矿井涌水量预测

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1、第五章 矿井涌水量预测,江西榨一煤矿,内容安排 第一节 概述 第二节 水文地质比拟法 第三节 Q-S曲线外推法 第四节 水均衡法 第五节 解析法 第六节 数值法,矿井涌水量是指矿山建设和生产过程中单位时间内流入矿井(包括各种巷道和开采系统)的水量。,第一节 概 述,矿床水文地质条件类型 矿床水文地质条件复杂程度 矿床开发经济技术条件 矿山疏干排水设计 矿井生产能力 防治水措施,确定依据,一、矿井涌水量预测内容 1、矿井正常涌水量 开采系统达到某一标高(或水平)时，正常状态下保持相对稳定时的总涌水量。通常是指平水年的涌水量。 2、矿井最大涌水量 正常状态下开采系统在丰水年雨季时的最大涌水量。 3

2、、开拓井巷涌水量 井筒(立井、斜井)和巷道(平硐、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 在规定的疏干时间内，将水位降到某一规定标高时所需的疏干排水强度。 5、矿井突水量 矿井采掘过程中在某些因素的作用下，含水层(体)中的地下水突破隔水层而突然进入开采系统的水量，突水量常常是正常涌水量的数倍甚至数十倍。,人为,难以预测！,19771978年，地质矿产部曾对55个重点岩溶充水矿山进行了水文地质回访调查，矿井涌水量预测值与开采后的实际涌水量的对比表明：,10的矿区-误差小于30 80的矿区-误差大于50 个别矿区-误差达数10倍、100倍,例1：叶庄铁矿预测值为417.4m

3、3/d，实际值为预测值的256.3倍。,例2：泗顶铅锌矿,二、预测失误的原因分析,1、水文地质条件的复杂性认识不足，对水文地质条件未予查清； 叶庄矿：三个方面补给边界一个补给方向 杨二矿：半封闭型地下水系统开放型大水矿区 红岩矿：水源底板茅口组灰岩顶板长兴组灰岩 2、水文地质模型概化不当，选用的水文地质参数不妥，缺乏代表性； 叶庄矿： 单孔抽水试验二次降深得 K=0.215m/d 三次降深抽水试验得 K=11.67m/d，增长44倍； 3、数学模型选择不当。 数学模型-水文地质模型-水文地质勘探资料,二、预测失误的原因分析,求解参数的关键环节！,三、矿井涌水量预测的特点,矿井涌水量预测以准确地

4、预测丰水期最大涌水量为目标； 我国矿井大多分布于基岩山区，充水条件差异悬殊，补排条件复杂，边界、结构与流态复杂，定量化难度大。 矿山井巷类型与空间分布千变万化，开采方法、速度与规模等生产条件复杂且不稳定，给矿井涌水量预测带来诸多不确定性因素。 矿井涌水量预测多为大降深，必然导致对矿区水文地质条件的严重干扰与破坏，且破坏强度难于预料与定量化。 矿井地质调查中，水文地质工作投入技术条件较差、投资少、工程控制程度低，在客观上给涌水量预测带来一定困难。,四、矿井涌水量预测步骤-3,第一步：建立水文地质(概化)模型 要求:,(1)概化已知状态下矿区水文地质条件； (2)给出未来开采井巷的内部边界条件；

5、(3)预测未来开采条件下的外部边界。,以条件复杂的大水矿井为例，大致分三个阶段： 第一阶段(初勘阶段)，通过初勘资料，对矿床水文地质条件概化，提出水文地质模型的“雏型”，它可作为大型抽(放)水试验设计的依据； 第二阶段(详勘阶段)，根据勘探工程提供的各种信息，特别是大型抽(放)水试验资料，完成对水文地质模型“雏型”的调整，建立水文地质模型的“校正型”； 第三阶段，在水文地质模型“校正型”的基础上，根据开采方案(即疏干工程的内边界条件)预测未来开采条件下外边界的变化规律，建立水文地质模型的“预测型”。,第二步：选择计算方法，建立相应的数学模型 常用的数学模型为：,第三步：求解数学模型，评价预测结

