淺議礦區(qū)礦坑涌水預(yù)測及分析

■馬文國 馬志強(qiáng) 張地

（青海有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局八隊(duì)青海西寧810012）

淺議礦區(qū)礦坑涌水預(yù)測及分析

■馬文國 馬志強(qiáng) 張地

（青海有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局八隊(duì)青海西寧810012）

礦坑涌水量預(yù)測是礦床水文地質(zhì)勘查的根本任務(wù)之一，國內(nèi)外常用解析法、大井法、數(shù)值模擬法、水均衡法、水文地質(zhì)比擬法、相關(guān)分析法等來進(jìn)行礦坑涌水量的預(yù)測。大井法因其簡便常作為礦坑涌水量預(yù)測的方法，大井法適用于近似穩(wěn)定流，常利用地下水井流公式進(jìn)行計(jì)算，具有簡便、適用性廣等特點(diǎn)，對礦床的開發(fā)設(shè)計(jì)具有重要意義。

礦區(qū)礦坑 礦坑涌水量 預(yù)測及分析

礦坑涌水量是指礦山開拓與開采過程中，單位時(shí)間內(nèi)涌入礦坑的水量。通常以每小時(shí)多少立方米表示。它是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)之一，關(guān)系到礦山的生產(chǎn)條件與成本，對礦床的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價(jià)有很大的影響。對于地質(zhì)勘探階段來說，主要是進(jìn)行評價(jià)性的計(jì)算，以預(yù)測正常狀態(tài)下礦坑涌水量及最大涌水量為主。

1　選擇計(jì)算方法與相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型

詳勘階段均要求選擇2個(gè)或2個(gè)以上的計(jì)算方法，以相互檢驗(yàn)，映證。選擇時(shí)必須考慮三個(gè)基本要素：

（1）礦床的充水因素及水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度。如：位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之上，以降水入滲補(bǔ)給的礦床，應(yīng)采用水均衡法；水文地質(zhì)條件簡單或中等的礦床，可采用解析法或比擬法；水文地質(zhì)條件復(fù)雜的大水礦床，要求采用數(shù)值方法；

（2）勘探階段對礦坑涌水量預(yù)測的精度要求；

（3）勘探方法、勘探工程的控制程度與信息量：如水均衡法，要求不少于一個(gè)水文年的完整均衡域的補(bǔ)給與排泄項(xiàng)的動(dòng)態(tài)資料；Q～S曲線方程外推法，要求具抽水試驗(yàn)的水位降達(dá)到預(yù)測標(biāo)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層的非均質(zhì)各向異性、非等厚的結(jié)構(gòu)特征及其邊界條件與補(bǔ)給、徑流與排泄，并提供數(shù)值模型的建立、識別、預(yù)測所需的完整信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的獲取，只有采用大型抽、放水試驗(yàn)對滲透場進(jìn)行整體控制與揭露才可能做到。

計(jì)算方法與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型類型的選擇，與礦床的充水因素及水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度、勘探方法勘探工程的控制程度及信息量是聯(lián)系在一起的。所以數(shù)學(xué)模型類型選擇是否合理，可以從以下幾方面來衡量：一是對礦床水文地質(zhì)條件的適應(yīng)性：指能否正確刻畫水文地質(zhì)條件的基本特征；二是對勘探方法勘探工程控制程度的適應(yīng)性：指是否最充分的利用勘探工程提供的各種信息，即信息的利用率，也可理解為所選數(shù)學(xué)模型要求的勘探信息是否有保證，即信息的保障率。

2　構(gòu)造水文地質(zhì)模型

礦坑涌水量預(yù)測中數(shù)學(xué)模型的作用，是對水文地質(zhì)條件進(jìn)行量化，因此預(yù)測精度主要取決于對充水因素與水文地質(zhì)條件判斷的準(zhǔn)確性，由于不同數(shù)學(xué)模型類型對水文地質(zhì)條件的刻畫形式與功能各異，因此必須按數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)構(gòu)造水文地質(zhì)模型，稱水文地質(zhì)條件概化。概化后的水文地質(zhì)模型稱水文地質(zhì)概念模型，它在地質(zhì)實(shí)體與數(shù)學(xué)模型之間起中介橋梁作用。下面以最基本的預(yù)測方法——解析法與數(shù)值法和大井法為例做一討論。

2.1解析法與數(shù)值法

解析法將復(fù)雜的含水層結(jié)構(gòu)與內(nèi)外邊界，以理想化模式構(gòu)造理論公式，因此必須按解析解要求進(jìn)行概化。如含水層均質(zhì)等厚，內(nèi)外邊界幾何形態(tài)規(guī)則，邊界供水條件簡單、確定。

數(shù)值法以近似分割原理對復(fù)雜的含水層結(jié)構(gòu)、內(nèi)外邊界條件進(jìn)行量化“逼真”，概化時(shí)要求以控制水文地質(zhì)條件與內(nèi)外邊界的節(jié)點(diǎn)參數(shù)、水位與流量來構(gòu)造水文地質(zhì)概念模型。

