防排水技术(2010-5-1)PPT课件.ppt

第三部分矿坑涌水量定量评价 地下水防治技术与方法 1 定量评价目的预测地下施工阶段进入坑道系统的涌水量大小 为地下水防治提供依据 涌水量预测 涌水量预测对象 坑道涌水量 疏干排水量坑道涌水量 在地下施工过程中 单位时间流入坑道系统的水量 m3 s m3 min m3 h m3 d疏干排水量 在规定时间内 将地下水位降至预定深度所需的排水强度 m3 s m3 min m3 h m3 dQ 坑道涌水量 疏干排水量区别与联系 一 定量评价目的与意义 1 一 定量评价目的与意义 是促进水文地质学发展的推动力涌水量定量评价是一个矿区勘查工作必不可少的内容 条件分析 勘探 边界概化 定量评价预测 开采设计 施工 是一个完整的系统工程 在后期开采过程中 涌水量大小是检验充水条件分析 定量评价方法选择正确与否最直接检验 是矿山设计部门必需的关键依据各种防 排 治水方案的设计 排水设备的配备 排水方案的选择 确定等 均离不开涌水量评价 1 一 定量评价目的与意义 是矿山技术 经济 环境问题评价时必须考虑的主要因素当矿床的储量 品位均符合要求 此时 涌水量的大小成为决定矿床开采与否的关键因素 需要从技术 经济和环境等方面进行综合的可行性评价 环境 生态以及社会效益等均与涌水量大小有关 1 二 涌水量预测的现状与问题 总体上讲 矿坑涌水量预测的准确度不高据对我国55个重点岩溶充水矿床回访调查资料显示 预测值与实际值的误差比较结果是 50 的矿区占总数的80 极个别矿区的误差可到100倍 有些许多矿区基建到一半 因实际涌水量太大导致工程中途下马 即使部分勉强开工 排水费用过高 开采成本升高 市场竞争力降低 1 马坑铁矿涌水量预测结果比较 1 二 涌水量预测容易出现的问题 例 山东莱芜叶庄铁矿勘探阶段预测 预测 50m水平的涌水量609m3 d 大型放水实验过程地下水位从174m降到59m 涌水量达到10 6万m3 d 比预测值高出174倍 例 河北杨二庄铁矿专门水文地质勘探阶段预测 100m中段涌水量19万m3 d 该报告未获批准通过 补充勘探预测结果 同样开采水平预测涌水量0 5万m3 d 两次预测值相差32倍 实际开采时的涌水量 100m中段 为0 1万m3 d 1 二 涌水量预测容易出现的问题 造成矿坑涌水量预测准确度不高原因归纳为如下几方面 水文地质条件认识不清 水文地质问题暴露不充分水文地质勘探工作仅局限于矿体附近 对矿区地下水边界 地下水补径排条件 开采前后的变化状况等均未查清 如叶庄铁矿 杨二庄铁矿等类2 计算方法选用不当 脱离具体条件 例 山东张马屯铁矿 利用单个抽水孔资料预测 最大降深4 77m K 21 81m d 依此进行外推 214m中段涌水量为3 15万m3 d 降深200m 但放水试验结果表明 涌水量高达24 9万m3 d 比预测值高了7倍 违反了外推法的一般准则 抽水试验规模太小 并没有充分 暴露 该矿区充水条件 1 二 涌水量预测容易出现的问题 造成矿坑涌水量预测准确度不高的原因归纳为如下几方面 续 3 勘探工作布置没有考虑涌水量预测的需求设计和步骤勘探工作时 并未考虑矿坑涌水量计算的需要 致使勘探的大量数据很难利用 边界的控制 上下含水层的联系 地下水与外界的联系 等水位线图无法获得等 只能套用公式 预测的准确度自然不高 4 没有很好利用新技术 新方法 新模型水文地质人才不足 专业素养不够 时间与人力物力等也投入不够 一般都没有进行大型 群孔的抽水试验 1 三 矿坑涌水量预测的一般步骤 一般应遵循如下三个基本步骤 条件概化 建立正确的水文地质模型 选择合适的计算方法与数学模型 模拟 计算与结果分析评价 1 2 