CN105352556A - 利用动态流量数据快速预测最大涌水量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用动态流量数据快速预测最大涌水量的方法，能够快速、精准的计算最大涌水量。本发明是按照下述方式进行的：(1)获取基本技术参数；(2)待泵路系统稳定之后，在多个t_i时间点，测量泵路系统出水口的即时流量Q_bi和累计总出水量Q_bzi；(3)得到即时流量Q_bi，求出在同一时间点上的L_i＝Y-Q_bi ²/(2gS_b ²)；求出当前时间段内矿坑的平均涌水量Q_yji＝(ΔQb_zi—ΔL_i×S_j)/Δt_i，动态水位与静态稳定水位的差值h_i＝L_i-L，对应于段平均涌水量的水头降深值h_ii＝(h_i ^1/2β+h_(i-1) ^1/2(1-β))²，则最大涌水量Q＝Q_yji(H/h_ii)^1/2。

Description

利用动态流量数据快速预测最大涌水量的方法

技术领域

本发明涉及井巷、水文、水利工程施工领域，具体涉及一种预测最大涌水量的方法。

背景技术

在开拓井巷工程施工过程中，遇到大量涌水、突水事件，选择排水设备时，需要预测最大涌水量问题；资源勘查中的水文孔、水利施工成井后均需要涌水量预测。预测(最大)涌水量的传统方法有多种，但大多需要复杂的水文地质参数和繁琐的操作流程，就拿最简单的“Q-S”法来说也需要做三次大降深抽水试验，整个过程需要5-7天，需用时间比较长。

《金属矿山》2009年第7期P₇₇～P₇₈页本发明人公开了矿坑最大涌水量计算公式，Q＝q(H/h)^1/2，Q为矿坑最大涌水量，q为抽水试验确定的在对应动态稳定水位线上的排出水量，其中H为矿坑静态稳定水位与出水点下缘间的高差，h为动态稳定水位与静态稳定水位间的高差。对于一个稳定流的井巷工程而言，H是已知的，对应于H深度的最大涌水量Q可视为不变的，在H的范围内由h和q的变化而形成的抛物线的形状也是一定的，只要求得任何一点q和h，就可以求得Q值。

显然，上述方法至少需要做一次大降深的抽水实验，也就是说至少需要获得一个动态稳定水位的观测数据(q、h)，至少需耗时十几至几十小时。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种利用动态流量数据快速预测最大涌水量的方法，能够快速、精准的计算最大涌水量或指定深度上的涌水量。

本发明的技术方案是这样实现的：

(1)获取基本技术参数：泵路系统出水口最小的断面积S_b，水泵的扬程数Y，被测矿坑或水井容水段的水平断面积S_j，静态稳定水位与泵路系统出水口的竖直高度L，井下涌水口下缘与静态稳定水位之间的竖直高差H；

(2)待泵路系统稳定之后，在多个t_i时间点，测量泵路系统出水口的即时流量Q_bi和累计总出水量Q_bzi；

(3)将Y、S_b、Q_bi带入下述公式进而得到t_i时间点上的L_i

L_i＝Y-Q_bi ²/(2gS_b ²)

其中，L_i为泵路系统出水口与动态水位间的竖直距离；

连续获取多个时间点的Q_bi求出对应的L_i，形成按时间间隔顺次排列的数组，随时求出当前时间段内矿坑或水井的平均涌水量Q_yji，

Q_yji＝(ΔQb_zi—ΔL_i×S_j)/Δt_i

其中，Q_yji为当前时间段内矿坑或水井的平均涌水量；

ΔQ_bzi为当前时间段内累计总出水量的增量值，ΔQ_bzi＝Q_bzin-Q_bzi(n-1)

ΔL_i为当前时间段内L_i的增量值，ΔL_i＝L_in-L_i(n-1)

Δt_i为当前时间段内t_i的增量值，Δt_i＝t_in-t_i(n-1)

h_i为动态水位与静态稳定水位的差值，h_i＝L_i-L

则对应于段平均涌水量的水头降深值h_ii＝(h_n ^1/2β+h_(n-1) ^1/2(1-β))²

其中，β值为随计算时所跨深度段数的不同而变化，将h_ii和其对应的Q_yji代入下述公式得到矿坑或水井的最大涌水量

Q＝Q_yji(H/h_ii)^1/2。

所述β值随计算时所跨深度段数的不同而变化，是一个函数，当计算时所跨深度段数为1时其变为常数。

本发明将获得单点深度与对应涌水量的时间压缩到一个计时段(1～5分钟)，几分钟就可以初步获得工程的最大涌水量，可以将现有技术中需要数天完成的工作压缩到数小时内完成，即测既得，方便快捷，能够对稳定流的水井、矿坑等进行最大涌水量的预测。且能够反应最大涌水量的变化情况，据此还可以进一步推断降水漏斗的即时深度等水文参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为各种深度示意图。

