Chapter矿井涌水量预测课件

1、第五章 矿井涌水量预测矿井涌水量：是矿井建设和生产中单位时间内通过各种途径流入矿井的水量。意义：它是对煤田进行水文地质条件复杂程度评价、技术经济评价、合理开发的重要指标，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重大意义。第1页，共44页。2022/8/41包括：矿井正常涌水量：开采系统达到某一标高时，正常状态下保持相对稳定时的总涌水量，通常指平水年的涌水量；矿井最大涌水量：正常状态下开采系统在丰水年雨季时的最大涌水量；开拓井巷涌水量：井筒（立、斜井）和巷道（平硐、平巷、斜巷、石门）在开拓过程中的涌水量疏干工程的排水量：在规定的疏干时间内，将水位降到某一

2、规定标高时所需的疏干排水强度；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）中地下水突破隔水层而突然进入开采系统的水量，往往是正常涌水量的整数倍或数十倍。第2页，共44页。2022/8/42回顾：矿井涌水量观测1.矿井涌水量观测站（点）的布设原则 矿井涌水量观测站点分：固定站点和临时站2种。 一般情况下，矿井的每一开采水平，每一水平的不同开采翼不同开采层，疏干石门或水文地质条件复杂的开采区域，长期涌水的突水点，放水孔等重要的水点，都要设立固定站，对井下涌水量进行长期测定。 采掘工作面的探放水钻孔，一般出水点，井筒新揭露的含水层等，通常都设置临时站测定涌水量。第3页，共44页。202

3、2/8/432.矿井涌水量观测站点位置的选择重要涌水点附近、水文地质条件复杂区域、排水井的下游、疏干石门水沟的出口处或各主要含水层水沟的下游、不同开采翼大巷水沟入水仓等，都是设站点的位置。3.矿井涌水量观测工作 （1）对井下新揭露的突水点、探放水钻孔，在涌水量尚未稳定和尚未掌握其变化规律前，观测时间间隔要短。 （2）各固定站的观测间隔时间应根据各矿井的水文地质条件确定。 （3）矿井涌水量观测一般应分矿井水平设站观测，每月观测1-3次，雨季观测次数应适当增加。第4页，共44页。2022/8/443.矿井涌水量观测工作（4）当采掘工作面上方影响范围内有地表水体、富含水层、穿过构造断裂带或接近老窑积

4、水区时，应每天观测。（5）新凿立井、斜井，垂深每延伸10m，观测一次涌水量；掘至新的含水层时，也应观测（6）涌水量的观测的观测，应注重观测的连续性和精度，（7）井下疏水降压钻孔涌水量、水压观测。在涌水量、水压稳定前，应每小时观测1-2次，涌水量、水压基本稳定后，按正常观测要求进行。第5页，共44页。2022/8/45精查：预计矿井总涌水量、首采区及第一水平的正常和最大涌水量；建井预计井筒、开拓巷道的涌水量；生产阶段：进行开采水平、采区、巷道和矿井总涌水量的计算，在有条件时，还应对有可能突水的地段进行突水量预计。预计不但工作量大、复杂，而且还不易准确预计。在70年代末期，地质部联合冶金部、煤炭部

5、各地质局和有关院校等二十多个单位对55个大水岩溶矿床进行了调查，初步总结出预计涌水量和实际涌水量相比，误差小于30%的占10%，误差大于50%的占80%。其中，河南平顶山煤矿精查报告对-80水平的涌水量预计为14544m3/d，而开采后实测涌水量为960m3/d，误差达1415%。预测涌水量，制定防治水方案：1、大了：安全，但工程量大2、小了：费用低，但不安全第6页，共44页。2022/8/46预计误差较大的原因：水文地质条件未查清：水文地质条件的合理分析是正确预测涌水量的基础，如未查清，则判断错误，结论不符；选取参数缺乏代表性: 随着开掘活动的影响，水文地质参数发生改变，后期评价采用前期参数

6、，缺乏代表性；数学模型选择不当: 选择的数学模型必须以水文地质模型为依据，水文地质条件未查明，导致模型选择不当；矿井涌水量预计必须遵循三原则：查明条件、选用代表性的水文地质参数、选择正确的数学模型。第7页，共44页。2022/8/47涌水量预计步骤之一（两建一解模型）（）查清条件，建立矿井水文地质模型。首先查明自然条件下水文地质单元（或工作区）的特征，如查清主要充水含水层的均质性，边界条件，含水层厚度、范围，补给、径流、排泄条件，动态变化和静止水头分布、水力坡度等，常绘综合水文地质图和各种图表来体现与检验；然后，根据开采方案，概化边界条件，充水因素和水动力特征（如层流、紊流、平面流、空间流、稳

