矿坑涌水量的常用预测方法汇总

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§10.4矿坑涌水量预测

一、矿坑涌水量预测的内容、方法、步骤与特点

（一）矿井涌水量预测的内容及要求

矿坑涌水量预测是一项重要而复杂的工作，是矿床水文地质勘探的重要组成部分。

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/h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，在矿床水文地质调查中，要求正确评价未来矿山开发各个阶段的涌水量。其内容与要求包括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。

（2）矿坑最大涌水量：是指正常状态下开采系统在丰水年雨季时的最大涌水量。对某些受暴雨强度直接控制的裸露型、暗河型岩溶充水矿床来说，常常还应依据矿山的服务年限与当地气象变化周期，按当地气象站所记录的最大暴雨强度，预测数十年一遇特大暴雨强度产生时，可能出现暂短的特大矿坑涌水量，作为制订各种应变措施的依据。

（3）开拓井巷涌水量：指包括井筒(立井、斜井)和巷道（平、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：是指在规定的疏于时间内，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。

对于地质勘探阶段来说，主要是进行评价性的计算，以预测正常状态下矿坑涌水量及最大涌水量为主。至于开拓井巷的涌水量预测和专门性疏干工程的排水量的计算，由于与矿山的生产条件密切相关，一般均由矿山基建部门或生产部门承担。

（二）矿坑涌水量预测的方法

根据当前矿床水文地质计算中常用的各种数学模型的地质背景特征极其对水文地质模型概化的要求，可作如下类型的划分：

???????

??????????????????????????-混合型模型水均衡法

有限差法有限元法数值解非稳定井流公式稳定井流公式—井流方程—解析解确定模型回归方程曲线方程非确定性统计模型数学模型分类s Q （三）矿坑涌水量预测的步骤

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探全过程的工作，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，一般应遵循如下三个基本步骤：

1. 选择计算方法与相应的数学模型

详勘阶段均要求选择2个或2个以上的计算方法，以相互检验，映证。选择时必须考虑三个基本要素：

（1）矿床的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，要求具抽水试验的水位降达到预测标高水柱高度的1/2~1/3；解析法，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数据，这些数据的获取，只有采用大型抽、放水试验对渗透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，与矿床的充水因素及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，统一在最佳技术经济条件这一原则下，所以数学模型类型选择是否合理，可以用以下标准衡量：

一是对矿床水文地质条件的适应性：指能否正确刻画水文地质条件的基本特征；

二是对勘探方法勘探工程控制程度的适应性：指是否最充分的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。

2. 构造水文地质模型

矿坑涌水量预测中数学模型的作用，是对水文地质条件进行量化，因此预测精度主要取决于对充水因素与水文地质条件判断的准确性，由于不同数学模型类型对水文地质条件的刻画形式与功能各异，因此必须按数学模型的特点构造水文地质模型，称水文地质条件概化。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中介桥梁作用。下面以最基本的预测方法——解析法与数值法为例作一讨论。

（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。

解析法将复杂的含水层结构与内外边界，以理想化模式构造理论公式，因此必须按解析解要求进行概化。如含水层均质等厚，内外边界几何形态规则，边界供水条件简单、确定。

数值法以近似分割原理对复杂的含水层结构、内外边界条件进行量化“逼真”，概化时要求以控制水文地质条件与内外边界的节点参数、水位与流量来构造水文地质概念模型。

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。即：

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。尤其对大型抽（放）水试验的设计具有特殊重要的意义；

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”。

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在回到定性的不断深化的认识过程。

（四）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。如：

（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；而矿坑涌水量预测则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。含水质的非均质性突出。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，与供水的取水建筑物简单、分布有序、生产稳定形成显明对比，给矿坑涌水量预测带来诸多不确定性因素。

（4）矿坑涌水量预测多为大降深下推。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）矿床水文地质勘探从属于矿产地质勘探，与专门性的供水水文地质勘探对比，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，为矿山设计及采前进一步专门性补充勘探提供依据。

二、Q~S曲线方程外推法

（一）原理与应用条件

指用稳定井流条件下抽水试验的Q=f （s ）方程，外推未来疏干水位降的涌水量。实质上也是一种相似条件下的比拟法。应用时的前提条件是：一、抽水试验建立Q=f （s ） ，应符合稳定井流条件；二、抽水试验的各种条件应与预测对象的疏干条件接近。因此，必须重视试验的技术条件，包括：

1.应将抽水试验孔布置在预测对象的分布地段，保证水文地质条件的一致性；

2.采用大口径（或孔组）试验，计算时为消除井径对涌水量的影响，需做井径换算；

3.抽水降深应大于疏干水位水柱高度的1/2~1/3，计算时的外推疏干降深不应超过1.75倍的抽水降深，主要考虑疏干状态下的补给条件；

4.用枯季抽水试验预测正常涌水量，根据雨季试验预测季节性最大涌水量；

5.要排除抽水过程中一切自然和人为随机影响因素的干扰。

Q~s 曲线方程法的优点是：回避各种水文地质参数求参过程中的失真，计算简单易行。适用于建井初期的井筒涌水量预测。上水平疏干资料外推下水平的涌水量，以及矿床规模小、矿体分布集中、边界条件和含水结构复杂的涌水量预测。

（二）计算方法与步骤

1. 鉴别Q~s 曲线类型

（1）曲度法：即用曲度n 值进行鉴别：1212lg lg lg lg Q Q S S n --=，当n ＝1时，

为直线Q =qS ；1＜n ＜2时，为幂曲线Q =b S a ；n ＝2时，为抛物线S=aQ+bQ 2；n ＞2时，为半对数曲线S=a+blgS 。如果n ＜1时，表明抽水试验不正确。

2. 确定方程参数

（1）最小二乘法：应根据Q=f （s ）类型选用最小二乘法，如常见的幂函数型：

∑∑∑∑∑=-?-Q S Q S N S S b lg lg )lg (lg )lg ()(lg 22

N S b Q a ∑∑-

=lg 1lg lg （2）图解法：即利用直角坐标的图解，a 为图解中纵坐标上所切的截距线段；b 为直线对水平倾角的正切。

其它类型详见地下水动力学。

3. 井径换算

（1）根据稳定井流理论中，不同地下水运动（层流、紊流）状态下井径与涌水量关系

进行换算，如层流： ）

（）（井井孔孔孔井r R r R Q Q lg lg lg lg --=；紊流：孔井孔井r r Q Q =。试验表明：井径对涌水量的影响，一般比对数大，而小于平方根。

（2）用二次或二次以上不同孔径的抽水试验资料建立井径d 的换算公式：Q =md n ，m 、n 值可用最小二乘法求得。

4. 水均衡论证

将预测结果进行疏干条件下的水均衡论证，分析所得的最大涌水量是否符合疏干状态下的边界补给条件。

（三）实例

1. 广东某金属矿，曾用Q—s曲线法预测+50m水平的涌水量为14450m3／d，与坑道放水试验的外推涌水量(14000m3/d)接近，而解析法预测的结果(12608m3／d)则偏小12％。

2. 湖南叶花香铜矿，1970年采用试生产坑道的排水量与水位降资料。分别用两种曲线类型对未来四个中段的涌水量进行外推预测，后经实际检验见表14-2。

计算方法

不同降深的水量

52.45m

73.33m 99.47m 水量（m 3/d ）

误差 （%）

水量（m 3/d ） 误差 （%） 水量（m 3/d ） 误差 （%） 计算 实际 计算 实际 计算 实际 S=aQ+bQ 2 15145 16937

-10.60 18223

23644

-22.90 21514 31155 -31.00 Q =b S a 14840

-12.40 18093 -23.50 21582 -30.70 实际检验表明预测结果与实际情况较接近，产生误差的主要原因是其间曾发生两次大突水淹井，大量泥沙溃入矿坑，地面出现岩溶坍陷和裂缝所致。

三、相关分析法

（一）原理与应用条件

相关分析是根据涌水量与主要影响因素之间相关关系的密切程度建立回归方程，利用抽水试验或开采初期的疏干资料，预测矿坑涌水量或外推开采后期下水平的涌水量。其原理已在供水中介绍。根据实际资料的统计，多元复相关预测远比单相关效果好，其回归方程表达的内容丰富，可反映除降深外的各种影响因素。它的应用条件与Q —s 关系方程类同，但对原始数据的采集有严格要求：

1代表性：（规范）要求不少于一个水文年（包括丰、平、枯季节）的动态观测数据，同时数据（择本）量不少于30个；

2一致性：指应与预测对象上条件相一致；

3独立性与相关性：即多自变量有独立的变化规律，相互间关系不大；而与涌水量之间均存在密切的相关关系，（规范）要求相关系数不低于0.7。

（二）实例与计算方法

1. 利用勘探阶段抽水试验资料预测矿坑涌水量

如广东沙洋矿通过在勘探阶段设计相距6m 的两个抽水孔和十余个不同距离的观测孔组成的群孔抽水试验，取得了复相关计算所需的涌水量Q 与井径r （是将距抽水孔不同距离观测孔的位置概化为疏干状态下的坑道系统不同面积的作用半径）、水位降S （即不同作用半径的水位降，以模拟疏干水位降）有关资料，（见表3）通过求参建立了复相关幂函数预测

方程：

536.11843.31

89.11S r Q

其复相系数达0.9468，复相关机误仅0.0721，完全可用于未来矿山各设计水平与面积的矿坑涌水量预测。经实际排水资料检验，预测误差偏小38~56%，主要与开采导函大量地面岩溶坍陷有关。

表3

S （m ） r （m ）

Q （L/s ） 50.53 54.76 125.50 127.90 150.90 202.20 216.50

34.491

1.147 1.705 55.168

2.053 2.033 1.567 1.784 1.427 1.393 69.145 2.984 2.902 2.116 2.474 2.005 1.861 1.308

2. 利用矿山观测资料外推预测

可充分考虑矿坑涌水量的增长和各项生产因素间的关系，并根据它们之间的密切程度来建设涌水量方程。在原苏联顿巴斯煤矿的某些涌水量预测中，首先，在30个矿井中建立了320个观测点，获得了涌水量（Q 2）与各生产因素（包括矿产量P 0、开采深度H 0、开采面积F 0、生产时间T 0等）之间的相关关系，以及其密切程度，见表14-4。 表14-4

相关系数r lgQ 0

lgP 0 lgH 0 lgF 0 lgT 0 lgQ 0 —

0.664 0.451 0.593 0.175 lgP 0 0.664

— 0.340 0.680 0.323 lgH 0 0.451

0.340 — 0.559 0.523 lgF 0 0.593

0.680 0.559 — 0.778 lgT 0

0.175 0.323 0.523 0.778 — 根据判别得知，生产时间T 0对的影响不大（相关系数为0.175）。用多元复相关计算，求得四元复相关曲线回归方程：

11.0024.0051.00072.0F H P Q =

其复相关系数：。在此基础上建立了比拟公式：

11.0024.0051.000???? ?????? ?????? ??=F F H H P P Q Q

预测结果与传统的单位涌水量法相比，使误差减少1.4倍（式中P 、H 、F 为设计值）。

四、解析法

（一）解析法的应用条件

解析法是根据解析解的建模要求，通过对实际问题的合理概化，构造理想化模式的解析公式，用于矿坑涌水量预测。具有对井巷类型适应能力强、快速、简便、经济等优点，是最常用的基本方法。解析法预测矿坑涌水量时，以井流理论和用等效原则构造的“大井”为主，后者指将各种形态的井巷与坑道系统，以具有等效性的“大井”表示，称“大井”法。因此说：矿坑涌水量计算的最大特点是“大井法”与等效原则的应用，而供水则以干扰井的计算为主。

