CN114763746A - 一种煤矿地下水库储水系数的原位测试系统及方法 - Google Patents

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CN114763746A CN202110057878.9A CN202110057878A CN114763746A CN 114763746 A CN114763746 A CN 114763746A CN 202110057878 A CN202110057878 A CN 202110057878A CN 114763746 A CN114763746 A CN 114763746A
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方杰
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Abstract

本发明提供了一种煤矿地下水库储水系数的原位测试系统及方法，该测试系统包括：进水系统，所述进水系统包括设置在高位工作面上的临时水仓；储水系统，所述储水系统包括水库，所述水库由低位工作面上的采空区、煤柱坝体和人工坝体构成，所述人工坝体上设置有对应所述水库的出水流量监测仪与水位监测仪；其中，所述临时水仓通过由所述高位工作面向所述低位工作面构造的输水结构连接所述水库，所述输水结构上设置有进水流量监测仪。基于本发明的技术方案，通过实时测定煤矿地下水库入水量、出水量和水位高度计算获得储水系数，考虑了上覆岩层压实的空间效应和时间效应，从而真实地反映煤矿地下水库的储水能力。

Description

一种煤矿地下水库储水系数的原位测试系统及方法
技术领域
本发明涉及煤矿地下水库技术领域，特别地涉及一种煤矿地下水库储水系数的原位测试系统及方法。
背景技术
西部地区煤炭资源储量大，煤层埋藏浅，地质条件和水文条件相对简单，形成了以安全高效高回采率为特点的煤炭现代综采技术，为我国煤炭供给提供了重要保障。然而该区域煤炭开采对地表生态的破坏和矿井水大量外排流失，加剧了煤炭开发与地下水资源和地表生态保护的矛盾。目前，西部矿区开发并逐渐推广采用煤矿分布式地下水库技术来解决矿区用水难和用水不均衡的问题，为煤炭保水开采、矿井污水外排量的减少及生活用水的充足提供了重要保障。
煤矿地下水库储水系数的研究不仅是库容确定的基础，而且是煤矿地下水库理论体系中需要解决的关键问题。鉴于当前煤矿地下水库储水系数多数由经验确定导致存在极大的不确定性，并且未考虑时效性影响规律，因此通过原位现场的测试实时、动态、准确地确定储水系数对煤矿地下水库水资源系统运转至关重要。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种煤矿地下水库储水系数的原位测试系统及方法，通过实时测定煤矿地下水库入水量、出水量和水位高度计算获得储水系数，考虑了上覆岩层压实的空间效应和时间效应，从而真实地反映煤矿地下水库的储水能力。
本发明的一种煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，包括：
进水系统，所述进水系统包括设置在高位工作面上的临时水仓；
储水系统，所述储水系统包括水库，所述水库由低位工作面上的采空区、煤柱坝体和人工坝体构成，所述人工坝体上设置有对应所述水库的出水流量监测仪与水位监测仪；
其中，所述临时水仓通过由所述高位工作面向所述低位工作面构造的输水结构连接所述水库，所述输水结构上设置有进水流量监测仪。
在一个实施方式中，所述输水结构包括：
进水通道，所述进水通道被构造于所述高位工作面与所述低位工作面之间的地层中，且连通所述临时水仓与所述水库；
进水管，所述进水管由所述临时水仓的内部延伸至所述进水通道的上半部分中；
其中，所述进水流量监测仪设置于所述进水管上。
