CN109063230A - 不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，包括依据突水或者透水流量变化特征和矿井的空间结构特征，建立矿井突水或者透水淹没过程概念模型；构建矿井网络一维有向拓扑结构模型；分别在矿井段上建立连续性方程和动量方程，在岔点处建立连接方程，并结合初始条件和边界条件，建立以水位、流量为变量的矿井突水或者透水淹没过程数学模型；采用有限差分算法，建立矿井突水或者透水淹没过程数值模型，并对其进行求解；依据求解的结果，对矿井淹没过程进行定量评价。本发明能够依据不同的突(透)水条件，在保证计算稳定性和效率的前提下，对矿井淹没过程进行准确计算和合理评价。

Description

不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法
技术领域
本发明涉及矿井水害预测与防治技术领域，特别是涉及一种不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法。
背景技术
由于我国地质和水文地质条件的复杂性、不确定性以及易受采动影响的特性，在矿井建设过程中突(透)水事故已成为矿山开采的主要威胁之一。突(透)水条件是指突(透)水位置和突(透)水流量时间曲线。由于地质体各向异性和非均匀性的特点，突(透)水条件目前仍无法准确预测，同时随着开采深度的增加，深部岩体表现出明显的非线性力学性质，工程地质条件变得更加复杂，矿井突(透)水条件的形式日益多样化。突(透)水事故无法完全避免，且一旦发生易形成严重的淹井事故。对于突发的矿井水害事故，受检测和观测设备的限制，无法及时了解并预测突(透)水在矿井中的流动过程，给井下救援以及灾后治理造成很大困扰。为此，针对不同的突 (透)水条件，定量评价矿井淹没过程具有十分重要的理论指导意义和实用价值。
在矿井突(透)水淹没过程评价相关领域，现有技术有以下三类计算方法：
1)体积法：
矿井突(透)水后，为制定合理的抢险排水方案，目前矿山上常采用粗略的体积算法。依据采空区和已疏干含水层的空隙体积，结合直线回归统计法推算的矿井平均涌水量，预测矿井淹没水位上升时间以及该时间内水位上涨速度。该方法仅是对矿井充水量和淹没水位的上涨速度进行了合理评价和预测，但突(透)水在矿井中的淹没过程、不同时刻的淹没范围仍不清楚。
2)突(透)水蔓延路径搜索算法：
该算法依据建立的巷道拓扑模型，将突(透)水蔓延划分为向上和向上两个运动过程，通过搜索巷道局部最低点，圈定突水水流的蔓延路径，同时根据体积法和水流运动均匀流公式，可实现对蔓延速度和蔓延范围的动态描述。但缺点是没有准确分析并揭示突(透)水水流在矿井中流动的物理规律。
3)基于LBM(Lattice Boltzmann Method，即离散格子玻尔兹曼方法)的突 (透)水蔓延趋势数值仿真算法：
该方法主要依据介观模型来构建并模拟宏观流体的运动规律，采用格子Boltzmann方法模拟水流在局部巷道中的蔓延趋势。但是由于巷道复杂的空间结构模型，该方法在模拟完整矿井突水蔓延过程时有较大的困难和局限性，并且LBM擅长解决雷诺数小、边界较简单的水流流动问题，然而发生特大水害事故时突(透)水量可达20m3/s，属于高速水流，入流边界处将因剧烈紊流产生复杂的水流流动现象，此时LBM将不再适应。
纵观上述三类计算方法，在矿井突(透)水淹没过程评价方法方面，现有技术无法针对任意突(透)水条件，在准确揭示矿井突(透)水流动物理规律的同时，计算并评价完整的突(透)水蔓延过程和矿井淹没过程。这样使得该方面现有的理论研究不能满足矿山安全生产的需要，在应对多样的水害事故时，无法有效的帮助矿山制定合理的应急救援预案和方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，以克服现有技术中存在的技术问题。
