煤礦井下涌水量的現場觀測方法與探討

張 雷，羅 斌，楊宇鵬

(1.中煤華昱元寶灣煤業有限公司， 山西 朔州 036999； 2.中國礦業大學 資源與地球科學學院， 江蘇 徐州 221116； 3.海口國家高新區國際投資咨詢管理有限公司， 海南 海口 570300)

國內外學者在礦井涌水量的計算上研究比較充分，包括水文地質比擬法也稱為類比法[1]，回歸分析法[2]，模糊數學評價法[3]，灰色理論法[4]，BP人工神經網絡法[5]，時間序列分析法[6]，數值模擬法[7]，大井法[8]等。在生產實際中，往往通過現場測量進行實際涌水量的計算，觀測方法很多, 但由于一些客觀原因, 很多礦井沒有配備專業測量儀器或者受限于井下環境觀測儀器用不到。本文通過比較7種人工觀測涌水量方法的優缺點，根據現場實際可選擇適宜的觀測法，以提高礦井涌水量的觀測精度。

1 觀測方法

1.1 量桶容積法

容器一般用量桶或水桶,為了減少測量誤差, 計量容器的充水時間不應小于5～10 s. 流量計算公式為：

Q=V/t

(1)

式中,V為容器的容積,m3；t為充滿容器的時間，s；Q為涌水量，m3/h.

1.2 巷道容積法

在巷道里設置水位尺，t1時刻和t2時刻在水位尺上各讀取一個水位數據，然后算出體積差，通過單位時間內體積的變化就可以計算出進入巷道的水量。當充水剖面為一個直角三角形時(圖1)，計算方法為：

圖1 巷道容積法示意圖

(2)

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

1.3 水泵排量法

利用水泵實際排水量和水泵運轉時間, 來計算排水量為：

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為水泵的實際效率；t1為水泵排水時間，h；t2為涌水涌入水倉的時間，h;N為泵臺數。

例如:BQS100-60-37型水泵，實際效率為80%，開啟2 h，有3臺工作水泵，井下某處工作面涌水進入水倉的時間為8 h,那么涌水量Q為60 m3/h.

1.4 浮標測流法

觀測步驟：1) 選定實測地段后, 按相等距離布設3個斷面: 上斷面、基本斷面(中斷面)、下斷面,測量每個斷面的橫斷面積，m2. 2) 在上斷面上游附近投放浮標, 以便使浮標在接近上斷面時,已具有同行水流的流速,測出浮標從上斷面至下斷面的時間,t，求出流速。3) 浮標從上斷面至下斷面的漂流歷時一般應不短于20 s, 如流速較大, 可酌情縮短,但不能短于10 s. 4) 投放浮標的數量視溝道寬度而定,一般不少于2 個,每個至少重復投放兩次,若兩次漂歷時間相差不超過10%, 則取其平均歷時計。計算表達式如下：

Q=KfVfF

(4)

式中,Q為斷面流量,m3/s；Kf為斷面浮標系數, 據經驗數值一般介于0.6～0.8；Vf為水的流速, 即Vf=L/t，計算時采用浮標平均流速, m/s；L為上、下兩斷面的間距，m；t為所選有效浮標的平均歷時，s；F為過水斷面面積，m2.

1.5 水倉水位法

用水倉水位法(圖2)計算涌水量可用下式表示：

圖2 水倉容積法示意圖

Q=(H1-H2)/t·F

(5)

式中,Q為涌水量，m3/min；H1為停泵時水倉水位，m；H2為停泵時間t時水倉水位，m；F為水倉底面積，m2；t為水倉水位從H1上升到H2所需的時間，min.

1.6 流速儀法

觀測原理：監測儀根據每秒記錄的光電脈沖個數，乘以旋漿系數得到瞬時流速，瞬時流速乘以明渠截面積得到瞬時流量，通過時間累計得到平均流量。通過計算公式得出流速：

(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 平拋運動法

當排水管內出水量較大，整個管徑完全充水時，可采用平拋運動法計算出水情況，這時鉆孔、排水管涌出水量見圖3，水流的水平方向為勻速直線運動，用下式表示：

圖3 平拋運動法示意圖

(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；豎直方向為自由落體運動，h為排水管中心點距底板的高程，m；vy為水流豎直方向的流速，m/s；t為自由落體時間，s.

流量的計算表達式為：

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，觀測時只需要一把鋼卷尺測量出水流中心點距底板的高程h和水流拋出的水平距離Sx即可，非常方便、簡單.

2 七種方法的比較

量筒容積法適用于井下涌水點的涌水量較小，一般小于10 m3/h. 巷道容積法一般適用于某個工作面的放水巷或者突水巷道的水量觀測等。水泵排量法適用于水倉為不規則的形狀，觀測儀器不易使用的區域。浮標測流法要求溝道順直, 溝床地段規則完整,長度一般應大于5 m. 在實踐中發現如果寬0.1～0.2 m的溝渠，長度小于1 m，測量誤差比較大。要求水流均勻平穩, 無旋渦及回流，溝道地段內無阻礙水流的雜物。水倉水位法適用于水倉比較規整，容易測到水位的地方，水位的觀測可以用標尺、測繩、自計水位計等。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，其它工具不易觀測時比較適用。平拋運動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，觀測時只需要一把鋼卷尺測量出水流中心點距底板的高程h和水流拋出的水平距離Sx即可。

3 結 論

本文歸納總結了人工觀測礦井涌水量的7種方法及其適用性, 在現場工作中受環境影響, 采用最適宜的觀測方法，不僅可以提高觀測精度，還可以節約時間，提高效率。礦井可以建立礦井涌水量自動觀測系統來解決人工觀測不能達到同時性和實時性的問題。