稳定井流解析法：应用于矿坑疏干流场处于相对稳定状态的流量预测。包括①在已知某开采水平最大水位降条件下的矿坑总涌水量；②在给定某开采水平疏干排水能力的前提下，计算地下水位降深（或压力疏降）值。

非稳定解析法：用于矿床疏干过程中地下水位不断下降，疏干漏斗持续不断扩展，非稳定状态下的涌水量预测。包括：①已知开采水平水位降（s）、疏干时间（t），求涌水量（Q）；

②已知Q、s，求疏干某水平或漏斗扩展到某处的时间（t）；③已知Q、t，求s，以确定漏斗发展的速度和漏斗范围内各点水头函数隨时间的变化规律，用于规划各项开采措施。在勘探阶段，以选择疏干量和计算量最大涌水量为主。

（二）计算方法

如上所述，应用解析法预测矿坑涌水量时，关键问题是如何在查清水文地质条件的前提下，将复杂的实际问题概化。它可概括为如下三个重要方面：分析疏干流场的水力特征，合理概化边界条件，正确确定各项参数。

1. 分析疏干流场的水力特征

矿区的疏干流场是在天然背景条件下，迭加开采因素演变而成。分析时，应以天然状态为基础，结合开采条件作出合理概化。

（1）区分稳定流与非稳定流

矿山基建阶段，疏干流场的内外边界有受开拓井巷的扩展所控制，以消耗含水层储量为主，属非稳定流；进入回采阶段后，井巷输廊大体已定，疏干流场主要受外边界的补给条件控制，当存在定水头（侧向或越流）补给条件时，矿坑水量被侧向补给量或越流量所平衡，流场特征除受气候的季节变化影响外，呈现对稳定状态。基本符合稳定的“建模”条件，或可以认为两者具等效性；反之，均属非稳定流范畴。

如河北开滦煤矿，其矿坑涌水量随坑道走向的延展而增加，但这种延展暂停时，涌水量立即出现相对的稳定。此时仅表现有受降水的季节变化在一定变幅范围内上下波动，并出现强出水点和边缘出水点成袭夺中间出点现象，而总涌水量不变。又如辽宁复州粘土矿，其涌水量随采深增加，但某一水平进入回采时，其涌水量就逐渐稳定，并保持到下一水平突水进止，在此阶段虽然也出现下水平突水点袭夺上水平突水点现象，但总涌水量却保持不变。由此可见，在某些矿区的疏干过程中，不仅存在疏干流场的相对稳定阶段，而且隨矿山工程的进展而不断相互转化。

但选用稳定流解析法时要慎重，必须进行均衡论证，判断疏干区是否真正存在定水头供水边界或定水头的越流系统。此外，对于地下水储存量较大的矿区，要单独计算疏干过程中不同阶段含水层储存量的放强度，大量生产实际表明，矿坑最大涌水量，并非出现在疏干过程的稳定阶段。

（2）区分达西流与非达西流

在矿坑涌水量计算时，常遇到非达西流问题，它涉及解析法的应用条件，在宏观上可概括有两种情况：

一是暗河管道岩溶充水矿床，地下水运动为压力管道流与明渠流；此外，分水岭地段的充水矿床，矿坑涌水量直接受垂向入渗降雨强度控制，与水位降深无关。两者均与解析法的“建模”条件相距甚大，矿坑涌水量预测应选择水均衡法或各种隨机统计方法。

二是，局部状态的非达西流，常发生在大降深疏干井巷附近与某些特殊构造部位，它只对参数计算与参数的代表性产生影响。在宏观上，它是一个流态概化问题，不存在解析法的应用条件问题。

（3）区分平面流与空间流

严格讲，在大降深疏干条件下，地下水运动的垂向速度分量不能忽略，均为三维空间流（包括非完整井巷的地下水运动）问题，其分布范围仅限于井巷附近，均为含水层厚度的

1.5~4.75倍。因此，在矿坑涌水量预测中，大多将其纳入二维平面流范畴，在宏观上不影响预测精度。计算时应根据井巷类型作出不同的概化：

如：竖井的涌水量计算，可概化为平面径向流问题，以进流公式表达；计算水平巷道涌水时，以剖面平面流近似，采用单宽流量解析公式，但其两端上往往也产生辐射流（见图），需要考虑它的存在，并采用平面径向流公式补充计算巷道端部的进水口。

坑道系统则复杂得多，根据“大井法”原理，一般以近似的径向流概化，但当坑道系统近于带状的狭长条形时，也可概化为剖面流问题。

对于倾斜坑道，根据阿勃拉莫夫有关水电比拟法的研究，证明坑道的倾斜对涌水量影响不大，可根据坑道的倾斜度，分别按竖井或水平巷道进行近似。即：若坑道倾斜度＞450时，视其与竖井近似，用井流公式计算；若坑道倾斜度＜450时，则视其与水平巷道近似，用单宽流量公式计算。

根据解析解的存在条件，一些简单的非完整井巷涌水量计算，可以运用三维空间问题予以解决。此时，可根据非完整井的特点，运用地下水动力学中映射法与分段法的原理来求解。通常用平面分段法解决完整竖井的涌水量计算，用剖面分段法解决非完整平巷的涌水量计算。

（4）区分潜水与承压水

与供水不同，在降压疏干时，往往出现承压水转化为潜水或承压－无压水。此外，在陡倾斜含水层分布的矿区，还可能出现坑道一侧保持原始承压水状态，而另一侧却由承压水转化无压水或承压－无压水的现象。概化时，需从宏观角度作等效的近似处理。

2. 边界条件的概化

边界条件概化的失误是导致解析解失真的主要原因之一。由于理想化要求常与实际条件相差甚远，成为解析法应用中的难点，也是解析法预测矿坑涌水量的重要环节。

（1）侧向边界的概化 l P q 34

q Pl +m l P l

2P d

2P +S 1T 壶天河Ⅰ

ⅡⅢ

图14-2 恩口矿区边界条件转化示意图

1－T 1s+P 2d 下叠大冶组；2－P 2l 上叠龙潭组隔水层；

3－P 1m+P 1q 4 下二叠茅口组与栖霞组岩溶含水层；

3γδ

b

ΜδγⅢ号矿体矿坑

解析法要求将复杂的边界补给条件概化为隔水与供水两种进水类型；同时，将不规则的边界形态，简化为规则的。但实际问题中一般难以具有上述理想条件，其进水条件 常常既不完全隔水，又不具有无限补给能力，它的分布也极不规则。为此，必须通过合理的概化，缩小理论与实际的差距，满足近似的计算要求。其要点是：

①立足于整体概化效果；

②以均衡为基础，用好等效原则。等效原则是边界概化中的无奈之举，即：通过对概念（如相对隔水边界、近似定水边界）寻找近似处理的途径；或根据等效原则将垂向越流补给和侧向补给共同构造定水头边界，将局部进水口概化为区域进水边界等。但这些等效原则的应用，必须建立在区域水均衡条件论证的基础上，并涉及参数的优化处理。

③充分考虑开采因素。疏干流场始终处于补给量与疏干量不断变化的动平衡状态，随着开采条件的变化，边界的位置及其进水条件常发生转化，如湖南恩口煤矿的东部边界（见图14-2），在Ⅰ水平疏干时东部壶天河不起作用；开采延伸至Ⅱ水平时，因排水量增大漏斗扩展到壶天河，成为茅口灰岩的定水头供水边界；当疏干达到Ⅲ水平时，排水量随降深继续增加，当壶天河的补给能力无法与其平衡时，其定水头供水边界已不复存在，漏斗扩展至由隔水层构造的隔水边界，但壶天河仍以变水头集中补给形式平衡疏干漏斗的发展。概化时，应与西部边界的供水条件作统一的整体殾考虑，如仅就东部边界而言，可用等效原则按第一类越流边界处理，但须从均衡出发，确定一个相当于第一类越流作用的“引用越流系数”取代；此外，也可单独计算壶天河的渗漏量，作为矿坑涌水量的一部分。

④边界几何形态的概化也需认真对待。如湖北铜汞山铜矿的露天矿涌水量预测：矿坑充水来自围岩大理岩，与东西两侧岩浆岩隔水层呈似以300交角，向南敞开（见图14-3）所。60年代勘探时，概化为东侧直线隔水的环状供水边界，采用非完整井稳定井流域，预测矿坑涌水量为5958~7985m 3/d ，而实际涌水量仅3790 m 3/d ，误差57~111%。70年代回访调查验证计算时，采用300扇形补给边界的稳定流近似计算，得涌水量3685 m 3/d ，周期实际涌水量为3416 m 3/d ，误差仅7.8%。证明边界形态概化的重要性。

⑤边界概化应把重点放在主要供水边界上。孙纳正教授运用数值法，与解析法对理想化模型的对比验证计算表明：简化供水边界的形状往往会带来较大的误差，但简化隔水边界的形状影响一般不大。

（2）各种类型侧向边界条件下的计算方法

① 映射法。即根据地下水动力学中的映射迭加原理，获得矿坑涌水量预测的描述各种特定边界条件下的解析公式。可采用如下一般形式表示：

稳定流 Λ-=R Q c r R /)(2φφπ

非稳定流 r R KU Q /4π=

式中，ΛR 与r R 分别为稳定流与非稳定流的边界类型条件

系数。详见地下水动力学及有关文献。

②分区法。也称卡明斯基辐射流法。它是从研究稳定

状态下的流网入手，根据疏干流场的边界条件与含水层的A

A

l l h 2

h 1

A A 55

75

图14-4 某矿区辐射流计算图

非均质性特点，沿流面和等水压面将其分割为若干条件不同的扇形分流区(见图14-4)，每个扇形分流区内其地下水流都呈辐射流，其沿流面分割所得的各扇形区边界为阻水边界，而沿等水压面分割所得的扇形区边界为等水头边界。常用卡明斯基平面辐射流公式分别计算各扇形区的涌水量i Q

潜水 L

h h b b b b Q i 2ln ln )(22212121-?--= 承压水 L

h h M b b b b Q i )(ln ln )(212121-?--= 式中，1b 与2b 为分流区辐射状水流上下游断面的宽度；1h 与2h 为1b 与2b 断面隔水底板上的水头高度；L 为1b 与2b 断面的间距。

然后，按下式求各分区流量的总和：

n n i i Q Q Q Q

Q 211+==∑=

每个扇形区内的下游断面，是以直接靠近井巷的硫干漏斗等水头线的一部分为准；而上游断面则以远离井巷的供水边界上等水头线面一部分为准。

（3）垂向越流补给边界类型的确定及其计算

当疏干含水层的顶底板为弱透水层时，其垂向相邻含水层就会通过弱透水层对疏干层 产生越流补给，出现所谓的越流补给边界。越流补给边界分定水头和变水头二类，解析法对 后者的研究还尚待解决。

产生定水头垂向越流补给的矿坑涌水量计算，可用增加越流参数项B 的形式来表示： 稳定流 )(/200B

r K kMS Q π= 非稳定流 )(/40B r u W TS Q ?