3 1 1 建立正确的水文地质概念模型 准确预测涌水量的关键取决于正确判断充水条件按数学模型的要求来简化实际水文地质条件 得到某种在数学上可以描述的概化模型 该过程称水文地质条件概化 概化后的水文地质模型 水文地质概念模型 它是地质实体与数学模型之间的 桥梁 1 概化已知状态下的水文地质条件 2 给出未来开采状态下的内边界条件 3 预测未来开采状态下的外边界条件 1 一个可靠水文地质模型的建立 必须贯穿整个勘探过程 并大致经历三个阶段 即 第一阶段 通过对区域及勘探资料的整理 提出水文地质模型的 雏型 作为下一步勘探设计的依据 尤其对大型抽 放 水试验的设计具有特殊重要的意义 第二阶段 根据进一步勘探提供的各种信息数据 特别是大型抽 放 水资料 通过流场分析或数值模拟 完成对 雏型 模型的调整 建立水文地质模型的 校正型 第三阶段 在 校正型 的基础上 按开采方案给出疏干工程的内边界条件 根据勘探资料预测不同疏干条件下的外边界条件 建立符合实际的预测模型 1 2 选择合适的计算方法与数学模型 建立或选择与水文地质概念模型相适应的数学模型 什么是相适应的模型 一是对矿床水文地质条件的适应性 指能否正确刻画水文地质条件的基本特征 二是考虑与勘探阶段的适应性 是否可充分利用勘探数据信息 所选数学模型要求的勘探信息是否有保证 详勘阶段均要求选择2个或2个以上的计算方法 以相互检验和映证 1 3 模拟 计算与结果分析评价 应该指出 不能把数学模型的解仅仅看作是一个单纯的数学计算 而应看作是对水文地质模型和数学模型进行全面验证识别过程 也是对矿区水文地质条件从定性到定量在回到定性的不断深化的认识过程 不能仅仅依靠模型与观测数据资料拟合程度的简单比较 1 4 矿坑涌水量预测的特点 与水资源定量评价比较 水资源评价 以持续稳定开采确保枯水期安全开采量为目标 而矿坑涌水量预测则以疏干丰水期的最大涌水量为目标 参数不易控制 矿床大多分布于基岩山区 含水介质非均质性突出 边界条件复杂 参数代表性不易控制 非确定性因素多 内边界条件复杂 矿山井巷类型及分布千变万化 开采方法 开采速度与规模等生产条件复杂且不稳定 与供水的取水建筑物简单 分布有序 生产稳定形成显明对比 给矿坑涌水量预测带来诸多不确定性因素 水文地质条件可能变化大 开采条件对水文地质条件的改变难以预料和量化 这与供水小降深开采有明显差异 1 四 几种常用的涌水量预测方法 水文地质比拟法 相关分析法水均衡法解析法 数值法 请回忆水资源定量评价常用的有几种方法 1 1 水文地质比拟法 概念利用充水条件相似 开采条件相似的矿区生产资料 预测新矿区或下一开采水平的矿坑涌水量 特点是一种半定量的经验方法以稳定流为基础 在涌水量计算时 比拟关系式的确定 比拟的因子选择等带有人为性 这些取决于应用者对矿区充水条件的认识程度 经验 计算结果是一种近似值水文地质条件 开采条件完全一致的矿区是不存在的 1 比拟法之一排水系数法 排水系数的概念Q0一定时间段内的矿坑涌水总量 m3 P0同时间段内矿的开采量 T K0 单位采矿量的排水量 m3 T 应用形式设Q1 P1分别为新矿区或新水平条件下的涌水量和开采量 Q0 P0 Q1 P1 Q1 Q0 P0 P1问题 条件要求苛刻 故应用不多不仅水文地质条件相似 开拓进度 采矿技术要求基本一致排水系数值受人为因素影响大 1 比拟法之二单位涌水量法 单位涌水量的概念单位开采面积 单位降深的涌水量 即q Q F S q 单位涌水量 无量纲 Q一矿坑涌水总量 m3 F 开采面积 m2 S 地下水位降深 m 应用 方法一 假定单位涌水量为常数设两个矿区 两个开采水平 的涌水量 开采面积与降深分别为 Q1 Q2 F1 F2 