吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学 §104矿坑涌水量预测 矿坑涌水量预测的内容、方法、步骤与特点 (一)矿井涌水量预测的内容及要求 矿坑涌水量预测是一项重要而复杂的工作,是矿床水文地质勘探的重要组成部分。 矿坑涌水量是指矿山开拓与开采过程中,单位时间内涌入矿坑(包括井、巷和开采系统) 的水量。通常以m/h表示。它是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一,关系到 矿山的生产条件与成本,对矿床的经济技术评价有很大的影响。并且也是设计与开采部门选 择开采方案、开采方法,制定防治水疏干措施,设计水仓、排水系统与设备的主要依据。因 此,在矿床水文地质调查中,要求正确评价未来矿山开发各个阶段的涌水量。其内容与要求 包括可概括为以下四个方面 (1)矿坑正常涌水量:指开采系统达到某一标高(水平或中段时,正常状态下保持相 对稳定的总涌水量,通常是指平水年的涌水量。 (2)矿坑最大涌水量:是指正常状态下开采系统在丰水年雨季时的最大涌水量。对某 些受暴雨强度直接控制的裸露型、暗河型岩溶充水矿床来说,常常还应依据矿山的服务年限 当地气象变化周期,按当地气象站所记录的最大暴雨强度,预测数十年一遇特大暴雨强度 产生时,可能出现暂短的特大矿坑涌水量,作为制订各种应变措施的依据 (3)开拓井巷涌水量:指包括井筒(立井、斜井)和巷道(平、平巷、斜巷、石门)在开 拓过程中的涌水量 (4)疏干工程的排水量:是指在规定的疏于时间内,将一定范围内的水位降到某一规 定标高时,所需的疏干排水强度。 对于地质勘探阶段来说,主要是进行评价性的计算,以预测正常状态下矿坑涌水量及最 大涌水量为主。至于开拓井巷的涌水量预测和专门性疏干工程的排水量的计算,由于与矿山 的生产条件密切相关,一般均由矿山基建部门或生产部门承担。 (二)矿坑涌水量预测的方法 根据当前矿床水文地质计算中常用的各种数学模型的地质背景特征极其对水文地质模 型概化的要求,可作如下类型的划分
吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学 §10.4 矿坑涌水量预测 一、矿坑涌水量预测的内容、方法、步骤与特点 （一）矿井涌水量预测的内容及要求 矿坑涌水量预测是一项重要而复杂的工作，是矿床水文地质勘探的重要组成部分。 矿坑涌水量是指矿山开拓与开采过程中，单位时间内涌入矿坑(包括井、巷和开采系统) 的水量。通常以 m3 /h 表示。它是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一，关系到 矿山的生产条件与成本，对矿床的经济技术评价有很大的影响。并且也是设计与开采部门选 择开采方案、开采方法，制定防治水疏干措施，设计水仓、排水系统与设备的主要依据。因 此，在矿床水文地质调查中，要求正确评价未来矿山开发各个阶段的涌水量。其内容与要求 包括可概括为以下四个方面： （1）矿坑正常涌水量：指开采系统达到某一标高(水平或中段)时，正常状态下保持相 对稳定的总涌水量，通常是指平水年的涌水量。 （2）矿坑最大涌水量：是指正常状态下开采系统在丰水年雨季时的最大涌水量。对某 些受暴雨强度直接控制的裸露型、暗河型岩溶充水矿床来说，常常还应依据矿山的服务年限 与当地气象变化周期，按当地气象站所记录的最大暴雨强度，预测数十年一遇特大暴雨强度 产生时，可能出现暂短的特大矿坑涌水量，作为制订各种应变措施的依据。 （3）开拓井巷涌水量：指包括井筒(立井、斜井)和巷道（平、平巷、斜巷、石门)在开 拓过程中的涌水量。 （4）疏干工程的排水量：是指在规定的疏于时间内，将一定范围内的水位降到某一规 定标高时，所需的疏干排水强度。 对于地质勘探阶段来说，主要是进行评价性的计算，以预测正常状态下矿坑涌水量及最 大涌水量为主。至于开拓井巷的涌水量预测和专门性疏干工程的排水量的计算，由于与矿山 的生产条件密切相关，一般均由矿山基建部门或生产部门承担。 （二）矿坑涌水量预测的方法 根据当前矿床水文地质计算中常用的各种数学模型的地质背景特征极其对水文地质模 型概化的要求，可作如下类型的划分：
