倾斜钻孔井流计算方法及其在井下疏放水工程中的应用

摘要

煤矿顶板水害是煤矿建设与生产中的主要灾害之一，频发的煤矿顶板突水造成了极为惨重的人身伤亡和经济损失，已成为制约煤矿安全生产的瓶颈。为预防和减轻这一灾害的发生，煤矿水害预测、水害治理等技术得到了广泛的发展。其中，倾斜钻孔疏放水技术因其施工难度低、疏放效率高，已作为一项成熟的煤矿水害防治技术，在煤矿防治水领域特别是在煤矿顶板水害防治中得到了广泛的应用。明确倾斜钻孔疏放水井流的计算方法将为准确预测倾斜钻孔疏放水量与疏放水时间、控制疏放水降深提供科学依据，对防治煤矿顶板水害具有重要意义。然而，已有的井流计算方法在倾斜钻孔井流计算中还存在诸多不足，尚缺乏对倾斜钻孔疏放水井流计算方法的精确研究。
　　本篇论文以倾斜钻孔在水平承压含水层中疏放水为对象，开展了其井流计算方法的研究，主要内容包括：
　　1.以空间点源理论为基础，运用反映法推导了均质各向异性无限水平承压含水层中非完整倾斜钻孔的井流计算方程。在同时具有多个倾斜钻孔疏放水的情况下，推导了倾斜钻孔多孔叠加的疏放水井流计算方法。此外，基于承压含水层顶板为定水头边界的条件，推导了顶板为定水头边界条件下均质各向异性无限水平承压含水层中非完整倾斜钻孔的井流计算方程。
　　2.在空间三维坐标系下，选择特定水文地质参数、钻孔参数、时间及水量参数，通过编制MATLAB程序，采用数值方法求解了倾斜钻孔井流方程，并对方程中各个参数进行了讨论。
　　3.推导了适用于计算倾斜钻孔砂槽实验的矩形隔水边界倾斜钻孔井流计算方程，以该计算方程为基础，计算了砂槽内倾斜钻孔疏放水时疏放水的流量与砂槽内各点的降深，并将解析计算结果与室内实验数据进行了对比，验证了矩形隔水边界倾斜钻孔井流计算方程是合理实用的。
　　4.获取煤层顶板含水层水文地质参数是预测倾斜钻孔疏放水井流的基础。本论文以纳林河二号煤矿工作面为实例，以距离其首采面较近的煤仓施工的倾斜钻孔单孔疏放水试验数据为基础，结合无限水平承压含水层中非完整倾斜钻孔井流计算方程，应用已求取的倾斜钻孔单孔放水试验解析解进行计算，并将计算结果与单孔放水试验实测数据进行拟合，分析并讨论了降深随时间的变化趋势，从而验证了试验选取参数的正确性，同时也说明了无限水平承压含水层中非完整倾斜钻孔单孔井流计算方程的适用性。
　　5.应用倾斜钻孔多孔叠加疏放水井流计算方程计算了纳林河二号首采工作面顶板含水层疏放水时的地下水动态，验证了无限水平承压含水层中非完整倾斜钻孔多孔叠加井流计算方程的适用性。
　　综上，本论文推导了倾斜钻孔井流计算方程；形成了一套分析、模拟、预测煤矿井下顶板倾斜钻孔疏放水的理论与方法；为优化煤矿工作面疏放水工程设计提供了科学依据。

目录

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目录

1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的主要问题

1.4 研究方案

2 倾斜钻孔井流计算方程推导

2.1承压含水层倾斜钻孔理想模型

2.2承压含水层倾斜钻孔井流解析式推导

2.3多孔叠加疏放水降深计算

3 倾斜钻孔井流计算方程参数分析

3.1MATLAB求解倾斜钻孔井流计算方程

3.2顶底板隔水的水平无限空间模型

3.3疏放水时间对降深的影响

3.4倾斜钻孔疏放水引起的三维空间井流分布

3.5钻孔仰角对降深的影响

3.6渗透系数各向异性对降深的影响

3.7其他参数

4 倾斜钻孔疏放水室内砂槽实验及方程求解

4.1砂槽实验

4.2砂槽实验结果

4.3矩形隔水边界倾斜钻孔解析式推导

4.4 砂槽实验计算求解

4.5计算结果与实验实测结果对比

5 倾斜钻孔单孔疏放水现场试验及方程求解

5.1研究区概况

5.2现场放水试验概况

5.3倾斜钻孔单孔疏放水观测值与计算值对比

6 倾斜钻孔多孔叠加疏放水预测

6.1 研究区概况

6.2倾斜钻孔多孔叠加疏放水工程设计

6.3工作面顶板含水层水文地质模型

6.4工作面疏放水预测计算

7 结论

7.1 结论与创新成果

7.2展望

参考文献

致谢

附录一 个人简介

附录二 MATLAB程序