矿坑涌水量的计算及其精度级别和可信度

 

钱学溥 (国土资源部)

 

 

  要:《矿区水文地质工程地质勘探规范》GB 12719-91和《煤、泥炭地质勘查规范》DZ/T 0215-2002等规范,都没要求对计算的矿坑涌水量认定它的精度级别和可信度;也没有根据矿坑涌水量的大小,提出适宜的计算方法,在这种情况下,勘探报告计算的矿坑涌水量,往往会出现满足不了矿山设计需要的情况。

本文说明了认定计算矿坑涌水量的精度级别和可信度的必要性;说明了计算矿坑涌水量的5级精度级别的代号、名称和可信度;说明了可信度的含义和认定的方法。本文介绍了勘探报告计算矿坑涌水量的流程;介绍了9种计算矿坑涌水量常用的方法及其精度级别和可信度。

关键词:矿坑涌水量;精度级别;可信度

 

 

 

计算矿坑涌水量,可以说是矿区水文地质勘查的主要任务。《矿区水文地质工程地质勘探规范》GB 12719-91和《煤、泥炭地质勘查规范》DZ/T 0215-2002等规范,在矿坑涌水量计算方面存在的主要问题:第一是没有要求对计算的矿坑涌水量认定它的精度级别和可信度;第二是没有根据矿坑涌水量的大小,提出适宜的计算方法,可操作性不强。在这种情况下,勘探报告计算的矿坑涌水量,往往会出现满足不了矿山设计需要的情况。下面,就这些问题,作一些讨论:

1、计算矿坑涌水量,必须认定它的精度级别和可信度,否则矿山设计部门难以确定排水工程的最大排水量。

2、《地下水资源分类分级标准》GB 15218-94,把地下水可开采量的精度级别划分为A(验证的可开采量)、B(探明的可开采量)、C(控制的可开采量)D(推断的可开采量)、E(预测的可开采量)5级,并给出了相应的可信度。矿坑涌水量与地下水可开采量要求的保证率不同、计算的方法不同,因此,计算的矿坑涌水量的精度级别虽然仍可划分为5级,但可信度不同。

3、矿坑涌水量精度级别的代号、名称及可信度如下:

A——验证的矿坑涌水量,可信度0.80.9

B——探明的矿坑涌水量,可信度0.60.8

C——控制的矿坑涌水量,可信度0.40.6

D——推断的矿坑涌水量,可信度0.20.4

E——预测的矿坑涌水量,可信度0.10.2

4、可信度的含义——勘探报告提出了计算的矿坑涌水量和可信度,就是向矿山设计部门说明:未来的矿坑涌水量在小值(计算的矿坑涌水量×可信度)与大值(计算的矿坑涌水量÷可信度)之间,具有很高(约大于97%)的概率。

5、认定矿坑涌水量可信度的方法是:在满分1.0的基础上,减去各失分项的分数。矿坑涌水量的可信度,主要决定于涌水量计算公式适用程度和参数的代表性。现以一个具体的简易大井法计算为例:该简易大井法采用的是稳定流裘布依公式,该公式没有考虑地下水储存量的疏干问题,并且该公式要求含水层具备均质、定水头补给等5个条件,这些与当地的水文地质条件不完全符合,因此,利用稳定流裘布依公式,可信度要减去0.2分。计算参数中的渗透系数K,除了单孔抽水试验的数据外,还应用了库萨金或吉哈尔经验公式计算的R值,因此K是一个半实测的参数,可信度要减去0.2分。计算参数中的矿坑排水地下水影响半径R,采用的还是计算抽水井地下水影响半径的库萨金或吉哈尔经验公式,可信度要减去0.3分。这样,该简易大井法计算的结果,可信度就只有:1.0 -0.2 -0.2 -0.3=0.3

简易大井法计算的结果,可信度的范围是0.2~0.4简易大井法计算的结果,可信度多数是0.3。根据具体的涌水量计算公式适用程度和参数的代表性,简易大井法计算的结果,可信度少数可能是是0.2或是0.4

1列表说明了常用的9种计算矿坑涌水量的方法,以及它们适用的勘查阶段、涌水量的大小、精度级别和可信度,供参考。

6、矿坑涌水量小,可信度可以低一些;矿坑涌水量大,可信度就需要高一些,否则难以满足矿山设计排水能力的需要。小水矿床,矿坑涌水量<5000m3/d,可信度可以在0.20.4;中水矿床,矿坑涌水量5000 50000m3/d,可信度需要在0.40.6;大水矿床,矿坑涌水量>50000m3/d,可信度需要在0.60.8

