發(fā)布時(shí)間：2017-01-05 08:32

1 緒論 

1.1 研究背景及意義
近年來(lái)，我國(guó)礦業(yè)迅猛發(fā)展，中規(guī)模以上的礦山企業(yè)達(dá)到 1.7 萬(wàn)個(gè)，就業(yè)人員 776萬(wàn)人，隨著開采深度、開采強(qiáng)度、開采速度、開采規(guī)模的增加和擴(kuò)大，由礦井突水引發(fā)的事故頻繁發(fā)生。礦井一旦突水，將淹沒(méi)井巷和礦山設(shè)備，造成大量的人員傷亡和嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，基于礦井涌水量研究的礦井防治水是礦井生產(chǎn)與科研中的一項(xiàng)重大課題。隨著采礦業(yè)的發(fā)展，礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度逐漸提高，開采條件也變得越來(lái)越復(fù)雜困難，礦井涌水量的預(yù)測(cè)結(jié)果常與開采的實(shí)際值存在較大偏差。 預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的礦井涌水量不僅會(huì)影響生產(chǎn)，甚至?xí)斐裳途戎卮蟀踩鹿屎徒?jīng)濟(jì)損失。2001 年 7 月 17 日發(fā)生在廣西南丹的“7.17”特大透水事故，淹及拉甲坡礦 3 個(gè)工作面、龍山礦 2 個(gè)工作面、田角鋅礦 1 個(gè)工作面，共致 81 人死亡，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 8000 余萬(wàn)元。2001 年山東省章丘市瑯溝煤礦 11.17 突水事故、2003 年山東省滕州市木石煤礦7.26 特大潰水事故和 2007 年山東華源礦業(yè)公司 8.17 潰水事故分別造成 13 人、35 人和172 人遇難并損失巨額經(jīng)濟(jì)，因此，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)礦坑涌水量并了解地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律是礦井開采的首要工作，在礦井建設(shè)生產(chǎn)的不同階段，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)礦井涌水量在不同空間和時(shí)間上的變化趨勢(shì)顯得尤其重要。 1.1.2 意義 預(yù)測(cè)礦井涌水量是礦井建設(shè)生產(chǎn)過(guò)程中制定采掘方案、疏干措施、防止突水災(zāi)害以及充分利用地下水資源提供重要依據(jù)，科學(xué)地分析預(yù)測(cè)礦井涌水量，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文從紗嶺勘查區(qū)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、礦區(qū)充水因素以及周邊勘查區(qū)的礦井涌水規(guī)律等方面入手，以地下水?dāng)?shù)值模擬軟件 GMS 建立的模型為核心，把預(yù)測(cè)的結(jié)果與水文地質(zhì)比擬法和大井法分析的結(jié)果作對(duì)比，最終確定涌水量，在保證金礦安全生產(chǎn)的前提下提高經(jīng)濟(jì)效益。三種方法相結(jié)合能使預(yù)測(cè)的結(jié)果更加合理、準(zhǔn)確。 
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
1856 法國(guó)工程師達(dá)西(Henry Darcy)根據(jù)砂槽實(shí)驗(yàn)提出達(dá)西公式，由此開啟了對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)的定量認(rèn)識(shí)（王浩等，2010）。1935 年美國(guó)人 C.V.泰斯和數(shù)學(xué)家 C.I.盧賓導(dǎo)出定流量抽水時(shí)的單井非穩(wěn)定流計(jì)算分式，使井流的研究從穩(wěn)定流進(jìn)入了非穩(wěn)定流階段（龐馮秋等，，2009）。1940 年 Jacob 參照熱傳導(dǎo)理論中的方法建立了地下水滲流運(yùn)動(dòng)的基本微分方程，嚴(yán)格地導(dǎo)出了泰斯公式，并得到了貯水系數(shù)的物理解釋。此后，非穩(wěn)定解析法得到了很大的發(fā)展（Carslaw et al，1959；張宏仁等，1992）。 20 世紀(jì) 50 至 60 年代中期，預(yù)測(cè)礦井涌水量的電網(wǎng)絡(luò)模擬方法的應(yīng)用逐漸普及，主要包括用于穩(wěn)定流問(wèn)題的電阻網(wǎng)絡(luò)模擬法及用于非穩(wěn)定流問(wèn)題的電阻-電容模擬法和電阻-電阻模擬法。電網(wǎng)絡(luò)模擬法能適應(yīng)各種復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，對(duì)具有多層結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)條件的礦區(qū)有明顯的優(yōu)越性，但該方法制作周期較長(zhǎng)，應(yīng)用于大降深礦區(qū)時(shí)會(huì)因地下水流態(tài)的變化而產(chǎn)生較大的誤差并且難以處理潛水問(wèn)題（龐馮秋等，2009）。1955 年Hantush 和 Jacob 在處理從弱透水層越流補(bǔ)給含水層的水量上對(duì)解析法的概念進(jìn)行了擴(kuò)展（Anon，1989）。1959 年 Carslaw 和 Jaeger 在自己的著作中收編了能在大多數(shù)情況下直接應(yīng)用于求解礦井涌水量的熱流表達(dá)式，1962-1964 年 Polu-barinova-Kochina 和Hantush 等人也分別在自己的著作中論述了以上涌水量預(yù)測(cè)方法。1964 年 Fiering 等人在求解水流的非線性偏微分方程時(shí)應(yīng)用了數(shù)值法，使原本復(fù)雜的問(wèn)題得到了較大程度的簡(jiǎn)化。1965 年斯托爾曼把數(shù)值方法引入到地下水水文學(xué)，從這開始推廣了數(shù)值法在水文學(xué)方面的應(yīng)用。數(shù)值法因其能綜合考慮較多的影響因素、解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)具有較高的精度而倍受水文界人士的青睞（黃建華，2001；李俊亭，1989；王國(guó)利，1991）。 
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2 研究區(qū)域概況 

