第39卷第4期 2017年 4月 能源与环保 China Energy and Environmental Protection V01.39 No.4 Apr. 2017 数值法和解析法在矿井涌水量预测中的应用分析 张莉丽 ,张耀文 ,武 强 ,折书群 (1.防灾科技学院,河北三河065201;2.中国矿业大学(北京),北京100083; 3.华北有色工程勘察院有限公司,河北石家庄050024) 摘要:针对马城铁矿矿井水文地质条件、工程地质条件复杂及开采技术条件为复杂型复合问题矿床这 一特点,在分析矿井地层资料以及以往的水文地质资料、查明矿区水文地质条件基础上,采用数值法 和解析法对该矿井的涌水量进行了预测计算,所得结果可以作为矿井建井的设计依据。将2种方法 的预测结果进行分析比较,综合考虑这2种方法的优缺点和矿井实际情况,认为数值法计算结果比较 合理,研究结论可为其他类似矿井涌水量的预测提供借鉴。 关键词:水害;数值法;解析法;马城铁矿;矿井涌水量 中图分类号:TD742.1 文献标志码:A 文章编号:1003—0506(2017)04—0052—05 Application analysis of numerical method and analytical method in prediction of mine discharge in mine shaft Zhang Lili ,Zhang Yaowen ,Wu Qiang ,She Shuqun (1.Institute ofDisaster Prevention,Sanhe 065201,China; 2.China University ofMining and Technology,Beijing 100083,China; 3.North China Engineering Investigation Institute Co.,Ltd,Shiifazhuang 050024,China) Abstract:The geological conditions and engineering conditions of Macheng iron ore are complex,and the mining method used in the ore is complex and combined.Based on the water inflow observation data and the stratum data of Macheng iron ore,the water inflow was cal— culated by the numerical method and analytic method.Two predicted resuhs were similar and could be used as the design basis for iron ore construction.The corresponding application conditions for these two methods were given out after the analysis and the comparison, and it is considered that the resuh of numerical calculation is reasonable.It provides a reference for other mines to predict the water in— lfow. Keywords:water hazard;lmmerical method;analytical method;Macheng iron ore;water inflow 0 引言 水害是影响和制约矿井安全生产的主要问题之 一型选择不合理等 。目前,预测矿井涌水量的方法 主要分为2类:①确定性的数学模型法,其中常用的 方法为数值法 、解析法 和水均衡法¨ ;②统计 分析方法,如水文地质比拟法¨ 、相关分析法¨ 、 ,如何准确地预测涌水量,一直都是矿井防治水工 作中一项复杂而困难的工作。尽管多年来,许多专 家学者们进行了大量的研究工作 。 ,但预测涌水 量与实际开采涌水量相比,误差还是很大,有的误差 甚至达到数倍甚至数十倍。究其原因,主要是水文 涌水量降深曲线方程法 。。等。对于第①类方法来 说,如果水文地质条件没有查清楚,或者水文地质条 件比较复杂而概化不准确,都有可能导致计算结果 错误。