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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/Z 322-2005《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 Table 1 Mine inflow and hydrogeological exploration 矿山类型 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 勘探、核实或检测地质报告预算井涌水量需要提交的精度 | | | | | |
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 对于裂隙水来说，计算的 值一般偏小2～5倍。吉哈尔经验公式 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 ，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 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 =50m3/d，承压水头高度 =64.82m，巷道系统面积 =1800000m2, 承压含水层厚度 =9.09m，砂岩承压含水层渗透系数 =0.0276m/d。巷道系统引用半径 757m，大井引用半径 ，地下水承压转无压裘布衣公式 。将上述数据代入公式， ， ， =3.7062， =5084m， 4327m。 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 =400m3/d，水头高度 =199.55m，巷道长度 =2100m，砂岩厚度 =56.5m,渗透系数 =0.1275m/d，坑道内水层高度 =0m。将上述数据，代入集水廊道单边进水承压转无压的公式 ，求得影响半径 =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（ ）的计算 4.1直接降落在露天采坑中的降水量（ ），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 Table 2 Calculated the maximum precipitation of one day 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。 设 ，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 Table 3 Calculated the maximum precipitation for one day in different frequency 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。 图1 一日最大降水量频率曲线 Figure 1 Frequency curve of the maximum precipitation for one day in different frequency 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（ ） Table 4 Quantity of the rain falling down in to the pit 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 。 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（ ）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GB 15218-94《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（ ），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，都是可能被利用的地下水资源。因此，对上述计算的水量，都应认定它们的精度级别和误差。 4.5选用的暴雨地表径流系数 值，具有较大的误差。最好是根据实测的一日最大降水量和实测的采坑或邻近采坑的积水量，反求暴雨地表径流系数 值。 5 作图法求解矿井的涌水量 5.1可以利用作图法求解矿井涌水量。金属矿床一般具有较大的倾角，开采时，往往有几个甚至几十个不同深度的开采中段。当煤层的倾角较大时，如新疆的准南煤田、内蒙古的贺兰山煤田，也具有较多的开采水平。在这种情况下，可以利用多层实测的开采中段或开采水平的矿井涌水量，采用作图的方法，预测下一个开采中段或开采水平的矿井涌水量。以湖南省沃溪矿区金锑钨矿为例，该矿1～7中段年矿井涌水量41.7万m3/a, 8～16中段年矿井涌水量38.9万m3/a，17～20中段年矿井涌水量36.4万m3/a，21～36中段年矿井涌水量30.2万m3/a，全矿1～36中段年矿井总涌水量为147.2万m3/a。通过作图法，可以预测37～42中段的年矿井涌水量为25.2万m3/a，它的精度大体相当B级（参阅图2）。 