一种基于空间分析的矿井动涌水量计算方法及系统与流程

本发明涉及矿井水文地质领域，具体涉及一种基于空间分析的矿井动涌水量计算方法及系统。

背景技术：

矿井涌水量是煤矿建井、防治水中长期规划、煤矿水文地质勘查的主要要素。准确的涌水量预测对于合理确定防治水措施,优选施工方案是极其重要的。井筒涌水量预测的准确与否,直接关系到建井工期、施工安全和经济效益。

目前涌水量计算主要有三类方法，比拟法是依据相似条件(水文地质条件和开采方式)的矿井涌水量观测数据，通过与涌水量大小有较大关系的影响因素(一般为开采量、工作面面积等)，建立经验公式，以计算需预测矿井的涌水量；其预测精度主要取决于相似条件的相似程度、观测数据的可靠性和相关因素的选取的合理性，这种方法只适用于有相似条件矿井的涌水量计算。解析法主要将生产矿井概化为理想的“大井”通过裘布依公式、泰斯公式等进行涌水量的计算；其预测精度主要取决于参数精度，含水层划分、生产矿井概化、公式选择等的合理性，这种方法不确定性较高。数值法计算精度主要取决于离散化方法和概念模型的精度，这种方法复杂程度较高，需要大量的勘查数据，再者软件操作比较复杂，需要大量培训。综上所述，目前涌水量的计算方法存在适用范围小、不确定性高、复杂程度高等问题。

技术实现要素：

本发明针对现有的涌水量计算方法存在的上述技术问题，提供一种基于空间分析的矿井动涌水量计算方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于空间分析的矿井动涌水量计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、根据预先录入的充水含水层的特征参数，建立模拟开采前充水含水层的分布模型；

步骤2、根据预建立的矿井模型和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型；

步骤3、根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型；

步骤4、根据所述充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型计算动涌水量。

本发明的有益效果是：该方法通过建模的方式计算动涌水量，建模采用现有的空间分析软件即可完成，克服了数值法复杂程度高的问题，并且，与解析法相比，对用户认识水文地质条件的充分性要求较低，因此计算结果的确定性较高，另外，通过选取预测进水断面，提高了动涌水量的预测精度，可以同时计算多个充水含水层的涌水量，从而克服了比拟法、解析法的局限性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述模拟开采前充水含水层的分布模型包括预测前地下水水位标高分布模型、底板标高模型和影响半径分布模型；所述根据预建立的矿井模型和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型，具体包括：

对所述预建立的矿井模型、预测前地下水水位标高分布模型、底板标高模型和影响半径分布模型进行空间分析，建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型。

进一步，所述根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型，具体包括：

根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立充水含水层的预测进水断面的参数模型；

根据所述模拟开采前充水含水层的分布模型和预测进水断面的参数模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型。

进一步，所述预测进水断面的参数模型包括：水力坡度模型、长度模型和高度模型，所述根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面，建立充水含水层的预测进水断面的参数模型具体包括：

分别获取所述预测进水断面的水力坡度、长度和高度；

根据所述预测进水断面的水力坡度，建立充水含水层的预测进水断面的水力坡度模型；

根据所述预测进水断面的长度，建立充水含水层的预测进水断面的长度模型；

根据所述预测进水断面的高度，建立充水含水层的预测进水断面的长度模型。

进一步，所述模拟开采前充水含水层的分布模型还包括渗透系数分布模型，所述根据所述模拟开采前充水含水层的分布模型和预测进水断面的参数模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型，具体包括：

对所述渗透系数分布模型、水力坡度模型、长度模型和高度模型进行空间分析，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型。

进一步，所述根据所述充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型计算动涌水量，具体包括：

从每个所述充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型中获取与每个充水含水层对应的至少一个进水断面的渗透系数、预测进水断面的水力坡度、长度和高度；

分别根据所述至少一个进水断面中每一个进水断面的水力坡度、长度和高度，计算每一个进水断面的动涌水量；

根据每一个进水断面的动涌水量，统计每个充水含水层所有预测进水断面的动涌水量；

统计所述至少一层充水含水层中的每一层充水含水层的动涌水量之和，作为所述矿井动涌水量。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于空间分析的矿井动涌水量计算系统，其特征在于，包括：

第一建立模块，用于根据预先录入的充水含水层的特征参数，建立模拟开采前充水含水层的分布模型；

第二建立模块，用于根据预建立的矿井模型和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型；

第三建立模块，用于根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型；

计算模块，用于根据所述充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型计算动涌水量。

本发明的有益效果是：该方法克服了数值法复杂程度高的问题，并且，与解析法相比，对用户认识水文地质条件的充分性要求较低，因此计算结果的确定性较高，另外，通过选取预测进水断面，提高了动涌水量的预测精度，可以同时计算多个充水含水层的涌水量，从而克服了比拟法、解析法的局限性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述模拟开采前充水含水层的分布模型包括预测前地下水水位标高分布模型、底板标高模型和影响半径分布模型；所述第二建立模块，具体用于对所述预建立的矿井模型、预测前地下水水位标高分布模型、底板标高模型和影响半径分布模型进行空间分析，建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型。

