矿井涌水量计算方法及装置与流程

本发明实施例涉及地质勘探技术领域，更具体地，涉及矿井涌水量计算方法及装置。

背景技术：

目前主要的涌水量计算方法有大井法、比拟法、数值法。

基于传统采煤方法、规模等因素的矿井涌水量计算，囿于对矿井水文地质条件的简单概化，对矿井地下水含水系统认识不足，忽略了矿井地下水含水系统二元结构体的存在，或仅重视其导水作用，而忽视了其自身含水的释放。这是矿井涌水量计算往往误差较大的重要原因之一。如，常用的“大井法”就完全无视其“井”含水介质的存在，漏掉了矿井最初、最直接的涌水，因此是不全面、不准确的计算。比拟法为经验公式，没有理论依据，且需要比拟对象。数值法需要完备的水文地质数据，对勘探结果的详细程度有很大的要求。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的矿井涌水量计算方法及装置。

根据本发明实施例的第一个方面，提供一种矿井涌水量的计算方法，所述矿井处于以裂隙层和空隙层叠置而成的二元结构体构成的地下水含水系统，所述计算方法包括：

当煤层顶板岩层发生冒裂时，在当前冒裂的重力释水时间段，计算所述二元结构体的释放水量以及地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量之和，作为所述矿井涌水量；

在当前冒裂的重力释水时间段之后，计算所述地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量，作为所述矿井涌水量；

其中，所述二元结构体的释放水量根据二元结构体的弹性释水量在当前冒裂的重力释水时间段的平均流量以及各含水层的重力释水流量之和获得。

根据本发明实施例的第二个方面，提供一种矿井涌水量的计算装置，所述矿井处于以裂隙层和空隙层叠置而成的二元结构体构成的地下水含水系统，所述计算装置包括：

初始涌水量计算模块，用于当煤层顶板岩层发生冒裂时，在当前冒裂的重力释水时间段，计算所述二元结构体的释放水量以及地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量之和，作为所述矿井涌水量；

后续时间段涌水量计算模块，用于在当前冒裂的重力释水时间段之后，计算所述地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量，作为所述矿井涌水量；

其中，所述二元结构体的释放水量根据二元结构体的弹性释水量在当前冒裂的重力释水时间段的平均流量以及各含水层的重力释水流量之和获得。

根据本发明实施例的第三个方面，还提供一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的计算方法。

根据本发明实施例的第四个方面，还提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的计算方法。

本发明实施例提出的矿井涌水量的计算方法及装置，以煤层顶部岩层发生冒裂时的重力释水时间段为分割节点，在重力释水时间段，将二元结构体的释水量与边界过水断面渗入矿井水量之和作为矿井涌水量，相比现有技术计算的涌水量更加精确。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的裂隙层裂隙发育特征的流程示意图；

图2为根据本发明实施例提供的矿井用水量的计算方法的流程示意图；

图3为根据本发明实施例提供的二元结构体的弹性释水量在当前冒裂的重力释水时间段的平均流量的计算方法的流程示意图；

图4为根据本发明实施例提供的二元结构体的箱型模型的结构示意图；

图5为根据本发明实施例提供的矿井用水量的计算装置的功能框图；

图6为根据本发明实施例提供的电子设备的框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明实施例的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明实施例，但不用来限制本发明实施例的范围。

为了克服现有技术的上述问题，本发明实施例提供一种矿井涌水量的计算方法，矿井处于以裂隙层和空隙层叠置而成的二元结构体构成的地下水含水系统。

煤矿开采伴随着围岩结构的扰动、破坏，尤其是煤层顶板地层的破坏。在非充填开采条件下，随着采煤工作面的推进，煤层顶板周期性冒裂，采空区发育演变为冒裂二元结构体(简称二元结构体)并随之周期性延展，形成矿井地下水含水系统。冒裂二元结构体所及含水层的周期性释水及外侧原生地下水系统含水层通过其边界过水断面向采空区渗流排泄，形成矿井涌水。原生地下水系统水文地质条件，决定矿井涌水量大小及其动态变化，最终决定作为局部地下水系统的矿井地下水系统水文地质特征和功能。

煤炭资源与地下水资源相伴而生，在空间上呈复杂的叠置关系。按含水层与煤层的空间位置关系，可分为顶板含水系统和底板含水系统。按含水系统的空隙特征又可分为孔隙、裂隙、孔隙-裂隙及岩溶等含水系统。含水系统的空间组合及其与地下水流动系统的耦合，构成矿区(区域)地下水系统。

