[发明专利]煤矿井下仰斜疏水钻孔涌水量预计方法

说明书

一种煤矿井下仰斜疏水钻孔涌水量的预计方法，其包含如下步骤：步骤一：确定含水层地下水向仰斜钻孔运动的数学模型；步骤二：确定数值模型的模拟范围与模拟边界处理；步骤三：疏水含水层与仰斜钻孔复合数值模型构建及离散化；步骤四：将仰斜钻孔孔壁概化成渗流溢出边界，基于渗流溢出条件的定解条件的定义方法，其模拟更接近真实渗流场；步骤五：根据现场实测数据，在数值模型中输入疏水含水层；步骤六：对疏水钻孔孔壁的达西流速进行实时积分，动态计算仰斜疏水钻孔动态涌水量；由此，本发明基于地下水的非稳定渗流运动模型，采用有限元模型方法，对煤矿仰斜疏水钻孔涌水过程进行动态的数值预测，实现煤矿井下仰斜疏水钻孔涌水量的动态计算。

技术领域

本发明涉及矿井防治水与地下水资源保护的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下仰斜疏水钻孔涌水量预计方法。

背景技术

井工煤矿采煤工作面回采前以安全为目标，在井下集中向顶板含水层施工疏水钻孔，预先疏降(干)含水层中的地下水，以降低煤矿采掘过程中顶板涌水强度是顶板水害治理的主要手段。如图1A和图1B所示，煤矿井下疏水钻孔一般从巷道开孔上仰穿过煤层倾斜进入顶板含水层中(简称为：仰斜钻孔)，仰斜疏水钻孔涌水量具有明显的衰减规律，疏水前期的钻孔涌水量一般由含水层静储量Qs和动态补给量Qd组成，随着疏水周期的延长水位降深与水量衰减速率越来越小，地下水流场达到动态平衡状态，该阶段水量以含水层动态补给为主。因此，仰斜疏水钻孔的空间结构、钻孔涌水形式与地面垂直井抽水差异明显，将井下仰斜钻孔放水过程概化为地面井抽水过程，采用裘布依稳定流理论预测井下疏水钻孔涌水过程存在较大误差。《煤矿总工程师手册》中虽然给出了井下探放老空水体钻孔单孔涌水量经验公式，该公式均是基于流体力学中伯努利方程推导而来，假定水位不变、孔口流量恒定的条件下推导而成，适用于充水水源为地表水、老空水条件下的探放钻孔涌水量预计，明显不适用于在仰斜钻孔探放充水水源为含水层渗流形式的涌水量预计。

因此，如何科学预测煤矿井下仰斜疏水钻孔涌水量变化过程，是本领域长期难以解决的技术难题。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下仰斜疏水钻孔涌水量预计方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下仰斜疏水钻孔涌水量预计方法，其能克服现有技术的缺陷，基于地下水的非稳定渗流运动模型，采用有限元模型方法，对煤矿仰斜疏水钻孔涌水过程进行动态的数值预测。利用有限元三角四面体单元剖分方法，离散化采煤工作面尺度上疏水含水层与钻孔复合刻画的计算机模型；利用无穷远定义方法数值刻画疏水含水层的外围边界；采用达西渗流溢出边界定义方法数值刻画疏水钻孔孔壁；通过对疏水钻孔孔壁的达西流速u进行实时积分，实现煤矿井下仰斜疏水钻孔涌水量的动态计算。

为实现上述目的，本发明公开了一种煤矿井下仰斜疏水钻孔涌水量预计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：含水层地下水向钻孔运动数学模型选择，采用达西非稳定渗流数学模型进行描述，如下列公式(1)和公式(2)：

式中：ε_p为含水层孔隙率；ρ为水的密度，kg/m³；为拉普拉斯算子；u为地下水流速，m/s；κ为含水层渗透率，m²；μ为水的动力黏度，Pa·s；p为水压力，Pa；t为时间，s；g为重力加速度，m/s²；Q_m为水流源；

步骤二：疏水含水层模拟范围确定与范围边界处理；

步骤三：疏水含水层与仰斜疏水钻孔复合数值模型构建及离散化；

步骤四：疏水含水层与钻孔壁溢出边界处理，根据在地下水动力学原理含水层任意一点总水头定义为下列公式(3)：