基于上述目的，本发明提供的一种不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，包括：
依据突水或者透水流量变化特征和矿井的空间结构特征，建立矿井突水或者透水淹没过程概念模型；
构建矿井网络一维有向拓扑结构模型，将其中的要素抽象为节点对象和段对象，并分别赋予属性；
基于所述矿井突水或者透水淹没过程概念模型和矿井网络一维有向拓扑结构模型，分别在矿井段上建立连续性方程和动量方程，在岔点处建立连接方程，并结合初始条件和边界条件，建立以水位、流量为变量的矿井突水或者透水淹没过程数学模型；
基于所述矿井突水或者透水淹没过程数学模型，并采用有限差分算法，建立矿井突水或者透水淹没过程数值模型，并对其进行求解；
依据求解的结果，对矿井淹没过程进行定量评价。
在本发明的一些实施例中，依据突水或者透水流量变化特征和矿井空间结构特点，建立矿井突水或者透水淹没过程概念模型，包括：
根据矿井的空间结构特点，将流速在纵向断面和横向断面上平均化，同时忽略水流之间的粘性阻力，并结合突水或者透水流量变化特征，建立矿井突水或者透水淹没过程概念模型为：一维非恒定非均匀明满流。
在本发明的一些实施例中，构建矿井网络一维有向拓扑结构模型，包括：
根据矿井巷道空间数据和导线点坐标数据、高程数据，构建矿井结构图；
将实体矿井概化为节点和带有方向的矢量段；
对节点和段分别编码，之后建立节点和段之间的连接关系；
节点和段分别赋予属性。
在本发明的一些实施例中，基于所述矿井突水或者透水淹没过程概念模型和矿井网络一维有向拓扑结构模型，分别在矿井段上建立连续性方程和动量方程，在岔点处建立连接方程，并结合初始条件和边界条件，建立以水位、流量为变量的矿井突水或者透水淹没过程数学模型，包括：
基于所述矿井突水或者透水淹没过程概念模型和矿井网络一维有向拓扑结构模型，分别建立明、满流水流运动数学模型，将所述明、满流水流运动数学模型整合，建立矿井段上连续性方程和动量方程；
基于所述矿井突水或者透水淹没过程概念模型和矿井网络一维有向拓扑结构模型，并忽略岔口节点位置处水流的局部水头损失，在岔口节点位置建立连接方程；
基于所述明、满流水流运动数学模型和连接方程，并结合初始条件和边界条件，建立以水位、流量为变量的矿井突水或者透水淹没过程数学模型。
在本发明的一些实施例中，所述矿井突水或者透水淹没过程数学模型描述为：
式中：
Q—流量(m3/s)；
t—时间(s)，x—沿巷道的距离(m)；
A—过水断面的面积(m2)，大小为巷道水流的深度h和巷道宽度B的乘积；
—单位面积上的水头损失，根据曼宁公式和谢齐公式得：其中，n为巷道壁面的粗糙系数，与壁面的材料和形状有关，可查表得出。R 为水力半径，是过水断面面积与断面湿周的比值，大小为
H′—满流总水头(m)或明流水位(m)，可作为明满流过渡的判定指标；
B′—断面宽度(m)；
当巷道水流为满流状态时H′＝H，B′＝gA/α2，β＝1；当巷道水流为明流状态时H′＝Z，B′＝B；H为测压水头，Z为位置水头。α是水击波传播速度大小为
β—对流惯性项修正系数，主要作用是削弱急、缓流过渡时出现的强间断，按下式计算：
Fr为弗劳德数常用来判断急、缓流。
在本发明的一些实施例中，所述有限差分算法包括Preissmann四点偏心隐式差分法和隐式欧拉差分法。
在本发明的一些实施例中，所述基于隐式欧拉差分法建立的矿井突水或者透水淹没过程数值模型描述为：
边界条件处：Ht+Δt＝Hout，Qt+Δt＝Qin。
在本发明的一些实施例中，对所述基于隐式欧拉差分法建立的矿井突水或者透水淹没过程数值模型进行求解，包括：
在每个时间步长上选用松弛迭代法分别计算流量和水位，指定迭代次数和容忍度来限制迭代收敛准则，通过连续的迭代过程让迭代值不断逼近下一时刻的真解。
在本发明的一些实施例中，评价依据包括：每个时刻的各个节点的水位、节点或段上的流量。
在本发明的一些实施例中，从以下几个方面评价矿井淹没过程：
