8第七章煤礦涌水量預(yù)測

1、目的：煤礦涌水量不僅是對煤田進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟評價的重要指標(biāo)，而且也是設(shè)計和生產(chǎn)部分制訂采掘方案、確定排水能力和防治措施的重要依據(jù)。任務(wù)：煤田勘探（詳勘）階段要進(jìn)行首采區(qū)及第一開采水平的正常和最大涌水量預(yù)計；煤礦建設(shè)和生產(chǎn)階段，要在勘探階段涌水量預(yù)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中獲得的觀測資料進(jìn)行驗證對比和加以確定，對下一開采水平及水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地段單獨進(jìn)行巷道、采區(qū)或采面涌水量預(yù)算。在有條件時，應(yīng)對有可能突水的地段進(jìn)行突水量預(yù)計。煤礦涌水量預(yù)測是建立在定性分析基礎(chǔ)上的定量評價。所以，預(yù)測結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠，在很大程度上取決于定性分析成果（如充水因素、邊界條件等）。涌水量預(yù)測一般有三個步驟：1

2、.建立預(yù)測煤礦涌水量的水文地質(zhì)模型2.建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型3.代入?yún)?shù)解算數(shù)學(xué)模型涌水量預(yù)測一般有三個步驟：1.建立預(yù)測煤礦涌水量的水文地質(zhì)模型包括概化自然條件下的煤礦水文地質(zhì)條件，如礦區(qū)含水層及隔水層的基本結(jié)構(gòu)特征，以及地下水的補給、徑流、排泄條件等；根據(jù)煤礦開采方案（如開采深度、范圍、方式等），確定煤礦的內(nèi)邊界條件；分析未來充水因素，預(yù)測不同時期開采時的外邊界條件。涌水量預(yù)測一般有三個步驟：2.建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型目前，常用的數(shù)學(xué)模型分確定性和非確定性兩種，確定性模型包括解析法、數(shù)值法、均衡法等，不確定性模型如經(jīng)驗方程（比擬法）模型和回歸方程（相關(guān)分析）模型。涌水量預(yù)測一般有三個步驟：3.代入

3、參數(shù)解算數(shù)學(xué)模型將參數(shù)代入數(shù)學(xué)模型求解，并對解算結(jié)果進(jìn)行分析評價，如發(fā)現(xiàn)解算結(jié)果不合理（或用不同方法解算結(jié)果相關(guān)懸殊，或與類似水文地質(zhì)模型的解算結(jié)果相差甚遠(yuǎn)），應(yīng)作認(rèn)真檢查，或修改水文地質(zhì)模型或修改參數(shù)進(jìn)行重新解算，直至合理時結(jié)束。研究涌水量與影響因素之間的數(shù)學(xué)規(guī)律為基礎(chǔ)，建立某種可以表達(dá)這種規(guī)律的函數(shù)關(guān)系，并依此來外推未來設(shè)計疏干條件下的煤礦涌涌水量。常用的有：水文地質(zhì)比擬法Qs曲線法水文地質(zhì)比擬法原理：用地質(zhì)、水文地質(zhì)條件相似、開采方法相同的生產(chǎn)礦井的水文地質(zhì)資料，來預(yù)測新礦井的涌涌水量。應(yīng)用條件：a)新、老礦井的水文地質(zhì)條件要基本相似b)老礦井有長期的涌水量觀測資料計算方法：水文地質(zhì)比擬

4、法計算方法關(guān)鍵在于涌水量與開采面積和水位降深之間的關(guān)系是否成直線，應(yīng)按實際情況修改公式水文地質(zhì)比擬法計算公式Qs曲線法原理：根據(jù)抽（放）水試驗所獲得的資料建立起來的Qs曲線方程，預(yù)測井筒、礦井開采水平或開采地段的涌水量，反之，也可以根據(jù)涌水量預(yù)測水位降深。應(yīng)用條件：預(yù)測地區(qū)與試驗地區(qū)的水文地質(zhì)條件基本相似，同時，要有三個或三個以上的穩(wěn)定降深和階梯流量抽水試驗資料。計算方法：Qs曲線法計算方法：（1）分析整理抽水試驗資料，一般列出這樣的表格：抽水試驗資料表Qs曲線法計算方法：（2）判別曲線類型，選擇計算公式 曲線,當(dāng)含水層均質(zhì)、等厚且抽水試驗水位降深不大，水井附近地下水運動狀態(tài)保持層流時，呈直線

