礦井涌水量預(yù)測

1、礦井涌水量計算與預(yù)測礦井涌水量計算與預(yù)測 屬地下水動力學(xué)的研究范疇： 研究地下水在孔隙巖石、裂隙巖石和巖溶巖石中運動規(guī)律的科學(xué)。它是模擬地下水流基本狀態(tài)和地下水中溶質(zhì)運移過程，對地下水從數(shù)量上和質(zhì)量上進行定量評價和合理開發(fā)利用，以及興利防害的理論基礎(chǔ)。 1 1、多孔介質(zhì)、多孔介質(zhì)一般把由固體骨架和空隙兩部分組成的介質(zhì)，叫多孔介一般把由固體骨架和空隙兩部分組成的介質(zhì)，叫多孔介質(zhì)。如砂層、裂隙巖體等。質(zhì)。如砂層、裂隙巖體等。 地下水在多孔介質(zhì)中的運動，稱為滲流。發(fā)生滲流的區(qū)域地下水在多孔介質(zhì)中的運動，稱為滲流。發(fā)生滲流的區(qū)域稱為滲流場。稱為滲流場。 甲河甲河乙河乙河甲河甲河乙河乙河2、地下水運動假

2、想滲流滲流是一種假想水流。假想：滲流是一種假想水流。假想：（1 1）假想水流的性質(zhì)（如密度、粘滯性等）和真）假想水流的性質(zhì)（如密度、粘滯性等）和真實地下水相同；實地下水相同；（2 2）假想水流充滿含水層的整個空間；）假想水流充滿含水層的整個空間；（3 3）假想水流運動時，在任意巖石體積內(nèi)所受的）假想水流運動時，在任意巖石體積內(nèi)所受的阻力等于真實水流所受的阻力；阻力等于真實水流所受的阻力；（4 4）通過任斷面的流量及任一點的壓力或水頭均）通過任斷面的流量及任一點的壓力或水頭均和實際水流相同。和實際水流相同。滲流的分類：滲流的分類： 承壓水和潛水含水層承壓水和潛水含水層地下水運動不同地下水運動不同

3、54321在承壓含水層中抽水水從何來？地面沉降？穩(wěn)定流：穩(wěn)定流：在流體的運動空間內(nèi)，任一點處流體在流體的運動空間內(nèi)，任一點處流體的速度、壓力、密度等運動要素不隨的速度、壓力、密度等運動要素不隨 時間而變化的稱為穩(wěn)定流。時間而變化的稱為穩(wěn)定流。 p=f(x,y,z) 或或 p/ t=0 v=f(x,y,z) 或或 v/ t=0非穩(wěn)定流：非穩(wěn)定流： p=f(x,y,z,t) 或或 p/ t 0 v=f(x,y,z,t) 或或 v/ t 0法國水力工程師法國水力工程師亨利亨利達西達西(Henry Darcy)在裝有均質(zhì)砂在裝有均質(zhì)砂土濾料的圓柱形筒中土濾料的圓柱形筒中做了大量的滲流實驗，做了大量的滲

4、流實驗，于于l856年發(fā)現(xiàn)：年發(fā)現(xiàn)： 滲透流速與水力滲透流速與水力坡度成正比坡度成正比，即線性，即線性滲流定律，這是滲流滲流定律，這是滲流基本定律，后人稱之基本定律，后人稱之為達西定律為達西定律。Darcy 實驗裝置實驗裝置lHHKMq21（a）H1=H2H1H1H2H（b）H1H2平面上的流線H1H2H1H（c）（d）（e）（f）KK一、水井的類型一、水井的類型 根據(jù)水井井徑的大小和開鑿方法，分為管井和根據(jù)水井井徑的大小和開鑿方法，分為管井和筒井兩類。筒井兩類。 管井：直徑通常小于管井：直徑通常小于0.5m，深度大，常用鉆機，深度大，常用鉆機開鑿。開鑿。 筒井：直徑大于筒井：直徑大于1m，深

