矿井防治水基本理论理与方法2.doc

第三节 灰岩突水量计算方法一、地下水向非完整井运动的基本概念灰岩含水层处于煤系地层之下，矿井突水时，相当于非完整井模型。有必要介绍关于非完整井的概念。1、非完整井的类型所谓非完整井，是指没有揭露整个含水层或不是在整个含水层段进水的集水建筑物。由于非完整井的进水段不是整个含水层，流场将发生变化。不仅有类似完整井的径向流，而且有在含水层中的垂向流（图2-3-1）。如果利用完整井公式计算，将存在很大误差。非完整井进水类型有三种：只经井底进水；只经井壁进水；井底、井壁同时进水。半无限厚含水层和有限含水层的概念：凡是抽水影响力达到或超过下隔水层的含水层叫有限厚含水层。凡是抽水影响力没有达到下隔水层的含水层叫半无限厚含水层。进水段（过滤器）位置类型：对于承压含水层，考虑和上隔水层的关系，分为器隔相连和器隔不连两种类型；考虑和动水位之间的关于，分为未淹没式过滤器（工作段长度改变）和淹没式过滤器（工作长度不变）两种。二、井底井水承压井计算方法井底进水的井流场相当于以进水点为球心的半球型，是典型的三维流。如果取以球心为原点的球面坐标，则流场转化为径向一维流。为计算方便。把上半部分考虑在内，用空间汇点的方式来研究（图2-3-2）。1、含水层为半无限厚时的井流公式这时球的最大半径小于含水层厚度M。设空间汇点的强度为（半空间进水量的两倍），则引进空间势函数：，则考察点移到r处，有考察点移到处，有两式相减，并代入势函数，得、含水层为有限厚含水层的井流公式巴布什金公式（图2-3-3）：这个公式可用来进行灰岩突水时计算。因为，只有当含水层厚度M200rw时，才能认为是半无限厚含水层。当灰岩突水时，一般情况下底板隔水层破坏面积达700m2，相当于半径达15m的出水井，只能认为是有限厚含水层。在采用这个公式计算时，h不能为0，也不能根据工作面所在标高和静水位标高推算。这是因为灰岩突水时，底板隔水层导水裂隙尚存在一定阻力，有相当一部分水头用于克服阻力而使降深大为减少。另一方面，大降深情况下，“水跃值”是不可忽视的，也会使降深减少。根据杨庄（-290m）突水观测资料，(H-h)=65 70m。不到实际水压的1/3。各矿可根据不同情况，选用实际水压的1/31/2计算。“引用半径”一般根据煤层开采的最大“空顶距”来确定。正常情况下，r在1215m。第四节 “四含”涌水量计算方法目前，矿区在进行四含水量计算时，多采用集水廊道法。下面介绍这种模型，供学员使用时参考。一、水平集水建筑物的类型按空间位置分，有暴露型，隐藏型两种；按揭露含水层情况分，有完整型，非完整型两种；按排列方式分，有单个型，平行双个型和平行多个型。按含水层性质分，有潜水型，承压水型和承压无压型三种。四含水量计算时，应该采用双侧进水，承压无压，集水廊道计算模型。二、推荐公式应该指出，采用上述公式并不完全符合实际水文地质模型。因为当四含出水时，巷道系统并未进入含水层，最多是一个非完整型模型。所以，预计的水量往往偏大。第五节 矿井涌水量计算的其它方法一、大井法、基本原理当矿井排水时，在矿井周围含水层中形成以巷道系统为中心的降落漏斗。这与钻孔抽水所形成的降落漏斗十分相似，因此，可以将巷道系统分布范围想象成为一个“大井”，其截面积与巷道系统的分布面积相当，利用井流公式计算巷道系统的涌水量。、基本公式使用统一的计算公式：对于均质岩层承压水井势函数为：对于均质岩层潜水井势函数为： 对于非均质岩层水井势函数为：对于承压无压含水层，则用下式计算：、不同轮廓的大井引用半径计算方法见矿井地质手册（下册）。二、曲线法、基本原理该方法有时也叫涌水量曲线法。根据生产或勘探的抽水（放水）试验或长观记录资料所得到的涌水量（）和水位降深值（）的关系曲线，建立经验公式，而后，根据设计矿井的水位，利用经验公式计算矿井涌水量。、计算方法采用涌水量曲线方程进行外推计算时，任务有四：一是建立曲线方程；二是鉴别曲线类型；三是确定曲线参数；四是修正井径对涌水量的干扰影响。、建立曲线方程：实际工作证明，曲线方程有四种类型：直线型（少见）：（a、b为选定系数）。抛物线型：幂函数型：对数型：、鉴别曲线类型：为建立经验公式，必须先确定公式类型。通过实际资料作图，往往不能确定曲线类型。在此介绍两种鉴别方法：、差分法首先，对上述曲线进行“直线化”（这也是确定待定系数的需要）：直线型：抛物线型：幂函数型：对数型：其次，根据实际资料（选三对数据），用下式计算“差分”和“拟合误差”，拟合误差最小的就是要选择的曲线类型（图2-5-1）。直线型差分公式：抛物线型差分公式：幂函数型差分公式：对数型差分公式：拟合误差计算公式：、曲度法：也可以用曲n进行鉴别。其表示形式如下：当n=1时为直线型；当1n2时为对数型。如果n1资料有误。采用曲度法鉴别时，由于只选用两个点的实际资料，可能不在曲线上，存在一定误差。、确定曲线参数四种曲线类型通过“直线化”以后的统一表达式为：（式中a，b为待定系数）确定参数a，b 有三种方法：、作图法利用实际资料根据选定的曲线类型在坐标纸上作图（图2-5-2）。在y轴上的截距为a ，斜率为b。