5、關(guān)系； 曲線，在富水性強的承壓含水層中進(jìn)行強烈抽水時，抽水井附近水流呈紊流狀態(tài)，而在離抽水進(jìn)較遠(yuǎn)的地方則水流仍保持層流狀態(tài)；大裂隙中的水呈紊流狀態(tài)，而小裂隙中的水仍呈層流狀態(tài)時，Qs曲線呈拋物線型； 曲線，在地下水以儲存量為主且補給來源差和導(dǎo)水性強的地區(qū)，水位降深小時，涌水量隨降深大幅度增加；當(dāng)水位降深過一定深度后，涌水量隨降深增加的幅度很小，曲線有明顯的下垂現(xiàn)象，曲線呈冪函數(shù)型， 曲線，對數(shù)曲線型，在富水性弱或分布范圍有限，以及地下水補給貧乏且儲量不大的含水層中抽水時； 曲線通常表明試驗有錯誤或資料不可靠Qs曲線法計算方法：（2）判別曲線類型，選擇計算公式Qs曲線法計算方法：（2）判別曲線類

6、型，選擇計算公式當(dāng)Qs曲線是直線時，可以直接用公式計算。當(dāng)Qs曲線不是直線時，需要判斷是何種曲線類型。這時可以用伸直法、差分法、曲度法進(jìn)行判斷。Qs曲線法計算方法：（2）判別曲線類型，選擇計算公式伸直法Qs曲線法計算方法：（2）判別曲線類型，選擇計算公式差分法一階差分誤差的大小，可用曲線擬合誤差c來表示：C越小，擬合的越好。Qs曲線法計算方法：（2）判別曲線類型，選擇計算公式曲度法判別式：當(dāng)n=1時，為直線；1n2時，為冪函數(shù)曲線；當(dāng)n=2時，為拋物線；當(dāng)n2時，為對數(shù)曲線；如果n1，則抽水資料可能有誤。Qs曲線法計算方法：（3）確定涌水量方程參數(shù)a、b，計算預(yù)測涌水量可以使用圖解法、均衡誤差

7、法、最小二乘法確定參數(shù)a、b。圖解法實例：東莊煤礦豎井設(shè)計井深118m，預(yù)計將揭穿煤系地層30m、巖溶灰?guī)r86m，勘探階段在建井地段布置一水文地質(zhì)孔，并進(jìn)行了分層抽水試驗。抽水結(jié)果表明，煤系地層含水微弱，計算涌水量時可以忽略，故未來豎井的總涌水量即為其揭露灰?guī)r含水層的涌水量。計算步驟：解析法是根據(jù)地下水動力學(xué)原理，用數(shù)學(xué)分析的方法，對一定的邊界和初始條件下的地下水運動，建立定解公式，應(yīng)用這些公式來預(yù)測煤礦涌水量。解析法又稱地下水動力學(xué)法，它沿用了地下水動力學(xué)中的基本公式，如達(dá)西公式、裘布衣公式、泰斯公式等。在實際應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合礦區(qū)的邊界條件、開采條件、含水層條件，選用合適的公式進(jìn)行涌水量預(yù)測。這

