第五章--礦井涌水量預(yù)測

1、n 內(nèi)容安排第一節(jié) 概述第二節(jié) 水文地質(zhì)比擬法第三節(jié) Q-S曲線外推法第四節(jié) 水均衡法 第五節(jié) 解析法第六節(jié) 數(shù)值法 礦井涌水量是指礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中單位時間內(nèi)流入礦井(包括各種巷道和開采系統(tǒng))的水量。第一節(jié) 概 述礦床水文地質(zhì)條件類型礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度礦床開發(fā)經(jīng)濟技術(shù)條件礦山疏干排水設(shè)計礦井生產(chǎn)能力防治水措施確定依據(jù)一、礦井涌水量預(yù)測內(nèi)容1、礦井正常涌水量 開采系統(tǒng)達(dá)到某一標(biāo)高(或水平)時，正常狀態(tài)下保持相對穩(wěn)定時的總涌水量。通常是指平水年的涌水量。2、礦井最大涌水量 正常狀態(tài)下開采系統(tǒng)在豐水年雨季時的最大涌水量。3、開拓井巷涌水量 井筒(立井、斜井)和巷道(平硐、平巷、斜巷、石門)

2、在開拓過程中的涌水量。主要工作4、疏干工程的排水量 在規(guī)定的疏干時間內(nèi)，將水位降到某一規(guī)定標(biāo)高時所需的疏干排水強度。5、礦井突水量 礦井采掘過程中在某些因素的作用下，含水層(體)中的地下水突破隔水層而突然進(jìn)入開采系統(tǒng)的水量，突水量常常是正常涌水量的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。人為 難以預(yù)測！ 19771978年，地質(zhì)礦產(chǎn)部曾對55個重點巖溶充水礦山進(jìn)行了水文地質(zhì)回訪調(diào)查，礦井涌水量預(yù)測值與開采后的實際涌水量的對比表明：10的礦區(qū)-誤差小于30 80的礦區(qū)-誤差大于50個別礦區(qū)-誤差達(dá)數(shù)10倍、100倍例1：葉莊鐵礦預(yù)測值為417.4m3/d，實際值為預(yù)測值的256.3倍。實際涌水量預(yù)測方案一預(yù)測方案二60

3、48 m3/d80524.8 m3/d95299.2 m3/d誤差1231%誤差1475%例2：泗頂鉛鋅礦二、預(yù)測失誤的原因分析1、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性認(rèn)識不足，對水文地質(zhì)條件未予查清； 葉莊礦：三個方面補給邊界一個補給方向 楊二礦：半封閉型地下水系統(tǒng)開放型大水礦區(qū) 紅巖礦：水源底板茅口組灰?guī)r頂板長興組灰?guī)r2、水文地質(zhì)模型概化不當(dāng)，選用的水文地質(zhì)參數(shù)不妥，缺乏代表性； 葉莊礦： 單孔抽水試驗二次降深得 K=0.215m/d 三次降深抽水試驗得 K=11.67m/d，增長44倍；3、數(shù)學(xué)模型選擇不當(dāng)。 數(shù)學(xué)模型-水文地質(zhì)模型-水文地質(zhì)勘探資料二、預(yù)測失誤的原因分析 求解參數(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)！三、礦井涌

4、水量預(yù)測的特點n礦井涌水量預(yù)測以準(zhǔn)確地預(yù)測豐水期最大涌水量為目標(biāo)；n我國礦井大多分布于基巖山區(qū)，充水條件差異懸殊，補排條件復(fù)雜，邊界、結(jié)構(gòu)與流態(tài)復(fù)雜，定量化難度大。n礦山井巷類型與空間分布千變?nèi)f化，開采方法、速度與規(guī)模等生產(chǎn)條件復(fù)雜且不穩(wěn)定，給礦井涌水量預(yù)測帶來諸多不確定性因素。n礦井涌水量預(yù)測多為大降深，必然導(dǎo)致對礦區(qū)水文地質(zhì)條件的嚴(yán)重干擾與破壞，且破壞強度難于預(yù)料與定量化。n礦井地質(zhì)調(diào)查中，水文地質(zhì)工作投入技術(shù)條件較差、投資少、工程控制程度低，在客觀上給涌水量預(yù)測帶來一定困難。四、礦井涌水量預(yù)測步驟-3第一步：建立水文地質(zhì)(概化)模型要求: (1)概化已知狀態(tài)下礦區(qū)水文地質(zhì)條件； (2)給

