纱岭金矿涌水量分析与预测

发布时间：2017-01-05 08:32

1 绪论 

1.1 研究背景及意义
近年来，我国矿业迅猛发展，中规模以上的矿山企业达到 1.7 万个，就业人员 776万人，随着开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大，由矿井突水引发的事故频繁发生。矿井一旦突水，将淹没井巷和矿山设备，造成大量的人员伤亡和严重的财产损失，基于矿井涌水量研究的矿井防治水是矿井生产与科研中的一项重大课题。随着采矿业的发展，矿井水文地质条件复杂程度逐渐提高，开采条件也变得越来越复杂困难，矿井涌水量的预测结果常与开采的实际值存在较大偏差。 预测错误的矿井涌水量不仅会影响生产，甚至会造成淹井等重大安全事故和经济损失。2001 年 7 月 17 日发生在广西南丹的“7.17”特大透水事故，淹及拉甲坡矿 3 个工作面、龙山矿 2 个工作面、田角锌矿 1 个工作面，共致 81 人死亡，经济损失高达 8000 余万元。2001 年山东省章丘市琅沟煤矿 11.17 突水事故、2003 年山东省滕州市木石煤矿7.26 特大溃水事故和 2007 年山东华源矿业公司 8.17 溃水事故分别造成 13 人、35 人和172 人遇难并损失巨额经济，因此，准确地预测矿坑涌水量并了解地下水动态变化规律是矿井开采的首要工作，在矿井建设生产的不同阶段，动态预测评价矿井涌水量在不同空间和时间上的变化趋势显得尤其重要。 1.1.2 意义 预测矿井涌水量是矿井建设生产过程中制定采掘方案、疏干措施、防止突水灾害以及充分利用地下水资源提供重要依据，科学地分析预测矿井涌水量，对矿井安全生产具有极其重要的现实意义。 本文从纱岭勘查区地质条件、水文地质条件、矿区充水因素以及周边勘查区的矿井涌水规律等方面入手，以地下水数值模拟软件 GMS 建立的模型为核心，把预测的结果与水文地质比拟法和大井法分析的结果作对比，最终确定涌水量，在保证金矿安全生产的前提下提高经济效益。三种方法相结合能使预测的结果更加合理、准确。 
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1.2 国内外研究现状 
1856 法国工程师达西(Henry Darcy)根据砂槽实验提出达西公式，由此开启了对地下水运动的定量认识（王浩等，2010）。1935 年美国人 C.V.泰斯和数学家 C.I.卢宾导出定流量抽水时的单井非稳定流计算分式，使井流的研究从稳定流进入了非稳定流阶段（庞冯秋等，，2009）。1940 年 Jacob 参照热传导理论中的方法建立了地下水渗流运动的基本微分方程，严格地导出了泰斯公式，并得到了贮水系数的物理解释。此后，非稳定解析法得到了很大的发展（Carslaw et al，1959；张宏仁等，1992）。 20 世纪 50 至 60 年代中期，预测矿井涌水量的电网络模拟方法的应用逐渐普及，主要包括用于稳定流问题的电阻网络模拟法及用于非稳定流问题的电阻-电容模拟法和电阻-电阻模拟法。电网络模拟法能适应各种复杂的水文地质条件，对具有多层结构水文地质条件的矿区有明显的优越性，但该方法制作周期较长，应用于大降深矿区时会因地下水流态的变化而产生较大的误差并且难以处理潜水问题（庞冯秋等，2009）。1955 年Hantush 和 Jacob 在处理从弱透水层越流补给含水层的水量上对解析法的概念进行了扩展（Anon，1989）。1959 年 Carslaw 和 Jaeger 在自己的著作中收编了能在大多数情况下直接应用于求解矿井涌水量的热流表达式，1962-1964 年 Polu-barinova-Kochina 和Hantush 等人也分别在自己的著作中论述了以上涌水量预测方法。1964 年 Fiering 等人在求解水流的非线性偏微分方程时应用了数值法，使原本复杂的问题得到了较大程度的简化。1965 年斯托尔曼把数值方法引入到地下水水文学，从这开始推广了数值法在水文学方面的应用。数值法因其能综合考虑较多的影响因素、解决实际问题时具有较高的精度而倍受水文界人士的青睐（黄建华，2001；李俊亭，1989；王国利，1991）。 
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2 研究区域概况 

本章主要包括研究区的自然地理与社会概况、地质环境、水文地质、矿井充水因素和相邻矿区水文地质条件六个方面内容，重点分析了研究区的地质条件、水文地质条件和矿井的充水因素，为预测矿井涌水量提供了基本依据。 