图2为抽水试验装置示意图。

图3为竖井涌水量分析图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所需设备有数据处理器、电子流量器和水泵等，水泵与电子流量仪的口径要匹配。

本发明的方法是按照下述方式进行的：

(1)获取试验所需的基本技术参数：泵路系统出水口最小的断面积S_b，水泵的扬程数Y，被测矿坑或水井容水段的水平断面积S_j，静态稳定水位与泵路系统出水口的竖直高度L，井下涌水口下缘与静态稳定水位之间的竖直高度H；具体各高度值如图1所示，

(2)待泵路系统稳定之后，在多个t_i的即时时间点，测量泵路系统出水口的即时出水量Q_bi和累计总出水量Q_bzi，随着抽水试验的进行，根据不同时间点，不断获得t_i、Q_bi和Q_bzi值，所组成的数据表如表1所示。

表1由“t_i”“Q_bi”“Q_bzi”构成的数组表

(3)将Y、S_b、Q_bi带入下述公式进而得到t_i时间点上的L_i

L_i＝Y-Q_bi ²/(2gS_b ²)

其中，L_i为泵路系统出水口与动态水位间的竖直距离；

连续获取多个即时时间点的Q_bi，求出对应的L_i，形成按时间间隔顺次排列的数组，随即求出当前时间段内矿坑或水井的平均涌水量Q_yji，

Q_yji＝(ΔQ_bzi—ΔL_i×S_j)/Δt_i

ΔQ_bzi为当前时间段内累计总出水量的增量值，ΔQ_bzi＝Q_bzin-Q_bzi(n-1)

ΔL_i为当前时间段内L_i的增量值，ΔL_i＝L_in-L_i(n-1)

Δt_i为当前时间段内t_i的增量值，Δt_i＝t_in-t_i(n-1)

h_i为动态水位与静态稳定水位的差值，h_i＝L_i-L

而对应于段平均涌水量的水头降深值为h_ii，h_ii＝(h_n ^1/2β+h_(n-1) ^1/2(1-β))²

其中，β＝(q_dj-q_y1)/(q_y2-q_y1)，β值随计算时所跨深度段数的不同而变化，对应不同井里的相同跨段β是一个常数，其数学意义是：计算时所跨若干计时段各自即时涌水量的算术平均值q_dj减去跨度内初始值q_y1之差，再除以跨度段始q_y1段末q_y2两值之差(即极差)所得，如表2所示，当跨度为0.1m(一个深度段，两组数)的时候，β为0.5。

本申请中，n为代表i的具体数字；b代表水泵的泵，如Q_b代表“泵口流量”；z代表“总”，如：Q_bz代表“泵口总流量”；y代表涌水量的“涌”，如Q_y代表“涌水量”；Q_yj代表“平均涌水量”，S_j代表“井的面积”。除“n”“i”以外，其他都不是变量。

此时，已经求出了在某一时间段内的平均涌水量Q_yji和对应这个涌水流量的对应水头降深h_ii值，这两个值可视为在h_i高程水平上的涌水量和水位降的值，将其代入公式Q＝q(H/h)^1/2即可得到最大涌水量

Q＝Q_yji(H/h_ii)^1/2。

随着抽水试验的进行，所取的时间段采用尽可能最新的时间间隔，因此本发明能够一直持续性及时反映出被试井巷的最大涌水量及其变化情况，当这一数值稳定的精度和时限达到了规范要求的指标，即可认为所得数值为被测井巷的最大涌水量。

其中，t_i、h_i、h_ii和Q_yji构成的数据表如表3所示，

表3由“t_i”“h_i”“h_ii”“Q_yji”构成的数组表

本发明的关键有四点：其一为将动态水位的深度用动态流量值自动算得，免去了实施跟踪测量；其二是将一个降深点及与其对应的涌水量用h_iiQ_yji替代，使获得这组数据所需的工作时间从传统的十几至几十小时减少到1个计时段(1～5分钟或更短)；其三是直接报出(指定深度的)最大涌水量，不需另作计算；其四是开机经2～3个计时段即可得到初步结果，后续是为满足精度而进行观察和稳定时间。这大大提高工作效率，将现有技术中需要数天完成的工作压缩到数小时内完成，即测既得，方便快捷，能够对稳定流的竖井、矿坑等进行最大涌水量的预测。且能够反应最大涌水量的变化情况，并进一步推断水位降深漏斗的即时深度。

下面结合具体实施例说明本发明的使用方法。

实施例

如图2所示，本发明所述试验装置主要由支架2、上水池1、溢流收集池10、井筒13、水表12、液面显示管9、标尺8、下水池5、水泵6及溢流管3、供水管11、上水管4等组成。为精确记时和及时记录的需要，还要两台照相机和一个秒表。

