强岩溶矿区降雨量与矿坑涌水量相关性研究

赵 恰,王 军

(长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012)

强岩溶矿区降雨量与矿坑涌水量相关性研究

赵 恰,王 军

(长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012)

在研究强岩溶矿山水文地质条件和矿区地下水动力学条件的基础上,提出强岩溶矿山降雨后即时矿坑涌水量预测模型,运用统计学和多元回归分析方法,估计模型,并以凡口铅锌矿为例研究建模方法,用实测矿坑涌水量检验模型的精度、可靠性。结果表明:该模型具有较高的精度,该方法适合强岩溶矿山。

强岩溶矿区;矿坑涌水量;预测模型;多元非线性回归分析

0 引 言

强岩溶矿区矿坑涌水量大,矿山日常水文地质工作之一就是监测矿坑涌水量,并进行对比、分析,一方面能指导矿山防治水的方向,并可以检查防治水工程的效果,预防矿山透水事故发生;另一方面,可以掌握排水设施设备的运行情况,确保矿山的安全生产。我国以往的矿山水文地质研究工作主要集中在矿坑最大涌水量和矿坑日常涌水量上,对降雨后的即时矿坑涌水量研究还相当少,所以给分析矿坑涌水量的变化和预测矿坑涌水量带来了困难。

强岩溶矿区,由于水文地质条件的特殊性——含水层岩溶通道发育,给降雨转换成矿坑涌水提供了良好的通道,所以降雨量与矿坑涌水量有着密切的相关性[1]。本文以凡口铅锌矿为例,根据矿山的水文地质模型,提出适合地下水动力学原理的预测模型,运用统计学和多元非线性回归分析方法,建立预测模型,采用Mtalab编程[2-3],估计模型参数,并根据矿山实测数据对模型进行检验。

1 凡口铅锌矿水文地质概况

凡口铅锌矿床是典型的强岩溶大水矿床,矿坑涌水量旱季一般为28000 m3/d,雨季一般为38000 m3/d,最大达到60000 m3/d以上。

矿区主要含水层为石炭系中上统壶天群(C2+3ht),岩性为白云岩、白云质灰岩,浅部岩溶裂隙发育,岩溶发育程度、富水性随深度增加逐渐减弱,强岩溶含水带(A带)一般延伸至-20 m标高,局部深达-40 m,广泛分布在矿体东面和南面。

泥盆系中统东岗岭阶上亚阶(D2db)——上统天子岭组下亚组(D3ta)灰岩裂隙含水层:该含水层厚度为105～120 m,近地表岩溶发育,深部以裂隙含水层为主,其特点是水压高,富水性弱。由于上部泥盆系上统天子岭组中上亚组的泥灰岩,条带状灰岩组成相对隔水层,故该含水层与壶天群岩溶含水层无直接水力联系,是矿区次要含水层。

矿区的主要隔水层为泥盆系上统天子岭组中上亚组(D3tbc):层厚约200 m,主要分布在矿体的西部,该层中的泥灰岩,条带状灰岩和瘤状灰岩含泥质较高,穿层裂隙不发育,透水性差,构成矿区较稳定的隔水层[4]。

凡口铅锌矿充分利用矿床的水文地质特征,在-40 m标高建设浅部截流疏干系统对矿区的主要含水层壶天群含水层进行疏干排水,截流系统将95%的壶天群含水层地下动水补给截获,保证了矿床的安全开采[5]。

2 建立降雨量与矿坑涌水量模型

水文地质条件:凡口铅锌矿地下水的主要补给来源是降雨。降雨通过入渗,进入壶天群含水层,然后通过岩溶通道进入浅部截流系统。浅部截流系统对壶天群含水层中的地下水进行疏干,使得矿区形成了稳定的降落漏斗,而且随着疏干系统作用的发挥,壶天群含水层中的岩溶通道与疏干系统的联系更加紧密,岩溶通道更加畅通。所以矿区的降雨与疏干系统的涌水量联系相当紧密。

地下水动力学条件:根据地下水动力学,地下水的运动具有延时性,所以,模型应该考虑前期降雨量的变化因素;降雨在转换成地下水过程中,一方面受到入渗率的限制,当降雨量增加到一定程度时入渗量将趋近于一个定值[6],即P→∞时,Q(P)趋于一常数;另一方面,即使矿区长时间没有降雨,井下仍然需要排水,即p＝0时,Q＝β＞0。

