1、矿井涌水量计算与预测,属地下水动力学的研究范畴： 研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶岩石中运动规律的科学。它是模拟地下水流基本状态和地下水中溶质运移过程，对地下水从数量上和质量上进行定量评价和合理开发利用，以及兴利防害的理论基础。,一、地下水运动的基本特征,1、多孔介质,一般把由固体骨架和空隙两部分组成的介质，叫多孔介质。如砂层、裂隙岩体等。 地下水在多孔介质中的运动，称为渗流。发生渗流的区域称为渗流场。,2、地下水运动假想渗流,渗流是一种假想水流。假想：（1）假想水流的性质（如密度、粘滞性等）和真实地下水相同；（2）假想水流充满含水层的整个空间；（3）假想水流运动时，在任意岩石体积内所受的
2、阻力等于真实水流所受的阻力；（4）通过任断面的流量及任一点的压力或水头均和实际水流相同。,渗流的分类：,3、 地下水运动方式,承压水和潜水含水层地下水运动不同,在承压含水层中抽水水从何来？地面沉降？,稳定流与非稳定流,稳定流：在流体的运动空间内，任一点处流体的速度、压力、密度等运动要素不随 时间而变化的称为稳定流。 p=f(x,y,z) 或 p/t=0 v=f(x,y,z) 或 v/t=0,非稳定流： p=f(x,y,z,t) 或 p/t0 v=f(x,y,z,t) 或 v/t0,法国水力工程师亨利达西(Henry Darcy)在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验，于l856年发现
3、： 渗透流速与水力坡度成正比，即线性渗流定律，这是渗流基本定律，后人称之为达西定律。,二、达西定律层流运动定律,Darcy 实验装置,达西定律层流运动定律,K,K,一、水井的类型 根据水井井径的大小和开凿方法，分为管井和筒井两类。 管井：直径通常小于0.5m，深度大，常用钻机开凿。 筒井：直径大于1m，深度浅，通常用人工开挖。 根据水井揭露的地下水类型，水井分为潜水井和承压水井两类。 根据揭露含水层的程度和进水条件不同，可分为完整井和不完整井两类。,地下水向完整井的稳定运动,世界深井探地工程： 世界上已有20口深度4000米以上的深孔 苏联科拉G-3钻孔深12262米,世界第一超深孔 德国KT
4、B钻孔深9100米,为世界第二超深孔 中国大陆科学钻探江苏省东海县，深度5158米，2001-2005年，投资1.5亿，2005年中国十大科技进展,完整井：水井贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都安装有过滤器，并能全面进水的井。 不完整井：水井没有贯穿整个含水层，只有井底和含水层的部分厚度上能进水的井。如图。,地下水动力学中井的分类,不完整井井周围地下水三维运动！,水向井的运动,潜水向井的运动,承压水向井的运动,井附近的水位降深 1. 水位降深 水位降深：初始水头减去抽水t时间后的水头，也简称降深。抽水时，井中心降深最大，离井越远，降深越小，形成漏斗状水头下降区。,2. 抽水时，地下水能达到稳
5、定运动条件 (1) 在有侧向补给的有限含水层中，当降落漏斗扩展到补给边界后，侧向补给量和抽水量平衡时，地下水向井的运动便可达到稳定状态。 (2) 在有垂向补给的无限含水层中，随着降落漏斗的扩大，垂向补给量不断增大。当它增大到与抽水量相等时，将形成稳定的降落漏斗，地下水向井的运动也进入稳是状态。 (3) 在没有补给的无限含水层中，随着抽水时间的延长，水位降深的速率会越来越小，降落漏斗的扩展越来越慢，在短时间内观测不到明显的水位下降，这种情况称为似稳定状态，也称似稳定。,承压井的Dupuit公式 将含水层视为半径为R的圆形岛状含水层，在R处为定水头H0。 这时，水流有如下特征： 水流为水平径向流，
