矿井用水量的计算与评述

矿井涌水量的计算与评述钱学溥（国土资源部，北京100812）摘要：文章讨论了矿井涌水量的勘查、计算、精度级别、允许误差和有效数字。文章推荐了反求影响半径、作图法求解矿井涌水量的方法。关键词：矿井涌水量；勘查；计算；精度级别；允许误差；有效数字根据1998年国务院“三定方案”的规定，地下水由水利部门统一管理。水利部2005年发布了技术文件SL/Z322-2005《建设项目水资源论证导则（试行）》。该技术文件6.7款规定，地下水资源包括地下水、地热水、天然矿泉水和矿坑排水。6.1.2款规定，计算的地下水资源量要认定它的精度级别。我们认为，认定计算的矿井涌水量的级别和允许误差，不仅是水利部门要求编写《建设项目水资源论证》的需要，而且有利于设计部门的使用。在发生经济纠纷的情况下，也有利于报告提交单位和报告评审机构为自己进行客观的申辩。下面，围绕这一问题，对矿井涌水量的勘查、计算、精度级别、允许误差和有效数字等方面，作一些论述和讨论。1矿井涌水量与水文地质勘查矿井涌水量比较大，要求计算的矿井涌水量精度就比较高，也就需要投入比较多的水文地质勘查研究工作。表1，可以作为部署水文地质工作的参考。表1矿井涌水量与水文地质勘查Table1Mineinflowandhydrogeologicalexploration矿山类型多年生产的矿山特大涌水矿山疏干开采矿山大水矿山中水矿山小水矿山矿井涌水量（m3/d）具有10年以上观测资料大于500005000～50000500～5000小于500抽水试验的类型和数量不需要进行抽水试验多孔抽水试验1～5组，群孔抽水试验1组多孔抽水试验1～5组单孔抽水试验1～5孔不一定需要进行抽水试验涌水量的主要计算方法作图法、数理统计数值法、数理统计比拟法、解析法加水均衡计算、作图法比拟法、解析法、作图法比拟法、解析法、地下水径流模数法、泉水流量统计法勘探、核实或检测地质报告预算井涌水量需要提交的精度ABB、CB、C、DD、E注：○1多年生产的矿山是指：开采水平不变、开采面积基本不变的多年生产的矿山，如即将闭坑或是即将破产的矿山，即是这种多年生产的矿山。○2多孔抽水试验，是指带观测孔的一个抽水主孔的抽水试验，持续抽水几天。○3群孔抽水试验是指带观测孔的多个抽水主孔的抽水试验，其抽水总量，一般要达到计算矿井涌水量的1/3～3/4，持续抽水几十天。○4利用地下水动力学计算公式，计算矿井涌水量，就属于解析法的范畴。大井法、集水廊道法就是常用的解析法。○5数理统计包括一元线性回归、多元线性回归、逐步回归、系统理论分析、频率计算等（参考钱学溥，娘子关泉水流量几种回归分析的比较，《工程勘察》1983第4期，中国建筑工业出版社）。可以把水位抽降、巷道开拓面积、矿产产量、降水量等作为自变量，把矿井涌水量作为因变量。○6数值法也就是计算机模拟，是通过利用计算机模拟地下水流场的变化，计算矿井涌水量的一种方法。○7常用的大井法、集水廊道法等解析法计算矿井涌水量，只考虑了含水层的导水性，没有考虑地下水的补给量。因此，只有进行了解析法和水均衡的计算，用地下水的补给量验证解析法计算的结果，计算的矿井涌水量的精度才能达到C级。2稳定流、非稳定流公式应用的主要条件2.1一般报告采用的解析解大井法、集水廊道法，是基于稳定流理论推导的地下水动力学计算公式。它要求地下水有比较充分的补给条件，要求在该水平开采的几年到几十年内，矿井排水计算的地下水影响半径边界上的水头高度，永远稳定在计算采用的高度上。2.2基于非稳定流理论推导的地下水动力学计算公式，恰恰相反，它的使用条件是地下水没有补给，含水层分布无限，地下水影响半径不断向外扩大。2.3由于采用大井法、集水廊道法，一般都没有考虑地下水补给量的问题，因此，计算的结果可能有较大的误差，它的精度一般只有D级。3影响半径的计算3.1计算影响半径的经验公式有很多，它们计算的结果有相当大的误差。如常用的库萨金经验公式HKSR2对于裂隙水来说，计算的R值一般偏小2～5倍。吉哈尔经验公式KSR10对承压水含水层，可以作近似的计算，但计算的结果一般偏小（参考《供水水文地质手册》第二册，地质出版社1977，第268页）。3.2影响半径R，处在矿井涌水量计算公式分母的位置，因此，计算的影响半径R偏小，就会导致计算的矿井涌水量偏大。这是一般地质报告计算矿井涌水量偏大的主要原因。3.3利用经验公式计算的承压水影响半径一般偏小，从而计算的矿井涌水量偏大。为此，最好是利用实测的影响半径，或是利用大井法、集水廊道法公式反求的影响半径，预算矿井涌水量。3.4据甘肃省安新煤田大柳井田勘探报告，该井田开采侏罗系煤层。经实测，相距4000m的新周煤矿建井，水位已影响到大柳煤矿的井筒。估计影响半径可能有5000m。3.5内蒙古自治区东胜煤田王家坡煤矿距宏景塔一矿2km。王家坡煤矿利用实测的资料，采用大井法公式，可以反求影响半径：王家坡煤矿实测矿井涌水量Q=50m3/d，承压水头高度H=64.82m，巷道系统面积0F=1800000m2,承压含水层厚度M=9.09m，砂岩承压含水层渗透系数K=0.0276m/d。巷道系统引用半径00Fr757m，大井引用半径00rRR，地下水承压转无压裘布衣公式00lglg)2(366.1rRMMHKQ。将上述数据代入公式，757lglg09.9)09.982.642(0276.0366.1500R，88.2lg31.41500R，0lgR=3.7062，0R=5084m，7575084R4327m。利用反求的影响半径4327m，采用大井法公式，可以预算宏景塔一矿的矿井涌水量为154m3/d。3.6内蒙古贺兰山煤田天荣五号煤矿，煤层较陡，采用水平巷道开采。井巷涌水量Q=400m3/d，水头高度H=199.55m，巷道长度B=2100m，砂岩厚度M=56.5m,渗透系数K=0.1275m/d，坑道内水层高度0h=0m。