基于煤层底板标高控制区水量均衡的矿井突涌水蔓延模拟与应用

摘要

矿井突涌水蔓延模拟是水害应急救援与处置方案制定的重要基础,针对数值模拟方法计算速度慢的问题,提出了一种基于煤层底板标高控制区水量均衡的矿井突涌水蔓延模拟方法.基于矿井煤层底板标高和采掘空间展布规律,分析了采掘空间底板标高的局部高点、局部低点和突涌水蔓延过程中的分叉分流点对突涌水蔓延过程的控制作用,据此对采掘空间进行区域划分,提出了控制区的概念及其划分方法.依据水量均衡原理,控制区内积水水位与累积流入控制区的水量存在对应关系,累积突涌水量和控制区邻接关系共同控制着矿井全局突涌水蔓延过程.煤层底板标高控制区的划分和水量均衡方法的使用简化了局部区域蔓延过程计算(控制区内水量均衡)复杂度,缩小了采掘空间拓扑(以控制区为单元)规模,能够大大提高矿井全局突涌水蔓延过程计算速度.但是,对于局部蔓延过程的刻画较为粗略.因此,利用三维流体力学仿真软件Fluent模拟了局部巷道水流蔓延特征,包括水流下蔓时不同巷道坡度条件下的流速分布,以及不同巷道分叉空间结构条件下的分流规律,并利用随机森林方法进行了回归分析建模,用于局部蔓延过程的精细化模拟.以邢台矿西井为例,实现了工作面突涌水蔓延过程模拟,结果表明:利用基于煤层底板标高控制区水量均衡的矿井突涌水蔓延模拟方法可以计算任意时间矿井全局范围的积水水位,动态掌握突涌水蔓延过程,模拟12 h突涌水的计算速度较数值模拟方法提升了近60倍.同时,基于控制区可以快速计算得到避灾与救援线径中关键位置淹没时的累积突涌水量及对应时间,为应急救援与处置提供直接依据.

关键词

突涌水蔓延 / 采掘空间 / 控制区 / 水量均衡 / 随机森林