李玲玲

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術學院 地質(zhì)學院，甘肅 天水741025)

礦坑涌水量預測是礦區(qū)水文地質(zhì)勘查階段的根本任務之一，也是開采設計部門制訂疏干措施、確定排水設備及確保礦山安全生產(chǎn)的主要依據(jù)。預測坑涌水量的方法很多，如大井法、解析法、數(shù)值法等。其中，大井法原理易懂，方法易行，在預測礦坑涌水量中被廣泛使用。本文以郎溪釩礦區(qū)為例，探討了大井法在礦坑涌水量預測中的應用。

1 “大井法”的基本原理及計算步驟

1.1 基本原理

目前礦井涌水量預測大體上可以分為確定性分析方法和不確定性(隨機)分析方法兩類[1]。大井法屬于確定性分析方法中的解析法，具有對井巷類型適應能力強、快速、簡便和經(jīng)濟等優(yōu)點[2]。在礦坑疏干過程中，當?shù)V坑的涌水量及周圍的水位呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的狀態(tài)時，即可認為以礦坑為中心形成的地下水輻射流場基本滿足穩(wěn)定井流的條件，理論上可將形狀復雜的整個井巷系統(tǒng)看成一個具有等效面積的大井在工作，則流向整個井巷系統(tǒng)的水量即相當于流向大井的水量，整個井巷系統(tǒng)圈定的面積相當于大井的面積，從而根據(jù)地下水動力學原理，將礦井水文地質(zhì)邊界概化為無限補給邊界模式，再利用裘布依穩(wěn)定流基本方程來近似計算大井涌水量，利用該法預測礦井涌水量則被稱為“大井法”。

1.2 計算步驟

1.2.1 建立數(shù)學模型

首先分析地下水的類型和疏干流場的水力特征，區(qū)分潛水與承壓水、穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流、層流與紊流、平面流與空間流。其次確定邊界類型，概化側(cè)向邊界、垂向邊界和內(nèi)邊界。側(cè)向邊界需確定邊界類型(隔水邊界和補給邊界)和邊界形態(tài);垂向邊界一般概化為隔水邊界和越流補給邊界;內(nèi)邊界一般概化為圓形[3]。

1.2.2 確定參數(shù)

(1)含水層的厚度(M或H):一般采用含水層的平均厚度或加權(quán)平均厚度。

(2)巖層的滲透系數(shù)(K):根據(jù)水文地質(zhì)試驗求得，是重要參數(shù)。

(3)引用半徑(r0):用公式求得

式中:r0為大井引用半徑(m);F為采礦系統(tǒng)總面積(m2);π為圓周率

(4)影響半徑(R0):一般采用經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式求得。

(5)水位降深(S):根據(jù)水文地質(zhì)試驗資料獲得。

1.2.3 計算

根據(jù)建立的數(shù)學模型，按有關生產(chǎn)要求，進行計算。

2 工程實例

2.1 礦區(qū)概況

郎溪釩礦礦區(qū)位于湖南省湘西自治州永順縣朗溪縣城東東93°，直距約43 km，面積 20.10 km2。該區(qū)位于分水嶺交匯地段，地勢較高，地形坡度大，總體地勢呈東部高，西部低，屬中、低山溶蝕與剝蝕構(gòu)造地貌，地形切割強烈，“V”字形溝谷發(fā)育，植被發(fā)育，水系發(fā)育。位于武陵山隆起構(gòu)造帶西北側(cè)邊緣地帶，區(qū)域構(gòu)造的北東收斂端，沒有明顯的斷裂構(gòu)造。以濱海―淺海相碳酸鹽巖和生物碎屑巖為主的沉積巖區(qū)，地層發(fā)育齊全。

礦區(qū)地下水類型劃分為松散堆積層類孔隙水，基巖裂隙水，碳酸鹽巖裂隙巖溶水三大類。含水層主要為第四系松散堆積層孔隙潛水含水層、基巖裂隙含水層、碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層。

2.2 充水因素及充水途徑分析

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件及未來礦山開采方式，礦床充水因素主要是以靜儲量為主的層間裂隙水、大氣降水及其上各含水層地下水沿開采井筒的補給。

大氣降水主要以地表井口倒灌和通過裂隙入滲進入礦井，礦井涌水受季節(jié)性大氣降水的影響較大。

礦區(qū)主要的裂隙含水層為∈1n底部與Z2l之間的層間裂隙含水層。該層為礦區(qū)的主要賦礦層位，為礦床直接充水含水層。

天然狀態(tài)下礦層頂?shù)装宓貙泳鶠楦羲畬?，礦床充水主要為礦體所在的層間裂隙水沿裂隙通道、個別封孔質(zhì)量較差的鉆孔滲透補給，大氣降水主要經(jīng)地表倒灌及近地表風化裂隙進入礦坑，同時通過礦體露頭帶補給直接充水含水層。未來礦山開采采用平巷加反斜井，各開采井筒會將礦層及其上含水層貫穿，其上各含水層的地下水經(jīng)豎井、未封鉆孔進入礦坑，造成礦層頂板直接充水。

