矿坑涌水量的预测方法(水均匀法)
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相关分析法(一)原理与应用条件相关分析是根据涌水量与主要影响因素之间相关关系的密切程度建立回归方程,利用抽水试验或开采初期的疏干资料,预测矿坑涌水量或外推开采后期下水平的涌水量。
其原理已在供水中介绍。
根据实际资料的统计,多元复相关预测远比单相关效果好,其回归方程表达的内容丰富,可反映除降深外的各种影响因素。
它的应用条件与Q —s 关系方程类同,但对原始数据的采集有严格要求:1代表性:(规范)要求不少于一个水文年(包括丰、平、枯季节)的动态观测数据,同时数据(择本)量不少于30个;2一致性:指应与预测对象上条件相一致;3独立性与相关性:即多自变量有独立的变化规律,相互间关系不大;而与涌水量之间均存在密切的相关关系,(规范)要求相关系数不低于0.7。
(二)实例与计算方法1. 利用勘探阶段抽水试验资料预测矿坑涌水量如广东沙洋矿通过在勘探阶段设计相距6m 的两个抽水孔和十余个不同距离的观测孔组成的群孔抽水试验,取得了复相关计算所需的涌水量Q 与井径r (是将距抽水孔不同距离观测孔的位置概化为疏干状态下的坑道系统不同面积的作用半径)、水位降S (即不同作用半径的水位降,以模拟疏干水位降)有关资料,(见表1)通过求参建立了复相关幂函数预测方程:536.11843.3189.11Sr Q其复相系数达0.9468,复相关机误仅0.0721,完全可用于未来矿山各设计水平与面积的矿坑涌水量预测。
经实际排水资料检验,预测误差偏小38~56%,主要与开采导函大量地面岩溶坍陷有关。
2. 利用矿山观测资料外推预测可充分考虑矿坑涌水量的增长和各项生产因素间的关系,并根据它们之间的密切程度来建设涌水量方程。
在原苏联顿巴斯煤矿的某些涌水量预测中,首先,在30个矿井中建立了320个观测点,获得了涌水量(Q 2)与各生产因素(包括矿产量P 0、开采深度H 0、开采面积F 0、生产时间T 0等)之间的相关关系,以及其密切程度,见表2。
煤矿出/涌水量的几种测量方法1 量桶容积法当流量小于1 L/s时,常用此法。
容器一般用量桶或水桶,为了减少测量误差,计量容器的充水时间不应小于20 s流量计算公式:式中V———容器的容积,L;t———充满容器的时间,s。
2巷道容积法在矿井发生突水时,利用水流淹没倾斜巷道的过程中,经常不断地测量巷道与自由水面相交断面面积(F=ab),用单位时间内水位上涨高度(H)来计算水量,公式如下:式中H———t时间内水位上涨高度,m;t———水位上涨高度为片时的时间,h;a———巷道内自由水面的平均宽度,m;b———巷道内自由水面长度,m。
3水泵排量法利用水泵实际排水量和水泵运转时间,来计算涌水量Q=水泵铭牌排水量×实际效率×开动时间×台数式中Q—涌水量,m3·d-1。
4浮标测流法采用水面浮标的流水沟道地段及实测断面应符合下列要求:(1)沟道顺直,沟床地段规则完整,长度为3-5倍的沟宽。
(2)水流均匀平稳,无旋涡及回流。
(3)沟道地段内无阻碍水流的杂草、杂物。
实测程序:(1)选定了实测地段后,按相等距离布设三个断面:上断面、基本断面(中断面)、下断面,测量每个断面的横断面积,单位为m2。
(2)在上断面上游附近投放浮标,以便使浮标在接近上断面时,已具有同行水流的流速,测出浮标从上断面至下断面的时间t,求出流速。
(3)浮标从上断面至下断面的漂流历时一般应不短于20 s,如流速较大,可酌情缩短,但不能短于10 s。
(4)投放浮标的数量,视沟道宽度而定,一般不少于2个,每个至少重复投放两次,若两次漂历时间相差不超过10%,则取其平均历时计算,公式如下:式中Q———断面流量,m3·s-1;Kf———断面浮标系数,据经验数值一般介于~;F t H H Q ⋅-=21 Vf ———虚流速,即Vf=L/t 计算时采用浮标平均流速,m ·s-1;L ———上、下两断面的间距,m;t ———所选有效浮标的平均历时,s;F ———过水断面面积,m 2。
