礦井涌水量計(jì)算的方法分析與研究

蔡晨光

（河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，河北 唐山 063000）

在礦井建設(shè)生產(chǎn)各個(gè)階段，對礦井涌水量空間、時(shí)間變化規(guī)律展開動(dòng)態(tài)化預(yù)測評(píng)價(jià)，是礦井水文地質(zhì)工作重要項(xiàng)目。但因?yàn)橛克坑绊懸蛩叵鄬^多且較為復(fù)雜，涌水量計(jì)算難度相對較大，所以做好涌水量計(jì)算方法選擇與應(yīng)用，已經(jīng)成為了相關(guān)企業(yè)研究重點(diǎn)[1]。目前較為常用的計(jì)算方法主要以解析法以及比擬法等手段為主，對計(jì)算方式展開合理運(yùn)用，做好涌水量計(jì)算與控制，是保證礦井正常生產(chǎn)的有效手段，值得展開深入研究[2]。

1 涌水量影響因素

在進(jìn)行涌水量計(jì)算時(shí)，需要做好水量影響因素分析，以防出現(xiàn)計(jì)算精準(zhǔn)度不高或者計(jì)算存在失誤等方面的問題。

通過分析發(fā)現(xiàn)，礦井涌水量與以下幾項(xiàng)因素有著密切關(guān)聯(lián)：①降水量。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，礦井涌水量和降水量有著密切關(guān)聯(lián)，在深度較淺地段實(shí)施挖掘時(shí)，兩者之間影響尤其明顯，隨著降雨量的變化，涌水量會(huì)出現(xiàn)隨之改變或略有滯后的狀況；②產(chǎn)量、開采面積。開采面積、產(chǎn)量的不斷增加，加之含水介質(zhì)空間與頂板含水層結(jié)構(gòu)的改變，使得涌水量在對地下水靜儲(chǔ)量進(jìn)行消耗的同時(shí)，還在接受地下水補(bǔ)給，所以涌水量會(huì)呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢；③當(dāng)采掘工作進(jìn)入到中期階段，地下水靜儲(chǔ)量已經(jīng)所剩無幾，此時(shí)地下水補(bǔ)給成為了礦井涌水的主要來源，涌水量會(huì)隨著地下水接受補(bǔ)給量的平穩(wěn)而出現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的狀態(tài)；④地質(zhì)構(gòu)造。在進(jìn)行礦井開采時(shí)，會(huì)對地質(zhì)構(gòu)造形成一定程度的破壞，會(huì)使地層原有完整性受到直接影響，導(dǎo)致空間、裂隙出現(xiàn)[3]。

2 礦井涌水情況及不同情況的費(fèi)用計(jì)算

所研究礦場為冶金工業(yè)礦山，礦井涌水量現(xiàn)狀以及相關(guān)費(fèi)用計(jì)算方法如下：①該礦井下在建巷道施工中，由于巷道通過幾處破碎帶（已進(jìn)行了100mm厚的永久噴砼支護(hù)）后，巷道出現(xiàn)多處淋水、散水，加大井巷排水壓力，也嚴(yán)重影響正常施工，經(jīng)項(xiàng)目部、監(jiān)理單位和施工單位現(xiàn)場勘查并確定對該段進(jìn)行注漿治水（由于巷道空間窄小，注漿作業(yè)時(shí)注漿站占道布置在巷道內(nèi)，所以注漿時(shí)無法繼續(xù)掘進(jìn)和其他工作）。在計(jì)算相關(guān)費(fèi)用時(shí),若此情況造成無法繼續(xù)掘進(jìn)和影響其他工作連續(xù)超過24h時(shí)，應(yīng)按輔助費(fèi)說明第五條第3款計(jì)算輔助費(fèi)補(bǔ)償費(fèi)。②因涌水量非常大，在長期的涌水過程中，馬頭門的基礎(chǔ)坑中積聚了大量的淤泥、石塊，工作人員在清理淤泥時(shí)無法準(zhǔn)確判斷淤泥坑的虛實(shí)，又因?yàn)轳R頭門空間有局限性清淤設(shè)備無法進(jìn)入，只能依靠人工使用鐵鍬及水桶進(jìn)行清理（人工挖淤泥，通過0.5立方水桶提到井口）。③豎井掘砌過程中工作面有較大涌水，依據(jù)施工方案帶水下掘，井筒形成后需要采用壁后注漿。在計(jì)算相關(guān)費(fèi)用時(shí),需要確認(rèn)輔助費(fèi)是否已包括此工作范圍內(nèi)容，若壁后注漿影響掘砌時(shí)或由此影響此段后續(xù)工作內(nèi)容超過24h時(shí)，可參照輔助費(fèi)定額說明第五條計(jì)算輔助費(fèi)補(bǔ)償費(fèi)。

3 礦井涌水量計(jì)算方法

3.1 解析法

為對解析法應(yīng)用展開詳細(xì)分析，本文在此將以大井法為例，對礦井涌水量計(jì)算全過程展開深度探究。在運(yùn)用大井法實(shí)施計(jì)算時(shí)，會(huì)將礦區(qū)水平坑道系統(tǒng)所占面積視為等價(jià)于理想的大井面積，坑道系統(tǒng)涌水量與大井涌水量相符。此種計(jì)算方式應(yīng)用沒有過多限制，可在各種坑道系統(tǒng)以及井巷中進(jìn)行使用。