5、度淺，通常用人工開挖。，深度淺，通常用人工開挖。 根據(jù)水井揭露的地下水類型，水井分為潛水井根據(jù)水井揭露的地下水類型，水井分為潛水井和承壓水井兩類。和承壓水井兩類。 根據(jù)揭露含水層的程度和進水條件不同，可分根據(jù)揭露含水層的程度和進水條件不同，可分為完整井和不完整井兩類。為完整井和不完整井兩類。地下水向完整井的穩(wěn)定運動地下水向完整井的穩(wěn)定運動世界深井世界深井探地工程：探地工程： 世界上已有世界上已有2020口深度口深度40004000米以上的深孔米以上的深孔 蘇聯(lián)科拉蘇聯(lián)科拉G-3G-3鉆孔深鉆孔深1226212262米米, ,世界第一超深孔世界第一超深孔 德國德國KTBKTB鉆孔深鉆孔深9100

6、9100米米, ,為世界第二超深孔為世界第二超深孔 中國大陸科學(xué)鉆探中國大陸科學(xué)鉆探江蘇省東?？h，深度江蘇省東海縣，深度51585158米，米，2001-20052001-2005年，投資年，投資1.51.5億，億，20052005年中國年中國十大科技進展十大科技進展 完整井完整井：水井貫穿整個含水層，在全部含水層厚度上都安裝有過濾器，并能全面進水的井。 不完整井不完整井：水井沒有貫穿整個含水層，只有井底和含水層的部分厚度上能進水的井。如圖。 地下水動力學(xué)中井的分類地下水動力學(xué)中井的分類 潛水井潛水井承壓水井承壓水井根據(jù)水井揭露根據(jù)水井揭露的地下水類型的地下水類型根據(jù)揭露含水層根據(jù)揭露含水層程

7、度和進水條件程度和進水條件完整井完整井不完整井不完整井不完整井井周圍地下水三維運動！不完整井井周圍地下水三維運動！ 水向井的運動水向井的運動 潛水向井的運動潛水向井的運動 承壓水向井的運動承壓水向井的運動井附近的水位降深井附近的水位降深 1. 水位降深水位降深 水位降深水位降深：初始水頭減去抽水：初始水頭減去抽水t時間后的水頭，時間后的水頭，也簡稱降深。抽水時，井中心降深最大，離井越也簡稱降深。抽水時，井中心降深最大，離井越遠，降深越小，形成漏斗狀水頭下降區(qū)。遠，降深越小，形成漏斗狀水頭下降區(qū)。 2. 2. 抽水時，地下水能達到穩(wěn)定運動條件抽水時，地下水能達到穩(wěn)定運動條件 (1) (1) 在有

8、側(cè)向補給的有限含水層中，當(dāng)降落漏斗擴在有側(cè)向補給的有限含水層中，當(dāng)降落漏斗擴展到補給邊界后，側(cè)向補給量和抽水量平衡時，地下水展到補給邊界后，側(cè)向補給量和抽水量平衡時，地下水向井的運動便可達到穩(wěn)定狀態(tài)。向井的運動便可達到穩(wěn)定狀態(tài)。 (2) (2) 在有垂向補給的無限含水層中，隨著降落漏斗在有垂向補給的無限含水層中，隨著降落漏斗的擴大，垂向補給量不斷增大。當(dāng)它增大到與抽水量相的擴大，垂向補給量不斷增大。當(dāng)它增大到與抽水量相等時，將形成穩(wěn)定的降落漏斗，地下水向井的運動也進等時，將形成穩(wěn)定的降落漏斗，地下水向井的運動也進入穩(wěn)是狀態(tài)。入穩(wěn)是狀態(tài)。 (3) (3) 在沒有補給的無限含水層中，隨著抽水時間的

