第五章矿井涌水量预测.pptx

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1、 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第1页/共66页一、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、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。主要工作第2页/共66页4、疏干工程的排水量 在规定的疏干时间内，将水位降到某

2、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！第3页/共66页 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417.4m3/d，实际值为预测值的256.3倍。实际涌水量预测方案一预测方案二6048 m3/d80524.8 m3/d95299.2 m3/d误差1

3、231%误差1475%例2：泗顶铅锌矿二、预测失误的原因分析第4页/共66页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！第5页/共66页三、矿井涌水量预测的特点矿井涌水量预测以准确地预测丰水

4、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。第6页/共66页四、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；(3)预测未

5、来开采条件下的外部边界。第7页/共66页 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8页/共66页第二步：选择计算方法，建立相应的数学模型 常用的数学模型为：数学模型分类非确定性统

6、计模型确定性模型混合型模型经验方程（比拟法）Q-S曲线方程回归方程渗流型非渗流型解析解-井流方程数值解有限元法有限差分法稳定井流公式非稳定井流公式第9页/共66页第三步：求解数学模型，评价预测结果 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10页/共66页第11页/共66页第二节 水文地质比拟法第12页/共66页 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

7、表达式的可靠程度。第13页/共66页 一、富水系数法 富水系数：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。已建矿新建矿第14页/共66页 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，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综合第15页/共66页二、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

8、量Q的依据。已建矿新建矿第16页/共66页注意：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：最小二乘法第17页/共66页第18页/共66页第三节 Q-SQ-S曲线外推法第19页/共66页 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。第20页/共66页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

9、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第21页/共66页 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、井径换算第22页/共66页1、建立QS曲线方程 可归纳为四种数学模型：直线型抛物线型幂曲线型对数曲线型第23页/共66页 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原来被阻塞的裂隙、岩

10、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）第24页/共66页 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。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

11、点图！（Qi，Si）第25页/共66页2)曲度法 在曲线上取两点，由下式求出曲度值n：曲度判定（Q1，S1）（Q2，S2）第26页/共66页 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为斜率的倒数第27页/共66页抛物线型 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第28页/共66页 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，所以在预测井筒涌水量时需进行井径换算。对数关系平方

12、根关系第29页/共66页 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。第30页/共66页 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。第31页/共66页 一般认识：I型曲线，出现在承压含水层或潜水含水层(水位降

13、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。第32页/共66页注意：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试S推S总第33页/共66页第四节 水均衡法第34页/共6

14、6页一、应用条件：位于分水岭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 第35页/共66页二、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第36页/共66

15、页 侧向流入 大气降水人渗V补：地表水体渗漏补给 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。第37页/共66页 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：弹性给水重力给水第38页/共66页 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

16、，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。q0-降雨补给强度 X-峰期旋回降水量 f-地下径流系数 -峰期系数 T-雨季峰期时间区 段F（m2）涌水量类型X（mm）f(%)（%）T（h）Qmax(m3/h)北864656多年10035.8021.0041610年60966第39页/共66页 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

17、集水体积第40页/共66页第五节 解析法第41页/共66页一、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复洲湾矿矿井涌水量曲线-70水平-110水平-150水平a-开拓阶段 b-回采阶段第42页/共66页二、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 第43页/共66页第44页/共66页3）引用影响半径R0的确定 -半经验公式 -经验公式

18、 第45页/共66页-塞罗瓦特科公式第46页/共66页4 4）最大疏干水位降深）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）mSmax=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。巷道底板含水底板第47页/共66页2 2、充水岩层的介质性质、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 K1K2垂直K1K2平行第48页/共66页-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49页/共66页第二步：确

19、定水文地质参数 水文地质参数包括渗透系数、给水度、导压系数、导水系数等，主要通过抽水试验获得。注意：试验孔的布置必须考虑试验区的水文地质条件和未来的计算方案。观测孔的布置要考虑将来观测数据能否利用或便于利用。抽水试验与延续时间要合理。计算公式的建立或选择必须符合试验区的水文地质条件，不能随意套用无限含水层的计算公式。第50页/共66页完整井稳定流非稳定流承压水潜水Dupuit公式Dupuit公式Thiem公式Thiem公式第三步：建立数学模型第51页/共66页非稳定流承压水潜水-井函数-BoultonBoultonlg（1/u）lgwlgtS1w1t1（1/u）1lgS第52页/共66页 具体