隨著數(shù)學(xué)模型研究的不斷進(jìn)展，現(xiàn)代水文地質(zhì)計(jì)算對水文地質(zhì)模型的要求越來越高。目前，對復(fù)雜的大水礦床來說，一個(gè)可靠的水文地質(zhì)模型的建立，必須貫穿整個(gè)勘探過程，并大致經(jīng)歷三個(gè)階段。

第一階段：通過對以往資料的整理，提出水文地質(zhì)模型的“雛型”，作為下一步勘探設(shè)計(jì)的依據(jù)。尤其對大型抽（放）水試驗(yàn)的設(shè)計(jì)具有特殊重要的意義。

第二階段：根據(jù)進(jìn)一步勘探提供的各種信息數(shù)據(jù)。特別是大型抽(放)水資料，通過流場分析或數(shù)值模擬，完成對“雛型”模型的調(diào)整，建立水文地質(zhì)模型的“校正型”。

第三階段：在“校正型”的基礎(chǔ)上，按開采方案給出疏干工程的內(nèi)邊界條件，根據(jù)勘探資料預(yù)測不同疏干條件下的外邊界條件，建立水文地質(zhì)概化模型的“預(yù)測型”。

2.2大井法

在實(shí)際工作中，大井法因其計(jì)算方便受到了廣泛的使用。大井法是指把形狀不規(guī)則的坑道系統(tǒng)圈定的面積用大井來等效代替，從而近似應(yīng)用裘布依穩(wěn)定流基本方程進(jìn)行礦坑涌水量的計(jì)算預(yù)測。

模型建立：模型建立的關(guān)鍵在于將復(fù)雜實(shí)際問題進(jìn)行概化。主要包括疏干流場的水力特征分析、邊界條件的合理概化、各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)的準(zhǔn)確確定。

建立數(shù)學(xué)模型：分析疏干流場的水力特征：需要區(qū)分穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流、達(dá)西流和非達(dá)西流、平面流和空間流、潛水和承壓水。邊界條件的合理概化：包括側(cè)向邊界、垂向邊界、內(nèi)邊界的概化。

計(jì)算參數(shù)確定：滲透系數(shù)K，是公式中的主要參數(shù)，主要根據(jù)水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)值作均值概化所得；引用半徑r0，根據(jù)開采礦體在地面垂直投影為矩形a/b>10，（a、b分別為矩形的長短邊邊長）采用計(jì)算；大井引用影響半徑；影響半徑；豎井半徑rw。

應(yīng)該指出，不能把數(shù)學(xué)模型的解僅僅看作是一個(gè)單純的數(shù)學(xué)計(jì)算，而應(yīng)看作是對水文地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行全面驗(yàn)證識別過程，也是對礦區(qū)水文地質(zhì)條件從定性到定量在回到定性的不斷深化的認(rèn)識過程。

3　礦坑涌水量預(yù)測的特點(diǎn)

雖然礦坑涌水量預(yù)測的原理方法與供水水資源評價(jià)類同，但其預(yù)測條件、預(yù)測要求與思路各有不同。

（1）供水水資源評價(jià)，以持續(xù)穩(wěn)定開采確?？菟诎踩_采量為目標(biāo)；而礦坑涌水量預(yù)測則以疏干豐水期的最大涌水量為目標(biāo)；

（2）礦床大多分布于基巖山區(qū)。含水質(zhì)的非均質(zhì)性突出。參數(shù)代表性不易控制；邊界條件復(fù)雜、非確定性因素多，常出現(xiàn)紊流、非連續(xù)流與管道流。定量化難度大。

（3）礦山井巷類型及其分布千變?nèi)f化，開采方法、開采速度與規(guī)模等生產(chǎn)條件復(fù)雜且不穩(wěn)定，與供水的取水建筑物簡單、分布有序、生產(chǎn)穩(wěn)定形成顯明對比，給礦坑涌水量預(yù)測帶來諸多不確定性因素。

（4）礦坑涌水量預(yù)測多為大降深下推。此時(shí)開采條件對水文地質(zhì)條件的改變難以預(yù)料和量化，這與供水小降深開采有明顯差異。

（5）礦床水文地質(zhì)勘探從屬于礦產(chǎn)地質(zhì)勘探，與專門性的供水水文地質(zhì)勘探對比，前者一般投入小、工程控制程度低，預(yù)測所需的信息量相對少而不完整。

以上特點(diǎn)，決定了礦坑涌水量預(yù)測中存在諸多產(chǎn)生誤差的客觀條件，它屬于評價(jià)性計(jì)算，為礦山設(shè)計(jì)及采前進(jìn)一步專門性補(bǔ)充勘探提供依據(jù)。

[1]杜敏銘，鄧英爾，許模.礦井涌水量預(yù)測方法綜述 [J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009（01）.

[2]段儉君，徐會(huì)軍，王子河.相關(guān)分析法在礦井涌水量預(yù)測中的應(yīng)用 [J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013（06）.

[3]華解明."大井法"預(yù)測礦井涌水量問題探討 [J].中國煤炭地質(zhì)，2009（06）.

F416.1[文獻(xiàn)碼]B

1000～405X（2016）～4～189～1