基巖山區(qū)礦坑涌水量預(yù)測(cè)中“富水系數(shù)法”可行性討論

陳藝迪，陳 萍

(1.貴州省地礦局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550081 )

1 引言

所謂“富水系數(shù)”，一般定義為開(kāi)采單位體量礦石的礦井涌水量(m3/t)，用已開(kāi)采礦井累積涌水量與同期礦石累積開(kāi)采量之比來(lái)表征，所以又稱 “噸礦涌水量”。一些生產(chǎn)報(bào)告常根據(jù)礦山前期開(kāi)采資料計(jì)算的“噸礦涌水量”乘以礦山礦產(chǎn)資源可采儲(chǔ)量來(lái)預(yù)測(cè)估算未來(lái)礦井涌水量，除此外，還出現(xiàn)了采用礦山的單位開(kāi)采面積、礦坑疏干排水單位降深、狹長(zhǎng)坑道的單位長(zhǎng)度等為單位的“富水系數(shù)”計(jì)算公式，甚至近年的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《礦坑涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算規(guī)程》也將該方法列入礦井涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算方法之一。

滿足該預(yù)測(cè)估算方法的立地條件必須是礦區(qū)內(nèi)“富水系數(shù)”或稱“噸礦涌水量”為一“常數(shù)”，亦即礦井涌水量與礦產(chǎn)資源的開(kāi)采量之間呈“線性正相關(guān)”，但是，基巖山區(qū)礦床水文地質(zhì)條件是復(fù)雜的，充水層的含水性和透水性在三度空間上也是非均質(zhì)的，難以滿足該立地條件，采用“富水系數(shù)”估算礦井涌水量是否可行?業(yè)內(nèi)人士持有不同的觀點(diǎn)。本文以開(kāi)采歷史悠久的盤縣某大型煤礦為研究對(duì)象，在對(duì)礦區(qū)開(kāi)采相關(guān)資料的收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)礦井涌水量與煤炭開(kāi)采量、開(kāi)采深度、開(kāi)采面積的統(tǒng)計(jì)分析，揭示了礦井涌水量與上述因素之間的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果表明，在基巖山區(qū)采用“富水系數(shù)法”預(yù)測(cè)計(jì)算礦井涌水量是不合理、不可行的。研究成果對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)勘探、礦井排水設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都有重要的指導(dǎo)意義。

2 研究區(qū)基本概況

圖1 研究區(qū)位置及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Location of the study area and regional geological structure1—斷層；2—向斜；3—背斜；4—地名；5—研究區(qū)

礦山從七十年代建礦開(kāi)發(fā)，為一具有悠久開(kāi)采歷史、年開(kāi)采規(guī)模達(dá)到120萬(wàn)噸的國(guó)營(yíng)大型礦山。據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦山投產(chǎn)以來(lái)，煤炭資源的開(kāi)采量已經(jīng)超過(guò)億噸，地下形成了數(shù)平方千米的采空區(qū)，礦山開(kāi)采的動(dòng)態(tài)資料豐富、齊全，在貴州省內(nèi)開(kāi)采礦山中具有良好的代表性。

3 研究方法及數(shù)據(jù)采集

3.1 研究方法

研究工作以所選擇礦山為研究對(duì)象、礦山勘探及多年實(shí)際的開(kāi)采及排水資料為基礎(chǔ)，以礦床水文地質(zhì)學(xué)、系統(tǒng)理論學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等為指導(dǎo)，對(duì)礦山實(shí)際的煤炭開(kāi)采及礦井排水資料開(kāi)展綜合研究。通過(guò)對(duì)礦山同期礦井排水量和煤炭資源開(kāi)采量的統(tǒng)計(jì)，分析礦井涌水量與礦產(chǎn)資源開(kāi)采量之間的相關(guān)特征以及采用“富水系數(shù)法”(或“噸煤涌水量”法)預(yù)測(cè)估算礦井涌水量存在的問(wèn)題；通過(guò)對(duì)礦井涌水量與采空區(qū)面積、礦井排水疏干降深關(guān)系的分析，揭示采用“富水系數(shù)法”預(yù)測(cè)計(jì)算礦井涌水量不合理的原因，并提出對(duì)采用“比擬法”預(yù)測(cè)估算礦井涌水量應(yīng)注意的問(wèn)題。