断面淹没程度：根据节点水位或水深值判断断面淹没程度，当节点水深大于断面高度时，断面完全淹没；
突水或者透水蔓延范围：某一时刻，流量和水深值大于给定小流量和小水深的节点和段为有水位置，其构成的连续区域为该时刻下突水或者透水蔓延范围；
矿井淹没分区：某时刻后，水位—时间曲线相同的节点，水头差为零，之间无水量交换，其构成的连续区域为一个淹没分区；
矿井淹没时间：依据出口井筒水位-时间曲线，当井筒水位等于井筒邻接巷道顶板的最大高程时，矿井逃生出口被水完全封堵，此时井筒水位对应的时间为淹井时间。
由此可见，本发明实施例提供的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法的有益效果在于：
1.针对任意突(透)水条件，可定量获取突(透)水蔓延和矿井淹没过程，同时对矿井淹没过程进行定量评价和预测，为矿井防治水方案的制定提供有效的理论支撑和补充；
2.分析并合理概化了突(透)水水流在矿井中的流动规律，建立了矿井突(透)水淹没过程概念和物理模型，利用两种数值法对数学模型进行了求解。本发明采用动力波法描述完整的动量方程，可反映水流运动状态的改变，更符合真实情况下突(透)水水流在矿井中的流动特征；
3.依据矢量化的矿井拓扑结构模型，无需搜索水流路径，仅根据矿井段和节点的连接关系即可计算不同时刻矿井网络系统水流蔓延过程，同时可采用并行算法求解同一时刻离散节点或段上的水流运动参数。相对于三维水流运动模型，可操作性高、编程简单、计算效率较高且程序计算的鲁棒性较好。
附图说明
图1为本发明一个实施例的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法的流程图；
图2为本发明另一个实施例的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法的示意图；
图3为本发明实施例的矿井拓扑结构模型构建过程示意图；
图4为本发明实施例的矿井单段水流控制体及其受力示意图；
图5为本发明实施例的Preissmann四点偏心隐式格式网格图；
图6为本发明实施例的底板突(透)水流量演变趋势示意图；
图7为本发明实施例的实例矿井巷道模型平面图；
图8为本发明实施例的实例矿井断面形状和尺寸示意图；
图9为本发明实施例的实例矿井突(透)水位置图；
图10为本发明实施例的突(透)水流量时间曲线图；
图11为本发明实施例的突(透)水条件一实例矿井淹没过程水深评价示意图；
图12为本发明实施例的突(透)水条件二实例矿井淹没过程水深评价示意图；
图13为本发明实施例的突(透)水条件三实例矿井淹没过程水深评价示意图；
图14为本发明实施例的突(透)水条件一特征节点水头时间曲线图；
图15为本发明实施例的突(透)水条件一节点1214邻接巷道段流量时间曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，为本发明实施例的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法的流程图。在该实施例中，所述不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法可以包括以下步骤：
步骤101，依据突水或者透水流量变化特征和矿井的空间结构特征，建立矿井突水或者透水淹没过程概念模型。
矿井水害事故常以老空突(透)水和岩溶突(透)水形式发生，约占水害伤亡事故起数的80％。老空突(透)水具有水量固定、突(透)水速度快、一般不造成淹井的特点；岩溶突(透)水具有水量大、易造成淹井的特点。突(透)水期间，受导水通道尺寸和突(透)水位置水头压力变化的影响，突(透)水量呈现随时间不断变化的特征，分布的离散程度大，规律不明显。突(透)水量-时间曲线不易用数学模型表达，其总的变化趋势为：突 (透)水前期水量不断增加，达到突(透)水量峰值，之后保持稳定或先减小再保持不变。历史上突(透)水水量峰值超过10 000m3/h的水害事故共有 10起，最大达123180m3/h。突(透)水水量变化速度受矿井充水条件的影响差异性大。据此根据实际矿井的地质和水文地质条件可确定突(透)水流量- 时间曲线大体变化形式。