非确定性统计模型Q=曲线方程 回归方程 解析解一一井流方程 稳定井流公式 非稳定井流公式 数学模型分类确定模型 数值解有限元法 有限差法 水均衡法 混合型模型 (三)矿坑涌水量预测的步骤 矿坑涌水量预测是在査明矿床的充水因素及水文地质条件的基础上进行的。它是一项贯 穿矿区水文地质勘探全过程的工作,一个正确预测方案的建立,是随着对水文地质条件认识 的不断深化,不断修正、完善而逐渐形成的,一般应遵循如下三个基本步骤: 1.选择计算方法与相应的数学模型 详勘阶段均要求选择2个或2个以上的计算方法,以相互检验,映证。选择时必须考虑 三个基本要素 (1)矿床的充水因素及水文地质条件复杂程度。如:位于当地侵蚀基准面之上,以降 水入渗补给的矿床,应采用水均衡法;水文地质条件简单或中等的矿床,可采用解析法或比 拟法;水文地质条件复杂的大水矿床,要求采用数值方法 (2)勘探阶段对矿坑涌水量预测的精度要求; (3)勘探方法、勘探工程的控制程度与信息量:如:水均衡法,要求不少于一个水文 年的完整均衡域的补给与排泄项的动态资料;Qs曲线方程外推法,要求具抽水试验的水位 降达到预测标高水柱高度的1/2~1/3:解析法,要求勘探工程全面控制含水层的非均质各向 异性、非等厚的结构特征及其边界条件与补给、径流与排泄,并提供数值模型的建立、识别、 预测所需的完整信息数据,这些数据的获取,只有采用大型抽、放水试验对渗透场进行整体 控制与揭露才可能做到。 因此,计算方法与相应数学模型类型的选择,与矿床的充水因素及水文地质条件复杂程 度、勘探方法勘探工程的控制程度及信息量是相互关联的,统一在最佳技术经济条件这一原 则下,所以数学模型类型选择是否合理,可以用以下标准衡量: 一是对矿床水文地质条件的适应性:指能否正确刻画水文地质条件的基本特征 二是对勘探方法勘探工程控制程度的适应性:指是否最充分的利用勘探工程提供的各种 信息,即信息的利用率:同时,也可理解为所选数学模型要求的勘探信息是否有保证,即信 息的保障率 2.构造水文地质模型 矿坑涌水量预测中数学模型的作用,是对水文地质条件进行量化,因此预测精度主要取 决于对充水因素与水文地质条件判断的准确性,由于不同数学模型类型对水文地质条件的刻 画形式与功能各异,因此必须按数学模型的特点构造水文地质模型,称水文地质条件概化 概化后的水文地质模型称水文地质概念模型,它在地质实体与数学模型之间起中介桥梁作 用。下面以最基本的预测方法一一解析法与数值法为例作一讨论
− 混合型模型 水均衡法 有限差法 有限元法 数值解 非稳定井流公式 稳定井流公式 解析解 — —井流方程 确定模型 回归方程 曲线方程 非确定性统计模型 数学模型分类 Q s （三）矿坑涌水量预测的步骤 矿坑涌水量预测是在查明矿床的充水因素及水文地质条件的基础上进行的。它是一项贯 穿矿区水文地质勘探全过程的工作，一个正确预测方案的建立，是随着对水文地质条件认识 的不断深化，不断修正、完善而逐渐形成的，一般应遵循如下三个基本步骤： 1. 选择计算方法与相应的数学模型 详勘阶段均要求选择 2 个或 2 个以上的计算方法，以相互检验，映证。选择时必须考虑 三个基本要素： （1）矿床的充水因素及水文地质条件复杂程度。如：位于当地侵蚀基准面之上，以降 水入渗补给的矿床，应采用水均衡法；水文地质条件简单或中等的矿床，可采用解析法或比 拟法；水文地质条件复杂的大水矿床，要求采用数值方法； （2）勘探阶段对矿坑涌水量预测的精度要求； （3）勘探方法、勘探工程的控制程度与信息量：如：水均衡法，要求不少于一个水文 年的完整均衡域的补给与排泄项的动态资料；Q~s 曲线方程外推法，要求具抽水试验的水位 降达到预测标高水柱高度的 1/2~1/3；解析法，要求勘探工程全面控制含水层的非均质各向 异性、非等厚的结构特征及其边界条件与补给、径流与排泄，并提供数值模型的建立、识别、 预测所需的完整信息数据，这些数据的获取，只有采用大型抽、放水试验对渗透场进行整体 控制与揭露才可能做到。 