7、定非稳定流等），建立矿井水文地质模型。（）确定合适的计算方法，建立数学模型（）解算数学模型和评价预测结果第8页，共44页。2022/8/48第一节 水文地质比拟法第二节 回归分析法第三节 涌水量曲线方程法第四节 解析法第五节 水均衡法及其它方法简介矿井涌水量预计方法第9页，共44页。2022/8/49第一节 水文地质比拟法水文地质比拟法是利用地质和水文地质条件相似、开采方法基本相同的生产矿井(采区或工作面)的排水或涌水量观测资料，来预测新建矿井的涌水量。该法的应用前提是新建矿井(采区或工作面)与老矿井(采区或工作面)的条件应基本相似，老矿井要有长期的水量观测资料，以保证涌水量与各影响因素之间数

8、学表达式的可靠程度。但水文地质条件完全相似的矿井少见，再加上开采条件也有差异，故它只是一种近似的计算方法。第10页，共44页。2022/8/410已建矿新建矿矿井涌水量矿井生产能力 1、富水系数：指一定时间内矿井排出的总水量Q0与同时期内的采矿量P0之比。经济评价第11页，共44页。2022/8/411富水系数不仅取决于矿区的自然条件，而且还与开采条件有关。因此，在用此法预测矿井涌水量时，要充分考虑开采方法、范围、进度等方面的相似性。为了排除生产条件的影响，人们对该法作了修正，提出了新概念，一般采用综合平均值为比拟依据。采空区面积F0富水系数采矿量P0富水系数采掘长度L0富水系数综合第12页，

9、共44页。2022/8/412 2、单位涌水量比拟法 疏干面积F0和水位降深S0，是矿井涌水量Q0变化的两个主要影响因素。 根据生产矿井(采区或水平)有关资料求得的单位涌水量q0，可作为预测类似条件下新矿井(采区或水平)在某个开采面积F和水位降深S条件下涌水量Q的依据。已建矿新建矿第13页，共44页。2022/8/413注意： 如果涌水量与开采面积和水位降深之间的关系为非直线，可按下式预测类似条件下的矿井(采区或水平)涌水量最小二乘法第14页，共44页。2022/8/414第二节 回归分析法一、回归分析法的基本原理二、影响矿井涌水量的动态因素及主要因素的确定三、回归直线方程的建立四、回归直线方

10、程的显著性检验和预测精度第15页，共44页。2022/8/415一、回归分析法的基本原理变量关系与分类：属数理统计方法，它研究处于某一统一体中各种变量之间相互关系。这些变量之间有：1）变量之间具有确定性的函数关系，2）变量间没有关系；3）呈统计相关：统计看有一定的关系，但关系不确定，具一定的波动性，一元多元线性非线性：两变量间呈现统计相关关系时，称为一元相关或简单相关；两个以上的变量具相关关系时，称为多元相关或复相关。同时，把变量之间存在线性变化的相关称为线性相关，反之，称为非线性相关。回归分析法预测过程：先观测分析资料（多年排水或抽水试验中涌水量和水位降深、开采面积、巷道长度等）；找出它们之

11、间相互联系的近似表达式，确定变量之间的密切程度，并依这种近似关系外推设计降深或设计开采面积的涌水量。第16页，共44页。2022/8/416自然因素气象因素水文因素地形地貌构造断裂含水层本身的性质二、影响矿井涌水量的因素人为因素井巷采掘长度开采方法机械化程度高低地下水位降低数值采矿破坏天然补径排的动平衡状态，要重新认识第17页，共44页。2022/8/417找主要因素：定性分析、方法手段、优劣对比上述因素直接或间接影响涌水量的大小,矿井的涌水量是诸因素综合作用的结果。一般地，在影响涌水量的动态变化中人为因素较自然因素来得强烈、迅速、起主导作用。实际工作中应针对具体矿区特点来确定主要，忽略次要的