在一个实施方式中，所述进水系统还包括：通水闭气巷道，所述通水闭气巷道构造于所述低位工作面上，所述通水闭气巷道的一端与所述水库连通、另一端对应所述输水结构底部的出水口。通过本实施方式，通水闭气巷道设置于水库与输水结构之间，用于提供进水的缓冲作用，同时也避免低位工作面以及水库中的有害气体通过输水结构进入高位工作面。
在一个实施方式中，所述通水闭气巷道的顶板上具有凹陷与凸起，所述凹陷位于所述凸起靠近所述水库的一侧，所述凹陷与所述凸起在所述通水闭气巷道宽度方向上的长度均等于所述通水闭气巷道的宽度，所述通水闭气巷道中在所述凹陷的正下方设置有挡水墙；
其中，所述挡水墙的顶部高度高于所述通水闭气巷道顶板的高度且小于所述凹陷最高点的高度。
通过本实施方式，凹陷、凸起以及挡水墙共同组成通水闭气巷道中的闭气结构，避免水库中的有毒有害气体沿着通水闭气巷进入高位工作面。
在一个实施方式中，所述进水通道呈轴线为直线的管状结构，所述进水通道的轴线与水平面的夹角为锐角。通过本实施方式，管状结构的进水通道便于在地层中直接钻出；进水通道的轴线与水平面的夹角为锐角，使得进水通道不是垂直于水平面的，进而避免水流垂直流下造成过大的冲击。
在一个实施方式中，所述人工坝体上靠近所述水库底部的位置分别设置有均连通所述水库的排水管与水位监测管，所述排水管与所述水位监测管上均设置有阀门；
其中，所述出水流量监测仪与所述水位监测仪分别设置于所述排水管与所述水位监测管上。
在一个实施方式中，所述排水管与所述水位监测管位于所述水库内部的一端的管口上均设置有钢丝滤网。通过本实施方式，钢丝滤网用于防止水库中的矸石淤泥堵塞管路。
在一个实施方式中，所述排水管与所述水位监测管位于所述水库内部的一端管壁上开设有多个透水孔。通过本实施方式，透水孔在能够避免矸石淤泥进入管路而堵塞管路的基础上，进一步提供水流的流通路径，保证排水管与水位监测管中的水流量不至于过小。
在一个实施方式中，所述进水通道的内壁与所述进水管的外壁之间还设置有防水层，所述防水层由砂浆构成。通过本实施方式，防水层可以封闭进水通道与进水管之间的空隙，防止水体通过空隙流通而影响进水流量监测仪监测的准确性。
本发明的一种煤矿地下水库储水系数的原位测试方法，其应用于上述的原位测试系统，该方法包括：
步骤a：通过进水管的进水流量监测仪获取流入水库的水的流量Qin，通过排水管的出水流量监测仪获取从所述水库中排出的水的流量Qout，通过水位监测管的水位监测仪获取所述水库当前的水位高度h；
步骤b：根据以下公式计算所述水库的储水系数：
Rh＝(Qin-Qout)/Vh
Vh＝(S×h)
其中，Rh为储水系数，Vh为水位高度为h时水库的空间体积，S为水库面积。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明提供的一种煤矿地下水库储水系数的原位测试系统及方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
本发明的一种煤矿地下水库储水系数的原位测试系统及方法，通过实时测定煤矿地下水库入水量、出水量和水位高度计算获得储水系数，考虑了上覆岩层压实的空间效应和时间效应，从而真实地反映煤矿地下水库的储水能力，为工程实践和理论验证提供参考数据，从而更好地为矿井水资源保护和利用提供基础。
同时，本发明该提出了一种通水闭气巷道的结构设计，不仅节省了输水管路铺设，而且有效地阻止了低位工作面以及水库中的有害气体涌入高位工作面。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了本发明的测试系统的整体结构示意图；
图2显示了图1中A-A截面的结构示意图；
图3显示了图1中B-B截面的结构示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
附图标记：
