明渠流理论在矿山水沟设计中的应用

发表时间:2019/6/13   来源:《防护工程》2019年第5期   作者:刘玉勇 李红红 童川
[导读] 通过连续方程、谢才公式、曼宁公式三大公式联立计算确定了水沟净断面,完成矿山运输大巷水沟设计,为今后矿山大断面水沟设计提供了一定的理论依据。
山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿  山东烟台  261441
  摘要:望儿山金矿深部中段涌水量达到1000 m3/h左右,该涌水量超出了采矿设计手册中《水沟断面选用参考表》的数据范围,使水沟设计无可参照资料。本应用探索填补了矿山大断面水沟设计无据可依的空白,为今后矿山大断面水沟设计提供了理论依据。
  关键词:矿山水沟;大涌水量;水沟断面
  
  
  1水文地质:
  望儿山金矿位于山东省莱州市北35km处,与焦家金矿和新城金矿毗邻,焦家金矿床井下水为天水与矿床水的混合体, 存在于岩体裂隙中,具有较好的连通性。井下涌水特点主要有:下部工程拉开后,上部相应地段涌水则迅速减少,由原来的喷涌变为滴淋;一般地,局部破碎强蚀变带构造裂隙发育,导水性能好,含水量大,涌水多;晚期脉岩(煌斑岩脉、碳酸岩脉)有一定的导水、含水性;早期勘探施工的深部钻孔起导水作用,对涌水也有明显影响,有地勘钻孔的剖面上开拓探矿工程中的出水量明显要大[1]。
  2在矿井下开采过程中,由于土壤和岩层中含水的涌出、雨雪水的渗透,水砂充填、和巷道开拓凿岩生产供水,深部中段涌水量呈增加趋势。根据我矿地质提供的资料,矿区开拓至17中段时,在进入富水区后涌水量为968m3/h,最大涌水量为1210m3/h。以下表2.1为相关部门对望儿山矿区水文地质情况研究得出深部中段排水预测表,15、16中段预测涌水量在实际开拓过程中已经得到证实:
  表2.1  15以下排水预测表(单位:m3/h)
 
  3所遇困境:
  3.1大量的水昼夜不停地汇集于井下,如果不能及时地将这些积水排送到井上,井下的安全生产就会得不到保障。严重时有使矿山生产中断,矿井被淹没的危险。
  3.2 1000 m3/h左右的涌水量,超出了采矿设计手册中《水沟断面选用参考表》的数据范围,使水沟设计无可参照资料。
  本文主要探讨第2个方面,如何进行矿山大断面水沟设计,下面将分两个部分来阐述,第一部分为设计理论部分,第二部分为设计实例部分。
  4、设计理论:
  4.1、明渠流定义:
  人工渠道、天然河道以及未充满水流的管道等统称为明渠。明渠流是一种具有自由表面的流动,自由表面上各点受当地大气压的作用,其相对压强为零,所以又称为无压流动。矿山运输大巷水沟属于一种典型的明渠流。
  4.2、明渠几何特征
  4.2.1水沟形体
  ①棱柱体渠(Prismatic channel): A=A(h),多为人工渠道;
  ②棱柱体渠(Non-prismatic channel): A=A(h,s)
  4.2.2明渠的几何参数
  一般明渠:
  图4.2.2 明渠参数分析图
  
  4.3、 明渠恒定均匀流
  均匀流是一种匀速直线运动,均匀流质点的运动参数沿程不变。
  明渠均匀流是一种最简单的明渠流。但其理论是水沟设计的依据,也是进行非均匀流分析计算的基础[2]。
  1、明渠均匀流的特征
  V =const;  h =h0  (Normal depth); u =u (h)等参数沿程不变。流线为平行直线,过水断面为平面。
  ①i=Jp=J
  ②G sinθ =FD(动量方程得到)
  见图图4.2.2
  4.4、明渠均匀流的形成条件
  ①恒定流Q =const;
  ②棱柱体渠道;
  ③正坡i>0;
  ④足够长
  ⑤n沿程不变
  ⑥v不能太大(不掺气v<7~8m/s)
  4.5、明渠均匀流的基本公式
  

  在设计水沟选择糙率n值时,应注意以下几点:
  (1)、选定了n值,就意味着将水沟粗糙情况对水流阻力的影响作出了综合估计。因此,必须对前述的水流阻力和水头损失的各种影响因素及一般规律,要有正确的理解。
  (2)、要尽量参考一些比较成熟的典型糙率资料。
  (3)、应尽量参照本地和外地同类型的水沟实测资料和运用情况,使糙率n的选择切合实际。
  (4)、为保证选定的n值达到设计要求,设计文件中应对水沟的施工质量和运行维护提出有关要求。
  4.7.2水力最优断面 Best Hydraulic Cross_section
  (1)、水力最优断面:
  给定渠道断面形状、尺寸、断面面积A、n 、i,能通过的Q=Qmax。(或通过给定流量,A=Amin )。
  以梯形断面为例:当A=const, 欲使Q=Qmax,
  必须FD=Fmin, 即χ = χmin
  

 
  5、矿山水沟设计实例
  望儿山矿区17中段涌水量为1000m3/h,请以Q=1000 m3/h,i=3%,n=0.025为基本参数对该中段运输大巷水沟进行设计。
  5.1.水沟断面形状的选择
  水沟断面形状分为
  ①、矩形断面
  ②、等腰梯形断面
  ③、直角梯形断面
  考虑施工速度和施工方便,本矿区决定选用矩形断面;
  5.2、水沟断面的确定
 
  5、n—水沟粗糙度n,取n=0.025;
  6、C—谢才系数
  7、i—坡度,取i=3‰
  结论:
  通过跨专业引用水力学明渠恒定均匀流相关知识,以涌水量、水沟坡度、水沟粗糙度为基本参数,通过连续方程、谢才公式、曼宁公式三大公式联立计算确定了水沟净断面,完成矿山运输大巷水沟设计,为今后矿山大断面水沟设计提供了一定的理论依据。
  参考文献:
  【1】周雪漪·计算水力学【M】·北京·清华大学出版社:1995
  【2】吴持恭·水力学【M】·北京·高等教育出版社:2003
  【3】殷彤 , 周喜德 , 李进 , 张建民 , 雷云华 . 桐子林导流明渠体型优化数值模拟研究 [J]. 四川大学学报 ( 工程科学版 ). 2010(04)
  【4】王晓强 , 贾丽丽 . U 型渠道衬砌断面优化设计 [J]. 中国水运 ( 下半月 ). 2009(07)
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