李海健

[摘要]礦坑涌水量預(yù)測(cè)是礦產(chǎn)地質(zhì)勘查的重要組成部分。預(yù)測(cè)方法的選擇是提高礦坑涌水量預(yù)測(cè)精度的關(guān)鍵。本文簡(jiǎn)述了礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中礦坑涌水量預(yù)測(cè)的內(nèi)容，并綜合探討了常用的六種預(yù)測(cè)方法，指出它們的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，以期在礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中，能夠選擇正確合適的預(yù)測(cè)方法，提高預(yù)測(cè)精度。

[關(guān)鍵詞]礦產(chǎn)地質(zhì)勘查 礦坑涌水量 預(yù)測(cè)方法

[中圖分類號(hào)]P624 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-3-224-2

1引言

礦坑涌水量預(yù)測(cè)是礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中一項(xiàng)重要復(fù)雜的工作。預(yù)測(cè)結(jié)果是開(kāi)采設(shè)計(jì)部門制定排水疏干方案、確定生產(chǎn)能力的主要依據(jù)。礦產(chǎn)地質(zhì)勘查工作的成功與否在一定程度上取決于礦坑涌水量的預(yù)測(cè)精度。因?yàn)榈V床水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦坑涌水量始終是水文地質(zhì)工作者的熱門課題。提高礦坑涌水量預(yù)測(cè)精度的關(guān)鍵在于：一是查明礦坑充水巖層的水文地質(zhì)參數(shù)，構(gòu)建符合客觀實(shí)際的水文地質(zhì)概念模型；二是建立與水文地質(zhì)模型吻合的數(shù)學(xué)模型，選擇正確的預(yù)測(cè)方法計(jì)算。本文主要探討了礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法。

2預(yù)測(cè)的內(nèi)容

礦坑涌水量是指在單位時(shí)間內(nèi)涌入礦坑的水量。對(duì)于礦產(chǎn)地質(zhì)勘探階段來(lái)說(shuō)，主要以預(yù)測(cè)礦坑正常涌水量及最大涌水量為主，是進(jìn)行評(píng)價(jià)性的計(jì)算。礦坑正常涌水量是指開(kāi)采系統(tǒng)達(dá)到水平或中段標(biāo)高時(shí)，在平水年保持相對(duì)穩(wěn)定的總涌水量。最大涌水量是指在豐水年雨季時(shí)的最大涌水量。對(duì)暗河型、裸露型充水礦床來(lái)說(shuō)，還應(yīng)根據(jù)礦山的服務(wù)年限及氣象變化周期，預(yù)測(cè)出在特大暴雨產(chǎn)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)的特大礦坑涌水量，為制訂應(yīng)變措施提供依據(jù)。

3常用的預(yù)測(cè)方法

在可靠的水文地質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，就要選擇合適的礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法。根據(jù)水文地質(zhì)概念模型的要求，礦坑涌水量預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型分類如圖1所示。目前，國(guó)內(nèi)外常用的礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法有水文地質(zhì)比擬法、Q～s曲線外推法（涌水量-水位降深曲線法）、相關(guān)（回歸）分析法、水均衡法、解析法和數(shù)值法。

3.1水文地質(zhì)比擬法

水文地質(zhì)比擬法是利用礦區(qū)水文地質(zhì)條件相似、開(kāi)采條件基本相同的已知礦山的礦坑涌水量的實(shí)際資料，來(lái)預(yù)測(cè)另一礦山的礦坑涌水量。該方法的前提是已知礦山和比擬礦山的水文地質(zhì)參數(shù)可以用相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示。擁有越高相似性，水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)的礦坑涌水量的精度就越高。水文地質(zhì)比擬法可以在礦山進(jìn)行礦井延伸開(kāi)采或擴(kuò)大開(kāi)采時(shí)使用，也可運(yùn)用在新建設(shè)的相似水文地質(zhì)條件的礦山，但預(yù)測(cè)前需做如下幾個(gè)方面的詳細(xì)調(diào)查：礦山地質(zhì)、坑道充水巖層的特征、坑道涌水量、開(kāi)采面積與水位降深的數(shù)學(xué)關(guān)系等。

3.2 Q～s曲線外推法

Q～s曲線外推法是指利用在穩(wěn)定流條件下抽水試驗(yàn)得到的涌水量與水位降深的關(guān)系式，進(jìn)行外推得到的涌水量，在本質(zhì)上也是一種利用相似條件的比擬法。其應(yīng)用的前提條件是抽水試驗(yàn)區(qū)與需要預(yù)測(cè)的礦山的水文地質(zhì)條件基本相似，需要不少于三份的穩(wěn)定水位降深的資料，外推的水位降深不得超過(guò)抽放水試驗(yàn)最大水位降深的兩倍。Q～s曲線外推法適用于含水層富水性弱、抽水水位降深大的礦山。

