矿井涌水量预测

确定依据
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
4、疏干工程的排水量 在规定的疏干时间内，将水位降到某一规定标 高时所需的疏干排水强度。
难以预测！ 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
二、预测失误的原因分析
1977～1978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。 例2：泗顶铅锌矿
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； 地下水运动 抽水试验条件困难，常无效果； 为非渗流型 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。
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14450m3／d，与巷道 放水外推的数值(14000m3／d)接近，而用解 析法预测的结果(12608m3／d)则偏小12％。
一般认识：
I型曲线，出现在承压含水层或潜水含水层(水 位降深与含水层厚度相比应很小)中，地下水呈层 流状态； Ⅱ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； Ⅲ、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。
Q aS
S aQ bQ2
Q aS
1 b
Ⅳ
Ｓ
Ⅱ
Ⅲ
Q a b lg S
Ⅰ 直线型：承压井流（或厚度很大、 降深相对较小的潜水井流）
Ｑ
Ⅱ 抛物线型：潜水、承压-无压井流 （三维流、紊流影响的承压井流）
Ⅴ Ⅰ Ⅳ
Ⅲ 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
Ⅳ 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 Ⅴ 可能有误或特殊现象发生
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：
经验方程（比拟法） Q-S曲线方程 回归方程
数 学 模 型 分 类
非确定性统计模型
渗流型 确定性模型
解析解-井流方程
稳定井流公式 非稳定井流公式
数值解
非渗流型
有限元法 有限差分法
混合型模型
第三步：求解数学模型，评价预测结果
1-99-3 H-t曲线
线，可由求出参数a和b。 结果：a为截距，b为直线的斜率 1 注意：Ⅲ幂曲线型中，b为斜率的倒数 lg Q lg a b lg S
Q a b lg S
⑵ 最小二乘法：当精度要求较高时采用
①直线型 ②抛物线型
QS a S
2
S a
0
b Q N
b
N S0 S0 Q N Q 2 Q
第五章 矿井涌水量预测
江西榨一煤矿

内容安排
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 概述 水文地质比拟法 Q-S曲线外推法 水均衡法 解析法 数值法
第一节
概
述
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。
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
-60.00 597 -70.00 -80.00 -90.00 -100.00
H(m)
t(d) 872 1214 1303 1396 1500 1570
观测值 计算值
第二节 水文地质比拟法
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: ①新建矿井与老矿井的条件应基本相似； ②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表达式的可靠程度。
一、富水系数法
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。
Q0 KP P0
已建矿
Q K P
新建矿
Q KP P
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。

n
第三节 Q-S曲线外推法
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Q–S曲线的函数关系 表示。 Q–S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Q–S曲线外推，以 预测涌水量。
采矿量P0
综合
KP
采空区面积F0
采掘长度L0 采空体积V0
Q0 P0 Q0 KF F0 Q KL 0 L0 Q0 KV V0
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Байду номын сангаас降深S条件下涌水量Q的依据。
Ｓ
Ⅱ
Ⅲ
原来被阻塞的裂隙、岩溶通道被突然疏通
2、 判别实际的Q–S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 直接看 过原点
注意：
1、采用Q－S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、 Q－S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2～3倍，否则预测的可靠性会降低。
S试
S总
S推
第四节 水均衡法
Q0 Q q0 F0 S 0 FS
已建矿 新建矿
FS Q Q0 F S 0 0
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
F Q Q0 F 0

m
S S 0
S0 S Q
得到抽水试验散点 图！（Qi，Si）
Q aS
Ⅰ直线型
Q-S曲线图
曲线伸直
S、Q相除 取双对数
S 0 a bQ
Ⅱ抛物线型
1 lg Q lg a lg S Ⅲ幂曲线型 b
取单对数
Q a b lg S
Ⅳ对数曲线型
2)曲度法 在曲线上取两点， 由下式求出曲度值n： （Q1，S1）
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。
求解参数的关键环节！
数学模型-水文地质模型-水文地质勘探资料
三、矿井涌水量预测的特点



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。
对数关系
平方根关系
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：
Q md
n
式中，参数m和n可用最小二乘法求出。
Q－S曲线法的优点：
⑴避开了各种水文地质参数； ⑵计算简单易行； ⑶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。
2
③幂曲线型
lg Q b lgS lg a N
1 N lg Q lg S lg Q lgS 2 2 b N lg S lg S
b N Q lg S Q lgS N lg S lg S
2 2
Q b lgS ④对数曲线型 a N
-60.00
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。
597 -70.00 -80.00 -90.00 -100.00 H(m)
872
1214
1303
1396
1500
t(d) 1570
观测值 计算值
3-00-7 H-t曲线
lg S 2 lg S1 n lg Q2 lg Q1
（Q2，S2）
曲度判定
1 试验资料有错误 1 直线型 n 1,2 幂曲线型 2 抛物线型 2 对数曲线型
3．确定方程中的待定参数a和b ⑴图解法: 一般情况下，利用各类型的直线方程图
矿井涌水量预测以准确地预测丰水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。
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)预测未来开采条件下的外部边界。
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”。

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
Q–S曲线法的计算方法和步骤：
1、建立各种类型Q–S曲线方程 2、判别实际的Q–S曲线的类型 3、确定方程中的待定参数a和b 4、井径换算
1、建立Q–S曲线方程 可归纳为四种数学模型：
Ｑ
Ⅴ Ⅰ
Ⅰ直线型 Ⅱ抛物线型 Ⅲ幂曲线型 Ⅳ对数曲线型
实际涌水量 预测方案一 预测方案二
6048 m3/d
80524.8 m3/d
误差1231%
95299.2 m3/d
误差1475%
二、预测失误的原因分析
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
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。
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。
lg R孔 lg r孔 层流 Q井 Q孔 lg R lg r 井 井 紊流 Q井 Q孔 r井 r孔