矿井涌水量计算方法研究新进展.docxVIP

第五篇工程管理及其他矿井涌水量计算方法研究新进展①孙光1’2，孙晓宇1’2，董庆欢1’2 (1．天地科技建井研究院，北京100013；2．北京中煤矿山工程有限公司，北京100013)摘要：随着煤层开采深度的逐渐增加，矿井采区、工作面受地下水威胁越来越大，为了 安全开采，矿井采区、工作面涌水量预测问题成了非常重要也是最不容易解决的技术难 题。目前矿井涌水量计算方法种类非常繁多，在此综合性论述几种较为常见的矿井涌水 量计算方法，对这几种计算方法的特点和应用条件进行了探讨，并且通过对几种矿井涌 水量计算方法的论述，为不同水文地质条件的矿井选择符合自身特点涌水量计算方法提 供了参考依据。关键词：涌水量预测；计算方法；水文地质矿井涌水量的大小是合理设计矿井建设与生产方案、设计矿井防排水系统、制定矿井防 治水措施的主要依据。因此，在矿井建设与生产的不同阶段，对矿井涌水量在时间和空间上 的变化趋势进行动态预测评价，是矿井水文地质工作的重要任务。目前矿井涌水量计算方法繁多，如何根据矿井自身的水文地质条件选择较为合适的涌 水量计算公式，对每个矿井特别是富水矿区的防治水工作具有至关重要的作用。因此，需要对这些预测方法进行研究分析，以便更准确地预测矿井涌水量。下面介绍几种常用的矿井涌水量预测计算方法。l矿井涌水量预测方法分类涌水量预测方法大体分三类：一类是解析法，一类是数值计算法，另一类是类比分析法。 解析法的优点是能精确地刻绘出水头和水量的时空变化。数值计算法又可以分为偏微分方 程法和常微分方程法。类比分析法是对计算结果精确程度要求不高的情况下采用的方法， 优点是便于计算，缺点是需要大量资料作类比，计算精度不高。2矿井涌水量预测方法——解析法解析法是预测矿井涌水量的常用方法之一，它是对一定边界条件和初始条件下的地下 水运动建立定解公式，然后应用这些定解(解析)公式来预测矿井涌水量[1]。它可以用于预①基金项目：天地科技工艺技术创新基金资助(KJ一2013一BJZM一02)。· 169·矿山建设工程技术新进展测各类井巷、巷道系统和疏干设施的涌水量，也可用来预测疏干水位、疏干范围、疏干时间[2|。地下水渗流运动的基本定律是达西定律，所有的解析公式都是在此基础上建立或推导 出的，解析法中最常用到的井流方程，其基本公式分为稳定流的裘布依公式和非稳定流泰斯公式两类。裘布依公式和泰斯公式的建立是有一定条件的，即裘布依假设(圆形定水头边界 等)和泰斯假设(含水层无限、水瞬时释放等)。自然界中完全符合裘布依假设和泰斯假设的 条件极少，这就对其应用(预测矿井涌水量等)带来很大的局限。尽管如此，对水文地质条件进行适当处理和概化后，用解析法来预测矿井涌水量等还是可能的，其步骤如下：(1)建立水文地质概念模型 解析法的公式有严格的假设条件，而实际的水文地质条件十分复杂。为了能够应用解析公式，必须在不歪曲原始条件的前提下，对矿区水文地质条件进行合理的概括和简化，经 过概化了的矿区水文地质条件称为水文地质概念模型。(2)确定水文地质参数 渗透系数K、给水度队导压系数a、导水系数T等水文地质参数可以根据具体的条件和水文地质试验资料以及不同的方法求出。 (3)建立数学模型数学模型是水文地质概念模型的数学描述，一般包括基本微分方程、定解条件及水文地 质参数。(4)涌水量预测 建立数学模型后即可按设计或建设、生产要求进行矿井涌水量预测。目前在解析法矿井涌水量预测中应用最广泛的一种方法为“大井法”。在煤矿开采条件 下，随着矿坑疏干排水、地下水位降低，地下水由承压水转为潜水。故矿坑涌水量计算采用 “承压一无压完整井”含水层公式，计算公式如下：Q一1．366—K—(2—H—oM—1--FM—2--—一H0)lg墨，-w式中K——含水层的渗透系数；M——含水层厚度；H。——水井中的水头；H。——初始水头；R——影响半径；r。——抽水井半径。3矿井涌水量预测方法——数值计算法数值计算法大体分两类：一类是偏微分方程法，另一类是常微分方程法。偏微分方程法 的优点是能精确地刻绘出水头和水量的时空变化，通常所说的有限单元法和有限差分法等 属偏微分方程法。偏微分方程法理论上虽然十分严谨，但实际应用往往有很大困难。矿区 水文地质资料不足，不能满足模型设计要求，是应用这种方法面临的最大问题。常微分方程法理论上不够严格，但对水文地质资料要求不高，计算起来也比较简单。·170‘第五篇工程管理及其他3．1偏微分方程法3．1．1有限单元和有限差分法有限单元和有限差分法一样，在分割近似原理的指导下，将一个反映实际疏干流场渗流运动的光滑连续曲面，用一个彼此衔接无缝不重叠的有限三角形或多边形拼凑起来的连续 但不光滑的折面代替，从而可以使复杂的非线性问题简化为线性问题。这样把非线性偏微 分方程的定解问题转