3.3相關(guān)分析法

相關(guān)分析法是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的一種預(yù)測(cè)方法，是在一系列實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，分析研究影響礦坑涌水量的不同因素之間的規(guī)律性。應(yīng)用本方法的關(guān)鍵條件是選定相關(guān)因子，而相關(guān)因子必須在對(duì)長(zhǎng)期、充足的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行選定。選定相關(guān)因子后，確定相關(guān)線型。根據(jù)不同類型的曲線，需要用不同變數(shù)代換，將之化為直線，進(jìn)而求出相關(guān)系數(shù)及回歸方程式。在實(shí)際預(yù)測(cè)時(shí)，可建立涌水量與采礦暴露面積、降雨量等多元復(fù)相關(guān)回歸方程。當(dāng)確定礦坑涌水量與某一相關(guān)因子的回歸方程后，只要將預(yù)測(cè)時(shí)的相關(guān)因子值代入到回歸方程之中，就可以計(jì)算出礦坑涌水量。主要包括逐步回歸、一元及多元線性回歸等方法來(lái)預(yù)測(cè)礦坑涌水量。

3.4水均衡法

水均衡法是利用水均衡原理對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)的一種方法。它是通過(guò)研究分析地下水補(bǔ)給、徑流、排泄等動(dòng)態(tài)規(guī)律，利用物質(zhì)守恒定理，確定礦區(qū)在某一時(shí)期地下水各個(gè)收支部分之間的變化，來(lái)建立地下水水量均衡方程，以預(yù)測(cè)礦區(qū)開(kāi)采地段的礦坑涌水量。其應(yīng)用前提為具備礦坑的一個(gè)水文年的地下水水量均衡動(dòng)態(tài)資料。水均衡法適用于非滲流型地下水、均衡條件簡(jiǎn)單的礦床。

3.5解析法

解析法是常用來(lái)預(yù)測(cè)礦井涌水量。它是在地下水動(dòng)力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)具備一定邊界條件及初始條件的地下水運(yùn)動(dòng)建立解析公式，來(lái)預(yù)測(cè)礦井涌水量。它分為穩(wěn)定流解析法和非穩(wěn)定流解析法兩種。

（1）穩(wěn)定流解析法。在達(dá)西定律基礎(chǔ)上確定地下水動(dòng)力學(xué)公式，忽略了時(shí)間變化，對(duì)礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。適用于一些礦坑地下水流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定的礦山。

（2）非穩(wěn)定流解析法。是在穩(wěn)定流解析法的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間變化的影響，適用于地下水非穩(wěn)定流狀態(tài)下的礦坑涌水量預(yù)測(cè)。

經(jīng)常用到的解析法有大井法，它是把復(fù)雜的進(jìn)水邊界問(wèn)題化為一個(gè)“大井”，令“大井”涌水量等同于礦坑涌水量，那么就可以采用合理的公式預(yù)測(cè)礦坑涌水量。解析法適用于水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦山，例如含水層呈規(guī)則幾何形狀、邊界條件單一、方程式簡(jiǎn)單等。

3.6數(shù)值法

數(shù)值法是一種近似計(jì)算方法，它是計(jì)算機(jī)模擬地下水流場(chǎng)變化，來(lái)求解滲流偏微分方程近似解。該方法在實(shí)際預(yù)測(cè)中可以滿足精度要求，可以有效解決含水層的平面與豎直方向的各向異性、河流滲漏及邊界條件復(fù)雜等情況時(shí)的計(jì)算問(wèn)題。

數(shù)值法包括正演問(wèn)題及反演問(wèn)題。正演問(wèn)題，是指在己知含水層的物理特性及流動(dòng)特性的條件下，計(jì)算水頭分布的問(wèn)題。反演問(wèn)題，是根據(jù)抽水試驗(yàn)觀測(cè)資料與地下水動(dòng)態(tài)，反過(guò)來(lái)掌握水文地質(zhì)條件，將水文地質(zhì)參數(shù)確定的問(wèn)題。利用數(shù)值法預(yù)測(cè)礦坑涌水量時(shí)，通常經(jīng)過(guò)解反演問(wèn)題先確定各水文地質(zhì)參數(shù)，然后再解正演問(wèn)題，進(jìn)而得出預(yù)測(cè)結(jié)果。數(shù)值法適用于一些有大型抽放水試驗(yàn)資料或具有豐富的水文地質(zhì)資料的水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜的礦山。

4常用預(yù)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

不同方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表1。另外，還有其適用條件。礦坑涌水量的各種預(yù)測(cè)方法，都是建立在礦坑涌水量預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，具有其適用條件和應(yīng)用范圍。若在礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法選擇不當(dāng)，預(yù)測(cè)結(jié)果同樣不可靠。

5結(jié)束語(yǔ)

為了取得較為精準(zhǔn)的礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果，在礦產(chǎn)地質(zhì)勘查時(shí)，應(yīng)該研究礦區(qū)水文地質(zhì)條件，建立合理的礦坑涌水量預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，選用正確的預(yù)測(cè)方法。但不同的預(yù)測(cè)方法具備特定的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)用中需要比較和分析，選擇合適方法，才能準(zhǔn)確且符合實(shí)際地預(yù)測(cè)礦坑涌水量。

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