矿坑涌水量预测的方法与特点水文地质勘察

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【摘要】：11.6.1.3 矿坑涌水量预测的特点虽然矿坑涌水量预测的原理方法与供水水资源评价类同,但其预测条件、预测要求与思路各有不同。

11.6.1.1 矿坑涌水量预测的内容及要求

矿坑涌水量预测是矿床水文地质勘察的重要组成部分。

矿坑涌水量是指矿山开拓与开采过程中,单位时间内涌入矿坑(包括井、巷和开采系统)的水量,通常以m3/d表示。它是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一,关系到矿山的生产条件与成本,对矿床的经济技术评价有很大的影响,并且也是设计与开采部门选择开采方案、开采方法,制定防治水及疏干措施,设计水仓、排水系统与设备的主要依据。因此,在矿床水文地质勘察中,要求正确评价未来矿山开发各个阶段的涌水量。其内容与要求可概括为以下四个方面:

(1)矿坑正常涌水量。指开采系统达到某一标高(水平或中段)时,正常状态下保持相对稳定的总涌水量,通常是指平水年的涌水量,即有变化规律的充水因素(不含井巷突水、地表水倒灌等)所形成的矿坑涌水量的常见值[11]。

(2)矿坑最大涌水量。指正常状态下开采系统在丰水年雨季时的最大涌水量,即有变化规律的充水因素(不含井巷突水,地表水倒灌等)所形成矿坑涌水量的最高峰值,计算方法依矿区的气象和水文地质条件具体情况确定[11]。

(3)开拓井巷涌水量。指井筒(立井、斜井)和巷道(平垌、平巷、斜巷、石门)在开拓过程中的涌水量。

(4)疏干工程的排水量。指在规定的疏干时间内,将一定范围内的水位降到某一规定标高时,所需的疏干排水强度。

11.6.1.2 矿坑涌水量预测的方法及步骤

矿坑涌水量预测是在查明矿床的充水因素及水文地质条件的基础上进行的,它是一项贯穿矿区水文地质勘察全过程的工作。一个正确预测方案的建立,是随着对水文地质条件认识的不断深化、不断修正、完善而逐渐形成的,一般应包括如下三个基本步骤[91]。

1.水文地质条件概化

矿坑涌水量预测数学模型,是对水文地质条件进行量化,预测精度主要取决于对矿床充水因素与水文地质条件判断的准确性,由于不同类型的数学模型对水文地质条件的刻画形式与功能各异,必须按数学模型的特点表述水文地质,称水文地质条件概化[91,92]。概化后的水文地质模型称水文地质概念模型,它在地质实体与数学模型之间起桥梁作用。其工作主要包括以下几个部分:①概化已知状态下的水文地质条件;②给出未来开采状态下的内边界条件;③预测未来开采状态下的外边界条件。

随着数学模型研究的不断进展,现代水文地质计算对水文地质模型的要求越来越高。目前对复杂的大水矿床来说,一个可靠的水文地质模型的建立,必须贯穿整个勘探过程,并大致经历三个阶段[92]。

第一阶段:通过对以往资料的整理,提出水文地质模型的“雏型”,作为下一步勘探设计的依据。

第二阶段:根据进一步勘探提供的各种信息数据,特别是大型抽(放)水资料,通过流场分析或数值模拟,完成对“雏型”模型的调整,建立水文地质模型的“校正型”。

第三阶段:在“校正型”的基础上,按开采方案给出疏干工程的内边界条件,根据勘探资料预测不同疏干条件下的外边界条件,建立水文地质概化模型的“预测型”。

2.选择计算方法与相应的数学模型

根据当前矿床水文地质计算中,常用的数学模型的地质背景特征,及其对水文地质模型概化的要求,可将其作如下类型的划分,如图11-14所示。

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图11-14　水文地质计算数学模型类型划分

详勘阶段要求选择两个或两个以上的计算方法,以相互检验、印证。选择时必须考虑三个基本要素:

(1)矿床充水因素及水文地质条件复杂程度。如:位于当地侵蚀基准面之上,以降水入渗补给的矿床,应采用水均衡法;水文地质条件简单或中等的矿床,可采用解析法或比拟法;水文地质条件复杂的大水矿床,要求采用数值方法。

