矿坑涌水量分析方法综述

矿坑涌水量分析方法综述 摘要：矿坑涌水量分析是一项复杂而艰巨的工作，是矿山排水和矿床疏干设计的重要依据。本文旨在分析矿坑涌水量中常用的几种方法和特点进行初步的总结，提出了在矿坑涌水量实际预测中，应根据预测精度要求和水文地质特点条件，合理选用适当的分析参数和方法。 关键词：矿坑涌水量、分析方法、总结综述 引言 在矿井开采或建设过程中，由于人为扰动的外力作用破坏了地下含水岩层和土壤的维护结构，接通地下含水系统，是地下水和地表水通过被打通的空隙涌入矿坑，从而形成矿坑涌水。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。它是确定矿坑水文地质类型、矿坑水文地质条件复杂程度和评价矿坑开发经济技术条件的重要指标之一，也是设计与开采部门选择开采、开采方法，制定防治水疏干 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，设计水仓、排水系统与设备的重要依据。因此，在矿坑水文地质调查中，要求正确评价未来矿山开发各个阶段的涌水量。尤其在我国，煤矿地质条件复杂，矿坑涌水量难以准确预测，矿坑涌水事故时有发生，这不仅会给煤矿的安全生产带来威胁，在透水事故严重发生时也会给煤矿带来巨大的经济损失和人员伤亡。而且，在中国煤矿多集中在北方缺水省份，煤矿的大规模开采造成了对水资源的严重破坏，同时伴生的矿井水未经处理或处理不达标随意排放，污染周围的农田和水体，危害人畜健康。这不仅加剧水资源相对短缺的矛盾，进而影响了本地区乃至全国的生态环境及经济的可持续发展。因此，准确预测矿坑涌水量，有助于合理确定矿坑水处理设施的建设规模，有效利用建设资金，减少或避免安全事故的发生。本文将对矿坑涌水量分析方法做一简介。 地下水涌水量的经验 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 法     一、涌水量与水位降深关系曲线法     采用这种方法的基本条件，是预测地区与试验地区的水文地质条件基本相似，同时，要有三个或三个以上的稳定降深和阶梯流量抽水试验资料。根据实践，应用上部水平排水或坑道放水试验资料预测深部水平涌水量，能取得很好效果。同时也司用于水文地质条件相似的邻近矿区的矿坑涌水量计算。     这种方法与竖井涌水最计算经验公式法类似，也需将抽（放）水试验的Q=f（s）图形由曲线关系转换成直线关系，然后推算矿坑总涌水量。为了易于确定变换后的直线关系，可将抽水试验的Q、S资料按表1的要求进行整理。 用于图形转化的抽（放）水试验资料整理 抽(放)水 次数 S Q lgS lgQ 1 S1 Q1 q1 S01 lgS1 lgQ1 2 S2 Q1 q1 S01 lgS2 lgQ1 3 S3 Q3 q3 S03 lgS3 lgQ3     二、水文地质比拟法     这种方法是用类似水文地质条件矿山地下水涌水量的实际资料，来推求设计矿山的涌水量。多用于扩建或改建矿山。对于新建矿山，若相邻地区有类似条件的矿山，亦可应用。新设计的矿山与所比拟的矿山的地质、水文地质条件相似，是使用本方法预计目坑涌水量的基础。因此，对相似水文地质条件的生产矿山，应作如下主要方面的调查：     矿山地质、水文地质条件，坑道充水岩层的特征，坑道涌水量、水位降深与开采面积的关系等等。     一般常用的比拟法计算式见表2。 