矿井地下水含水系统是指采煤过程中，煤层顶板岩层周期性破断冒落及破裂形成的地下含水空间区域，由冒落带(空隙层)和裂隙带(裂隙层)组成，为冒裂二元结构体。其下部冒落带由垮落岩块堆积而成，含水空间既包括岩块间的空隙，又有岩块中的破断裂隙和原生空隙，称空隙层；上部裂隙带由新生裂隙和原生空隙构成含水空间，称裂隙层。图1为根据本发明实施例提供的裂隙层裂隙发育特征的流程示意图，图中1、2和3分别表示粘塑性岩层、弹脆性岩层和裂隙。单工作面矿井地下水含水系统的二元结构体以顶、底及四周原岩为界呈不规则六面体展布，与导水裂隙(缝)带空间范围一致。侧向边界往往超出采煤边界。

图2为根据本发明实施例提供的矿井用水量的计算方法的流程示意图，如图所示，包括：

s101、当煤层顶板岩层发生冒裂时，在当前冒裂的重力释水时间段，计算二元结构体的释放水量以及地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量之和，作为矿井涌水量。

需要说明的是，本发明实施例针对非充填式开采，煤层顶板周期性冒裂，形成以裂隙层、空隙层叠置而成的二元结构体为基本特征的矿井地下水含水系统。二元结构体的释放水量以及地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量，共同构成矿井涌水。

每次冒裂，矿井涌水量都包含了两个阶段，首先是二元结构体的重力释水(自然疏干)阶段，释水(冒裂含水层自然疏干)持续时间相对较短，随顶板冒裂周期性发生，是间歇性的。由于重力释水阶段发生时间较短，现有技术在计算涌水量时往往忽略了这一时段释水的量，但本发明实施例通过计算弹性释水量和重力释水量，准确地计算出了二元结构体在重力释水时间段的释水量。

需要说明的是，本发明实施例中二元结构体的释放水量根据二元结构体的弹性释水量在当前冒裂的重力释水时间段的平均流量以及各含水层的重力释水流量之和获得。本领域技术人员可以理解的是，将由于水头降低引起的含水层释水称作弹性释水，表示面积为1m²，厚度为1m的含水层，当水头下降1m时的水量，一般假设弹性释放水量是在瞬间完成的，而潜水含水层的重力疏干则不同，地下水位下降所引起的水量释放存在一个过程。

s102、在当前冒裂的重力释水时间段之后，计算地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量，作为矿井涌水量。

在重力释水时间段之后则是边界过水断面汇(渗)水阶段，该阶段持续时间相对较长，通常是持续的。在矿井地下水含水系统(冒裂二元结构体)释水的同时，原生地下水系统通过矿井地下水含水系统边界过水断面向采空区汇水、排泄。根据地下水渗流理论，可用计算各过水断面单宽流量的方法，求得各断面流量，进而获得边界过水断面总汇水量。

需要说明的是，本发明实施例的矿井涌水量的计算方法，以煤层顶部岩层发生冒裂时的重力释水时间段为分割节点，在重力释水时间段，将二元结构体的释水量与边界过水断面渗入矿井水量之和作为矿井涌水量，相比现有技术计算的涌水量更加精确。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，图3为根据本发明实施例提供的二元结构体的弹性释水量在当前冒裂的重力释水时间段的平均流量的计算方法的流程示意图，如图所示，包括：

s201、计算当前冒裂的空隙层的弹性释水量与当前冒裂的裂隙层的弹性释水量之和，作为当前冒裂的二元结构体的弹性释水量。

需要说明的是，由于二元结构体由冒落空隙层和裂隙层叠置而成，其释水量为两者释水之和，而空隙层的释水量和裂隙层的释水量均可以通过弹性释水量与重力释水量之和来计算。因此，在计算当前冒裂的二元结构体的弹性释水量时，以当前冒裂的空隙层的弹性释水量与当前冒裂的裂隙层的弹性释水量之和作为结果。

s202、计算当前冒裂的二元结构体的重力释水体积量与当前冒裂的二元结构体的重力释水流量的商，作为当前冒裂的重力释水时间段。

需要说明的是，本发明实施例为了将弹性释水流量、重力释水流量及过水断面渗流量累加计算，将弹性释水量平均分配到重力释水持续时间段，在具体计算时，以当前冒裂的二元结构体的重力释水体积量与当前冒裂的二元结构体的重力释水流量的商计算重量释水时间段。