02B «f T A N矿井涌水量预测方法及适用性评价张彩云(山西省煤炭地质水文勘查研究院,山西太原030006)摘要:本文介绍了数值法、解析法、水均衡法及水文地质比拟法四种矿井涌水量预测方法,并针对不同 的方法,进行了适用性评价的分析。
指出在进行涌水量预测时,应对矿井的条件加以仔细分析,采取适宜的方法。
关键词:矿井;涌水量;预测方法中图分类号:P641 文献标识码:A文章编号:1672-7487 (2018) 01-26-31 前言进行煤矿开采时,怎样更精确地对矿井涌水量加以预 测,是一直探索的问题。
很长一段时期以来,很多技术人 员及学者基于不同的理论及角度,对矿井涌水量预测做了 非常多的研究。
但现阶段,在矿井开采中涌水量预测的数 据和矿井开采中真实的涌水量数据依然有较大的误差,严 重时相差10倍以上。
造成误差的影响因素非常多,将这些因 素分成三类,即:未查明水文地质条件、预测时用的地质 参数没有代表性、未选用适当的数学计難型。
所以,进 行矿井涌水歸测时,对方法的选用是十分重要的。
2矿井涌水量预测方法2.1数值法2.1.1数值法願以及应用条件分析数值法属于近似计算方法,是基于计算机技术形成并 逐步发展的一种矿井涌水量预测方法。
数值法是对渗流偏 微分方程进行求解,得到一个相似解,即为矿井涌水量预 测值。
此方法的精度相对高,能用于相对复杂的一些矿井 涌水量预测中。
此方法应用在水文条件及含水层较为简单 的矿井中,能更有效地对矿井涌水量进行预测。
2.1.2数值法计算方法现阶段,应用相对广泛的涌水量预测数值法主要包含有限元方法及有限差分方法。
1)有限元方法。
此方法是将所求解的区域分割为有限 个相互不发生重叠的区间单元,在每一个单元中构建相应 的基础函数。
再对每一个单元构建相应的形状函数,将形 状函数当成近似解,然后采用最小势能的计算方法求节点 处的近似值,所得结果即为预测值。
2)有限差分方法。
浅谈矿产地质勘查中矿坑涌水量预测的方法[摘要]在一些地质较为复杂的地区中,加上受到计算方法的限制,矿坑涌水量预测的方法一直是国内外研究的难点,在一些中小型的矿区,还可能会受到地质勘查条件的影响,矿坑涌水量预测格外困难。
在设计中,通常情况下都会使用钻孔简易水文地质观测法,但一些施工人员却无法真正认识到其的意义,而且由于监管的不到位,使得很多矿坑都失去了原本的应用价值。
本文主要结合实例,介绍了矿坑涌水量预测的主要方法,并对这些预测方法和矿坑涌水量进行了证实,以供参考。
【关键词】水文地质;涌水量;预测铁矿石和大理石都作为主要的矿产资源,在人类的生产和生活中起到了重要的作用。
早在几千年以前,人类就开始使用铁器,而且铁矿石的冶炼标志着人类进入了文明时代。
铁矿石是钢铁工业发展的物质基础,给钢铁工业的可持续发展提供了基本保证。
从我国建国以来,钢铁工业得到了快速的发展,但是我国铁矿石的生产能力却较为低下。
1、工程概况云南省某矿区主要以铁矿和大理石为主,同时也是有名的岩溶大水矿区。
该矿区处于北纬二十五度,相关的地质勘查报告显示,该矿区有铁矿石量大约五百一十万吨,有大理石矿石大约五千三百九十万吨,分布在F18以北、F19南西、F22南东、F3北东以及F1北西的范围内,由于形态受到了断裂的控制与营销,厚度不同,该矿区的总体产状朝北东倾斜,倾角大约是15°到40°。
该矿区处于两条北西和南东走向的地表分水岭之间,有常年溪流从该矿区经过,南东侧的大格沟口为该矿区的最低点,为当地最低侵蚀基准面。
2、对矿坑涌水量的预测抽水或者是放水试验作为矿区水文地质工程的一部分,在1982年某地质对在该矿区进行了局部的抽水和放水试验,但是由于多方面的原因,比如观测点不多、时间短以及降深小等,没有将边界条件暴露出来,也没有将断层破碎带的导水性和具体产生影响范围确定出来,因此也无法反映将矿坑实际的涌水量反映出来。