3.2 數(shù)據(jù)采集

研究礦山為一國(guó)營(yíng)大型礦山，礦山開(kāi)采過(guò)程中生產(chǎn)管理規(guī)范，有關(guān)生產(chǎn)記錄較齊全、資料的可信度較高。研究工作收集了礦山1978—2007年共30年不同年份的大氣降水量、采空區(qū)面積、開(kāi)采疏干降深、礦井排水量序列資料，以及各年度煤炭開(kāi)采量和累積開(kāi)采量資料，其中1978—1991年的資料最為齊全，以此作為研究工作的依據(jù)。

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

4.1 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

火鋪礦1978—1991年礦井涌水相關(guān)資料見(jiàn)表1。

表1 火鋪礦歷年礦井涌水量與相關(guān)因素統(tǒng)計(jì)表

4.2 分析與結(jié)果

4.2.1 煤炭開(kāi)采量與礦井涌水量關(guān)系分析

4.2.1.1 “噸煤涌水量”與煤炭開(kāi)采量關(guān)系

以 1978年為起始年份，分別統(tǒng)計(jì)從起始年至不同年份煤炭累積開(kāi)采總量(Ti)和礦井排水總量(Qi)，并采用采用式(1)計(jì)算出不同年份的所謂“噸煤涌水量((Wi))”：

(1)

將截至不同年份的“累積煤炭開(kāi)采量(Ti)”與同期“噸煤涌水量(Wi)”在平面直角坐標(biāo)系中繪成散點(diǎn)圖(圖2)，圖中看出，二者之間并不呈“線性相關(guān)”，并反映出隨著煤炭“累積開(kāi)采量”的加大，“噸煤涌水增量”呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)以研究礦山1978—1991年“噸煤涌水量”與煤炭“累積開(kāi)采量”序列資料為依據(jù)，對(duì)該礦山 “噸煤涌水量”與煤炭“累積開(kāi)采量”之間進(jìn)行相關(guān)分析。分析結(jié)果，二者之間呈良好的“非線性”對(duì)數(shù)相關(guān)。

圖2 “噸煤涌水量”與“累計(jì)開(kāi)采量”關(guān)系曲線圖Fig.2 Relation curve of ton coal water dischargeand cumulated output

N=14 R= R=0.9207

W=-0.5016+1.19631gT

(2)

4.2.1.2 “噸煤涌水增量”與“累計(jì)開(kāi)采量”的關(guān)系

為更進(jìn)一步揭示礦井涌水量與煤炭開(kāi)采量之間的關(guān)系，以年為單位，根據(jù)相鄰年份礦井“噸煤涌水量”數(shù)據(jù)，計(jì)算逐年份“噸煤涌水增量(△Wi)”，并將“噸煤涌水增量(△Wi)”與同期“累積煤炭開(kāi)采量(Ti)”做成相關(guān)曲線圖(圖3)。結(jié)果反映出，隨著礦山煤炭資源累計(jì)開(kāi)采量的增大而減小。

