矿井涌水量计算与预测.ppt

矿井涌水量计算与预测,属地下水动力学的研究范畴研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶岩石中运动规律的科学。它是模拟地下水流基本状态和地下水中溶质运移过程，对地下水从数量上和质量上进行定量评价和合理开发利用，以及兴利防害的理论基础。,一、地下水运动的基本特征,,,1、多孔介质,一般把由固体骨架和空隙两部分组成的介质，叫多孔介质。如砂层、裂隙岩体等。地下水在多孔介质中的运动，称为渗流。发生渗流的区域称为渗流场。,,,,,,,2、地下水运动假想渗流,,渗流是一种假想水流。假想（1）假想水流的性质（如密度、粘滞性等）和真实地下水相同；（2）假想水流充满含水层的整个空间；（3）假想水流运动时，在任意岩石体积内所受的阻力等于真实水流所受的阻力；（4）通过任断面的流量及任一点的压力或水头均和实际水流相同。,渗流的分类,3、地下水运动方式,,,承压水和潜水含水层地下水运动不同,,,在承压含水层中抽水水从何来地面沉降,,,稳定流与非稳定流,稳定流在流体的运动空间内，任一点处流体的速度、压力、密度等运动要素不随时间而变化的称为稳定流。pfx,y,z或p/t0vfx,y,z或v/t0,非稳定流pfx,y,z,t或p/t0vfx,y,z,t或v/t0,,法国水力工程师亨利达西HenryDarcy在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验，于l856年发现渗透流速与水力坡度成正比，即线性渗流定律，这是渗流基本定律，后人称之为达西定律。,二、达西定律层流运动定律,Darcy实验装置,,,,达西定律层流运动定律,K,K,一、水井的类型根据水井井径的大小和开凿方法，分为管井和筒井两类。管井直径通常小于0.5m，深度大，常用钻机开凿。筒井直径大于1m，深度浅，通常用人工开挖。根据水井揭露的地下水类型，水井分为潜水井和承压水井两类。根据揭露含水层的程度和进水条件不同，可分为完整井和不完整井两类。,地下水向完整井的稳定运动,世界深井探地工程世界上已有20口深度4000米以上的深孔苏联科拉G-3钻孔深12262米,世界第一超深孔德国KTB钻孔深9100米,为世界第二超深孔中国大陆科学钻探江苏省东海县，深度5158米，2001-2005年，投资1.5亿，2005年中国十大科技进展,完整井水井贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都安装有过滤器，并能全面进水的井。不完整井水井没有贯穿整个含水层，只有井底和含水层的部分厚度上能进水的井。如图。,地下水动力学中井的分类,,,,,,不完整井井周围地下水三维运动,水向井的运动,潜水向井的运动,承压水向井的运动,井附近的水位降深1.水位降深水位降深初始水头减去抽水t时间后的水头，也简称降深。抽水时，井中心降深最大，离井越远，降深越小，形成漏斗状水头下降区。,2.抽水时，地下水能达到稳定运动条件1在有侧向补给的有限含水层中，当降落漏斗扩展到补给边界后，侧向补给量和抽水量平衡时，地下水向井的运动便可达到稳定状态。2在有垂向补给的无限含水层中，随着降落漏斗的扩大，垂向补给量不断增大。当它增大到与抽水量相等时，将形成稳定的降落漏斗，地下水向井的运动也进入稳是状态。3在没有补给的无限含水层中，随着抽水时间的延长，水位降深的速率会越来越小，降落漏斗的扩展越来越慢，在短时间内观测不到明显的水位下降，这种情况称为似稳定状态，也称似稳定。,承压井的Dupuit公式将含水层视为半径为R的圆形岛状含水层，在R处为定水头H0。这时，水流有如下特征①水流为水平径向流，即流线为指向井轴的径向直线，等水头面为以井为共轴的圆柱面，并和过水断面一致；②通过各过水断面的流量处处相等，并等于井的流量。,地下水向承压水井和潜水井的稳定运动,解析法稳定流公式圆岛状含水层影响半径是什么含水层厚度奥灰400m，都是含水层渗透系数K的不均匀性、各向异性、方向性,对于无限含水层，可以当作似稳定处理，R取从抽水井到明显观测不出水位降深处的径向距离。但是，对于无限含水层，难以确定R。当有一个观测孔时，可用一个观测孔的水位或降深。或同理得，有两个观测孔时或此式为Thiem公式。,,潜水井的Dupuit公式,有一个观测孔时,有两个观测孔时,Dupuit公式的应用（用途）,1确定水文地质参数,根据Dupuit公式，在已知含水层厚度和参数的情况下，只要给出设计的合理降深，既可预报井的开采量；也可按需要的流量，预报开采后的可能降深值。,2预报流量或降深,确定岩土的渗透系数K、导水系数T、影响半径R等。,但应注意，利用以上公式预报时，含水层必须有补给源，且能和抽水量平衡，达到稳定流条件；否则，不可能出现稳定流，利用稳定流公式进行预报，所得到的结果是错误的。,用途一确定水文地质参数,（潜水）,（承压水）,利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的Q及抽水井或观测孔的水位降深S代入各式，可以直接求出K或T。,用途二、预报涌水量,,h,s,H,R,例1有一潜水完整井，其半径为0.1m，含水层厚度为8m，土壤的渗透系数为0.001m/s，抽水时井中水深为3m，试计算井的出流量。