本次在相关部门的配合下,有针对性的进行了大型的放水试验,试验实现最大的降深为89.64m,总共设立了31个观测点,试验经历了八十天的时间。
水均衡法(一)应用条件水均衡法适用于地下水运动为非渗流型且水均衡条件简单的充水矿床,如:1. 位于分水岭地段地下水位以上的矿床其主要特征为:地下水位一般停留在下伏弱含水层的顶端,故水层薄,水位埋藏深,变幅大、升降迅速,具有巨大的透水能力却无蓄水能力。
抽水试验困难,也无效果。
地下水动态与降雨直接相关。
依照降雨方式的不同,形成各种尖峰状动态曲线形态,矿坑涌水量也常不随降深的增加而加大,故水位降深在一定程度上失去意义。
补给区主要在矿区范围及其附近,补给路径短,以垂向补给为主。
矿区地下水与区域地下水不发生水力联系,即无侧向补给。
(二)暗河管道充水矿床(1)含水介质为孤立的暗河管道系统,通常各管道系统自成补给、径流、排泄系统,互相不发生直接水力联系,有些地区的管流与分散虽有一些联系,但管流是当地地下水排泄量的60%~80%以上。
(2)含水层极不均一,无统一地下水水位,因此不形成统一的含水层(体)。
(3)管流发育地区,地表溶蚀洼地、漏斗、落水洞发育、三水转化强烈,地面难以形成长年性表流;地下水动态受降水控制,暴涨暴落;其流量与降水补给面积成正比,变化大,具集中排泄特点。
很明显,上述特征无法用抽水试验求参,难以根据地下水动力学原理进行矿坑涌水量预测,同时,岩溶通道形状多变,管道组合复杂,也不适应管渠水力学的应用条件。
因此,多数上述充水矿床常采用非确定性随机模型和水均衡法解决实际问题。
(三)原理非渗流型确定性模型-水均衡方程,是根据水均衡原理,在查明矿床开采时水均衡各收入、支出项之间关系基础上建立预测方程的。
建立非渗流型确定性模型,要求勘探方法与之相适应,而加强均衡研究则是保证模型可靠性,提高参数精度的必要环节。
地下水均衡研究的首要工作是建立地下水与降雨量的长期观测站,形成包括由钻孔、矿区生产井巷、采空区、老窿、有代表性的泉与地下暗河、有意义的地表汇水区等组成的长期观测网。
为正确地圏定均衡区域,选择均衡期提供依据,为模型提供可靠的方程参数。
×××矿区坑涌水量预测方法及结果分析本文对×××矿区矿坑涌水量分别采用解析法和比拟法两种方法进行计算,得出结论与矿坑实际涌水量相比较,误差小于10%,可判断结论较可靠,对矿坑未来采矿排水设计及选择排水设备提供较翔实的依据。
标签:矿坑涌水量解析法比拟法数十年来,前人对×××矿区井下开采系统疏干排水的涌水量计算进行了大量的基础性工作,取得了较为珍贵的资料与经验。
现就×××矿区矿坑涌水量预测方法及结果进行论述。
1解析法1.1公式选择(1)浅部壶天群溶洞含水层①×××矿区西部天子岭组条纹状灰岩、泥质灰岩和石炭系下统砂页岩组成西部隔水边界;矿区北部石炭系下统砂页岩和泥盆系上统帽子峰组砂页岩组成北部隔水边界。
北部和西部隔水边界组成矿区“厂”字型的相对隔水边界。
②矿床疏干时,直接向壶天群含水层布置截流巷和放水钻孔放水,疏干对象只有壶天群含水层。
在疏干过程中,第四系水和中上泥盆统东岗岭上亚组、天子岭下亚组浅部溶洞-裂隙水只是通过与壶天群含水层的水力联系,作为壶天群含水层的补给源补给壶天群含水层。
中上泥盆统东岗岭上亚组和天子岭下亚组深部裂隙水由于有天子岭中上亚组花斑状灰岩夹泥灰岩和条带状灰岩的杂质灰岩隔水岩层的阻隔,在浅部截流中段未能揭露。
所以,实际矿床疏干只是壶天群含水层的涌水量。
③在矿床疏干过程中,矿区与南部董塘河之间长期存在一地下水分水岭,分水岭位于疏干漏斗南侧、观测孔CKB5-1和CKB14-1北侧附近。
董塘河对矿坑地下水无补给。
④×××矿区井下采矿采用充填法开采,开采活动不发生崩落。
综合上述因素,壶天群矿坑涌水量计算公式,选用无河水补给、直交隔水边界四分之一进水的“大井法”地下水动力学公式:式中:K——渗透系数;H——含水层水头高度;M——含水层厚度;h——地下水动水位(动水位至含水层底板高度);R——北部边界至实际疏干漏斗边界平均距离;r0——“大井法”引用半径。