矿井是层次交错的复杂网络管道模型，按空间特征分为垂直巷道、水平巷道及倾斜巷道，由采煤系统、掘进系统、机电系统、运输系统、通风系统和排水系统组成，起到运煤、通风、排水、行人等作用，其空间结构特征为：
(1)矿井中由交岔口连接各个单直巷道段或弯曲巷道段，组成包含树枝状和环状结构的管网，其中岔口形式共有五种；
(2)矿井巷道断面尺寸相较长度小约3～4个量级；
(3)巷道坡度的设计与围岩和煤层产状有关，分布无明显规律，为了排水和行人的方便，多为缓坡(倾角小于15°)。
根据矿井的空间结构特点，将流速在纵向断面和横向断面上平均化，同时忽略水流之间的粘性阻力，另外结合突(透)水流量变化特征，建立矿井突(透)水淹没过程概念模型为：一维非恒定非均匀明满流。该模型可反映以下突(透)水运动过程中流态的变化：
(1)单巷道段上急流、缓流、明流、满流以及其中的过渡状态，揭示水跃、水跌等现象；
(2)网络巷道中急流、缓流、明流、满流、急缓流过渡以及明满流过渡的共存状态，揭示壅水、回水等多种现象。
步骤102，构建矿井网络一维有向拓扑结构模型，将其中的要素抽象为节点对象和段对象，并分别赋予属性。
概化后的矿井元素可抽象为节点和段：比如节点对象代表分岔口、变坡点、拐点、端头；段对象代表两节点间的矿井实体。
可选地，构建矿井网络一维有向拓扑结构模型的具体步骤包括：
(1)根据矿井巷道空间数据和导线点坐标数据、高程数据，构建矿井结构图，见附图3a；
(2)将实体矿井概化为节点和带有方向的矢量段，见附图3b；
(3)对节点和段分别编码，之后建立节点和段之间的连接关系，见附图 3c；
(4)节点和段分别赋予属性。段：水流运动具有方向性，为此将矿井段抽象为矢量要素，段属性信息主要包括起始节点编号、段的长度、坡度、粗糙系数等；节点：节点是水流状态发生较大变化的关键位置，主要包含巷道底板坐标(横坐标x、纵坐标y、高程z)、断面形状和尺寸等。
依据以上步骤可完成矿井网络一维有向拓扑结构模型的构建，见附图3d 所示。
步骤103，基于所述矿井突水或者透水淹没过程概念模型和矿井网络一维有向拓扑结构模型，分别在矿井段上建立连续性方程和动量方程，在岔点处建立连接方程，并结合初始条件和边界条件，建立以水位、流量为变量的矿井突水或者透水淹没过程数学模型。
在本发明的实施例中，突(透)水在矿井中的运动过程用各个时刻节点或段上的水力参数描述，包括水位、水深、流量及流速。
可选地，矿井突(透)水淹没过程数学模型的建立步骤如下：
(1)基于步骤101建立的概念模型，结合步骤102构建的矿井网络一维有向拓扑结构模型，分别建立明、满流水流运动数学模型，将所述明、满流水流运动数学模型整合，建立矿井段上连续性方程和动量方程。
矿井中明流(无压流)和满流(有压流)有相同的物理运动机理，但两者流动规律有部分差异，需单独建立突(透)水运动模型。附图4a中为明流控制体示意图，满流条件下相同，根据单位时间内控制体中水量的变化等于流入和流出水量的差值，建立连续性方程；附图4b、图4c分别为明流和满流的控制体受力示意图，依据单位时间内控制体中动量的变化等于合外力与时间的乘积，建立动量方程。为编程计算和实现的方便，通过控制岔口宽度，对明、满流水流运动模型进行整合，建立矿井段上连续性方程和动量方程。
(2)基于步骤101建立的概念模型，结合步骤102构建的矿井网络一维有向拓扑结构模型，在岔口节点位置建立连接方程。连接方程同样依据守恒定律建立，忽略岔口节点位置处水流的局部水头损失。
(3)基于明、满流水流运动数学模型和连接方程，并结合初始条件和边界条件，建立以水位、流量为变量的矿井突水或者透水淹没过程数学模型。
由于步骤(1)、(2)构建的数学模型是不闭合的，需提供边界条件和初始条件，方可得到唯一确定解：
