淺談如何對礦山礦坑涌水量預(yù)測

齊 良，尚文龍，姜 平

（江西省地質(zhì)局贛西北大隊(duì)，江西 九江 332000）

在礦山開采前要對礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測，礦坑涌水量預(yù)測一般分為井工礦和露天礦的礦坑涌水量預(yù)測，應(yīng)與水文地質(zhì)條件、可開采資源儲(chǔ)量分布和開采設(shè)計(jì)緊密結(jié)合確定預(yù)測計(jì)算范圍；一般應(yīng)由上到下、由淺到深進(jìn)行；以最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)為原則，避免過于復(fù)雜的計(jì)算公式；宜結(jié)合礦區(qū)探采對比總結(jié)規(guī)律，選擇最接近礦區(qū)實(shí)際的預(yù)測計(jì)算方法。新建礦山應(yīng)預(yù)測先期開采地段或第一開采水平（或中段）的礦坑涌水量生產(chǎn)礦山應(yīng)在現(xiàn)有水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上預(yù)測下一開采水平（或中段）的礦坑涌水量。

1 礦坑涌水量預(yù)測計(jì)算的條件

若要精確預(yù)測礦坑涌水量，應(yīng)詳細(xì)查明水文地質(zhì)條件，包括礦坑充水水源、礦坑充水主要因素和途徑，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)所在水文地質(zhì)單元的降雨入滲條件和地下水補(bǔ)給、徑流和排泄條件，預(yù)測開采條件下地下水系統(tǒng)補(bǔ)給、徑流和排泄特征變化，同時(shí)按照規(guī)范確定含水層厚度、水文地質(zhì)邊界和主要充水巖層具有代表性的水文地質(zhì)參數(shù)、計(jì)算水平（或中段）及范圍。

2 礦坑涌水量預(yù)測計(jì)算的程序

首先根據(jù)實(shí)際野外和鉆探工作，對礦床水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化，構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型，再建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型，最后帶入水文地質(zhì)參數(shù)求取涌水量。概念模型和數(shù)學(xué)概念模型的建立，應(yīng)貫穿于礦床勘查到開采的全過程，隨著對礦床水文地質(zhì)條件的深入不斷優(yōu)化。

3 常用的礦坑涌水量預(yù)測計(jì)算方法

3.1 井下礦

井下開采常用的礦坑涌水量預(yù)測計(jì)算方法主要是解析法和比擬法。

3.1.1 解析法

解析法分為大井法和水平廊道法，應(yīng)用前提一般是穩(wěn)定流解析法，充水巖層為大面積分布的強(qiáng)透水層，當(dāng)?shù)V山排水疏干至某一水平（或中段）后，水位基本穩(wěn)定，可視為穩(wěn)定流條件。當(dāng)?shù)叵滤幱跇O其緩慢的非穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)時(shí)，可近似可作為相對穩(wěn)定流。另一個(gè)前提是坑道系統(tǒng)能概化成理想的“大井”。

首先建立水文地質(zhì)概念模型，分析流場是否為穩(wěn)定流，邊界條件的概化，明確最大疏干水位降深，合理選取水文地質(zhì)參數(shù)。

其次建立數(shù)學(xué)模型，以完整井為基礎(chǔ)，建立穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，傾角大于或等于45°的層狀礦體通常選用大井法穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，傾角小于45°的層狀礦體通常選用水平廊道法穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型。

大井法穩(wěn)定流計(jì)算公式。

式中：Q—礦坑涌水量，單位（m3/d）。K—滲透系數(shù)，單位（m/d）。M—含水層厚度，單位（m）。s—水位降深，單位（m）。H—潛水含水層厚度，單位（m）。r0—巷道系統(tǒng)（大井）引用半徑，單位（m）。R0—坑道排水地下水引用影響半徑，單位（m）。

