顶板水头控制疏降煤矿采空区超大井井流计算

Prediction of water-inflow is the basis work of water disaster prevention and control in coal mine. The collections of water conducted fractured zone caused by mining develop to a super-large well diameter well with more than 100-meter order of magnitude, The Magnitude difference between the caliper of the super-large well-diameter and infinitesimal conditions assumed by the Theis well flow formula and other classical hydrodynamic formulas, results in the inaccurate results and the wrong trend calculated by the classical hydrodynamic formulas. In our previous research, water inflow from roof aquifer consists of the dynamic recharge and static reserve inflows, and we found that the two parts of the water release process can be described by the dynamic system model with the driving factors of time and mining. In this study, We present the hypothesis that the water-inflow process of roof aquifer with the working face mining can be calculated by the double-exponential decay model. Based on the system dynamics theory, and combining rock mechanics and hydrodynamics of classical theories. We will carry out three aspects of research work, to analysis the movement characteristics of roof water to the mining goaf, to construct and solve the curve equation of roof water drainage, and to develop the calculation method on water inflow of oversize-well controlled by boreholes. The results almost have promotion effects on the theoretical progress for accurate calculation for water inflow of oversize-well.

涌水量预测是煤矿水害防治系列工作的基础。工作面推采不断发育的顶板导水裂缝带群构成百米级以上的超大井径集水井，井径与Theis井流公式等经典水动力学公式假设的井径无限小条件存在数量级的差异，导致基于经典水动力学理论预测的采空区超大井井流量精度不高、动态过程不准。课题组成员前期研究发现，采空区井流量来源于自身顶部含水层空间静储量以及外围动态补给量，我们最新研究发现，这两部分水量释放过程可以被时间和采掘驱动的动力系统模型刻画。在上述成果基础上，本项目提出推采过程采空区超大井井流量精细预测的二阶动力系统模型科学假说，基于系统动力学理论，糅合岩石力学和水动力学等经典学科理论，分析工作面顶板水向采空区大井运动的动力学特征，构建并求解典型工作面顶板水头疏降工况采空区涌水曲线方程，通过模型率定和验证，形成顶板水头控制疏降采空区超大井井流计算方法。研究成果能够为井流计算理论在超大井径范围应用的进步提供依据。

>200mm大井径井流科学计算是经典渗流理论难以解决的关键科学问题，也是煤矿开采疏放水钻孔群和采空区超大井涌水量精细计算面临的关键技术难题。.以地下水向倾斜钻孔群和渐增式采空区超大井运动过程的定量计算为研究对象，通过开展工作面顶板含水层卸压涌水动力学机制研究、涌水量动态预测技术开发、顶板水控制疏放技术研发等，形成了以下3项创新成果：.1） 揭示了煤层顶板含水层卸压涌水过程的动力学机制。创新利用系统动力学能量衰减理论，创建了钻孔群疏放水和煤层采动涌水动力系统模型，定量刻画了采前倾斜钻孔群主动卸压涌水时变过程，以及采中采空区被动卸压涌水随采动态变化过程。创新了倾斜井群和百米级大井涌水量定量计算理论方法，为涌水量动态预测与顶板水控制疏放技术研发建立了理论基础。.2）研发了采煤工作面涌水量多阶动力学动态预测技术。发明了工作面超大井涌水量采前快速预测与采中动态校正方法，开发了涌水量动态预测软件，实现了工作面推采过程采空区峰值涌水量、动态稳定涌水量及发生位置的精细预测，将应用工作面涌水量预测精度从70%以下，提高到85%以上，完善了矿井涌水量预测技术体系。.3）提出了基于多目标非线性模型的顶板水控制疏放技术。构建了顶板最优安全残余水头优化模型，提出了疏放水量和疏放时间优化确定方法，以及钻孔空间布置和钻场间距优化确定方法，在应用矿井有效减少钻探工程量超过65%，缩短了约30%的疏放水工期，实现了以安全、高效、经济为目标的顶板水控制疏放治理。.项目成果推动了地下水向超大井和倾斜井群运动井流计算理论的进步，进一步完善了我国西部煤矿区开采水害防治模式和技术思路，在7座煤矿9个工作面进行了试验和推广应用。发表论文7篇，其中SCI/EI收录3篇，申请发明专利1项，参加学术会议3人次，主体成果经中国煤炭工业协会组织鉴定，达到国际领先水平，获省部级科技成果奖3项。