陳藝迪，陳 萍

(1.貴州省地礦局111地質大隊，貴州 貴陽 550081；2.貴州省地質環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550081 )

1 引言

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

滿足該預測估算方法的立地條件必須是礦區(qū)內“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)資源的開采量之間呈“線性正相關”，但是，基巖山區(qū)礦床水文地質條件是復雜的，充水層的含水性和透水性在三度空間上也是非均質的，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)內人士持有不同的觀點。本文以開采歷史悠久的盤縣某大型煤礦為研究對象，在對礦區(qū)開采相關資料的收集、現(xiàn)場調研的基礎上，通過對礦井涌水量與煤炭開采量、開采深度、開采面積的統(tǒng)計分析，揭示了礦井涌水量與上述因素之間的相關關系。研究結果表明，在基巖山區(qū)采用“富水系數(shù)法”預測計算礦井涌水量是不合理、不可行的。研究成果對礦區(qū)水文地質勘探、礦井排水設計和生產(chǎn)都有重要的指導意義。

2 研究區(qū)基本概況

圖1 研究區(qū)位置及區(qū)域地質構造圖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發(fā)，為一具有悠久開采歷史、年開采規(guī)模達到120萬噸的國營大型礦山。據(jù)統(tǒng)計，礦山投產(chǎn)以來，煤炭資源的開采量已經(jīng)超過億噸，地下形成了數(shù)平方千米的采空區(qū)，礦山開采的動態(tài)資料豐富、齊全，在貴州省內開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象、礦山勘探及多年實際的開采及排水資料為基礎，以礦床水文地質學、系統(tǒng)理論學、統(tǒng)計學等為指導，對礦山實際的煤炭開采及礦井排水資料開展綜合研究。通過對礦山同期礦井排水量和煤炭資源開采量的統(tǒng)計，分析礦井涌水量與礦產(chǎn)資源開采量之間的相關特征以及采用“富水系數(shù)法”(或“噸煤涌水量”法)預測估算礦井涌水量存在的問題；通過對礦井涌水量與采空區(qū)面積、礦井排水疏干降深關系的分析，揭示采用“富水系數(shù)法”預測計算礦井涌水量不合理的原因，并提出對采用“比擬法”預測估算礦井涌水量應注意的問題。

3.2 數(shù)據(jù)采集

研究礦山為一國營大型礦山，礦山開采過程中生產(chǎn)管理規(guī)范，有關生產(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、開采疏干降深、礦井排水量序列資料，以及各年度煤炭開采量和累積開采量資料，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)計與分析

4.1 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

火鋪礦1978—1991年礦井涌水相關資料見表1。

表1 火鋪礦歷年礦井涌水量與相關因素統(tǒng)計表

4.2 分析與結果

4.2.1 煤炭開采量與礦井涌水量關系分析

4.2.1.1 “噸煤涌水量”與煤炭開采量關系

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

(1)

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

圖2 “噸煤涌水量”與“累計開采量”關系曲線圖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“累計開采量”的關系

為更進一步揭示礦井涌水量與煤炭開采量之間的關系，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“累積煤炭開采量(Ti)”做成相關曲線圖(圖3)。結果反映出，隨著礦山煤炭資源累計開采量的增大而減小。

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類型和水文地質條件有關外，還與礦山的開采規(guī)模和開采空間形態(tài)有關。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)”分別繪成散點圖曲線(圖4、圖5)，圖中反映如下特征：一是隨著礦山“累計采空區(qū)面積”和“開采排水疏干降深”的增大，礦井“涌水量”均隨之增大，但均呈 “非線性正相關”；二是隨著礦山開采延續(xù)、開采規(guī)模的擴大，礦井涌水量與開采面積關系曲線逐漸趨于平緩，而礦井涌水量與開采降深(S)曲線仍持續(xù)呈明顯的上升。其特征揭示：對于一個礦床水文地質條件確定的礦山，未來礦山開采涌水量大小主要受控于礦山的開采面積和開采深度(排水疏干降深)，并且礦山開采的深度(S)對礦井涌水量的影響遠大于開采面積(Fi)。

圖4 礦井涌水量與累計開采面積關系曲線圖

圖5 礦井涌水量與開采深度關系曲線圖

5 討論與結論

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，但是，受礦床水文地質條件的影響，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的，特別是在垂向上隨著開采深度增加，巖層的含水性和透水性呈減弱趨勢，難以滿足礦床充水層的含水性和透水性均質的條件。

(2)按照滲流理論，匯入采空區(qū)的流量與過水斷面面積和水力坡度成正比，而礦山開采地下水向采空區(qū)的運動中，控制礦井進水斷面和水力坡度的因素就是礦井的開采面積和開采深度，其中，開采深度對礦井涌水量的影響大于開采面積。

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

(4)鑒于上述理論與實踐，在生產(chǎn)實踐中，應充分利用礦山前期生產(chǎn)資料，確立礦石開采量與礦井排水量的相關關系，建立“噸礦涌水量”與 “礦石累積開采量”相關方程，然后結合未來的開采儲量，合理確定計算參數(shù)。

5.2 結論

通過研究得出如下主要結論：

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

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