6、果,数学模型的解算是对水文地质模型和数学模型进行全面验证识别的过程，最终使所建模型和预测结果更加合理和趋于实际。,第二节 水文地质比拟法,水文地质比拟法利用地质和水文地质条件相似、开采方法基本相同的生产矿井的排水或涌水量观测资料，来预测新建矿井的涌水量。 前提: 新建矿井与老矿井的条件应基本相似； 老矿井要有长期的水量观测资料，保证涌水量与各影响因素之间数学表达式的可靠程度。,一、富水系数法 富水系数：指一定时间内矿井排出的总水量Q0与同时期内的采矿量P0之比。,富水系数不仅取决于矿区的自然条件，而且还与开采条件有关，因此还要充分考虑开采方法、范围、进度等方面的相似性。 为了排除生产条件的影响

7、，对该法作修正，采用综合平均值作为比拟依据。,采矿量P0 采空区面积F0 采掘长度L0 采空体积V0,综合,二、单位涌水量比拟法 疏干面积F0和水位降深S0是矿井涌水量Q0变化的主要影响因素。根据生产矿井有关资料求得的单位涌水量q0，可作为预测类似条件下新矿井在某个开采面积F和水位降深S条件下涌水量Q的依据。,注意： 如果涌水量与开采面积和水位降深之间的关系为非直线，可按下式预测类似条件下的矿井涌水量：,第三节 Q-S曲线外推法,根据稳定井流理论，抽水井的涌水量Q与水位降深S之间可用QS曲线的函数关系表示。 QS曲线法就是利用稳定流抽(放)水试验的资料，建立涌水量Q与水位降深S的曲线方程，然后

8、根据试验阶段与未来开采阶段水文地质条件的相似性，把QS曲线外推，以预测涌水量。,要求 三次以上水位降低的抽（放）水试验 大口径、大降深，抽水规模尽量地接近未来的开采条件 抽水时间尽量延长，充分暴露水文地质条件 影响Q-S关系的因素 水文地质条件，如含水层规模、补给程度、边界条件等； 抽水时的水位降深大小对外推精确程度影响很大； 抽水井的结构和抽水时间的影响。 优点 避开了求取各种水文地质参数 适用条件复杂，难于取得参数的矿区,QS曲线法的计算方法和步骤： 1、建立各种类型QS曲线方程 2、判别实际的QS曲线的类型 3、确定方程中的待定参数a和b 4、井径换算,1、建立QS曲线方程 可归纳为四种

9、数学模型：,直线型 抛物线型 幂曲线型 对数曲线型, 幂曲线型：从某一降深值起，涌 水量Q随阵深S的增大而增加很少,原来被阻塞的裂隙、岩溶通道被突然疏通, 直线型：承压井流（或厚度很大、 降深相对较小的潜水井流）, 对数型：补给衰竭或水流受阻，随S增大Q增量很小，曲线趋向S轴, 可能有误或特殊现象发生, 抛物线型：潜水、承压-无压井流 （三维流、紊流影响的承压井流）,2、 判别实际的QS曲线的类型 （1）伸直法 将曲线方程以直线关系式表示，并以直线关系式中的两个相对应的变量建立坐标系，把(抽)放水试验的涌水量和相应的水位降深资料，分别放到上述的四种曲线类型各自的直线关系式坐标系中进行伸直判别。

10、,散点图,Q-S曲线图,曲线伸直,取双对数,过原点,取单对数,直接看,S、Q相除,抛物线型,直线型,幂曲线型,对数曲线型,得到抽水试验散点图！（Qi，Si）,2)曲度法 在曲线上取两点， 由下式求出曲度值n：,曲度判定,3确定方程中的待定参数a和b 图解法: 一般情况下，利用各类型的直线方程图线，可由求出参数a和b。 结果：a为截距，b为直线的斜率 注意：幂曲线型中，b为斜率的倒数,抛物线型,幂曲线型,对数曲线型,直线型,将参数a,b及设计的水位降深S设计值代入原方程，即可外推钻孔涌水量。, 最小二乘法：当精度要求较高时采用,4、井径换算 由于抽水试验的钻孔孔径远小于井筒直径，为消除井径的影响

11、，所以在预测井筒涌水量时需进行井径换算。,对数关系 平方根关系,实践表明，井径对涌水量的影响一般比对数关系大，比平方根关系小。因而提出用二次或二次以上不同井径的抽水试验资料，建立由井径d换算涌水量的经验公式如下：,式中，参数m和n可用最小二乘法求出。,QS曲线法的优点： 避开了各种水文地质参数； 计算简单易行； 适用：水文地质条件复杂，边界条件复杂而难以建立解析公式的矿区。,如：广东某金属矿区，曾用Q-S曲线法预测50m水平的涌水量为14450m3d，与巷道放水外推的数值(14000m3d)接近，而用解析法预测的结果(12608m3d)则偏小12。,一般认识： I型曲线，出现在承压含水层或潜水