12、影响因素，抓住与涌水量相关的主导因素，建立相关关系式进行预测。第18页，共44页。2022/8/418（）通过长期观测和收集各类资料，作各自的或综合的动态曲线图来认识和判别。（）通过抽水试验来揭示与确定。（）通过逐步回归分析的方法计算、筛选主导因素。 找主要因素：定性分析、方法手段、优劣对比第19页，共44页。2022/8/419第一种方法分析长期观测资料，进行曲线判后选定公式即可进行涌水量预计，简单易行，较实用。第二种方法需投入一定的工程量，不经济；第三种方法需要有较多的观测数据，同时需要进行复杂的计算。目前，对各矿均具有意义，又便于观测和进行回归计算的主导因素有开采面积F，水位降深，巷道长

13、度，大气降水量等因素。数据满足：代表性、真实性、相似性找主要因素：定性分析、方法手段、优劣对比第20页，共44页。2022/8/420第三节 涌水量曲线方程法 根据稳定井流理论，抽水井的涌水量Q与水位降深S之间可用QS曲线的函数关系表示。 QS曲线法就是利用稳定流抽(放)水试验的资料，建立涌水量Q与水位降深S的曲线方程，然后根据试验阶段与未来开采阶段水文地质条件的相似性，把QS曲线外推，以预测涌水量。第21页，共44页。2022/8/421QS曲线法一般有四个步骤： 1、建立各种类型QS曲线方程 2、判别实际的QS曲线的类型 3、确定方程中的待定参数a和b 4、井径换算（钻孔井径）第22页，共

14、44页。2022/8/4221、建立各种类型QS曲线方程 QS曲线方程可归纳为四种基本类型和数学模型：直线型抛物线型幂曲线型对数曲线型SQQS第23页，共44页。2022/8/423SQQS 直线型-承压井流（或厚度很大、降深相对较小的潜水井流） 抛物线型-潜水、承压-无压井流（或三维流、紊流影响下的承压井流） 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 对数型-补给衰竭或水流受阻，即随S增大，Q的增量很小，曲线趋向S轴 -表明试验可能有误或特殊现象发生第24页，共44页。2022/8/424 QS曲线方程法的优点： 它避开了各种水文地质参数，且计算简单易行。因此在一些水文地质

15、条件复杂的矿区，当边界条件复杂而难以建立解析公式时，常借助该法来解决矿井涌水量的预测问题。第25页，共44页。2022/8/425 一般认为： I型曲线出现在承压含水层或潜水含水层(此时水位降深与含水层厚度相比应很小)中，地下水呈层流状态； 型曲线是在富水性强的含水层中强烈抽水、地下水在水井附近或强径流通道附近发生紊流的情况下出现的，这时水位降深在一些地区与流量的平方成正比； 、IV型曲线一般认为是在含水层规模小、补给条件差的情况下出现的，此时一定要用真正稳定的Q和S建立方程。第26页，共44页。2022/8/426 QS曲线方程法是以稳定井流为基础的，而在含水层规模小或补给条件差的情况下，抽

16、(放)水是很难出现稳定状态的（非稳定流）。 涌水量曲线方程的形态不仅与含水层的介质性质、补给条件有关，而且随抽水时间的长短、抽水强度的不同而变化。 因此采用QS曲线方程法时，一般要求试验孔的类型符合未来的开采条件，尽量采用大口径、大降深的抽水试验，同时延长抽水时间，以使水文地质条件充分暴露，这样所建立的涌水量曲线方程才能反映未来的开采条件。 第27页，共44页。2022/8/427 QS曲线方程法在作外推预测时，推断的范围一般不应超过抽水试验最大降深的23倍(也有人认为不应超过最大降深)，否则预测的可靠性就会降低。 SmaxS推第28页，共44页。2022/8/428第四节 解析法一、解析法原

17、理和应用条件二、计算方法和步骤第29页，共44页。2022/8/429一、解析法原理和应用条件解析法原理就是地下水动力学中稳定流、非稳定流理论，将其各种公式在矿井涌水量预计中扩展应用。应用时，应注意公式的适用条件和矿井水文地质条件的适应性。（一）稳定流解析法（动态平衡）（二）非稳定流解析法第30页，共44页。2022/8/430二、计算方法和步骤解析法预计涌水量的步骤是：（一）先定性调查工作：简化矿井水文地质条件建立数学模型（二）计算参数的确定（三）水文地质参数计算（四）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第31页，共44页。2022/8/431第五节 水均衡法及其它方法简介

