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      礦坑涌水量的計算及其精度級別和可信度

       

      錢學溥 (國土資源部)

       

       

        要:《礦區水文地質工程地質勘探規范》GB 12719-91和《煤、泥炭地質勘查規范》DZ/T 0215-2002等規范,都沒要求對計算的礦坑涌水量認定它的精度級別和可信度;也沒有根據礦坑涌水量的大小,提出適宜的計算方法,在這種情況下,勘探報告計算的礦坑涌水量,往往會出現滿足不了礦山設計需要的情況。

      本文說明了認定計算礦坑涌水量的精度級別和可信度的必要性;說明了計算礦坑涌水量的5級精度級別的代號、名稱和可信度;說明了可信度的含義和認定的方法。本文介紹了勘探報告計算礦坑涌水量的流程;介紹了9種計算礦坑涌水量常用的方法及其精度級別和可信度。

      關鍵詞:礦坑涌水量;精度級別;可信度

       

       

       

      計算礦坑涌水量,可以說是礦區水文地質勘查的主要任務?!兜V區水文地質工程地質勘探規范》GB 12719-91和《煤、泥炭地質勘查規范》DZ/T 0215-2002等規范,在礦坑涌水量計算方面存在的主要問題:第一是沒有要求對計算的礦坑涌水量認定它的精度級別和可信度;第二是沒有根據礦坑涌水量的大小,提出適宜的計算方法,可操作性不強。在這種情況下,勘探報告計算的礦坑涌水量,往往會出現滿足不了礦山設計需要的情況。下面,就這些問題,作一些討論:

      1、計算礦坑涌水量,必須認定它的精度級別和可信度,否則礦山設計部門難以確定排水工程的最大排水量。

      2、《地下水資源分類分級標準》GB 15218-94,把地下水可開采量的精度級別劃分為A(驗證的可開采量)、B(探明的可開采量)、C(控制的可開采量)D(推斷的可開采量)、E(預測的可開采量)5級,并給出了相應的可信度。礦坑涌水量與地下水可開采量要求的保證率不同、計算的方法不同,因此,計算的礦坑涌水量的精度級別雖然仍可劃分為5級,但可信度不同。

      3、礦坑涌水量精度級別的代號、名稱及可信度如下:

      A——驗證的礦坑涌水量,可信度0.80.9

      B——探明的礦坑涌水量,可信度0.60.8

      C——控制的礦坑涌水量,可信度0.40.6

      D——推斷的礦坑涌水量,可信度0.20.4

      E——預測的礦坑涌水量,可信度0.10.2

      4、可信度的含義——勘探報告提出了計算的礦坑涌水量和可信度,就是向礦山設計部門說明:未來的礦坑涌水量在小值(計算的礦坑涌水量×可信度)與大值(計算的礦坑涌水量÷可信度)之間,具有很高(約大于97%)的概率。

      5、認定礦坑涌水量可信度的方法是:在滿分1.0的基礎上,減去各失分項的分數。礦坑涌水量的可信度,主要決定于涌水量計算公式適用程度和參數的代表性?,F以一個具體的簡易大井法計算為例:該簡易大井法采用的是穩定流裘布依公式,該公式沒有考慮地下水儲存量的疏干問題,并且該公式要求含水層具備均質、定水頭補給等5個條件,這些與當地的水文地質條件不完全符合,因此,利用穩定流裘布依公式,可信度要減去0.2分。計算參數中的滲透系數K,除了單孔抽水試驗的數據外,還應用了庫薩金或吉哈爾經驗公式計算的R值,因此K是一個半實測的參數,可信度要減去0.2分。計算參數中的礦坑排水地下水影響半徑R,采用的還是計算抽水井地下水影響半徑的庫薩金或吉哈爾經驗公式,可信度要減去0.3分。這樣,該簡易大井法計算的結果,可信度就只有:1.0 -0.2 -0.2 -0.3=0.3。

      簡易大井法計算的結果,可信度的范圍是0.2~0.4。簡易大井法計算的結果,可信度多數是0.3。根據具體的涌水量計算公式適用程度和參數的代表性,簡易大井法計算的結果,可信度少數可能是是0.2或是0.4。

      1列表說明了常用的9種計算礦坑涌水量的方法,以及它們適用的勘查階段、涌水量的大小、精度級別和可信度,供參考。

      6、礦坑涌水量小,可信度可以低一些;礦坑涌水量大,可信度就需要高一些,否則難以滿足礦山設計排水能力的需要。小水礦床,礦坑涌水量<5000m3/d,可信度可以在0.20.4;中水礦床,礦坑涌水量5000 50000m3/d,可信度需要在0.40.6;大水礦床,礦坑涌水量>50000m3/d,可信度需要在0.60.8。

