趙 恰,王 軍

(長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012)

強巖溶礦區(qū)降雨量與礦坑涌水量相關性研究

趙 恰,王 軍

(長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南長沙 410012)

在研究強巖溶礦山水文地質條件和礦區(qū)地下水動力學條件的基礎上,提出強巖溶礦山降雨后即時礦坑涌水量預測模型,運用統(tǒng)計學和多元回歸分析方法,估計模型,并以凡口鉛鋅礦為例研究建模方法,用實測礦坑涌水量檢驗模型的精度、可靠性。結果表明:該模型具有較高的精度,該方法適合強巖溶礦山。

強巖溶礦區(qū);礦坑涌水量;預測模型;多元非線性回歸分析

0 引 言

強巖溶礦區(qū)礦坑涌水量大,礦山日常水文地質工作之一就是監(jiān)測礦坑涌水量,并進行對比、分析,一方面能指導礦山防治水的方向,并可以檢查防治水工程的效果,預防礦山透水事故發(fā)生;另一方面,可以掌握排水設施設備的運行情況,確保礦山的安全生產(chǎn)。我國以往的礦山水文地質研究工作主要集中在礦坑最大涌水量和礦坑日常涌水量上,對降雨后的即時礦坑涌水量研究還相當少,所以給分析礦坑涌水量的變化和預測礦坑涌水量帶來了困難。

強巖溶礦區(qū),由于水文地質條件的特殊性——含水層巖溶通道發(fā)育,給降雨轉換成礦坑涌水提供了良好的通道,所以降雨量與礦坑涌水量有著密切的相關性[1]。本文以凡口鉛鋅礦為例,根據(jù)礦山的水文地質模型,提出適合地下水動力學原理的預測模型,運用統(tǒng)計學和多元非線性回歸分析方法,建立預測模型,采用Mtalab編程[2-3],估計模型參數(shù),并根據(jù)礦山實測數(shù)據(jù)對模型進行檢驗。

1 凡口鉛鋅礦水文地質概況

凡口鉛鋅礦床是典型的強巖溶大水礦床,礦坑涌水量旱季一般為28000 m3/d,雨季一般為38000 m3/d,最大達到60000 m3/d以上。

礦區(qū)主要含水層為石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3ht),巖性為白云巖、白云質灰?guī)r,淺部巖溶裂隙發(fā)育,巖溶發(fā)育程度、富水性隨深度增加逐漸減弱,強巖溶含水帶(A帶)一般延伸至-20 m標高,局部深達-40 m,廣泛分布在礦體東面和南面。

泥盆系中統(tǒng)東崗嶺階上亞階(D2db)——上統(tǒng)天子嶺組下亞組(D3ta)灰?guī)r裂隙含水層:該含水層厚度為105～120 m,近地表巖溶發(fā)育,深部以裂隙含水層為主,其特點是水壓高,富水性弱。由于上部泥盆系上統(tǒng)天子嶺組中上亞組的泥灰?guī)r,條帶狀灰?guī)r組成相對隔水層,故該含水層與壺天群巖溶含水層無直接水力聯(lián)系,是礦區(qū)次要含水層。

礦區(qū)的主要隔水層為泥盆系上統(tǒng)天子嶺組中上亞組(D3tbc):層厚約200 m,主要分布在礦體的西部,該層中的泥灰?guī)r,條帶狀灰?guī)r和瘤狀灰?guī)r含泥質較高,穿層裂隙不發(fā)育,透水性差,構成礦區(qū)較穩(wěn)定的隔水層[4]。

凡口鉛鋅礦充分利用礦床的水文地質特征,在-40 m標高建設淺部截流疏干系統(tǒng)對礦區(qū)的主要含水層壺天群含水層進行疏干排水,截流系統(tǒng)將95%的壺天群含水層地下動水補給截獲,保證了礦床的安全開采[5]。

2 建立降雨量與礦坑涌水量模型

水文地質條件:凡口鉛鋅礦地下水的主要補給來源是降雨。降雨通過入滲,進入壺天群含水層,然后通過巖溶通道進入淺部截流系統(tǒng)。淺部截流系統(tǒng)對壺天群含水層中的地下水進行疏干,使得礦區(qū)形成了穩(wěn)定的降落漏斗,而且隨著疏干系統(tǒng)作用的發(fā)揮,壺天群含水層中的巖溶通道與疏干系統(tǒng)的聯(lián)系更加緊密,巖溶通道更加暢通。所以礦區(qū)的降雨與疏干系統(tǒng)的涌水量聯(lián)系相當緊密。