9、在沒有補給的無限含水層中，隨著抽水時間的延長，水位降深的速率會越來越小，降落漏斗的擴展越延長，水位降深的速率會越來越小，降落漏斗的擴展越來越慢，在短時間內(nèi)觀測不到明顯的水位下降，這種情來越慢，在短時間內(nèi)觀測不到明顯的水位下降，這種情況稱為似穩(wěn)定狀態(tài)，也稱似穩(wěn)定。況稱為似穩(wěn)定狀態(tài)，也稱似穩(wěn)定。承壓井的承壓井的DupuitDupuit公式公式 將含水層視為半徑為將含水層視為半徑為R R的圓形島狀含水層，在的圓形島狀含水層，在R R處為定水處為定水頭頭H0H0。 這時，水流有如下特征：這時，水流有如下特征： 水流為水平徑向流，即流線為指向井軸的徑向直水流為水平徑向流，即流線為指向井軸的徑向直線，等水

10、頭面為以井為共軸的圓柱面，并和過水?dāng)嗝嬉痪€，等水頭面為以井為共軸的圓柱面，并和過水?dāng)嗝嬉恢拢恢拢?通過各過水?dāng)嗝娴牧髁刻幪幭嗟?，并等于井的流通過各過水?dāng)嗝娴牧髁刻幪幭嗟?，并等于井的流量。量。地下水向承壓水井和潛水井的穩(wěn)定運動解析法：穩(wěn)定流公式 圓島狀含水層 影響半徑是什么？ 含水層厚度？奧灰400m，都是含水層？ 滲透系數(shù)K的不均勻性、各向異性、方向性wwrRKMsQlg73. 2WwrRKMQsln2 對于無限含水層，可以當(dāng)作似穩(wěn)定處理，對于無限含水層，可以當(dāng)作似穩(wěn)定處理，R R取從抽水井取從抽水井到明顯觀測不出水位降深處的徑向距離。到明顯觀測不出水位降深處的徑向距離。 但是，對于無限含水層

11、，難以確定但是，對于無限含水層，難以確定R R。當(dāng)有一個觀測孔。當(dāng)有一個觀測孔時，可用一個觀測孔的水位或降深。時，可用一個觀測孔的水位或降深。 或或 同理得，有兩個觀測孔時同理得，有兩個觀測孔時 或或 此式為此式為ThiemThiem公式。公式。WWrrKMQhHln2WwrrKMQssln21212ln2rrKMQHH1221ln2rrKMQsswwwrRKQssHln20潛水井的Dupuit公式wwwrRssHKQlg2366. 10有一個觀測孔時有兩個觀測孔時wwrrKQhhln22122122lnrrKQhhDupuit公式的應(yīng)用（用途）公式的應(yīng)用（用途）(1)確定水文地質(zhì)參數(shù)確定水文

12、地質(zhì)參數(shù)根據(jù)根據(jù)Dupuit公式，在已知含水層厚度和參數(shù)的情況公式，在已知含水層厚度和參數(shù)的情況下，只要給出設(shè)計的合理降深，既可預(yù)報井的開采量；下，只要給出設(shè)計的合理降深，既可預(yù)報井的開采量；也可按需要的流量，預(yù)報開采后的可能降深值。也可按需要的流量，預(yù)報開采后的可能降深值。(2)預(yù)報流量或降深預(yù)報流量或降深確定巖土的滲透系數(shù)確定巖土的滲透系數(shù)K、導(dǎo)水系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)T、影響半徑、影響半徑R等。等。但應(yīng)注意，利用以上公式預(yù)報時，含水層必須有補但應(yīng)注意，利用以上公式預(yù)報時，含水層必須有補給源，且能和抽水量平衡，達到穩(wěn)定流條件；否則，不給源，且能和抽水量平衡，達到穩(wěn)定流條件；否則，不可能出現(xiàn)穩(wěn)定流，

