煤矿涌水量预测知识

1、煤矿涌水量预测,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,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,

2、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,煤矿涌水量预测,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,煤矿涌水量预测,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、

3、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,煤矿涌水量预测,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,相关比拟法,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,水文地质比拟法,Q,s,曲线法,相关比拟法,水文地质比拟法,原理,用地质、水文地质条

4、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,相关比拟法,相关比拟法,相关比拟法,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,相关比拟法,Q,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

5、梯流量,抽水试验资料,计算方法,相关比拟法,Q,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,相关比拟法,Q,s,曲线法,计算方法,2,判别曲线类型，选择计算公式,曲线,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,曲线，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,曲线，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

6、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,曲线，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,曲线通常表明试验有错误或资料不可靠,相关比拟法,Q,s,曲线法,计算方法,2,判别曲线类型，选择计算公式,相关比拟法,Q,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,相关比拟法,Q,s,曲线法,计算方法,2,判别曲线类型，选择计算公式,伸直法,相关比拟法,Q,s

7、,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,相关比拟法,Q,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,相关比拟法,Q,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,相关比拟法,相关比拟法,实例,东庄煤矿竖井设计井深,118m,预计将

8、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,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

9、计算方法,确定边界条件,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,确定边界条件,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

10、水层的定水头,供水边界,上述边界性质不是一成不变的,确定边界条件,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,确定计算参数,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,确定计算参数,1,渗透系数值的确定,一般地，

11、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,m,R,为补给半径（影响半径,m,r,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,确定计算参数,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,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,确定计算参数,1,渗透系数值的确定,加

12、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,L,i,不同方向渗透段的长度,m,确定计算参数,1,渗透系数值的确定,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,A,i,某块段的面积,m,2,确定计算参数,1,渗透系数值的确定,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,L,1,L,2,任意两条闭合等值线的长度,m,r,两条闭合等值线的平均距离,m,h,两条

13、闭合等值线的水位差,m,确定计算参数,1,渗透系数值的确定,流场分析法,b,辐射流法,采用下式计算,式中,b,1,b,2,分别为辐射状上下游断面上的宽度,m,h,1,h,2,分别为上下游断面隔水底板上的水头高度,m,L,b,1,b,2,断面之间的距离,m,确定计算参数,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

14、得矿区含水层的总体平均厚度,式中,M,CP,H,CP,承压水（或潜水）含水层,总,体平均厚度,m,A,i,某一计算区的面积,m,2,M,i,H,i,承压水（或潜水）含水层的厚度,m,确定计算参数,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,r,0,为半径的圆形大井的面积,R,0,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,r,0,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

15、闭等水位（水压）线所圈定的面积,确定计算参数,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,确定计算参数,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

16、意图,1,静止水位,2,动水位,3,观测水,位,确定计算参数,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,R,0,R+r,0,式中,R,0,巷道系统的引用影响半径,m,r,0,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,R,0,2a+r,0,式中,a,巷道边界线至地表水体的距离,m,c,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

17、算引用影响半,径,式中,a,CP,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,确定计算参数,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,Q

18、c=0,m3,其中,Qc,可根据,Q,t,和,s-t,曲线资料通过作图求得,确定计算参数,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,确定计算参数,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,计算公式的选用,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,其它预测方法简介,其它预测方法简介,目前，在

19、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,行预测等方法。而发展较快的有人工神经网络法和有限元,法等预测方法,数值法,原理,通过把渗透区分布有限个单元，并将这些单元内的,水头函数近似地看作线性函数，然后，利用有限差分法或,变分有限元法，将地下水连续方程式转化成有限个线性差,分方程组或泛函数极值线性方程组，用电子计算机解这些,方程组，即可得出方程式的解,有限元法,方法,先给定边界条件,初始条件和水文地质参,数等一组初值，看计算,的水位与抽放水试验的,实际观测资料是否一致,不一致则需要对边界每,件和含水层参数进行修,改，反复调试，直到

20、基,本一致为止，最后利用,调试满意的参数和边界,条件进行涌水量预测,有限元法,应用,由于数值法能使考虑的数学模型更接近于实际的,水文地质条件，所以其价值不低于作了许多概化的精确,解。因此，自数值解问世以来，已经解决了许多解析解,难以解决的复杂问题”。数值法按基于有限元或有限差,分的思想，分为有限元法和有限差分法，分别通过,Visual Modflow,Feflow,两地下水数值模拟软件实现,水均衡法,原理：是应用水均衡原理来预测矿井涌水量的一种方法,它是通过对地下水动态规律的研究，建立矿区在某一期间,均衡期,地下水各收支部分间的变化关系，以建立均衡方,程来预测开采地段的涌水量,方法：查明矿区范

21、围内地下水补给、排泄条件，研究矿区,在疏干过程中将要产生的变化，合理确定均衡项目和取得,各项目数据，方能进行水的均衡计算,水均衡法,应用,适用于均衡项目容易确定，均衡项目数据容易取得,的矿区，如具有独立水文地质单元的露天采矿场或开采浅,部矿体的地下巷道系统的涌水量计算,特点,不能分水平预计矿井涌水量，计算结果作为全矿最,大可能涌水量的依据,人工神经网络法,原理：人工神经网络,ANN,是指用大量的神经元构成的非,线性系统，在一定程度和层次上模仿人脑神经系统的信息,处理、存储及检索功能，具有学习、记忆和计算等智能处,理功能。由于水文地质条件的复杂性，很难用准确的数学,模型对矿井涌水量进行有效预测，而比较可行的方法就是,建立一个矿井充水因素与涌水量之间的映射关系，人工神,经网络,BP,back propagation,模型恰好体现了这方面,的优点，不需要建立精确的数学模型，就能实现从输入空,间到输出空间的非线性映射，因此,BP,网络适用于矿井涌水,量预测,人工神经网络法,方法,1,