书山有路勤为径,学海无涯苦作舟矿坑涌水量的预测矿坑涌水量是矿山排水和矿床疏干设计的重要依据。
矿坑涌水量数值,影响矿山基建工程和投资的规模、矿石生产成本和矿山生产经济效益的高低,在水文地质条件复杂程度中等以上的矿山,还影响着矿山治水方案的确定。
例如山东某铁矿,主要含水层为中奥陶统马家沟灰岩含水层,含水极丰富。
在补充水文地质勘探前,因投入的水文地质工作量不足,得出了矿区水文地质条件简单、矿坑涌水量不大的结论。
1967 年据此进行设计并开始基建,设计只按一般矿山考虑了排水措施。
矿山基建花费2000 万元,建设初具规模时,发生了淹井事故,证明矿区水文地质条件复杂,被迫于1971~1975 年进行补充勘探。
通过大流量、大降深的坑道放水试验,预测矿坑涌水量高达40×104m3/d,为此迫使将矿山疏干排水方案改为防渗帷幕方案。
又如广东某铜矿主要含水层为中石炭统黄龙灰岩,系矿床直接底板含水层。
勘探阶段抽水试验最大水位降低3.23m(流量69l/s),据此预计矿坑最大涌水量2.8×104m3/d。
矿床疏干设计依据这一资料,施工15 口深井即可满足采矿对水位降低的要求。
但在水文地质补充勘探中,13 台深井泵联合抽水试验时,总抽水量51500m3/d,中心水位降低仅15.57m,由此预测最大涌水量为132000m3/d, 需净增37 口深井才能满足水位降低的要求。
矿坑涌水量预测的要求如下:一、在矿坑涌水量预测之前,必须先查清矿区水文地质条件(特别是矿区的水文地质边界条件,矿区地下水的补给、迳流、排泄条件,含水层性质,厚度、埋藏特征及其具有代表性的水文地质参数,地表水与地下水的水力联系状态,地下水的动态变化特征等等)和矿坑充水因素,然后再结合矿床开采方。
矿井涌水量预测方法评述摘要:从确定和不确定性分析的角度,综述了工程实践中常用的矿井涌水量预测方法,评述了各评价方法的主要特点及适用性。
在分析各常用预测方法存在问题和预测方法的最新研究进展基础上给出了对矿井涌水量预测方法的展望。
关键词:矿井涌水量预测;确定性预测方法;非确定性预测方法1、引言矿井涌水量大小不仅是对矿井建设进行技术经济评价、合理开发的重要指标,更是矿山生产设计部门制定采掘方案、确定矿井排水能力、制定疏干措施、防止重大水害和利用地下水资源的重要依据[1]。
因此,正确预测矿井涌水量是矿井水文地质工作的重要任务。
2、矿井涌水量常用预测方法目前矿井涌水量预测方法有多种,根据当前矿床水文地质计算中常用各种数学模型地质背景特征及对水文地质模型概化的要求,可将矿井涌水量预测方法进行分类,如图1所示[2]。
图1 矿井涌水量预测模型分类2.1、确定性预测方法确定性预测方法是利用水力学、地下水动力学等方面的理论,通过数学演绎,推导出矿井涌水量与环境地下水、围岩渗透性、地下水补给面、时间等因素的定量关系,得出一系列理论解析式,以预测计算矿井的涌水量,这类方法包括解析法、水均衡法、物理模拟法和数值模拟法等。
2.1.1、解析法解析法是根据解析解的建模要求,通过对实际问题的合理概化,构造理想化模式的解析公式,用于矿坑涌水量预测。
该方法具有对巷道类型的适应能力强、简便、快速、经济等优点,是最长用的基本方法。
该方法又分为稳定井流解析法和非稳定解析法。
稳定井流解析法用于矿坑疏干流场处于相对稳定状态的流量预测;非稳定解析法用于矿床疏干过程中地下水位不断下降、疏干漏斗不断扩展的非稳定状态下的涌水量预测[3]。
米金科等[4]应用解析法对兴隆庄煤矿的静储量进行了预测,预测结果为34万m3,根据不同参数值进行分区,得到十采区工作面不同推进速度下的涌水量。
虽然,解析法是预测矿坑涌水量比较常用的方法,但在工程实践中,边界条件概化的失误是导致解析解失真的主要原因之一,理想化要求常与实际条件相差甚远,这已成为解析法应用中的难点。
矿产地质勘查中矿坑涌水量预测方法探讨矿坑涌水量预测是矿产地质勘查的重要组成部分。
预测方法的选择是提高矿坑涌水量预测精度的关键。
