第20讲（地下水涌水量预测和测量）.doc

地质学基础与铀矿地质讲义2007（第20讲） 内容提要 第十二章地下水涌水量预测和测量 12.1 地下水运动的基本规律 12.2 矿坑涌水量的预测方法简介 12.3 矿坑涌水量的预测方法 参看地质学p.218-226. 第十二章 地下涌水量的预测和测定 地下涌水量中的矿坑涌水量是评价矿坑涌水程度的一项重要定量指标，矿坑涌水量的预测和测定是矿山水文地质工作的重要任务之一。 目前，矿坑涌水量的预测和测定的理论还不够完善，经常是预测和测定的结果存在着较大的误差。其主要原因是矿床水文地质条件的复杂性，难以正确地确定计算方法，选用适合条件的公式和计算参数。 12.1 地下水运动的基本规律 一、地下水运动的基本规律 地下水在岩层中的运动有两种基本状态，即层流和紊流。 层流的特点是水质点运动连续不断，流束平行而不混杂。当地下水在孔隙和细小的裂隙岩层中运动时，如水流速缓慢，多为层流状态。 紊流的特点是水质点运动不连续，流束混杂而不平行。当地下水在大裂隙和溶洞中运动时，流速大，其流动状态多为紊流。 一般地，由于地下水主要是在岩石的孔隙和裂隙中运动，运动时受到很大阻力，一般流速很慢，所以，在大多数情况下，地下水运动都反映为层流运动状态。 1、层流运动的基本定律达尔西定律 这一定律是法国水力学家达尔西在1852年建立的，它是地下水运动的最基本定律，很多地下水运动的理论都是建立在达尔西定律的基础之上的。达尔西定律的公式为， V K.I 式中V为渗透速度（米/秒），K为岩石透水程度的常数，也称渗透系数（米/秒），I为水头梯度（或水力坡度）。 达尔西公式表明，渗透速度与水流水头梯度的一次方成正比。VI表现为直线关系，因此，达尔西定律又被称为直线渗透定律。 渗透系数（K）在水文地质学中是一个非常重要的概念，它是表示岩石的渗透性能强弱的指标，在水文地质计算中，是一个不可缺少的重要参数。该值在室内可以通过达尔西仪或其他种渗透仪经过试验求得。 2、紊流运动的基本定律 当地下水流为紊流状态时，其流速与渗透系数、水头梯度的关系符合下列公式 上式说明渗透速度与水流水头梯度的1/2次方成正比，由于公式中VI表现为抛物线关系，因此紊流运动的基本规律又称为非直线渗透定律。 二、地下水向井运动的基本规律 垂直地面打的水井或者钻孔，统称为井。也称为垂直的集水建筑物。当它们揭露潜水含水层时，称为潜水井；当它们揭露承压水含水层时，称为承压水井。无论是潜水井还是承压水井，如果它们揭露了整个含水层，井一直打到含水层底板隔水层时，称为完整井。如果没有打到含水层底板隔水层时，称为非完整井。 1、稳定流状态地下水向井运动的基本规律 （1）、完整井的潜水向井运动规律及涌水量计算 当从潜水完整井中抽水时，开始水位剧烈下降，井壁周围的地下水形成水头差，于是井壁周围的水向井流动，在井的周围逐渐形成漏斗状的潜水面，称为降落漏斗。此时消耗的水量，一部分为漏斗内的静储量，另一部分是从周围流来的动储量。在漏斗未稳定前，地下水为非稳定流，随着漏斗的扩大而逐渐趋于稳定，地下水的运动则呈现稳定流状态，所消耗的水量全为周围流来的动储量。 假定为层流条件，含水层为均质的，含水层水平分布无限广阔，其中没有蒸发和渗入，由于抽水，地下水形成径向辐射流，则潜水完整井涌水量计算公式为 （1） 式中，Q井的涌水量（或称排水量），米3/昼夜； K潜水含水层的渗透系数，米/昼夜； H潜水含水层厚度，米； S井中稳定的水位降深，米； R稳定时漏斗半径，也称影响半径，米； r井的半径，米。 （2）、完整井的承压水向井运动规律及涌水量计算 当从承压水完整井中抽水时，井中水位下降，形成降落漏斗，直至漏斗稳定呈稳定流时，抽出的水量为动水量。假定为层流条件，含水层为均质的，水平分布无限广阔，由于抽水形成径向辐射流，则承压水完整井涌水量公式为 （2） 式中，M承压含水层的厚度，米；其他符号同潜水完整井公式符号。 （3）、完整井的潜水承压水向井运动规律及涌水量计算 当从承压完整井中抽水时，如果井中水位下降至含水层顶部隔水层以下的含水层中时，如下降漏斗稳定，地下水称稳定流，此时形成潜水承压水完整井，假如为层流条件，它的涌水量计算公式为 式中，h井中水位值，米； H承压水的水头值，米； 其他符号同上式中的符号。 上述公式是由法国水力学家裘布依，以达尔西定律为基础，推导出的地下水平面径向稳定流公式，因此人们也称这些公式为裘布依公式。裘布依公式的出现，对地下水水力学的发展起了重要作用，直到今天人们普遍应用。 2、非稳定流状态地下水向井运动的基本规律 应该指出，裘布依公式是以稳定流理论为基础的，然而地下水的实际运动状态却总是在不断地变化。因此，裘布依公式的最大缺陷，在于没有包括时间这个变量。1935年美国人泰斯，在数学家柳宾的帮助下，利用热传导理论中现成的公式加以适当的改造，第一次提出了实用的地下水径向非稳定流公式，即泰斯公式。 泰斯公式是假设在各向同性、均质、无限边界的承压含水层中进行完整井定流量抽水的情况下推导的。当在承压含水层中抽水时，随着抽水时间的延续，抽水周围逐渐形成一个降压范围，并不断地扩展。在它扩展的同时，相应地引起水头降低的速度的不断减小，从而使之不能达到稳定的状态，因此，该时的地下水运动属于非稳定流运动。 同样可以推导出潜水完整井非稳定流运动方程式。 在矿山水文地质工作中，常常碰到地下水的非稳定流问题。随着矿山工程在平面上和深度上的进展，矿区内的地下水水头、水位、水头梯度、流向、流量等，均发生经常性的变化，使用非稳定流理论解决矿山水文地质问题就显得非常重要。 三、水文地质参数的确定 水文地质参数是预测矿坑涌水量的重要依据，一般多在实验室或野外进行各种试验取得。 1、抽水试验测定渗透系数（K）和导水系数（T） 抽水试验是在野外测定渗透系数的一个比较准确的方法。抽水试验就是使用抽水机械，如水泵等，从井中抽出某一定量的水。由于抽水井中水位的下降，井周围形成一个下降漏斗，随抽水时间的延续，下降漏斗不断扩展，直至抽出的水量和补给的水量相等，即井中水位、涌水量和下降漏斗都达到稳定状态时，从（1）和（2）公式求出含水层的渗透系数（K）值。 潜水 承压水 导水系数（T）是指含水层的渗透系数（K）与含水层厚度（M或H）的乘积，即TKM（或H）。因此利用抽水试验或室内试验求得的渗透系数（K）值代入公式即可求得。 2、影响半径（R）值的测定 测定影响半径（R）值的方法较多，如根据多孔抽水试验的观测孔或井、泉等观测资料，用图解法确定。此外，确定影响半径（R）值的经验公式也很多，用时请查有关的水文地质手册进行计算。 12.2 矿坑涌水量的预测方法简介 一、矿坑涌水量的概念及预测要求 1、矿坑涌水量 矿坑涌水量是指单位时间内流入矿坑的水量，常用每天立方米、每分钟立方米表示。因为流入矿坑的水是通过一定能力的排水设备排出矿坑的，所以，通常用单位时间内的排水量来表征矿坑涌水量。 2、矿坑涌水量预测的意义 矿坑涌水量预测是对矿坑充水条件的定量描述，也是对采矿井巷系统需要排除水量的估计。准确地预测可能流入矿坑的水量很重要。因为生产上要求预测的矿坑涌水量，应接近开采时的实际矿坑涌水量，如果预测与未来开采时的实际涌水量不相一致，则会给矿山生产带来损失。如预测的涌水量小于实际涌水量，会造成矿坑涌水量超过排水能力，使矿坑积水过多而妨碍正常生产，甚至会出现淹井事故；如预测的涌水量大于实际涌水量，则能导致疏干和排水设备过多的浪费，甚至矿床被误认为水大而不能开采。 矿坑涌水量的预测一般包括单项开拓工程或疏干工程的涌水量；某一开采系统的涌水量；矿坑总涌水量。矿床勘探阶段主要是预测后两者。由于矿坑涌水量常具有季节变化．所以总涌水量又有正常涌水量（Qo）与最大涌水量（Qmax）之分。