s203、计算当前冒裂的二元结构体的弹性释水量与当前冒裂的重力释水时间段的商，作为二元结构体的弹性释水量在当前冒裂的重力释水时间段的平均流量。

需要说明的是，本发明实施例为了将弹性释水量与重力释水量和过水断面渗入矿井水量累积计算，提供了将弹性释水量转换为当前冒裂的重力释水时间段的平均流量的具体方法，为计算地下水含水系统在重力释水时间段的释水量提供了基础。

在上述实施例的基础上，作为一种可选实施例，当前冒裂的空隙层的弹性释水量，通过以下公式计算：

其中，qk弹表示第j次冒裂的空隙层的弹性释水量，fj表示第j次冒裂的冒落面积，n表示空隙层中含水层的总数，hg表示空隙层中第g个含水层的承压水头，表示空隙层中第g个含水层的贮水系数；

相应地，当前冒裂的裂隙层的弹性释水量，通过以下公式计算：

其中，ql弹表示第j次冒裂的裂隙层的弹性释水量，p表示裂隙层中含水层的总数，he表示裂隙层中第e个含水层的承压水头，表示裂隙层中第e个含水层的贮水系数。

为了简化计算，将空隙层和裂隙层中的含水层自下而上进行统一排序，另n＝n+p，则二元结构体的弹性释水量qj弹为：

其中，hi表示二元结构体中第i个含水层的承压水头，表示二元结构体中第i个含水层的贮水系数。

需要说明的是，在实际应用时，冒落面积采用开采面积以及上三带角度计算获得，而含水层的总数和每一层含水层的承压水头可以通过工程设备实际测试得到，而贮水系数则可以采用钻孔抽水试验测量。

因二元结构体所含重力水(地下水)即原生含水层所含重力水，数量没有改变，只是随含水层冒裂含水介质形态发生了改变，尤其空隙层是不规则含水岩块的杂乱堆积，增加了其重力释水流量计算的难度。本发明实施例为了计算二元结构体重力释水流量，对二元结构体的边界条件进行合理概化，假设二元结构体所含地下水在重力作用下从原(生)含水层底界面渗出，则过水断面面积就是冒裂(采空区)面积fj。

在上述实施例的基础上，作为一种可选实施例，当前冒裂的二元结构体的重力释水体积量，通过以下公式计算：

其中，qj重表示二元结构体的重力释水体积量，mi表示二元结构体中第i个含水层的厚度(可通过实测获得)，ui表示二元结构体中第i个含水层的承压水头，n表示二元结构体中含水层的总数；

当前冒裂的二元结构体的重力释水流量，通过以下公式计算：

其中，表示二元结构体的重力释水流量，ki表示二元结构体中第i个含水层渗透系数(可通过实测获得)。

随着采空区逐步扩大，二元结构体随之累积延展，其释水过程与煤层顶板周期性冒落同步。在矿井地下水含水系统(二元结构体)释水的同时，原生地下水系统通过矿井地下水含水系统边界过水断面向采空区汇水、排泄。根据地下水渗流理论，可用计算各过水断面单宽流量的方法，求得各断面流量，进而获得边界过水断面总汇水量。

二元结构体呈六面体闭合形态，底部边界为煤层底板，通常为隔水边界；厚基岩型顶部边界常为隔水边界；薄基岩型顶部边界与松散孔隙含水层或地表(水)相通，通常不宜触及，或露天开采，或采取防治水工程措施后方可开采，该类边界流量问题本发明实施例并不涉及。因此，将采空区概化为四面进水的箱形模型，图4为根据本发明实施例提供的二元结构体的箱型模型的结构示意图，其中虚线箭头表示渗水方向，实线表示工作面的推进方向，b表示过水断面宽度，ac表示第j次冒裂边界过水断面新增的宽度。

本发明实施例的地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量通过以下公式计算：

其中，qj外表示地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量，jja表示特定断面的渗流综合水力坡度，fja表示特定断面的综合面积，jjb表示推进方向前方断面的渗流综合水力坡度，fjb表示推进方向前方断面的综合面积，ki表示二元结构体中第i个含水层渗透系数，n表示二元结构体中含水层的总数，特定断面包括平行工作面推进方向断面和工作面推进方向后方断面。

