1、1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，
2、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 多年生产的矿山特大涌水矿山疏干开采矿山大
3、水矿山 中水矿山 小水矿山矿井涌水量（m 3/d）具有 10 年以上观测资料大于 50000 500050000 5005000 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15 组，群孔抽水试验 1 组多孔抽水试验15 组单孔抽水试验 15 孔不一定需要进行抽水试验涌水量的主 作图法、 数值法、 比拟法、解析 比拟法、 比拟法、解析2要计算方法 数理统计 数理统计 法加水均衡计算、作图法解析法、作图法法、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A B B、C B、C、D D 、E注： 多年生产的矿山是指：开采水平不变、开采面积基本不
4、变的多年生产的矿山， 1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。 多孔抽水试验，是指带观 2测孔的一个抽水主孔的抽水试验，持续抽水几天。 群孔抽水试验是指带观测孔的多个抽 3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 1/33/4，持续抽水几十天。 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 4水廊道法就是常用的解析法。 数理统计包括一元线性回归、多元线性回归、逐步回归、 5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
5、量、降水量等作为自变量，把矿井涌水量作为因变量。 数值法也就是计算机模拟，是通过利 6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。 常用的大井法、集水廊 7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
6、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。33 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HKSR2R25 倍。吉哈尔经验公式 对承压水含水层，可以作近似的计算，但10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 26
7、8 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R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
8、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QH统面积 =1800000m2, 承压含水层厚度 =9.09m， 砂岩承压含水层渗透系数0FM=0.0276m/d。巷道系统引用半径 757m，大井引用半径 ，K0Fr 00rR地下水承压转无压裘布衣公式 。将上述数据代入公式， 0lg)2(36.1rRKQ， ， =3.7062，75lg9.)0.8264(0.36.15R8.2l314500lgR=5084m， 4327m。0R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
9、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QHB=56.5m,渗透系数 =0.1275m/d，坑道内水层高度 =0m。将上述数据，代入MK0h4集水廊道单边进水承压转无压的公式 ，求得影响半径RhMHBKQ2)(20=6479m。R3.7 长期开采条件下，承压水影响半径一般有 3000m5000m7000m。4 直接降落在露天采坑中的降水量（ ）的计算1Q4.1 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
10、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次序m年份 H（mm） PK12K经验频率 %10nmP1 1995 97.5 2.381 1.381 1.907 4.22 1984 72.1 1.761 0.761 0.579 8.33 1993 60.0 1.465 0.465 0.216 12.54 1998 56.5 1.380 0.380 0.144 16.75 1989 54.8 1.338 0.338 0.114 20.86 1
11、991 51.0 1.245 0.245 0.060 25.07 1990 46.0 1.123 0.123 0.015 29.28 1996 44.2 1.079 0.079 0.006 33.39 1983 42.2 1.031 0.031 0.001 37.510 1988 37.3 0.911 -0.089 0.008 41.711 1987 37.0 0.904 -0.096 0.009 45.812 2002 37.0 0.904 -0.096 0.009 50.013 1992 35.0 0.855 -0.145 0.021 54.214 1997 33.5 0.818 -0.1
12、82 0.033 58.315 1999 32.8 0.801 -0.199 0.040 62.5516 2003 32.1 0.784 -0.216 0.047 66.717 1985 31.9 0.779 -0.221 0.049 70.818 2005 30.7 0.750 -0.250 0.063 75.019 2000 26.7 0.652 -0.348 0.121 79.220 1994 24.0 0.586 -0.414 0.171 83.321 2001 22.9 0.559 -0.441 0.194 87.522 1986 22.7 0.554 -0.446 0.199 91
13、.723 2004 14.0 0.342 -0.658 0.433 95.8总和 941.9 4.439注：根据满洲里市气象局 19832005 年，连续 23 年观测的每年一日最大降水量。95.40231nHP 23n 45.0239.1)(nKCV设 ，查皮尔逊 III 型频率曲线 值表（参考供水水文地.VSC质手册第二册，地质出版社 1977，第 666671 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 freq
14、uency1 5 10 20 50 80 90 95 99频率 (%)P100 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3.24 1.93 1.34 0.72 -0.22-0.83-1.05-1.18-1.35VC1.46 0.87 0.60 0.32 -0.10-0.37-0.47-0.53-0.611PK2.46 1.87 1.60 1.32 0.90 0.63 0.53 0.47 0.39（PHmm）100.74 76.5865.5254.0536.8625.8021.7019.2515.97注：频率为 50%的一日最大降水量，相
15、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6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。(m)一日最大降水量 频 率图 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 frequen
16、cy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（ ） 1QTable 4 Quantity of the rain falling down in to the pit1 5 10 20 50 80 90 95 99频率 (%)P100 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（mm）H100.74 76.58 65.52 54.05 36.86 25.80 21.70 19.25 15.97采坑涌水量（10 4 m3/d）1Q19.04 14.47 12.
17、38 10.22 6.97 4.88 4.10 3.64 3.02注： 南区采坑面积 120104m2，北区采坑面积 150104m2，合计采坑面积 1F=270104m2。 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。 2 一日最大降水形成的采坑涌水量 。 3 HFQ17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
18、；但暴雨地表径流系数n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，1Q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 1/101/100。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
19、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 17 中段年矿井涌水量 41.7 万 m3/a, 816 中段年矿井涌水量 38.9 万m3/a，1720 中段年矿井涌水量 36.4 万 m3/a，2136 中段年矿井涌
20、水量 30.2万 m3/a，全矿 136 中段年矿井总涌水量为 147.2 万 m3/a。通过作图法，可以预测 3742 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） 。8ma图 2 作图法求 B 级矿井涌水量Figure 2 Calculated mine inflow of B degree using graph method5.2 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
21、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97.15300abr 0lg73.2rRKMSQKS10，计算太原统石灰岩地下水的可能突水量为 740m3/h。00rR6.2 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
22、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： 应用的参数，是实测 1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9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。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 2它的出处。 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 3矿井涌
23、水量计算公式。 计算的结果可能偏大还是可能偏小，理由是甚麽。 4参照 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 5度属于哪个级别，它的误差有多少以及误差的计算方法。 计算的矿井涌水量 6考虑了哪些充水因素，没有考虑哪些充水因素。 报告提交的矿井涌水量精度， 7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，
24、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
25、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。10C 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
26、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： 供水对可开采量的保证程度要 1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。计算地下水可
27、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 2水位抽降。 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 3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：A10%；B20%；C35%；D50%；E80%计算的矿井涌水量的允许误差：A1020%；B2040%；