水平廊道法穩(wěn)定流計(jì)算公式。

式中：B—廊道水平長度，單位（m）。R—廊道排水地下水影響半徑，單位（m）。

最后根據(jù)礦山的具體情況選擇合適的公式將水文地質(zhì)參數(shù)帶入計(jì)算。

3.1.2 比擬法

比擬法應(yīng)用前提是在同一地區(qū)，地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、開采方式和規(guī)模相同或相似的礦坑。特別適用于有多年排水量觀測資料的生產(chǎn)礦井。

不同的充水條件可以選擇不同的比擬因子，通常有單位涌水量比擬法、富水系數(shù)法、比擬系數(shù)法等。

（1）單位涌水量比擬法：礦山正常生產(chǎn)條件下，礦坑涌水量與礦坑面積或體積的擴(kuò)大成正比，可用礦坑面積或體積換算新的礦坑涌水量。計(jì)算公式：

式中：Q0—已建生產(chǎn)礦井排水量，單位（m3/a）。F0—已建生產(chǎn)礦井疏干面積，單位（m2）。s0—已建生產(chǎn)礦井水位降深，單位（m）。Q—新建礦井排水量，單位（m3/a）。F—新建礦井疏干面積，單位（m2）。s—新建礦井水位降深，單位（m）。

（2）富水系數(shù)法：在一定時(shí)期內(nèi)，礦山正常生產(chǎn)條件下，從礦坑中排出的水量與同一時(shí)期開采出的礦石質(zhì)量為一常數(shù)，即：

式中：Q0—已建生產(chǎn)礦井排水量，單位（m3/a）。P0—已建生產(chǎn)礦井礦石開采量，單位（t/a）。Kp—富水系數(shù)，單位（m3/t）。Q—礦坑總涌水量，單位（m3/a）。P—新建礦井礦石開采量，單位（t/a）。

（3）比擬系數(shù)法：根據(jù)礦山統(tǒng)計(jì)資料，排水量與水位降深或采空區(qū)面積或采掘長度成正比，可采用比擬系數(shù)法。

水位降深：

式中：Q0—已建生產(chǎn)礦井排水量，單位（m3/a）。s0—已知礦井實(shí)際水位降深，單位（m）。Ks—降深系數(shù)，單位（m2/a）。Q—新建礦井排水量，單位（m3/a）。s—新建礦井實(shí)際水位降深，單位（m）。

采空區(qū)面積：

式中：KF—采空區(qū)面積系數(shù)，單位（m/a）。F0—已建生產(chǎn)礦井實(shí)際開采面積，單位（m2）。F—新建礦井開采面積，單位（m2）。

采掘長度：

式中：KL—采掘長度系數(shù)，單位（m2/a）。L0—已建生產(chǎn)礦井巷道實(shí)際開采長度，單位（m）。L—新建礦井巷道開采長度，單位（m）。

3.2 露天礦

露天礦的礦坑涌水量包括露天采礦地下水涌水量（Q1）、地表水匯入采坑水量（Q2）、降水滲入采坑水量（Q3）。修建有截水溝的礦山，預(yù)測計(jì)算地下水涌水量（Q1）、截水溝圈定范圍內(nèi)地表水匯入采坑水量（Q2）、降水滲入采坑水量（Q3）。對位于侵蝕基準(zhǔn)面以上或地下水水位以上順坡開采的露天礦，大氣降水即降即排，可不計(jì)算礦坑涌水量（Q1），大氣降水不能即降即排的，計(jì)算地表水匯入采坑水量（Q2）、降水滲入采坑水量（Q3）。

3.2.1 露天采礦地下水涌水量（Q1）

露天采礦地下水涌水量可根據(jù)解析法或者比擬法得到。

3.2.2 地表水匯入采坑水量（Q2）

式中：Q2—地表水匯入采坑水量，單位（m3）。F—采坑上游匯水面積，單位（m2）。P—降水量，單位（m）。α—地表徑流系數(shù)（可實(shí)測，可采用經(jīng)驗(yàn)值0.4—0.7）。