1-高位工作面，2-低位工作面，3-进水系统，31-临时水仓，32-输水结构，321-进水通道，322-进水管，323-防水层，33-进水流量监测仪，34-通水闭气巷道，341-凹陷，342-凸起，343-挡水墙，4-储水系统，41-水库，42-煤柱坝体，43-人工坝体，44-出水流量监测仪，45-水位监测仪，5-排水管，51-压力监测仪，6-水位监测管，7-钢丝滤网，8-透水孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，包括：
进水系统3，进水系统3包括设置在高位工作面1上的临时水仓31；
储水系统4，储水系统4包括水库41，水库41由低位工作面2上的采空区、煤柱坝体42和人工坝体43构成，人工坝体43上设置有对应水库41的出水流量监测仪44与水位监测仪45；
其中，临时水仓31通过由高位工作面1向低位工作面2构造的输水结构32连接水库41，输水结构32上设置有进水流量监测仪33。
具体地，如附图图1所示，地层中具有由煤矿开采作业形成的低位工作面2与高位工作面1。高位工作面1上设置有进水系统3中的临时水仓31；低位工作面2上设置有储水系统4中的水库41，水库41内部空间为低位工作面2上的采空区，煤柱坝体42和人工坝体43构成水库41一面的坝体；临时水仓31通过输水结构32连通水库41并通过输水结构32向水库41中注水。基于该测试系统的结构，在输水结构32上设置进水流量监测仪33、在水库41的人工坝体43上设置出水流量监测仪44与水位监测仪45，以分别获取进水流量、出水流量以及水位，从而可以通过公司计算出水库41的储水系数。
在一个实施例中，输水结构32包括：
进水通道321，进水通道321被构造于高位工作面1与低位工作面2之间的地层中，且连通临时水仓31与水库41；
进水管322，进水管322由临时水仓31的内部延伸至进水通道321的上半部分中；
其中，进水流量监测仪33设置于进水管322上。
具体地，如附图图1所示，进水通道321为输水结构32的主体结构，进水管322一端位于临时水仓31中、另一端穿过临时水仓31的仓体并穿入至进水通道321中。临时水仓31中的水通过进水管322进入进水通道321中，并最终流入到水库41中。进水管322上设置控制输水结构32的阀门，进水管322上的进水流量监测仪33实时监测由临时水仓31流入至水库41中的水量。
优选地，进水通道321的内壁与进水管322的外壁之间还设置有防水层323，防水层323由砂浆构成。
具体地，砂浆灌注至进水通道与进水管之间的空隙中并在凝固后形成防水层，防水层可以封闭进水通道与进水管之间的空隙，防止水体通过空隙流通而影响进水流量监测仪监测的准确性。
在一个实施例中，进水系统3还包括：
通水闭气巷道34，通水闭气巷道34构造于低位工作面2上，通水闭气巷道34的一端与水库41连通、另一端对应输水结构32底部的出水口。
具体地，通水闭气巷道34设置于水库41与输水结构32之间，用于提供进水的缓冲作用，同时也避免低位工作面2以及水库41中的有害气体通过输水结构32进入高位工作面1。
优选地，通水闭气巷道34底部的高度高于水库41库底的高度。
在一个实施例中，通水闭气巷道34的顶板上具有凹陷341与凸起342，凹陷341位于凸起342靠近水库41的一侧，凹陷341与凸起342在通水闭气巷道34宽度方向上的长度均等于通水闭气巷道34的宽度，通水闭气巷道34中在凹陷341的正下方设置有挡水墙343；
其中，挡水墙343的顶部高度高于通水闭气巷道34顶板的高度且小于凹陷341最高点的高度。
具体地，凹陷341、凸起342以及挡水墙343共同组成通水闭气巷道34中的闭气结构。如附图图3所示，闭气结构的原理为，首次输水时，水流通过输水结构32中的进水通道321进入通水闭气巷道34中，水流因挡水墙343的阻挡不能直接流至水库41，进而通水闭气巷道34中的水面高度逐渐上升并高过凸起342，最终在水面高度高过挡水墙343顶部时，水流漫过挡水墙343并沿通水闭气巷道34流入水库41。此后，凸起342靠近输水结构32一侧的通水闭气巷道34中充满水，凸起342阻断了气体由通水闭气巷道34进入输水结构32的流通通路，从而起到通水闭气的效果。
在一个实施例中，进水通道321呈轴线为直线的管状结构，进水通道321的轴线与水平面的夹角为锐角。