=π 式中：B ——越流参数''

K

TM =；'K ——垂向弱透水层渗透系数；'M ——垂向弱透水层厚度；0K ——零阶二类修正贝塞尔函数。

3. 参数确定

（1）渗透系数（K ）值

渗透系数是解析公式中的主要参数。我国矿山大多为分布于基岩山区的裂隙、岩溶充水矿床，充水含水层的渗透性具明显不均匀性，根据解析计算要求，应作均值概化，同时这也是保证渗透系数具有代表的措施之一。矿坑涌水量预测中常用的方法有两种。

① 加权平均值法：又可分为厚度平均、面积平均、方向平均法等。如厚度平均，则公式为：

∑∑===n

i i i n i i i i CP H M K H M K 11

)

()( 式中：)(i i H M －承压（潜水）含水层各垂向分段厚度；

i K －相应分段的渗透系数。

②流场分析法：有等水位线图时，可采用闭合等值线法：

h

L L M r Q K cp CP ?+?-=)(221 或据流场特征，采用分区法：

∑=-?--=n i CP L h h b b b b Q K 122212

121]2ln ln )([ 式中：1L 、2L －任意两条（上、下游）闭合等水位线的长度；

r ?－两条闭合等水位线的平均距离；

h ?－两条闭合等水位线的平均距离；

CP M －含水层的平均厚度；

Q －涌水量；

1b 、2b －辐射状水流上、下游断面上的宽度；

1h 、2h －1b 和2b 断面隔水底板以上的水头高度；

L －1b 和2b 断面之间的距离。

（2）大井引用半径0r 的确定

矿坑的形状极不规则，龙其是坑道(井巷)系统，分布范围大，形状千变万化，构成了复 杂的内边界。根据解析法计算模型的特点，要求将它理想化。经观测，坑道系统排水时，其周边逐渐形成了一个统一的降落漏斗。因此，在理论上可将形状复杂的坑道系统看成是一个理想“大井”在工作，此时整个坑道面积，看成是相当于该“大井”的面积。整个坑道系统的涌水量，就相当于“大井”的涌水量，这样就使一般的井流公式能适应于坑道系统的涌水量计算。这种方法，在矿坑涌水量预测中称为“大井法”。“大井”的引用半径0r ，在一般情

况下用下式表示：

F F

r 565.00==π

式中，F 为坑道系统分布范围所圈定的面积。确切地说，近似等于为保证并田设计生产率所必需的坑道所圈定面积的大小，或者以降落漏斗距坑道最近处的封闭等水位线所围起 来的面积。如果开采面积近于圆形、方形时，采用上式较准确，对于形状特别的面积，可采用其它专门公式计算。

（3）引用半径0R 的确定

对于在实际问题中是否存在裘布依关于园形定水头的假定条件，以及齐姆模型中影响半径概念是否合理，学术界存在众多争议，特别是非稳定流理论与越流理论的产生，人们认识到某种稳定状态的出现可能是越流作用所造成，这样影响半径的概念离开了原有的含义，于是引出了所谓“引用影响半径”。从稳定井流理论的实际应用出发，上述概念是可以被接受的，即根据等效原则，将疏干量与补给量相平衡时出现的稳定流场，其边界用一个引用的园形等效外边界进行慨化，其与“大井”中心的水平距离称为引用影响半径，也称为补给半径。即00r R R +=。同理，在用割面平面流解析公式计算使表水中坑道涌水量，也就有了引用影响带宽度（0L ）的概念，即疏干坑道中心与外边界之间的距离。

在稳定流条件下，引用影响半径0R 为一个常量，也称补给半径；在非稳定流条件下则是一个不断变化着的变量，这样在理论上解决了稳定井流理论及其引用影响半径计算公式的 实用问题。

矿山疏干实际表明，矿坑排水的影响范围，总是随时间的延长、排水量的增加以及坑道 的推进而不断扩大，直到天然边界为止，它不可能被限制在一个不是边界的理想“半径”之 内。此外，对比计算表明，若确定影响半径的误差为2~3倍，则矿坑涌水量的计算误差可达 30％~60％；此外，若取偏低值其误差远比取偏高值要大。因此，矿坑涌水量预测时，能否 用解析公式及常见的经验公式来近似的确定影响半径值得探讨；对开拓井巷的捅水量预测， 最好采用抽水试验外推法，即根据多落程的抽水试验，确定降深与影响半径或流量与影响半 径的线性关系，外推某琉干水位或某疏于量的相应疏干半径值。如：

m aS R 1

=；或m

aQ R 1=

对坑道系统的涌水量预测，应根据疏干中心天然水文地质边界线之间距离的加权平均值计算，即塞罗瓦特科公式： ∑∑+=L L b r R CP

CP 0 式中：0r ——“大井”的引用半径；

cp b ——井巷轮廓线与各不同类型水文地质边界间的平均距离；

L －各类型水文地质边界线的宽度。

（4）最大疏干水位降深max S 的确定

在理论上，目前解析解还无法处理承压区与无压区同时并存与大降深的潜水问题，对于 实际问题，则是矿床硫干时最大可能水位降是多少，如何近似确定最大硫于水位降深max S 值。

爱尔别尔格尔在实验中取得的潜水最大水位降深等于潜水含水层一半的结论，即H S 2/1max =(扩大应用到承压含水层时，H H S 2/1max -=)，一直是水文地质计算中所遵循的概念。近年来，我国通过渗流槽及野外抽水试验．证明这一结论是保守的。max S 可以超过H 8.0，在矿坑涌水量计算中，通常不考虑这一概念。据观测，在长期硫于条件下的大截面井巷系统外缘，动水位(h )一般不超过1~2m ，它所引起的涌水量计算偏大值一般为0.5％~1％。因此，矿坑涌水量预测时，最大疏干水位降一般取H S =max 。

另一个理论问题，即最大水位降H S =max 时的最大涌水量计算问题。众所周知，当

H S =max 时，裘布依公式在理论上就会“失真”

，这正是稳定井流理论的最大缺陷之一；而泰斯公式则是从承压水含水层建立起来的，扩大到无压含水层使用时，(作最大降深疏干时，承压含水层均转化为无压水层)，常把隨时间变化的含水层厚度作线性处理，即取不变的平均值，这种线性化处理必然带来误差，据研究当降深超过含水层厚度30%时，非稳定井流公式要偏实际情况，出现明显误差，更不用说是作最大水位降的计算了。如上所述，不难看出矿坑涌水量预测时，作最大水位降的最大疏干量计算，对解析法来说不是很合科适宜的。

（三）实例

1最佳疏干量（最Q ）的确定

某铁矿地处灰岩区，裂隙岩溶发育较均匀，地下水运动符合达西定律，矿区内有部分 地下水动态长期观测资料，其它地质条件略。

（1）要求

①当疏干水平(或中段)的水位降深(S )确定后，则疏干量(Q )是时间(t )的函数。这样，疏干量Q 就是与疏干时间t 有关的一组数据。某水平的正常疏干量，应是该水平预测的矿坑涌水量值。设计部门要在一组具不同疏干强度Q 及与其相应的时间t 的对比中，选出最佳疏干方案，即选择排水能力要求不过大，而疏干时间又不长的方案。

②疏干时间通常要求控制在两个雨季之间，否则Q 的计算则无意义。

（2）任务

给定的条件是：①疏干中段水位降（S ）确定为零米标高；②疏干时间要求在两个雨季间完成。

（3）最佳疏干量的计算与分析

第一步：初选疏干时间段t 。根据第二项任务，在现有地下水动态曲线（图）上初选三个时间段，即270 d 、210 d 、150d ，供计算分析。

第二步：确定相应的Q 值。根据给定的零米标高，从动态曲线图上确定出各霎时间段相对应的S 值，即：

t (d) 3t 270 2t 210 1t 150 S (m)

3S 100 2S 90 1S 80 第三步：求相应的Q 值，利用公式（符号为常用地下水动力学符号）：

)4(/42

Tt r W TS Q μπ=

在已知1t 、1S 、2t 、2S 、3t 、3S 的条件下，求得相应的1Q 、2Q 、3Q ，作为第四步分析的初值。

第四步：绘制不同疏干强度Q 条件下的)(t f S =曲线。在初值1Q 、2Q 、3Q 的范围内，通过内插给出一组供进一步分析的疏干量数据。其公式为：

)4(42Tt r W T Q S μπ= 分析不同疏干量时的S 随t 的变化规律，并

绘制不同疏干量条件下的)(t f S =曲线。

（图6）

第五步：绘制不同定降深S 条件下的图 5 某矿区地下水水位动态曲线图

721210t (d)

150210270(m)h

100

80

60

40

20

图5 某矿区地下水水位动态曲线图

图 6 不同疏干量条件下曲线S =f （t ）

(m3/d)Q 5=40000Q 4=36000Q 3=30000Q 2=23000Q 1=15000t (d)

E D C B A

d c b a （m ）S 10090

80

)(t f Q =曲线。根据图作出不同降深S 条件下的疏干量Q 与时间t 的关系曲线)(t f Q = (图7)，进行不同S 条件下，疏干量Q 与疏干时间的对比分析。

第六步：绘制降深S 与最佳疏干量Q 的关系曲线。根据图中各)(t f S =曲线的拐点，求出不同降深Q 条件厂的最佳疏干强度Q ，即拟稳定疏干量与降深的关系曲线(图14—8)。

第七步：确定最佳硫干量，并检验其可行性。根据图14—8取得的不同降深的最佳

疏干量最Q 检验它们达到S 时所需的时间t ，是否满足任务要求，即是否能在两个雨季之间完成疏干任务。如符合需要，预测就算完成；不符合，则还要重复进行，直至所选取的 最佳疏干量满足任务要求的S 与t 时为止。

从图14—8取S ＝90m ，则佳Q 为20000m 3／d 从图中求得t =200d ；可行性检验:200＜210d ，故符合技术要求。

继之，求雨季最大疏干量max Q 。

雨季地下水位上升，如以t 表示雨季的时段长，以S 表示水位上升幅度，为保证开采水

平(中段)的正常生产，必须将雨季(特别是

丰水年雨季)抬高的水头S 降下去。因此，雨季的最大疏干量应为开采水平正常疏干

量(即正常涌水量) Q ，亦即在前面所确定

的最佳疏干量，再加雨季t 时段拾高S 所

增加的疏干量，称疏干增量。则：

雨增最＋Q Q Q =max

上述max Q 计算，关键是雨季t 及其时

Q =f （t ）曲线S=80

S=90S=10020015010020000

30000

40000

Q

(m3/d)

(d)t

d c b a

图7 不同降深条件下Q=f(t)曲线 图 8 降深与疏干量关系曲线Q 最=20000m3/d s=90m S 1101009080Q(m3/d)E D C B A (m)

图8 降深与疏干量关系曲线

-相对隔水边界；2-河流；3-断层；4-上升泉；5-强烈岩溶化灰岩；6-砂页岩、泥灰岩图 9 广东曲塘矿区水文地质示意图

P 2C 1+D C 2+3F 265

43 2 1 二河号河号

一矿区C 1+D

P 2F 2F 1D 图 9 广东曲塘矿区水文地质示意图

1-相对隔水边界；2-河流；3-断层；4-上升泉；5-强烈岩溶化灰岩；6-砂页岩、泥灰岩

段内地下水位上升幅度的确定。一般按动态观测资料给出抬高S 的平均值，较为可靠。将所得t 、S 代入前面所列公式，则可计算出雨季增加的疏干量雨增Q 。

2. 稳定涌水量的计算

广东曲塘多金属矿，位于一构造盆地边缘，地势平缓，雨量充沛，地表水系发育。矿体位于当地侵蚀基准面以下，赋存于含水性差的晚泥盆系天子岭组泥灰岩中。由于地层缺失，在某些地段使强烈岩溶化的中晚石炭系壶天群灰岩直接复盖其上，构成矿区主要充水层。此外，地表分布有弱含水的第四系冲积粘土夹砾石。矿区北、西有隔水层，东、南开阔，有地下水与地表水联系密切。根据边界的概化（图）选择直交隔水边界的稳定流“大井”公式，计算各开采中段稳定涌水量：