初始情况下实际矿井中无水，计算过程中为保证计算的稳定性，可按均匀流公式给定一个小水深和流量；
边界条件划分为三类：第一类为流量入流边界，依突(透)水条件设定，边界位置为突(透)水点坐标，边界流量为突(透)水量时间序列；第二类边界为端头的零流量边界；第三类边界为出口边界，地下开挖的矿井通过三大井筒与地表连接，将井筒在地表的出口设置为自由出流边界，边界形式为流量-水位关系。
通过以上步骤完成矿井突(透)水淹没过程数学模型的建立，描述为：
式中：
Q—流量(m3/s)；
t—时间(s)，x—沿巷道的距离(m)；
A—过水断面的面积(m2)，大小为巷道水流的深度h和巷道宽度B的乘积；
—单位面积上的水头损失，根据曼宁公式和谢齐公式得：其中，n为巷道壁面的粗糙系数，与壁面的材料和形状有关，可查表得出。R 为水力半径，是过水断面面积与断面湿周的比值，大小为
H′—满流总水头(m)或明流水位(m)，可作为明满流过渡的判定指标；
B′—断面宽度(m)。
当巷道水流为满流状态时H′＝H，B′＝gA/α2，β＝1。当巷道水流为明流状态时H′＝Z，B′＝B。H为测压水头，Z为位置水头。α是水击波传播速度大小为
β—对流惯性项修正系数，主要作用是削弱急、缓流过渡时出现的强间断，按下式计算:
Fr为弗劳德数常用来判断急、缓流，可作为急缓流过渡的判定指标。
步骤104，基于所述矿井突水或者透水淹没过程数学模型，并采用有限差分算法，建立矿井突水或者透水淹没过程数值模型，并对其进行求解。
具体地，可以采用Preissmann四点偏心隐式差分法和隐式欧拉差分法建立矿井突水或者透水淹没过程数值模型，并对其进行求解。
(1)Preissmann四点偏心隐式差分法
附图5为Preissmann四点偏心隐式格式网格形式，j表示断面(计算点)位置，n表示时刻，在每个断面上可同时求出流量和水位。因变量及其导函数的差分形式为：
将fn+1＝fn+Δf带入上式得：
将上式差分方式带入矿井蔓延过程数学模型，可将上述段上建立的两个偏微分方程线性化，转变为以ΔQj、ΔQj+1、ΔH′j、ΔH′j+1为变量的线性代数方程，线性化后偏微分方程可写成：
A1jΔQj+B1jΔH′j+C1jΔQj+1+D1jΔH′j+1＝E1j
A2jΔQj+B2jΔH′j+C2jΔQj+1+D2jΔH′j+1＝E2j
上式中ΔQj、ΔQj+1、ΔH′j、ΔH′j+1变量前的系数为已知时刻水力参数的函数，在求解下时刻的水力参数时可作为常量处理。每个分岔位置都可建立与岔点分支个数相同的差分方程数，同时结合边界处的差分方程即可构建基于Preissmann四点偏心离散方式的矿井突(透)水淹没过程数值模型。依据矩阵方程的求解方法，如追赶法、节点迭代法，即可得到各个离散位置不同时刻的水力参数，最后用离散点上的水位、流量等值代替连续的水流运动过程，完成矿井突(透)水淹没过程的求解。
(2)隐式欧拉法
为利用隐式欧拉法求解矿井蔓延过程数学模型需对该模型进行适当变形，建立节点—段耦合形式的数学模型，即在节点上建立以水位为变量的方程；在段上建立以流量为变量的方程。调整后的矿井蔓延过程数学模型为:
采用隐式欧拉法对上式进行离散得：
边界条件处：Ht+Δt＝Hout，Qt+Δt＝Qin
根据以上步骤完成基于隐式欧拉法矿井突(透)水淹没过程数值模型的构建。在每个时间步长上选用松弛迭代法分别计算流量和水位，指定迭代次数和容忍度来限制迭代收敛准则，通过连续的迭代过程让迭代值不断逼近下一时刻的真解，从而得到各个时刻节点水位(水深)、节点或段上的流量(流速)，
步骤105，依据求解的结果，对矿井淹没过程进行定量评价。
评价依据为：每个时刻的各个节点和段上的水位(水深)或流量(流速)。
通过求解获得的各个时刻节点水位(水深)、节点或段上的流量(流速)，用离散的水力参数信息刻画连续的水流运动，从以下几个方面评价矿井淹没过程：
(1)断面淹没程度。根据节点水位或水深值判断断面淹没程度，当节点水深大于断面高度时，断面完全淹没；