      7、勘探報告計算礦坑涌水量的流程應該是:1詳查階段,依據少量的單孔或單孔及多孔抽水試驗和附近礦山涌水量資料,采用簡易大井法、比擬法等方法,初步計算可信度較低的礦坑涌水量。2勘探階段,根據初步計算的礦坑涌水量,確定勘探報告計算的礦坑涌水量大小的類別、需要的精度級別和可信度;3根據上述要求,選擇適當的計算方法和公式;4根據計算公式需要的參數,確定勘探階段需要增加的抽水試驗的類別和數量。6通過抽水試驗獲得必要的參數,代入選擇的公式,提交勘探報告計算的礦坑涌水量及其精度級別和可信度。

      如果不按上述的順序,盲目進行抽水試驗,就有可能由于計算的礦坑涌水量可信度過低,滿足不了礦山設計的需要,或是浪費了一部分抽水試驗的工程量。

      8、報告必須對計算的礦坑涌水量進行詳細地評述,對于大井法等解析法來說,應著重評述:1計算的礦坑涌水量計算了哪些含水層充水水源,沒有計算哪些含水層充水水源;2采用的涌水量計算公式,是理論公式還是經驗公式。當地的水文地質條件是否符合公式的應用條件。3計算的參數是實測的參數、半實測的參數、反算的參數或是采用的是經驗值。4計算的結果,有沒有考慮含水層地下水儲存量疏干的問題。5計算的結果偏小的可能性大,還是偏大的可能性大。6計算的結果屬于哪個精度的級別,計算的礦坑涌水量可信度是多少。7計算的結果能不能滿足礦山設計的需要。

      對于比擬法來說,應著重評述:1計算涌水量的礦山和與之比擬的礦山,二者水文地質條件的近似程度。2建立比擬法計算公式的依據是否充分嚴謹。3F、S外推的倍數,計算的礦坑涌水量可信度是多少。4計算的結果能不能滿足礦山設計的需要。

      9、對露天開采的礦山來說,采坑的涌水量包括地下水涌水量和降雨匯入采坑的水量兩部分。采坑涌水不會造成人員的傷亡;排水設施位于地表,易于調整。地下水涌水量在數量上較降雨匯入采坑的水量要小得多,因此一般只需要用大井法、比擬法等簡單的方法,計算地下水的涌水量就可以滿足設計的要求。當然,對計算的地下水涌水量,也應認定它的精度級別和可信度。

      降雨匯入采坑的水量很大,必須要有頻率的概念。在降雨觀測序列長度超過25年的情況下,對暴雨量應進行經驗頻率或理論頻率的計算。最好利用當地實際觀測值反算的地表徑流系數,以提高計算結果的可信度。無論是計算的或是比擬計算的暴雨匯入采坑的水量,都應認定它的精度級別和可信度。

       

       

       

      1        礦坑涌水量計算的方法及精度級別和可信度

       

      計算方法

      勘查

      階段

      適用

      涌水量

      精度

      級別

      可信度

      簡要說明

      泉水流量法

      普查

      小中大

      E

      0.10.2

      地下水以降水入滲補給為主。礦坑涌水量等于礦坑排水疏干范圍(經驗公式計算或取經驗值)內,泉水或河流清水的日平均流量。

      徑流模數法

      普查

      小中大

      E

      0.10.2

      地下水以降水入滲補給為主。礦坑涌水量等于礦坑排水疏干范圍(經驗公式計算或取經驗值)乘以地下水徑流模數。

      簡易大井法

      詳查

      勘探

      小中大

      D

      D

      0.20.4

      0.20.4

      采用穩定流裘布依大井法公式;單孔抽水試驗,利用庫薩金、吉哈爾等經驗公式參與計算的半實測滲透系數K;利用庫薩金、吉哈爾等經驗公式計算的礦坑排水影響半徑R;計算的結果屬于D級的精度。

      大井法

      詳查

      勘探

      小中大

      小中

      C

      C

       

      0.40.6

      0.40.6

       

      采用穩定流裘布依大井法公式;多孔抽水實測滲透系數K;利用水文地質條件近似的礦山資料,反算礦坑排水影響半徑R;計算的結果屬于C級的精度。

      簡易數值法

      詳查

      勘探

      小中大

      小中

      C

      C

      0.40.6

      0.40.6

      利用單孔或單孔及多孔抽水試驗資料計算K值;采取含水層巖樣進行實驗室給水度 的測試;利用MODFLOW等地下水流計算軟件,進行穩定流和非穩定流的試算;求得的礦坑涌水量其精度可以達到C級的精度。

      比擬法

      詳查

      勘探

      小中大

      小中大

      C、B

      C、B

      0.40.8

      0.40.8

      礦坑涌水量一般與地下水位降深S、坑道系統面積F正相關。建立比擬法計算公式,必須列表充分分析礦坑涌水量與S、F的關系。其可信度的大小,決定于兩處礦山水文地質條件的近似程度及比擬法外推的倍數。

      作圖法

      詳查

      勘探

      小中大

      小中

       