8、里僅討論邊界條件、參數(shù)的選用及特定條件下的煤礦涌水量計算方法。礦區(qū)構(gòu)造條件復(fù)雜，水文網(wǎng)縱橫切割，使礦區(qū)邊界條件形態(tài)不規(guī)則，相當(dāng)復(fù)雜，為了獲得理想的解析解，需要對此進(jìn)行概化。1、邊界進(jìn)水類型根據(jù)解析法的要求，邊界進(jìn)水類型可以分為以下兩種：隔水邊界：指含水層與弱透水層、隔水層或隔水?dāng)鄬娱g的界線。在自然界中，由于絕對的隔水層是不存在的，因此常用相對隔水層的概念，即將弱透水或局部透水局部富水的巖層（這些巖層與該區(qū)含水層相比都弱得多），均作為相對隔水層處理。1、邊界進(jìn)水類型供水邊界：理論上的供水邊界指具有無限補給的定水頭邊界輪廓線，如含水層與地表水體（具有強烈水力聯(lián)系）的接觸線。此外，一些強含水層也可成

9、為弱含水層的定水頭供水邊界。上述邊界性質(zhì)不是一成不變的。2、邊界形態(tài)解析法要求將不規(guī)則的邊界形態(tài)，簡化為一些理想化的幾何圖形，如半無限直線邊界、直交邊界、斜交邊界、平等邊界。參數(shù)的選用直接影響煤礦涌水量預(yù)測的精度。為此，必須根據(jù)公式要求，結(jié)合礦區(qū)的水文地質(zhì)條件及未來的開拓方案，合理地確定各項參數(shù)。1、滲透系數(shù)值的確定滲透系數(shù)K由抽水試驗獲得。在實際應(yīng)用中，因為含水層的非均質(zhì)性和抽水試驗人為的誤差，往往使求得的K值在同一含水層的不同地段差異很大，同一抽水孔中用不同方法和不同深度所獲得的K值也不相同。1、滲透系數(shù)值的確定一般地，在抽水試驗的滲流場中，都可以找到一個裘布依公式的適用區(qū)。裘布衣公式的適

10、用區(qū)：16Mr0.178R 式中：M為含水層厚度，m R為補給半徑（影響半徑），m r為抽水孔至觀測孔的距離，m在該區(qū)域測得的水位降深值代入裘布衣公式，才能求得真實的K值。1、滲透系數(shù)值的確定復(fù)雜多變的地質(zhì)體是很難符合上述要求的，因此，在煤礦涌水量計算時，通常采用以下兩種方法利用抽水試驗獲得的K值。加權(quán)平均法分以下三種情況：a）當(dāng)垂直方向滲透性有變化時，如彼此之間有水力聯(lián)系的幾個透水性不同的砂層、礫石層或堅硬裂隙地層等，采用以下加權(quán)平均法1、滲透系數(shù)值的確定加權(quán)平均法分以下三種情況：b）沿水平各向巖石透水性有變化時，滲透系數(shù)值可由下式求得：式中： Li不同方向滲透段的長度，m1、滲透系數(shù)值的確

11、定加權(quán)平均法分以下三種情況：c）對平面非均質(zhì)情況，即含水層在水平方向上滲透性有變化時，應(yīng)作滲透系數(shù)分布圖，采用下式計算滲透系數(shù)：式中： Ai某塊段的面積，m21、滲透系數(shù)值的確定流場分析法它是利用抽（放）水資料繪制等水位線圖，然后根據(jù)流場特征，采用閉合等值線法及輻射流法計算滲透系數(shù)。A）閉合等值線法根據(jù)達(dá)西定律，式中 L1,L2任意兩條閉合等值線的長度，mr兩條閉合等值線的平均距離，mh兩條閉合等值線的水位差，m1、滲透系數(shù)值的確定流場分析法b）輻射流法采用下式計算：式中 b1，b2分別為輻射狀上下游斷面上的寬度，m； h1，h2分別為上下游斷面隔水底板上的水頭高度，m； Lb1，b2斷面之間