(2)突(透)水蔓延范围。某一时刻，流量和水深值大于给定小流量和小水深的节点和段为有水位置，其构成的连续区域为该时刻下突(透)水蔓延范围；
(3)矿井淹没分区。某时刻后，水位—时间曲线相同的节点，水头差为零，之间无水量交换，其构成的连续区域为一个淹没分区；
(4)矿井淹没时间。依据出口井筒水位(水深)-时间曲线，当井筒水位等于井筒邻接巷道顶板的最大高程时，矿井逃生出口被水完全封堵，此时井筒水位对应的时间为淹井时间。
矿井巷道坡度和长度、断面形状大小、壁面粗糙系数以及岔口连接形式等矿井结构参数都会影响突(透)水在矿井中的流态变化、流动过程以及淹没情况。对于既定的研究矿井，结构参数固定不变，只有突(透)水条件影响矿井淹没过程。同一矿井中通过预测及评价不同突(透)水条件下矿井淹没过程，得出相关的矿井淹没特征及规律，有助于提前防治和应对水害事故。
以某矿区矿井为例，建立该矿井的突(透)水淹没过程计算模型，对不同突(透)水条件下该矿井的淹没过程进行评价和预测分析。实例具体实施步骤如下：
(1)该矿井主要受岩溶水的威胁，目前存在的底板突(透)水问题，根据该矿井以往突水资料和历史上底板水害事故统计分析，得出该井田突 (透)水条件可能存在的形式，其中突(透)水流量演变趋势见附图6所示。
(2)根据该矿井巷道资料和导线点数据，提取矿井空间信息，将其中的要素抽象为节点和段对象，并分别编码：段对象共有1747个，编号为0～ 1746；节点对象共有1658个，编号为0～1657。根据节点和段的连接关系，构建该矿井网络一维空间拓扑结构模型，矿井巷道模型平面图见附图7所示，
(3)对节点和段上的属性赋值，同时设定计算参数。根据矿井生产断面信息，确定矿井断面形状和尺寸，断面形状和尺寸图见附图8所示，图中左图为开拓巷道(圆弧拱形断面)，右图为采掘巷道(矩形断面)；根据矿井壁面材料，通过查询管道壁面粗糙系数表，确定曼宁粗糙系数，为0.015；依据观测目的选择合适的空间步长，同时根据差分方程计算稳定性要求，选择合适的时间步长，通常情况下时间步长较小时计算鲁棒性越好。
部分节点和段的属性数据分别见表1和表2所示：
表1部分节点属性表
表2部分段属性表
(4)选取边界条件。模型的边界划分为三类：
第一类为流量入流边界，依突(透)水条件设定，边界位置为突(透) 水点坐标，边界流量为突(透)水量时间序列。本实例中模拟计算三种突透水条件下的矿井淹没过程，突(透)水位置和突(透)水流量曲线分别见附图9和附图10，附图9中北部突水点节点编号为752，东南侧突水点的节点编号为1125。三种突(透)水条件分别为：
突(透)水条件一：节点752位置发生曲线一情况突(透)水；
突(透)水条件二：节点1125位置发生曲线二情况突(透)水；
突(透)水条件三：节点752位置发生曲线二情况突(透)水。
第二类边界为端头的零流量边界。
第三类边界为出口边界，地下开挖的矿井通过三大井筒与地表连接，将井筒在地表的出口设置为自由出流边界，边界形式为流量-水位关系。该井田的开拓方式为立井开拓，设计有三个立井：主井、副井和风井，其抽象为节点后的编号分别为：节点608、节点561和节点305。三大主井的详细信息为：主井井筒净直径5米，深457.5米，井下水平标高540米；副井井筒直径7米，深488.2米，井底车场水平标高540米；风井井筒直径6米，深 455米，井下水平标高540米。
(5)模型求解。
鉴于矿井段个数和节点个数较多，选用隐式欧拉法求解改进后的节点-段耦合模型，采用并行计算算法分别求取节点上的水位(水深)和段上的流量 (流速)。求解计算时间依据入流边界条件中流量时间序列的时间长度而定。三种突(透)水条件下的模型分别在时间步长0.4s、0.3s和0.45s时达到各自的稳定状态。
(6)依据求解结果，对矿井淹没过程进行定量评价。