Λ

--=R h M M H K Q ]

)2[(2π 222

1214

8b b b b r R L R n +?=Λ

将－40m 中段的矿坑涌水量计算的参数和结果列入表 表 曲塘矿－40米中段矿坑涌水量计算表

计算参数 预计矿坑涌水量计算表（m 3/d ） 实际排

水量

(m 3/d) 误差 % M (m) H (m) h (m) K (m/d) R (m) 0r

(m) 1b (m)

2b (m) 壶天群 天子岭组 第四系 总计 149.77 151.59 47.80 2.374 4345 455 391.50 55078.50 28120 4620 910 33650 39250 16.6

表中的Q R α=，其中α为比例系数，系根据多落程水位降低的抽水试验求得。

五、数值法

（一）应用条件

数值计算用近似分割原理摆脱解析法处理实际问题时的严格理想化要求，使其更接近实际，因此主要用于水文地质条件复杂的大水矿床，并依据大流量抽放水试验为其对水文地质条件整体暴露，并提供建模、模型识别、大降深疏干预测的各种信息资料。

矿坑涌水量数值计算其原理方法虽与供水水资源评价完全一致，但由于矿床所处自然环境复杂，开采条件变化大，不确定因素多，又要求作大降深下推预测。因此，矿坑涌水量数值计算的最大特点是：模型识别的条件差、任务重、难度大。不仅要为原始状态下水文地质模型的各项未知条件与不确定因素，通过定量化过程得到识别与校正；同时，还要为大降深数值预测建立内边界的互动机别，即隨内边界（面积、降深）变化外边界的下推规律及其水均衡条件。

（二）计算方法与步骤

1. 数学模型的选择

数学模型的建立，既要考虑需要，又要分析其可能与效果。即实际问题的复杂程度是否

具有所选模型相应的资料，一般来说，，平面二维数学模型已能满足解决实际问题的基本要求。但对于由弱透水层连接的多层层状含水层层组结构，可以从实际出发选择准三维模型；即用平面二维问题刻划含水层的基本特性一，以垂向一维流描述含水层之间的作用；对于在垂向上具明显非均

质特征的巨厚含水层，在较大降深的开采量和水位预报时，为避免失真最好采用三维流数学模型。

下面以非均质二维非稳定流地下水模型为例进行讨论，它由泛定方程和定解条件（初始条件和边界条件）组成：

泛定方程：

t

H S W y H T y X H T x y x ??=+???? ??????+????][ 0,),(t t G y x >∈ 初始条件：

),(|),,(00y x H t y x H t == 0,),(t t G y x =∈

边界条件：

),,(|),,(11t y x H t y x H =Γ 01,),(t t y x >Γ∈

),,(|),cos(),cos(2t y x q y n y

H T x n x H T y x -=??+??Γ 02,),(t t y x >Γ∈ 式中x T ——导水系数。潜水，h k T x ?=；承压水，m k T x ?=

h ——水头；

M ——承压含水层厚度；

S ——潜水为给水度，承压水为储水系数；

W ——单位时间、单位面积上的垂向转化量；

1Γ——水位边界；

2Γ——流量边界；

G ——计算域；

),(y x ——平面坐标；

t ——时间。

泛定方程是一个描述地下水渗流场收、支平衡的水均衡方程，其对水量转化规律的刻画是以达西定律为依据的，它由两部分组成：一是均衡基本项（T 、S 项），指方程带有水头函数h 的偏导项，表征渗流场各均衡单元内部及相互间的水量交换。其中含T 的水量渗透基本项，指渗流场水量的侧向交换条件，反映了含水层介质的渗透性、非均质性、含水层的几何形态、渗流运动状态；面含S 的水量储存与释放基本项，指渗流水量的储存与消耗。二是垂向交换项（W 项），包括源、汇项（即计算域内各井的抽水或注水强度），垂向入渗补给

和消耗以及越流项。在模型中),,(t y x W 应是一个给定的已知函数，但在实际中某些垂向交换量常常是未知的，因此它也可引入参数（如降水入渗α垂向越流系数η等）在模型中参与求参。

初始条件：是指开采初始条件的地下水水头，为已知条件。

边界条件：在二维模型中仅指侧向边界条件。当已知边界水头变化规律时，可按已知水位边界表示（1Γ），称一类边值问题；当已知边界的流量变化规律时，可用已知流量边界表示（2Γ），称二类边值问题，其强度以单宽流量q 表示。由一类边界和二类边界共同组成的混合边界，称混合边值问题。

矿坑涌水量数值计算中，大多采用混合边值，即以勘探工程控制矿区主要水量交换边界，用表现资料给定一类边值，以免模型识别失真，解决数学模型求解的唯一性问题；同时，在水均衡研究基础上，以流量边界模拟次要边界，参于调参与识别，解决工程量不是的困难。

2. 水文地质条件的概化

水文地质条件概化是数值计算中的一个重要环节。要求根据勘探资料按数值方法对实际问题的特点进行概化。它反映了勘探信息的利用率和保证率，以及对水文地质条件的研究程度，直接关系计算精度。

（1）含水层结构的概化：包括含水层的空间形态与结构参数分区的概化。含水层的空间形态，是利用含水层顶、底板标高等值线图，给出每一剖分节点（离散点）坐标（y x ,）上的含水层顶、底板标高，，由模型自动识别含水层的厚度，完成几何形态的概化。含水层的非均质结构参数分区，是在水文地质分区的基础上（即依据T 、S 的分布特点，结合岩性和松散沉积物的成因类型、基岩的构造条件、岩溶地区的水动力条件，进行水文地质分区）。按水文地质条件的宏观规律和渗流运动的特点，在空间上渐变地进行参数分区及参数分级，给出各分区参数的平均值及其上、下限，作为模型调试的依据。对取水层与相邻含水层相互作用概化，一般要求地质模型给出与相邻含水层的连接位置与坐标，其连接方式可以是断层，“天窗”或通过弱透水层的越流补给。

（2）地下水流态的概化：当水位降较大时，在开采井附近常出现复杂的非达西流与三维流，此外某些局部的构造部位或岩溶发育地段，甚至出现非渗流或非连续流状态。但这些复杂水流状态的分布范围一般不大，因此在宏观上仍可考虑用二维达西流进行概化。

（3）边界条件的概化：数值法能较真实地模拟边界复杂的边界条件，它与数理统汁模型相结合，可以处理解析法无能为力的各种非确定边界问题。概化时，要求根据边界分布的空间形态，给出边界的坐标，确定边界作用的性质，有无水量交换及其交换方式，并根据动态观测或抽水试验资料，用数理统计方法概化水位或流量的变化规律，并按不同时段给出边界节点的水位或单宽流量。

计算边界的选择与确定对数值计算的精度及其工程量的投资关系极大。操作时应遵循两个基本原则：一是在经济上要求以最小的工程控制边界条件；二是在技术上要求所确定的主要边界，具有一定的工程控制，能为模型的识别、校正和预测提供可靠的计算数据。具体表现在，首先，尽可能的取自然边界和确定性边界，以节约勘探工程和提高模型的可靠性；其

次，应避免置计算边界于源、汇项附近，并远离供水中心，以缩小边界条件概化不当对计算结果的不良影响；此外，模型识别与预测的边界必须一致，否则模型识别的成果将失去意义。

在二维地下水模型中，垂向水量交换是作为水量附加项（W项）列入方程中的，因此在概化时应特别慎重。同时要求给出含水层中的人工抽（注）水井的坐标、类型及其抽（注）水强度。

（4）初始条件的概化：按初始时刻各控制节点实测水位资料绘制的等水位线图，给出各节点的水位作为初始条件。由于控制节点的数量有限，等水位线图的制作难免在一定的随意性，在含水层结构或边界条件较复杂的情况下，最好利用模型的小步长运行进行校正。

3. 计算区域的离散

数值法根据分割近似原理，将一个反映实际渗流场的光滑连续的水头曲面，用一个由若干彼此衔接无缝不重叠的三角形（有限元法）或方形、矩形（有限差分法）拼凑成的连续但不光滑的水头折面代替，将非线问题简化为线性问题求解。按离散化要求部分时，首先要选好控制性节点，它是具有完整水位资料的观测孔。由于观测孔的数量有限，要有许多插值点平补充，完成对整个计算域的离散。为了保证模型识别的精度，每一个参数分区和水位边界至少应保证有一个已知水位变化规律的控制性节点。插值点应布置在水位变化明显、参数分区界线、承压水与潜水分界线的控制节点稀疏的地方，并结合单元部分原则，对插值点的位置作适当的调整。

（1）单元部分的原则，以控制水文地质条件宏观规律为目的。一般从资料较多的中心地带向边远地区逐渐放稀。在水力坡度变化大的地段要适当加密，但应避免突变，对三角形单元的三边之长不宜相差太大，其长、短边之比不要超过3:1，三角形的内角以300~900之间为好，否则影响数值解的收敛。部分后，要按一定顺序对节点网格作系统的编号，并准备各节点的数据。

（2）时间的离散，是根据地下水位降（升）速场的特点，选好合适的时间步长控制水头变化规律，既保证计算精度，又节约运算时间。如模拟抽水试验时，抽水初水位下降迅速，必须用以分为单位的小步长才能控制，随着水位降速的变慢，逐渐延长至以时、日为单位的步长。模拟稳定开采时，可用月、季、甚至年为单位的大步长。

4. 模型的识别与检验

模型识别是用实测水头值及其他已知条件校正模型方程、结构参数、边界条件中的某些不确切的成分，数学运算中称解逆问题。他是根据详勘要求的一个水文年动态观测资料，提供枯、平、丰水季节的天然流场资料和抽水实验的人工流场资料，选用或自编相应的程序软件进行的。由于水头函数是一个多元函数，他是地下水模型中各要素综合作用的反映，因此模型识别的地质含义可理解为对研究区水文地质条件的一次全面判断。在条件允许的情况下，应进一步利用长期观测资料的历史水位进行检验。

模型识别的方法有直接解法和间接解法两种。

直接解法把水头函数作为已知项，用反演计算直接寻找模型中的参数和其他未知量的最优解。直接解法虽有高效率的运算速度，但要求过严的工程控制度（在理论上要求每个节点的水头值在计算时段内均为已知值）和对数据误差的敏感反映，是其难以适应现实条件。

间接解法是一种常用的方法。它在给定定解条件的已知源、汇项的前提下，用正演计算

矿井涌水量观测方法

矿井涌水量观测方法主要有以下几种： 1、容积法：水桶法指的是，将涌出的水导入一定容积的量水桶（圆形或方形），用秒表测流满该量水桶所需的时间，然后按下式计算涌水量： Q= V/t 式中Q——涌水量，m3/h（m3/min） V——量水桶的体积，m3 t——水流满量水桶的时间，h（min） 2、水位标定法水位标定法指的是利用水泵将水窝（或水仓）中的水位降低，然后停泵，测量回升到原来位置所需要的时间，然后按下式计算涌水量： Q=FH/t 式中Q——涌水量，m3/h（m3/min） F——水窝（或水仓）的断面积，m2 H——水位回升的高度，m t——水流满凉水桶的时间，h（min） 3、水泵能力法水位能力法指的是维持水位不变时增加水泵的排水能力，按下式计算涌水量： Q=KNW+SH/t 式中Q——涌水量，m3/h（m3/min） K——水泵的排水系数，％（当新水泵排清水时K=1，旧水泵排清水时K=0.8，排混水时K=0.9,旧水泵排混水时K=0.7，双台旧水泵排水时K=0.6）