图2 作图法求B级矿井涌水量 Figure 2 Calculated mine inflow of B degree using graph method 5.2作图法计算过程简单、直观。由于设计部门对预算的矿井涌水量的精度，要求不是很高，因此，作图法求解的矿井涌水量，一般可以满足设计的要求。 6 含水层突水量的计算 6.1对岩溶含水层的突水量，可以进行粗略的计算。以安徽省涡阳县耿皇煤矿为例，计算石炭系太原统石灰岩的突水量——根据淮北各煤矿的实践，工作面突水面积一般采用工作面的长度a=30m，宽b=15m，坑道系统的大井引用半径 m。利用公式 ， ，以及 ，计算太原统石灰岩地下水的可能突水量为740m3/h。 6.2实际上，这种计算的方法，是把太原统石灰岩的突水，看作是一个半径为11.97m的承压水大井。突水面积采用工作面的长度a=30m，宽b=15m。其宽度，是参考周期来压的长度，是一个具有地方性的经验数字。由于计算采用的突水面积误差很大，参照GB 15218《地下水资源分类分级标准》，上述报告计算的灾变性涌水量，其精度相当D级，误差大体在80%以内。 7 对计算的矿井涌水量进行评述的内容 GB 12719-91《矿区水文地质工程地质勘探规范》4.5.4款，要求对计算的矿井涌水量进行详细的评述。详细评述的内容应包括：1应用的参数，是实测的参数、半实测的参数还是经验的参数，可靠程度如何。单孔抽水试验，其影响半径是经验公式计算的结果，因此，计算的渗透系数属于半实测的参数。大井或集水廊道的影响半径，一般是经验公式计算的结果，属于经验的参数。2矿井涌水量计算的公式是理论公式，还是经验公式。不常见的公式，要说明它的出处。3当地的水文地质条件，是否适合报告使用的稳定流或是非稳定流矿井涌水量计算公式。4计算的结果可能偏大还是可能偏小，理由是甚麽。5参照GB 15218-94《地下水资源分类分级标准》，报告计算的矿井涌水量的精度属于哪个级别，它的误差有多少以及误差的计算方法。6计算的矿井涌水量考虑了哪些充水因素，没有考虑哪些充水因素。7报告提交的矿井涌水量精度，是否可以满足矿山设计的要求。 8 矿井涌水量精度的级别 8.1 地下水可开采量和矿井涌水量，都是地下水资源。参照GB 15218-94《地下水资源分类分级标准》、GB 50027-2001《供水水文地质勘察规范》以及GB/T 17766-1999《固体矿产资源/储量分类》，地下水可开采量和矿井涌水量按勘查研究程度，分为以下5级。地下水资源量与固体矿产资源量不同的是，由于地下水资源具有可以恢复、可以再生的特点，因此，地下水资源量多了一级验证过的资源量： A级——验证过的地下水可开采量、验证过的矿井涌水量 B级——探明的地下水可开采量、探明的矿井涌水量 C级——控制的地下水可开采量、控制的矿井涌水量 D级——推断的地下水可开采量、推断的矿井涌水量 E级——预测的地下水可开采量、预测的矿井涌水量 8.2参照GB 15218-94《地下水资源分类分级标准》，不同的勘查研究程度、不同的计算方法求得的矿井涌水量，可以认定为不同的精度级别。常见的实例如下： A级——开采水平或开采中段不变，开采面积基本不变，经过多年开采实践，利用多年观测的矿井涌水量，预测未来几年的矿井涌水量，属于A级的精度。如即将闭坑或是即将倒闭的矿山预测的矿井涌水量。 B级——具有3个以上开采水平或开采中段的矿山，利用2个或2个以上开采水平或开采中段涌水量观测数据，采用数理统计、相关分析的方法或是采用作图延长曲线的方法，计算的下一个开采水平或开采中段的矿井涌水量，属于B级的精度。 C级——利用第一开采水平或是第一开采中段实测的矿井涌水量，采用水文地质比拟的方法，计算的第二开采水平或是第二开采中段的矿井涌水量；利用邻近水文地质条件近似矿山的矿井涌水量，采用水文地质比拟的方法，计算的矿井涌水量，属于C级的精度。 D级——利用单孔抽水试验求取渗透系数，采用大井法或是集水廊道法计算的矿井涌水量，属于D级的精度。 E级——根据水文地质和气象等条件、根据地下水径流模数、泉水流量，由有经验的水文地质技术人员估计、估算的矿井涌水量，属于E级的精度。 9 矿井涌水量的允许误差 9.1计算的地下水可开采量的精度和计算的矿井涌水量的精度，都分为A、B、C、D、E五级，但同一级别，地下水可开采量允许误差，小于矿井涌水量允许误差，其差值大体有20%。这是因为：1供水对可开采量的保证程度要求较高，一般 农业用水要求保证率为75%，生活用水和工业用水要求保证率为90%，火力发电厂用水要求保证率为97%。而矿井排水量的保证程度要求较低。2计算地下水可开采量，对水位抽降不作严格的限定，而矿井排水则有确定的水位抽降。3供水管井井径有限，井内安装水泵，抽水量和水位抽降受到严格的约束；矿井排水，地下空间较大，利用高压水泵扬水，排水的设计和调整，都比较简便和经济。因此，同一勘查阶段，提交矿井涌水量精度的级别，一般也低于地下水可开采量的级别。如：水源地勘探阶段，以提交B级地下水可开采量为主；固体矿产勘探阶段，则以提交D级矿井涌水量为主。 9.2参照GB 15218-94《地下水资源分类分级标准》、GB 50027-2001《供水水文地质勘察规范》以及GB/T 17766-1999《固体矿产资源/储量分类》，计算的地下水可开采量的允许误差： A——10%； B——20%； C——35%； D——50%； E——80% 计算的矿井涌水量的允许误差： A——10～20%； B——20～40%； C——40～60%； D——60～80%； E——80～90% 9.3允许误差计算的方法，都是以计算值和实测值的差值作分子，计算值和实测值中的大值作分母，再乘以100%。