而第②类方法则只能应用于地质条件相似的 矿井,而且无法考虑开采条件下影响矿井充水因素 地质参数不准确,或者水文地质条件不清楚,或者模 收稿日期:2016—12—21;责任编辑:秦爱新DOI:10.19389/j.cnki.1003—0506.2017.04.Ol1 基金项目:中国地震局教师科研基金资助项目(20150102);国家自然科学基金资助项目(41572222) 作者简介:张莉丽(1978一),女,内蒙古呼伦贝尔人,讲师,博士后,主要从事水文地质、工程地质和矿井防治水方面的研究。 引用格式:张莉丽,张耀文,武强,等.数值法和解析法在矿井涌水量预测中的应用分析[J].能源与环保,2017,39(4):52-56. Zhang Lili,Zhang Yaowen,Wu Qiang,et a1.Application analysis of numerical method and analytical method in prediction of mine discharge in mine shaft[J_.China Energy and Environmental Protection,2017,39(4):52-56. ・52・ 2017年第4期 张莉丽,等:数值法和解析法在矿井涌水量预测中的应用分析 第39卷 的动态变化,不具有普遍性,大多情况下很难达到这 样的要求。马城铁矿周围没有与其地质条件相似的 矿井,不具备第②类方法预测矿坑涌水量的基础,因 此,根据矿区水文地质条件和矿山开采方式,采用数 刻的水头空间分布状况;W为源汇项,此模型中即 为矿坑涌水量; 为弹性给水度;q为二类边界流 量;日为矿区四周无限边界;12为模拟范围。 1.3数值模型 值法和解析法预测矿坑涌水量,两种方法相互印证, 力求获得精确的涌水量预测值 。 1数值法预测矿井涌水量 1.1水文地质模型概化 (1)含水系统。矿区含水层自上而下可大致划 分为第四系上部强孔隙含水层、下部中等孔隙含水 层、基岩风化裂隙弱含水层、基岩构造裂隙含水层 (带)。上述各含水层构成统一的地下含水系统,该 含水系统形似“蘑菇”。第四系含水层和基岩风化 裂隙含水层形似“蘑菇头”,是矿坑充水水源,基岩 构造裂隙含水层(带)形似“蘑菇茎”,是矿坑充水 通道。 (2)地下水流动系统。在天然状态下,地下水 大致由北向南运动,开采条件下,深部疏干排水,地 下水垂向越流补给,垂向上存在水头梯度,地下水呈 三维空间流场。 (3)边界条件。第四系含水层富水性极强,在 矿山开采过程中是矿坑充水水源,为定水头补给边 界,基岩风化带为无限补给边界。构造裂隙含水 (层)带两翼基岩裂隙不发育,透水性弱,为隔水边 界。由于900 rn深以下基岩完整,透水性弱,视为计 算模型底边界,即隔水边界。为避免数值模型过小 造成较大计算误差,设计长18 km、宽17 km的计算 模型。故将含水系统概化为非均质各向异性含水系 统。 1.2数学模型 根据前述研究区的边界条件,含水介质特征以 及地下水的补给、径流、排泄条件,可以将研究区的 水文地质模型概化为三维非稳定流,其数学模型为: Kx ( )+ 0 (O H)+ 去( )+W= OH( ,, y,z)∈ ∈ q( ,Y, ,t)=0( ,y, )∈B (2) H(pc,y,z,t)=Ho(PC,y, ,0) ( ,y, )∈12(3) 式中, ,K, 分别为 、Y、 方向含水层的渗透系 数;日为任意空间点( ,y, )的水头随时间t函数; 为任意空间点( ,),,z)的初始水头函数,即t。时 (1)渗流区剖分及初始渗流场确定。模型采用 有限差分法对物理模型进行矩形剖分,对地层分界 线、抽水孔、观测孔附近进行加密处理,共剖分成 120行,104列,28层,共计349 440个单元格。根据 抽水试验前的统测水位资料,绘制地下水流场图,作 为模型识别的初始流场,初始渗流场如图1所示。 图1初始渗流场 Fig.1 Initial flow field map (2)水文地质参数确定。第四系含水层参数主 要依据马城水文地质勘探成果,第四系上部强含水 层渗透系数取值230 m/d,中部极弱透水层取值 0.004 m/d,下部中等含水层取值32 m/d。基岩含 水层参数主要依据抽水试验确定,并充分结合岩心 的RQD值、线裂隙率、简易水文等资料给出不同标 高含水层水文地质参数初值;模型弹性给水度初值 的选取依据DCK02多孔抽水试验配线法确定,给出 初始值范围10~~10~。通过拟合调整参数,最终 确定基岩含水层在不同标高下的参数分区及参数值 见表1、表2。 (3)矿井涌水量预测。