6、即流线为指向井轴的径向直线，等水头面为以井为共轴的圆柱面，并和过水断面一致； 通过各过水断面的流量处处相等，并等于井的流量。,地下水向承压水井和潜水井的稳定运动,解析法：稳定流公式 圆岛状含水层 影响半径是什么？ 含水层厚度？奥灰400m，都是含水层？ 渗透系数K的不均匀性、各向异性、方向性,对于无限含水层，可以当作似稳定处理，R取从抽水井到明显观测不出水位降深处的径向距离。 但是，对于无限含水层，难以确定R。当有一个观测孔时，可用一个观测孔的水位或降深。 或 同理得，有两个观测孔时 或 此式为Thiem公式。,潜水井的Dupuit公式,有一个观测孔时,有两个观测孔时,Dupuit公式的应用（
7、用途）,(1)确定水文地质参数,根据Dupuit公式，在已知含水层厚度和参数的情况下，只要给出设计的合理降深，既可预报井的开采量；也可按需要的流量，预报开采后的可能降深值。,(2)预报流量或降深,确定岩土的渗透系数K、导水系数T、影响半径R等。,但应注意，利用以上公式预报时，含水层必须有补给源，且能和抽水量平衡，达到稳定流条件；否则，不可能出现稳定流，利用稳定流公式进行预报，所得到的结果是错误的。,用途一：确定水文地质参数,（潜水）,（承压水）,利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的Q及抽水井或观测孔的水位降深S代入各式，可以直接求出K或T。,用途二、预报涌水量,h,s,H,R,例1 有一潜
8、水完整井，其半径为0.1m，含水层厚度为8m，土壤的渗透系数为0.001m/s，抽水时井中水深为3m，试计算井的出流量。,解：H=8 h=3 r=0.1 k=0.001 S= H-h=8-3=5 R=3000SK1/2=3000*5*0.0011/2 =474.3 Q= 1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr) =0.02m3/s,例2：某工程基坑开挖的平面尺寸为长44m，宽22m，坑底标高为-6.0m，自然地面标高为0.00，地势平坦，地下水位为-2m。根据地质钻探资料查明，地面下-2.5m为不透水黏土层，-2.5-9.0m为细砂层。-9.0m以下为砂岩不透水层，所以含水层厚度为6.5
9、m，细砂层渗透系数K=6m/d，试求涌水量 。,解：据题意，细砂含水层为承压水层，厚度M=6.5m 降深s=6-2=4m 抽水影响半径： 基坑假想半径：,用途二、预报涌水量,根据承压完整井涌水量计算公式：,1、解析法（大井法）,大井法 涌水量预测中，把坑道系统所占面积简化为一个圆形的大井，然后应用地下水向井运动的公式预测坑道系统的涌水量。注意： 1) 坑道系统的长度与宽度的比值应小于10。 2) 坑道系统的引用影响半径R0 R0=R+r0,大井法实例,1. 某缓倾斜层状矿床，坑道系统周长630m，不规则多边形长宽比=2.5，影响半径R=900m，渗透系数K=0.2m/d，潜水含水层厚度100m
10、，坑道系统布置在含水层底板，试预测其涌水量。,解：据题意 R=900m K=0.2m/d S=H=100m r0= P/2=630/ 2 =100m R0=R+r0 =1000m,应用潜水完整井公式： Q=1.366K(2H-S)S/lg(R0/r0) =2732m3/d 2. 教材P221,2、水均衡法,水均衡法：详细分析矿区地下水来源，分别计算不同补给来源的矿坑涌水量，总涌水量等于各部分涌水量的总和。计算较复杂，用于计算露天采矿场和不深的地下坑道时。,1）露天采矿场面积上静储量的消耗量,2）采矿场周围降落漏斗范围内的静储量的消耗量,h含水层平均厚度；R疏干时的影响半径给水度或裂隙度L疏干地