13、利用穩(wěn)定流公式進行預(yù)報，所得到的可能出現(xiàn)穩(wěn)定流，利用穩(wěn)定流公式進行預(yù)報，所得到的結(jié)果是錯誤的。結(jié)果是錯誤的。用途一：確定水文地質(zhì)參數(shù)用途一：確定水文地質(zhì)參數(shù) （潛水）（潛水）（承壓水）（承壓水）rRSSHQKlg)2(732. 0rRMSQKlg366.0利用以上求參公式，將抽水試驗趨近穩(wěn)定時的利用以上求參公式，將抽水試驗趨近穩(wěn)定時的Q及抽水井及抽水井或觀測孔的水位降深或觀測孔的水位降深S代入各式，可以直接求出代入各式，可以直接求出K或或T。)(HMKT或MKS95. 1R KS3000R （潛水）（潛水）（承壓水）（承壓水）rRhsHR例例1 1 有一潛水完整井，其半徑有一潛水完整井，其半徑

14、為為0.1m，含水層厚度為，含水層厚度為8m，土，土壤的滲透系數(shù)為壤的滲透系數(shù)為0.001m/s，抽，抽水時井中水深為水時井中水深為3m，試計算井，試計算井的出流量。的出流量。解：解：H=8 h=3 r=0.1 k=0.001 S= H-h=8-3=5 R=3000SK1/2=3000*5*0.0011/2 =474.3 Q= 1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr) =0.02m3/s例例2 2：某工程基坑開挖的平面尺寸為長某工程基坑開挖的平面尺寸為長44m44m，寬，寬22m22m，坑底標高為，坑底標高為-6.0m-6.0m，自然地面標高為自然地面標高為0.000.00，地勢平坦，地

15、下水位為，地勢平坦，地下水位為-2m-2m。根據(jù)地質(zhì)鉆探資。根據(jù)地質(zhì)鉆探資料查明，地面下料查明，地面下-2.5m-2.5m為不透水黏土層，為不透水黏土層，-2.5-2.5-9.0m-9.0m為細砂層。為細砂層。-9.0m-9.0m以以下為砂巖不透水層，所以含水層厚度為下為砂巖不透水層，所以含水層厚度為6.5m6.5m，細砂層滲透系數(shù)，細砂層滲透系數(shù)K=6m/dK=6m/d，試求涌水量試求涌水量 。 解：據(jù)題意，細砂含水層為承壓水層，厚度解：據(jù)題意，細砂含水層為承壓水層，厚度M=6.5m M=6.5m 降深降深s=6-2=4ms=6-2=4m 抽水影響半徑：抽水影響半徑： 基坑假想半徑：基坑假想

16、半徑：mMKSR71.4865 . 6495. 195. 1mFr56.1714. 32244dmrRKMSQ/15.96156.17lg71.48lg45 . 6673. 2lglg73. 23根據(jù)承壓完整井涌水量計算公式：根據(jù)承壓完整井涌水量計算公式：大井法大井法 涌水量預(yù)測中，把坑道系統(tǒng)所占面積簡化為一個圓涌水量預(yù)測中，把坑道系統(tǒng)所占面積簡化為一個圓形的大井，然后應(yīng)用地下水向井運動的公式預(yù)測坑形的大井，然后應(yīng)用地下水向井運動的公式預(yù)測坑道系統(tǒng)的涌水量。注意：道系統(tǒng)的涌水量。注意： 1) 1) 坑道系統(tǒng)的長度與寬度的比值應(yīng)小于坑道系統(tǒng)的長度與寬度的比值應(yīng)小于1010。 2) 2) 坑道系統(tǒng)