S1 S2 则 Q1 F1 S1 Q2 F2 S2 Q2 Q1 F2 F1 S2 S1 该公式表示某种线性关系 仅适用于稳定流状态 1 比拟法之二单位涌水量法 应用 续 方法二 单位涌水量为常数的情况在实际中很难见到 为此对其作了如下改进 设两个矿区 两个开采水平 的涌水量 开采面积与降深分别为 Q1 Q2 F1 F2 S1 S2 则 m n为待定系数 需要通过对涌水量与开采面积 降深的统计关系进行取值 1 水文地质比拟法的优缺点 优点方便灵活 简单 经济回避求取水文地质参数的复杂过程适用于水文地质条件较简单 且变化不大的地区 不足要求条件相似的情况下应用 限制了应用范围 公式的提出 建立 多以经验为基础 人为影响成分大 预测结果往往偏大 特别是对于线性关系假设的情况 只能在稳定流或似稳定流状态下应用 1 2 Q S曲线法 Q S曲线法根据抽 放 水试验资料 建立涌水量 Q 与降深 S 的Q S曲线方程 根据试验阶段与未来开采阶段条件的相似性 利用Q S曲线外推 进而预测更大降深条件下的坑道涌水量 实质上属于水文地质比拟法的外延 或水文地质比拟法是其中的一种 线性 特例 因此具有类似的有缺点 思考题 图中各类Q S曲线反映了什么充水条件 Q S I II III IV 实际点 预测点 外推曲线 1 2 Q S曲线法 应用条件 试验对象在抽水疏干条件下 基本可以满足稳定井流 或拟稳定流 条件 抽水试验的各种条件应与预测对象的疏干条件接近 1 抽水试验孔应布置在预测对象的分布地段 保证水文地质条件的一致性 2 采用大口径 或孔组 试验 计算时为消除井径对涌水量的影响 需做井径换算 3 抽水降深应大于疏干水位高度的1 2 1 3 计算时的外推疏干降深不应超过1 75倍的抽水降深 4 用枯季抽水试验预测正常涌水量 根据雨季试验预测季节性最大涌水量 1 湖南某矿运用Q S曲线法预测涌水量结果比较 1 3 相关分析法 相关分析法通过研究矿坑涌水量与主要影响因子之间的相关关系 随机 非确定性关系 建立用于预测涌水量的统计模型 模型的求解基于最小二乘法 优点 不需要掌握因果之间具体的物理机制与过程 回避水文地质参数获取的复杂过程 应用条件比比拟法更宽松不足不一定存在因果关系 得出的结论只是一种可能 只能用于内插 原则上不能外推预测 1 相关分析法应用时应该注意的几个问题 1 必须有足够长的观测 试验 序列资料真正刻画影响因子与涌水量的统计规律 需要选择合适的数据长度 太短数据系列无法反映真实情况 例 小降深与大降深情况 例 涌水量与采区面积的变化 例 雨季与非雨季 风水年与枯水年等 Q F 采区面积F与涌水量Q关系 拟合段 预测段 实际曲线 1 相关分析法应用时应该注意的几个问题 续 2 正确选择相关因子结合具体条件选择真正的主要影响因素 避免假相关 注意相关因子之间的独立性 注意相关系数或估计标准差一起使用注意预测外推的范围理论上讲 统计模型只能用于内插 不能外推 实践中 在把握条件相似或变化不大的情况下 可以进行适当的外推预测 但外推范围不宜过大 特别是对于水文地质条件复杂的地区 一般含水系统的规模愈大 系统变化条件愈小 外推结果愈可靠 经验 外推范围一般为原取最大值的1 5 2 0倍之内 4 所建立的预测方程应及时根据新的观测数据进行修正 更新 保证模型尽可能符合变化的条件 使预测结果更可靠 1 4 水均衡法 原理根据矿区地下水在一定时间段内的收支平衡 预测矿坑最大涌水量 关键在于选择均衡项 均衡要素 均衡期等优缺点是一种确定性评价方法 理论上讲 是最准确的一种方法 关键在于水均衡要素的准确选取 水均衡要素 水均衡项都可能随时间变化 只能预测均衡期内涌水量大小 无法预测矿坑地下水的疏干深度 