正常涌水量系指平水期（或枯水期）保持相对稳定的总涌水量；最大涌水量系指雨季时的洪峰涌水量。两者的影响因素、动态特点和预测方法有所不同，般需要分别进行分析和评价，往往是先计算正常涌水量，然门考虑雨季的最大涌水量增量。 3、矿坑涌水量的预测要求 保证矿坑涌水量预测精度的关键，在于做好下面两步工作 （1）查明充水条件，建立符合客观实际的水文地质概念模型。这包括矿坑充水水源、矿坑充水途径以及它们相互配合的分析；特别要注意用发展的观点，分析在未来开采条件下地下水系统补、径、排特征的变化。正确确定计算边界，并获得主要充水岩层具有代表性的水文地质参数。 （2）正确选择计算方法，建立与水文地质概念模型相符的数学模型。计算时切忌不考虑条件而盲目套用已有计算公式．或建立不合理的数学模型。 二、矿坑涌水量的预测方法 目前国内外常用的预测方法有坑道系统的水动力学法（大井法）、水均衡法、水文地质比拟法等。 1、坑道系统的水动力学法（大井法） 在预测坑道系统涌水量时，把坑道系统所占面积理想为一个圆形的大井，然后应用地下水向井运动的公式预测坑道系统的涌水量，因此又称次法为大井法。但是坑道系统所占面积比起井来要大得多，所遇到的水文地质条件也较复杂。因此应用大井法要注意以下几个问题 （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Ro，在大井法计算中按下列公式计算R0R＋r0。 引用半径r0的计算按坑道系统所占范围加以圈定，并使其等于一假想圆面积，此圆的半径即为引用半径，也称大井半径。不同几何形态坑道系统引用半径的计算公式不同，见表13－2（不同几何形态坑道系统引用半径的计算公式）。 2、水均衡法 水均衡法是在详细分析矿区地下水来源的基础上，分别计算出不同补给来源所决定的矿坑涌水量，各部分涌水量的总和将是未来矿坑的可能总涌水量。该法计算起来较为复杂，但在计算露天采矿场和不深的地下坑道时，能取得较好效果。 以露天采矿为例 在采矿初期，开始流入采矿场不仅有降落漏斗范围内消耗的静储量，还有动储量（包括大气降水和地表水的渗入，以及水流自其它含水层的渗入，而流入矿坑中的水量），所以根据水均衡法测定涌水量时，不仅要测定静储量，更主要的是确定动储量。 （1）静储量的确定 露天采矿场面积上静储量的消耗量为 式中，V采矿场内疏干岩层的体积；m给水度或裂隙度；t疏干时间（一般以一年为一个均衡期）。 由于露天采场的疏干，于采矿场周围形成降落漏斗，漏斗范围内的静储量的消耗量为 式中，h含水层平均厚度；R采矿场疏干时的影响半径（由采矿场边界算起）；m给水度或裂隙度；L疏干地段的周长。 因此，静储量的总消耗量为Q1q1q2 （2）动储量的确定 流入采矿场的动储量也由两部分组成即直接降落在露天采场内的大气降水（q3），及由采矿场外围降水渗入的水量（q4），即Q2q3q4 式中，A年平均降雨量；F1露天采矿场面积；t一年时间；F不包括露天采矿场面积在内的矿区集水面积；j地下径流系数。 采矿场的总涌水量将等于静储量与动储量的总和为 QQ1Q2 q1q2 q3q4 在采矿过程中，随着采矿场岩层的剥离和采矿场的扩大，静储量将逐渐消耗，因此，由静储量消耗而形成的涌水量值将逐渐减小，最后趋于零，而剩下的只有动储量为主要涌水来源。所以根据上式求得的总涌水量仅代表开采初期的最大涌水量，在开采过程中将会逐渐减少。 研究实例见p.253。（某露天钼矿） 3、水文地质比拟法 水文地质比拟法是根据地质、水文地质条件相同或相近似的生产矿坑的排水资料来换算设计矿坑的可能涌水量。根据国内外经验，只要建立的比拟关系式符合于客观规律，用这种方法预测的矿坑涌水量还是比较近似的。 