17、的引用影響半徑坑道系統(tǒng)的引用影響半徑R R0 0 R R0 0=R+r=R+r0 01. 某緩傾斜層狀礦床，坑道系統(tǒng)周長某緩傾斜層狀礦床，坑道系統(tǒng)周長630m，不規(guī)則多邊形長寬比，不規(guī)則多邊形長寬比=2.5，影響半徑，影響半徑R=900m，滲透系數(shù)，滲透系數(shù)K=0.2m/d，潛水含水層厚度，潛水含水層厚度100m，坑道系統(tǒng)布置在含水層底板，試預(yù)測其涌水量。，坑道系統(tǒng)布置在含水層底板，試預(yù)測其涌水量。解：據(jù)題意解：據(jù)題意 R=900m K=0.2m/d S=H=100m r0= P/2 =630/ 2 =100m R0=R+r0 =1000m應(yīng)用潛水完整井公式：應(yīng)用潛水完整井公式： Q=1.36

18、6K(2H-S)S/lg(R0 0/r0 0) =2732m3/d 2. 2. 教材教材P221P221水均衡法：詳細分析礦區(qū)地下水來源，分別計算不同補給水均衡法：詳細分析礦區(qū)地下水來源，分別計算不同補給來源的礦坑涌水量，總涌水量等于各部分涌水量的總和。來源的礦坑涌水量，總涌水量等于各部分涌水量的總和。計算較復(fù)雜，用于計算露天采礦場和不深的地下坑道時。計算較復(fù)雜，用于計算露天采礦場和不深的地下坑道時。1）露天采礦場面積上）露天采礦場面積上靜儲量的消耗量靜儲量的消耗量2）采礦場周圍降落漏）采礦場周圍降落漏斗范圍內(nèi)的靜儲量的消斗范圍內(nèi)的靜儲量的消耗量耗量h h含水層平均厚度；含水層平均厚度；R R

19、疏干時的影響半徑疏干時的影響半徑給水度或裂隙度給水度或裂隙度L疏干地段的周長疏干地段的周長總靜儲量總靜儲量動儲量：動儲量：3）直接降落在露天采）直接降落在露天采場內(nèi)的大氣降水場內(nèi)的大氣降水q34）采礦場外圍降水滲）采礦場外圍降水滲入的水量入的水量q4A A年平均降雨量；年平均降雨量；F F1 1露天采礦場面積；露天采礦場面積；t t一年時間；一年時間；F F露天采場外礦區(qū)集露天采場外礦區(qū)集水面積（降落漏斗范圍）水面積（降落漏斗范圍）地下逕流系數(shù)。地下逕流系數(shù)。F1F基本思想：基本思想：類比法。即在同一地區(qū)，地質(zhì)、水類比法。即在同一地區(qū)，地質(zhì)、水文地質(zhì)條件相同或相似的礦坑其涌文地質(zhì)條件相同或相似

20、的礦坑其涌水量應(yīng)是接近的。水量應(yīng)是接近的。用途：用途：根據(jù)已有開采地段的實際涌水量預(yù)測新根據(jù)已有開采地段的實際涌水量預(yù)測新開采地段可能的涌水量，從而為疏排水開采地段可能的涌水量，從而為疏排水工程的配置提供依據(jù)。工程的配置提供依據(jù)。涌水量降深面積比擬法問題是否與面積降深呈比例關(guān)系方法一：根據(jù)單位涌水量換算礦坑涌水量方法一：根據(jù)單位涌水量換算礦坑涌水量 實踐或試驗研究證明，礦坑涌水量與礦坑面積或體實踐或試驗研究證明，礦坑涌水量與礦坑面積或體積的擴大成正比增加。因此，收集現(xiàn)有生產(chǎn)礦坑排水資積的擴大成正比增加。因此，收集現(xiàn)有生產(chǎn)礦坑排水資料、礦坑面積或體積、水位降低值，即可換算出新的礦料、礦坑面積或體