      C

      C

      0.40.6

      0.40.6

      金屬礦床一般有眾多的開采中段,隨著中段的加深,礦坑涌水量也不斷地加大,二者往往具有明顯的關系,通過作圖,一般可以求得C級精度的礦坑涌水量。其可信度的大小,決定于觀測點偏離曲線的遠近及外推的倍數。

      相關分析法

      詳查

      勘探

      小中大

      小中

      C

      C

      0.40.6

      0.40.6

      金屬礦床一般有眾多的開采中段,隨著中段的加深和面積的加大,礦坑涌水量也不斷地加大,三者往往具有明顯的關系,通過多元回歸,一般可以求得C級精度的礦坑涌水量。其可信度的大小,決定于觀測序列的長短、相關系數的大小、以及外推的倍數。

      數值法

      勘探

      中大

      B

      0.60.8

      通過群孔抽水試驗,利用MODFLOW等地下水流計算軟件,采用穩定流和非穩定流的理論,數值模型通過識別和驗證,計算的礦坑涌水量可以達到B級的精度。其可信度的大小,主要決定于群孔抽水水量的大小、抽水時間的長短、參數的擬合程度、邊界以及補排水量的確定。

       

      說明:1、涌水量小的小水礦床,涌水量小于5000m3/d;涌水量中等的中水礦床,涌水量500050000m3/d;涌水量大的大水礦床,涌水量大于50000m3/d。小水礦床可以提交D級的計算礦坑涌水量,可信度在0.3左右;中水礦床需要提交C級的計算礦坑涌水量,可信度在0.5左右;大水礦床需要提交B級的計算礦坑涌水量,可信度在0.7左右。

      2、由于認定了計算的礦坑涌水量的精度級別和可信度,礦山設計部門可以確定礦山排水的最大能力,因此,一般不需要計算礦坑最大涌水量。

      3、報告只需要計算先期開采地段第一開采水平或是第一開采中段的礦坑涌水量。

      4、簡易大井法計算的結果,屬于D級的精度,只能滿足小水礦床礦山設計的需要,或是作為認定礦區水文地質勘查類型的依據。大井法計算的結果,屬于C級的精度,可以滿足小水礦床及中水礦床礦山設計的需要。

      5、一般應采用兩種方法計算礦坑涌水量,以確?;蛱岣哂嬎憬Y果的可信度。但是,大井法和廊道法都是穩定流解析法,都是以達西定律作基礎,不同的只是把坑道系統概化成圓形或是長方形,因此對一個礦山來說,這兩種方法可以說是一種方法,不能相互驗證。應該根據坑道的形狀,選擇其中的一種方法。

      6、簡易數值法——利用單孔或單孔及多孔抽水試驗資料,采取含水層巖樣進行實驗室給水度的測試,利用MODFLOW等地下水流計算軟件,進行穩定流和非穩定流的試算。這種方法增加的野外工作不多,但是可以進行非穩定流的試算,能夠考慮含水層地下水儲存量的疏干問題,還可以粗略地考慮地下水補給、排泄因素。簡易數值法計算的礦坑涌水量,其精度可以達到C級,可信度可以達到0.40.6,可以滿足中水礦床礦山設計的需要,值得大力提倡。

      7、一處礦山多年排水,就相當一處大型的、大流量、大降深的群孔抽水試驗,因此,比擬法計算的礦坑涌水量具有較高的可信度。在詳查和勘探階段,必須大力搜集附近礦山有關排水的資料,進行涌水量的比擬計算。如果附近沒有生產的礦山,較遠的地方有水文地質條件近似的礦山,也應搜集有關資料,進行涌水量的比擬計算。

      8、礦坑涌水量與礦產開采量沒有明確的關系,開采量減少了,礦坑涌水量不一定減少。因此,一般不宜利用比擬法中的富水系數法計算礦坑涌水量。

      9、對于露天開采來說,匯入采坑的暴雨水量遠遠大于地下水的涌水量,因此一般采用簡易大井法計算的D級地下水涌水量,就可以滿足礦山設計的需要。

      10、泉水流量法和地下水徑流模數法,計算的結果屬于E級的精度,一般不能作為礦山設計排水工程的依據,計算的結果,只能作為初步認定礦坑涌水量大小的類別以及初步認定水文地質勘查類型的依據。

      11、水文地質參數和礦坑涌水量保留23位有效數字,宜采用科學計數的方法表達。

      12、計算礦坑涌水量的方法還有許多,表1列舉的9種方法只是常用的一些方法。

       

       

      參考文獻:

      [1] 《礦區水文地質工程地質勘探規范》GB 12719-91

      [2] 《煤、泥炭地質勘查規范》DZ/T 0215-2002

      [3] 《地下水資源分類分級標準》GB 15218-94

      [4] 《供水水文地質手冊》編寫組,《供水水文地質手冊》,北京,地質出版社,1977.

       

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