N——增加的水泵台数，台W——水泵的铭牌排水量，m3/h （m3/min） S——水仓（或水窝）水平截面积，m2 H——水位上升的高度，m T——水位上升所需的时间，h（min）当H=0时，即水位不上升，则Q=KNW 4、浮标法浮标法指的是利用木屑或纸屑作为浮标，测量水沟中水的流速，根据水沟断面计算涌水量。按下式计算涌水量： Q=K(F1+F2)/t*L 式中Q——涌水量，m3/h（m3/min） F1——断面1的面积，m2 F2——断面2的面积，m2 t——从断面1到断面2的水流时间，h（min） L——从断面1到断面2的水流距离，m K——断面系数，与水沟粗糙度、风流方向和大小有关：在一般情况下，水沟水深大于1.0吗，当水沟粗糙时，K=0.75—0.85；在水沟水沟平滑时，K=0.80—0.90。 此计算方法可用于巷道排水沟中水的测量；当涌水较大，淹没巷道水沟时，也可用来测量巷道流水中水量。 5、堰测法堰测法指的是在井下排水沟中设置测水堰板，使水流通过一定形状的堰口水流高度，然后计算涌水量。堰测法采用的测水堰板通常有三角堰、梯形堰和矩形堰3种，(a) 三角堰(b)梯形堰(c)矩形堰堰测法计算涌水量公式分别如下：

矿坑涌水量预测的影响因素分析

[收稿日期]　2005212210;[修订日期]　2006202220 [作者简介]　张本臣(19592),男,黑龙江牡丹江人,黑龙江省有色金属地质勘查702队工程师. 矿坑涌水量预测的影响因素分析 张本臣,刘喜信,孙传斌 (黑龙江省有色金属地质勘查702队,黑龙江牡丹江　157021) [摘　要]矿坑水的补给条件、矿体围岩的岩性和产状、矿床的开采方式以及所选计算公式各参数是预测矿坑涌水量时应考虑的主要影响因素。 [关键词]涌水量;影响因素分析;矿坑 [中图分类号]TD 742+1[文献标识码]A [文章编号]100122427(2006)012058204 由于涌水量预测的精确程度直接影响矿床的合理开采和安全生产,因此,工作时必须对影响矿坑涌水量预测的因素进行周密的研究和考虑。预测矿井正常和最大涌水量,为防止矿井突水提供水文地质资料,为确定合理治水方案提供依据。正确地预测矿坑涌水量,是在详尽查明矿坑充水因素及获得可靠计算参数的基础上,根据矿床开采设计,选择相应的公式进行的。本文在以下几个方面加以探讨。 1　矿坑水的补给条件对矿坑涌水量预测的影响 流入矿坑的水,包括矿坑揭露的矿体及其围岩本身贮存的地下水的静储量,通过不同岩层或岩体和不同途径进入矿坑的地下水的动储量,某些情况还有来自深层的承压水。因此在预测矿坑涌水量时,应当首先考虑充水因素影响的强度和延续时间,然后矿坑充水的补给范围,补给面积和补给边界。 大气降水,往往直接或间接地成为矿床充水因素,影响矿坑涌水量的变化速度、幅度和延续时间。具体的水文地质条件如补给区的远近、埋藏的深度、降雨强度和延续时间等也是矿床充水的因素之一。一般来说,距补给区近、埋藏浅的矿井的涌水量变化速度快、幅度大;而距补给区远的埋藏深的矿井则相反。雨季涌水量大,旱季涌水量小,且和大气降水对比有延迟现象(见表1)。 表1　某铅锌矿二层平硐自然涌水量与季节关系 Table 1　The relation sh ip between two dr if t natural i nf low of water of so m e Pb ,Zn deposit and season s 坑道海拔高度 (m ) 旱季涌水量(m 3 d )雨季涌水量(m 3 d )涌水量增加幅度(倍)最大涌水量出现月份629 29189851732197、8、9571411251311803127、8、9 地表水体(河流、湖泊、水库、海洋等)对矿床充水的影响取决于矿体与地表水力联系程度、补给距离和地表水体的规模。如黑龙江省翠宏山铁矿,矿体位于靠河岸下50～100m 第25卷2006年 第1期3月 吉　林　地　质J I L I N G E O LO G Y V o l 125,N o 11M ar 1,　2006

煤矿水文地质特征和矿井涌水量预测探讨

煤矿水文地质特征和矿井涌水量预测探讨 发表时间：2019-04-19T16:29:12.710Z 来源：《基层建设》2019年第6期作者：杜继国魏修立 [导读] 摘要：随着时代的不断前进，我国科技在不断的发展，煤矿生产安全一直受到矿井涌水的威胁，对煤矿的正常生产造成非常大的影响。 皖淮南市淮浙煤电公司顾北煤矿顾北煤矿调度信息中心安徽淮南 232151 摘要：随着时代的不断前进，我国科技在不断的发展，煤矿生产安全一直受到矿井涌水的威胁，对煤矿的正常生产造成非常大的影响。基于此，需要切实加强对煤矿水文地质特征的分析，并积极预测矿井涌水量，这是不容忽视的，也是非常重要的。本文主要探讨了煤矿的水文地质特征，并对几种矿井涌水量预测方法进行分析探讨，以便显著提高煤矿开采的安全性和高效性，更好地促进煤矿的发展。 关键词：煤矿；水文地质特征；矿井涌水量；大井法 引言 矿井涌水量是指矿井开拓与开采过程中，单位时间内涌入矿井（包括井巷和开采系统）的水量，它不仅是一个表征了矿井充水强度和矿井水文地质条件复杂程度的重要指标，同时也是矿井排水系统设计的重要依据。矿井涌水的组成十分复杂，体现在突水水源和通道的复杂性上。目前矿井涌水量预测大体上可以分为确定性预计方法和非确定性（随机）预计方法两类。其中确定性预计方法主要包括解析法、模拟法、数值法与水均衡法；非确定性预计方法主要包括水文地质比拟法、回归分析法、模糊数学法、灰色关联法、神经网络法、时间序列分析法和混沌模型法等。 1井田水文地质特征 上部含水层（组），含水层段厚度72.54～122.89m，矿化度0.469～0.675g/L，水质类型为HCO3-Na及HCO3·SO4-Na型。该含水层中等～强富水性。矿区水量充沛，水质良好，为生活饮用水主要水源。中部含水层（组），含水层段厚度22.82～224.81m，矿化度1.388～ 2.571g/L，水质类型Cl-Na、Cl·SO4 -Na和SO4·Cl-Na型。该含水层中等～强富水性。由于上部隔水层隔水性不稳定，厚度变薄地段，上含与中含可产生水力联系。下部含水层（组），含水层组厚度0～68.90m，矿化度1.319～ 3.059g/L，水质为Cl-Na、Cl·SO4 -Na型。下含于东北方向最厚逐渐向西南方向变薄至缺失。该含水层弱～强富水性。中部隔水层岩性主要由厚层粘土、砂质粘土和薄层细砂组成。粘土质细、纯，可塑性较强，具有膨胀性，厚度大，分布稳定等特点，阻止了中部含水层（组）及以上含水层与下部含水层（组）之间的水力联系。底部“红层”含水层，厚度为0～15.20m，矿化度1.768～2.301g/L，水质为Cl- Na型；主要零星分布，为弱富水性。下部隔水层平均厚度13.71m。岩性主要由固结粘土、砂质粘土、固结砂质粘土混和构成。固结粘土和固结砂质粘土中富含钙质，具良好隔水作用。下部隔水层在井田内总体上分布较稳定，下含对基岩不产生直接补给，但局部存在缺失区。 1.2充水因素分析 1）大气降水大气降水会对新生界松散层孔隙含水层进行补给，大多数时候由于受到诸多因素的影响，要想让大气降水向煤系含水层渗透，难度是非常大的。除此之外，由于下部隔水层分布稳定，且有着非常强的隔水性，因此在下部隔水层的作用之下，大气降水与煤系含水层之间并没有较大的关系。2）断裂构造带煤矿内的大多数断层处于天然状态，并没有较好的富水性和较强的导水性。在井巷施工的过程中将断层穿通，这样断层裂隙带的地下水就会进入到煤矿中，只是并没有很大的水量。但是因为已经破坏了天然的平衡状态，断层的导水性会相应地增强。一旦主采煤层对口，或者沟通富水层，就极有可能发生突水的状况。3）石灰岩岩溶裂隙水不管是太原组，还是奥陶系石灰岩岩溶裂隙水，一般情况下都不会对煤层开采造成直接的充水影响。但是当发生断层或者出现陷落柱的时候，煤层就开始与石灰岩对口接触，缩短了两者之间的距离，这会直接对矿坑造成充水影响，或者使巷道发生底鼓的情况，进而间接地使得该煤层成为充水含水层。 2矿井涌水量的预测 2.1选取计算方式 如果矿坑在疏干当中有着比较稳定的涌水量，就可以认为地下水辐射流场是以矿坑为中心点形成的，与稳定井流的条件相符。因为矿坑的形成并不具有一定的规则，尤其有着广泛的坑道系统分布，所以使得其边界构建非常复杂，这就需要对其进行理想化处理。从理论层面来看，可以将具有复杂形状的坑道系统看成是一个工作的大井，而将不具有规则性的坑道系统圈定的面积看成是大井的面积，那么整个系统的涌水量就接近于大井的涌水量。在对涌水量进行计算的过程中，可以采用稳定流基本方程的方法进行计算。此种方法也被称为“大井法”。具体的计算方式就是通过对坑道系统长度（A）和宽度（B）大小的测量，确定半径R，最后在预测涌水量时再采用大井法进行预测[3]。实际中，在对矿井的涌水量进行预测时，需要充分考虑选择何种计算方式。“大井法”详细的计算方式分析如下。 2.2计算方式分析 可以选用承压转无压水的方法对矿坑的涌水量进行计算，即： 式（1）中，Q为拟建新矿井的涌水量，m3/d；K为渗透系数，m/d；M为承压含水层所具有的厚度，m；H为承压水由井底开始到水头的平均高度，m；h0为含水层底板至井中动水位的高度，m；R0为引用影响半径，m；r0为引用半径，m。 2.3数值模型 根据本区渗透介质空间分布特点，为了尽可能真实地反映岩层中地下水的渗流状况，在满足模拟精度的前提下，模型剖分初期以100m×100m等间距剖分。考虑了采掘后出现的冒落带和导水裂缝带情况，经过初期剖分和后期加密剖分，模型横向上共剖分成263个单元格，纵向上共剖分成253个单元格，且工作面区域以剖分线与工作面边界线重合为原则剖分；垂向上共剖分成9层，模型最终剖分成 263×253×9个单元体，每层平面上共剖分成67045个单元格，单元格总计603405格。 2.4分析预测结果 对于一些水文地质条件相对比较简单的矿区，可以采用大井法对矿井的涌水量进行预测，通过此种方法对用水量进行计算是比较合理的。但是因为大井法在地下水动力学当中属于一种比较理想的模型，其有关的计算公式大多用于各向同性含水层，或者是均质上，应用范围相对来说具有一定的局限性。而对于各向异性、不完全均质的裂隙含水带，在进行计算时也把其视为均质层，进而获取到一些渗透系数等。除此之外，因为在实际抽水的过程当中，含水层厚度、水头还有井中动水位会发生一定的变化，这就会对所选用的这些常量数据的计