在地形條件允許的情況下，應(yīng)設(shè)置截水溝，以減少地表水采坑的水量。

3.2.3 降水滲入采坑水量（Q3）

直接降落在露天采坑中的降水量，應(yīng)進(jìn)行年（日）平均降水量的計(jì)算和最大日降水量計(jì)算。

年（日）平均降水量：

式中：Q3—降水滲入采坑水量，單位（m3）。F—露天礦坑的面積，單位（m2）。X—年平均降水量（或雨季日均降水量），單位（m）。

最大日降水量：

式中：Qp—設(shè)計(jì)頻率暴雨徑流量，單位（m3/d）。Hp—設(shè)計(jì)頻率暴雨量，單位（m）。F—露天礦坑的面積，單位（m2）。

式中：Sp—頻率為P的暴雨強(qiáng)度，單位（mm/min）。t—降水歷時(shí)，單位（min）。n—暴雨強(qiáng)度遞減指數(shù)，由當(dāng)?shù)豱值等值線查取?！?dú)v時(shí)日最大降水量平均值，單位（m）。

Φ—皮爾遜Ⅲ型曲線（P—Ⅲ型曲線）的離均系數(shù)，為頻率P與Cs的函數(shù)。Cs—偏差系數(shù)，一般是Cv的3～5倍，根據(jù)不同地區(qū)情況確定。Cv—變差系數(shù)。

式中：K—變率；H—統(tǒng)計(jì)系列中某年最大降水量，單位（m）。N—統(tǒng)計(jì)年數(shù)，單位（a）。

其中設(shè)計(jì)頻率的選取，露天礦排水設(shè)計(jì)頻率P，對于一般礦山，可根據(jù)礦山規(guī)模設(shè)計(jì)暴雨常用的頻率選用，一般選用設(shè)計(jì)暴雨頻率P為1%、2%、5%、10%，相應(yīng)重現(xiàn)期分別為100年一遇、50年一遇、20年一遇、10年一遇。

4 應(yīng)用

4.1 水文地質(zhì)條件概化

某礦區(qū)在回采階段，井巷輪廓大體已定，疏干流場主要受外邊界補(bǔ)給條件控制，礦坑涌水量被側(cè)向補(bǔ)給量平衡，流場特征除受季節(jié)變化影響外，呈相對穩(wěn)定狀態(tài)，為穩(wěn)定流。

4.2 水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型建立和參數(shù)選取

某礦區(qū)的礦體傾角為1°～40°，礦區(qū)內(nèi)主要礦體呈層狀、似層狀。坑道系統(tǒng)近似于帶狀狹長條形，坑道視為水平巷道，采用水平廊道法穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型公式（潛水）：Q=BK（2H-S）S /R

式中各符號(hào)意義：Q：坑道涌水量（m3/d）。B：坑道長度（m），以計(jì)算中段標(biāo)高上的礦體最大長度計(jì)。Kcp：抽水試驗(yàn)的平均滲透系數(shù)（m/d），取相應(yīng)中段賦存礦體的巖石滲透系數(shù)平均值。H：潛水面的水頭至坑道中段高度（m），取動(dòng)態(tài)水文觀測最大水位標(biāo)高為潛水面水頭，首采中段標(biāo)高+680m，潛水面標(biāo)高750.96m。S：坑道水位降低（m），S=H。R：中段疏干影響半徑（m），由R=2S（HKcp）1/2得。

4.3 計(jì)算結(jié)果

涌水量計(jì)算結(jié)果見下表1。

表1 大巖下礦段井采礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)語

在礦區(qū)涌水量預(yù)測計(jì)算中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際野外和鉆探工作，將水文地質(zhì)條件概化，建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型，通過抽水試驗(yàn)獲取合適的水文地質(zhì)參數(shù)，帶入合適的涌水量計(jì)算方法，并進(jìn)行評(píng)述。