进一步，所述第三建立模块包括：

第一建立单元，用于根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面，建立充水含水层的预测进水断面的参数模型；

第二建立单元，用于根据所述模拟开采前充水含水层的分布模型和预测进水断面的参数模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型。

进一步，所述预测进水断面的参数模型包括：水力坡度模型、长度模型和高度模型，所述第一建立单元包括：

获取子单元，用于分别获取所述预测进水断面的水力坡度、长度和高度；

第一建立子单元，用于根据所述预测进水断面的水力坡度，建立充水含水层的预测进水断面的水力坡度模型；

第二建立子单元，用于根据所述预测进水断面的长度，建立充水含水层的预测进水断面的长度模型；

第三建立子单元，用于根据所述预测进水断面的高度，建立充水含水层的预测进水断面的长度模型。

进一步，所述模拟开采前充水含水层的分布模型还包括渗透系数分布模型，所述第二建立单元，具体用于对所述渗透系数分布模型、水力坡度模型、长度模型和高度模型进行空间分析，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型。

进一步，所述计算模块包括：

获取单元，用于从每个所述充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型中获取与每个充水含水层对应的至少一个进水断面的渗透系数、预测进水断面的水力坡度、长度和高度；

计算单元，用于分别根据所述至少一个进水断面中每一个进水断面的水力坡度、长度和高度，计算每一个进水断面的动涌水量；

第一统计单元，用于根据每一个进水断面的动涌水量，统计每个充水含水层所有预测进水断面的动涌水量；

第二统计单元，用于统计所述至少一层充水含水层中的每一层充水含水层的动涌水量之和，作为所述矿井动涌水量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于空间分析的矿井动涌水量计算方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于空间分析的矿井动涌水量计算系统的结构框图；

图3为某矿井筒分布剖面图；

图4为模拟开采后的第四系充水含水层水位标高分布模型；

图5为进水断面示意图；

图6为某矿含水层概化剖面示意图；

图7为渗透系数分布模型等值线示意图；

图8为预测前地下水水位标高分布模型等值线示意图；

图9为模拟开采时充水含水层水位标高分布模型等值线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的一种基于空间分析的矿井动涌水量计算方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

s1、根据预先录入的充水含水层的特征参数，建立模拟开采前充水含水层的分布模型。

具体的，各个充水含水层的相关特征参数是通过对开采区域进行钻孔揭露及抽水试验等取得的，并且通过在如mapgis，arcgis等空间分析软件中录入特征参数来完成模型的建立。

s2、根据预建立的矿井模型和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型。

具体的，用户根据预先设计的煤矿巷道分布或煤层的开采工作面的图纸或相关参数，在空间分析软件中通过绘制或者输入参数的方式来完成矿井模型的建立。

可选地，在该实施例中，所述模拟开采前充水含水层的分布模型包括预测前地下水水位标高分布模型、底板标高模型和影响半径分布模型。

步骤s2具体包括：

对所述预建立的矿井模型、预测前地下水水位标高分布模型、底板标高模型和影响半径分布模型进行空间分析，建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型。

具体的，对矿井模型和底板标高分布模型进行空间分析后，可得到矿井和充水含水层底板的交界，这个交界即为开采边界，再将开采边界按照对应的影响半径外扩即可得到影响边界，将影响边界垂直方向上对应的预测前地下水水位标高替换为充水含水层底板标高，即可得到模拟开采时充水含水层水位标高，根据模拟开采时充水含水层水位标高即可建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型。

s3、根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型。

具体的，由用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中选取水位线，并对该水位线进行分段，每一段作为一个进水断面，其中，水位线的选取主要依据工作经验，一般选取突变过度边界的水位线来进行分段，另外，对水位线的分段主要依据所选取的水位线与相邻水位线的距离的均匀程度来进行，分段越多精度越高。

可选地，在该实施例中，所述根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型，具体包括：

s3.1、根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面，建立充水含水层的预测进水断面的参数模型。