本实施例的具体参数如下：

1、井筒直径153mm，面积0.01838539m²。

2、出水口直径10.5mm，面积0.00008659m²。

3、静态稳定水位在0.319米处。

4、出水口下缘在3.053米处。

5、供水管入井口在2.679米处

6、出水口下缘到静态稳定水位间的高差(扬程)Y＝3.053-0.319＝2.734m。

7、供水管入井口到静态稳定水位间的高差H＝2.679-0.319＝2.36m。

试验时首先启动水泵注满上水池，且一直保持上水池处在溢流状态，以维持稳定的静水压力；封闭出水口，等到井筒内的水位上升并稳定到上水池的上缘高度时，对水位高度和水表读数拍照，开启出水口，同时计时开始。随后按一定的时间间隔，同步对水位尺度和水表读数拍照，一直到水位基本不再降低时为止，结束试验。

另外，事先在未装小口径出水口的前提下，确保井筒内的水始终排空，测得最大涌水量为0.0311吨/分。

试验数据见表4，其中第一行“预备”的数值不参与计算，为不稳定数值，需要舍弃。

表4试验数据

通过对原始数据和技术参数进行整理计算取得以下结果：

1、实测出水口面积为0.00008659m²，利用前10组数据计算结果加权平均所得无阻尼泵路系统出水口面积0.00008683m²。

2、基于实测数据直接计算的与通过推导求得的L_i值很接近，见表5(其中第一行的数值由于不稳定状态需要舍弃)。

表5测量L_i和推导L_i的对比表

3、根据计算所得的Li等相关数据再计算出Q_yji、h_ii，最终算出最大涌水量，据不同计时段数据所算得的预测最大涌水量与实测最大涌水量对比情况见表6。

表6为不同时段所预测的最大涌水量与真值对比表

(第一行为不稳定时测量数值，需要舍弃)

从表6可以看到，试验过程中不同时段内最大涌水量的预测值与真值间最大误差-3.81％，18分钟内的平均误差为0.57％。试验效果比较理想。竖井涌水量分析如图3所示。

工作人员根据需要，可以编制成利用动态数据快速预测井巷最大涌水量的专用程序模块，固化在专用数据处理器中，或安装到电脑中，形成一个具有数据处理能力的设备，也可以植入到现有电子流量仪的系统程序中，形成扩充功能模块。作抽水实验时，将电子流量仪(须具备输出端口)安装到实验用泵路系统的出水口上(二者口径需匹配)，完成其间的有机结合。

实验时首先打开数据处理设备，再打开电子流量仪，最后启动水泵即可工作。初开机时，在泵路系统工作为稳定之前的数据误差较大，需要等到系统稳定进行测量，且舍弃第一组误差较大的测试数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种利用动态流量数据快速预测最大涌水量的方法，其特征在于是按照下述方式进行的：

(1)获取基本技术参数：泵路系统出水口最小的断面积S_b，水泵的扬程数Y，被测矿坑或水井容水段的水平断面积S_j，静态稳定水位与泵路系统出水口的竖直高度L，井下涌水口下缘与静态稳定水位之间的竖直高度H；

(2)待泵路系统工作稳定之后，在多个t_i时间点，测量泵路系统出水口的即时流量Q_bi和累计总出水量Q_bzi；

(3)将Y、S_b、Q_bi带入下述公式进而得到t_i时间点上的L_i

L_i＝Y-Q_bi ²/(2gS_b ²)

其中，L_i为泵路系统出水口与动态水位间的竖直距离；

连续获取多个时间点的Q_bi求出对应的L_i，形成按时间间隔顺次排列的数组，随时求出当前时间段内矿坑或水井的平均涌水量Q_yji，

Q_yji＝(ΔQb_zi—ΔL_i×S_j)/Δt_i

其中，Q_yji为当前时间段内矿坑或水井的平均涌水量；

ΔQ_bzi为当前时间段内累计总出水量的增量值，ΔQ_bzi＝Q_bzi-Q_bz(i-1)

ΔL_i为当前时间段内L_i的增量值，ΔL_i＝L_in-L_i(n-1)

Δt_i为当前时间段内t_i的增量值，Δt_i＝t_in-t_i(n-1)

h_i为动态水位与静态稳定水位的差值，h_i＝L_i-L

则对应于段平均涌水量的水头降深值h_ii＝(h_n ^1/2β+h_(n-1) ^1/2(1-β))²

其中，β值为随计算时所跨深度段数的不同而变化，将h_ii和其对应的Q_yji代入下述公式得到矿坑或水井的最大涌水量

Q＝Q_yji(H/h_ii)^1/2。