,解H8h3r0.1k0.001SH-h8-35R3000SK1/23000*5*0.0011/2474.3Q1.366K2H-SS/lgR-lgr0.02m3/s,,,,例2某工程基坑开挖的平面尺寸为长44m，宽22m，坑底标高为-6.0m，自然地面标高为0.00，地势平坦，地下水位为-2m。根据地质钻探资料查明，地面下-2.5m为不透水黏土层，-2.5-9.0m为细砂层。-9.0m以下为砂岩不透水层，所以含水层厚度为6.5m，细砂层渗透系数K6m/d，试求涌水量。,解据题意，细砂含水层为承压水层，厚度M6.5m降深s6-24m抽水影响半径基坑假想半径,用途二、预报涌水量,根据承压完整井涌水量计算公式,1、解析法（大井法）,,大井法涌水量预测中，把坑道系统所占面积简化为一个圆形的大井，然后应用地下水向井运动的公式预测坑道系统的涌水量。注意1坑道系统的长度与宽度的比值应小于10。2坑道系统的引用影响半径R0R0Rr0,大井法实例,1.某缓倾斜层状矿床，坑道系统周长630m，不规则多边形长宽比2.5，影响半径R900m，渗透系数K0.2m/d，潜水含水层厚度100m，坑道系统布置在含水层底板，试预测其涌水量。,解据题意R900mK0.2m/dSH100mr0P/2630/2100mR0Rr01000m,应用潜水完整井公式Q1.366K2H-SS/lgR0/r02732m3/d2.教材P221,2、水均衡法,水均衡法详细分析矿区地下水来源，分别计算不同补给来源的矿坑涌水量，总涌水量等于各部分涌水量的总和。计算较复杂，用于计算露天采矿场和不深的地下坑道时。,1）露天采矿场面积上静储量的消耗量,2）采矿场周围降落漏斗范围内的静储量的消耗量,h含水层平均厚度；R疏干时的影响半径μ给水度或裂隙度L疏干地段的周长,总静储量,水均衡法（续）,动储量3）直接降落在露天采场内的大气降水q34）采矿场外围降水渗入的水量q4,A年平均降雨量；F1露天采矿场面积；t一年时间；F露天采场外矿区集水面积（降落漏斗范围）φ地下迳流系数。,F1,F,3、水文地质比拟法,基本思想类比法。即在同一地区，地质、水文地质条件相同或相似的矿坑其涌水量应是接近的。,用途根据已有开采地段的实际涌水量预测新开采地段可能的涌水量，从而为疏排水工程的配置提供依据。,涌水量降深面积比拟法问题是否与面积降深呈比例关系,水文地质比拟法,方法一根据单位涌水量换算矿坑涌水量,实践或试验研究证明，矿坑涌水量与矿坑面积或体积的扩大成正比增加。因此，收集现有生产矿坑排水资料、矿坑面积或体积、水位降低值，即可换算出新的矿坑的涌水量。假定,Q0已有矿坑总涌水量，m3/d;F0已有矿坑的开采面积，m2;S0已有矿坑的水位减低值，m则已有矿坑单位面积、单位降深的涌水量q0为,,这样，新开采（设计）矿坑的总涌水量即可表示为,Fnew新开采矿坑的开采面积，m2;Snew新开采矿坑的设计平均水位减低值，m。,,水文地质比拟法富水系数法,在一定时期内，从矿坑中排出的水量，与同一时期开采出的矿石重量之比，称为富水系数（KB），即,Q0矿坑排水量，m3/a;P0矿坑的矿石开采量，t/a;,在与上述矿坑地质、水文地质条件和开采条件相同或相似的新开采地段，矿坑的总涌水量为,Pnew新开采矿坑的设计矿石开采量，t/a.,相关分析法建立在大型放水试验基础上,防治水投入X新增煤产值关系Y,防治水投入2万新增产值60万元,防治水投入4万新增产值80万元,防治水投入8万新增产值120万元,防治水投入16万新增产值万元,考考你自己,正确答案,防治水投入X新增煤产值关系Y,防治水投入2万新增产值60万元,防治水投入4万新增产值80万元,防治水投入8万新增产值120万元,防治水投入16万新增产值万元,考考你自己,正确答案,井下水量测量方法,1、水沟流速浮标法Q0.8FVm3/sec;VL/tm/secQ-流量、F-过水断面、V-水沟流速、L-浮标流经距离、t-浮标流经L距离的时间2、堰测法三角堰梯形堰h-水流流过堰口高度;B-梯形堰堰口底部宽度3、储水池容积法4、水仓水泵观测法,裂隙岩溶水运动的方法,裂隙是岩溶水主要储存空间和渗流通道，按规模和对岩溶水储存渗流所起的作用，可大致划分大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙四种级别。大裂隙长度在几十km、落差大于100m贯穿整个矿区的断层，断裂影响带宽，岩溶十分发育，导水性强，构成强岩溶水强径流带，控制着整个矿区岩溶水分布和渗流的总体方向中裂隙低序次延伸长度小于10km、落差大于20-30m的中等规模断层。它们大多数张开性较好，相互沟通，与巨型裂隙连通，有较强导水作用。,小裂隙是指长度几米到几十米、落差小于20m的小断层。分布较为密集，也构成岩溶水的重要储水空间。微裂隙是指隙宽通常小于30-50mm、长度在数米内的裂隙。它们发育密集，连通性较好，对岩块的储水性有较大影响，而对地下水的宏观渗流特征影响不大。按裂隙水运动理论建立大裂隙、中等裂隙水运动模型（裂隙网络运动模型）按多孔介质渗流理论研究微小裂隙水运动模型（裂隙岩块）,非连续裂隙网络渗流模型,按大裂隙网络中的节点、回路以及独立裂隙为单位每条裂隙建立水流运动方程，组合在一起，求出裂隙节点水位以及流量,裂隙岩块等效成多孔介质，建立连续介质渗流模型,主干裂隙裂隙岩块突水管道三重介质三维渗流模型,主干裂隙裂隙岩块双重介质三维渗流模型,