水文地质比拟法计算公式 计算式 适用条件 符号说明   当涌水量与水位降低值、开采面积成正比时 Q—设计矿坑某阶段涌水量，m3/d； Q1—相似矿坑某阶段涌水量，m3/d； S—设计矿坑水位降低值，m； S1—相似矿坑水位降低值，m； F—设计矿坑某阶段开采(或开拓)面积，m2； F1—相似矿坑某阶段已开采(或开拓)面积，m2； P—矿石产量，t/d； Kp—含水(富水)系数，m3/t·d； qp—已知矿山单位开采(或开拓)面积涌水量，m3/m2·d； qs—已知矿山单位降深水量，m3/m·d   当涌水量与水位降低值的平方根、开采面积成正比时   当涌水量与水位降低值、开采面积的平方根成正比时   当涌水量与水位降低值和开采面积的平方根成正比时   当涌水量与水位降低值的平方根成正比，面开采面积的增加对其影响较小时   用于矿石产量对矿坑涌水量起主要作用的矿山   用于开采面积对矿坑涌水量起主要作用的矿山   用于水位降深对矿坑涌水量志主要作用的矿山     三、相关分析法     （一）相关关系的概念     相关分析是一种处理变量间的相关关系的数理统计方法。变量之间的关系可分为两种类型，一是完全确定的关系，即函数关系；另一种类型是变量之间存在联系，但是又不能由一个或几个变量的数值精确地求出另一个特定变量的值，这类变量之间的关系称相关关系。     （二）顶计矿坑水童的步骤     相关分析法是一种数理统计方法，它根据一系列的实测资料，研究影响矿坑涌水量因素之间的规律性的，所以必须要有相当数量的观测资料。     计算的步骤是在掌握矿坑涌水量主要的影响因素的基础上，确定相关线型。如系曲线型，则需根据不同类型曲线用不同变数代换，化为直线，（具体作法见表3-5），求出回归方程式和相关系数。当确定涌水量对某影响因素的回归方程后，只要将预计情况下的影响因素值代入回归方程，便可计算出预计的矿坑涌水量。 回归方程的变换方法 线型 方程的一般形式 变换方法 判别方法 直线型 Y=a+bx   通常把数据点在方格纸上，趋势为直线，则为直线型   把数据点在半对数纸上，趋势为一直线，则为指数函数或对数函数   把数据点在双对数纸上，趋势 为一直线，则为幂函数。   如果还不能确定曲线属于那种线型，则要选择几种曲线，分别进行相关计算，最后选用其最佳者 曲 线 型 抛 物 线 Y=a+bx2   取两个新变量X和Y、令X=x2，Y=y则变成如下直线方程 Y=a+bX 指数 曲线 Y=aebx或   两边取对数，则y=aebx变为，lgy=lgu+(blge)x令X=x Y=lgy A=lga B=blge则变成如下直线Y=A+BX 对数 曲线 y=a+blgx   令X=lgxY=y，变成直线Y=a+bX 双曲 线 或   对于前者，取 和 ；对于后者，为X=x和 即变为直线方程Y=a+bX 幂函数曲线 y=axb   两边取对数方程变为lgy=lga+blgx令X=lgx Y=lgy A=lga则化为直线方程 说       明   直线y=a+bx称为y倚x的回归直线。经整理后得 倚x的回归方程为：   (1)   同理可得x倚y的回归方程为：   (2)   当由x求y时用y倚x的回归方程(1)   而由y求x时用x倚y的回归方程(2) 单相关计算 序号 x y Kx Ky Kx-1 Ky-1 (Kx-1)2 (Ky-1)2 (Kx-1)(Ky-1) 1 2 3 4 5 总和 ∑x ∑y ∑(Kx-1)2 ∑(Ky-1)2 ∑(Kx-1) (Ky-1) 平均     注：y1、y2……yx和x1、x2……xn是代表两种现象（如涌水量Q与水位降深S或其它）的两组观测值。 二元复相关计算 序号 x y z Kx Ky Kz (Kx-1)2 (Ky-1)2 (Kz-1)2 (Kx-1) (Ky-1) (Ky-1) (Kz-1) (Kz-1) (Kx-1) 1 2 3 4 5 总和 ∑x ∑y ∑z ∑(Kx-1)2 ∑(Ky-1)2 ∑(Kz-1)2 ∑(Kx-1) ∑(Ky-1) ∑(Ky-1) ∑(Kz-1) ∑(Kz-1) ∑(Kx-1) 平均     注：x1、y2……xn；y1、y2……yn和z1、z2……zn是代表各种现象（如涌水量Q、水位降深S和影响半径R或其他）的观测值。     （三）相关指数R2的确定方法     对于直线相关的两个变数，可用相关系数r衡量其相关的密切程度。     对于曲线相关，情况稍有不同，此时是将原有的变数X，Y进行变数代换，变成X，Y后再行相关计算的，此时的相关系数r仅仅表示新变数X和Y的线性关系的密切程度。但要求的是新配曲线与观测数据配合较好，可以用相关指数R2作为衡量配曲线效果好坏的指标。 INCLUDEPICTURE "http://www.mining120.com/WebEditor/uploadfile/20100408132303722.gif" \* MERGEFORMATINET     R2称为曲线相关的相关系数，它和线性相关系数r不是一回事。R2（或R）愈大（愈接近1），表明配曲线的效果愈好。     另外还可以用回归线的均方差Sy衡量配曲线的效果，均方误差Sy愈小，配曲线的效果愈好。均方误差Sy的计算见表5及表6。     （四）相关分析特征数     相关分析特征数见表6。 相关分析特征数 名称 特征数表达式(模比系数法) 均值   模比系数一指一组数据中每一个数值和均值之比，即 x、y、z—各组系列观测值； 、 、 —各组系列平均观测值； n—观测次数 圴 方 差 标 准 差 离 势 系 数 相 关 系 数 单相关   相关系数r的绝对值永远在0和1之间，相关系数愈大，表示关系愈密切。一般认为r＞0.7时，相关关系良好。也可以用如下方法求得：   当|r|＞|4Er|时，即认为相关关系良好   式中： 复 相 关 地下水涌水量的解析法     解析法是目前矿坑涌水量计算中应用最普遍的一种方法。它是对矿区水文地质条件进告发要的简化后，用推导出来的地下水动力学公式来进行水文地质计算的方法。     解析法分稳定流解析法和非稳定流解析法。     采用解析法计算矿坑涌水量时，当矿坑的长度与宽度比小于10时，视为辐射流，把复杂的进水边界概化成一个“大井”进行计算，统称“大井”法；当矿坑长度与宽度比大于10，视为平行流，则概化为“水平廊道”进行计算，统称“廊道”法。     用“大井”法计算矿坑涌水量时，其中的参数R、r应以矿坑 引用影响半径R0和引用半径r0代替。     一、稳定流解析法     （一）用“大井”法计算地下水为层流时的矿坑涌水量，其计算公式见表1所示。 层流时稳定流解析法井筒涌水量计算公式 含水层类型 潜水 承压水 承压－潜水 计算公式中符号说明 计算公式  EQ 图示 完整井 非完整井 (1) Q—竖井涌水量，m3/d； K—渗透系数，m/d； H—潜水含水层厚度或承压含水层由底板算起的水头值，m； S—水位降低值，m； r—井筒半径，m； R—影响半径，m； Rc—水流阻力系数； b，b1，b2—井筒至供水或隔水边界的距离，m； M—承压含水层的厚度，m； h0—井筒中水柱高，m； L—二供不、二隔水或一供一隔水边界之间的距离，m； ξ0，ξ—取决于( )的非完整井系数。i—映射井至抽水井的距离(其值取至1.5M为止)，m n= EQ (n为整数) σ—井、矿坑至边界距离，m； x0—井或矿坑中心到两相交隔水边界交点的距离，m (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)     （二）用“大井”法计算地下水为紊流或混合流时的矿坑涌水量，其计算公式见表2-3所示。 