5、出未來開采井巷的內(nèi)部邊界條件； (3)預(yù)測未來開采條件下的外部邊界。 以條件復(fù)雜的大水礦井為例，大致分三個階段： 第一階段(初勘階段)，通過初勘資料，對礦床水文地質(zhì)條件概化，提出水文地質(zhì)模型的“雛型”，它可作為大型抽(放)水試驗設(shè)計的依據(jù)； 第二階段(詳勘階段)，根據(jù)勘探工程提供的各種信息，特別是大型抽(放)水試驗資料，完成對水文地質(zhì)模型“雛型”的調(diào)整，建立水文地質(zhì)模型的“校正型”； 第三階段，在水文地質(zhì)模型“校正型”的基礎(chǔ)上，根據(jù)開采方案(即疏干工程的內(nèi)邊界條件)預(yù)測未來開采條件下外邊界的變化規(guī)律，建立水文地質(zhì)模型的“預(yù)測型”。第二步：選擇計算方法，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型 常用的數(shù)學(xué)模型為：數(shù)學(xué)

6、模型分類非確定性統(tǒng)計模型確定性模型混合型模型經(jīng)驗方程（比擬法）Q-S曲線方程回歸方程滲流型非滲流型解析解-井流方程數(shù)值解有限元法有限差分法穩(wěn)定井流公式非穩(wěn)定井流公式第三步：求解數(shù)學(xué)模型，評價預(yù)測結(jié)果 數(shù)學(xué)模型的解算是對水文地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行全面驗證識別的過程，最終使所建模型和預(yù)測結(jié)果更加合理和趨于實際。第二節(jié)第二節(jié) 水文地質(zhì)比擬法水文地質(zhì)比擬法 水文地質(zhì)比擬法利用地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相似、開采方法基本相同的生產(chǎn)礦井的排水或涌水量觀測資料，來預(yù)測新建礦井的涌水量。 前提: 新建礦井與老礦井的條件應(yīng)基本相似； 老礦井要有長期的水量觀測資料，保證涌水量與各影響因素之間數(shù)學(xué)表達(dá)式的可靠程度。 一、富

7、水系數(shù)法一、富水系數(shù)法 富水系數(shù)：富水系數(shù)：指一定時間內(nèi)礦井排出的總水量Q0與同時期內(nèi)的采礦量P0之比。PQK 00PQKP已建礦新建礦PKQP 富水系數(shù)不僅取決于礦區(qū)的自然條件，而且還與開采條件有關(guān)，因此還要充分考慮開采方法、范圍、進(jìn)度等方面的相似性。 為了排除生產(chǎn)條件的影響，對該法作修正，采用綜合平均值作為比擬依據(jù)。00FQKF采礦量P0采空區(qū)面積F0采掘長度L0采空體積V0綜合00LQKL00PQKP00VQKV二、單位涌水量比擬法 疏干面積F0和水位降深S0是礦井涌水量Q0變化的主要影響因素。根據(jù)生產(chǎn)礦井有關(guān)資料求得的單位涌水量q0，可作為預(yù)測類似條件下新礦井在某個開采面積F和水位降深

8、S條件下涌水量Q的依據(jù)。FS0000QqSFQ000SFFSQQ已建礦新建礦注意： 如果涌水量與開采面積和水位降深之間的關(guān)系為非直線，可按下式預(yù)測類似條件下的礦井涌水量：nmSSFFQQ000最小二乘法第三節(jié)第三節(jié) Q-SQ-S曲線外推法曲線外推法 根據(jù)穩(wěn)定井流理論，抽水井的涌水量Q與水位降深S之間可用QS曲線的函數(shù)關(guān)系表示。 QS曲線法就是利用穩(wěn)定流抽(放)水試驗的資料，建立涌水量Q與水位降深S的曲線方程，然后根據(jù)試驗階段與未來開采階段水文地質(zhì)條件的相似性，把QS曲線外推，以預(yù)測涌水量。 n要求三次以上水位降低的抽（放）水試驗大口徑、大降深，抽水規(guī)模盡量地接近未來的開采條件抽水時間盡量延長，

