 流量监测仪 20 五 水仓水位法 涌水量即可用下式计算 式中Q 涌水量 m3 min H1 停泵时水仓水位 m H2 停泵时间t时水仓水位 m F 水仓底面积 m2 t 水仓水位从H1上升到H2所需的时间 min 水仓内测定水位示意图 21 第三节 矿井涌水量预测方法 1 水文地质比拟法 5 水均衡法 3 回归分析法 2 Q S曲线外推法 4 解析法 预测失误原因预测特点预测步骤 22 1977 1978年 地质矿产部曾对55个重点岩溶充水矿山进行了水文地质回访调查 矿井涌水量预测值与开采后的实际涌水量的对比表明 10 的矿区 误差小于30 80 的矿区 误差大于50 个别矿区 误差达数10倍 100倍 例1 叶庄铁矿预测值为417 4m3 d 实际值为预测值的256 3倍 例2 泗顶铅锌矿 预测失误的原因分析 23 1 水文地质条件的复杂性认识不足 对水文地质条件未予查清 叶庄矿 三个方面补给边界 一个补给方向杨二矿 半封闭型地下水系统 开放型大水矿区红岩矿 水源底板茅口组灰岩 顶板长兴组灰岩2 水文地质模型概化不当 选用的水文地质参数不妥 缺乏代表性 叶庄矿 单孔抽水试验二次降深得K 0 215m d 三次降深抽水试验得K 11 67m d 增长44倍 3 数学模型选择不当 数学模型 水文地质模型 水文地质勘探资料 预测失误的原因分析 求解参数的关键环节 24 矿井涌水量预测步骤 3 第一步 建立水文地质 概化 模型 1 概化已知状态下矿区水文地质条件 2 给出未来开采井巷的内部边界条件 3 预测未来开采条件下的外部边界 25 以条件复杂的大水矿井为例 大致分三个阶段 第一阶段 初勘阶段 通过初勘资料 对矿床水文地质条件概化 提出水文地质模型的 雏型 它可作为大型抽 放 水试验设计的依据 第二阶段 详勘阶段 根据勘探工程提供的各种信息 特别是大型抽 放 水试验资料 完成对水文地质模型 雏型 的调整 建立水文地质模型的 校正型 第三阶段 在水文地质模型 校正型 的基础上 根据开采方案 即疏干工程的内边界条件 预测未来开采条件下外边界的变化规律 建立水文地质模型的 预测型 26 第二步 选择计算方法 建立相应的数学模型常用的数学模型为 27 第三步 求解数学模型 评价预测结果 数学模型的解算是对水文地质模型和数学模型进行全面验证识别的过程 最终使所建模型和预测结果更加合理和趋于实际 28 1 水文地质比拟法 1 富水系数法 富水系数 指同一时期 通常为一年 矿井的涌水量Q0与开采量P0之比 29 2 水文地质条件比拟法 30 1 建立Q S曲线方程可归纳为四种数学模型 直线型 抛物线型 幂曲线型 对数曲线型 2 Q S曲线外推法 31 幂曲线型 从某一降深值起 涌水量Q随阵深S的增大而增加很少 原来被阻塞的裂隙 岩溶通道被突然疏通 直线型 承压井流 或厚度很大 降深相对较小的潜水井流 对数型 补给衰竭或水流受阻 随S增大Q增量很小 曲线趋向S轴 可能有误或特殊现象发生 抛物线型 潜水 承压 无压井流 三维流 紊流影响的承压井流 32 2 判别实际的Q S曲线的类型伸直法将曲线方程以直线关系式表示 并以直线关系式中的两个相对应的变量建立坐标系 把 抽 放水试验的涌水量和相应的水位降深资料 分别放到上述的四种曲线类型各自的直线关系式坐标系中进行伸直判别 散点图 Q S曲线图 曲线伸直 取双对数 过原点 取单对数 直接看 S Q相除 抛物线型 直线型 幂曲线型 对数曲线型 得到抽水试验散点图 Qi Si 33 曲度法在曲线上取两点 由下式求出曲度值n 曲度判定 34 3 确定方程中的待定参数a和b图解法 一般情况下 利用各类型的直线方程图线 可由求出参数a和b 结果 a为截距 b为直线的斜率注意 幂曲线型中 b为斜率的倒数 35 抛物线型 幂曲线型 对数曲线型 直线型 将参数a b及设计的水位降深S设计值代入原方程 即可外推钻孔涌水量 最小二乘法 当精度要求较高时采用 36 4 