本文简述了矿产地质勘查中矿坑涌水量预测的内容,并综合探讨了常用的六种预测方法,指出它们的适用条件及优缺点,以期在矿产地质勘查中,能够选择正确合适的预测方法,提高预测精度。
标签:矿产地质勘查矿坑涌水量预测方法1引言矿坑涌水量预测是矿产地质勘查中一项重要复杂的工作。
预测结果是开采设计部门制定排水疏干方案、确定生产能力的主要依据。
矿产地质勘查工作的成功与否在一定程度上取决于矿坑涌水量的预测精度。
因为矿床水文地质条件比较复杂,如何准确预测矿坑涌水量始终是水文地质工作者的热门课题。
提高矿坑涌水量预测精度的关键在于:一是查明矿坑充水岩层的水文地质参数,构建符合客观实际的水文地质概念模型;二是建立与水文地质模型吻合的数学模型,选择正确的预测方法计算。
本文主要探讨了矿产地质勘查中矿坑涌水量预测方法。
2预测的内容矿坑涌水量是指在单位时间内涌入矿坑的水量。
对于矿产地质勘探阶段来说,主要以预测矿坑正常涌水量及最大涌水量为主,是进行评价性的计算。
矿坑正常涌水量是指开采系统达到水平或中段标高时,在平水年保持相对稳定的总涌水量。
最大涌水量是指在丰水年雨季时的最大涌水量。
对暗河型、裸露型充水矿床来说,还应根据矿山的服务年限及气象变化周期,预测出在特大暴雨产生时,会出现的特大矿坑涌水量,为制订应变措施提供依据。
3常用的预测方法在可靠的水文地质参数的基础上,就要选择合适的矿坑涌水量预测方法。
根据水文地质概念模型的要求,矿坑涌水量预测数学模型分类如图1所示。
目前,国内外常用的矿坑涌水量预测方法有水文地质比拟法、Q~s曲线外推法(涌水量-水位降深曲线法)、相关(回归)分析法、水均衡法、解析法和数值法。
3.1水文地质比拟法水文地质比拟法是利用矿区水文地质条件相似、开采条件基本相同的已知矿山的矿坑涌水量的实际资料,来预测另一矿山的矿坑涌水量。
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:⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧-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—井流方程—解析解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s Q (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。
矿坑涌水量常用预测方法在矿产资源开采过程中,因为地下含水层深度不全都,结构存在不合理之处,在预报矿坑涌水量过程中存在许多不决定因素,这种影响因素会对终于的计算结果的准确造成危害,因此合理分析矿坑涌水量决定过程中存在的不决定因素,找到既定的预报方法就显得非常重要。
在矿产资源开采过程中务必对矿坑涌水量举行准确计算,将影响矿坑涌水量预报的影响因素充分考虑进去,预报和分析矿井中的正常涌水量和最大涌水量,从而为矿井骤然进水供应相应的地质材料支撑,为保证矿井平安、高效和科同学产奠定坚实基础。
1矿坑涌水量预报的影响因素分析1.1矿坑补给水条件对矿坑涌水量预报产生的影响进入矿坑内的水分主要包含了矿坑开辟过程以及岩石和地表四周存在的地下水,通过不同岩石结构层和不同途径进入矿坑的地下水资源。
在某些突发状况下,矿坑还需要担当来自深层水源的冲击,因此,在对矿坑涌水量举行预报过程中,首先应当将用水量持续的时光和强度考虑到计算影响因素中,然后决定矿坑充水量、范围,决定好充水的界限。
在矿坑涌水量预报过程中,自然降雨是最不能人为控制的因素,过多的降水会直接或者间接对矿坑中的涌水量产生影响,终于对矿坑内涌水量变化速率、变化幅度和持续的时光造成影响。
此外,矿坑四周详细的水文地质条件的好坏,补给水区域的远近和埋水层的范围都会对矿坑涌水量预报产生不小的影响。
一般状况下,离补水区域近,埋水层比较浅的矿坑用水量变化比较显然,其变化幅度也比较大,而离补水区域较远以及埋水层深度较深影响效果就会小许多。