9、充分暴露水文地質(zhì)條件n影響Q-S關(guān)系的因素水文地質(zhì)條件，如含水層規(guī)模、補給程度、邊界條件等；抽水時的水位降深大小對外推精確程度影響很大；抽水井的結(jié)構(gòu)和抽水時間的影響。n優(yōu)點避開了求取各種水文地質(zhì)參數(shù)適用條件復(fù)雜，難于取得參數(shù)的礦區(qū) QS曲線法的計算方法和步驟： 1、建立各種類型QS曲線方程 2、判別實際的QS曲線的類型 3、確定方程中的待定參數(shù)a和b 4、井徑換算1、建立QS曲線方程 可歸納為四種數(shù)學(xué)模型：aSQ 2bQaQS直線型拋物線型冪曲線型對數(shù)曲線型baSQ1SbaQlg 冪曲線型：從某一降深值起，涌 水量Q隨陣深S的增大而增加很少原來被阻塞的裂隙、巖溶通道被突然疏通原來被阻塞的裂隙、

10、巖溶通道被突然疏通 直線型：承壓井流（或厚度很大、 降深相對較小的潛水井流） 對數(shù)型：補給衰竭或水流受阻，隨S增大Q增量很小，曲線趨向S軸 可能有誤或特殊現(xiàn)象發(fā)生可能有誤或特殊現(xiàn)象發(fā)生 拋物線型：潛水、承壓-無壓井流 （三維流、紊流影響的承壓井流） 2、 判別實際的QS曲線的類型（1）伸直法 將曲線方程以直線關(guān)系式表示，并以直線關(guān)系式中的兩個相對應(yīng)的變量建立坐標(biāo)系，把(抽)放水試驗的涌水量和相應(yīng)的水位降深資料，分別放到上述的四種曲線類型各自的直線關(guān)系式坐標(biāo)系中進(jìn)行伸直判別。aSQ 散點圖Q-S曲線圖曲線伸直bQaS0SbaQlg1lglgSbaQlgQSS 0取雙對數(shù)過原點取單對數(shù)直接看S、Q

11、相除拋物線型 直線型冪曲線型對數(shù)曲線型得到抽水試驗散點圖?。≦i，Si）2)曲度法 在曲線上取兩點， 由下式求出曲度值n：曲度判定1212lglglglgQQSSn對數(shù)曲線型拋物線型冪曲線型直線型試驗資料有錯誤222 , 111n（Q1，S1）（Q2，S2） 3確定方程中的待定參數(shù)a和b 圖解法: 一般情況下，利用各類型的直線方程圖線，可由求出參數(shù)a和b。 結(jié)果：a為截距，b為直線的斜率 注意：冪曲線型中，b為斜率的倒數(shù)SbaQlg1lglgSbaQlgNQbSa02200 QQNQSSNbNSbQalglglg22lglglglglglg1SSNSQSQNbNSbQalg22lglglglg

12、SSNSQSQNb拋物線型 冪曲線型 對數(shù)曲線型 2SQSa直線型 將參數(shù)a,b及設(shè)計的水位降深S設(shè)計值代入原方程，即可外推鉆孔涌水量。 最小二乘法：當(dāng)精度要求較高時采用孔井孔井井井孔孔孔井紊流層流rrQQrRrRQQlglglglg 4、井徑換算 由于抽水試驗的鉆孔孔徑遠(yuǎn)小于井筒直徑，為消除井徑的影響，所以在預(yù)測井筒涌水量時需進(jìn)行井徑換算。對數(shù)關(guān)系平方根關(guān)系 實踐表明，井徑對涌水量的影響一般比對數(shù)關(guān)系大，比平方根關(guān)系小。因而提出用二次或二次以上不同井徑的抽水試驗資料，建立由井徑d換算涌水量的經(jīng)驗公式如下：式中，參數(shù)m和n可用最小二乘法求出。nmdQ QS曲線法的優(yōu)點： 避開了各種水文地質(zhì)參數(shù)