4.2.2 礦井涌水量主要控制因素分析

礦井涌水量除了受礦山所處礦床水文地質(zhì)類型和水文地質(zhì)條件有關(guān)外，還與礦山的開(kāi)采規(guī)模和開(kāi)采空間形態(tài)有關(guān)。將不同年份礦井的“累積涌水量(Wi)”與同期“累積采空區(qū)面積”、“累積涌水量(Fi)”與同期“排水疏干降深(Wi)”分別繪成散點(diǎn)圖曲線(圖4、圖5)，圖中反映如下特征：一是隨著礦山“累計(jì)采空區(qū)面積”和“開(kāi)采排水疏干降深”的增大，礦井“涌水量”均隨之增大，但均呈 “非線性正相關(guān)”；二是隨著礦山開(kāi)采延續(xù)、開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大，礦井涌水量與開(kāi)采面積關(guān)系曲線逐漸趨于平緩，而礦井涌水量與開(kāi)采降深(S)曲線仍持續(xù)呈明顯的上升。其特征揭示：對(duì)于一個(gè)礦床水文地質(zhì)條件確定的礦山，未來(lái)礦山開(kāi)采涌水量大小主要受控于礦山的開(kāi)采面積和開(kāi)采深度(排水疏干降深)，并且礦山開(kāi)采的深度(S)對(duì)礦井涌水量的影響遠(yuǎn)大于開(kāi)采面積(Fi)。

圖4 礦井涌水量與累計(jì)開(kāi)采面積關(guān)系曲線圖

圖5 礦井涌水量與開(kāi)采深度關(guān)系曲線圖

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

(1)滿足所謂“富水系數(shù)”為“常量”的前提條件必須是礦床充水層的含水性和透水性均質(zhì)，但是，受礦床水文地質(zhì)條件的影響，基巖山區(qū)礦床充水層的含水性和透水性在三度空間上都是非均質(zhì)的，特別是在垂向上隨著開(kāi)采深度增加，巖層的含水性和透水性呈減弱趨勢(shì)，難以滿足礦床充水層的含水性和透水性均質(zhì)的條件。

(2)按照滲流理論，匯入采空區(qū)的流量與過(guò)水?dāng)嗝婷娣e和水力坡度成正比，而礦山開(kāi)采地下水向采空區(qū)的運(yùn)動(dòng)中，控制礦井進(jìn)水?dāng)嗝婧退ζ露鹊囊蛩鼐褪堑V井的開(kāi)采面積和開(kāi)采深度，其中，開(kāi)采深度對(duì)礦井涌水量的影響大于開(kāi)采面積。

(3)生產(chǎn)實(shí)踐表明，即使礦床水文地質(zhì)條件相同的同一基巖山區(qū)礦山，礦井涌水量和礦石開(kāi)采量之間都不可能呈“線性相關(guān)”關(guān)系，即所謂“富水系數(shù)”或稱“噸礦涌水量”并不是一個(gè)確定的“常數(shù)”。盡管礦井涌水量隨著礦山開(kāi)采量的加大而增大，但涌水量增加量隨之減小，礦石開(kāi)采量與礦井涌水量之間呈“非線性正相關(guān)”。

(4)鑒于上述理論與實(shí)踐，在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)充分利用礦山前期生產(chǎn)資料，確立礦石開(kāi)采量與礦井排水量的相關(guān)關(guān)系，建立“噸礦涌水量”與 “礦石累積開(kāi)采量”相關(guān)方程，然后結(jié)合未來(lái)的開(kāi)采儲(chǔ)量，合理確定計(jì)算參數(shù)。

5.2 結(jié)論

通過(guò)研究得出如下主要結(jié)論：

(1)采用所謂“富水系數(shù)”法預(yù)測(cè)估算礦井涌水量是不合理、不可行的。

(2)即使在的水文地質(zhì)條件相同的同一礦山，由于基巖礦山礦井涌水量是礦井開(kāi)采面積、含水層疏干水位降深的函數(shù)，因此，簡(jiǎn)單采用所謂“面積比擬法”、“降深比擬法”、“狹長(zhǎng)坑道的單位長(zhǎng)度比擬法”等單因子比擬法來(lái)預(yù)測(cè)礦井涌水量也不合理的。在利用實(shí)際開(kāi)采資料采用比擬法預(yù)測(cè)礦山礦井涌水量時(shí)，必須同時(shí)考慮開(kāi)采面積(F)、含水層疏干水位降深(S)兩個(gè)因素。