11、段的周长,总静储量,水均衡法（续）,动储量：3）直接降落在露天采场内的大气降水q34）采矿场外围降水渗入的水量q4,A年平均降雨量；F1露天采矿场面积；t一年时间；F露天采场外矿区集水面积（降落漏斗范围）地下迳流系数。,F1,F,3、水文地质比拟法,基本思想：类比法。即在同一地区，地质、水文地质条件相同或相似的矿坑其涌水量应是接近的。,用途：根据已有开采地段的实际涌水量预测新开采地段可能的涌水量，从而为疏排水工程的配置提供依据。,涌水量降深面积比拟法问题是否与面积降深呈比例关系,水文地质比拟法,方法一：根据单位涌水量换算矿坑涌水量,实践或试验研究证明，矿坑涌水量与矿坑面积或体积的扩大成正比增加
12、。因此，收集现有生产矿坑排水资料、矿坑面积或体积、水位降低值，即可换算出新的矿坑的涌水量。假定：,Q0已有矿坑总涌水量，m3/d;F0已有矿坑的开采面积，m2;S0已有矿坑的水位减低值，m则已有矿坑单位面积、单位降深的涌水量q0为：,这样，新开采（设计）矿坑的总涌水量即可表示为：,Fnew新开采矿坑的开采面积，m2;Snew新开采矿坑的设计平均水位减低值，m。,水文地质比拟法富水系数法,在一定时期内，从矿坑中排出的水量，与同一时期开采出的矿石重量之比，称为富水系数（KB），即,Q0矿坑排水量，m3/a;P0矿坑的矿石开采量，t/a;,在与上述矿坑地质、水文地质条件和开采条件相同或相似的新开采地
13、段，矿坑的总涌水量为：,Pnew新开采矿坑的设计矿石开采量，t/a.,相关分析法建立在大型放水试验基础上,防治水投入X新增煤产值关系Y,防治水投入2万新增产值60万元,防治水投入4万新增产值80万元,防治水投入8万新增产值120万元,防治水投入16万新增产值？万元,考考你自己？,正确答案,防治水投入X新增煤产值关系Y,防治水投入2万新增产值60万元,防治水投入4万新增产值80万元,防治水投入8万新增产值120万元,防治水投入16万新增产值？万元,考考你自己？,正确答案,井下水量测量方法,1、水沟流速浮标法 Q=0.8FV m3/sec; V=L/t m/sec Q-流量、F-过水断面、V-水沟
14、流速、 L-浮标流经距离、t-浮标流经L距离的时间2、堰测法 三角堰 梯形堰 h-水流流过堰口高度; B-梯形堰堰口底部宽度3、储水池容积法4、水仓水泵观测法,裂隙岩溶水运动的方法,裂隙是岩溶水主要储存空间和渗流通道，按规模和对岩溶水储存渗流所起的作用，可大致划分大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙四种级别。 大裂隙：长度在几十km、落差大于100m贯穿整个矿区的断层，断裂影响带宽，岩溶十分发育，导水性强，构成强岩溶水强径流带，控制着整个矿区岩溶水分布和渗流的总体方向 中裂隙：低序次延伸长度小于10km、落差大于20-30m的中等规模断层)。它们大多数张开性较好，相互沟通，与巨型裂隙连通，有较强导水
15、作用。,小裂隙是指长度几米到几十米、落差小于20m的小断层。分布较为密集，也构成岩溶水的重要储水空间。微裂隙是指隙宽通常小于30-50mm、长度在数米内的裂隙。它们发育密集，连通性较好，对岩块的储水性有较大影响，而对地下水的宏观渗流特征影响不大。按裂隙水运动理论建立大裂隙、中等裂隙水运动模型（裂隙网络运动模型） 按多孔介质渗流理论研究微小裂隙水运动模型（裂隙岩块）,非连续裂隙网络渗流模型,按大裂隙网络中的节点、回路以及独立裂隙为单位每条裂隙建立水流运动方程，组合在一起 ，求出裂隙节点水位以及流量,裂隙岩块等效成多孔介质，建立连续介质渗流模型,主干裂隙裂隙岩块突水管道 三重介质三维渗流模型,主干裂隙裂隙岩块双重介质三维渗流模型,