依据矿山开采设计方 案,向上每隔120 m设计一个开采水平,即一900 m 与一540 m进行联合开采、一780 m与一420 m进行 联合开采、一660 m与一300 1TI进行联合开采,一570 m与一240 m进行联合开采,2个开采高程采取上行 分层充填法,最上面一个开采水平至一240 m标高, 一240 m标高以上矿体及围岩留设矿坑安全顶板, 不再开采。结合开采设计方案,对一240 m开采水 平进行涌水量预测,涌水量预测结果:正常涌水量为 6.11万m /d,最大涌水量为7.33万m /d。 .53・ 2017年第4期 能源表1水文地质模型渗透系数 Tab.1 Permeability coefifcient of the hydrogeological model 参数分渗透系数(m・dI1) 参数分渗透系数(m・d ) 区编号 区编号 Ky 基岩强 1 0.25 0.25 0.025 基岩弱 1 0.251 0.251 0.025 风化带 2 5e一 5e一3 5e一4 风化带 2 6e一 6e一3 6e一4 1 6.25 6.25 6.2l l 1.10 1.10 l 10 2 2.30 2.3O 2.30 2 2.30 2.3O 2.30 3 0.30 0.30 0.30 —500 3 1.80 1.80 1.80 —250 4 1.95 1.95 1.93 4 1.95 1.95 l 93 in 5 1.10 1.1O 1.10 5 3e一4 3e一4 3e一4 6 1.80 1.8O 1.80 l 1.80 1.80 1 8O 7 3e一4 3e一4 3e一4 一600 2 2.30 2.30 2.3O l 6.25 6.25 6.21 nl 3 1.1O 1.1O 1.1O 2 2.30 2.30 2.3O 4 3e一4 3e一4 3e一4 300 3 1.95 1.95 1.93 1 1.1O 1 1O 1.1O m 4 1.10 1.10 1.1O 一700 2 2.30 2.30 2.30 5 1.8O 1.80 1.80 3 3e一4 3e一4 3e一4 6 3e一 3e-4 3e 4 1 1.1O 1.1O 1.10 l 6.25 6.25 6.21 —800 2 2.30 2.30 2.30 m 2 2.30 2.30 2.30 3 3e一4 3e一4 3e一4 400 3 1.95 1.95 1.93 1 1.10 1.10 1.10 in 4 1.1O 1.1O 1.1O 900 2 2.30 2.30 2.30 5 1.8O 1.80 1.80 In 6 3e一4 3e一4 3e一4 3 3e一 3e一4 3e~4 表2水文地质模型给水度 Tab.2 Spec ̄c yield of the hydrogeological model 含水参数分 给水度 含水参数分 给水度 层区编号弹性给水度重力给水度 层区编号弹性给水度重力给水度 A 6.9×10-。1.0×10—3 A 6.9 x10_。1.0×10 3 一250 B 14×10—6 20×10—3 一600 B 1m...4×10—6 2.0×10—3 mC 3.1×10—6 2 4×10—3 C 3 l×10—6 2.4×10—3 A 6.9×10-。1 0×10—3 A 69×10~1.0×10—3 .一 B 1.4×10~2.0×10_3 一 B 1.4×10 2.0×10_3 C 3.1 x10—6 24×10—3 C 31×10—6 2 4×10—3 ..A 6.9×10_ 1.0×10—3 80o A 6.9×10~1 0×10—3 一 B 1.4×10 2.0×10_] C 3 1×10—6 2 4×10—3 B 1.4×10—6 2.0×10—3 A 6 9×10~1.0×10—3 一50O B l 49oo A 6.9×10~1-0×10—3 ×10—6 2.0×10—3 mC 3.1×10—6 24×10—3 B 1.4×10—6 2.0×10—3 .2解析法预测矿井涌水量 矿区第四系水量丰富,且接受滦河、新滦河渗漏 补给和大气降水的入渗补给,可视为定水头补给边 界。第四系底部强风化带分布广泛,厚度稳定,可视 为弱透水边界,控制着第四系水进入矿坑的“阀 门”。弱风化带为风化裂隙水的主要赋存部位,可 视为均质无限承压含水层。3线以南和24线以北 弱风化带(B区)以下基岩完整,含水微弱,可视为 隔水边界。3_24线基岩构造破碎为矿坑充水的主 要通道(A区)。