12、的距離，m2、含水層厚度值的確定通常含水層的厚度是依據(jù)鉆孔簡易水文地質(zhì)觀測、物探油井和抽水試驗的成果分析確定的。對于巖溶充水礦井，特別是巨厚層巖溶含水層充水的礦井，確定其厚度時，必須根據(jù)巖溶的發(fā)育規(guī)律及其富水性變化，劃分出強弱含水帶，決不能把整個巖溶地層的厚度作為含水層的厚度。計算時，分別計算各區(qū)含水層的平均厚度，最后加權(quán)平均，求得礦區(qū)含水層的總體平均厚度。式中：MCP(HCP)承壓水（或潛水）含水層總 體平均厚度，mAi某一計算區(qū)的面積，m2Mi(Hi)承壓水（或潛水）含水層的厚度，m3、引用半徑和巷道系統(tǒng)面積的確定在預(yù)測巷道系統(tǒng)和露天采礦場的涌水量時，常把礦井的形狀復(fù)雜的巷道系統(tǒng)（或露天采

13、礦場的輪廓）所包圍的面積，看作以r0為半徑的圓形大井的面積。R0稱為引用半徑。由于礦井四周邊界所包圍面積的形狀均不相同，下表羅列了幾種幾何形狀及其r0的表達(dá)式。巷道系統(tǒng)面積的確定，是用巷道系統(tǒng)、采區(qū)所占的水平投影面積；用設(shè)計巷道所包圍地段的面積；用靠排水巷道最近一條封閉等水位（水壓）線所圈定的面積。4、影響半徑和引用影響半徑的確定1）影響半徑的確定影響半徑的確定方法很多，可采用裘布依公式、經(jīng)驗公式、抽水試驗資料來確定，也可采用下述兩種方法來確定：a）直接觀測法：利用地下水的天然露頭或觀測孔為觀測點，直接確定抽（排）水時各降深的影響半徑。4、影響半徑和引用影響半徑的確定1）影響半徑的確定 b）作

14、圖法：在直角坐標(biāo)上，將抽水孔與分布在同一直線上的各觀測孔所測得的水位連接起來，并沿曲線趨勢延長，與抽水前的靜止水位線相交，該交點至抽水孔的距離即為影響半徑。 在觀測孔較多時，用本方法確定影響半徑較精確。作圖法確定影響半徑示意圖1靜止水位 2動水位 3觀測水位4、影響半徑和引用影響半徑的確定2）引用影響半徑的確定a）當(dāng)巷道系統(tǒng)所穿過的含水層原始水位近于水平時，可用下式計算： R0=R+r0式中： R0巷道系統(tǒng)的引用影響半徑，m； r0巷道系統(tǒng)的引用半徑，m。b） 當(dāng)巷道靠近地表水體時，可利用弗爾赫格依米爾公式計算引用影響半徑，即： R02a+r0式中： a巷道邊界線至地表水體的距離，mc）對于外

15、形較復(fù)雜的巷道系統(tǒng)，當(dāng)巷道系統(tǒng)位于地表水體附近，或者巷道分布在透水性很強的含水層、富水?dāng)鄬訋Ц浇鼤r，可以用巷道邊界線與地表水體或其它天然水文地質(zhì)邊界之間距離的加權(quán)平均值來計算引用影響半徑：式中：aCP巷道邊界線與地表水體之間的平均距離，m； l相鄰兩條剖面線之間的距離，m。5、給水度、儲水系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)的確定儲水系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)利用非穩(wěn)定流抽水試驗，通過圖解法就可以獲得，這里只強調(diào)一下給水度。給水度的確定一般有以下3種方法：1）對于裂隙、巖溶化含水層，可以近似用裂隙率、巖溶率代替。2）根據(jù)抽（放）水試驗資料獲得穩(wěn)定流抽水時：式中： V疏干漏斗體積，可以通過繪制等降深 圖求得，m3；Q抽水量，m3

