“大井法”在矿坑涌水量预测中的应用:以郎溪钒矿区为例

李玲玲

(甘肃工业职业技术学院 地质学院，甘肃 天水741025)

矿坑涌水量预测是矿区水文地质勘查阶段的根本任务之一，也是开采设计部门制订疏干措施、确定排水设备及确保矿山安全生产的主要依据。预测坑涌水量的方法很多，如大井法、解析法、数值法等。其中，大井法原理易懂，方法易行，在预测矿坑涌水量中被广泛使用。本文以郎溪钒矿区为例，探讨了大井法在矿坑涌水量预测中的应用。

1 “大井法”的基本原理及计算步骤

1.1 基本原理

目前矿井涌水量预测大体上可以分为确定性分析方法和不确定性(随机)分析方法两类[1]。大井法属于确定性分析方法中的解析法，具有对井巷类型适应能力强、快速、简便和经济等优点[2]。在矿坑疏干过程中，当矿坑的涌水量及周围的水位呈现相对稳定的状态时，即可认为以矿坑为中心形成的地下水辐射流场基本满足稳定井流的条件，理论上可将形状复杂的整个井巷系统看成一个具有等效面积的大井在工作，则流向整个井巷系统的水量即相当于流向大井的水量，整个井巷系统圈定的面积相当于大井的面积，从而根据地下水动力学原理，将矿井水文地质边界概化为无限补给边界模式，再利用裘布依稳定流基本方程来近似计算大井涌水量，利用该法预测矿井涌水量则被称为“大井法”。

1.2 计算步骤

1.2.1 建立数学模型

首先分析地下水的类型和疏干流场的水力特征，区分潜水与承压水、稳定流与非稳定流、层流与紊流、平面流与空间流。其次确定边界类型，概化侧向边界、垂向边界和内边界。侧向边界需确定边界类型(隔水边界和补给边界)和边界形态;垂向边界一般概化为隔水边界和越流补给边界;内边界一般概化为圆形[3]。

1.2.2 确定参数

(1)含水层的厚度(M或H):一般采用含水层的平均厚度或加权平均厚度。

(2)岩层的渗透系数(K):根据水文地质试验求得，是重要参数。

(3)引用半径(r0):用公式求得

式中:r0为大井引用半径(m);F为采矿系统总面积(m2);π为圆周率

(4)影响半径(R0):一般采用经验或半经验公式求得。

(5)水位降深(S):根据水文地质试验资料获得。

1.2.3 计算

根据建立的数学模型，按有关生产要求，进行计算。

2 工程实例

2.1 矿区概况

郎溪钒矿矿区位于湖南省湘西自治州永顺县朗溪县城东东93°，直距约43 km，面积 20.10 km2。该区位于分水岭交汇地段，地势较高，地形坡度大，总体地势呈东部高，西部低，属中、低山溶蚀与剥蚀构造地貌，地形切割强烈，“V”字形沟谷发育，植被发育，水系发育。位于武陵山隆起构造带西北侧边缘地带，区域构造的北东收敛端，没有明显的断裂构造。以滨海―浅海相碳酸盐岩和生物碎屑岩为主的沉积岩区，地层发育齐全。

矿区地下水类型划分为松散堆积层类孔隙水，基岩裂隙水，碳酸盐岩裂隙岩溶水三大类。含水层主要为第四系松散堆积层孔隙潜水含水层、基岩裂隙含水层、碳酸盐岩裂隙岩溶含水层。

2.2 充水因素及充水途径分析

根据矿区水文地质条件及未来矿山开采方式，矿床充水因素主要是以静储量为主的层间裂隙水、大气降水及其上各含水层地下水沿开采井筒的补给。

大气降水主要以地表井口倒灌和通过裂隙入渗进入矿井，矿井涌水受季节性大气降水的影响较大。

矿区主要的裂隙含水层为∈1n底部与Z2l之间的层间裂隙含水层。该层为矿区的主要赋矿层位，为矿床直接充水含水层。

天然状态下矿层顶底板地层均为隔水层，矿床充水主要为矿体所在的层间裂隙水沿裂隙通道、个别封孔质量较差的钻孔渗透补给，大气降水主要经地表倒灌及近地表风化裂隙进入矿坑，同时通过矿体露头带补给直接充水含水层。未来矿山开采采用平巷加反斜井，各开采井筒会将矿层及其上含水层贯穿，其上各含水层的地下水经竖井、未封钻孔进入矿坑，造成矿层顶板直接充水。

