利用动态流量数据快速预测最大涌水量的方法

本专利利用流体动力学原理，充分研究在动态环境中，一个水井（矿坑）—泵路系统中各个环节的不同特点及相互关系，总结规律，探索必要的检测步骤和计算方法，归纳成系统的预测方法。本方法涉及含水层数、含水层深度、静态稳定水位等水文地质参数；涉及水井（矿坑）储水段的井筒断面积等相关工程特征参数；涉及水泵扬程、泵路出水口的高度等实验设备的技术参数；涉及泵路系统出水口的即时流量和累计流量等试验检测数据参数。本方法与传统方法中最为便捷的“Q-S” 法比较：“Q-S”法利用三个测点模拟一条直线，展开邻近距离粗略预测；利用动态稳定水位法测得各点上的深度和涌水量，单点用时十数—数十小时，试验用时需5-7天才能报出结果，且结果误差较大，离测点距离越远误差越大，往往达到百分之几十。动态流量法利用涌水量曲线方程和曲线上的单点试验数据，可全程精确预测涌水量；本方法利用动态流量数据求单点深度和涌水量，开机后数分钟既能报出结果，预测结果精确，在目前的试验结果中误差最大-3.81%，平均0.57%。在实际操作时，当取准取全相关水文地质、工程特征、实验设备等的技术参数并输入系统后，即可开机试验，系统将自行读取检测参数，及时反馈预测结果，基本能做到即测即得。与传统方法相比较本方法可以说是在这方面的一次革命性进步。

利用动态流量数据快速预测最大涌水量的方法
技术领域
本发明涉及井巷、水文、水利工程施工领域，具体涉及一种预测最大涌水量的方法。
背景技术
在开拓井巷工程施工过程中，遇到大量涌水、突水事件，选择排水设备时，需要预测最大涌水量问题；资源勘查中的水文孔、水利施工成井后均需要涌水量预测。预测(最大)涌水量的传统方法有多种，但大多需要复杂的水文地质参数和繁琐的操作流程，就拿最简单的“Q-S”法来说也需要做三次大降深抽水试验，整个过程需要5-7天，需用时间比较长。
《金属矿山》2009年第7期P77～P78页本发明人公开了矿坑最大涌水量计算公式，Q＝q(H/h)1/2，Q为矿坑最大涌水量，q为抽水试验确定的在对应动态稳定水位线上的排出水量，其中H为矿坑静态稳定水位与出水点下缘间的高差，h 为动态稳定水位与静态稳定水位间的高差。对于一个稳定流的井巷工程而言，H 是已知的，对应于H深度的最大涌水量Q可视为不变的，在H的范围内由h和q的变化而形成的抛物线的形状也是一定的，只要求得任何一点q和h，就可以求得Q 值。
显然，上述方法至少需要做一次大降深的抽水实验，也就是说至少需要获得一个动态稳定水位的观测数据(q、h)，至少需耗时十几至几十小时。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种利用动态流量数据快速预测最大涌水量的方法，能够快速、精准的计算最大涌水量或指定深度上的涌水量。
本发明的技术方案是这样实现的：
(1)获取基本技术参数：泵路系统出水口最小的断面积Sb，水泵的扬程数Y，被测矿坑或水井容水段的水平断面积Sj，静态稳定水位与泵路系统出水口的竖直高度L，井下涌水口下缘与静态稳定水位之间的竖直高差H；
(2)待泵路系统稳定之后，在多个ti时间点，测量泵路系统出水口的即时流量Qbi和累计总出水量Qbzi；
(3)将Y、Sb、Qbi带入下述公式进而得到ti时间点上的Li
Li＝Y-Qbi2/(2gSb2)
其中，Li为泵路系统出水口与动态水位间的竖直距离；
连续获取多个时间点的Qbi求出对应的Li，形成按时间间隔顺次排列的数组，随时求出当前时间段内矿坑或水井的平均涌水量Qyji，
Qyji＝(ΔQbzi—ΔLi×Sj)/Δti
其中，Qyji为当前时间段内矿坑或水井的平均涌水量；
ΔQbzi为当前时间段内累计总出水量的增量值，ΔQbzi＝Qbzin-Qbzi(n-1)
ΔLi为当前时间段内Li的增量值，ΔLi＝Lin-Li(n-1)
Δti为当前时间段内ti的增量值，Δti＝tin-ti(n-1)
hi为动态水位与静态稳定水位的差值，hi＝Li-L
则对应于段平均涌水量的水头降深值hii＝(hn1/2β+h(n-1)1/2(1-β))2
其中，β值为随计算时所跨深度段数的不同而变化，将hii和其对应的Qyji代入下述公式得到矿坑或水井的最大涌水量
Q＝Qyji(H/hii)1/2。
所述β值随计算时所跨深度段数的不同而变化，是一个函数，当计算时所跨深度段数为1时其变为常数。
本发明将获得单点深度与对应涌水量的时间压缩到一个计时段(1～5分钟)，几分钟就可以初步获得工程的最大涌水量，可以将现有技术中需要数天完成的工作压缩到数小时内完成，即测既得，方便快捷，能够对稳定流的水井、矿坑等进行最大涌水量的预测。且能够反应最大涌水量的变化情况，据此还可以进一步推断降水漏斗的即时深度等水文参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为各种深度示意图。
图2为抽水试验装置示意图。
图3为竖井涌水量分析图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所需设备有数据处理器、电子流量器和水泵等，水泵与电子流量仪的口径要匹配。
本发明的方法是按照下述方式进行的：
(1)获取试验所需的基本技术参数：泵路系统出水口最小的断面积Sb，水泵的扬程数Y，被测矿坑或水井容水段的水平断面积Sj，静态稳定水位与泵路系统出水口的竖直高度L，井下涌水口下缘与静态稳定水位之间的竖直高度H；具体各高度值如图1所示，
(2)待泵路系统稳定之后，在多个ti的即时时间点，测量泵路系统出水口的即时出水量Qbi和累计总出水量Qbzi，随着抽水试验的进行，根据不同时间点，不断获得ti、Qbi和Qbzi值，所组成的数据表如表1所示。
表1由“ti”“Qbi”“Qbzi”构成的数组表