21、積、水位降低值，即可換算出新的礦坑的涌水量。假定：坑的涌水量。假定： 0000SFQq Q0已有礦坑總涌水量，已有礦坑總涌水量，m3/d;F0已有礦坑的開采面積，已有礦坑的開采面積，m2;S0已有礦坑的水位減低值，已有礦坑的水位減低值，m則已有礦坑單位面積、單位降深的涌水量則已有礦坑單位面積、單位降深的涌水量q0為：為：這樣，新開采（設(shè)計）礦坑的總涌水量即可這樣，新開采（設(shè)計）礦坑的總涌水量即可表示為：表示為：newnewnewSFqQ0Fnew新開采礦坑的開采面積，新開采礦坑的開采面積，m2;Snew新開采礦坑的設(shè)計平均水位減低值，新開采礦坑的設(shè)計平均水位減低值，m。富水系數(shù)法富水系數(shù)法 在

22、一定時期內(nèi)，從礦坑中排出的水量，與同一時期開采出的在一定時期內(nèi)，從礦坑中排出的水量，與同一時期開采出的礦石重量之比，稱為富水系數(shù)（礦石重量之比，稱為富水系數(shù)（KB），即），即 00PQKBQ0礦坑排水量，礦坑排水量，m3/a;P0礦坑的礦石開采量，礦坑的礦石開采量，t/a;在與上述礦坑地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和開采條件相同在與上述礦坑地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和開采條件相同或相似的新開采地段，礦坑的總涌水量為：或相似的新開采地段，礦坑的總涌水量為：newBnewPKQPnew新開采礦坑的設(shè)計礦石開采量，新開采礦坑的設(shè)計礦石開采量，t/a.相關(guān)分析法建立在大型放水試驗基礎(chǔ)上防治水投入防治水投入X新增煤產(chǎn)值關(guān)系

23、新增煤產(chǎn)值關(guān)系Y防治水投入防治水投入2萬萬新增產(chǎn)值新增產(chǎn)值60萬元萬元防治水投入防治水投入4萬萬新增產(chǎn)值新增產(chǎn)值80萬元萬元防治水投入防治水投入8萬萬新增產(chǎn)值新增產(chǎn)值120萬元萬元防治水投入防治水投入16萬萬新增產(chǎn)值？萬元新增產(chǎn)值？萬元考考你自己？考考你自己？正確答案正確答案防治水投入防治水投入X新增煤產(chǎn)值關(guān)系新增煤產(chǎn)值關(guān)系Y防治水投入防治水投入2萬萬新增產(chǎn)值新增產(chǎn)值60萬元萬元防治水投入防治水投入4萬萬新增產(chǎn)值新增產(chǎn)值80萬元萬元防治水投入防治水投入8萬萬新增產(chǎn)值新增產(chǎn)值120萬元萬元防治水投入防治水投入16萬萬新增產(chǎn)值？萬元新增產(chǎn)值？萬元考考你自己？考考你自己？正確答案正確答案1 1、水溝

24、流速浮標法、水溝流速浮標法 Q=0.8F V m3/sec; V=L/t m/sec Q-流量、流量、F-過水?dāng)嗝妗⑦^水?dāng)嗝?、V-水溝流速、水溝流速、 L-浮標流經(jīng)距離、浮標流經(jīng)距離、t-浮標流經(jīng)浮標流經(jīng)L距離的時間距離的時間2、堰測法、堰測法 三角堰三角堰 梯形堰梯形堰 h-水流流過堰口高度水流流過堰口高度; B-梯形堰堰口底部寬度梯形堰堰口底部寬度3、儲水池容積法、儲水池容積法4、水倉水泵觀測法、水倉水泵觀測法裂隙巖溶水運動的方法裂隙巖溶水運動的方法 裂隙是巖溶水主要儲存空間和滲流通道，按規(guī)裂隙是巖溶水主要儲存空間和滲流通道，按規(guī)模和對巖溶水儲存滲流所起的作用，可大致劃分模和對巖溶水儲存滲流所起的作用，可大致劃分大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙四種級別。四種級別。 大