具体的，从预测进水断面和所述模拟开采前充水含水层的分布模型中获取相关参数，并根据相关参数来建立充水含水层的预测进水断面的参数模型。

可选地，在该实施例中，所述预测进水断面的参数模型包括：水力坡度模型、长度模型和高度模型，所述步骤s3.1具体包括：

s3.1.1、分别获取所述预测进水断面的水力坡度、长度和高度；

具体的，计算预测进水断面的水力坡度采用的计算公式为：

其中，iij为第i个充水含水层的第j个预测进水断面的水力坡度，δhij为为第i个充水含水层的第j个预测进水断面与相邻水位线的的水位差，δlij为第i个充水含水层的第j个预测进水断面上一个点与该点的法线与相邻水位线的交点之间的距离。

预测进水断面的长度可从模型的属性值中直接获取，预测进水断面的高度为进水断面所在的水位线与充水含水层底板标高的差值。

s3.1.2、根据所述预测进水断面的水力坡度，建立充水含水层的预测进水断面的水力坡度模型。

s3.1.3、根据所述预测进水断面的长度，建立充水含水层的预测进水断面的长度模型。

s3.1.4、根据所述预测进水断面的高度，建立充水含水层的预测进水断面的高度模型。

具体的，用户通过在空间分析软件中录入各个预测进水断面的水力坡度、长度及高度即可建立相关模型。

s3.2、根据所述模拟开采前充水含水层的分布模型和预测进水断面的参数模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型。

可选地，在该实施例中，所述模拟开采前充水含水层的分布模型还包括渗透系数分布模型，s3.2具体包括：

对所述渗透系数分布模型、水力坡度模型、长度模型和高度模型进行空间分析，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型。

s4、根据所述充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型计算动涌水量。

可选地，在该实施例中，s4具体包括：

s4.1、从每个所述充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型中获取与每个充水含水层对应的至少一个进水断面的渗透系数、预测进水断面的水力坡度、长度和高度；

s4.2、分别根据所述至少一个进水断面中每一个进水断面的水力坡度、长度和高度，计算每一个进水断面的动涌水量q动ij；

具体的，q动ij的计算公式为：

q动ij＝kijiijωij

其中，kij为第i个充水含水层的第j个预测进水断面的渗透系数，iij为第i个充水含水层的第j个预测进水断面的水力坡度，ωij为第i个充水含水层的第j个预测进水断面的面积，ωij＝lijhij，lij为第i个含水充水层的第j个预测进水断面的长度，hij为第i个含水充水层的第j个预测进水断面的高度；

s4.3、根据每一个进水断面的动涌水量，统计每个充水含水层所有预测进水断面的动涌水量q动i；

具体的，q动i的计算公式为：

其中，m为充水含水层的预测进水断面的个数；

s4.4、统计所述至少一层充水含水层中的每一层充水含水层的动涌水量之和，作为所述矿井动涌水量q动。

具体的，q动的计算公式为：

其中，n为开采影响范围内充水含水层的个数。

本发明实施例提供的一种基于空间分析的矿井动涌水量计算方法，克服了数值法复杂程度高的问题，并且，与解析法相比，对用户认识水文地质条件的充分性要求较低，因此计算结果的确定性较高，另外，通过选取预测进水断面，提高了动涌水量的预测精度，可以同时计算多个充水含水层的涌水量，从而克服了比拟法、解析法的局限性。

下面介绍使用本发明实施例提供的方法来计算动涌水量的实例。

例1：某矿井筒涌水量的计算

第一步，获取勘查数据：主、副斜井开挖段地层由新至老有第四系(q)、古近系(e1-2l)、侏罗系中统石门沟组(j2s)以及大煤沟组上段(j2d2)。通过井筒水文地质勘查，查明了含水层水文地质特征和掘进状态，如表1，及图3所示。

表1某矿井筒检查孔主要参数

第二步，在mapgis平台上建立第四系含水层水位标高分布模型预测前地下水水位标高分布模型、影响半径分布模型和底板标高分布模型。

其中，，影响半径约为200m。

第三步，建立模拟开采时的第四系充水含水层水位标高分布模型，如图4所示。

第四步，图5为图4的局部放大图，选取图4中最外圈标高3202.5水位线作为进水断面，获取预测进水断面的长度。

第五步，因考虑第四系含水层底板，在影响范围(进水断面)内近水平分布，预测进水断面的高度模型可简化，即水位到含水层底板距离为28.5m。

第六步，由图4所示的模拟开采时的第四系含水层水位标高分布模型，可知进水断面处，水位线密度变化不大，因此，预测进水断面的水位标高模型可简化，在3202.5水位线上取一点，并取该点的法线与3200水位线的交点，经测算，两点的距离为14m，水位差为2.5m，计算水力坡度模型i＝2.5m/14m＝0.18。

第七步，根据表1数据，建立渗透系数模型，其中，渗透系数取平均值12.5717m/d，对渗透系数分布模型、水力坡度模型、长度模型和高度模型进行空间分析，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型。