1、根据单位涌水量换算矿坑涌水量 实际资料证明，矿坑涌水量与矿坑面积或体积的扩大成正比例增加，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，换算出生产矿坑单位面积或单位体积上的单位排水量为 式中，q0生产矿坑单位面积、单位降深的涌水量，米3/昼夜；Q0生产矿坑总涌水量，米3/昼夜；F0生产矿坑的开采面积，米2；S0生产矿坑的水位降低值，米。 这样，根据生产矿坑单位面积上的单位降深的涌水量，可以计算与其地质、水文地质条件相类似的新设计的矿坑总涌水量为 Q设＝q0F设S设 式中，F设新设计的矿坑的设计开采面积，米2；S设新设计的矿坑的设计平均水位降低值，米。 2、富水系数法 在一定时期从矿坑中排出的水量，与同一时期开采出的矿石重量之比，叫做富水系数（KB）。其表达式为 式中，Q0矿坑排水量，米3/年；P0矿坑的矿石开采量，吨/年。 这样，根据生产矿坑的富水系数换算与其地质、水文地质条件和开采条件相类似的新设计的矿坑总涌水量为 Q设＝KBP设 式中，P设新设计的矿坑的矿石开采量，吨/年。 12.3 矿坑涌水量的测量方法 生产矿山的矿坑涌水量的测量，是矿山在开采时期的一项重要水文地质工作。因为测量矿坑水的水量变化规律，可以验证和校核水文地质勘探时期矿坑充水因素的分析与预测涌水量的准确程度，为预计矿坑突水的可能性，为排水和防探水工作，为矿山扩建预测涌水量等提供可靠的矿坑涌水量资料。 一、根据水沟水流速度测量涌水量 此法是应用坑道中的排水沟测量涌水量。其测量方法一般是在坑下水仓的入口处，选择较为合适的已知过水断面F的排水沟的地段上，测量排水沟中水流速度V，则水沟的水量即为矿坑的涌水量Q。计算公式 Q 0.8 FV （米3/秒） 其中流速V是用浮标法测得的，即选择水沟平直、断面整齐、水流平稳的沟断上，取距离数米的两个过水断面，测量其距离L，然后将浮标放入水沟中，用秒表记录经过L距离的时间t，则水流速度V为 V L/t （米/秒） 为了消除误差，一般需要在同一水沟中进行多次测量。此外，水沟的水流速度V还可用流速仪测定。 二、根据水沟安设堰板测量涌水量 在排水沟中，垂直水流方向，设置水流流量堰板，然后测量水流流过堰口的高度，通过公式计算或者查表求得流量，此种方法称为堰测法。根据堰板的堰口形状的不同，可以分为三角堰、梯形堰和矩形堰等。 三角堰的计算 式中，Q流量（升/秒）；h测量水流流过堰口的水头高度（厘米）。 梯形堰的计算 式中，B堰口底的宽度（厘米）；其余符号同上。 为了计算流量的方便，可查三角堰水头高度（h）与流量（Q）和梯形堰底宽（B）水头高度（h）与流量（Q）的换算表，见水文地质手册。 三、根据贮水池内水位上升量测定涌水量 此法是在一定的时间内，把要测量的矿坑水引入已知水平截面积的贮水池中，根据水位上升的高度，即可测出准确的涌水量。为此目的，可根据具体情况，利用水仓、各种巷道中的沉淀池以及地面上的贮水池等，均可进行测量。该法也叫容积法。 四、根据水仓水泵观测法测定涌水量 此法的步骤是首先用水泵抽水，将水仓内的原水位降低到一定深度，即可停止水泵运转，让水仓进水，待水位恢复到原来水位时，记下所需时间，再开动水泵将水排到原来深度，并记下所需时间。根据水泵每小时实际的抽水量及抽水时间，即可按照下列公式计算出该矿坑的总涌水量为 式中，Q矿坑每小时内的总涌水量，米3/小时； Q0水泵的实际出水量，米3/小时； t1从停泵到水仓水位恢复到原水位所需的时间，小时； t2水泵排水水仓由原水位排到一定深度所需的时间，小时。 上式为一个近似公式，所得涌水量的精确程度取决于水泵的排水能力，通常水泵的排水能力愈大，则所得涌水量值偏大，反之则偏小。 思考题 1、地下水运动的基本形式及各自的特点。 2、层流和紊流运动符合什么定律，各定律的表达方式是什么 3、稳定流状态向井运动分哪几种方式，各运动方式的具体表现。 4、如何通过确试验测定渗透系数（K）和导水系数（T） 5、什么是矿坑涌水量矿坑涌水量的常见预测方法有哪些 6、了解矿坑涌水量的四种测量方法。 6