13、； 計算簡單易行； 適用：水文地質(zhì)條件復(fù)雜，邊界條件復(fù)雜而難以建立解析公式的礦區(qū)。 如：廣東某金屬礦區(qū)，曾用Q-S曲線法預(yù)測50m水平的涌水量為14450m3d，與巷道放水外推的數(shù)值(14000m3d)接近，而用解析法預(yù)測的結(jié)果(12608m3d)則偏小12。 一般認(rèn)識： I型曲線，出現(xiàn)在承壓含水層或潛水含水層(水位降深與含水層厚度相比應(yīng)很小)中，地下水呈層流狀態(tài)； 型曲線，在富水性強的含水層中強烈抽水、地下水在水井附近或強徑流通道附近發(fā)生紊流的情況下出現(xiàn)的，水位降深在一些地區(qū)與流量的平方成正比； 、IV型曲線，在含水層規(guī)模小、補給條件差的情況下出現(xiàn)的，一定要用真正穩(wěn)定的Q和S建立方程。注意：

14、1、采用QS曲線法時，試驗孔符合未來的開采條件，盡量采用大口徑、大降深的抽水試驗，長時間抽水，充分暴露水文地質(zhì)條件，方能反映未來的開采條件。 2、 QS曲線方程法在作外推預(yù)測時，推斷的范圍一般不應(yīng)超過抽水試驗最大降深的23倍，否則預(yù)測的可靠性會降低。 S試試S推推S總總第四節(jié) 水均衡法一、應(yīng)用條件： 位于分水嶺地段的裸露型充水礦床， 主要接受大氣降水的補給。 水文地質(zhì)特征：n含水層厚度較薄，水位埋藏深、變幅大、升降迅速；n地層透水能力強，蓄水能力弱；n抽水試驗條件困難，常無效果；n地下水動態(tài)與降雨直接相關(guān)；n補給區(qū)主要在礦區(qū)范圍附近，以垂向補給為主；n礦區(qū)地下水與區(qū)域地下水很少發(fā)生水力聯(lián)系，無

15、側(cè)向補給。地下水運動為非滲流型 二、基本原理 水均衡法是通過研究某一時期(均衡期)礦區(qū)(均衡區(qū))地下水各收支項目之間的關(guān)系，建立地下水均衡方程，計算礦井涌水量。 V補V排V儲 式中：V補均衡期內(nèi)均衡區(qū)的補給量 V排均衡期內(nèi)均衡區(qū)的排泄量 V儲均衡期內(nèi)均衡區(qū)儲存量的變化 側(cè)向流入 大氣降水人滲V補： 地表水體滲漏補給 其它含水層越流補給 人工灌溉入滲等 V排： 人工排泄 側(cè)向徑流排泄 天然排泄 地下水蒸發(fā)排泄 向其它含水層越流 V儲： 彈性釋放 重力給水均衡要素 均衡法一般只適用于完整的水文地質(zhì)單元內(nèi)補給和排泄量容易確定并且有長期觀測資料的礦區(qū)總涌水量的概算。eiHFMFtQtHFMFQei 例

16、1：某井田的充水巖層兩側(cè)被阻水?dāng)鄬铀懈詈拖拗?，與區(qū)域地下水失去水力聯(lián)系，而且頂、底板都是隔水層，自成獨立的水文地質(zhì)單元，開采煤層需要疏干含水層，當(dāng)為定流量排水時，其礦井涌水量的計算公式可表示為：彈性給水重力給水儲排VV 例2：湖南某鐵礦位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上裸露的山嶺斜坡上，礦層頂板主要充水層為強巖溶化的上泥盆系馬牯腦灰?guī)r。礦區(qū)開采條件下的水均衡關(guān)系極為簡單，可用水均衡法預(yù)測礦坑最大涌水量。 0qFQTfXq0TfXFQmax q0-降雨補給強度 X-峰期旋回降水量 f-地下徑流系數(shù) -峰期系數(shù) T-雨季峰期時間區(qū) 段F（m2）涌水量類型X（mm）f(%)（%）T（h）Qmax(m3/h)北