具体地，如附图图1所示，管状结构的进水通道321便于在地层中直接钻出；进水通道321的轴线与水平面的夹角为锐角，使得进水通道321不是垂直于水平面的，进而避免水流垂直流下造成过大的冲击。
在一个实施例中，人工坝体43上靠近水库41底部的位置分别设置有均连通水库41的排水管5与水位监测管6，排水管5与水位监测管6上均设置有阀门；
其中，出水流量监测仪44与水位监测仪45分别设置于排水管5与水位监测管6上。
具体地，如附图图2所示，排水管5与水位监测管6均靠近水库41的库底，排水管5用于在用水时排水，出水流量监测仪44检测排水的水量；水位监测管6上的水位监测仪45通过水压与水位的关系来检测水位。排水管5上还设置有压力监测仪51，用于实时监测水压。
在一个实施例中，排水管5与水位监测管6位于水库41内部的一端的管口上均设置有钢丝滤网7。
具体地，钢丝滤网7用于防止水库41中的矸石淤泥堵塞管路。
优选地，排水管5与水位监测管6位于水库41内部的一端管壁上开设有多个透水孔8。
具体地，透水孔8在能够避免矸石淤泥进入管路而堵塞管路的基础上，进一步提供水流的流通路径，保证排水管5与水位监测管6中的水流量不至于过小。
本发明的测试系统的构造方法为：
步骤一：在低位工作面2上选择合理位置掘进通水闭气巷道34；
具体地，通水闭气巷道34掘进时需要施工一处顶板最高点和一处顶板最低点，即需要在通水闭气巷道34的顶板上构造出凹陷341与凸起342，保证两处顶板存在一定高差，并在顶板最高点区域施工一道挡水墙343，其顶部距离顶板最高点留有过水断面。例如：通水闭气巷道34顶板最高点与顶板最低点标高相差2.0m。在巷道顶板最高点处施工一道挡水墙343，挡水墙343高度高于巷道顶板最低处1.0m，并与顶板最高点的巷道留设1.0m的过水高度。这样，通水闭气巷道34的水体就能够越过挡水墙343流入水库41，而由于通水闭气巷道34里的水已经封顶，那么水库41中的有毒有害气体不会沿着通水闭气巷道34进入高位工作面1。
步骤二：根据低位工作面2开采后的采空区(包括垮落岩体)、煤柱坝体42，施工出人工坝体43，来共同组成水库41。
步骤三：在人工坝体43靠近底板位置安装水位监测管6和排水管5；
具体地，水位监测管6和排水管5在安装前，均需要在伸入水库41内部的一端设置透水孔8，并使用钢丝滤网7裹住管口，以避免矸石淤泥堵塞管路。排水管5的管径采用DN200，从人工坝体43向外依次安装压力监测仪51、出水阀门、出水流量监测仪44；水位监测管6的管径采用DN15，从人工坝体43向外依次安装水位监测仪45、控制阀门。
步骤四：在高位工作面1回采巷道内根据等高线标高选择标高较低的位置施工出临时水仓31，作为高位工作面1临时储水地点。
步骤五：从临时水仓31内按照一定角度钻出进水通道321并连通通水闭气巷道34，在临时水仓31和进水通道321上部区域安装进水管322，在进水管322上安装进水阀门、进水流量监测仪33。
步骤六：进水管322与进水通道321之间采用砂浆封闭空隙，以避免水体从进水通道321与进水管322之间空隙流至通水闭气巷道34。
本发明还提供了一种煤矿地下水库储水系数的原位测试方法，其应用于上述的原位测试系统，该方法包括：
步骤a：通过进水管的进水流量监测仪获取流入水库的水的流量Qin，通过排水管的出水流量监测仪获取从所述水库中排出的水的流量Qout，通过水位监测管的水位监测仪获取所述水库当前的水位高度h；
步骤b：根据以下公式计算所述水库的储水系数：
Rh＝(Qin-Qout)/Vh
Vh＝(S×h)
其中，Rh为储水系数，Vh为水位高度为h时水库的空间体积，S为水库面积。
具体地，水库面积S在煤矿开采时事先测定，例如开采面积S＝300m×1000m；通过相应的检测仪获取对应的参数，例如：流入水库的水的流量Qin＝70000m3、水库中排出的水的流量Qout＝10000m3、水位高度h＝1m；那么通过以上公式可以计算出水库的储水系数Rh＝(Qin-Qout)/(S×h)＝(70000-10000)/(300×1000×1)＝0.2。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，其特征在于，包括：