根据以上条件,建立涌水量Q与降雨量P1, P2,…,Pn之间关系模型[7]:

其中:β0,β1,…βn均为待定的未知参数;Pn为当月降雨量,Pn-1为前1个月的降雨量,其余依次类推。

3 模型参数估计

以该矿区1999～2003年总共5 a间的降雨量(表1)与矿坑涌水量(表2)实际观测数据作为参考样本,对其进行分析,通过多元非线性回归分析研究矿区降雨量与矿坑涌水量之间的关系模型。并对参数β0,β1,…βn进行估算。

表1 1999～2003年降雨量 mm

表2 1999～2003年浅部截流巷涌水量 万m3

矿区壶天群含水层中岩溶通道发育,且与疏干截流巷联系紧密,所以,假设模型中涌水量受3个月的降雨影响,则公式(1)简化为如下形式:

其中P1是前2个月的月降雨量,P2是前1个月的月降雨量,P3是当月降雨量。降雨量数据计入矩阵X,涌水量数据计入矩阵Y,则:

修改模型,假设矿坑涌水量受2个月的降雨影响,运用Matlab计算得7.3691＞＝6.8018,说明矿坑涌水量主要受到本月降雨量的影响,与实际矿坑涌水情况相符,所以预测模型为:

4 模型检验

为验证预测模型的可靠性,分析模型预测的误差,运用预测模型,对1999～2003年平均降雨量和2004年降雨量进行分析、计算,其结果与矿坑涌水量实测值对比,见表3。

从表3可以看出预测值与实测值相当接近,矿坑年总涌水量预测值的整体误差控制在5%以内,最小只有0.68%,说明凡口铅锌矿截流巷涌水量主要受本月和前1个月,共2个月降雨量影响的假设是正确的,预测模型符合矿区的水文地质情况[8],将预测结果与实测矿坑涌水量绘制成曲线,见图1,图2。

表3 矿坑涌水量实测与预测值对比

图1 1999～2003年平均预测值与实测曲线

图2 2004年预测值与实测曲线

从图1、图2可以看出整体拟合较好,总体上反映了矿坑涌水的过程,说明符合矿区的实际情况,模拟结果可以指导矿区日常水文地质工作。对分析相同降雨量下矿坑涌水量大小情况,研究井下是否有排水异常以及预测矿区降雨后即时矿坑涌水量有指导作用。

局部误差偏较大,主要集中在小降雨量,大涌水量月份,例如:2004年10月份涌水量误差最大,主要由于本月总降雨量为0,但是矿坑涌水量依然达到75.088万m3,远超年度月平均涌水量,其主要原因是观测时有一定的人为误差,以及矿区对地下水的调度、利用等。

5 结 论

(1)强岩溶矿山的岩溶通道发育,并与矿坑截流巷联系紧密,导致降雨与矿坑涌水联系紧密。结合矿区水文地质,依据地下水动力学原理提出预测模型,通过多元非线性回归分析建立预测模型是可行的。所建立的模型可以有效预测降雨后的即时矿坑涌水量,有利于矿山的日常水文地质工作[9]。

(2)实例表明,本文所建立的模型具有较高的拟合和预报精度,可有效地预测矿区降雨后的即时矿坑涌水量,有助于矿山的日常水文地质管理工作。

[1]杨成田.专门水文地质学[M].北京:地质出版社,1981.

[2]韩旭里,万 中.数值分析与实验[M].北京:科学出版社, 2006.

[3]薛定宇,陈阳泉.高等数学问题的MATLAB求解(第二版) [M].北京:清华大学出版社,2004.

[4]熊万胜,戴周,贾会业.广东凡口铅锌矿矿区地下水害防治方案研究[J].广东地质,2001(3).

[5]何志坚.凡口铅锌矿区矿坑涌水量估算方法[J].中国科技信息,2008(14).

[6]薛禹群,等.地下水动力学[M].北京:地质出版社,2001.

[7]王国富,王志忠.应用统计[M].长沙:中南大学出版社,2003. [8]陈南祥.地下水动态预报模型的精度评价[J].工程勘察,1999 (3):35-38.

[9]陈南祥.曹连海.李 梅.等.偏最小二乘回归神经网络的矿坑涌水量预测[J].吉林大学学报(地球科学版),2005,35(6).

2012-03-20)

赵 恰(1984-),男,陕西渭南人,助理工程师,主要从事金属矿山地下水防治研究,Email:zqia@163.com。