17、864656多年10035.8021.0041610年60966 例3：某金屬礦床位于小型山間盆地，產(chǎn)于基底巖漿巖中，因基巖含水微弱，可視為隔水層。露天開采時，覆蓋于礦體上部的第四系砂礫石含水層和大氣降水構(gòu)成礦坑主要充水水源。 PFVPFVVVVVii44332211tPFPFVVQii 4321采場內(nèi)被開挖含水層體積采場外被疏干含水層體積采場平面降水體積采場外礦坑集水體積第五節(jié) 解析法一、應(yīng)用條件分析復(fù)洲灣礦礦井涌水量曲線-70水平-110水平-150水平a-開拓階段 b-回采階段二、計算步驟-5 第一步：建立水文地質(zhì)概念模型第一步：建立水文地質(zhì)概念模型 1、邊界性質(zhì)和形態(tài) 1）周邊界的概化

18、 隔水/透水 半無限直線、直交、斜交、平行邊界； 2）內(nèi)邊界的概化及引用半徑的確定 -井、鉆孔或巷道系統(tǒng)的進(jìn)水邊界 -大井法/引用半徑r0 3）引用影響半徑R0的確定 -半經(jīng)驗公式 -經(jīng)驗公式 00rRRKtH1.9RKycakKtH45. 2200H0000公式公式公式RWeberWKHRLembkeKHSRKycakKSRSiechardtWNHW0005753000公式公式-塞羅瓦特科公式LLbrRCPCP04）最大疏干水位降深n鉆孔涌水量最大時的降深潛水承壓水n巷道疏干 =（1-2）mMHSHS5 . 021maxmaxhSmax=H, 穩(wěn)定流不適合，Q偏大（0.5-1）%；S30%M

19、，非穩(wěn)定流偏離實際情況，出現(xiàn)明顯誤差。巷道底板含水底板2、充水巖層的介質(zhì)性質(zhì)1）加權(quán)平均厚度 潛水 承壓水2）加權(quán)平均滲透系數(shù) niiniiiCPFHFH11niiniiiCPFMFM11iiiCPMMKKiiiCPKMMKK1K2垂直垂直K1K2平行平行iiiCPFFKKiiiCPLLKK-面積平均加權(quán) -方向平均加權(quán)3、疏干工程或巷道系統(tǒng)的布局 疏干工程及巷道系統(tǒng)的布局資料一般用來決定能否采用井流公式，同時也是確定引用半徑的基礎(chǔ)。第二步：確定水文地質(zhì)參數(shù)第二步：確定水文地質(zhì)參數(shù) 水文地質(zhì)參數(shù)包括滲透系數(shù)、給水度、導(dǎo)壓系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)等，主要通過抽水試驗獲得。注意：n試驗孔的布置必須考慮試驗區(qū)

20、的水文地質(zhì)條件和未來的計算方案。n觀測孔的布置要考慮將來觀測數(shù)據(jù)能否利用或便于利用。n抽水試驗與延續(xù)時間要合理。n計算公式的建立或選擇必須符合試驗區(qū)的水文地質(zhì)條件，不能隨意套用無限含水層的計算公式。完完整整井井穩(wěn)定流穩(wěn)定流非穩(wěn)定流非穩(wěn)定流承壓水承壓水潛水潛水wwrRKMSQ0lg73. 21221lg73. 2rrSSKMQwwrrSSKMQ11lg73. 2wwwrRSSHKQ00lg2366. 1wwwrrSSSSHKQ1110lg2366. 11221210lg2366. 1rrSSSSHKQDupuit公式公式Dupuit公式公式Thiem公式公式Thiem公式公式第三步：建立數(shù)學(xué)模型