进水系统，所述进水系统包括设置在高位工作面上的临时水仓；
储水系统，所述储水系统包括水库，所述水库由低位工作面上的采空区、煤柱坝体和人工坝体构成，所述人工坝体上设置有对应所述水库的出水流量监测仪与水位监测仪；
其中，所述临时水仓通过由所述高位工作面向所述低位工作面构造的输水结构连接所述水库，所述输水结构上设置有进水流量监测仪。
2.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，其特征在于，所述输水结构包括：
进水通道，所述进水通道被构造于所述高位工作面与所述低位工作面之间的地层中，且连通所述临时水仓与所述水库；
进水管，所述进水管由所述临时水仓的内部延伸至所述进水通道的上半部分中；
其中，所述进水流量监测仪设置于所述进水管上。
3.根据权利要求1或2所述的煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，其特征在于，所述进水系统还包括：
通水闭气巷道，所述通水闭气巷道构造于所述低位工作面上，所述通水闭气巷道的一端与所述水库连通、另一端对应所述输水结构底部的出水口。
4.根据权利要求3所述的煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，其特征在于，所述通水闭气巷道的顶板上具有凹陷与凸起，所述凹陷位于所述凸起靠近所述水库的一侧，所述凹陷与所述凸起在所述通水闭气巷道宽度方向上的长度均等于所述通水闭气巷道的宽度，所述通水闭气巷道中在所述凹陷的正下方设置有挡水墙；
其中，所述挡水墙的顶部高度高于所述通水闭气巷道顶板的高度且小于所述凹陷最高点的高度。
5.根据权利要求3所述的煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，其特征在于，所述进水通道呈轴线为直线的管状结构，所述进水通道的轴线与水平面的夹角为锐角。
6.根据权利要求1所述的煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，其特征在于，所述人工坝体上靠近所述水库底部的位置分别设置有均连通所述水库的排水管与水位监测管，所述排水管与所述水位监测管上均设置有阀门；
其中，所述出水流量监测仪与所述水位监测仪分别设置于所述排水管与所述水位监测管上。
7.根据权利要求6所述的煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，其特征在于，所述排水管与所述水位监测管位于所述水库内部的一端的管口上均设置有钢丝滤网。
8.根据权利要求7所述的煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，其特征在于，所述排水管与所述水位监测管位于所述水库内部的一端管壁上开设有多个透水孔。
9.根据权利要求2所述的煤矿地下水库储水系数的原位测试系统，其特征在于，所述进水通道的内壁与所述进水管的外壁之间还设置有防水层，所述防水层由砂浆构成。
10.一种煤矿地下水库储水系数的原位测试方法，其应用于如权利要求1至9任一项所述的原位测试系统，其特征在于，包括：
步骤a：通过进水管的进水流量监测仪获取流入水库的水的流量Qin，通过排水管的出水流量监测仪获取从所述水库中排出的水的流量Qout，通过水位监测管的水位监测仪获取所述水库当前的水位高度h；
步骤b：根据以下公式计算所述水库的储水系数：
Rh＝(Qin-Qout)/Vh
Vh＝(S×h)
其中，Rh为储水系数，Vh为水位高度为h时水库的空间体积，S为水库面积。
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