本章主要包括研究區(qū)的自然地理與社會(huì)概況、地質(zhì)環(huán)境、水文地質(zhì)、礦井充水因素和相鄰礦區(qū)水文地質(zhì)條件六個(gè)方面內(nèi)容，重點(diǎn)分析了研究區(qū)的地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和礦井的充水因素，為預(yù)測(cè)礦井涌水量提供了基本依據(jù)。 

2.1 自然地理與社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況
研究區(qū)位于萊州市北東部，距離萊州市區(qū)直線距離約 27km，行政區(qū)劃分屬萊州市金城鎮(zhèn)與朱橋鎮(zhèn)，地勢(shì)東高西低，地面標(biāo)高最低+9.30m，最高+21.80m。具有海洋和內(nèi)陸氣候特征，屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，晝夜溫差較小，四季分明。區(qū)域有朱橋河和滾龍河兩條季節(jié)性河流，分別從礦區(qū)南西部和中部通過(guò)，在礦區(qū)西側(cè)合二為一。研究區(qū)內(nèi)沒(méi)有大的淡水體，主要地表水體是蓄水平塘，蓄水量較少，礦區(qū)北西距離渤海海岸的最近點(diǎn)約 5.3km。研究區(qū)地理位置見圖 2.1。 礦井勘查區(qū)北起南呂北西、南至后陳北，工作范圍南北長(zhǎng)約 4km，東西寬約 1.8km，極值地理坐標(biāo)為：東經(jīng) 120°04′28″-120°05′58″，北緯 37°22′31″-37°24′46″，面積 6.65km2。文登-三山島公路從北部礦區(qū)通過(guò)，煙臺(tái)-濰坊(206 國(guó)道)公路從礦區(qū)南東部通過(guò)，礦區(qū)東距榮烏高速公路（G18）招遠(yuǎn)-三山島出口約 16km，西距萊州新建港口 10km，北距龍口港 35km，北東距龍口火車站 32km，水陸交通極為方便，研究區(qū)位置如圖 2.1。 
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2.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況 
區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口較多，勞動(dòng)力充足。工作區(qū)東部及北東部大、中型金礦礦山密布，有新城、焦家、河?xùn)|、河西、望兒山、紅布、東季、馬塘等金礦礦山，巖金礦開采業(yè)發(fā)達(dá)，已成為本地區(qū)的經(jīng)濟(jì)支柱。區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以果業(yè)和種植業(yè)為主，主要有蘋果、梨、藍(lán)莓和小麥、玉米、花生等。工業(yè)以農(nóng)業(yè)機(jī)械制造、農(nóng)副產(chǎn)品和海產(chǎn)品加工業(yè)為主，近海捕撈及海產(chǎn)品養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)。工作區(qū)北東約37km的龍口電廠，年發(fā)電量為60億千瓦。礦區(qū)東部有專門為礦山生產(chǎn)、生活供電的 11 萬(wàn)伏變電站一處。  
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3 基于數(shù)值模擬的涌水量預(yù)測(cè) ....... 23 
3.1 地質(zhì)模型 ...... 23 
3.2 水文地質(zhì)概念模型 .......... 24 
3.2.1 含水層概化 ......... 24 
3.2.2 含水層之間水力聯(lián)系 ............. 26 
3.2.3 水文地質(zhì)概念模型 ....... 26 
3.3 數(shù)學(xué)模型 ...... 28 
3.4 數(shù)值模型 ...... 29
3.5 模型預(yù)測(cè)結(jié)果 ........ 32 
3.6 本章小結(jié) ...... 34 
4 基于大井法和水文地質(zhì)比擬法的涌水量預(yù)測(cè) ......... 35
4.1 大井法 .......... 35 
4.1.1 預(yù)測(cè)計(jì)算原則 ..... 35 
4.1.2 涌水量的計(jì)算 ..... 35 
4.2 水文地質(zhì)比擬法 .... 37 
4.3 本章小結(jié) ...... 39 
5 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果分析 ......... 40 
5.1 數(shù)值法預(yù)測(cè)結(jié)果分析 ...... 40 
5.2 預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析 .......... 40 
5.3 本章小結(jié) ...... 40 