16、；Qa補給量消耗（在抽水開始的瞬間，Qa0；水位穩(wěn)定后，Qa=Q），m3；Qc儲存量消耗（在抽水開始的瞬間，Qc=Q；水位穩(wěn)定后，Qc=0），m3。其中Qc可根據(jù)Qt和s-t曲線資料通過作圖求得。5、給水度、儲水系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)的確定2）根據(jù)抽（放）水試驗資料獲得非穩(wěn)定流抽水時：5、給水度、儲水系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)的確定3）根據(jù)無補給季節(jié)的動態(tài)觀測資料，利用有限差分方程計算給水度利用穩(wěn)定流公式計算礦井涌水量o無限邊界完整井涌水量計算 豎井、水平巷道涌水量計算 傾斜巷道涌水量計算 巷道系統(tǒng)涌水量計算o有限邊界完整井涌水量計算利用非穩(wěn)定流公式計算礦井涌水量o無限邊界完整井涌水量計算o有限邊界完整井涌水量計

17、算目前，在礦井涌水量預(yù)測方面，使用較為廣泛的有解析法、水文地質(zhì)比擬法、相關(guān)分析法和應(yīng)用Benoulli能量方程進(jìn)行預(yù)測等方法。而發(fā)展較快的有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和有限元法等預(yù)測方法。原理：通過把滲透區(qū)分布有限個單元，并將這些單元內(nèi)的水頭函數(shù)近似地看作線性函數(shù)，然后，利用有限差分法或變分有限元法，將地下水連續(xù)方程式轉(zhuǎn)化成有限個線性差分方程組或泛函數(shù)極值線性方程組，用電子計算機解這些方程組，即可得出方程式的解。方法：先給定邊界條件、初始條件和水文地質(zhì)參數(shù)等一組初值，看計算的水位與抽放水試驗的實際觀測資料是否一致。不一致則需要對邊界每件和含水層參數(shù)進(jìn)行修改，反復(fù)調(diào)試，直到基本一致為止，最后利用調(diào)試滿意的參

18、數(shù)和邊界條件進(jìn)行涌水量預(yù)測。應(yīng)用：由于數(shù)值法能使考慮的數(shù)學(xué)模型更接近于實際的水文地質(zhì)條件，所以其價值不低于作了許多概化的精確解。因此，自數(shù)值解問世以來，已經(jīng)解決了許多解析解難以解決的復(fù)雜問題”。數(shù)值法按基于有限元或有限差分的思想，分為有限元法和有限差分法，分別通過Visual Modflow、Feflow兩地下水?dāng)?shù)值模擬軟件實現(xiàn)。原理：是應(yīng)用水均衡原理來預(yù)測礦井涌水量的一種方法。它是通過對地下水動態(tài)規(guī)律的研究，建立礦區(qū)在某一期間(均衡期)地下水各收支部分間的變化關(guān)系，以建立均衡方程來預(yù)測開采地段的涌水量。方法：查明礦區(qū)范圍內(nèi)地下水補給、排泄條件，研究礦區(qū)在疏干過程中將要產(chǎn)生的變化，合理確定均衡

19、項目和取得各項目數(shù)據(jù)，方能進(jìn)行水的均衡計算。應(yīng)用：適用于均衡項目容易確定，均衡項目數(shù)據(jù)容易取得的礦區(qū)，如具有獨立水文地質(zhì)單元的露天采礦場或開采淺部礦體的地下巷道系統(tǒng)的涌水量計算。特點：不能分水平預(yù)計礦井涌水量，計算結(jié)果作為全礦最大可能涌水量的依據(jù)。原理：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是指用大量的神經(jīng)元構(gòu)成的非線性系統(tǒng)，在一定程度和層次上模仿人腦神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理、存儲及檢索功能，具有學(xué)習(xí)、記憶和計算等智能處理功能。由于水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，很難用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型對礦井涌水量進(jìn)行有效預(yù)測，而比較可行的方法就是建立一個礦井充水因素與涌水量之間的映射關(guān)系，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP（back propagation）模型恰好體現(xiàn)了這方面的優(yōu)點，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，就能實現(xiàn)從輸入空間到輸出空間的非線性映射，因此BP網(wǎng)絡(luò)適用于礦井涌水量預(yù)測。方法：1.水