大井法和比拟法在矿井涌水量预测中的应用

大井法和比拟法在矿井涌水量预测中的应用 摘要：矿井涌水量是确定矿床水文地质条件复杂程度的一个重要指标，还是矿山设计部门确定排水设备和制定防水措施的主要依据。因此，在矿井建设以及生产过程中，能够较为准确地预报矿井涌水量是非常重要的，它直接关系到煤矿的安全生产。文章选用大井法和地质水文比拟法对泉上煤矿三水平联合开采16、17两层煤时的矿井涌水量进行预测，以保证煤矿的安全生产。 关键词：大井法；水文地质比拟法；涌水量预测 引言 矿井涌水量指的是矿山建设以及生产过程中，单位时间内流入矿井（包括各种巷道和开采系统）的水量，它是评价矿井水文地质条件复杂程度重要的指标，因此，正确预测矿井的涌水量对于指导矿井排水设施建设以及保障煤矿的安 全生产具有重要的意义[1，2]。 预测矿井涌水量的方法多种多样，包括确定性分析方法中的解析法、数值法、模拟法、水均衡法；非确定性分析方法中的水文地质比拟法、相关分析法、模糊数学模型、灰色系统法、时间序列分析法和BP神经网络法等[3]。文章选用大井法（解析法）和水文地质比拟法对泉上煤矿16、17煤

开采时的矿井涌水量进行预测。 1 井田水文地质条件分析 1.1 矿井水文地质概况 文章所研究的泉上井田位于滕县煤田南部，含煤地层为上石炭统太原组，共含煤18层，其中可采及局部可采煤层共4层，即煤3下、煤12下、煤16、煤17。泉上煤矿目前主采煤层为12下、16、17煤层。 主要含水层有第四系上含水砂层段、下含水砂层段，上侏罗统砂砾岩层段，3下煤层顶板砂岩，石炭系太原组第三、五、八、十下层石灰岩，本溪组第十二、十四层石灰岩，中奥陶统石灰岩。 1.2 矿井充水因素分析 1.2.1 开采16煤层时的充水因素 泉上煤矿16煤层上距12下煤层54.08m，实测“两带”高度为13.80m，正常条件区域下，16煤层的开采不会受到12下煤层采空区积水影响；17层煤上距16层煤平均13.90m，开采后的“两带”高度理论计算为14.8m，回采时会受16 层煤采空区积水影响，开采时必须提前疏放16煤层老空水。 1.2.2 开采17煤层时的充水因素 泉上煤矿17煤层上距16煤层平均13.90m，开采后的“两带”高度理论计算为14.8m，回采时会受16层煤采空区积水影响，在16层煤采空积水区下，开采17层煤工作面前，必

矿坑涌水量的预测方法(水均匀法)

水均衡法 （一）应用条件 水均衡法适用于地下水运动为非渗流型且水均衡条件简单的充水矿床，如： 1. 位于分水岭地段地下水位以上的矿床 其主要特征为：地下水位一般停留在下伏弱含水层的顶端，故水层薄，水位埋藏深，变幅大、升降迅速，具有巨大的透水能力却无蓄水能力。抽水试验困难，也无效果。地下水动态与降雨直接相关。依照降雨方式的不同，形成各种尖峰状动态曲线形态，矿坑涌水量也常不随降深的增加而加大，故水位降深在一定程度上失去意义。补给区主要在矿区范围及其附近，补给路径短，以垂向补给为主。矿区地下水与区域地下水不发生水力联系，即无侧向补给。 （二）暗河管道充水矿床 （1）含水介质为孤立的暗河管道系统，通常各管道系统自成补给、径流、排泄系统，互相不发生直接水力联系，有些地区的管流与分散虽有一些联系，但管流是当地地下水排泄量的60%~80%以上。 （2）含水层极不均一，无统一地下水水位，因此不形成统一的含水层（体）。 （3）管流发育地区，地表溶蚀洼地、漏斗、落水洞发育、三水转化强烈，地面难以形成长年性表流；地下水动态受降水控制，暴涨暴落；其流量与降水补给面积成正比，变化大，具集中排泄特点。 很明显，上述特征无法用抽水试验求参，难以根据地下水动力学原理进行矿坑涌水量预测，同时，岩溶通道形状多变，管道组合复杂，也不适应管渠水力学的应用条件。因此，多数上述充水矿床常采用非确定性随机模型和水均衡法解决实际问题。 （三）原理 非渗流型确定性模型－水均衡方程，是根据水均衡原理，在查明矿床开采时水均衡各收入、支出项之间关系基础上建立预测方程的。建立非渗流型确定性模型，要求勘探方法与之相适应，而加强均衡研究则是保证模型可靠性，提高参数精度的必要环节。 地下水均衡研究的首要工作是建立地下水与降雨量的长期观测站，形成包括由钻孔、矿区生产井巷、采空区、老窿、有代表性的泉与地下暗河、有意义的地表汇水区等组成的长期观测网。为正确地圏定均衡区域，选择均衡期提供依据，为模型提供可靠的方程参数。 运用水均衡法的关键是，正确圈定均衡区域、选择均衡期，以及测定均衡要素。但是，在解决上述问题时会遇到一个困难，就是建立在天然条件下的水均衡关系，在矿床开采过程中常遭受强烈的破坏。如强烈的降压疏干，使地下水运动的速度和水力坡度增大或因开采造成漏斗范围内巨大岩体的变形塌坍或导致大量人工裂隙的产生，大促使地表水渗入作用的加强。此外，在长期疏干的影响下，随着漏斗的不断扩展，也常导致地下水分水岭的位移，其结果不仅补给范围扩大了，甚至形成新的补给源渗入。上述种种现象，常不易通过勘探阶段对天然水均衡的研究而获得解决。但是，它也提醒我们，水均衡关系式的建立及其水均衡要素的测定，如能充分考虑开采条件的影响，也必然会大大提高涌水量预测的精度。 （四）矿坑涌水量预测特点

矿井(坑)涌水量计算

附 录 A （资料性附录） 矿井（坑）涌水量计算 A.1 比拟法 比拟法是一种应用相当广泛的传统方法。它是当新矿井与生产矿井的水文地质条件相类 似时，用生产矿井的资料来预测新矿井（坑）涌水量的方法，虽属一种近似的预测方法，但 往往可以获得满意的效果，特别是对于那些水文地质条件简单或者中等的矿井。比拟法包括 富水系数法、矿井单位涌水量比拟法、相关关系分析法等。 A.1.1 富水系数法 P K Q p ?= .................................... (D.1) 式中： Q ——新矿井（坑）涌水量，单位为立方米每年（m 3/a ）； p K ——富（含）水系数，单位为立方米每吨（m 3/t ）； P ——新矿井设计年产量，单位为吨每年（t/a ）。 1 1p Q K p = ...................................... (D.2) 式中： p K ——富（含）水系数，单位为立方米每吨（m 3/t ）； 1Q ——生产矿井（坑）年涌水量，单位为立方米每年（m 3/a ）； 1p ——生产矿井年产煤量，单位为吨每年（t/a ） A.1.2 矿井单位涌水量比拟法 当矿井（坑）涌水量增长幅度与开采面积、水位降低呈直线比例的情况下： 1 110S F Q q = ..................................... (D.3) 式中： 0q ——生产矿井（坑）单位涌水量，单位为立方米每吨平方米（m 3/tm 2）； 1Q ——生产矿井（坑）总涌水量，单位为立方米每年（m 3/a ）； 1F ——生产矿井开采面积，单位为平方米（m 2）； 1S ——生产矿井水位降低，单位为米（m ）。 S F q Q ??=0 .................................. (D.4) 式中： Q ——新矿井（坑）预计涌水量，单位为立方米每年（m 3/a ）； 0q ——生产矿井（坑）单位涌水量，单位为立方米每吨平方米（m 3/tm 2）；

数值法预测矿井涌水量技术规范

数值法预测矿井涌水量技术规范 本标准根据中华人民共和国煤炭工业部《矿井水文地质规程》（1 984年版）和《G B12719—1991矿区水文地质工程地质勘探规范》以及《供水水文地质勘测规程》、《矿区水文地质工程地质勘探规范》、《煤矿防治水工作条例》等国家标准、行业标准中的有关规定，在总结近20年来应用数值法进行矿井涌水量预测实际工作经验的基础上，制订的本煤炭行业标准，在技术内容与上述引用标准等效。 本标准由国家煤炭工业局行业管理司提出。 本标准由煤炭工业煤矿安全标准化技术委员会归口。 本标准起草单位：煤炭科学研究总院西安分院。 本标准主要起草人：戴振学、郝旗胜、刘志中。 本标准委托煤炭科学研究总院西安分院负责解释。 数值法预测矿井涌水量技术规范 1范围 本标准适用于应用数值法进行矿井涌水量预测工作，是确定计算方案、检验计算精度、编写预测报告、制定相应的规划和设计的依据。 2一般要求 2.1本方法可用于矿井正常涌水量、矿井最大涌水量、各开采水平的涌水量、井筒和开拓坑道的涌水量及疏干工程或专门排水装置的

涌水量的预测。 2.2计算工作前或计算过程中，掌握以下资料： ——矿区所处水文地质单元的区域水文地质图及报告； ——1:5000～1:2.5万矿区水文地质图及相应的文字报告； ——1:5000矿井可行性方案开采图； ——含水层顶、底板埋深及等厚线图； ——含水层等水位线图； ——煤层底板等高线图； ——受水威胁煤层顶、底板等水压线图； ——地下水水化学图； ——水文地质剖面图； ——钻孔及群孔抽（放）水试验数据； ——地下水长期动态观测数据； ——历年气象、水文资料。 2.3计算工作结束时提交的文件及附件： 工作报告：包括对所采用的数据、建立的模型、选用的参数、计算过程及结果的详细分析与说明； 图件：包括概念模型的示意图、水文地质参数分区图、计算区剖分图、水位拟合曲线图、计算机程序流程图、初始流场图、预测曲线和流场图、涌水量动态曲线； 附件：参数识别和正演预报时所采用的计算程序及相对应的数据文件、计算结果、水位拟合及误差分布情况，最终预测的各时段、各

涌水量计算

（1）解析法 根据井田水文地质条件和矿井主要充水因素，利用解析法进行矿坑涌水量预测时，直接充水含水层太原组灰岩岩溶水。 1）太原组灰岩岩溶水预测 2 0(2)5-1S M M h Q B K R --= （） 5-2 （） 式中：Q ——预测矿坑涌水量，m 3/h ； S ——水位降低值，m ； K K ——渗透系数，m/d ； M ——含水层厚度，m ； B ——进水廊道长度，m ； R ——影响半径，m ； K 取抽水实验资料0.4427 2、10+11号煤层矿井涌水量预算(大井法) 开采10+11号煤层布置一个工作面，工作面宽180 m ，推进长度1200m ，因此，将矩形工作面（长a=1200m,宽b=180m ）看做一个大井，使用大井法预算矿井涌水量： 计算公式为：(2)1.366H M M Q K LgR Lgr -=-