因此，计算方法与相应数学模型类型的选择，与矿床的充水因素及水文地质条件复杂程 度、勘探方法勘探工程的控制程度及信息量是相互关联的，统一在最佳技术经济条件这一原 则下，所以数学模型类型选择是否合理，可以用以下标准衡量： 一是对矿床水文地质条件的适应性：指能否正确刻画水文地质条件的基本特征； 二是对勘探方法勘探工程控制程度的适应性：指是否最充分的利用勘探工程提供的各种 信息，即信息的利用率；同时，也可理解为所选数学模型要求的勘探信息是否有保证，即信 息的保障率。 2. 构造水文地质模型 矿坑涌水量预测中数学模型的作用，是对水文地质条件进行量化，因此预测精度主要取 决于对充水因素与水文地质条件判断的准确性，由于不同数学模型类型对水文地质条件的刻 画形式与功能各异，因此必须按数学模型的特点构造水文地质模型，称水文地质条件概化。 概化后的水文地质模型称水文地质概念模型，它在地质实体与数学模型之间起中介桥梁作 用。下面以最基本的预测方法——解析法与数值法为例作一讨论
(1)概化已知状态下的水文地质条件 (2)给出未来开采状态下的内边界条件 (3)预测未来开采状态下的外边界条件 解析法将复杂的含水层结构与内外边界,以理想化模式构造理论公式,因此必须按解析 解要求进行概化。如含水层均质等厚,内外边界几何形态规则,边界供水条件简单、确定。 数值法以近似分割原理对复杂的含水层结构、内外边界条件进行量化“逼真”,概化时 要求以控制水文地质条件与内外边界的节点参数、水位与流量来构造水文地质概念模型 随着数学模型研究的不断进展,现代水文地质计算对水文地质模型的要求越来越高。目 前,对复杂的大水矿床来说,一个可靠的水文地质模型的建立,必须贯穿整个勘探过程,并 大致经历三个阶段。即 第一阶段:通过对以往资料的整理,提出水文地质模型的“雏型”,作为下一步勘探设 计的依据。尤其对大型抽(放)水试验的设计具有特殊重要的意义; 第二阶段:根据进一步勘探提供的各种信息数据。特别是大型抽(放)水资料,通过流场 分析或数值模拟,完成对“雏型”模型的调整,建立水文地质模型的“校正型” 第三阶段:在“校正型”的基础上,按开采方案给出疏干工程的内边界条件,根据勘探 资料预测不同疏干条件下的外边界条件,建立水文地质概化模型的“预测型”。 3.计算数学模型,评价预测结果 应该指出,不能把数学模型的解仅仅看作是一个单纯的数学计算,而应看作是对水文 地质模型和数学模型进行全面验证识别过程,也是对矿区水文地质条件从定性到定量在回到 定性的不断深化的认识过程 (四)矿坑涌水量预测的特点 虽然矿坑涌水量预测的原理方法与供水水资源评价类同,但其预测条件、预测要求与思 路各有不同。如: (1)供水水资源评价,以持续稳定开采确保枯水期安全开采量为目标;而矿坑涌水量 预测则以疏干丰水期的最大涌水量为目标 (2)矿床大多分布于基岩山区。含水质的非均质性突出。参数代表性不易控制:边界 条件复杂、非确定性因素多,常出现紊流、非连续流与管道流。定量化难度大。 (3)矿山井巷类型及其分布千变万化,开采方法、开采速度与规模等生产条件复杂且 不稳定,与供水的取水建筑物简单、分布有序、生产稳定形成显明对比,给矿坑涌水量预测 带来诸多不确定性因素 (4)矿坑涌水量预测多为大降深下推。此时开采条件对水文地质条件的改变难以预料 和量化,这与供水小降深开采有明显差异 (5)矿床水文地质勘探从属于矿产地质勘探,与专门性的供水水文地质勘探对比, 者一般投入小、工程控制程度低,预测所需的信息量相对少而不完整。 以上特点,决定了矿坑涌水量预测中存在诸多产生误差的客观条件。因此属于评价性计 算,为矿山设计及采前进一步专门性补充勘探提供依据 二、QS曲线方程外推法 (一)原理与应用条件
