煤礦井下涌水量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法與探討

張 雷，羅 斌，楊宇鵬

(1.中煤華昱元寶灣煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 036999； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院， 江蘇 徐州 221116； 3.?？趪?guó)家高新區(qū)國(guó)際投資咨詢管理有限公司， 海南 ?？?570300)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在礦井涌水量的計(jì)算上研究比較充分，包括水文地質(zhì)比擬法也稱為類比法[1]，回歸分析法[2]，模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法[3]，灰色理論法[4]，BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]，時(shí)間序列分析法[6]，數(shù)值模擬法[7]，大井法[8]等。在生產(chǎn)實(shí)際中，往往通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行實(shí)際涌水量的計(jì)算，觀測(cè)方法很多, 但由于一些客觀原因, 很多礦井沒有配備專業(yè)測(cè)量?jī)x器或者受限于井下環(huán)境觀測(cè)儀器用不到。本文通過比較7種人工觀測(cè)涌水量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際可選擇適宜的觀測(cè)法，以提高礦井涌水量的觀測(cè)精度。

1 觀測(cè)方法

1.1 量桶容積法

容器一般用量桶或水桶,為了減少測(cè)量誤差, 計(jì)量容器的充水時(shí)間不應(yīng)小于5～10 s. 流量計(jì)算公式為：

Q=V/t

(1)

式中,V為容器的容積,m3；t為充滿容器的時(shí)間，s；Q為涌水量，m3/h.

1.2 巷道容積法

在巷道里設(shè)置水位尺，t1時(shí)刻和t2時(shí)刻在水位尺上各讀取一個(gè)水位數(shù)據(jù)，然后算出體積差，通過單位時(shí)間內(nèi)體積的變化就可以計(jì)算出進(jìn)入巷道的水量。當(dāng)充水剖面為一個(gè)直角三角形時(shí)(圖1)，計(jì)算方法為：

圖1 巷道容積法示意圖

(2)

式中，a1、a2為t1、t2時(shí)刻水位的高度,m；b1、b2為t1、t2時(shí)刻水面的長(zhǎng)度, m；t為t1、t2時(shí)刻的時(shí)間差，h;c為巷道的寬度，m；Q為水量，m3/h.

1.3 水泵排量法

利用水泵實(shí)際排水量和水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間, 來計(jì)算排水量為：

Q=Qn·η·t1·N/t2

(3)

式中,Q為涌水量，m3/h；Qn為水泵銘牌排水量，m3/h；η為水泵的實(shí)際效率；t1為水泵排水時(shí)間，h；t2為涌水涌入水倉(cāng)的時(shí)間，h;N為泵臺(tái)數(shù)。

例如:BQS100-60-37型水泵，實(shí)際效率為80%，開啟2 h，有3臺(tái)工作水泵，井下某處工作面涌水進(jìn)入水倉(cāng)的時(shí)間為8 h,那么涌水量Q為60 m3/h.

1.4 浮標(biāo)測(cè)流法

觀測(cè)步驟：1) 選定實(shí)測(cè)地段后, 按相等距離布設(shè)3個(gè)斷面: 上斷面、基本斷面(中斷面)、下斷面,測(cè)量每個(gè)斷面的橫斷面積，m2. 2) 在上斷面上游附近投放浮標(biāo), 以便使浮標(biāo)在接近上斷面時(shí),已具有同行水流的流速,測(cè)出浮標(biāo)從上斷面至下斷面的時(shí)間,t，求出流速。3) 浮標(biāo)從上斷面至下斷面的漂流歷時(shí)一般應(yīng)不短于20 s, 如流速較大, 可酌情縮短,但不能短于10 s. 4) 投放浮標(biāo)的數(shù)量視溝道寬度而定,一般不少于2 個(gè),每個(gè)至少重復(fù)投放兩次,若兩次漂歷時(shí)間相差不超過10%, 則取其平均歷時(shí)計(jì)。計(jì)算表達(dá)式如下：

Q=KfVfF

(4)

式中,Q為斷面流量,m3/s；Kf為斷面浮標(biāo)系數(shù), 據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值一般介于0.6～0.8；Vf為水的流速, 即Vf=L/t，計(jì)算時(shí)采用浮標(biāo)平均流速, m/s；L為上、下兩斷面的間距，m；t為所選有效浮標(biāo)的平均歷時(shí)，s；F為過水?dāng)嗝婷娣e，m2.

