矿井涌水量预测

1、矿井涌水量计算与预测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。 1 1、多孔介质、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。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。称为渗流场。 甲河甲河乙河乙河甲河甲河乙河乙河2、地下水运动假

2、想渗流渗流是一种假想水流。假想：渗流是一种假想水流。假想：（1 1）假想水流的性质（如密度、粘滞性等）和真）假想水流的性质（如密度、粘滞性等）和真实地下水相同；实地下水相同；（2 2）假想水流充满含水层的整个空间；）假想水流充满含水层的整个空间；（3 3）假想水流运动时，在任意岩石体积内所受的）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；阻力等于真实水流所受的阻力；（4 4）通过任断面的流量及任一点的压力或水头均）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。和实际水流相同。渗流的分类：渗流的分类： 承压水和潜水含水层承压水和潜水含水层地下水运动不同地下水运动不同

3、54321在承压含水层中抽水水从何来？地面沉降？稳定流：稳定流：在流体的运动空间内，任一点处流体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。时间而变化的称为稳定流。 p=f(x,y,z) 或或 p/ t=0 v=f(x,y,z) 或或 v/ t=0非稳定流：非稳定流： p=f(x,y,z,t) 或或 p/ t 0 v=f(x,y,z,t) 或或 v/ t 0法国水力工程师法国水力工程师亨利亨利达西达西(Henry Darcy)在装有均质砂在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验，做了大量的渗

4、流实验，于于l856年发现：年发现： 渗透流速与水力渗透流速与水力坡度成正比坡度成正比，即线性，即线性渗流定律，这是渗流渗流定律，这是渗流基本定律，后人称之基本定律，后人称之为达西定律为达西定律。Darcy 实验装置实验装置lHHKMq21（a）H1=H2H1H1H2H（b）H1H2平面上的流线H1H2H1H（c）（d）（e）（f）KK一、水井的类型一、水井的类型 根据水井井径的大小和开凿方法，分为管井和根据水井井径的大小和开凿方法，分为管井和筒井两类。筒井两类。 管井：直径通常小于管井：直径通常小于0.5m，深度大，常用钻机，深度大，常用钻机开凿。开凿。 筒井：直径大于筒井：直径大于1m，深

5、度浅，通常用人工开挖。，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。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。为完整井和不完整井两类。地下水向完整井的稳定运动地下水向完整井的稳定运动世界深井世界深井探地工程：探地工程： 世界上已有世界上已有2020口深度口深度40004000米以上的深孔米以上的深孔 苏联科拉苏联科拉G-3G-3钻孔深钻孔深1226212262米米, ,世界第一超深孔世界第一超深孔 德国德国KTBKTB钻孔深钻孔深9100

6、9100米米, ,为世界第二超深孔为世界第二超深孔 中国大陆科学钻探中国大陆科学钻探江苏省东海县，深度江苏省东海县，深度51585158米，米，2001-20052001-2005年，投资年，投资1.51.5亿，亿，20052005年中国年中国十大科技进展十大科技进展 完整井完整井：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地下水动力学中井的分类 潜水井潜水井承压水井承压水井根据水井揭露根据水井揭露的地下水类型的地下水类型根据揭露含水层根据揭露含水层程

7、度和进水条件程度和进水条件完整井完整井不完整井不完整井不完整井井周围地下水三维运动！不完整井井周围地下水三维运动！ 水向井的运动水向井的运动 潜水向井的运动潜水向井的运动 承压水向井的运动承压水向井的运动井附近的水位降深井附近的水位降深 1. 水位降深水位降深 水位降深水位降深：初始水头减去抽水：初始水头减去抽水t时间后的水头，时间后的水头，也简称降深。抽水时，井中心降深最大，离井越也简称降深。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。远，降深越小，形成漏斗状水头下降区。 2. 2. 抽水时，地下水能达到稳定运动条件抽水时，地下水能达到稳定运动条件 (1) (1) 在有

8、侧向补给的有限含水层中，当降落漏斗扩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。向井的运动便可达到稳定状态。 (2) (2) 在有垂向补给的无限含水层中，随着降落漏斗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。入稳是状态。 (3) (3) 在没有补给的无限含水层中，随着抽水时间的

9、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。况称为似稳定状态，也称似稳定。承压井的承压井的DupuitDupuit公式公式 将含水层视为半径为将含水层视为半径为R R的圆形岛状含水层，在的圆形岛状含水层，在R R处为定水处为定水头头H0H0。 这时，水流有如下特征：这时，水流有如下特征： 水流为水平径向流，即流线为指向井轴的径向直水流为水平径向流，即流线为指向井轴的径向直线，等水