（1） 概化已知状态下的水文地质条件； （2） 给出未来开采状态下的内边界条件； （3） 预测未来开采状态下的外边界条件。 解析法将复杂的含水层结构与内外边界，以理想化模式构造理论公式，因此必须按解析 解要求进行概化。如含水层均质等厚，内外边界几何形态规则，边界供水条件简单、确定。 数值法以近似分割原理对复杂的含水层结构、内外边界条件进行量化“逼真”，概化时 要求以控制水文地质条件与内外边界的节点参数、水位与流量来构造水文地质概念模型。 随着数学模型研究的不断进展，现代水文地质计算对水文地质模型的要求越来越高。目 前，对复杂的大水矿床来说，一个可靠的水文地质模型的建立，必须贯穿整个勘探过程，并 大致经历三个阶段。即： 第一阶段：通过对以往资料的整理，提出水文地质模型的“雏型”，作为下一步勘探设 计的依据。尤其对大型抽（放）水试验的设计具有特殊重要的意义； 第二阶段：根据进一步勘探提供的各种信息数据。特别是大型抽(放)水资料，通过流场 分析或数值模拟，完成对“雏型”模型的调整，建立水文地质模型的“校正型”； 第三阶段：在“校正型”的基础上，按开采方案给出疏干工程的内边界条件，根据勘探 资料预测不同疏干条件下的外边界条件，建立水文地质概化模型的“预测型”。 3. 计算数学模型，评价预测结果 应该指出，不能把数学模型的解 仅仅看作是一个单纯的数学计算，而应看作是对水文 地质模型和数学模型进行全面验证识别过程，也是对矿区水文地质条件从定性到定量在回到 定性的不断深化的认识过程。 （四）矿坑涌水量预测的特点 虽然矿坑涌水量预测的原理方法与供水水资源评价类同，但其预测条件、预测要求与思 路各有不同。如： （1）供水水资源评价，以持续稳定开采确保枯水期安全开采量为目标；而矿坑涌水量 预测则以疏干丰水期的最大涌水量为目标； （2）矿床大多分布于基岩山区。含水质的非均质性突出。参数代表性不易控制；边界 条件复杂、非确定性因素多，常出现紊流、非连续流与管道流。定量化难度大。 （3）矿山井巷类型及其分布千变万化，开采方法、开采速度与规模等生产条件复杂且 不稳定，与供水的取水建筑物简单、分布有序、生产稳定形成显明对比，给矿坑涌水量预测 带来诸多不确定性因素。 （4）矿坑涌水量预测多为大降深下推。此时开采条件对水文地质条件的改变难以预料 和量化，这与供水小降深开采有明显差异。 （5）矿床水文地质勘探从属于矿产地质勘探，与专门性的供水水文地质勘探对比，前 者一般投入小、工程控制程度低，预测所需的信息量相对少而不完整。 以上特点，决定了矿坑涌水量预测中存在诸多产生误差的客观条件。因此属于评价性计 算，为矿山设计及采前进一步专门性补充勘探提供依据。 二、Q~S 曲线方程外推法 （一）原理与应用条件
指用稳定井流条件下抽水试验的Q=(s)方程,外推未来疏干水位降的涌水量。实质 上也是一种相似条件下的比拟法。应用时的前提条件是:一、抽水试验建立Q=(s), 应符合稳定井流条件;二、抽水试验的各种条件应与预测对象的疏干条件接近。因此,必须 重视试验的技术条件,包括: 1应将抽水试验孔布置在预测对象的分布地段,保证水文地质条件的一致性 2.采用大口径(或孔组)试验,计算时为消除井径对涌水量的影响,需做井径换算 3.抽水降深应大于疏干水位水柱高度的1/2~-1/3,计算时的外推疏干降深不应超过1.75 倍的抽水降深,主要考虑疏干状态下的补给条件 4用枯季抽水试验预测正常涌水量,根据雨季试验预测季节性最大涌水量: 5要排除抽水过程中一切自然和人为随机影响因素的干扰。 Q-s曲线方程法的优点是:回避各种水文地质参数求参过程中的失真,计算简单易行。 适用于建井初期的井筒涌水量预测。上水平疏干资料外推下水平的涌水量,以及矿床规模小、 矿体分布集中、边界条件和含水结构复杂的涌水量预测 (二)计算方法与步骤 1.鉴别Q-s曲线类型 (1)曲度法:即用曲度n值进行鉴别:n=S2-gS/一 1g 0, o 当n=1时, 为直线Q=yS:1<n<2时,为幂曲线Q=a√S:n=2时,为抛物线S=Q+bQ3:m>2时, 为半对数曲线S=a+bgS。如果n<1时,表明抽水试验不正确。 2.确定方程参数 (1)最小二乘法:应根据Q=f(s)类型选用最小二乘法,如常见的幂函数型 b∑ gs)2-C∑lgs ∑ (IgS-1g0)->Igs>Igo ∑gQ-∑恕S lg (2)图解法:即利用直角坐标的图解,a为图解中纵坐标上所切的截距线段;b为直线 对水平倾角的正切。 