煤矿井下涌水量的现场观测方法与探讨

张 雷，罗 斌，杨宇鹏

(1.中煤华昱元宝湾煤业有限公司， 山西 朔州 036999； 2.中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏 徐州 221116； 3.海口国家高新区国际投资咨询管理有限公司， 海南 海口 570300)

国内外学者在矿井涌水量的计算上研究比较充分，包括水文地质比拟法也称为类比法[1]，回归分析法[2]，模糊数学评价法[3]，灰色理论法[4]，BP人工神经网络法[5]，时间序列分析法[6]，数值模拟法[7]，大井法[8]等。在生产实际中，往往通过现场测量进行实际涌水量的计算，观测方法很多, 但由于一些客观原因, 很多矿井没有配备专业测量仪器或者受限于井下环境观测仪器用不到。本文通过比较7种人工观测涌水量方法的优缺点，根据现场实际可选择适宜的观测法，以提高矿井涌水量的观测精度。

1 观测方法

1.1 量桶容积法

容器一般用量桶或水桶,为了减少测量误差, 计量容器的充水时间不应小于5～10 s. 流量计算公式为：

Q=V/t

(1)

式中,V为容器的容积,m3；t为充满容器的时间，s；Q为涌水量，m3/h.

1.2 巷道容积法

在巷道里设置水位尺，t1时刻和t2时刻在水位尺上各读取一个水位数据，然后算出体积差，通过单位时间内体积的变化就可以计算出进入巷道的水量。当充水剖面为一个直角三角形时(图1)，计算方法为：

图1 巷道容积法示意图

(2)

式中，a1、a2为t1、t2时刻水位的高度,m；b1、b2为t1、t2时刻水面的长度, m；t为t1、t2时刻的时间差，h;c为巷道的宽度，m；Q为水量，m3/h.

1.3 水泵排量法

利用水泵实际排水量和水泵运转时间, 来计算排水量为：

Q=Qn·η·t1·N/t2

(3)

式中,Q为涌水量，m3/h；Qn为水泵铭牌排水量，m3/h；η为水泵的实际效率；t1为水泵排水时间，h；t2为涌水涌入水仓的时间，h;N为泵台数。

例如:BQS100-60-37型水泵，实际效率为80%，开启2 h，有3台工作水泵，井下某处工作面涌水进入水仓的时间为8 h,那么涌水量Q为60 m3/h.

1.4 浮标测流法

观测步骤：1) 选定实测地段后, 按相等距离布设3个断面: 上断面、基本断面(中断面)、下断面,测量每个断面的横断面积，m2. 2) 在上断面上游附近投放浮标, 以便使浮标在接近上断面时,已具有同行水流的流速,测出浮标从上断面至下断面的时间,t，求出流速。3) 浮标从上断面至下断面的漂流历时一般应不短于20 s, 如流速较大, 可酌情缩短,但不能短于10 s. 4) 投放浮标的数量视沟道宽度而定,一般不少于2 个,每个至少重复投放两次,若两次漂历时间相差不超过10%, 则取其平均历时计。计算表达式如下：

Q=KfVfF

(4)

式中,Q为断面流量,m3/s；Kf为断面浮标系数, 据经验数值一般介于0.6～0.8；Vf为水的流速, 即Vf=L/t，计算时采用浮标平均流速, m/s；L为上、下两断面的间距，m；t为所选有效浮标的平均历时，s；F为过水断面面积，m2.

1.5 水仓水位法

用水仓水位法(图2)计算涌水量可用下式表示：

图2 水仓容积法示意图

Q=(H1-H2)/t·F

(5)

式中,Q为涌水量，m3/min；H1为停泵时水仓水位，m；H2为停泵时间t时水仓水位，m；F为水仓底面积，m2；t为水仓水位从H1上升到H2所需的时间，min.

1.6 流速仪法

观测原理：监测仪根据每秒记录的光电脉冲个数，乘以旋浆系数得到瞬时流速，瞬时流速乘以明渠截面积得到瞬时流量，通过时间累计得到平均流量。通过计算公式得出流速：

(6)

得到的流量为：

(7)

式中，S为横截面积，m2；Q为流量，m3/s.

1.7 平抛运动法

当排水管内出水量较大，整个管径完全充水时，可采用平抛运动法计算出水情况，这时钻孔、排水管涌出水量见图3，水流的水平方向为匀速直线运动，用下式表示：

图3 平抛运动法示意图

(8)

式中,v0为水流水平方向的流速，m/s；Sx为水流水平距离，m；竖直方向为自由落体运动，h为排水管中心点距底板的高程，m；vy为水流竖直方向的流速，m/s；t为自由落体时间，s.

流量的计算表达式为：

Q=v0×S

(9)

式中,Q为流量，m3/s；S为管口的横截面积，m2.

适用于探放水钻孔接近水平布置，钻孔离地面有一定高度，钻孔满管出水的情况，观测时只需要一把钢卷尺测量出水流中心点距底板的高程h和水流抛出的水平距离Sx即可，非常方便、简单.

2 七种方法的比较

量筒容积法适用于井下涌水点的涌水量较小，一般小于10 m3/h. 巷道容积法一般适用于某个工作面的放水巷或者突水巷道的水量观测等。水泵排量法适用于水仓为不规则的形状，观测仪器不易使用的区域。浮标测流法要求沟道顺直, 沟床地段规则完整,长度一般应大于5 m. 在实践中发现如果宽0.1～0.2 m的沟渠，长度小于1 m，测量误差比较大。要求水流均匀平稳, 无旋涡及回流，沟道地段内无阻碍水流的杂物。水仓水位法适用于水仓比较规整，容易测到水位的地方，水位的观测可以用标尺、测绳、自计水位计等。流速仪法适用于出水口横断面积固定、涌水量较大的情况，井下钻孔出水量大，其它工具不易观测时比较适用。平抛运动法适用于探放水钻孔接近水平布置，钻孔离地面有一定高度，钻孔满管出水的情况，观测时只需要一把钢卷尺测量出水流中心点距底板的高程h和水流抛出的水平距离Sx即可。

3 结 论

本文归纳总结了人工观测矿井涌水量的7种方法及其适用性, 在现场工作中受环境影响, 采用最适宜的观测方法，不仅可以提高观测精度，还可以节约时间，提高效率。矿井可以建立矿井涌水量自动观测系统来解决人工观测不能达到同时性和实时性的问题。