2.3 涌水量預測計算

2.3.1 選擇公式

由于礦體在平面上從南到北呈連續(xù)分布，在縱向上，各個礦層之間并無明顯界線，且礦體之間標高彼此交錯，加之∈1n底部與Z2l整體為礦床直接充水含水層，因此把礦層作為一個層狀整體而不單獨劃分塊段預測。礦區(qū)礦層傾角平緩，斜井井筒與垂線交角小于45°，可視為豎井。計算公式采用承壓轉(zhuǎn)無壓完整井，均質(zhì)無限補給邊界條件計算。

2.3.2 確定參數(shù)

最低采礦標高采用工業(yè)品位礦體最低標高。邊界采用概化后的礦體平面投影的最大礦層面積范圍(2 016 478.12 m2)。靜止水位標高采用等水位線與“大井”邊界連接線交點水位標高的平均值。含水層平均厚度采用鉆孔所揭露承壓含水層垂直厚度的平均值。滲透系數(shù)利用ZK8-6水文地質(zhì)孔分層抽水試驗獲得的各次降深滲透系數(shù)，求取各含水層的平均滲透系數(shù)，計算整個充水含水層的加權(quán)平均滲透系數(shù)?！按缶币冒霃?r0)采用公式影響半徑(R)采用公式引用影響半徑(R0)采用公式R0=R+r0(見表1)。

表1 大井法涌水量預測結(jié)果

2.3.3 結(jié)果分析

(1)大井法適用于均質(zhì)、各向同性、等厚的含水層，而郎溪釩礦的主要充水水源裂隙含水層很難滿足該條件，概化誤差的存在降低了涌水量的可信度。

(2)大井法采用的裘布依公式的假設條件是地下水為穩(wěn)定流，可將空間流簡化為平面流，且處于穩(wěn)定流動狀態(tài)。但是在降深很大時，大井井壁水流早已不是緩變流，且由于不同富水性的多層含水層的復雜性，在大流量大降深條件下，很難處于穩(wěn)定流狀態(tài)，因此其模型與假設條件存在誤差。

(3)運用裘布依公式計算時，一般要求最大水位降不大于含水層一半，當降深很大時含水層處于疏干狀態(tài)，理論上大井過水斷面面積為零，已無水量可疏，因此用大井法計算的礦坑涌水量偏大。

3 結(jié)語

“大井法”作為一種常用的礦坑涌水量計算方法，具有簡單方便的特點，一般來說，穩(wěn)定流裘布依公式對于礦體形態(tài)較規(guī)則，水文地質(zhì)條件簡單，降深小，計算精度不高的情況下較適用。而對于礦體形態(tài)不規(guī)則，水文地質(zhì)條件復雜，大降深的礦坑涌水量計算則不適宜，計算結(jié)果容易失真。

礦井涌水量預測作為是礦床水文地質(zhì)勘查的根本任務之一，關系到礦山的生產(chǎn)安全與成本，對礦床的經(jīng)濟技術評價有很大的影響，而目前有些礦區(qū)計算誤差高達數(shù)十倍，甚至百倍以上[4]，為此建議:

(1)礦坑涌水量計算時，根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，選擇適用的計算預測方法，才能取得比較符合客觀實際的結(jié)果。數(shù)值模擬方法、水文地質(zhì)比擬法、Q-S曲線方程法、相關分析法、水均衡法、解析法和數(shù)值法等，每種方法都有其使用條件，只有選擇恰當?shù)姆椒ǎA測的礦坑涌水量才有較高的可信度。

(2)盡量采用兩種以上的方法進行對比計算，驗證偏差的大小。無論用何種方法計算礦坑涌水量，一定要進行礦區(qū)地下水補給量計算，從水量均衡的角度考慮礦坑涌水量計算的合理性。

(3)在礦區(qū)水文地質(zhì)勘查設計時，要有目的的布置勘查工作量，盡可能的查明礦床的水文地質(zhì)條件。根據(jù)礦床的水文地質(zhì)條件選擇合適的礦坑涌水量計算方法，才能取得較好的礦坑涌水量計算結(jié)果。

[1]楊永國，韓寶平，謝克俊，等.用多變量時間序列相關模型預測礦井涌水量[J].煤田地質(zhì)與勘探.1995，23(6):38-42.

[2]杜敏銘，鄧莫爾，許橫.礦井涌水量預測方法綜述[J].地質(zhì)學報.2009，29(1):70-73.

[3]郎利國，白東照，黃芳根，等.“大井法”在礦區(qū)礦坑涌水量預測中的應用分析——以黑龍江省遜克縣高松山金礦區(qū)為例[J].德州學院學報.2012，69(28):69-71.

[4]華解明.“大井法”預測礦井涌水量問題探討[J].中國煤炭地質(zhì).2009，21(6):45-47.