2.1 自然地理与社会经济概况
研究区位于莱州市北东部，距离莱州市区直线距离约 27km，行政区划分属莱州市金城镇与朱桥镇，地势东高西低，地面标高最低+9.30m，最高+21.80m。具有海洋和内陆气候特征，属暖温带季风区大陆性气候，昼夜温差较小，四季分明。区域有朱桥河和滚龙河两条季节性河流，分别从矿区南西部和中部通过，在矿区西侧合二为一。研究区内没有大的淡水体，主要地表水体是蓄水平塘，蓄水量较少，矿区北西距离渤海海岸的最近点约 5.3km。研究区地理位置见图 2.1。 矿井勘查区北起南吕北西、南至后陈北，工作范围南北长约 4km，东西宽约 1.8km，极值地理坐标为：东经 120°04′28″-120°05′58″，北纬 37°22′31″-37°24′46″，面积 6.65km2。文登-三山岛公路从北部矿区通过，烟台-潍坊(206 国道)公路从矿区南东部通过，矿区东距荣乌高速公路（G18）招远-三山岛出口约 16km，西距莱州新建港口 10km，北距龙口港 35km，北东距龙口火车站 32km，水陆交通极为方便，研究区位置如图 2.1。 
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2.2 社会经济状况 
区域内经济发达，人口较多，劳动力充足。工作区东部及北东部大、中型金矿矿山密布，有新城、焦家、河东、河西、望儿山、红布、东季、马塘等金矿矿山，岩金矿开采业发达，已成为本地区的经济支柱。区内农业生产以果业和种植业为主，主要有苹果、梨、蓝莓和小麦、玉米、花生等。工业以农业机械制造、农副产品和海产品加工业为主，近海捕捞及海产品养殖业发达。工作区北东约37km的龙口电厂，年发电量为60亿千瓦。矿区东部有专门为矿山生产、生活供电的 11 万伏变电站一处。  
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3 基于数值模拟的涌水量预测 ....... 23 
3.1 地质模型 ...... 23 
3.2 水文地质概念模型 .......... 24 
3.2.1 含水层概化 ......... 24 
3.2.2 含水层之间水力联系 ............. 26 
3.2.3 水文地质概念模型 ....... 26 
3.3 数学模型 ...... 28 
3.4 数值模型 ...... 29
3.5 模型预测结果 ........ 32 
3.6 本章小结 ...... 34 
4 基于大井法和水文地质比拟法的涌水量预测 ......... 35
4.1 大井法 .......... 35 
4.1.1 预测计算原则 ..... 35 
4.1.2 涌水量的计算 ..... 35 
4.2 水文地质比拟法 .... 37 
4.3 本章小结 ...... 39 
5 涌水量预测结果分析 ......... 40 
5.1 数值法预测结果分析 ...... 40 
5.2 预测结果对比分析 .......... 40 
5.3 本章小结 ...... 40 

5 涌水量预测结果分析 

本章主要包括分析数值法预测的涌水量并与其他两种方法预测的涌水量对比分析两部分内容。

5.1 数值法预测结果分析 

矿井开采后在采区附近形成漏斗区域，地下水向开采区流动，本次主要模拟-1400m和-1700m 坑道开采时地下水流场形态，并预测两坑道系统开采时的最大涌水量。-1400m坑道开采后矿区范围内的下盘弱富水含水层水位降低到-1400m 以下，矿区最大涌水量为 8832m3/d。 -1700m 坑道开采后南北两主矿体处的下盘弱富水含水层水位降低到-1700m 以下，形成漏斗区域，计算得出最大涌水量为 12326 m3/d。横向对比表 5.1 的预测结果，数值法和大井法预测的-1700m 中段涌水量大约是各自预测的-1400m 中段涌水量的 1.4 倍，水文地质比拟法预测的-1700m 中段涌水量大约是-1400m 中段涌水量的 1.1 倍。 纵向对比表 5.1 的预测结果，在-1400m 中段，水文地质比拟法预测的汛期涌水量最大为 9303.64m3/d，比数值法和大井法预测的结果分别大 471.64m3/d、836.10m3/d；在-1700m 中段，数值法的预测结果最大为 12326m3/d，比大井法预测的涌水量和水文地质比拟法预测的汛期涌水量分别大 578.29m3/d，2143.25m3/d。水文地质比拟法预测的汛期涌水量是日常涌水量的 1.26 倍，系数 1.26 由多年矿坑涌水量统计求得，汛期涌水量基本代表水文地质比拟法预测的矿坑可能的最大涌水量。

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结论 

本文在分析矿区地质条件、水文地质条件及其他勘察资料的基础上，通过概化地质条件及水文地质条件，依据地下水动力学中揭示的规律使用数值法、大井法和水文地质比拟法预测纱岭金矿涌水量，得出以下结论： 
1、矿坑充水主要来自于下盘弱富水含水层地下水，由于中间隔水带和底板二长花岗岩的隔水作用使该层具有承压性，将该含水层其视为水平分布无限边界承压含水层。 
2、数值法和大井法计算的-1400m 中段涌水量分别 8832m3/d、8467.54m3/d，-1700m中段涌水量分别 12326m3/d、11747.71m3/d；水文地质比拟法预测的-1400m、-1700m 中段日常涌水量分别为 7383.84m3/d、8081.55m3/d，汛期涌水量分别为 9303.64m3/d、10182.75m3/d。三种方法预测的涌水量各不相同，为了保证金矿安全生产，选择水文地质比拟法预测的-1400m 中段汛期最大涌水量 9303.64m3/d 和数值法预测的-1700m 中段涌水量 12326m3/d 作为矿井排水疏干设计的依据。 
3、三种方法预测的涌水量差别不大，各方法优势互补、互相验证，增强和提高了预测结果的客观性及安全性，既避免了大井法预测涌水量时因为人为选择试验点参数而导致的偏向于主观性的结果，又能够通过数值模型细化参数分区提高预测结果的准确性。 
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参考文献(略)

本文编号：234782