20、工作：区分稳定流/非稳定流 区分层流/紊流 区分平面流/空间流 区分潜水/承压水 倾斜巷道的处理45，与竖井类似，用辐射井流公式计算；45，与水平巷道相似，用剖面流公式计算。计算方法：映射法（分区法）根据疏干时地下水流场状态，沿流面或等水压面分割为若干扇形分流区，各分区采用平面辐射流公式计算其涌水量，各分流区涌水量总和即为全矿区总涌水量。第53页/共66页！按设计或建设、生产要求进行！A天然：根据矿区长期观测资料，选用平水期的水位作为初始水位，预测正常涌水量。然后求雨季洪水期的增量，以便确定矿井的最大涌水量。B疏干：S-t曲线和Q-t曲线，提供设计部门选择合理的疏降方案的依据。第四步：涌水量预

21、测非稳定流第54页/共66页第五步：预测结果的评价 实事求是地分析和评价预测过程中可能造成的误差，如条件概化、公式选择、参数取值等是否合理，并计算误差大小，为进一步的研究工作指出方向或提出建议。第55页/共66页 大井法1、计算范围计算范围可近似取长方形，33上02辅助工作面长约633m，基岩厚度小于70米的范围长467m，宽约147m。2、计算方法及选用公式计算方法选用地下水动力学法，视含水层为均质无界，用大井法，选用承压转无压完整井的稳定流涌水量计算公式：第56页/共66页式中:Q矿井涌水量，m3/d；K渗透系数，m/d，第四系下组含水层渗透系数取0.03m/d；H水柱高度，m，为静止水位

22、（+8.5m）至含水层底(-60.5m)的距离，取69m；M含水层厚度，m，根据崔庄煤矿钻孔柱状图提取的资料，平均厚度14m；h大井中水位，m，水位降至含水层底，取0m；S水位降深，m，为静止水位至疏干标高（含水层底部）的距离，取69m；r0引用孔径，m，半径为长方形；R0引用影响半径，m；3、计算结果：r0=177m；R0=297m，Q=323m3/d；4、若看作不规则圆形，计算结果r0=148m；R0=268m，Q=274m3/d。第57页/共66页第六节 数值法第58页/共66页一、预测涌水量的步骤根据计算区的地质、水文地质条件和水文地质概念模型选择相应的数学模型；根据抽水试验或地下水开

23、采水位动态资料用数值法反求水文地质参数，全面的检验矿区水文地质条件(包括边界条件)，进而判断所建的数学模型是否正确；在已知疏干工程的前提下，用修正好的参数和已知的外边界条件，计算矿井涌水量。第59页/共66页二、数值法预测可解决的问题可反求水文地质参数、验证边界条件和进行水文地质概化模型的识别。可预测开采期内各种水文地质条件、各种开采条件及各种设计降深条件下的各类井巷的涌水量和最大涌水量。模拟不同疏干方案地下水疏干过程，预报疏干地下水位的空间分布及选择最佳疏方案，预报最佳(有效)疏干量。用数值法预测矿坑涌水量时，可反映出预报区在疏干条件下各种水文地质条件的变化、疏干对天然排泄点和供水源地水量的

24、袭夺，并作出相应的预报。第60页/共66页FEFLOW数值方法预测涌水量1、水文地质概念模型根据第四系下组含水层的水文地质条件，可将其概化为均质、各向同性的三维承压含水层。由于下组含水层在33上02辅助工作面开采过程中主要接受侧向补给，矿区总的补给量无具体资料可查，现假定为第一类定水头补给边界，水位标高+8.5m。根据开采经验，为防止导水裂隙带向上导通第四系下组含水层，需将33上02工作面中上覆基岩厚度多小于65m的部分含水层疏干。因此，该范围内含水层水位标高降至-56.5m，即为定水头内边界。计算区为以要疏干的部分工作面为中心，将大井法的影响半径外扩，为1000m1000m的正方形模拟范围。

25、第61页/共66页2、数学模型 根据水文地质概念模型，假设第四系下组含水层水流为三维承压非稳定流，其数学模型为：3 3、模型参数、模型参数 水文地质参数：由于资料有限，渗透系数近似取0.03m/d。单元剖分：对计算区进行三角单元剖分，共3126个三角单元，3086个节点。第62页/共66页 三维定义：假设下组含水层为等厚承压含水层，厚度10m。初始条件：根据已有的观测资料，假定初始水位标高为+8.5m。边界条件：一是定水头补给外边界，水位标高为+8.5m；二是定水头补给内边界，水位标高为-56.5m。第63页/共66页 4、涌水量预测 运行FEFLOW数值模拟软件，得到的33上02工作面涌水量随时间的变化过程为：第一天涌水量最大为29.9m3/h，第三天为18.6m3/h，第六天降至13.8m3/h，随后逐步减小，最后趋于稳定值4.5m3/h。第64页/共66页 本章结束，谢谢合作！本章结束，谢谢合作！第65页/共66页感谢您的观看！第66页/共66页