需要说明的是，本发明实施例将二元结构体等效为箱型，计算单一层含水层的过水断面流量，再以积分的形式计算所有含水层的过水断面流量，相比现有技术获得的过水断面流量更合理。在计算单一层含水层的过水断面流量时，以平行工作面推进方向断面、工作面推进方向前方断面和工作面推进方向后方断面分别计算过水断面流量。在计算每一断面的过水断面流量时，以渗流综合水力坡度与综合面积的乘积进行计算。其中渗水综合水力坡度又称比降，是指流体从机械能较大的断面向机械能较小的断面流动时，沿流程每单位距离的水头损失，即总水头线的坡度。

在上述实施例的基础上，作为一种可选实施例，特定断面的渗流综合水力坡度通过以下公式计算：

推进方向前方断面的渗流综合水力坡度通过以下公式计算：

其中，h1,i表示二元结构体中第i层含水层的初始水位，mi表示二元结构体中第i层含水层的厚度，li表示二元结构体中第i层含水层边界过水断面距水位降深为零处的距离，aj表示总共j次冒裂边界过水断面的累计宽度。

特定断面的综合面积通过以下公式计算：

fja＝(b+2aj)mi

推进方向前方断面的综合面积通过以下公式计算：

fjb＝bmi

其中，b表示过水断面宽度，aj表示总共j次冒裂边界过水断面的累计宽度，mi表示裂隙层或空隙层中第i层含水层的厚度。

需要说明的是，首先计算单一含水层的边界过水断面流量。顶板含水层冒裂的同时，采空区(即二元结构体)边界外侧含水层开始向采空区渗流，边界处含水层水位降至底板，水头(位)降落曲线向外扩展，承压水流变成承压-无压水流。用稳定流方法计算通过箱形边界的渗流量。设含水层厚度不变，根据达西定律，承压水地段的单宽流量为：

式中：l0为承压转无压处距水位(压)降深为零处的距离。

同理，无压水流地段单宽流量为：

式中：l为边界过水断面距水位(压)降深为零处的距离。

根据水流连续性原理，q渗＝q承压＝q无压(q渗为边界过水断面渗流量)，可得：

将l0代入q承压或者q无压公式中，进一步可得承压-无压渗流入采空区的单宽流量：

因h1为观测孔已知水头(位)，假设其在某时间段(如相邻两次冒裂间隔)保持不变，工作面推进方向q渗随l的周期性减小(顶板周期性冒裂)而增大，而其他过水断面单宽流量q渗在该时段(h1保持不变的时段)，保持不变。

由图4可知，箱形模型相对两过水断面宽度相等。

垂直工作面推进方向，过水断面宽度即工作面宽度b；平行工作面推进方向，过水断面宽度为：

式中：aj为j次冒裂边界过水断面累计宽度，ac表示第c次冒裂边界过水断面新增的宽度。ac可以通过实测获得。

相邻两次冒裂间隔时间内，或相邻两次冒裂间距内，可分别计算各边界过水断面流量。

工作面推进方向后方断面流量用qjb1表示，前方断面流量用qjb2表示。由q渗的公式得后方边界过水断面流量：

在h1不变的情况下，qjb1不变，即后方边界过水断面流量为稳定流量。

随着工作面的推进，顶板周期性冒裂，l随之减小aj，因此前方边界过水断面流量为：

同理可计算qja：

各含水层边界过水断面流量均可用上述同样方法计算，因此可得出多层含水层边界过水断面流量公式。

式中：─第j次冒裂，工作面推进方向后方边界过水断面总流量，l³t^-1；

ki─第i层含水层渗透系数，单位为lt^-1；

mi─第i层含水层厚度，单位为l；

h1，i─第i层含水层已知初始水位，单位为l；

li─第i层含水层边界过水断面距水位(压)降深为零处的距离，单位为l。

由qjb2的公式可得：

式中：─第j次冒裂，工作面推进方向前方过水断面总流量，单位为l³t^-1。

由qja的公式可得：

式中：─平行推进方向过水断面总流量，l³t^-1。

用qj外表示第j次冒裂二元结构体边界过水断面渗入采空区(矿井)涌水量，则：

令fja＝(b+2aj)mi，fjb＝bmi，据此：

即，边界过水断面渗流达西公式。

根据本发明的另一个方面，本发明实施例还提供一种矿井涌水量的计算装置，矿井处于以裂隙层和空隙层叠置而成的二元结构体构成的地下水含水系统，图5为根据本发明实施例提供的矿井涌水量的计算装置的功能框图；该计算装置用于前述各实施例的矿井地下水含水系统的涌水量的计算。因此，在前述各实施例中的计算方法中的描述和定义，可以用于本发明实施例中各执行模块的理解。