雨季降水量大,降雨持续时光长,对于矿坑涌水量预报产生的影响最大,旱季产生的影响就小许多。
地表水如江河湖泊对矿坑涌水量预报影响主要取决于矿坑和地表水的距离以及联系程度,距离越近,联系越紧密,矿坑涌水量变化就会越大,导致矿产资源开采难度增强。
1.2矿坑的开采方式对矿坑涌水量预报产生的影响在矿坑涌水量预报过程中,不同的矿床开采方式,会显著影响到矿床的充水程度和进水条件。
附录 A (资料性附录)矿井涌水量评价常用方法及公式式中:Q ――新矿井预计涌水量,单位为立方米(卅);K >—富(含)水系数,单位为立方米每吨( m/t ); p ――新矿井设计产量,单位为吨(t ); Q ——生产矿井年涌水量,单位为立方米(m 5);P i ――生产矿井年产煤量,单位为吨(t )。
式中的涌水量和产煤量均是同一一定时间内的。
A.1.2矿井单位涌水量比拟法当矿井涌水量增长幅度与开采面积、水位降深呈直线比例的情况下:Q iq i =F i S i当矿井涌水量增长幅度与开采面积、水位降深不呈直线比例时式中:Q 新矿井预计涌水量,单位为立方米每秒( m/s );q i ——生产矿井单位涌水量,单位为每秒( S -1); F ――新矿井设计开采面积,单位为平方米(卅);S ——新矿井设计水位降深,单位为米(m );Q ——生产矿井总涌水量,单位为立方米每秒( m/s );F i ――生产矿井开采面积,单位为平方米(卅);S ——生产矿井水位降深,单位为米(m );m 、n ――地下水流态系数,根据两年以上生产矿井涌水量采用最小二乘法或图解法求得。
A.1 比拟法 A.1.1 富水系数法 Q = K p P ................................(A.1)K pQ i(A.2)Q = q^S ................................ (A.3)(A.4)(A.3)A.1.3 相关关系分析法a)当生产矿井涌水量与两个影响因素存在直线关系时,采用下述三元直线相关数学表示式预算新井矿井涌水量(Q :Q 二b o b i x b2x2................................式中:X i、X2――影响矿井涌水量的二个因素变量;b i、b2――称为Q对x i、X2的回归系数。
在多元回归中,Q对某一自变量的回归系数表示当其它自变量都固定时,该自变量变化一个单位时Q平均改变的数值;b o、b i、b2 ------------- 用最小二乘法确定。
矿井涌⽔量观测⽅法矿井涌⽔量观测⽅法主要有以下⼏种:1、⽔桶法⽔桶法指的是,将涌出的⽔导⼊⼀定容积的量⽔桶(圆形或⽅形),⽤秒表测流满该量⽔桶所需的时间,然后按下式计算涌⽔量:Q= V/t式中Q——涌⽔量,m3/h(m3/min)V——量⽔桶的体积,m3t——⽔流满量⽔桶的时间,h(min)2、⽔位标定法⽔位标定法指的是利⽤⽔泵将⽔窝(或⽔仓)中的⽔位降低,然后停泵,测量回升到原来位置所需要的时间,然后按下式计算涌⽔量:Q=FH/t式中Q——涌⽔量,m3/h(m3/min)F——⽔窝(或⽔仓)的断⾯积,m2H——⽔位回升的⾼度,mt——⽔流满凉⽔桶的时间,h(min)3、⽔泵能⼒法⽔位能⼒法指的是维持⽔位不变时增加⽔泵的排⽔能⼒,按下式计算涌⽔量:Q=KNW+SH/t式中Q——涌⽔量,m3/h(m3/min)K——⽔泵的排⽔系数,%(当新⽔泵排清⽔时K=1,旧⽔泵排清⽔时K=0.8,排混⽔时K=0.9,旧⽔泵排混⽔时K=0.7,双台旧⽔泵排⽔时K=0.6)N——增加的⽔泵台数,台W——⽔泵的铭牌排⽔量,m3/h(m3/min)S——⽔仓(或⽔窝)⽔平截⾯积,m2H——⽔位上升的⾼度,mT——⽔位上升所需的时间,h(min)当H=0时,即⽔位不上升,则Q=KNW4、浮标法浮标法指的是利⽤⽊屑或纸屑作为浮标,测量⽔沟中⽔的流速,根据⽔沟断⾯计算涌⽔量。