其它类型详见地下水动力学 3.井径换算 (1)根据稳定井流理论中,不同地下水运动(层流、紊流)状态下井径与涌水量关系 进行换算,如层流:Q#=QgR-图R一g):素流:Q=QnV/n 试验表明:井径对涌水量的影响,一般比对数大,而小于平方根 (2)用二次或二次以上不同孔径的抽水试验资料建立井径d的换算公式:Q=md 值可用最小二乘法求得 4.水均衡论证 将预测结果进行疏干条件下的水均衡论证,分析所得的最大涌水量是否符合疏干状态下 的边界补给条件
指用稳定井流条件下抽水试验的 Q=f（s）方程，外推未来疏干水位降的涌水量。实质 上也是一种相似条件下的比拟法。应用时的前提条件是：一、抽水试验建立 Q=f（s） ， 应符合稳定井流条件；二、抽水试验的各种条件应与预测对象的疏干条件接近。因此，必须 重视试验的技术条件，包括： 1.应将抽水试验孔布置在预测对象的分布地段，保证水文地质条件的一致性； 2.采用大口径（或孔组）试验，计算时为消除井径对涌水量的影响，需做井径换算； 3.抽水降深应大于疏干水位水柱高度的 1/2~1/3，计算时的外推疏干降深不应超过 1.75 倍的抽水降深，主要考虑疏干状态下的补给条件； 4.用枯季抽水试验预测正常涌水量，根据雨季试验预测季节性最大涌水量； 5.要排除抽水过程中一切自然和人为随机影响因素的干扰。 Q~s 曲线方程法的优点是：回避各种水文地质参数求参过程中的失真，计算简单易行。 适用于建井初期的井筒涌水量预测。上水平疏干资料外推下水平的涌水量，以及矿床规模小、 矿体分布集中、边界条件和含水结构复杂的涌水量预测。 （二）计算方法与步骤 1. 鉴别 Q~s 曲线类型 （1）曲度法：即用曲度 n 值进行鉴别： 2 1 2 1 lg lg lg lg Q Q S S n − − = ，当 n＝1 时， 为直线 Q=qS；1＜n＜2 时，为幂曲线 Q= b a S ；n＝2 时，为抛物线 S=aQ+bQ2 ；n＞2 时， 为半对数曲线 S=a+blgS。如果 n＜1 时，表明抽水试验不正确。 2. 确定方程参数 （1）最小二乘法：应根据 Q=f（s）类型选用最小二乘法，如常见的幂函数型： = − − N S Q S Q S S b (lg l g ) l g l g (lg ) ( l g ) 2 2 N S b Q a − = lg 1 lg lg （2）图解法：即利用直角坐标的图解，a 为图解中纵坐标上所切的截距线段；b 为直线 对水平倾角的正切。 其它类型详见地下水动力学。 3. 井径换算 （1）根据稳定井流理论中，不同地下水运动（层流、紊流）状态下井径与涌水量关系 进行换算，如层流： Q井 = Q孔（lg R孔 − lg r孔）（lg R井 − lg r井） ；紊流： 井 孔 井 孔 Q = Q r r 。 试验表明：井径对涌水量的影响，一般比对数大，而小于平方根。 （2）用二次或二次以上不同孔径的抽水试验资料建立井径 d 的换算公式：Q=mdn，m、 n 值可用最小二乘法求得。 4. 水均衡论证 将预测结果进行疏干条件下的水均衡论证，分析所得的最大涌水量是否符合疏干状态下 的边界补给条件
(三)实例 1.广东某金属矿,曾用Q-s曲线法预测+50m水平的涌水量为14450m3/d,与坑道放 水试验的外推涌水量(14000n34接近,而解析法预测的结果(12608m3/d)则偏小12% 2.湖南叶花香铜矿,1970年采用试生产坑道的排水量与水位降资料。分别用两种曲线 类型对未来四个中段的涌水量进行外推预测,后经实际检验见表14-2
（三）实例 1. 广东某金属矿，曾用 Q—s 曲线法预测+50m 水平的涌水量为 14450m3／d，与坑道放 水试验的外推涌水量(14000m3 /d)接近，而解析法预测的结果(12608m3／d)则偏小 12％。 2. 湖南叶花香铜矿，1970 年采用试生产坑道的排水量与水位降资料。分别用两种曲线 类型对未来四个中段的涌水量进行外推预测，后经实际检验见表 14-2