紊流或混合流态下竖井涌水量计算公式（一） 图形 含水层类型 紊流计算公式 (1) 潜 水 承压水 (2) 潜 水 承压水 (3) 潜 水 承压水 (4) 潜 水 承压水 (5) 潜 水 承压水 (6) 潜 水 承压水 (7) 潜 水 承压水 (8) 潜 水 承压水 紊流或混合流态下竖井涌水量计算公式（二） 混合流计算公式 适用条件 说明 远离地表 水体与隔 水边界 M—承压水含水层厚度m； H—潜水含水层厚度或水头高度，m； h0—井内水位高度，m； m—水井影响区内的平均流态系数值，在1－2之间 b—水井到边界距离，m；如b值很大时，可舍去 一项 井位于 隔水边 界附近 井位于 供水边 界附近 b1,b2值相对r值很大时，可舍去 与 二项 Q—水井的出水量，m3/d； r—水井半径，m； K—渗透系数，m/d 井位于二 直交隔水 边界附近 井位于直 交的隔水 与供水边 界之间 井位于二 直交的 供水边 界之间 井位于二平行的隔水与供水边界之间 井位于二平行的两条隔水边界之间     二、非稳定流解析法     用“大井”法计算矿坑涌水量时，其计算公式见表4-5所示。 各种边界非稳定流井筒涌水量计算公式表（一） 含水层类型 潜水 承压水 承压－潜水 涌水量计算公式 计算示意图 井径 Rc计算公式 r2/4at≥0.05 r2/4at≤0.05 (1) 完整井 非完整井 (2) 完整井 非完整井 (3) 完整井 非完整井 (4) 完整井 非完整井 (5) 完整井 非完整井 (6) 完整井 非完整井 (7) 完整井 非完整井 (8) 完整井 (9) 完整井 r2/4at≥0.05 r2/4at≤0.05 各种边界非稳定流井筒涌水量计算公式表（二） 计算示意图 计算公式中符号说明及适用条件 (1)  无越流无限含水层，抽水量固定不变。ξ0′取决于  r—井半径，m；u= (2)  无越流固定流量抽水，井位于直线隔水边界了附近。如果2b≥1.5M时，ξ′( )可忽略不计 (3)  无越流固定流量抽水井位于直线供水边界附近 (4)  无越流固定流量抽水，井位于平行的隔水与供水边界之间 (5)  无越流固定流量抽水井位于平行二隔水边界之间 (6)  无越流固定流量抽水井位于直交二隔水边界之间 (7)  无越流固定流量抽水，井位于直交的隔水与供水边界之间 (8)  无越流固定流量抽水，井位于三边隔水的半封闭含水层中 (9)  固定流量抽水井，位于无越流封闭含水层的中心  固定流量抽水井，位于无越流封闭含水层中任意一点 地下水涌水量的数值解法     一般在矿区水文地质条件复杂时采用。它能解决含水层的平面和垂向上的各向异性、多层含木层越流、“天窗”或河流渗漏以及复杂边界条件等情况下的计算问题     计算方法分正演问题及反演问题。     正演问题——在已知含水层的几何形状、物理特性和流动特性的条件下，求水头分布的问题。目前常用的方法是有限差分法与有限单元法。     反演问题——根据地下水动态及抽水试验观测资料，反过来认识水文地质条件，确定水文地质参数的问题，称为逆问题（反演问题）。     它的任务是：研究所选用的方程类型是否适当；确定方程的系数；检验定解条件。     因此解逆问题是把数学模型校准，这步是整个计算成败的关键。     实际上，预测涌水量的计算过程，一般都是先解逆问题，确定所需要的各种水文地质参数，然后再解正演问题。     应用简况——我国在矿坑漏水量预测中，对复杂矿区也采用数值解法。应用的实例有山东大学数学系对顾家台铁矿、召口铁矿、侯庄铁矿涌水量的预测；北京大学数学系和地质矿产部水文地质研究所对王窑铁矿、司家营铁矿（南区）的预测；长春地质学院和鞍钢地质勘查公司对复州湾粘土矿的预测；北京工业大学用在限元“BT”法对张马屯铁矿，伊敏煤矿进行了计算；煤炭部西安煤炭研究所对肥城、元宝山等煤矿进行了计算；南京大学对姑山、马坑等铁矿进行了计算，这些单位相继都取得了良好的效果。