不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术能够依据不同的突(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。

【技术实现步骤摘要】
不同突水或者透水条件下矿井淹没过程的评价方法
本专利技术涉及矿井水害预测与防治
，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。
技术介绍
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(LatticeBoltzmannMethod，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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术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。在本专利技术的一些实施例中，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。在本专利技术的一些实施例中，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。在本专利技术的一些实施例中，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。在本专利技术的一些实施例中，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。在本专利技术的一些实施例中，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。在本专利技术的一些实施例中，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。在本专利技术的一些实施例中，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。在本专利技术的一些实施例中，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。在本专利技术的一些实施例中，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，其构本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：武强，张小燕，赵颖旺，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11