7、勘探报告计算矿坑涌水量的流程应该是:1详查阶段,依据少量的单孔或单孔及多孔抽水试验和附近矿山涌水量资料,采用简易大井法、比拟法等方法,初步计算可信度较低的矿坑涌水量。2勘探阶段,根据初步计算的矿坑涌水量,确定勘探报告计算的矿坑涌水量大小的类别、需要的精度级别和可信度;3根据上述要求,选择适当的计算方法和公式;4根据计算公式需要的参数,确定勘探阶段需要增加的抽水试验的类别和数量。6通过抽水试验获得必要的参数,代入选择的公式,提交勘探报告计算的矿坑涌水量及其精度级别和可信度。

如果不按上述的顺序,盲目进行抽水试验,就有可能由于计算的矿坑涌水量可信度过低,满足不了矿山设计的需要,或是浪费了一部分抽水试验的工程量。

8、报告必须对计算的矿坑涌水量进行详细地评述,对于大井法等解析法来说,应着重评述:1计算的矿坑涌水量计算了哪些含水层充水水源,没有计算哪些含水层充水水源;2采用的涌水量计算公式,是理论公式还是经验公式。当地的水文地质条件是否符合公式的应用条件。3计算的参数是实测的参数、半实测的参数、反算的参数或是采用的是经验值。4计算的结果,有没有考虑含水层地下水储存量疏干的问题。5计算的结果偏小的可能性大,还是偏大的可能性大。6计算的结果属于哪个精度的级别,计算的矿坑涌水量可信度是多少。7计算的结果能不能满足矿山设计的需要。

对于比拟法来说,应着重评述:1计算涌水量的矿山和与之比拟的矿山,二者水文地质条件的近似程度。2建立比拟法计算公式的依据是否充分严谨。3FS外推的倍数,计算的矿坑涌水量可信度是多少。4计算的结果能不能满足矿山设计的需要。

9、对露天开采的矿山来说,采坑的涌水量包括地下水涌水量和降雨汇入采坑的水量两部分。采坑涌水不会造成人员的伤亡;排水设施位于地表,易于调整。地下水涌水量在数量上较降雨汇入采坑的水量要小得多,因此一般只需要用大井法、比拟法等简单的方法,计算地下水的涌水量就可以满足设计的要求。当然,对计算的地下水涌水量,也应认定它的精度级别和可信度。

降雨汇入采坑的水量很大,必须要有频率的概念。在降雨观测序列长度超过25年的情况下,对暴雨量应进行经验频率或理论频率的计算。最好利用当地实际观测值反算的地表径流系数,以提高计算结果的可信度。无论是计算的或是比拟计算的暴雨汇入采坑的水量,都应认定它的精度级别和可信度。

 

 

 

1        矿坑涌水量计算的方法及精度级别和可信度

 

计算方法

勘查

阶段

适用

涌水量

精度

级别

可信度

简要说明

泉水流量法

普查

小中大

E

0.10.2

地下水以降水入渗补给为主。矿坑涌水量等于矿坑排水疏干范围(经验公式计算或取经验值)内,泉水或河流清水的日平均流量。

径流模数法

普查

小中大

E

0.10.2

地下水以降水入渗补给为主。矿坑涌水量等于矿坑排水疏干范围(经验公式计算或取经验值)乘以地下水径流模数。

简易大井法

详查

勘探

小中大

D

D

0.20.4

0.20.4

采用稳定流裘布依大井法公式;单孔抽水试验,利用库萨金、吉哈尔等经验公式参与计算的半实测渗透系数K;利用库萨金、吉哈尔等经验公式计算的矿坑排水影响半径R;计算的结果属于D级的精度。

大井法

详查

勘探

小中大

小中

C

C

 

0.40.6

0.40.6

 

采用稳定流裘布依大井法公式;多孔抽水实测渗透系数K;利用水文地质条件近似的矿山资料,反算矿坑排水影响半径R;计算的结果属于C级的精度。

简易数值法

详查

勘探

小中大

小中

C

C

0.40.6

0.40.6

利用单孔或单孔及多孔抽水试验资料计算K值;采取含水层岩样进行实验室给水度 的测试;利用MODFLOW等地下水流计算软件,进行稳定流和非稳定流的试算;求得的矿坑涌水量其精度可以达到C级的精度。

比拟法

详查

勘探

小中大

小中大

CB

CB

0.40.8

0.40.8

矿坑涌水量一般与地下水位降深S、坑道系统面积F正相关。建立比拟法计算公式,必须列表充分分析矿坑涌水量与SF的关系。其可信度的大小,决定于两处矿山水文地质条件的近似程度及比拟法外推的倍数。

作图法

详查

勘探

小中大

小中

 