将上述数据，代入集水廊道单边进水承压转无压的公式RhMMHBKQ2)2(20，求得影响半径R=6479m。3.7长期开采条件下，承压水影响半径一般有3000m～5000m～7000m。4直接降落在露天采坑中的降水量（1Q）的计算4.1直接降落在露天采坑中的降水量（1Q），应有频率的概念，必须进行频率的计算。4.2根据一日最大降水量，通过理论频率的计算，计算直接降落在露天采坑中、不同概率的降水量，见表2、3、4及图1。表2一日最大降水量的计算Table2Calculatedthemaximumprecipitationofoneday次序m年份H（mm）PHHK1K21K经验频率%1001nmP1199597.52.3811.3811.9074.22198472.11.7610.7610.5798.33199360.01.4650.4650.21612.54199856.51.3800.3800.14416.75198954.81.3380.3380.11420.86199151.01.2450.2450.06025.07199046.01.1230.1230.01529.28199644.21.0790.0790.00633.39198342.21.0310.0310.00137.510198837.30.911-0.0890.00841.711198737.00.904-0.0960.00945.812200237.00.904-0.0960.00950.013199235.00.855-0.1450.02154.214199733.50.818-0.1820.03358.315199932.80.801-0.1990.04062.516200332.10.784-0.2160.04766.717198531.90.779-0.2210.04970.818200530.70.750-0.2500.06375.019200026.70.652-0.3480.12179.220199424.00.586-0.4140.17183.321200122.90.559-0.4410.19487.522198622.70.554-0.4460.19991.723200414.00.342-0.6580.43395.8总和941.94.439注：根据满洲里市气象局1983～2005年，连续23年观测的每年一日最大降水量。95.40239.941nHHP23n45.022439.41)1(2nKCV设35.13VSCC，查皮尔逊III型频率曲线φ值表（参考《供水水文地质手册》第二册，地质出版社1977，第666～671页），计算不同频率的一日最大降水量如表3。表3不同频率的一日最大降水量计算Table3Calculatedthemaximumprecipitationforonedayindifferentfrequency频率(%)P1510205080909599100年一遇20年一遇10年一遇5年一遇2年一遇5年一遇10年一遇20年一遇100年一遇3.241.931.340.72-0.22-0.83-1.05-1.18-1.35VC1.460.870.600.32-0.10-0.37-0.47-0.53-0.611VPCK2.461.871.601.320.900.630.530.470.39PPKHH（mm）100.7476.5865.5254.0536.8625.8021.7019.2515.97注：频率为50%的一日最大降水量，相当2年一遇的一日最大降水量，也就是多年平均的一日最大降水量。频率为80%的一日最大降水量，相当5年一遇的枯水年的一日最大降水量。频率为90%的一日最大降水量，相当10年一遇的枯水年的一日最大降水量。频率为95%的一日最大降水量，相当20年一遇的枯水年的一日最大降水量。频率为99%的一日最大降水量，相当100年一遇的枯水年的一日最大降水量。(mm)一日最大降水量频率图1一日最大降水量频率曲线Figure1Frequencycurveofthemaximumprecipitationforonedayindifferentfrequency根据不同频率的一日最大降水量，计算直接降落在露天采坑中的降水量如表4。表4直接降落在露天采坑中的降水量（1Q）Table4Quantityoftherainfallingdownintothepit频率(%)P1510205080909599100年一遇20年一遇10年一遇5年一遇2年一遇5年一遇10年一遇20年一遇100年一遇一日最大降水量H（mm）100.7476.5865.5254.0536.8625.8021.7019.2515.97采坑涌水量1Q（104m3/d）19.0414.4712.3810.226.974.884.103.643.02注：○1南区采坑面积120×104m2，北区采坑面积150×104m2，合计采坑面积F=270×104m2。○2参考地质出版社《水文地质手册》，暴雨地表径流系数值选用0.7。○3一日最大降水形成的采坑涌水量HFQ1。根据上述计算的结果，一日最大降水直接降落在采坑中的水量：100年一遇的是19.0万m3/d；20年一遇的是14.5万m3/d；10年一遇的是12.4万m3/d；5年一遇的是10.2万m3/d；多年平均值是7.0万m3/d。考虑一日最大降水量的观测序列（n）长达23年；但暴雨地表径流系数值选用0.7有较大的误差。参照GB15218-94《地下水资源分类分级标准》，报告计算的一日最大降水直接降落在采坑中的水量（1Q），其精度相当C级，最大误差大体在50%以内。4.3露天开采，应计算地下水涌入采坑的水量和一日最大降水直接降落在采坑中的水量。二者相比，前者水量很小，一般只有后者的1/10～1/100。4.4露天开采，涌入采坑的地下水量和一日最大降水直接降落在采坑中的水量，都是