按下式计算涌⽔量:Q=KVF式中Q——涌⽔量,m3/h(m3/min)F——断⾯⾯积,m2V=L/tt——从断⾯1到断⾯2的⽔流时间,h(min)L——从断⾯1到断⾯2的⽔距离,mK——断⾯系数,与⽔沟粗糙度、风流⽅向和⼤⼩有关:在⼀般情况下,⽔沟⽔深⼤于1.0吗,当⽔沟粗糙时,K=0.75—0.85;在⽔沟⽔沟平滑时,K=0.80—0.90。
此计算⽅法可⽤于巷道排⽔沟中⽔的测量;当涌⽔较⼤,淹没巷道⽔沟时,也可⽤来测量巷道流⽔中⽔量。
5、堰测法堰测法指的是在井下排⽔沟中设置测⽔堰板,使⽔流通过⼀定形状的堰⼝⽔流⾼度,然后计算涌⽔量。
水均衡法
(一)应用条件
水均衡法适用于地下水运动为非渗流型且水均衡条件简单的充水矿床,如:
1. 位于分水岭地段地下水位以上的矿床
其主要特征为:地下水位一般停留在下伏弱含水层的顶端,故水层薄,水位埋藏深,变幅大、升降迅速,具有巨大的透水能力却无蓄水能力。
抽水试验困难,也无效果。
地下水动态与降雨直接相关。
依照降雨方式的不同,形成各种尖峰状动态曲线形态,矿坑涌水量也常不随降深的增加而加大,故水位降深在一定程度上失去意义。
补给区主要在矿区范围及其附近,补给路径短,以垂向补给为主。
矿区地下水与区域地下水不发生水力联系,即无侧向补给。
(二)暗河管道充水矿床
(1)含水介质为孤立的暗河管道系统,通常各管道系统自成补给、径流、排泄系统,互相不发生直接水力联系,有些地区的管流与分散虽有一些联系,但管流是当地地下水排泄量的60%~80%以上。
(2)含水层极不均一,无统一地下水水位,因此不形成统一的含水层(体)。
(3)管流发育地区,地表溶蚀洼地、漏斗、落水洞发育、三水转化强烈,地面难以形成长年性表流;地下水动态受降水控制,暴涨暴落;其流量与降水补给面积成正比,变化大,具集中排泄特点。
很明显,上述特征无法用抽水试验求参,难以根据地下水动力学原理进行矿坑涌水量预测,同时,岩溶通道形状多变,管道组合复杂,也不适应管渠水力学的应用条件。
因此,多数上述充水矿床常采用非确定性随机模型和水均衡法解决实际问题。
(三)原理
非渗流型确定性模型-水均衡方程,是根据水均衡原理,在查明矿床开采时水均衡各收入、支出项之间关系基础上建立预测方程的。
建立非渗流型确定性模型,要求勘探方法与之相适应,而加强均衡研究则是保证模型可靠性,提高参数精度的必要环节。
地下水均衡研究的首要工作是建立地下水与降雨量的长期观测站,形成包括由钻孔、矿区生产井巷、采空区、老窿、有代表性的泉与地下暗河、有意义的地表汇水区等组成的长期观测网。
为正确地圏定均衡区域,选择均衡期提供依据,为模型提供可靠的方程参数。
运用水均衡法的关键是,正确圈定均衡区域、选择均衡期,以及测定均衡要素。
但是,在解决上述问题时会遇到一个困难,就是建立在天然条件下的水均衡关系,在矿床开采过程中常遭受强烈的破坏。
如强烈的降压疏干,使地下水运动的速度和水力坡度增大或因开采造成漏斗范围内巨大岩体的变形塌坍或导致大量人工裂隙的产生,大促使地表水渗入作用的加强。
此外,在长期疏干的影响下,随着漏斗的不断扩展,也常导致地下水分水岭的位移,其结果不仅补给范围扩大了,甚至形成新的补给源渗入。
上述种种现象,常不易通过勘探阶段对天然水均衡的研究而获得解决。
但是,它也提醒我们,水均衡关系式的建立及其水均衡要素的测定,如能充分考虑开采条件的影响,也必然会大大提高涌水量预测的精度。
(四)矿坑涌水量预测特点
由于含水层调蓄能力差,矿坑涌水量受降水影响暴涨暴落,难以用一个数值来概括,根据实践,为了反映矿坑涌水量特征,满足矿山开采设计的要求,在有条件的地区应计算下列三种涌水量数值。
1. 多年最大涌水量
这是在多年期间出现的最大涌水量,在矿山服务期间可望遇上数次。
它是根据当地气象站所记录的最大暴雨强度所计算的涌水量,一般是宏观的概括性的,其数值只能达到数量级精度,但其意义重要:
(1)表明矿山服务期间内出现特大涌水量的可能性,警惕由此带来的破坏性灾害。