18、一、水均衡法二、矿井涌水量预计的其它方法简介第32页，共44页。2022/8/432一、水均衡法 水均衡法是以质量守恒为基础，研究在一定时期、一定流域范围内，地下水的收入与支出之间的数量关系，依补给量、排泄量和储存量均衡变化的方程式，求解矿井总的涌水量。 它常起辅助验证其它预计方法的作用。第33页，共44页。2022/8/433一、水均衡法（一）基本原理、方法步骤和应用条件*（二）以降水补给的露天煤矿水均衡计算*（三）裸露岩溶区分水岭地段的矿井涌水量计算第34页，共44页。2022/8/434在矿井所处的水文地质单元（均衡区）中，一定时期内（均衡期）地下水的补给量B大于排泄量P时，地下水的储存

19、量（）便会增加，地下水位上升；反之，储存量减少。按质量守恒原理，它们应满足：通过观测确定地下水位变化值（）和B后，从上式中解出P，即可预计矿井总的涌水量（开采时Qp主要由矿井排水量构成）。 （一）基本原理、方法步骤和应用条件第35页，共44页。2022/8/435水均衡法预计涌水量关键是划分和选择均衡区，选取均衡期，确定均衡要素和建立均衡式。均衡区应是一个完整的流域单元，补给和排泄边界要清楚。如山间盆地、自流盆地、自流斜地等，其地下水分水岭、隔水层、隔水断层、岩体等均可作为圈定均衡区的边界。 均衡期常取一年。均衡要素的项目和数值，主要应考虑开采情况下，影响矿井渗流场变化的因素，其次是天然因素，

20、通过到气象站、水文站收集和观测长期动态资料测定各均衡要素的数值，然后取均衡期内的统计平均值，最后，按收支平衡原理建立均衡式。 （一）基本原理、方法步骤和应用条件第36页，共44页。2022/8/436一般情况下，一个地区的地下水均衡式为： 式中， 均衡区含水层的分布面积，2； 含水层的给水度或储水系数； 计算时间内水位变化值，； A1、A2 大气降水渗入量和蒸发蒸腾量，3； B1、B2 流入和流出均衡区的地下水量，3； C1、C2 有其它含水层流入和流往其它含水层的地下水量，3； D1、D2 地表水渗入和地下水补给地表水水量，3； E1、E2 灌溉、排水渗入、人工回灌和供水、排水水量，3。第3

21、7页，共44页。2022/8/437对具体的矿井，式中有的均衡要素不存在，有的数值很小，可忽略不计，计算时应根据矿井具体情况建立相应的均衡式。水均衡法主要应用于地下水的均衡项目容易确定、均衡要素数值能准确获得的矿井。如补给和排泄条件简单的小型自流盆地；处于分水岭地带的裸露岩溶充水矿井；以大气降水补给为主的露天煤矿。此时，用水均衡法预计往往比其它方法准确。在其它方法难于预计的非均质暗河型岩溶矿床，它是唯一可行的方法。但在均衡要素较难确定的矿井常作为辅助的预计方法。 第38页，共44页。2022/8/438水均衡法的优点是：不必考虑地下水在含水层中的复杂运动情况和机理，可省去大量的水文地质勘探工程

22、量，减少求参和复杂的计算，可以获得全矿最大可能涌水量，从这个角度上起到检验其它预计方法可靠性的作用。缺点是：有些均衡要素（如计算渗入量、土中蒸发量等）的测定较困难，计算精度低，不能分水平预计涌水量。第39页，共44页。2022/8/439根据矿井水文地质特征和设计需要，还可采用数值法、电模拟法、数值解析法、模糊数学法等方法预计矿井涌水量。数值法（逼近模拟法），一般在含水层非均质性明显、边界复杂、工程较多的大水矿区采用。电模拟法是根据渗流与电流两个系统的物理量（如水位和电位、渗透系数和导电率、渗流量和电流量等）、微分方程类型等特征具有相似性的特点，通过研究电场来实现研究渗流场的方法。电模拟法，在矿井生产中，一般只适用于矿区水文地质条件过于复杂，用解析法或数值法都很难预测的情况。科研中，往往用于验证解析法或研究新问题。二、矿井涌水量预计的其它方法简介第40页，共44页。2022/8/440各种方法对比在矿井涌水量预计的方法中，一般认为：水文地质比拟法、回归分析法和涌水量曲线方程法在条件相似的情况下预计效果较好；解析法对孔隙类含水层，边界规则简单的矿井预计效果较好，其它