(3)将Y、Sb、Qbi带入下述公式进而得到ti时间点上的Li 
Li＝Y-Qbi2/(2gSb2)  
其中，Li为泵路系统出水口与动态水位间的竖直距离；  
连续获取多个即时时间点的Qbi，求出对应的Li，形成按时间间隔顺次排列的数组，随即求出当前时间段内矿坑或水井的平均涌水量Qyji，  
Qyji＝(ΔQbzi—ΔLi×Sj)/Δti 
ΔQbzi为当前时间段内累计总出水量的增量值，ΔQbzi＝Qbzin-Qbzi(n-1) 
ΔLi为当前时间段内Li的增量值，ΔLi＝Lin-Li(n-1) 
Δti为当前时间段内ti的增量值，Δti＝tin-ti(n-1) 
hi为动态水位与静态稳定水位的差值，hi＝Li-L  
而对应于段平均涌水量的水头降深值为hii，hii＝(hn1/2β+h(n-1)1/2(1-β))2 
其中，β＝(qdj-qy1)/(qy2-qy1)，β值随计算时所跨深度段数的不同而变化，对应不同井里的相同跨段β是一个常数，其数学意义是：计算时所跨若干计时段各自即时涌水量的算术平均值qdj减去跨度内初始值qy1之差，再除以跨度段始qy1段末qy2两值之差(即极差)所得，如表2所示，当跨度为0.1m(一个深度段，两组数)的时候，β为0.5。  

本申请中，n为代表i的具体数字；b代表水泵的泵，如Qb代表“泵口流量”； z代表“总”，如：Qbz代表“泵口总流量”；y代表涌水量的“涌”，如Qy代表“涌水量”；Qyj代表“平均涌水量”，Sj代表“井的面积”。除“n”“i”以外，其他都不是变量。  
此时，已经求出了在某一时间段内的平均涌水量Qyji和对应这个涌水流量的对应水头降深hii值，这两个值可视为在hi高程水平上的涌水量和水位降的值，将其代入公式Q＝q(H/h)1/2即可得到最大涌水量  
Q＝Qyji(H/hii)1/2。  
随着抽水试验的进行，所取的时间段采用尽可能最新的时间间隔，因此本发明能够一直持续性及时反映出被试井巷的最大涌水量及其变化情况，当这一数值稳定的精度和时限达到了规范要求的指标，即可认为所得数值为被测井巷的最大涌水量。  
其中，ti、hi、hii和Qyji构成的数据表如表3所示，  
表3由“ti”“hi”“hii”“Qyji”构成的数组表  

通过对原始数据和技术参数进行整理计算取得以下结果：  
1、实测出水口面积为0.00008659m2，利用前10组数据计算结果加权平均所得无阻尼泵路系统出水口面积0.00008683m2。  
2、基于实测数据直接计算的与通过推导求得的Li值很接近，见表5(其中第一行的数值由于不稳定状态需要舍弃)。  
表5测量Li和推导Li的对比表 

3、根据计算所得的Li等相关数据再计算出Qyji、hii，最终算出最大涌水量，据不同计时段数据所算得的预测最大涌水量与实测最大涌水量对比情况见表6。  
表6为不同时段所预测的最大涌水量与真值对比表  
(第一行为不稳定时测量数值，需要舍弃)  

从表6可以看到，试验过程中不同时段内最大涌水量的预测值与真值间最大误差-3.81％，18分钟内的平均误差为0.57％。试验效果比较理想。竖井涌水量分析如图3所示。  
工作人员根据需要，可以编制成利用动态数据快速预测井巷最大涌水量的专用程序模块，固化在专用数据处理器中，或安装到电脑中，形成一个具有数据处理能力的设备，也可以植入到现有电子流量仪的系统程序中，形成扩充功能模块。作抽水实验时，将电子流量仪(须具备输出端口)安装到实验用泵路系统的出水口上(二者口径需匹配)，完成其间的有机结合。  
实验时首先打开数据处理设备，再打开电子流量仪，最后启动水泵即可工作。初开机时，在泵路系统工作为稳定之前的数据误差较大，需要等到系统稳定进行测量，且舍弃第一组误差较大的测试数据。