1 4 水均衡法 优缺点只能计算出均衡期均衡区中水量体积的变化 V V在矿区空间分布受许多因素 如给水度 含水层分布面积 F 等因素影响 即使由 V F h求出地下水位 它也是一个平均水位 而疏干过程中地下水位呈漏斗状 该法不能预测矿体是否被疏干 均衡区 1 4 水均衡法 应用条件 唯有降水补给的露天采矿 预测最大涌水量 分水岭地段 以暗河管道为主岩溶充水矿床 预测最大矿坑涌水量与外界无水力联系的独立水文地质单元内矿坑总涌水量 特别指出 尽管有许多局限 但是一种检验 指导条件分析和模型计算结果比较可靠的方法条件分析时 可以根据经验参数初步估算地下水量 虽然结果不十分精确 但不会出现数量级上的偏差 1 概念用数学方法求解描述地下水运动规律的微分 偏微分方程 获取一定条件下的解析公式 以此预测矿坑涌水量 疏干深度 疏干范围和疏干时间等 基本公式分类 稳定流理论的裘布依公式非稳定流理论的泰斯井流公式基本应用条件 边界条件可简化 可映射为无限含水层问题在此基础上 根据预测对象选择合适计算公式或模型 稳定流只能预测某一降深时的涌水量 无法预测疏干时间和过程 但许多防排水设计不仅需要涌水量大小 还要控制疏干漏斗的发展过程和时间 以便对疏干过程 施工进度的先后顺序进行优化 5 解析法 1 解析法的核心 泰斯井流 非稳定井流 如承压状态 Q 涌水量 S 水位 水头 降深 t 抽水时间1已知水位降深 s 和疏干时间 t 预测疏干排水量 Q 适用于新建矿区 例如在底板稳定性评价后确定了安全水头值 要求回答 在预定时间 t 内 将水 头 位降低到安全高度 即疏干降深 应设计配备多大疏干排水量Q 5 解析法 1 2已知水位疏干深度 s 和排水流量 Q 预测疏干时间 t 适用于淹没矿井的恢复时间预测 计算公式 3已知排水量 Q 和疏干时间 t 预测各点水位降深 s 预测疏干范围 控制降落漏斗的发展过程计算公式 5 解析法 1 地下疏干遇到几种特殊问题的处理1定降深 变流量问题的处理问题的提出 为降低地下水位 设计的抽排水量 补给量 即排水量中除了补给量外 尚包含一部分贮存量 当达到设计疏干水位后 为了控制地下水位进一步降低 尽可能不破坏水资源和环境 应该减少排水量 要求回答 什么时间开始减少 减少多少量才能保持并稳定在安全水位 假设 抽水流量Qk 达到安全水位的降深Sk 到达时间为tk 5 解析法 1 原理如图 以Qk流量抽水 出现水位 头 下降S 经过tk时间 水位降至预定深度Sk 开始减少排水量 以保证地下水保持在Sk高度 由于实际中流量递减是个连续过程 需将其离散化 而后运用叠加原理进行处理 Q可视为增加一个注入量为 Q的注水井 这样 如果排水量仍保持为Qk 由于二者的共同作用 Qk Q 使水位不再下降 稳定在Sk 5 解析法 1 计算方法 设疏干排水量Qk 经时间tk后 达到疏干降深Sk 此后要使Sk保持不变 需不断减少排水量 Q 为了计算方便 需将减少量进行离散处理 不同时刻的减少量 Q1 Q2 Q3 Qn 因此 在Qk与 Q的共同作用下 地下水位保持不变 所以存在Sk Sn据泰斯井流公式 先考虑tk时刻降深为 2 5 解析法 1 因Sk Sn 在tk t1时刻有 可以确定在tk t1时 减少的抽水量 Q1 2 5 解析法 1 因有 Sk S1 S2 Sn 我们可以得到 Q2 Q3 Qn 即 t1时刻 衰减量为 Q1排水量 Qk Q1t2时刻 衰减量为 Q2 Q1 排水量 Qk Q2 Q1 t3时刻 衰减量为 Q3 Q2 Q1 排水量 Qk Q3 Q2 Q1 tn时刻 衰减量为 Qi 排水量 Qk Qitn 衰减量 Qn 0 Qi C 此时的排水量 Qk Qi C 开采条件下的补给量 