三种突(透)水条件下，依据水深评价的矿井淹没过程见附图11～13所示，从水深评价图中可观测出不同时刻时矿井突(透)水蔓延范围和矿井淹没区域。以突(透)水条件一为例，本发明可根据节点水位—时间曲线，评价某一时刻不同位置处的水流是否有水力联系，见附图14所示：在突(透) 水发生28h后，节点814、1161和1496上的水位将保持一致，三个节点为同一个淹没分区。此外根据段上流量信息，可评价岔口位置流量分配比例，见附图15所示：图中段1306、1301和1265是岔口节点1214上的邻接段，段 1306为主干段。水流经段1306流入岔口节点1214时，将按流量3:2的比例分别流入段1301和1265时。
由此可见，本发明实施例提供的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法的有益效果在于：
1.针对任意突(透)水条件，可定量获取突(透)水蔓延和矿井淹没过程，同时对矿井淹没过程进行定量评价和预测，为矿井防治水方案的制定提供有效的理论支撑和补充；
2.分析并合理概化了突(透)水水流在矿井中的流动规律，建立了矿井突(透)水淹没过程概念和物理模型，利用两种数值法对数学模型进行了求解。本发明采用动力波法描述完整的动量方程，可反映水流运动状态的改变，更符合真实情况下突(透)水水流在矿井中的流动特征；
3.依据矢量化的矿井拓扑结构模型，无需搜索水流路径，仅根据矿井段和节点的连接关系即可计算不同时刻矿井网络系统水流蔓延过程，同时可采用并行算法求解同一时刻离散节点或段上的水流运动参数。相对于三维水流运动模型，可操作性高、编程简单、计算效率较高且程序计算的鲁棒性较好。
因此，本发明实施例提供的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法能够依据不同的突(透)水条件，在保证计算稳定性和效率的前提下，对矿井淹没过程进行准确计算和合理评价。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (10)

1.一种不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，其特征在于，包括：
依据突水或者透水流量变化特征和矿井的空间结构特征，建立矿井突水或者透水淹没过程概念模型；
构建矿井网络一维有向拓扑结构模型，将其中的要素抽象为节点对象和段对象，并分别赋予属性；
基于所述矿井突水或者透水淹没过程概念模型和矿井网络一维有向拓扑结构模型，分别在矿井段上建立连续性方程和动量方程，在岔点处建立连接方程，并结合初始条件和边界条件，建立以水位、流量为变量的矿井突水或者透水淹没过程数学模型；
基于所述矿井突水或者透水淹没过程数学模型，并采用有限差分算法，建立矿井突水或者透水淹没过程数值模型，并对其进行求解；
依据求解的结果，对矿井淹没过程进行定量评价。
2.根据权利要求1所述的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，其特征在于，依据突水或者透水流量变化特征和矿井空间结构特点，建立矿井突水或者透水淹没过程概念模型，包括：
根据矿井的空间结构特点，将流速在纵向断面和横向断面上平均化，同时忽略水流之间的粘性阻力，并结合突水或者透水流量变化特征，建立矿井突水或者透水淹没过程概念模型为：一维非恒定非均匀明满流。
3.根据权利要求1所述的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，其特征在于，构建矿井网络一维有向拓扑结构模型，包括：
根据矿井巷道空间数据和导线点坐标数据、高程数据，构建矿井结构图；
将实体矿井概化为节点和带有方向的矢量段；
对节点和段分别编码，之后建立节点和段之间的连接关系；
节点和段分别赋予属性。