如计算的地下水可开采量或矿井涌水量为3700m3/d，实测的地下水可开采量或是矿井涌水量为2400m3/d，则误差为 ×100%=35%。 9.4考虑计算参数误差的大小、当地水文地质条件与计算公式的适用程度等因素，报告计算的矿井涌水量的允许误差，可以认定在一定的范围以内，如D级的精度，其误差可以认定为60%、70%或80%。 9.5上述的“允许误差”与固体矿产的“精度”互为补数，即若 “允许误差”为30%，“精度”即为70%。“精度”的计算是以计算的固体矿产储量和实际的固体矿产储量中的大值作分母，以计算的固体矿产储量和实际的固体矿产储量中的小值作分子，再乘以100%（参考GB/T 13908-2002《固体矿产地质勘查规范总则》C2款）。 10 水文地质参数和水资源量的有效数字 10.1地下水流量的计量误差有1～3%，因此，以地下水流量为基础，计算的水文地质参数和地下水资源量的有效数字，就不能超过2～3位。根据GB 8170-87《数值修约规则》和GB 15218-94《地下水资源分类分级标准》3.10款的规定，计算的水文地质参数和地下水资源量，修约成2位或3位有效数字。 10.2一个数据只能保留最后一位可疑数字，它是下一位4舍5入进上来的，也就是说，有效数字的最后一位可能有正负1的误差。一个正确表达的数据，可以大体表达出它的误差。2位有效数字：9.9～1.0，它的误差是1%～10%（0.1÷9.9×100%=1.0%；0.1÷1.0×100%=10%）；3位有效数字：9.99～1.00，它的误差是0.1%～1%（0.01÷9.99×100%=0.1%；0.01÷1.00×100%=1.0%）。可以看出，2位有效数字，基本符合计算的水文地质参数和地下水资源量误差的范围。由于预算的矿井涌水量的误差较大，如果选择3位有效数字，则第3位有效数字应该说是多余的。 10.3科学计数——11、2、3、4、5、6、7、8、9是有效数字。2这些数字左侧的0不是有效数字；这些数字右侧的0是有效数字。3科学计数就是小数点前，保留一位有效数字，再乘以10的n次方。例如：2位有效数字的科学计数，就是小数点前保留1位有效数字，小数点前、后保留2位有效数字，再乘以10的n次方。3位有效数字的科学计数，就是小数点前保留1位有效数字，小数点前、后保留3位有效数字，再乘以10的n次方。 10.4由于计算的矿井涌水量误差较大，计算的矿井涌水量应该修约成2位有效数字。如计算的矿井涌水量是18349.76m3/d，修约成2位有效数字，按照科学计数的原则写作1.8×104 m3/d（不甚严格通俗地也可以写作18000m3/d），数字本身说明它可能有1÷18=5.6%的误差，对计算的矿井涌水量来说，有效数字的位数已经足够了。如果修约成3位有效数字，按照科学计数的原则写作1.83×104 m3/d（不甚严格通俗地也可以写作18300m3/d），数字本身说明它可能有1÷183=0.55%的误差，对计算的矿井涌水量来说，可以看出，有效数字的位数是过多了。 参考文献： [1] SL/Z 322-2005《建设项目水资源论证导则（试行）》[S],2005. [2] 钱学溥.娘子关泉水流量几种回归分析的比较[J].工程勘察，1983,(4). [3] 《供水水文地质手册》编写组.供水水文地质手册[M].北京：地质出版社，1977. [4] GB 15218-94《地下水资源分类分级标准》[S],1994. [5] GB 12719-91《矿区水文地质工程地质勘探规范》[S],1991. [6] 安徽省煤田地质局第三地质队.安徽省涡阳县耿皇煤矿详查地质报告[R],2007. [7] GB/T 17766-1999《固体矿产资源/储量分类》[S],1999. [8] GB 8170-87《数值修约规则》[S],1987. Calculating and Discussion of Mine Inflow Qian xuepu (Ministry of the Land and Resources ,Beijing 100812,China) Abstract:The degree of precision,allowable error,effective figure of mine inflow are discussed.Calculated the radius influence conversely,calculated mine inflow using graph method are advanced in this paper. Keywords:mine inflow；exploration；calculate；degree of precision：allowable error；effective figure ____________________________________ 作者简介：钱学溥，生于1932年，男，北京市人，教授级高级工程师，矿产储量评估师。曾任黄河三门峡水利枢纽工程地质队地质队长，长江三峡水利枢纽西陵峡比较坝段技术负责，山西省第一水文地质队总工程师、国家矿产储量管理局副总工程师。主笔GB 15218-94《地下水资源分类分级标准》。
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