1.5 水倉(cāng)水位法

用水倉(cāng)水位法(圖2)計(jì)算涌水量可用下式表示：

圖2 水倉(cāng)容積法示意圖

Q=(H1-H2)/t·F

(5)

式中,Q為涌水量，m3/min；H1為停泵時(shí)水倉(cāng)水位，m；H2為停泵時(shí)間t時(shí)水倉(cāng)水位，m；F為水倉(cāng)底面積，m2；t為水倉(cāng)水位從H1上升到H2所需的時(shí)間，min.

1.6 流速儀法

觀測(cè)原理：監(jiān)測(cè)儀根據(jù)每秒記錄的光電脈沖個(gè)數(shù)，乘以旋漿系數(shù)得到瞬時(shí)流速，瞬時(shí)流速乘以明渠截面積得到瞬時(shí)流量，通過時(shí)間累計(jì)得到平均流量。通過計(jì)算公式得出流速：

(6)

得到的流量為：

(7)

式中，S為橫截面積，m2；Q為流量，m3/s.

1.7 平拋運(yùn)動(dòng)法

當(dāng)排水管內(nèi)出水量較大，整個(gè)管徑完全充水時(shí)，可采用平拋運(yùn)動(dòng)法計(jì)算出水情況，這時(shí)鉆孔、排水管涌出水量見圖3，水流的水平方向?yàn)閯蛩僦本€運(yùn)動(dòng)，用下式表示：

圖3 平拋運(yùn)動(dòng)法示意圖

(8)

式中,v0為水流水平方向的流速，m/s；Sx為水流水平距離，m；豎直方向?yàn)樽杂陕潴w運(yùn)動(dòng)，h為排水管中心點(diǎn)距底板的高程，m；vy為水流豎直方向的流速，m/s；t為自由落體時(shí)間，s.

流量的計(jì)算表達(dá)式為：

Q=v0×S

(9)

式中,Q為流量，m3/s；S為管口的橫截面積，m2.

適用于探放水鉆孔接近水平布置，鉆孔離地面有一定高度，鉆孔滿管出水的情況，觀測(cè)時(shí)只需要一把鋼卷尺測(cè)量出水流中心點(diǎn)距底板的高程h和水流拋出的水平距離Sx即可，非常方便、簡(jiǎn)單.

2 七種方法的比較

量筒容積法適用于井下涌水點(diǎn)的涌水量較小，一般小于10 m3/h. 巷道容積法一般適用于某個(gè)工作面的放水巷或者突水巷道的水量觀測(cè)等。水泵排量法適用于水倉(cāng)為不規(guī)則的形狀，觀測(cè)儀器不易使用的區(qū)域。浮標(biāo)測(cè)流法要求溝道順直, 溝床地段規(guī)則完整,長(zhǎng)度一般應(yīng)大于5 m. 在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)如果寬0.1～0.2 m的溝渠，長(zhǎng)度小于1 m，測(cè)量誤差比較大。要求水流均勻平穩(wěn), 無旋渦及回流，溝道地段內(nèi)無阻礙水流的雜物。水倉(cāng)水位法適用于水倉(cāng)比較規(guī)整，容易測(cè)到水位的地方，水位的觀測(cè)可以用標(biāo)尺、測(cè)繩、自計(jì)水位計(jì)等。流速儀法適用于出水口橫斷面積固定、涌水量較大的情況，井下鉆孔出水量大，其它工具不易觀測(cè)時(shí)比較適用。平拋運(yùn)動(dòng)法適用于探放水鉆孔接近水平布置，鉆孔離地面有一定高度，鉆孔滿管出水的情況，觀測(cè)時(shí)只需要一把鋼卷尺測(cè)量出水流中心點(diǎn)距底板的高程h和水流拋出的水平距離Sx即可。

3 結(jié) 論

本文歸納總結(jié)了人工觀測(cè)礦井涌水量的7種方法及其適用性, 在現(xiàn)場(chǎng)工作中受環(huán)境影響, 采用最適宜的觀測(cè)方法，不僅可以提高觀測(cè)精度，還可以節(jié)約時(shí)間，提高效率。礦井可以建立礦井涌水量自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)來解決人工觀測(cè)不能達(dá)到同時(shí)性和實(shí)時(shí)性的問題。