地下水動力學條件:根據(jù)地下水動力學,地下水的運動具有延時性,所以,模型應該考慮前期降雨量的變化因素;降雨在轉換成地下水過程中,一方面受到入滲率的限制,當降雨量增加到一定程度時入滲量將趨近于一個定值[6],即P→∞時,Q(P)趨于一常數(shù);另一方面,即使礦區(qū)長時間沒有降雨,井下仍然需要排水,即p＝0時,Q＝β＞0。

根據(jù)以上條件,建立涌水量Q與降雨量P1, P2,…,Pn之間關系模型[7]:

其中:β0,β1,…βn均為待定的未知參數(shù);Pn為當月降雨量,Pn-1為前1個月的降雨量,其余依次類推。

3 模型參數(shù)估計

以該礦區(qū)1999～2003年總共5 a間的降雨量(表1)與礦坑涌水量(表2)實際觀測數(shù)據(jù)作為參考樣本,對其進行分析,通過多元非線性回歸分析研究礦區(qū)降雨量與礦坑涌水量之間的關系模型。并對參數(shù)β0,β1,…βn進行估算。

表1 1999～2003年降雨量 mm

表2 1999～2003年淺部截流巷涌水量 萬m3

礦區(qū)壺天群含水層中巖溶通道發(fā)育,且與疏干截流巷聯(lián)系緊密,所以,假設模型中涌水量受3個月的降雨影響,則公式(1)簡化為如下形式:

其中P1是前2個月的月降雨量,P2是前1個月的月降雨量,P3是當月降雨量。降雨量數(shù)據(jù)計入矩陣X,涌水量數(shù)據(jù)計入矩陣Y,則:

修改模型,假設礦坑涌水量受2個月的降雨影響,運用Matlab計算得7.3691＞＝6.8018,說明礦坑涌水量主要受到本月降雨量的影響,與實際礦坑涌水情況相符,所以預測模型為:

4 模型檢驗

為驗證預測模型的可靠性,分析模型預測的誤差,運用預測模型,對1999～2003年平均降雨量和2004年降雨量進行分析、計算,其結果與礦坑涌水量實測值對比,見表3。

從表3可以看出預測值與實測值相當接近,礦坑年總涌水量預測值的整體誤差控制在5%以內,最小只有0.68%,說明凡口鉛鋅礦截流巷涌水量主要受本月和前1個月,共2個月降雨量影響的假設是正確的,預測模型符合礦區(qū)的水文地質情況[8],將預測結果與實測礦坑涌水量繪制成曲線,見圖1,圖2。

表3 礦坑涌水量實測與預測值對比

圖1 1999～2003年平均預測值與實測曲線

圖2 2004年預測值與實測曲線

從圖1、圖2可以看出整體擬合較好,總體上反映了礦坑涌水的過程,說明符合礦區(qū)的實際情況,模擬結果可以指導礦區(qū)日常水文地質工作。對分析相同降雨量下礦坑涌水量大小情況,研究井下是否有排水異常以及預測礦區(qū)降雨后即時礦坑涌水量有指導作用。

局部誤差偏較大,主要集中在小降雨量,大涌水量月份,例如:2004年10月份涌水量誤差最大,主要由于本月總降雨量為0,但是礦坑涌水量依然達到75.088萬m3,遠超年度月平均涌水量,其主要原因是觀測時有一定的人為誤差,以及礦區(qū)對地下水的調度、利用等。

5 結 論

(1)強巖溶礦山的巖溶通道發(fā)育,并與礦坑截流巷聯(lián)系緊密,導致降雨與礦坑涌水聯(lián)系緊密。結合礦區(qū)水文地質,依據(jù)地下水動力學原理提出預測模型,通過多元非線性回歸分析建立預測模型是可行的。所建立的模型可以有效預測降雨后的即時礦坑涌水量,有利于礦山的日常水文地質工作[9]。

(2)實例表明,本文所建立的模型具有較高的擬合和預報精度,可有效地預測礦區(qū)降雨后的即時礦坑涌水量,有助于礦山的日常水文地質管理工作。

[1]楊成田.專門水文地質學[M].北京:地質出版社,1981.

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2012-03-20)

趙 恰(1984-),男,陜西渭南人,助理工程師,主要從事金屬礦山地下水防治研究,Email:zqia@163.com。