式中：Q%～矿井涌水量(m 3/d) K%～渗透系数(m/d) H%～水头高度(m) M%～含水层厚度(m) r%～大井半径(m)，r=η 4 a b + R 0%～引用半径(m)，R 0=10S K (S=H) R%～影响半径(m)，R=R 0+ r 0 根据ZK504号孔资料，太原组含水层水位标高1120.58m ，渗透系数(K )0.4427m/d,含水层厚度(M )约9.5m,先期开采地段10+11号煤层底板标高最低为884m,由此确定水头高度: (H=S )=1120.58-884=236.58(m) r=η 4 a b +=379.5m R 0=10S K =1574.1m R = R 0+ r 0=1953.6m 将上述参数代入上述公式得开采10+11号煤层矿井正常涌水量Q=3743m 3/d （156m 3/h ） 最大涌水量Qmax=δQ 正，δ: 季节影响比值系数 开采2号煤层时，季节影响比值系数δ=1.2 故最大涌水量Qmax=3743×1.2=4492 m 3/d （187.2m 3/h ） 2号煤层与10+11号煤层联合开采，矿井正常涌水量为上述涌水量之和，即矿井正常涌水量：Q 正=355+3743=4098 m 3/d(170.75 m 3/h) 最大涌水量Qmax=425+4492 =4917 m 3/d(204.88m 3/h)

矿井涌水量的计算与评述 钱学溥

矿井涌水量的计算与评述 钱学溥 （国土资源部，北京 100812） 摘要：文章讨论了矿井涌水量的勘查、计算、精度级别、允许误差和有效数字。文章推荐了反求影响半径、作图法求解矿井涌水量的方法。 关键词：矿井涌水量；勘查；计算；精度级别；允许误差；有效数字 根据1998年国务院“三定方案”的规定，地下水由水利部门统一管理。水利部2005年发布了技术文件SL/Z 322-2005《建设项目水资源论证导则（试行）》。该技术文件6.7款规定，地下水资源包括地下水、地热水、天然矿泉水和矿坑排水。6.1.2款规定，计算的地下水资源量要认定它的精度级别。我们认为，认定计算的矿井涌水量的级别和允许误差，不仅是水利部门要求编写《建设项目水资源论证》的需要，而且有利于设计部门的使用。在发生经济纠纷的情况下，也有利于报告提交单位和报告评审机构为自己进行客观的申辩。下面，围绕这一问题，对矿井涌水量的勘查、计算、精度级别、允许误差和有效数字等方面，作一些论述和讨论。 1 矿井涌水量与水文地质勘查 矿井涌水量比较大，要求计算的矿井涌水量精度就比较高，也就需要投入比较多的水文地质勘查研究工作。表1，可以作为部署水文地质工作的参考。 表 1 矿井涌水量与水文地质勘查 Table 1 Mine inflow and hydrogeological exploration

注：○1多年生产的矿山是指：开采水平不变、开采面积基本不变的多年生产的矿山，如即将闭坑或是即将破产的矿山，即是这种多年生产的矿山。○2多孔抽水试验，是指带观测孔的一个抽水主孔的抽水试验，持续抽水几天。○3群孔抽水试验是指带观测孔的多个抽水主孔的抽水试验，其抽水总量，一般要达到计算矿井涌水量的1/3～3/4，持续抽水几十天。○4利用地下水动力学计算公式，计算矿井涌水量，就属于解析法的范畴。大井法、集水廊道法就是常用的解析法。○5数理统计包括一元线性回归、多元线性回归、逐步回归、系统理论分析、频率计算等（参考钱学溥，娘子关泉水流量几种回归分析的比较，《工程勘察》1983第4期，中国建筑工业出版社）。可以把水位抽降、巷道开拓面积、矿产产量、降水量等作为自变量，把矿井涌水量作为因变量。○6数值法也就是计算机模拟，是通过利用计算机模拟地下水流场的变化，计算矿井涌水量的一种方法。○7常用的大井法、集水廊道法等解析法计算矿井涌水量，只考虑了含水层的导水性，没有考虑地下水的补给量。因此，只有进行了解析法和水均衡的计算，用地下水的补给量验证解析法计算的结果，计算的矿井涌水量的精度才能达到C 级。 2 稳定流、非稳定流公式应用的主要条件 2.1一般报告采用的解析解大井法、集水廊道法，是基于稳定流理论推导的地下水动力学计算公式。它要求地下水有比较充分的补给条件，要求在该水平开采的几年到几十年内，矿井排水计算的地下水影响半径边界上的水头高度，永远稳定在计算采用的高度上。 2.2基于非稳定流理论推导的地下水动力学计算公式，恰恰相反，它的使用条件是地下水没有补给，含水层分布无限，地下水影响半径不断向外扩大。 2.3由于采用大井法、集水廊道法，一般都没有考虑地下水补给量的问题，因此，计算的结果可能有较大的误差，它的精度一般只有D级。

煤业涌水量观测制度

龙门塔煤业涌水量观测制度 龙门塔煤业涌水量观测制度 一、根据矿制定的水害管理岗位责任制，矿井涌水量观测工作由矿技术副矿长负责技术管理，生产技术科负责具体组织和协助组织实施。涌水量观测必须记放登记台帐，报生产技术科进行成果整理和备案。 二、根据相关规定要求，我矿井分别在-200m水平主水仓口、-300m延深水平水仓口分别设立了涌水量观测站，各水仓口涌水量观测要求每10天观测一次。 三、井下如遇出水较大的断裂破碎带、陷落柱等出水点，必须设立观测站进行观测，每月观测1-3次。 四、如遇井下涌水量出现异常、井下发生突水或者受降水影响矿井的雨季时段，各涌水量观测站观测频率应当增加为每3～5天一次。五、生产技术科统一安排矿井涌水水质的监测，每年不少于2次，丰、枯水期各1次。 六、对于井下新揭露的出水点，在涌水量尚未稳定或尚未掌握其变化规律前，由所在安全员每日观测1次。对溃入性涌水，在未查明突水原因前，必须安排专人每隔1-2h观测1次，以后可适当延长观测间隔时间，并采取水样送生产技术科，由生产技术科负责进行水质分析。涌水量稳定后，可按井下正常观测时间观测。 七、当采掘工作面上方影响范围内有地表水体、富水性强的含水层、穿过与富水性强的含水层相连通的构造断裂带或接近老空积水区时，

必须安排安全员每日观测涌水情况，以及时掌握水量变化。 八、新掘进斜井，垂深每延深10m，安排技术员观测1次涌水量。掘进至新的含水层时，如果不到规定的距离，也应当在含水层的顶底板各测1次涌水量。 十、当井下对含水层进行疏水降压时，在涌水量、水压稳定前，应当每小时观测1-2次钻孔涌水量和水压;待涌水量、水压基本稳定后，按照正常观测的要求进行。疏放老空水的，应当每日进行观测。 十一、我矿矿井涌水量观测采用容积法、堰测法、浮标法、流速仪法等方法。为确保矿观测精度，测量工具和仪表由生产技术科负责定期校验，以减少人为误差。

《数值法预测矿井涌水量技术规范》

1 范围 本标准适用于应用数值法进行矿井涌水量预测工作，是确定计算方案、检验计算精度、编写预测报告、制定相应的规划和设计的依据。 2 一般要求 2.1 本方法可用于矿井正常涌水量、矿井最大涌水量、各开采水平的涌水量、井筒和开拓坑道的涌水量及疏干工程或专门排水装置的涌水量的预测。 2.2计算工作前或计算过程中，掌握以下资料： ——矿区所处水文地质单元的区域水文地质图及报告； ——1:5000～1:2.5万矿区水文地质图及相应的文字报告； ——1:5000矿井可行性方案开采图； ——含水层顶、底板埋深及等厚线图； ——含水层等水位线图； ——煤层底板等高线图； ——受水威胁煤层顶、底板等水压线图； ——地下水水化学图； ——水文地质剖面图； ——钻孔及群孔抽（放）水试验数据； ——地下水长期动态观测数据； ——历年气象、水文资料。 2.3 计算工作结束时提交的文件及附件： 工作报告：包括对所采用的数据、建立的模型、选用的参数、计算过程及结果的详细分析与说明； 图件：包括概念模型的示意图、水文地质参数分区图、计算区剖分图、水位拟合曲线图、计算机程序流程图、初始流场图、预测曲线和流场图、涌水量动态曲线； 附件：参数识别和正演预报时所采用的计算程序及相对应的数据文件、计算

结果、水位拟合及误差分布情况，最终预测的各时段、各节点的水位值。 3 矿井涌水量数值法预测 3.1 概念模型 概念模型是连接地下水实体系统与数值模型的桥梁。概念模型应包括对地下水流系统内部结构、边界条件、地下水运动状态及输入、输出条件的概化。模型概化得合理与否直接影响计算的程度。 3.2 数学模型 3.2.1数学模型是由概念模型来确定的，按含水层的埋藏条件分为潜水流或承压水流模型，根据地下水运动的时空变化特征又可分为：稳定流或非稳定流，平面二维流或剖面二维流、拟三维流或三维流模型。模型中的每个变量都必须给定相应的物理意义和量纲。 3.2.2模型的边界条件按性质分为三类： 第一类：水位边界（Dirichlet型）。选取水位边界应注意以下几点： a）水位边界的位置应尽可能地远离计算区内的源（汇）项，绝对不允许置抽（注）水井于水位边界上； b）水位边界处要有观测点控制，以确定边界水位值； c）在模型域中至少应有一个水位边界节点，这对保证数值模型和其逆问题解的唯一性是必要的。 第二类：流量边界（Neumann型）。选取二类边界应以隔水边界和弱透水边界为主，尽量不用A.32划成的大流量边界。在数值模型中处理大流量边界，容易造成边界附近的水位异常和整个预测结果的较大误差。因此，应尽量选取确定性较好的自然边界作为计算边界。 第三类：（Combined Boundary Condition型）。由于边界中的两个参数较难准确估值，在实际应用中应慎重。 3.2.3常用的数值方法有：有限单元法、有限差分法、边界元法、有限分析法等。根据实际条件选定算法后，必须简要说明该算法的计算过程和计算程序设计步骤以及计算程序框图。 3.2.4对计算区的剖分（离散化）可根据不同的数值方法来选用线元、面元（三角形或四边形单元）和体积单元。在靠近抽（放）水井处水力坡度较大，剖分要加密一些，在水力坡度较少处或水文地质数据较少处可以剖分得疏一些。剖分的三角形单元一般不能出现钝角和角度很小的锐角，特别是在拟三维模