在开采条件下,3_24线构造破碎 含水带压力释放,引起第四系水的垂向越流补给以 -54・ 与环保 第39卷 及弱风化带裂隙水的侧向补给,其中,基岩弱风化带 的侧向补给量由两部分组成:①弱风化带裂隙水接 受北部裸露山区地下水侧向补给量;②第四系水通 过强风化带垂向越流补给弱风化带水量(图2)。 降 第四系定水头补给边界 、\ 灞 线 24线以北\ 3—24线 , /3线以南 I 』\ I+ +I + +l / 、 、 、 强风化带弱透水层 弱j 相对隔水层 Qz W Q-弱 相瓦对 隔l水 层含 在 图2—240 ill标高矿坑涌水示意 Fig.2 Sketch map of the water gushing at一24O m 由于矿床开采自下而上进行,开采至最上一个 水平时,矿坑顶板最薄,第四系水和风化裂隙水流入 矿坑所通过的“瓶颈”最大,地下水垂向运动过程中 受的阻力最小,矿坑涌水量最大,因此,本次解析法 对一240 m标高矿坑涌水量进行估算。开采至标高 一240 in时,基岩地下水位降至强风化带底板以下, A区构造破碎带成为无压区,接受第四系越流量不 再随降落漏斗向外扩展而增加,Q 为定值。B区弱 风化带裂隙水Q 随着漏斗向外扩展而增大(主要 第四系水越流量增大),对Q 计算可采用存在垂向 越流补给的承压转无压“大井法”进行计算。各部 分水量计算见式(4): Q总=Q1+Q2 Q =K 1 1 F ㈡ (4) 式中,Q 为240 m标高矿坑涌水量;P,为A区第四 系越流量;Q 为B区弱风化带侧向补给量(内含第 四系越流量); 。为强风化带垂向渗透系数; 为曰 区弱风化带渗透系数;M 为强风化带平均厚度;M: 为弱风化带平均厚度;no为第四系水位;H 为 区 强风化带底板水位;S为大井法预测降深值;F为A 区接收第四系水越流补给面积;rn为大井引用半径; /r 、 B为越流因素;Kof l为零阶第二类虚宗量Bessel 2017年第4期 张莉丽,等:数值法和解析法在矿井涌水量预测中的应用分析 第39卷 函数; f罟I\D/ 为一阶第二类虚宗量Bessel函数。 经计算,一240 m开采中段矿坑正常涌水量为 6.33万m /d,最大涌水量为7.60万m /d。对于正 常涌水量来说, 区第四系越流量占5.24万m。/d, 占83%,B区弱风化带侧向补给量占1.09万m /d, 占17%,可见第四系越流量为矿坑涌水的主要来 源。 3结果对比 数值法模型介质场构建严格按照矿区钻孔水文 地质编录进行,重点剖分了构造破碎带、水文地质勘 探区域。在模型的识别过程中,采取了群孔抽水试 验中不同深度、不同地层的13个观测孔309 h,共计 1 547个观测数据作为模型识别验证目标,最终获得 了能够代表马城铁矿水文地质特点的水文地质数值 模型,据此预测了矿井最大涌水量和正常涌水量。 预测基岩含水层降落漏斗扩展范围小于4.5 km X 5.0 km,小于模型范围,该计算结果可靠,能够反映 马城铁矿坑下开采阶段涌水量特点。 解析法估算了一240 m标高的矿坑涌水量,与 数值法预测结果相近。由于解析法各参数的取值代 表性较差,假设条件与实际有一定偏差,矿坑涌水量 预测以数值法为准,以解析法为参考。数值法预测 矿坑涌水量精度B级,可信度0.5;解析法估算矿坑 涌水量精度c级,可信度0.4l2¨。因此,数值法相 对于解析法的结果准确可靠(表3)。 表3预测结果对比 Tab・3 Comparison of prediction results 算法 正常涌水量/(万m ・d ) 最大涌水量/(万m’・d ) 数值法 6.11 7.33 壁堑鎏 : !: 数值法预测矿坑涌水量是建立在矿山上向分层 充填开采法的基础上,即不得破坏矿床上覆第四系、 风化裂隙含水层组介质场结构。该区新构造运动频 繁,如果由于新构造运动或采矿活动造成矿床上覆 顶板坍塌,第四系上部强含水层组中的孔隙水将大 量涌入矿坑,形成矿山突涌水及矿坑泥石流灾害,后 果不堪设想。 4 结论 (1)基于矿井实际情况,建立了符合矿区水文 地质特点的水文地质数值模型来预测矿井涌水量, 可以处理复杂边界条件,结果更切合实际,所以结果 准确率较高。 (2)解析法对水文地质条件要求比较苛刻,适 用于均质、形状规则的含水层,而实际含水层不会这 样理想,这就使解析法的实际应用受到了一定的限 制,预测结果可信度不是很高,只能作为辅助的预测 方法。 参考文献(References): [1] 杜敏铭,邓英尔,许模.矿井涌水量预测方法综述[J].地质学 报,2009,29(1):70-73. 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