5 解析法 1 井 泉对疏干排水预测的干扰处理问题的提出 在同一地下水含水系统中 同时存在开采井或大泉排泄 预测时要考虑同一水动力场内井泉相互干扰问题 以课程设计为例 矿区范围地下水以泉群方式排泄 地下水疏干过程中将降低地下水位 必然会影响泉的流量大小 出现衰减 泉流量衰减结果反之会影响矿坑疏干效果 抽水井 泉群 5 解析法 1 解决问题的基本思路 如图 当矿坑排水 对泉点位置的地下水位 头 产生一个水头消减值 h 为此泉流量也将减少 Q 泉流量的减少等效于在该点加入了一口注水井 注水井的流量等于泉流量的减少值 Q 此时 矿区内任一点疏干降深S实应该是矿坑排水与 注水井 共同作用的结果 S泉 S 泉 5 解析法 1 1 预测点疏干降深S疏计算 S疏 5 解析法 1 2 考虑疏干排水对泉的干扰作用设Q疏为疏干排水量 某时刻t对泉产生的水头消减值为 H 设 Q泉为泉流量的减少值 那么它与水头削减值 H的关系如何 假设天然条件下Q泉水头降低值S泉为线性关系 而且如果在疏干条件下 这种关系仍存在 则 5 解析法 1 3 预测点的负降深计算泉流量减少 Q泉 可视为在泉点增加了一注入量为 Q泉的注水井 它在预测点产生的负降深是 由于泉流量的衰减为一连续过程 要计算不同时刻泉衰减在预测点产生的降深 需将这种连续变化简化为阶梯流量处理 如图 则第一时段 5 解析法 1 3 预测点负降深计算 续 第二时段时 类似地有第n时段 这样 可以得到各时段因泉流量衰减 在预测点产生的负降深计算公式 第一时段 5 解析法 1 3 预测点负降深计算 续 将 Qi分别代入上式 得 第二时段 第三时段 注意 Q2 Q1 5 解析法 1 各时段泉流量衰减处理图示 t0t1t2 tn Qn Q3 Q1 Q t Q2 Q2 Q1 Q3 Q2 Q1 1 3 预测点负降深计算 续 第n时段 将 Qn代入上式 在预测点因泉水流量衰减产生总的负降深为 5 解析法 1 4 最终计算预测点的实际降深大小S实 S疏 S n 矿坑排水对泉必将产生影响 如果在计算中不考虑反补给作用 预测时我们计算的疏干时间偏短 届时实际的降深值不能满足设计的降深值 5 解析法 1 3直线孔排 或疏干巷道 条件下的疏干计算问题问题提出 当充水岩层为急倾斜状态 或疏干对象呈带状含水层时 疏干排水孔的布置常为直线排列或用疏干巷道来疏干强含水层 1963年 前苏联学者鲍切维尔提出了无界含水层中直线孔排疏干计算方法 如右图 Z 5 解析法 1 直线孔排的疏干计算 续 直线孔排长度为2l 则降深 Rn 孔排阻力系数 Z 5 解析法 1 1 当计算点位于x轴或y轴 可查直线孔排抽水阻力系数曲线 2 当计算点位于排孔中心 且当疏干时间一定时便可满足 3 当计算点位于孔排端点时 中心点的降深大于端点降深 该方法应用的关键是Rn的确定 它类似于泰斯公式中的井函数W 为一复杂的函数积分 在一些特殊情况下 也可以简化处理 1 Rn 1 4 5 解析法 1 如图条件 计算孔排中心点m的水头降深Sm 河流 孔排中心点的降深由两部分组成 1 孔排抽水影响的结果 2 边界反映处理后 虚 直线孔排的影响 反映孔排可处理为大井 1 几种特定条件下矿坑涌水量预测方法 续 4 非均质情况的处理问题的提出解析法前提含水层均质各向同性 边界规则 且可处理为无限问题许多实际情况难以满足 对于非均质特别明显的含水层 只能用数值法求解 但对于某些非均质性不十分显著的情况 可用平均参数法处理 如果非均质明显 但变化规则 可作一些技术处理后可用解析法求解下面介绍平面非均质和层状非均质两种情况 5 解析法 1 非均质情况的处理 1 规则的平面非均质充水岩层的水文地质特征在垂向上为均质各向同性 