(2)勘探阶段对矿坑涌水量预测的精度要求。

(3)勘探方法、勘探工程的控制程度与信息量。如:水均衡法,要求不少于一个水文年的完整均衡域的补给与排泄项的动态资料;Q-S曲线方程外推法,要求其抽水试验的水位降到预测标高水柱高度的1/3～1/2;数值法,要求勘探工程全面控制含水层的非均质各向异性、非等厚的结构特征及其边界条件与补给、径流与排泄,并提供数值模型的建立、识别、预测所需的完整信息和数据,这些数据的获取,只有采用大型抽、放水试验对渗流场进行整体控制与揭露才可能做到。

因此,计算方法与相应数学模型类型的选择,与矿床充水因素、水文地质条件复杂程度、勘探方法、勘探工程的控制程度及信息量是相互关联的。数学模型类型选择是否合理,可以用以下标准衡量[93]:

(1)对矿床水文地质条件的适应性。指能否正确刻画出水文地质条件的基本特征。

(2)对勘探方法、勘探工程控制程度的适应性。指是否最充分地利用勘探工程提供的各种信息,即信息的利用率;同时,也可理解为所选数学模型要求的勘探信息是否有保证,即信息的保障率。

3.计算数学模型,评价预测结果

应该指出,不能把数学模型的解仅仅看作是一个单纯的数学计算,而应看作是对水文地质模型和数学模型进行全面验证识别过程,也是对矿区水文地质条件从定性到定量,再回到定性和定量的不断深化的认识过程。

11.6.1.3 矿坑涌水量预测的特点

虽然矿坑涌水量预测的原理方法与供水水资源评价类同,但其预测条件、预测要求与思路各有不同。其主要区别如下:

(1)供水水资源评价,以持续稳定开采,确保枯水期安全开采量为目标,而矿坑涌水量的预测则是以疏干丰水期的最大涌水量为目标。

(2)矿床大多分布于基岩山区。含水层的非均质性突出,参数代表性不易控制,边界条件复杂、非确定性因素多,常出现紊流、非连续流与管道流,定量化难度大。

(3)矿山井巷类型及其分布千变万化,开采方法、开采速度与规模等生产条件复杂且不稳定,与供水的取水构筑物简单、分布有序、生产稳定形成鲜明的对比,给矿坑涌水量预测带来诸多不确定性因素。

(4)矿坑涌水量预测多在大降深情况下推测,此时开采条件对水文地质条件的改变难以预料和量化,这与供水小降深开采有明显差异。

(5)矿床水文地质勘察从属于矿产地质勘察,与专门性的供水水文地质勘察对比,前者一般投入小、工程控制程度低,预测所需的信息量相对少而不完整。

以上特点,决定了矿坑涌水量预测中存在诸多产生误差的客观条件,因此属于评价性计算,主要为矿山设计及采取进一步专门性补充勘探工作提供依据。

11.6.1.4 中国矿坑涌水量预测的现状与存在问题

中国矿坑涌水量预测发展迅速,经历了20世纪50年代的解析法、水均衡法与比拟外推法为主的时期;60年代后期,非稳定流解析法与相关分析法开始应用在少量矿区;70年代,数学模型技术进入了矿坑涌水量预测领域,数值模拟与电网模拟方法在矿坑涌水量预测中得到迅速发展。同时,衰减分析法与系统理论(黑箱)等集中参数系统模型也开始应用于矿坑涌水量预测[38];80年代以来,拟三维流、三维流、双重介质等数值模型在矿坑涌水量预测中得到不断开拓[95]。与此同时,出现各种形式的耦合模型、边界元和灰色系统等新方法也开始受到重视,使模型技术在中国矿坑涌水量预测中得到进一步发展[38]。

当前,中国矿坑涌水量预测的发展,也存在着发展不平衡的问题。一方面,在国家重点项目中,运用当代先进理论与方法,进行着具有国际水平的预测工作;另一方面,多数生产单位仍停留在传统方法的水平上,存在许多问题,难以满足矿山建设发展的要求。

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