（1）基本原理。大井法是按照地下水動(dòng)力學(xué)原理，運(yùn)用解析方式對地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律偏微分方程展開計(jì)算的，會(huì)按照特定初值條件以及便捷，對地下水運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建展開解析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對多種條件下的礦井涌水量測試。

（2）計(jì)算公式。在進(jìn)行礦井開采時(shí)，礦坑地下水位的持續(xù)性降低以及排水疏干的不斷進(jìn)行，會(huì)使地下水承壓水轉(zhuǎn)變?yōu)闈撍?，所以礦坑涌水量計(jì)算應(yīng)按照承壓水-潛水含水層公式展開，具體公式如下：

其中Q代表礦井涌水量；K代表滲透系數(shù)；M代表含水層厚度；H代表水頭高度；Ro代表引用影響半徑，ro代表引用半徑。

通過研究發(fā)現(xiàn)，礦坑所在含水層均值處于無限分布的狀態(tài)，和天然水保持接近水平的位置，可遵從以下公式完成引用半徑以及引用影響半徑計(jì)算：

Ro=ro+R，R=10S；ro=F/π；F=a·b

其中b代表垮落區(qū)寬度；a代表工作面寬度；S代表水位降深值；F代表開采區(qū)面積。

3.2 比擬法

在實(shí)施冶金工業(yè)礦山開采過程中，某礦井施工面、礦坑排水每個(gè)月都保持著持續(xù)性增加的狀況，其中在雨季排水量以及施工面增加最為明顯。在運(yùn)用比擬法實(shí)施涌水量計(jì)算時(shí)，需要結(jié)合收集資料，對礦井采掘工程平面面積與排水量關(guān)系展開分析，明確兩者之間是否有密切關(guān)聯(lián)，以便后續(xù)展開計(jì)算。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，開采面積變化與涌水量之間的關(guān)聯(lián)并不明顯，開采總面積的不斷提升，并沒有引起涌水量持續(xù)性上升的狀況，反而使其逐漸趨近于平衡的狀態(tài)。因此可以判斷，該礦井涌水增加量相對較少，處于較為正常的涌水狀態(tài)，在雨季雖然其數(shù)值呈現(xiàn)出了持續(xù)性增加的狀況，但所造成影響相對較低。

3.3 類比外推法

①水文地質(zhì)比擬法。在運(yùn)用此種方式實(shí)施涌水量計(jì)算時(shí)，會(huì)通過對與開采礦井相似礦井?dāng)?shù)據(jù)展開收集與分析的方式，對新建礦井涌水量展開預(yù)測與計(jì)算。此種計(jì)算方式運(yùn)用存在一定限制，要求需要保證老礦井與新礦井條件的相似性與一致性。由于水文地質(zhì)條件完全相同礦井相對較少，且即便各項(xiàng)條件完全相同，在開采時(shí)也會(huì)出現(xiàn)不同狀況，所以此種計(jì)算方式只是一種近似計(jì)算手段，精準(zhǔn)度相對較低，僅供參考使用。②相關(guān)分析法。運(yùn)用相關(guān)分析法實(shí)施計(jì)算時(shí)，會(huì)通過對礦井水文地質(zhì)資料的分析與整理，尋找出影響因素與涌水量間的關(guān)系，進(jìn)而展開比擬公式建設(shè)，實(shí)施后續(xù)一系列計(jì)算。按照經(jīng)驗(yàn)，在對礦坑涌水量展開計(jì)算過程中，實(shí)施多元復(fù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單相關(guān)計(jì)算結(jié)果。一方面，應(yīng)運(yùn)用抽水資料實(shí)施外推計(jì)算，即在礦井勘探使其，通過對抽水試驗(yàn)成果的運(yùn)用，展開數(shù)理統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而完成涌水量、水位降深以及井徑回歸方程計(jì)算，以通過此種方式完成未來開采水平涌水量計(jì)算；另一方面，運(yùn)用礦山資料展開比擬計(jì)算，獲得相應(yīng)預(yù)測結(jié)果。

4 結(jié)語

本文所介紹涌水量計(jì)算方法并不全面，除上述幾種外，還有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、有限元法以及能量方程法等，各礦井在具體進(jìn)行涌水量計(jì)算時(shí)，需要按照礦井自身水文地質(zhì)條件，通過客觀的優(yōu)劣分析，篩選出最為適合的計(jì)算方式，實(shí)現(xiàn)對涌水量的有效計(jì)算，以便制定出高水平、高質(zhì)量的礦井生產(chǎn)、建設(shè)、防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及防水措施等方案，進(jìn)而為礦井生產(chǎn)提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，確保各生產(chǎn)工作都可順利展開，不會(huì)受到涌水的較大影響，從而為礦井企業(yè)獲取到更加客觀的經(jīng)濟(jì)收益。