而水平方向上发生有规律的变化 如图所示 5 解析法 1 非均质情况处理 1 规则的平面非均质技术处理思路 即是将原来非均质等厚含水层处理为均质不等厚含水层 然后分解成两个含水层 一是均质等厚无限 一是均质等厚半无限 5 解析法 1 5 解析法 1 无限含水层 半无限含水层 5 解析法 1 非均质情况的处理 2 规则的层状非均质概念充水岩层的水文地质参数在水平方向上不变 垂向上发生变化的情况技术处理思路分解法 把整个非均质含水层在垂向上划分为若干个均质含水层 各分层的总渗流场等效于整个含水层的渗流场 而后采用吉林斯基势函数 可以得到整个非均质含水层的精确解析解 5 解析法 1 非均质情况的处理 2 规则的层状非均质 续 吉林斯基势函数 对于层状非均质含水层 其吉林斯基势函数可离散为 5 解析法 1 吉林斯基势函数 Q 1 规则的层状非均质 续 吉林斯基势函数 续 从上式可以看出 f H 经地下水动力学推导 得层状非均质含水层非稳定井流解析表达式 5 解析法 1 疏水方案的合理选择疏水方案的确定实质就是为了达到预定降深 选择合理的疏干流量与疏干时间 疏水方案选择过程首先 计算不同疏干流量 Qi 和不同疏干时间 tj 下的降深 Sij 用计算值绘制不同疏干流量下的s t曲线 由此得出达到疏干降深时一系列的疏干流量与疏干时间 最后 绘制疏干流量 Q 与疏干时间 t 曲线 5 解析法 1 矿坑充水条件的综合归纳 矿床水文地质类型 65 矿床水文地质类型的划分 定义 根据水文地质条件划分的矿床类型 矿床水文地质类型目的 指导矿区水文地质调查及矿坑地下水的防治划分的原则 突出控制矿坑充水条件的主导因素 力求概念明确 形式简单 便于应用 1 矿床水文地质类型的划分 长期的勘探与开采实践表明 相似水文地质条件的矿床 具有基本类同的充水条件 相近的矿坑涌水量及存在类似的水文地质工程地质问题 随着资料和经验的积累 逐渐揭示了矿床所处的内外环境与充水条件 充水强度之间的内在联系 为在理论上分类奠定了基础 1 矿床水文地质类型的划分 1991年 国家技术监督局在吸纳了 岩溶充水矿床水文地质勘探类型 和1982年地质矿产部颁发的 矿区水文地质工程地质普查勘探规范 的基础上 颁发了新的国家标准 矿区水文地质工程地质勘探规范 GB12719 91 划分方案如下 1 首先根据矿床主要充水层的储水空间特征 将充水矿床划分为三类 第一类 以孔隙含水层充水为主的矿床 简称孔隙充水矿床 第二类 以裂隙含水层充水为主的矿床 简称裂隙充水矿床 第一类 以岩溶含水层充水为主的矿床 简称岩溶充水矿床 1 矿床水文地质类型的划分 2 按矿体 或层 下同 与主要充水含水层的空间关系 1 矿床水文地质类型的划分 划分型是综合考虑矿区水文地质条件复杂程度 包括 矿体与当地侵蚀基准面的关系 地下水的补给条件 地表水与主要充水层水力联系密切程度 主要充水含水层和构造破碎带的导水性 第四系覆盖情况以及水文地质边界的复杂程度等 1 一般固体矿床水文地质分类表 1 矿床水文地质类型的命名 例如 水文地质条件复杂 底板充水 以溶洞为主的岩溶充水矿床 水文地质条件中等复杂 顶板间接充水 以溶洞为主的岩溶充水矿床 福建马坑铁矿的水文地质类型是 水文地质条件中等复杂 顶板直接充水 以溶洞为主的隐伏岩溶充水矿床 1 岩溶充水矿床的主要特点 1 溶隙充水矿床 主要分布在我国北方地区主要特点 1 位于巨型蓄水构造内 以大型向斜 单斜构造盆地为主 形成完整的岩溶地下水系统 因此矿坑涌水量大 90 以上大水矿床均属此类 2 以集中突水为主要突水方式 断裂 陷落拄 底板突破等为主要充水途径 3 疏干排水影响范围大 矿区供排矛盾突出 1 岩溶充水矿床的基本特点 2 溶洞