第八步，根据动涌水量模型的属性值，计算第四系井筒涌水量为67960m³/d(即2831.69m³/h)。

第九步，效果比较：实际开采时，主、副斜井和回风立井分别开挖至208m、212m、97.5m时，实际涌水量3000m³/h。计算涌水量为2831.69m³/h，相对误差5.9％。

例2：某煤矿规划采区涌水量预测

第一步，某煤矿位于鹤岗矿区中部，矿井主要充水含水层为煤层顶板白垩系下统石头庙子组砾岩裂隙含水层，石头庙子组含水层与开采煤层之间有一层相对隔水的粉砂岩、细砂岩隔水层，倾角15～35°(见图6)。矿井开采方式为分水平开采，主采11#煤层，规划主要开采水平为四水平，开采标高为-600～-900m。

第二步，根据钻孔揭露及抽水试验等取得的相关参数，在mapgis平台建立石头庙子组含水层渗透系数分布模型等值线图(图7)；规划采区预测前地下水水位标高分布模型(图8)；假设模拟开采时含水层水位标高规划区西边为含水层底板标高，根据影响半径建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型(图9)。

第三步，在模拟开采时充水含水层水位标高分布模型等值线图(图9)中选择标高-3202.5m水位线作为计算边界，将该水位线进行分段，每一段作为一个进水断面。

第四步，根据模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中水位等值线密度建立水力坡度模型，本实例直接赋值到模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中。

第五步，因进水断面范围内，充水含水层为简单倾斜面(倾角为20°)，直接计算进水断面处的含水层厚度，赋值到模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中。

第六步，对充水含水层的渗透系数分布模型、模拟开采时水位标高分布模型进行空间分析，建立动涌水量模型。

第六步，计算动涌水量1415.43m³/d(58.98m³/h)。

图2为本发明实施例提供的一种基于空间分析的矿井动涌水量计算系统的结构框图，如图2所示，该系统包括：

第一建立模块，用于根据预先录入的充水含水层的特征参数，建立模拟开采前充水含水层的分布模型；

第二建立模块，用于根据预建立的矿井模型和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型；

可选地，在该实施例中，所述模拟开采前充水含水层的分布模型包括预测前地下水水位标高分布模型、底板标高模型和影响半径分布模型；所述第二建立模块，具体用于对所述预建立的矿井模型、预测前地下水水位标高分布模型、底板标高模型和影响半径分布模型进行空间分析，建立模拟开采时充水含水层水位标高分布模型。

第三建立模块，用于根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面和所述模拟开采前充水含水层的分布模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型；

可选地，在该实施例中，所述第三建立模块包括：

第一建立单元，用于根据用户在所述模拟开采时充水含水层水位标高分布模型中设置的预测进水断面，建立充水含水层的预测进水断面的参数模型；

可选地，在该实施例中，所述预测进水断面的参数模型包括：水力坡度模型、长度模型和高度模型，所述第一建立单元包括：

获取子单元，用于分别获取所述预测进水断面的水力坡度、长度和高度；

第一建立子单元，用于根据所述预测进水断面的水力坡度，建立充水含水层的预测进水断面的水力坡度模型；

第二建立子单元，用于根据所述预测进水断面的长度，建立充水含水层的预测进水断面的长度模型；

第三建立子单元，用于根据所述预测进水断面的高度，建立充水含水层的预测进水断面的长度模型。

第二建立单元，用于根据所述模拟开采前充水含水层的分布模型和预测进水断面的参数模型，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型。

可选地，在该实施例中，所述模拟开采前充水含水层的分布模型还包括渗透系数分布模型，所述第二建立单元，具体用于对所述渗透系数分布模型、水力坡度模型、长度模型和高度模型进行空间分析，建立充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型。

计算模块，用于根据所述充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型计算动涌水量。

可选地，在该实施例中，所述计算模块包括：

获取单元，用于从每个所述充水含水层的预测进水断面的动涌水量模型中获取与每个充水含水层对应的至少一个进水断面的渗透系数、预测进水断面的水力坡度、长度和高度；

计算单元，用于分别根据所述至少一个进水断面中每一个进水断面的水力坡度、长度和高度，计算每一个进水断面的动涌水量；

第一统计单元，用于根据每一个进水断面的动涌水量，统计每个充水含水层所有预测进水断面的动涌水量；

第二统计单元，用于统计所述至少一层充水含水层中的每一层充水含水层的动涌水量之和，作为所述矿井动涌水量。

本发明提供的一种基于空间分析的动涌水量计算系统，克服了数值法复杂程度高的问题，并且，与解析法相比，对用户认识水文地质条件的充分性要求较低，因此计算结果的确定性较高，另外，通过选取预测进水断面，提高了动涌水量的预测精度，可以同时计算多个充水含水层的涌水量，从而克服了比拟法、解析法的局限性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。