2.3 涌水量预测计算

2.3.1 选择公式

由于矿体在平面上从南到北呈连续分布，在纵向上，各个矿层之间并无明显界线，且矿体之间标高彼此交错，加之∈1n底部与Z2l整体为矿床直接充水含水层，因此把矿层作为一个层状整体而不单独划分块段预测。矿区矿层倾角平缓，斜井井筒与垂线交角小于45°，可视为竖井。计算公式采用承压转无压完整井，均质无限补给边界条件计算。

2.3.2 确定参数

最低采矿标高采用工业品位矿体最低标高。边界采用概化后的矿体平面投影的最大矿层面积范围(2 016 478.12 m2)。静止水位标高采用等水位线与“大井”边界连接线交点水位标高的平均值。含水层平均厚度采用钻孔所揭露承压含水层垂直厚度的平均值。渗透系数利用ZK8-6水文地质孔分层抽水试验获得的各次降深渗透系数，求取各含水层的平均渗透系数，计算整个充水含水层的加权平均渗透系数。“大井”引用半径(r0)采用公式影响半径(R)采用公式引用影响半径(R0)采用公式R0=R+r0(见表1)。

表1 大井法涌水量预测结果

2.3.3 结果分析

(1)大井法适用于均质、各向同性、等厚的含水层，而郎溪钒矿的主要充水水源裂隙含水层很难满足该条件，概化误差的存在降低了涌水量的可信度。

(2)大井法采用的裘布依公式的假设条件是地下水为稳定流，可将空间流简化为平面流，且处于稳定流动状态。但是在降深很大时，大井井壁水流早已不是缓变流，且由于不同富水性的多层含水层的复杂性，在大流量大降深条件下，很难处于稳定流状态，因此其模型与假设条件存在误差。

(3)运用裘布依公式计算时，一般要求最大水位降不大于含水层一半，当降深很大时含水层处于疏干状态，理论上大井过水断面面积为零，已无水量可疏，因此用大井法计算的矿坑涌水量偏大。

3 结语

“大井法”作为一种常用的矿坑涌水量计算方法，具有简单方便的特点，一般来说，稳定流裘布依公式对于矿体形态较规则，水文地质条件简单，降深小，计算精度不高的情况下较适用。而对于矿体形态不规则，水文地质条件复杂，大降深的矿坑涌水量计算则不适宜，计算结果容易失真。

矿井涌水量预测作为是矿床水文地质勘查的根本任务之一，关系到矿山的生产安全与成本，对矿床的经济技术评价有很大的影响，而目前有些矿区计算误差高达数十倍，甚至百倍以上[4]，为此建议:

(1)矿坑涌水量计算时，根据矿区水文地质条件，选择适用的计算预测方法，才能取得比较符合客观实际的结果。数值模拟方法、水文地质比拟法、Q-S曲线方程法、相关分析法、水均衡法、解析法和数值法等，每种方法都有其使用条件，只有选择恰当的方法，预测的矿坑涌水量才有较高的可信度。

(2)尽量采用两种以上的方法进行对比计算，验证偏差的大小。无论用何种方法计算矿坑涌水量，一定要进行矿区地下水补给量计算，从水量均衡的角度考虑矿坑涌水量计算的合理性。

(3)在矿区水文地质勘查设计时，要有目的的布置勘查工作量，尽可能的查明矿床的水文地质条件。根据矿床的水文地质条件选择合适的矿坑涌水量计算方法，才能取得较好的矿坑涌水量计算结果。

[1]杨永国，韩宝平，谢克俊，等.用多变量时间序列相关模型预测矿井涌水量[J].煤田地质与勘探.1995，23(6):38-42.

[2]杜敏铭，邓莫尔，许横.矿井涌水量预测方法综述[J].地质学报.2009，29(1):70-73.

[3]郎利国，白东照，黄芳根，等.“大井法”在矿区矿坑涌水量预测中的应用分析——以黑龙江省逊克县高松山金矿区为例[J].德州学院学报.2012，69(28):69-71.

[4]华解明.“大井法”预测矿井涌水量问题探讨[J].中国煤炭地质.2009，21(6):45-47.