(2)多年最大涌水量持续时间短,一般仅数小时至数昼夜,然而流量大,来势迅猛,含泥沙量大,具冲溃性,事前应做好防范准备。
(3)依据多年最大涌水量,作为矿坑设计排水系统的依据是不可能也不适宜,但可用为设计截流引洪平硐等防治水工程的依据,因此它是矿山开拓设计的重要依据。
四川石屏硫铁矿区,根据最大涌水量预测成果,在地表开凿1416m截流引洪平洞,矿坑最大涌水量减少93%。
四川华莹山煤矿和湖南香花岭矿区,根据预计最大涌水量资料,设计平硐截引暗河水后,使复杂的充水条件变得简单,引洪效果显著。
2. 一般情况下的最大涌水量,
这是平水年条件下可以出现的最大涌水量,它是设计排水系统的主要依据,如确定水仓,排水沟和选择泵规格等。
3. 正常涌水量
它表征全年约80%时间内的涌水量,是开采设计和安排生产计划的依据。
(五)最大涌水量预测方法与实例
1. 暴雨峰期系数法-湖南某分水岭地段裸露铁矿
矿坑最大涌水量受多年一遇的暴雨强度及其补给条件控制,因此最大涌水量的预测,涌常以多年一遇的最大暴雨强度的补给量作为依据。
暴雨峰期系数法
t f
X
F
Q
ψ⋅⋅
⋅
=
max
式中,
max
Q为多年最大涌水量(m3/h);F为补给区汇水面积(m2);X为峰期旋回降水量(m);f为入渗系数(%);t为峰期延续时间(h);
峰期系数是峰期涌水量占回矿坑涌水量的百分数。
峰期系数ψ与最大降水旋回的选择及该降水旋回峰期时间的确定有关。
从预测效果分析,峰期时间t的取值越短,则ψ值越小,
但获得的矿坑最大涌水量
max
Q值越大。
因此,应根据矿山的服务年限,选择最大降水旋回,根据最大降水旋回期间暴雨的分布特征及其与矿坑最大涌水量延续时间的关系,谨慎地确定峰期时间t值。
多年最大涌水量,是以当地气象站所记录的最大暴雨强度所计算的涌水量。
根据我国南方某些矿区的资料,多年的最大涌水量一般出现在旋回降水量X不低于80㎜与40㎜,降雨高峰的暴雨强度达40㎜/h与20㎜/h以上时。
ψ一般在9~31左右。
ψ值的确
定应在矿区汇水范围内水均衡条件的基础上。
通过坑内泉流量和沟谷地表汇流等观测资料获
2. 暗河充水系数法
ψ⋅⋅⋅f X F Q max
式中,F 为暗河汇水面积(km 2);X 为暴雨强度(㎜/h );f 为入渗系数(%);ψ为暗河充水系数(%);
暗河充水系数ψ为暗河灌入矿坑涌水量(充Q )与暗河流量(暗Q )的比值,即
暗充=Q Q /ψ。
ψ可根据老窑或邻近水文地质条件相似的生产矿井观测资料分析确定。
一般为20%~50%,也可通过暗河储存量的测定,结合对充水条件的分析得到:
进出
进Q Q Q -=ψ
式中,进Q 为暗河进口处流量(m 3/h );
湖南某多金属矿,位于珠江和湘江流域的分水岭地段、大型溶蚀洼地分布区。
矿体赋存于上泥盆系灰岩中。
境内地下暗河分布在当地侵蚀基准面(455 m 标高)以上的550 m,535 m 、480 m 等三个高程上,构成矿床充水的主要通道。
为高位暗河顶板直接充水。
矿床充水的主要特点是:在枯水期与平水期,暗河一般排泄地下水,具明渠流态特点;在洪水期,暗河则补给地下水,具管道流态特征;暗河水动态受大气降水量和降水强度影响,具明渠流动态特征;矿坑涌水量以瞬时涌水为主,雨后数小时矿坑水暴涨暴落;矿坑涌水强度与暗河的汇水面积、降水的强度、暗河的断面及连通性有关。
该矿运用上式计算出计算多年(10~20所出现一次)和年最大涌水量,见表
此外,水均衡法还常用以进行小型封闭集水盆地中第四系堆积物复盖下的露天矿的矿坑涌水量观测。
这类矿区的地下水形成条件极为简单,其单位时间内进入未来采矿场的地下水主要由两部分组成,即由采矿场及其疏干漏斗范围内消耗㶃储存量(1Q )和采矿场内降水量、集水面积内降水的渗入补给量(2Q )组成。
因此,采矿场疏干条件下的总均衡式可写
成:
21Q Q Q =总
最后必须指出,由于水均衡法能在查明有保证的补给源情况下,确定出矿床充水的极限涌水量,因此可作为论证其它计算方法成果质量的一种依据。
这种论证性的计算有时是非常有意义的。