4.根据权利要求1所述的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，其特征在于，基于所述矿井突水或者透水淹没过程概念模型和矿井网络一维有向拓扑结构模型，分别在矿井段上建立连续性方程和动量方程，在岔点处建立连接方程，并结合初始条件和边界条件，建立以水位、流量为变量的矿井突水或者透水淹没过程数学模型，包括：
基于所述矿井突水或者透水淹没过程概念模型和矿井网络一维有向拓扑结构模型，分别建立明、满流水流运动数学模型，将所述明、满流水流运动数学模型整合，建立矿井段上连续性方程和动量方程；
基于所述矿井突水或者透水淹没过程概念模型和矿井网络一维有向拓扑结构模型，并忽略岔口节点位置处水流的局部水头损失，在岔口节点位置建立连接方程；
基于所述明、满流水流运动数学模型和连接方程，并结合初始条件和边界条件，建立以水位、流量为变量的矿井突水或者透水淹没过程数学模型。
5.根据权利要求4所述的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，其特征在于，所述矿井突水或者透水淹没过程数学模型描述为：
式中：
Q—流量(m3/s)；
t—时间(s)，x—沿巷道的距离(m)；
A—过水断面的面积(m2)，大小为巷道水流的深度h和巷道宽度B的乘积；
—单位面积上的水头损失，根据曼宁公式和谢齐公式得：其中，n为巷道壁面的粗糙系数，与壁面的材料和形状有关，可查表得出。R为水力半径，是过水断面面积与断面湿周的比值，大小为
H′—满流总水头(m)或明流水位(m)，可作为明满流过渡的判定指标；
B′—断面宽度(m)；
当巷道水流为满流状态时H′＝H，B′＝gA/α2，β＝1；当巷道水流为明流状态时H′＝Z，B′＝B；H为测压水头，Z为位置水头。α是水击波传播速度大小为
β—对流惯性项修正系数，主要作用是削弱急、缓流过渡时出现的强间断，按下式计算：
Fr为弗劳德数常用来判断急、缓流。
6.根据权利要求1所述的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，其特征在于，所述有限差分算法包括Preissmann四点偏心隐式差分法和隐式欧拉差分法。
7.根据权利要求6所述的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，其特征在于，所述基于隐式欧拉差分法建立的矿井突水或者透水淹没过程数值模型描述为：
边界条件处：Ht+Δt＝Hout，Qt+Δt＝Qin。
8.根据权利要求7所述的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，其特征在于，对所述基于隐式欧拉差分法建立的矿井突水或者透水淹没过程数值模型进行求解，包括：
在每个时间步长上选用松弛迭代法分别计算流量和水位，指定迭代次数和容忍度来限制迭代收敛准则，通过连续的迭代过程让迭代值不断逼近下一时刻的真解。
9.根据权利要求1所述的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，其特征在于，评价依据包括：每个时刻的各个节点的水位、节点或段上的流量。
10.根据权利要求9所述的不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法，其特征在于，从以下几个方面评价矿井淹没过程：
断面淹没程度：根据节点水位或水深值判断断面淹没程度，当节点水深大于断面高度时，断面完全淹没；
突水或者透水蔓延范围：某一时刻，流量和水深值大于给定小流量和小水深的节点和段为有水位置，其构成的连续区域为该时刻下突水或者透水蔓延范围；
矿井淹没分区：某时刻后，水位—时间曲线相同的节点，水头差为零，之间无水量交换，其构成的连续区域为一个淹没分区；
矿井淹没时间：依据出口井筒水位-时间曲线，当井筒水位等于井筒邻接巷道顶板的最大高程时，矿井逃生出口被水完全封堵，此时井筒水位对应的时间为淹井时间。
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