淺議礦區礦坑涌水預測及分析

■馬文國 馬志強 張地

（青海有色地質礦產勘查局八隊青海西寧810012）

淺議礦區礦坑涌水預測及分析

■馬文國 馬志強 張地

（青海有色地質礦產勘查局八隊青海西寧810012）

礦坑涌水量預測是礦床水文地質勘查的根本任務之一，國內外常用解析法、大井法、數值模擬法、水均衡法、水文地質比擬法、相關分析法等來進行礦坑涌水量的預測。大井法因其簡便常作為礦坑涌水量預測的方法，大井法適用于近似穩定流，常利用地下水井流公式進行計算，具有簡便、適用性廣等特點，對礦床的開發設計具有重要意義。

礦區礦坑 礦坑涌水量 預測及分析

礦坑涌水量是指礦山開拓與開采過程中，單位時間內涌入礦坑的水量。通常以每小時多少立方米表示。它是確定礦床水文地質條件復雜程度的重要指標之一，關系到礦山的生產條件與成本，對礦床的經濟技術評價有很大的影響。對于地質勘探階段來說，主要是進行評價性的計算，以預測正常狀態下礦坑涌水量及最大涌水量為主。

1　選擇計算方法與相應的數學模型

詳勘階段均要求選擇2個或2個以上的計算方法，以相互檢驗，映證。選擇時必須考慮三個基本要素：

（1）礦床的充水因素及水文地質條件復雜程度。如：位于當地侵蝕基準面之上，以降水入滲補給的礦床，應采用水均衡法；水文地質條件簡單或中等的礦床，可采用解析法或比擬法；水文地質條件復雜的大水礦床，要求采用數值方法；

（2）勘探階段對礦坑涌水量預測的精度要求；

（3）勘探方法、勘探工程的控制程度與信息量：如水均衡法，要求不少于一個水文年的完整均衡域的補給與排泄項的動態資料；Q～S曲線方程外推法，要求具抽水試驗的水位降達到預測標高水柱高度的1/2～1/3；解析法，要求勘探工程全面控制含水層的非均質各向異性、非等厚的結構特征及其邊界條件與補給、徑流與排泄，并提供數值模型的建立、識別、預測所需的完整信息數據，這些數據的獲取，只有采用大型抽、放水試驗對滲透場進行整體控制與揭露才可能做到。

計算方法與相應數學模型類型的選擇，與礦床的充水因素及水文地質條件復雜程度、勘探方法勘探工程的控制程度及信息量是聯系在一起的。所以數學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條件的適應性：指能否正確刻畫水文地質條件的基本特征；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，也可理解為所選數學模型要求的勘探信息是否有保證，即信息的保障率。

2　構造水文地質模型

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

2.1解析法與數值法

解析法將復雜的含水層結構與內外邊界，以理想化模式構造理論公式，因此必須按解析解要求進行概化。如含水層均質等厚，內外邊界幾何形態規則，邊界供水條件簡單、確定。

數值法以近似分割原理對復雜的含水層結構、內外邊界條件進行量化“逼真”，概化時要求以控制水文地質條件與內外邊界的節點參數、水位與流量來構造水文地質概念模型。

隨著數學模型研究的不斷進展，現代水文地質計算對水文地質模型的要求越來越高。目前，對復雜的大水礦床來說，一個可靠的水文地質模型的建立，必須貫穿整個勘探過程，并大致經歷三個階段。

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

第二階段：根據進一步勘探提供的各種信息數據。特別是大型抽(放)水資料，通過流場分析或數值模擬，完成對“雛型”模型的調整，建立水文地質模型的“校正型”。

第三階段：在“校正型”的基礎上，按開采方案給出疏干工程的內邊界條件，根據勘探資料預測不同疏干條件下的外邊界條件，建立水文地質概化模型的“預測型”。

2.2大井法

在實際工作中，大井法因其計算方便受到了廣泛的使用。大井法是指把形狀不規則的坑道系統圈定的面積用大井來等效代替，從而近似應用裘布依穩定流基本方程進行礦坑涌水量的計算預測。

模型建立：模型建立的關鍵在于將復雜實際問題進行概化。主要包括疏干流場的水力特征分析、邊界條件的合理概化、各項計算參數的準確確定。

建立數學模型：分析疏干流場的水力特征：需要區分穩定流和非穩定流、達西流和非達西流、平面流和空間流、潛水和承壓水。邊界條件的合理概化：包括側向邊界、垂向邊界、內邊界的概化。

計算參數確定：滲透系數K，是公式中的主要參數，主要根據水文地質實驗值作均值概化所得；引用半徑r0，根據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）采用計算；大井引用影響半徑；影響半徑；豎井半徑rw。

應該指出，不能把數學模型的解僅僅看作是一個單純的數學計算，而應看作是對水文地質模型和數學模型進行全面驗證識別過程，也是對礦區水文地質條件從定性到定量在回到定性的不斷深化的認識過程。

3　礦坑涌水量預測的特點

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

（1）供水水資源評價，以持續穩定開采確保枯水期安全開采量為目標；而礦坑涌水量預測則以疏干豐水期的最大涌水量為目標；

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

（3）礦山井巷類型及其分布千變萬化，開采方法、開采速度與規模等生產條件復雜且不穩定，與供水的取水建筑物簡單、分布有序、生產穩定形成顯明對比，給礦坑涌水量預測帶來諸多不確定性因素。

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

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

以上特點，決定了礦坑涌水量預測中存在諸多產生誤差的客觀條件，它屬于評價性計算，為礦山設計及采前進一步專門性補充勘探提供依據。

[1]杜敏銘，鄧英爾，許模.礦井涌水量預測方法綜述 [J].四川地質學報，2009（01）.

[2]段儉君，徐會軍，王子河.相關分析法在礦井涌水量預測中的應用 [J].煤炭科學技術，2013（06）.

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

F416.1[文獻碼]B

1000～405X（2016）～4～189～1