井径换算由于抽水试验的钻孔孔径远小于井筒直径 为消除井径的影响 所以在预测井筒涌水量时需进行井径换算 对数关系平方根关系 式中 井 钻 井筒 钻孔的涌水量 3 井 钻 井筒 钻孔的半径 井 钻 井筒 钻孔的影响半径 37 Q S曲线法的优点 避开了各种水文地质参数 计算简单易行 适用 水文地质条件复杂 边界条件复杂而难以建立解析公式的矿区 如 广东某金属矿区 曾用Q S曲线法预测 50m水平的涌水量为14450m3 d 与巷道放水外推的数值 14000m3 d 接近 而用解析法预测的结果 12608m3 d 则偏小12 38 实践证明 此法在含水层的富水性较弱 水位降深很大或试验孔接近开采要求 采用大口径 大降深 长时间抽水时 或用上水平资料预测下水平涌水量时 预计结果较其它法准确 39 3 回归分析法 1 基本原理2 影响矿井涌水量的动态因素及主要因素的确定3 回归直线方程的建立4 回归直线方程的显著性检验和预测精度 常见相关因素散点图类型a 直线相关 b 抛物线相关 c 幂函数相关 d 不相关 40 4 解析法 1 原理和应用2 计算方法和步骤 地下水动力学中稳定流 非稳定流理论 第一步 简化矿井水文地质条件建立矿井水文地质模型第二步 计算参数的确定第三步 水文地质参数计算第四步 数学模型计算公式的选用 计算矿井的最大涌水量和平水期的正常涌水量 41 表4几种概化的巷道系统及其r0的表达式 42 引用影响半径R0的确定 半经验公式 经验公式 43 最大疏干水位降深 钻孔涌水量最大时的降深潜水承压水巷道疏干 1 2 m Smax H 稳定流不适合 Q偏大 0 5 1 S 30 M 非稳定流偏离实际情况 出现明显误差 44 完整井 稳定流 非稳定流 承压水 潜水 Dupuit公式 Dupuit公式 Thiem公式 Thiem公式 第四步 建立数学模型 45 非稳定流 承压水 潜水 井函数 Boulton lg 1 u 46 大井法1 计算范围计算范围可近似取长方形 33上02辅助工作面长约633m 基岩厚度小于70米的范围长467m 宽约147m 2 计算方法及选用公式计算方法选用地下水动力学法 视含水层为均质无界 用大井法 选用承压转无压完整井的稳定流涌水量计算公式 47 式中 Q 矿井涌水量 m3 d K 渗透系数 m d 第四系下组含水层渗透系数取0 03m d H 水柱高度 m 为静止水位 8 5m 至含水层底 60 5m 的距离 取69m M 含水层厚度 m 根据崔庄煤矿钻孔柱状图提取的资料 平均厚度14m h 大井中水位 m 水位降至含水层底 取0m S 水位降深 m 为静止水位至疏干标高 含水层底部 的距离 取69m r0 引用孔径 m 半径为长方形 R0 引用影响半径 m 3 计算结果 r0 177m R0 297m Q 323m3 d 4 若看作不规则圆形 计算结果r0 148m R0 268m Q 274m3 d 48 5 水均衡法及其它方法简介 1 基本原理 方法步骤和应用条件2 以降水补给的露天煤矿水均衡计算3 裸露岩溶区分水岭地段的矿井涌水量计算 V补 V排 V储式中 V补 均衡期内均衡区的补给量V排 均衡期内均衡区的排泄量 V储 均衡期内均衡区储存量的变化 49 2 以降水补给的露天煤矿水均衡计算如图所示 此类露天煤矿的疏降涌水量为Q W1 X q1 q2 q3 q4 式中 W1 降落漏斗范围内的含水层被疏干部分的水量 包括露天采场内含水层流量q1和采场外疏降漏斗范围内含水层被疏干的水量q2 大气降水渗入补给量 包括降水直接降到采场内的水量q3和降水渗入补给量q4 50 3 裸露岩溶区分水岭地段的矿井涌水量计算开采时 矿井涌水量近似等于所有泉的总流量加上地下水径流排出矿区的流量 式中 矿井正常涌水量 m3 d Qi 第 口泉的流量 m3 d 泉数 d 流出矿区的地下水径流量 m3 d 51 长期排水时 矿区内的储存量趋近于零 按排水设计要求 应预计暴雨时最大的