21、第三步：建立數(shù)學(xué)模型非穩(wěn)定流非穩(wěn)定流承壓水承壓水潛水潛水 )(44,2uWTtruKMTuWTQtrS-井函數(shù)井函數(shù)DruWTQSDrKTQSDruWTQSya,42,40-BoultonBoultonlg（1/u）lgwlgtS1w1t1（1/u）1lgS 具體工作： 區(qū)分穩(wěn)定流/非穩(wěn)定流 區(qū)分層流/紊流 區(qū)分平面流/空間流 區(qū)分潛水/承壓水 傾斜巷道的處理45，與豎井類似，用輻射井流公式計算； 45，與水平巷道相似，用剖面流公式計算。計算方法： 映射法（分區(qū)法） 根據(jù)疏干時地下水流場狀態(tài)，沿流面或等水壓面分割為若干扇形分流區(qū)，各分區(qū)采用平面輻射流公式計算其涌水量，各分流區(qū)涌水量總和即為全礦

22、區(qū)總涌水量。！按設(shè)計或建設(shè)、生產(chǎn)要求進(jìn)行！A天然：根據(jù)礦區(qū)長期觀測資料，選用平水期的水位作為初始水位，預(yù)測正常涌水量。然后求雨季洪水期的增量，以便確定礦井的最大涌水量。B疏干：S-t曲線和Q-t曲線，提供設(shè)計部門選擇合理的疏降方案的依據(jù)。第四步：涌水量預(yù)測第四步：涌水量預(yù)測非穩(wěn)定流第五步：預(yù)測結(jié)果的評價第五步：預(yù)測結(jié)果的評價 實事求是地分析和評價預(yù)測過程中可能造成的誤差，如條件概化、公式選擇、參數(shù)取值等是否合理，并計算誤差大小，為進(jìn)一步的研究工作指出方向或提出建議。 大井法大井法1、計算范圍計算范圍可近似取長方形，33上02輔助工作面長約633m，基巖厚度小于70米的范圍長467m，寬約147

23、m。 2、計算方法及選用公式計算方法選用地下水動力學(xué)法，視含水層為均質(zhì)無界，用大井法，選用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井的穩(wěn)定流涌水量計算公式：002lglg)2(366. 1rRhMHMKQ40barKSrRrR10000式中: Q礦井涌水量，m3/d；K滲透系數(shù)，m/d，第四系下組含水層滲透系數(shù)取0.03m/d； H水柱高度，m，為靜止水位（+8.5m）至含水層底(-60.5m)的距離，取69m；M含水層厚度，m，根據(jù)崔莊煤礦鉆孔柱狀圖提取的資料，平均厚度14m；h大井中水位，m，水位降至含水層底，取0m；S水位降深，m，為靜止水位至疏干標(biāo)高（含水層底部）的距離，取69m；r0引用孔徑，m，半徑為長方形

24、； R0引用影響半徑，m；3、計算結(jié)果：r0=177m；R0=297m，Q=323m3/d；4、若看作不規(guī)則圓形不規(guī)則圓形，計算結(jié)果r0=148m；R0=268m，Q=274m3/d。Fr 0第六節(jié) 數(shù)值法一、預(yù)測涌水量的步驟一、預(yù)測涌水量的步驟n根據(jù)計算區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和水文地質(zhì)概念模型選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；n根據(jù)抽水試驗或地下水開采水位動態(tài)資料用數(shù)值法反求水文地質(zhì)參數(shù)，全面的檢驗礦區(qū)水文地質(zhì)條件(包括邊界條件) ，進(jìn)而判斷所建的數(shù)學(xué)模型是否正確；n在已知疏干工程的前提下，用修正好的參數(shù)和已知的外邊界條件，計算礦井涌水量。二、數(shù)值法預(yù)測可解決的問題二、數(shù)值法預(yù)測可解決的問題n可反求水文地質(zhì)參數(shù)、驗證邊界條件和進(jìn)行水文地質(zhì)概化模型的識別。n可預(yù)測開采期內(nèi)各種水文地質(zhì)條件、各種開采條件及各種設(shè)計降深條件下的各類井巷的涌水量和最大涌水量。n模擬不同疏干方案地下水疏干過程，預(yù)報疏干地