12、含水层(水位降深与含水层厚度相比应很小)中，地下水呈层流状态； 型曲线，在富水性强的含水层中强烈抽水、地下水在水井附近或强径流通道附近发生紊流的情况下出现的，水位降深在一些地区与流量的平方成正比； 、IV型曲线，在含水层规模小、补给条件差的情况下出现的，一定要用真正稳定的Q和S建立方程。,注意： 1、采用QS曲线法时，试验孔符合未来的开采条件，尽量采用大口径、大降深的抽水试验，长时间抽水，充分暴露水文地质条件，方能反映未来的开采条件。,2、 QS曲线方程法在作外推预测时，推断的范围一般不应超过抽水试验最大降深的23倍，否则预测的可靠性会降低。,S总,第四节 水均衡法,一、应用条件： 位于分水岭

13、地段的裸露型充水矿床， 主要接受大气降水的补给。 水文地质特征： 含水层厚度较薄，水位埋藏深、变幅大、升降迅速； 地层透水能力强，蓄水能力弱； 抽水试验条件困难，常无效果； 地下水动态与降雨直接相关； 补给区主要在矿区范围附近，以垂向补给为主； 矿区地下水与区域地下水很少发生水力联系，无侧向补给。,地下水运动 为非渗流型,二、基本原理 水均衡法是通过研究某一时期(均衡期)矿区(均衡区)地下水各收支项目之间的关系，建立地下水均衡方程，计算矿井涌水量。 V补V排V储 式中：V补均衡期内均衡区的补给量 V排均衡期内均衡区的排泄量 V储均衡期内均衡区储存量的变化,侧向流入 大气降水人渗 V补： 地表水

14、体渗漏补给 其它含水层越流补给 人工灌溉入渗等 V排： 人工排泄 侧向径流排泄 天然排泄 地下水蒸发排泄 向其它含水层越流 V储： 弹性释放 重力给水,均衡要素,均衡法一般只适用于完整的水文地质单元内补给和排泄量容易确定并且有长期观测资料的矿区总涌水量的概算。,例1：某井田的充水岩层两侧被阻水断层所切割和限制，与区域地下水失去水力联系，而且顶、底板都是隔水层，自成独立的水文地质单元，开采煤层需要疏干含水层，当为定流量排水时，其矿井涌水量的计算公式可表示为：,弹性给水,重力给水,例2：湖南某铁矿位于当地侵蚀基准面以上裸露的山岭斜坡上，矿层顶板主要充水层为强岩溶化的上泥盆系马牯脑灰岩。矿区开采条件

15、下的水均衡关系极为简单，可用水均衡法预测矿坑最大涌水量。,例3：某金属矿床位于小型山间盆地，产于基底岩浆岩中，因基岩含水微弱，可视为隔水层。露天开采时，覆盖于矿体上部的第四系砂砾石含水层和大气降水构成矿坑主要充水水源。,采场内被开挖含水层体积 采场外被疏干含水层体积 采场平面降水体积 采场外矿坑集水体积,第五节 解析法,一、应用条件分析,在矿区多水平疏干开采过程中，地下水运动流态时在稳定流和非稳定流间相互转换的。 开拓阶段 非稳定流方法 回采阶段 稳定流方法,二、计算步骤-5,第一步：建立水文地质概念模型 1、边界性质和形态 1）周边界的概化 隔水/透水 半无限直线、直交、斜交、平行边界； 2）内边界的概化及引用半径的确定 -井、钻孔或巷道系统的进水边界 -大井法/引用半径r0,3）引用影响半径R0的确定 -半经验公式 -经验公式,-塞罗瓦特科公式,4）最大疏干水位降深,钻孔涌水量最大时的降深 潜水 承压水 巷道疏干 =（1-2）m,Smax=H, 稳定流不适合，Q偏大（0.5-1）%； S30%M，非稳定流偏离实际情况，出现明显误差。,2、充水岩层的介质性质,1）加权平均厚度 潜水 承压水 2）加权平均渗透系数,-面积平均加权 -方向平均加权,3、疏干工程或巷道系统的布局 疏干工程及巷道系统的布局资料一般用来决定能否采用井流公式，同时也是确定引用半径的基础。,第