尔林兔二号井田矿坑涌水量预测研究

80西部探矿工程2019年第1期 ?地质与矿业工程? 尔林兔二号井田矿坑涌水量预测研究 李鹏飞"，陈小军，惠鹏，张林 (陕西省煤层气开发利用有限公司地质研究院分公司，陕西西安710065) 摘要：矿井涌水量是矿井排水系统设计和防治水重要依据以陕北侏罗纪煤田尔林兔二号井田为例，采用解析法和水文地质比拟法对研究区矿坑涌水量进行预测，并进行对比分析。对比结果表明，解析法与水文地质比拟法计算的矿坑涌水量比较接近，说明涌水量预算参数选择合理，计算方法正确，水文地质比拟恰当，预算结果可以作为煤矿设计和建设的依据。 关键词:尔林兔二号井田；涌水量预测；解析法；水文地质比拟法 中图分类号：P64文献标识码：A文章编号:1()()4-5716(2019)()1-0080-04 矿井涌水量预算，是井田水文地质工作的主要任务之一，但因为自然因素的错综复杂.开拓方式的不同，地下水在开拓过程中又随时间在不断变化.所以至今还没有一个较完善的计算方法。目前矿井涌水量预测方法较多，主要有水文地质比拟法、Q—S曲线方程法、相关分析法、水均衡法、解析法和数值法等，每种方法都有其使用条件.只有选择恰当的方法,预测的矿坑涌水量才有较高的可信度。由于各种计算方法适用范围存在差异，因此计算时应充分考虑矿区的地质及水文地质条件’依据本区水文地质实际条件，采用解析法和水文地质比拟法对矿井涌水量进行预计。 1井田水文地质条件 尔林兔井田位于地处陕北黄土高原北部与毛乌素沙漠东南缘的接壤地带，地形地貌以风积沙丘及风沙滩地为主。地表水主要有有理河、绘丑沟河和少量海子。有理河在井田中部由南向北流出，最终汇入红碱淖湖区，属小内陆河流，实测流量641.52m7h o吃丑沟河位于井田东南部，属黄河水系秃尾河流域，井田内流长约8km,平均流量3038mVh o井田内仅存少量海子和人工挖掘形成的小水塘.蓄水面积和蓄水量均小、区内地下水可划分为2种类型:松散岩类孔隙含水层与碎屑岩类孔隙、裂隙含水层2大含水岩系;共包含6个含水岩层(组)：第四系沙层孔隙潜水含水层、第四系中更新统离石组孔隙裂隙潜水含水层、白垩系下统洛河组孔隙裂隙潜水一承圧水含水层、侏罗系中统安定组裂隙承压水含水层、侏罗系中统直罗组裂隙承压水含水层、侏罗系中统延安组裂隙承压水含水层。 第四系萨拉乌苏组冲湖积层孔隙潜水、白垩系洛河砂岩孔隙裂隙潜水补给条件优越，地下水的赋存条件好，富水性中等至强；其余各组段富水性弱。根据《煤矿床水文地质、工程地质环境地质勘查评价标准》及《煤、泥炭地质勘查规范》中有关规定.把本区水文地质勘查类型应划为二类一型，即以裂隙含水层充水为主的水文地质条件简单的矿床。 2解析法矿坑涌水量预算 井田地质构造简单，岩层产状平缓,煤系及其上覆直罗组下部砂岩承压含水层与洛河组含水层之间均存在稳定的隔水层一一安定组中上部泥岩和直罗组上部泥岩隔水层.自然条件下,地表水、浅层承压水(洛河砂岩水)与含煤地层水之间无明显水力联系,采矿影响范围内无补(隔)水边界，属无界承压含水层，因而可以用地下水动力学公式计算矿井涌水量。 2.1公式选择 (1)大井法： 承压转无压公式: Q=1.366K 2加_耐2_护 lg^.-lgro 当矿井疏干排水时，在矿井周围便形成以巷道系统为中心的具有一定形状的漏斗，这与钻孔抽水时在钻孔周围形成降落漏斗的情况十分相似，因而可将巷道系统抽象为一个理想的大井，而这个大井的横断面积与巷道系统分布的面积相当，因此可以用“大井法” *收稿日期:2018-05-17 第一作者简介:李鹏飞(1982-).男(汉族),陕西洛南人，丁?程师，现从事煤炭及煤层气地质勘探和开发研究丁作

矿坑涌水量的常用预测方法汇总

吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学 §10.4矿坑涌水量预测 一、矿坑涌水量预测的内容、方法、步骤与特点 （一）矿井涌水量预测的内容及要求 矿坑涌水量预测是一项重要而复杂的工作，是矿床水文地质勘探的重要组成部分。 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/h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，在矿床水文地质调查中，要求正确评价未来矿山开发各个阶段的涌水量。其内容与要求包括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。 （2）矿坑最大涌水量：是指正常状态下开采系统在丰水年雨季时的最大涌水量。对某些受暴雨强度直接控制的裸露型、暗河型岩溶充水矿床来说，常常还应依据矿山的服务年限与当地气象变化周期，按当地气象站所记录的最大暴雨强度，预测数十年一遇特大暴雨强度产生时，可能出现暂短的特大矿坑涌水量，作为制订各种应变措施的依据。 （3）开拓井巷涌水量：指包括井筒(立井、斜井)和巷道（平、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：是指在规定的疏于时间内，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。 对于地质勘探阶段来说，主要是进行评价性的计算，以预测正常状态下矿坑涌水量及最大涌水量为主。至于开拓井巷的涌水量预测和专门性疏干工程的排水量的计算，由于与矿山的生产条件密切相关，一般均由矿山基建部门或生产部门承担。 （二）矿坑涌水量预测的方法 根据当前矿床水文地质计算中常用的各种数学模型的地质背景特征极其对水文地质模型概化的要求，可作如下类型的划分：

矿坑涌水量的预测方法 -(解析法)

解析法 （一）解析法的应用条件 解析法是根据解析解的建模要求，通过对实际问题的合理概化，构造理想化模式的解析公式，用于矿坑涌水量预测。具有对井巷类型适应能力强、快速、简便、经济等优点，是最常用的基本方法。解析法预测矿坑涌水量时，以井流理论和用等效原则构造的“大井”为主，后者指将各种形态的井巷与坑道系统，以具有等效性的“大井”表示，称“大井”法。因此说：矿坑涌水量计算的最大特点是“大井法”与等效原则的应用，而供水则以干扰井的计算为主。 稳定井流解析法：应用于矿坑疏干流场处于相对稳定状态的流量预测。包括①在已知某开采水平最大水位降条件下的矿坑总涌水量；②在给定某开采水平疏干排水能力的前提下，计算地下水位降深（或压力疏降）值。 非稳定解析法：用于矿床疏干过程中地下水位不断下降，疏干漏斗持续不断扩展，非稳定状态下的涌水量预测。包括：①已知开采水平水位降（s）、疏干时间（t），求涌水量（Q）； ②已知Q、s，求疏干某水平或漏斗扩展到某处的时间（t）；③已知Q、t，求s，以确定漏斗发展的速度和漏斗范围内各点水头函数隨时间的变化规律，用于规划各项开采措施。在勘探阶段，以选择疏干量和计算量最大涌水量为主。 （二）计算方法 如上所述，应用解析法预测矿坑涌水量时，关键问题是如何在查清水文地质条件的前提下，将复杂的实际问题概化。它可概括为如下三个重要方面：分析疏干流场的水力特征，合理概化边界条件，正确确定各项参数。 1. 分析疏干流场的水力特征 矿区的疏干流场是在天然背景条件下，迭加开采因素演变而成。分析时，应以天然状态为基础，结合开采条件作出合理概化。 （1）区分稳定流与非稳定流 矿山基建阶段，疏干流场的内外边界有受开拓井巷的扩展所控制，以消耗含水层储量为主，属非稳定流；进入回采阶段后，井巷输廊大体已定，疏干流场主要受外边界的补给条件控制，当存在定水头（侧向或越流）补给条件时，矿坑水量被侧向补给量或越流量所平衡，流场特征除受气候的季节变化影响外，呈现对稳定状态。基本符合稳定的“建模”条件，或可以认为两者具等效性；反之，均属非稳定流范畴。 如河北开滦煤矿，其矿坑涌水量随坑道走向的延展而增加，但这种延展暂停时，涌水量立即出现相对的稳定。此时仅表现有受降水的季节变化在一定变幅范围内上下波动，并出现强出水点和边缘出水点成袭夺中间出点现象，而总涌水量不变。又如辽宁复州粘土矿，其涌水量随采深增加，但某一水平进入回采时，其涌水量就逐渐稳定，并保持到下一水平突水进止，在此阶段虽然也出现下水平突水点袭夺上水平突水点现象，但总涌水量却保持不变。由此可见，在某些矿区的疏干过程中，不仅存在疏干流场的相对稳定阶段，而且隨矿山工程的进展而不断相互转化。 但选用稳定流解析法时要慎重，必须进行均衡论证，判断疏干区是否真正存在定水头供

矿井涌水量的计算

三、地下水动力学法 地下水动力学法的理论依据是地下水运动的线性渗透定律，即达西定律。根据这个原理和具体的水文地质条件，可选择不同的公式计算矿井井简的浦水量。 (一)垂直井筒涌水量的计算 1.潜水完整井涌水量计算 所谓潜水完整井是指开凿在潜水含水层中，井打穿含水层到隔水层底板的井筒 22 1.366lg lg H h Q K R r -=- 因为 h=H-S 所以 (2)1.366lg lg H S S Q K R r -=- 在井筒掘凿时，井筒中式不允许积水的，因此h=0，或者说S=H,这时， 2 1.366lg lg H Q K R r =- 式中 Q ——井筒涌水量（m3/d ） K ——含水层渗透系数（m/d ） H ——含水层厚度 h ——井中出水地段高度 S ——水位降低值 R ——影响半径 r ——井筒半径 2．承压水完整井涌水量计算 承压水完整井是指开凿在承压含水层中，并全部揭露含水层的井筒 ()2.73lg lg M H h Q K R r -=-或 2.73lg lg MS Q K R r =- 3.完整潜水承压井涌水量计算 当井筒穿过承压含水层水位下降很大，降到隔水顶板以下时，井筒附近变为无压水，这种情况称为潜水承压井 22(2)1.366lg lg HM M h Q K R r --=- 上述公式同样适用于钻孔涌水量计算 如果抽水试验是在井筒检查孔中进行，用钻孔涌水量可按下式换算成井筒涌水量 112122 lg lg lg lg R r Q Q R r -=- (二)水平尽道涌水量的预剐方法 计算水平巷道涌水量时，同样可将巷道看成为水平集水于程。因此，可利用地卞水向水平集水工程运动的公式计算。

论煤矿矿井涌水量预测几种方法的应用

论煤矿矿井涌水量预测几种方法的应用 【摘要】矿井涌水量是煤矿水文地质条件的一个重要指标，本文以某煤矿为例，通过采用大井法、水文地质比拟法和Q-f（s）相关分析法（图解法）三种矿井涌水量预测方法对矿井涌水量进行预测，通过比较、分析几种方法的适用性、针对性和条件满足性等，推荐最终选用的预测方法。 【关键词】涌水量；水文地质；预测方法 0 引言 在煤矿安全中，矿井排水能力是一项很重要的指标。若排水能力低，则不能保证安全生产，若排水能力过高则增加生产成本和企业负担，因此矿井涌水量预测就显得较为重要了。本文以某煤矿为例，介绍几种矿井涌水量预测方法，希望能起到抛砖引玉的效果。 1 某煤矿基本情况介绍 1.1 矿山自然地理及地质概况 某煤矿位于河南省辉县市太行山南麓，为山前冲洪积扇中上部，地势西高东低，海拔标高88—96m，相对高差8m左右。该区地层由老至新为奥陶系中统马家沟组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、二叠系下统下石盒子组和新近系、第四系。 1.2 矿山开采情况 该煤矿矿井由一对立井（主、副井）开拓，井深521.3m，设计生产规模为45万吨/年，矿井服务年限为49.1年。 矿井现开采二1煤，现开采水平为-425m，开采最低标高为-475m，最终开采水平高差为50m。 1.3 邻近矿井情况 矿区内及邻近地区无生产矿井，亦无采空区，仅在矿区西南部较远处有吴村煤矿、方庄煤矿、白庄煤矿，现将吴村煤矿情况简述如下： 吴村煤矿位于该矿井的西南方向约30公里处，1969年建井，二1煤已基本采空，实际生产能力35万吨/年，开采水平为-280m，矿井正常水量为950m3/h。 1.4 矿区水文地质边界