如图5所示，该计算装置包括：

初始涌水量计算模块501，用于当煤层顶板岩层发生冒裂时，在当前冒裂的重力释水时间段，计算二元结构体的释放水量以及地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量之和，作为矿井涌水量；二元结构体的释放水量根据二元结构体的弹性释水量在当前冒裂的重力释水时间段的平均流量以及各含水层的重力释水流量之和获得。

需要说明的是，本发明实施例的计算装置针对非充填式开采，煤层顶板周期性冒裂，形成以裂隙层、空隙层叠置而成的二元结构体为基本特征的矿井地下水含水系统。二元结构体的释放水量以及地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量，共同构成矿井涌水。

每次冒裂，矿井涌水量都包含了两个阶段，首先是二元结构体的重力释水(自然疏干)阶段，释水(冒裂含水层自然疏干)持续时间相对较短，随顶板冒裂周期性发生，是间歇性的。由于重力释水阶段发生时间较短，现有技术在计算涌水量时往往忽略了这一时段释水的量，但本发明实施例的初始涌水量计算模块通过计算弹性释水量和重力释水量，准确地计算出了二元结构体在重力释水时间段的释水量。

需要说明的是，本发明实施例中二元结构体的释放水量根据二元结构体的弹性释水量在当前冒裂的重力释水时间段的平均流量以及各含水层的重力释水流量之和获得。本领域技术人员可以理解的是，将由于水头降低引起的含水层释水纤芯称作弹性释水，表示面积为1m²，厚度为1m的含水层，当水头下降1m时的水量，一般假设弹性释放水量是在瞬间完成的，而潜水含水层的重力疏干则不同，地下水位下降所引起的水量释放存在一个过程。

后续时间段涌水量计算模块502，用于在当前冒裂的重力释水时间段之后，计算地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量，作为矿井涌水量。

在重力释水时间段之后则是边界过水断面汇(渗)水阶段，该阶段持续时间相对较长，通常是持续的。在矿井地下水含水系统(冒裂二元结构体)释水的同时，原生地下水系统通过矿井地下水含水系统边界过水断面向采空区汇水、排泄。根据地下水渗流理论，本发明实施例的后续时间段涌水量计算模块可利用计算各过水断面单宽流量的方法，求得各断面流量，进而获得边界过水断面总汇水量。

需要说明的是，本发明实施例的矿井涌水量的计算方法，以煤层顶部岩层发生冒裂时的重力释水时间段为分割节点，在重力释水时间段，将二元结构体的释水量与边界过水断面渗入矿井水量之和作为矿井涌水量，相比现有技术计算的涌水量更加精确。

图6为根据本发明实施例提供的电子设备的框图，如图6所示，处理器(processor)601、存储器(memory)602和总线603；

其中，处理器601及存储器602分别通过总线603完成相互间的通信；处理器601用于调用存储器602中的程序指令，以执行上述实施例所提供的矿井涌水量的计算方法，例如包括：当煤层顶板岩层发生冒裂时，在当前冒裂的重力释水时间段，计算所述二元结构体的释放水量以及地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量之和，作为所述矿井涌水量；在当前冒裂的重力释水时间段之后，计算所述地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量，作为所述矿井涌水量；其中，所述二元结构体的释放水量根据二元结构体的弹性释水量在当前冒裂的重力释水时间段的平均流量以及各含水层的重力释水流量之和获得。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令使计算机执行上述实施例所提供的矿井涌水量的计算方法，例如包括：当煤层顶板岩层发生冒裂时，在当前冒裂的重力释水时间段，计算所述二元结构体的释放水量以及地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量之和，作为所述矿井涌水量；在当前冒裂的重力释水时间段之后，计算所述地下水含水系统边界过水断面渗入矿井水量，作为所述矿井涌水量；其中，所述二元结构体的释放水量根据二元结构体的弹性释水量在当前冒裂的重力释水时间段的平均流量以及各含水层的重力释水流量之和获得。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。