10、头面为以井为共轴的圆柱面，并和过水断面一线，等水头面为以井为共轴的圆柱面，并和过水断面一致；致； 通过各过水断面的流量处处相等，并等于井的流通过各过水断面的流量处处相等，并等于井的流量。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wwrRKMsQlg73. 2WwrRKMQsln2 对于无限含水层，可以当作似稳定处理，对于无限含水层，可以当作似稳定处理，R R取从抽水井取从抽水井到明显观测不出水位降深处的径向距离。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

11、，难以确定但是，对于无限含水层，难以确定R R。当有一个观测孔。当有一个观测孔时，可用一个观测孔的水位或降深。时，可用一个观测孔的水位或降深。 或或 同理得，有两个观测孔时同理得，有两个观测孔时 或或 此式为此式为ThiemThiem公式。公式。WWrrKMQhHln2WwrrKMQssln21212ln2rrKMQHH1221ln2rrKMQsswwwrRKQssHln20潜水井的Dupuit公式wwwrRssHKQlg2366. 10有一个观测孔时有两个观测孔时wwrrKQhhln22122122lnrrKQhhDupuit公式的应用（用途）公式的应用（用途）(1)确定水文地质参数确定水文

12、地质参数根据根据Dupuit公式，在已知含水层厚度和参数的情况公式，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；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。也可按需要的流量，预报开采后的可能降深值。(2)预报流量或降深预报流量或降深确定岩土的渗透系数确定岩土的渗透系数K、导水系数、导水系数T、影响半径、影响半径R等。等。但应注意，利用以上公式预报时，含水层必须有补但应注意，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，

13、利用稳定流公式进行预报，所得到的可能出现稳定流，利用稳定流公式进行预报，所得到的结果是错误的。结果是错误的。用途一：确定水文地质参数用途一：确定水文地质参数 （潜水）（潜水）（承压水）（承压水）rRSSHQKlg)2(732. 0rRMSQKlg366.0利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的Q及抽水井及抽水井或观测孔的水位降深或观测孔的水位降深S代入各式，可以直接求出代入各式，可以直接求出K或或T。)(HMKT或MKS95. 1R KS3000R （潜水）（潜水）（承压水）（承压水）rRhsHR例例1 1 有一潜水完整井，其半径有一潜水完整井，其半径

14、为为0.1m，含水层厚度为，含水层厚度为8m，土，土壤的渗透系数为壤的渗透系数为0.001m/s，抽，抽水时井中水深为水时井中水深为3m，试计算井，试计算井的出流量。的出流量。解：解：H=8 h=3 r=0.1 k=0.001 S= H-h=8-3=5 R=3000SK1/2=3000*5*0.0011/2 =474.3 Q= 1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr) =0.02m3/s例例2 2：某工程基坑开挖的平面尺寸为长某工程基坑开挖的平面尺寸为长44m44m，宽，宽22m22m，坑底标高为，坑底标高为-6.0m-6.0m，自然地面标高为自然地面标高为0.000.00，地势平坦，地

15、下水位为，地势平坦，地下水位为-2m-2m。根据地质钻探资。根据地质钻探资料查明，地面下料查明，地面下-2.5m-2.5m为不透水黏土层，为不透水黏土层，-2.5-2.5-9.0m-9.0m为细砂层。为细砂层。-9.0m-9.0m以以下为砂岩不透水层，所以含水层厚度为下为砂岩不透水层，所以含水层厚度为6.5m6.5m，细砂层渗透系数，细砂层渗透系数K=6m/dK=6m/d，试求涌水量试求涌水量 。 解：据题意，细砂含水层为承压水层，厚度解：据题意，细砂含水层为承压水层，厚度M=6.5m M=6.5m 降深降深s=6-2=4ms=6-2=4m 抽水影响半径：抽水影响半径： 基坑假想半径：基坑假想

16、半径：mMKSR71.4865 . 6495. 195. 1mFr56.1714. 32244dmrRKMSQ/15.96156.17lg71.48lg45 . 6673. 2lglg73. 23根据承压完整井涌水量计算公式：根据承压完整井涌水量计算公式：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：道系统的涌水量。注意： 1) 1) 坑道系统的长度与宽度的比值应小于坑道系统的长度与宽度的比值应小于1010。 2) 2) 坑道系统