C

C

0.40.6

0.40.6

金属矿床一般有众多的开采中段,随着中段的加深,矿坑涌水量也不断地加大,二者往往具有明显的关系,通过作图,一般可以求得C级精度的矿坑涌水量。其可信度的大小,决定于观测点偏离曲线的远近及外推的倍数。

相关分析法

详查

勘探

小中大

小中

C

C

0.40.6

0.40.6

金属矿床一般有众多的开采中段,随着中段的加深和面积的加大,矿坑涌水量也不断地加大,三者往往具有明显的关系,通过多元回归,一般可以求得C级精度的矿坑涌水量。其可信度的大小,决定于观测序列的长短、相关系数的大小、以及外推的倍数。

数值法

勘探

中大

B

0.60.8

通过群孔抽水试验,利用MODFLOW等地下水流计算软件,采用稳定流和非稳定流的理论,数值模型通过识别和验证,计算的矿坑涌水量可以达到B级的精度。其可信度的大小,主要决定于群孔抽水水量的大小、抽水时间的长短、参数的拟合程度、边界以及补排水量的确定。

 

说明:1、涌水量小的小水矿床,涌水量小于5000m3/d;涌水量中等的中水矿床,涌水量500050000m3/d;涌水量大的大水矿床,涌水量大于50000m3/d。小水矿床可以提交D级的计算矿坑涌水量,可信度在0.3左右;中水矿床需要提交C级的计算矿坑涌水量,可信度在0.5左右;大水矿床需要提交B级的计算矿坑涌水量,可信度在0.7左右。

2、由于认定了计算的矿坑涌水量的精度级别和可信度,矿山设计部门可以确定矿山排水的最大能力,因此,一般不需要计算矿坑最大涌水量。

3、报告只需要计算先期开采地段第一开采水平或是第一开采中段的矿坑涌水量。

4、简易大井法计算的结果,属于D级的精度,只能满足小水矿床矿山设计的需要,或是作为认定矿区水文地质勘查类型的依据。大井法计算的结果,属于C级的精度,可以满足小水矿床及中水矿床矿山设计的需要。

5、一般应采用两种方法计算矿坑涌水量,以确保或提高计算结果的可信度。但是,大井法和廊道法都是稳定流解析法,都是以达西定律作基础,不同的只是把坑道系统概化成圆形或是长方形,因此对一个矿山来说,这两种方法可以说是一种方法,不能相互验证。应该根据坑道的形状,选择其中的一种方法。

6、简易数值法——利用单孔或单孔及多孔抽水试验资料,采取含水层岩样进行实验室给水度的测试,利用MODFLOW等地下水流计算软件,进行稳定流和非稳定流的试算。这种方法增加的野外工作不多,但是可以进行非稳定流的试算,能够考虑含水层地下水储存量的疏干问题,还可以粗略地考虑地下水补给、排泄因素。简易数值法计算的矿坑涌水量,其精度可以达到C级,可信度可以达到0.40.6,可以满足中水矿床矿山设计的需要,值得大力提倡。

7、一处矿山多年排水,就相当一处大型的、大流量、大降深的群孔抽水试验,因此,比拟法计算的矿坑涌水量具有较高的可信度。在详查和勘探阶段,必须大力搜集附近矿山有关排水的资料,进行涌水量的比拟计算。如果附近没有生产的矿山,较远的地方有水文地质条件近似的矿山,也应搜集有关资料,进行涌水量的比拟计算。

8、矿坑涌水量与矿产开采量没有明确的关系,开采量减少了,矿坑涌水量不一定减少。因此,一般不宜利用比拟法中的富水系数法计算矿坑涌水量。

9、对于露天开采来说,汇入采坑的暴雨水量远远大于地下水的涌水量,因此一般采用简易大井法计算的D级地下水涌水量,就可以满足矿山设计的需要。

10、泉水流量法和地下水径流模数法,计算的结果属于E级的精度,一般不能作为矿山设计排水工程的依据,计算的结果,只能作为初步认定矿坑涌水量大小的类别以及初步认定水文地质勘查类型的依据。

11、水文地质参数和矿坑涌水量保留23位有效数字,宜采用科学计数的方法表达。

12、计算矿坑涌水量的方法还有许多,表1列举的9种方法只是常用的一些方法。

 

 

参考文献:

[1] 《矿区水文地质工程地质勘探规范》GB 12719-91

[2] 《煤、泥炭地质勘查规范》DZ/T 0215-2002

[3] 《地下水资源分类分级标准》GB 15218-94

[4] 《供水水文地质手册》编写组,《供水水文地质手册》,北京,地质出版社,1977.

 

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