5 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果分析 

本章主要包括分析數(shù)值法預(yù)測(cè)的涌水量并與其他兩種方法預(yù)測(cè)的涌水量對(duì)比分析兩部分內(nèi)容。

5.1 數(shù)值法預(yù)測(cè)結(jié)果分析 

礦井開采后在采區(qū)附近形成漏斗區(qū)域，地下水向開采區(qū)流動(dòng)，本次主要模擬-1400m和-1700m 坑道開采時(shí)地下水流場(chǎng)形態(tài)，并預(yù)測(cè)兩坑道系統(tǒng)開采時(shí)的最大涌水量。-1400m坑道開采后礦區(qū)范圍內(nèi)的下盤弱富水含水層水位降低到-1400m 以下，礦區(qū)最大涌水量為 8832m3/d。 -1700m 坑道開采后南北兩主礦體處的下盤弱富水含水層水位降低到-1700m 以下，形成漏斗區(qū)域，計(jì)算得出最大涌水量為 12326 m3/d。橫向?qū)Ρ缺?5.1 的預(yù)測(cè)結(jié)果，數(shù)值法和大井法預(yù)測(cè)的-1700m 中段涌水量大約是各自預(yù)測(cè)的-1400m 中段涌水量的 1.4 倍，水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)的-1700m 中段涌水量大約是-1400m 中段涌水量的 1.1 倍。 縱向?qū)Ρ缺?5.1 的預(yù)測(cè)結(jié)果，在-1400m 中段，水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)的汛期涌水量最大為 9303.64m3/d，比數(shù)值法和大井法預(yù)測(cè)的結(jié)果分別大 471.64m3/d、836.10m3/d；在-1700m 中段，數(shù)值法的預(yù)測(cè)結(jié)果最大為 12326m3/d，比大井法預(yù)測(cè)的涌水量和水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)的汛期涌水量分別大 578.29m3/d，2143.25m3/d。水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)的汛期涌水量是日常涌水量的 1.26 倍，系數(shù) 1.26 由多年礦坑涌水量統(tǒng)計(jì)求得，汛期涌水量基本代表水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)的礦坑可能的最大涌水量。

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結(jié)論 

本文在分析礦區(qū)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及其他勘察資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)概化地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件，依據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)中揭示的規(guī)律使用數(shù)值法、大井法和水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)紗嶺金礦涌水量，得出以下結(jié)論： 
1、礦坑充水主要來(lái)自于下盤弱富水含水層地下水，由于中間隔水帶和底板二長(zhǎng)花崗巖的隔水作用使該層具有承壓性，將該含水層其視為水平分布無(wú)限邊界承壓含水層。 
2、數(shù)值法和大井法計(jì)算的-1400m 中段涌水量分別 8832m3/d、8467.54m3/d，-1700m中段涌水量分別 12326m3/d、11747.71m3/d；水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)的-1400m、-1700m 中段日常涌水量分別為 7383.84m3/d、8081.55m3/d，汛期涌水量分別為 9303.64m3/d、10182.75m3/d。三種方法預(yù)測(cè)的涌水量各不相同，為了保證金礦安全生產(chǎn)，選擇水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)的-1400m 中段汛期最大涌水量 9303.64m3/d 和數(shù)值法預(yù)測(cè)的-1700m 中段涌水量 12326m3/d 作為礦井排水疏干設(shè)計(jì)的依據(jù)。 
3、三種方法預(yù)測(cè)的涌水量差別不大，各方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互相驗(yàn)證，增強(qiáng)和提高了預(yù)測(cè)結(jié)果的客觀性及安全性，既避免了大井法預(yù)測(cè)涌水量時(shí)因?yàn)槿藶檫x擇試驗(yàn)點(diǎn)參數(shù)而導(dǎo)致的偏向于主觀性的結(jié)果，又能夠通過(guò)數(shù)值模型細(xì)化參數(shù)分區(qū)提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：234782