、分组平均法把实际资料代入选定“直线化”后曲线方程，组成了由若干个线性个方程组成的方程组。然后，大致分为两组，第一组为n，n个方程，第二组为m，m个方程。由下式计算a，b。、最小二乘法由n个方程组成了如下的方程组：设有误差总体误差令为最小，有即：从而计算a，b 的公式：将确定的参数a，b的具体值代回选定的曲线方程，就得到了经验公式的具体形式。在要求不严格的情况下，可采用经验公式直接进行涌水量预测。但是，如果预测模型和试验模型差别很大，还必须进行下步工作。、井径的换算由于试验钻孔远比开采井筒小，必须进行井径的换算，以消除井径对涌水量的影响。当地下水为层流时：当地下水为紊流时：三、比拟法、基本原理以已知的水文地质条件类似矿区的水文地质资料，作为新区涌水量计算的依据。这一方法已经得到广泛使用，但一些矿的计算方法存在一定问题。、计算方法、一元比拟法主要有：含水系数法：含水系数采用下式计算：单位面积法（开采面积起主要作用的矿井）：单位开采面积水量按下式计算：单位巷道长度法（巷道长度起主要作用的矿井）：单位巷道长度水量按下式计算单位降深法（降深起主要作用的矿井）：单位降深水量，是指不同降深情况下的稳定涌水量除以降深。如果已有多个水平的资料，可采用回归方法计算。、多元比拟法当涌水量及其相关因素有两个或两个以上时，或选用以下各式计算：以上公式的关键问题是确定n，m。可以采用长期观测资料，根据上节介绍的分组平均法或最小二乘法原理确定n，m。如果资料不足，建议使用下式：第六节 放水试验中的参数计算方法井下放水试验是矿井水文地质工作中的主要试验方法，目的是确定含水层的水文地质参数，为制定防治水方案提供技术依据。放水试验一般是以矿井或采区范围为单元，在井下施工若干个放水孔，井上、下施工一些观测孔。试验过程中，获得放水孔流量和观测孔水位（压）等数据。现介绍如何利用这些数据，计算含水层参数。一、单孔放水试验的参数计算设只有一个放水孔放水，流量为。有几个观测孔，分别记录放水前的静水位和放水开始后不同时刻的动水位，并整理出不同时刻的降深Si。1、稳定流求参当观测孔动水位稳定后，可以利用稳定后的降深和流量，根据承压水井流公式直接计算水文地质参数：式中r1、r2分别是第一、第二观测孔到放水孔的距离，S1、S2分别是第一、第二观测孔的降深。如果观测孔不只两个，可以两两组合，分别计算或，然后进行平均。、非稳定流求参放水试验由于降深大，动水位很难达到稳定状态。如果按规程规定15天仍未稳定，为节省排水费用，可提前结束试验，采用非稳定流理论进行计算。、非稳定流理论简介在两个隔水层之间的承压含水层中抽水，水量一方面来自侧向补给，另一方面，来自降落漏斗内由于压力降低水体的弹性释放。弹性释放系数u*，是一个反映含水层释水能力的指标，即水压每降低1 m，1 m2含水层释放出水体的体积。由于弹性释放现象的存在，下地水的运动要素将随时间而变化，从而变成非稳定流。泰斯公式是所有非稳定井流公式的基础，它的重要程度相当于稳定井流裘布衣公式。泰斯公式的基本形式是：这个公式看似简单，但使用起来却十分复杂。一是除Q、S、T=KM外，多了两个参数u*和t。二是参数隐含在积分式中，不能直接解算参数。矿井地质手册（下册）介绍的求参方法，可参考使用。编者曾在DOS系统下，用BASIC语言编写了求参程序，较方便地解决了计算难题，但因计算机升级，程序不能使用了。希望学员能够利用Vc、Vb编写更新的程序。、非稳定流求参的近似方法雅柯布把泰斯公式改写成近似公式：我们可以利用这个公式，近似地求出水文地质参数T，u*。在上例的放水试验中，有同一观测孔不同时刻对应的降深资料，有距放水孔不同距离的几个观测孔同一时刻的降深资料等等，我们可以根据资料的不同，分三种情况进行直线图解法求参：；。直线图解法，就是根据实测的S、t、r等数据，在半对数坐标纸上作上述方程的直线。根据直线的性质求T，u*。直线图解法利用一个观测孔不同时刻的水位降深资料。把改写成式中的前项为常量，后项的系数为常量，是一条直线：在半对数坐标纸上是一个直线（图2-6-1）。雅柯布公式适用的条件是u0.01，我们利用放水试验后期的直线段，不考虑初期的曲线段）。从上可以得到这条直线的斜率m。由于所以延长直线交t轴于t0，t0点S=0。把S=0，t=t0代回雅柯布公式：直线图解法利用同一时刻（t等于常数）不同观测孔降深资料。公式推导和作图过程与方法相同。直线图解法方法相同：二、多孔放水试验的参数计算设有多孔放水，水量分别为Q1，Q2，Qn。有几个观测孔观测，分别记录放水前的静水位和放水开始后不同时刻的动水位，并整理出不同时刻的降深Si。这种情况属于干扰井计算问题。一般采用势迭加原理进行计算。1、稳定流求参无限含水层单个完整井的势函数表达式为：当无限含水层有若干个井同时工作时，流场内某点A的势为：对于承压水，。把A点移到任一个观测孔上，这时Qi，ri（放水孔到观测孔的距离）为已知数，只有为未知数。然后，分别把A点移到各个观测孔上，得到若干个含常数C的势函数方程。因为观测孔的水头值为已知，所以每两个方程相减，都可以计算出