17、的引用影响半径坑道系统的引用影响半径R R0 0 R R0 0=R+r=R+r0 01. 某缓倾斜层状矿床，坑道系统周长某缓倾斜层状矿床，坑道系统周长630m，不规则多边形长宽比，不规则多边形长宽比=2.5，影响半径，影响半径R=900m，渗透系数，渗透系数K=0.2m/d，潜水含水层厚度，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。，坑道系统布置在含水层底板，试预测其涌水量。解：据题意解：据题意 R=900m K=0.2m/d S=H=100m r0= P/2 =630/ 2 =100m R0=R+r0 =1000m应用潜水完整井公式：应用潜水完整井公式： Q=1.36

18、6K(2H-S)S/lg(R0 0/r0 0) =2732m3/d 2. 2. 教材教材P221P221水均衡法：详细分析矿区地下水来源，分别计算不同补给水均衡法：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。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。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）露天采矿场面积上静储量的消耗量静储量的消耗量2）采矿场周围降落漏）采矿场周围降落漏斗范围内的静储量的消斗范围内的静储量的消耗量耗量h h含水层平均厚度；含水层平均厚度；R R

19、疏干时的影响半径疏干时的影响半径给水度或裂隙度给水度或裂隙度L疏干地段的周长疏干地段的周长总静储量总静储量动储量：动储量：3）直接降落在露天采）直接降落在露天采场内的大气降水场内的大气降水q34）采矿场外围降水渗）采矿场外围降水渗入的水量入的水量q4A A年平均降雨量；年平均降雨量；F F1 1露天采矿场面积；露天采矿场面积；t t一年时间；一年时间；F F露天采场外矿区集露天采场外矿区集水面积（降落漏斗范围）水面积（降落漏斗范围）地下迳流系数。地下迳流系数。F1F基本思想：基本思想：类比法。即在同一地区，地质、水类比法。即在同一地区，地质、水文地质条件相同或相似的矿坑其涌文地质条件相同或相似

20、的矿坑其涌水量应是接近的。水量应是接近的。用途：用途：根据已有开采地段的实际涌水量预测新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。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方法一：根据单位涌水量换算矿坑涌水量方法一：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，即可换算出新的矿料、矿坑面积或体

21、积、水位降低值，即可换算出新的矿坑的涌水量。假定：坑的涌水量。假定： 0000SFQq Q0已有矿坑总涌水量，已有矿坑总涌水量，m3/d;F0已有矿坑的开采面积，已有矿坑的开采面积，m2;S0已有矿坑的水位减低值，已有矿坑的水位减低值，m则已有矿坑单位面积、单位降深的涌水量则已有矿坑单位面积、单位降深的涌水量q0为：为：这样，新开采（设计）矿坑的总涌水量即可这样，新开采（设计）矿坑的总涌水量即可表示为：表示为：newnewnewSFqQ0Fnew新开采矿坑的开采面积，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，新开采矿坑的设计平均水位减低值，m。富水系数法富水系数法 在

22、一定时期内，从矿坑中排出的水量，与同一时期开采出的在一定时期内，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（矿石重量之比，称为富水系数（KB），即），即 00PQKBQ0矿坑排水量，矿坑排水量，m3/a;P0矿坑的矿石开采量，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：或相似的新开采地段，矿坑的总涌水量为：newBnewPKQPnew新开采矿坑的设计矿石开采量，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防治水投入X新增煤产值关系

23、新增煤产值关系Y防治水投入防治水投入2万万新增产值新增产值60万元万元防治水投入防治水投入4万万新增产值新增产值80万元万元防治水投入防治水投入8万万新增产值新增产值120万元万元防治水投入防治水投入16万万新增产值？万元新增产值？万元考考你自己？考考你自己？正确答案正确答案防治水投入防治水投入X新增煤产值关系新增煤产值关系Y防治水投入防治水投入2万万新增产值新增产值60万元万元防治水投入防治水投入4万万新增产值新增产值80万元万元防治水投入防治水投入8万万新增产值新增产值120万元万元防治水投入防治水投入16万万新增产值？万元新增产值？万元考考你自己？考考你自己？正确答案正确答案1 1、水沟

24、流速浮标法、水沟流速浮标法 Q=0.8F V m3/sec; V=L/t m/sec Q-流量、流量、F-过水断面、过水断面、V-水沟流速、水沟流速、 L-浮标流经距离、浮标流经距离、t-浮标流经浮标流经L距离的时间距离的时间2、堰测法、堰测法 三角堰三角堰 梯形堰梯形堰 h-水流流过堰口高度水流流过堰口高度; B-梯形堰堰口底部宽度梯形堰堰口底部宽度3、储水池容积法、储水池容积法4、水仓水泵观测法、水仓水泵观测法裂隙岩溶水运动的方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、小裂隙和微裂隙大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙四种级别。四种级别。 大