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煤礦企業生產操作技術標準——數值法預測礦井涌水量技術規范

煤礦企業生產操作技術標準——數值法預測礦井涌水量技術規范

  MT/T778—1998

前 言

    本標準是根據中華人民共和國煤炭工業部《礦井水文地質規程》(1984年版)和《GB12719—1991礦區水文地質工程地質勘探規范》以及《供水水文地質勘測規程》、《礦區水文地質工程地質勘探規范》、《煤礦防治水工作條例》等國家標準、行業標準中的有關規定,在總結近20年來應用數值法進行礦井涌水量預測實際工作經驗的基礎上,制訂的本煤炭行業標準,在技術內容與上述引用標準等效。

  本標準由國家煤炭工業局行業管理司提出。

  本標準由煤炭工業煤礦安全標準化技術委員會歸口。

  本標準起草單位:煤炭科學研究總院西安分院。

  本標準主要起草人:戴振學、郝旗勝、劉志中。

  本標準委托煤炭科學研究總院西安分院負責解釋。

  數值法預測礦井涌水量技術規范1 范圍本標準適用于應用數值法進行礦井涌水量預測工作,是確定計算方案、檢驗計算精度、編寫預測報告、制定相應的規劃和設計的依據。

  2 一般要求2.1 本方法可用于礦井正常涌水量、礦井最大涌水量、各開采水平的涌水量、井筒和開拓坑道的涌水量及疏干工程或專門排水裝置的涌水量的預測。

  2.2計算工作前或計算過程中,掌握以下資料:

  ——礦區所處水文地質單元的區域水文地質圖及報告;
    ——1:5000~1:2.5萬礦區水文地質圖及相應的文字報告;
    ——1:5000礦井可行性方案開采圖;
    ——含水層頂、底板埋深及等厚線圖;
    ——含水層等水位線圖;
    ——煤層底板等高線圖;
   ——受水威脅煤層頂、底板等水壓線圖;
   ——地下水水化學圖;
   ——水文地質剖面圖;
   ——鉆孔及群孔抽(放)水試驗數據;
   ——地下水長期動態觀測數據;
   ——歷年氣象、水文資料。

  2.3 計算工作結束時提交的文件及附件:

  工作報告:包括對所采用的數據、建立的模型、選用的參數、計算過程及結果的詳細分析與說明;圖件:包括概念模型的示意圖、水文地質參數分區圖、計算區剖分圖、水位擬合曲線圖、計算機程序流程圖、初始流場圖、預測曲線和流場圖、涌水量動態曲線;附件:參數識別和正演預報時所采用的計算程序及相對應的數據文件、計算結果、水位擬合及誤差分布情況,最終預測的各時段、各節點的水位值。

  3 礦井涌水量數值法預測3.1 概念模型概念模型是連接地下水實體系統與數值模型的橋梁。概念模型應包括對地下水流系統內部結構、邊界條件、地下水運動狀態及輸入、輸出條件的概化。模型概化得合理與否直接影響計算的程度。

  3.2 數學模型3.2.1數學模型是由概念模型來確定的,按含水層的埋藏條件分為潛水流或承壓水流模型,根據地下水運動的時空變化特征又可分為:穩定流或非穩定流,平面二維流或剖面二維流、擬三維流或三維流模型。模型中的每個變量都必須給定相應的物理意義和量綱。

  3.2.2模型的邊界條件按性質分為三類:

  第一類:水位邊界(Dirichlet型)。選取水位邊界應注意以下幾點:

  a)水位邊界的位置應盡可能地遠離計算區內的源(匯)項,絕對不允許置抽(注)水井于水位邊界上;b)水位邊界處要有觀測點控制,以確定邊界水位值;c)在模型域中至少應有一個水位邊界節點,這對保證數值模型和其逆問題解的唯一性是必要的。

  第二類:流量邊界(Neumann型)。選取二類邊界應以隔水邊界和弱透水邊界為主,盡量不用A.32劃成的大流量邊界。在數值模型中處理大流量邊界,容易造成邊界附近的水位異常和整個預測結果的較大誤差。因此,應盡量選取確定性較好的自然邊界作為計算邊界。

  第三類:(Combined Boundary Condition型)。由于邊界中的兩個參數較難準確估值,在實際應用中應慎重。

  3.2.3常用的數值方法有:有限單元法、有限差分法、邊界元法、有限分析法等。根據實際條件選定算法后,必須簡要說明該算法的計算過程和計算程序設計步驟以及計算程序框圖。

  3.2.4對計算區的剖分(離散化)可根據不同的數值方法來選用線元、面元(三角形或四邊形單元)和體積單元。在靠近抽(放)水井處水力坡度較大,剖分要加密一些,在水力坡度較少處或水文地質數據較少處可以剖分得疏一些。剖分的三角形單元一般不能出現鈍角和角度很小的銳角,特別是在擬三維模型中,鈍角三角形將可能直接影響數值解的穩定性與收斂性。

  3.2.5對于時間的離散化,應按如下公式確定時段大?。?/P>

  Δti+1=1.25Δti      (i=0,1,2,……)
  
   初始時段(Δt0)可以取為0.001d,當Δt增大到一定程度后可以選用等步長直到計算結束。

  3.3模型參數識別3.3.1待識別的參數一般包括:滲透系數或導水系數,給水度或彈性釋水系數,垂向越流系數,入滲系數及混合邊界系數。所采用的數據來源于抽(放)水試驗和長期動態觀測。

  3.3.2在參數識別之前要進行參數分區,其依據為:

  a)計算區鉆孔抽(放)水試驗數據的計算結果,包括滲透系數、彈性釋水系數、給水度及單位涌水量;b)含水層分布規律,即埋深、厚度、巖性組合特征及富水性分區;c)地下水天然流場、人工干擾流場、水化學場和溫度場;d)構造條件及巖溶分布規律。

  3.3.3參數分區數要適中,基本保證第一參數分區內至少有一個觀測孔(點來控制)。

  3.3.4參數優選問題一般都描述為非線性最優化問題,在觀測噪聲的情況下,非線性規劃算法可能收斂于局部最優解。因此,必須反復調整保參數的上、下限及初始值,重新優選參數,直到滿足收斂準則。

  3.3.5收斂準則應根據識別的參數個數和選取的觀測數據的個數來確定。觀測水位擬合點的相對誤差(相對于該點在擬合期內的水位變幅)應小于15%;對于抽(放)水孔,在消除井損之后,其相對誤差一般應小于20%。

  3.4涌水量預測3.4.1根據生產部門的實際情況與要求制定幾種預測方案,給定排水孔位置與個數,按不同方案進行水位預報,便于對比分析和選用最優方案。

  3.4.2按照開采施工計劃確定疏排水的期限及提前疏排時間,同時確定各控制點的水位降深。

  3.4.3涌水量預測為一正演問題,需要反復修正水量,使各控制點的計算水位降達到設計要求,最終求取各預測方案下的涌水量,包括正常涌水量和最大涌水量。

  正常涌水量定義為以多年平均降水量和補給邊界處平均水位、水量作為輸入條件求得的涌水量;最大涌水量則為以最大年降水量和補給邊界處最大水位和水量值作為輸入條件求得的涌水量。

  3.5對計算結果的分析與解釋為了便于生產、設計部門應用涌水量的預測結果,必須對計算結果作詳細分析與解釋。根據所采用的資料的代表性和所建立的數值模型的可靠性來論證最終預測結果的正確性,同時對預測涌水量在實際應用中可能存在的局限性作出說明。

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