矿井用水量的计算与评述

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，不仅是水利部

2、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 疏干开采矿山大水矿山中

3、水矿山小水矿山矿井涌水量 （md）具有10年以上观测资料大于500005000500005005000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要计算方法作图法、数理统计数值法、数理统计比拟法、解析法 加水均衡计算、 作图法比拟法、解析法、作图法比拟法、解析 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ABB、CB、C、DD、E注：Q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

4、产的矿山，即是这种多年生产的矿山。Q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。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1/33/4,持续抽水几十天。Q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。Q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。Q数值法也就是

5、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。Q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

6、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R = 2HK 对于R值一般偏小25倍。吉哈尔经验公式R = 10K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R，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

7、R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Q =50m3/d，承压水头高度H =

8、64.82m，巷道系统面积F =180000002,承压含水层厚度M =9.09m, 砂岩承压含水层渗透系数 0K =0.0276m/d。巷道系统引用半径r =,：Fo = 757m，大井引用半径R = R + r , 0，兀00地下水承压转无压裘布衣公式Q = 1.366K(2H M)M。将上述数据代入公式， lg R0 -lg r050 =技66 x 0.0276(2 x些-9.9) x 9.9，50 =4顷=3.7062，lgR0 - lg757lgR0 - 2.880R0=5084m，R = 5084 - 757 = 4327m。利用反求的影响半径4327m，采用大井法公式，可以预算宏

9、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Q =400m3/d，水头高度H =199.55m，巷道长度B =2100m，砂岩厚度M =56.5m,渗透系数K =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Q = BK (2H - MRM -代，求R =6479m。3.7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(q p的计算4.1直接降落在露天采坑中的降水量(Qp，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

10、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次序m年份H(mm)K = HHPK -1(K-1经验频率P = - x 100% n +11199597.52.3811.3811.9074.22198472.11.7610.7610.5798.33199360.01.4650.4650.21612.54199856.51.3800.3800.14416.75198954.81.3380.3380.11420.86

11、199151.01.2450.2450.06025.07199046.01.1230.1230.01529.28199644.21.0790.0790.00633.39198342.21.0310.0310.00137.510198837.30.911-0.0890.00841.711198737.00.904-0.0960.00945.812200237.00.904-0.0960.00950.013199235.00.855-0.1450.02154.214199733.50.818-0.1820.03358.315199932.80.801-0.1990.04062.516200332.

12、10.784-0.2160.04766.717198531.90.779-0.2210.04970.818200530.70.750-0.2500.06375.019200026.70.652-0.3480.12179.220199424.00.586-0.4140.17183.321200122.90.559-0.4410.19487.522198622.70.554-0.4460.19991.723200414.00.342-0.6580.43395.8总和941.94.439TTH941.9He =P n 23=40.95n = 23,S( K -1)2.4.439 n -122=0.4

13、5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。设Cs = 3q=1.35，查皮尔逊III型频率曲线值表（参考供水水文地质 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 dayin different frequency频率P(%)1510205080909599100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43.241.9

14、31.340.72-0.22-0.83-1.05-1.18-1.35怔v1.460.870.600.32-0.10-0.37-0.47-0.53-0.61Kp Cv +12.461.871.601.320.900.630.530.470.39H = Hp x Kp(mm)100.7476.5865.5254.0536.8625.8021.7019.2515.97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

15、。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。频率I图1 一日最大降水量频率曲线Figure 1 Frequency curve of the maximum precipitation for one dayin 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(Q1)Table 4 Quantity of the rain falling down in to the pit频率P(%)15102

16、05080909599100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H (mm)100.7476.5865.5254.05s6.8625.8021.7019.2515.97采坑涌水量Q (104 ms/d)19.0414.4712.s810.226.974.884.10s.64s.02注：Q南区采坑面积120X 104m2，北区采坑面积150X 104m2，合计采坑面积F=2 70X 104m2。Q 参考地质出版社水文地质手册，暴雨地表径流系数a值选用0.7。一日最大降水形成 的采坑涌水量q广f x H xa。根据上述计

17、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ms/d； 20年一遇的是14.5万ms/d； 10年一遇的是12.4万ms/d； 5 年一遇的是10.2万ms/d；多年平均值是7.0万ms/d。考虑一日最大降水量的观测序列()长达2s年；但暴雨地表径流系数a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（Q 1），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1/101/10

18、0。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a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a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

19、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, 816中段年矿井涌水量38.9万ms/a，17 20中段年矿井涌水量36.4万ms/a，2136中段年矿井涌水量30.2万ms/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）。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。

20、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一一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 i=30m，宽b=15m，坑道系统的大井引用半径R = 10S、K，以及区.-30 x15 =11.97 m。利用公式 Q = 2.73竺，0、，兀、兀Rlg or0R0 = R +。，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

21、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：Q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

22、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。Q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。Q 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。Q计算的结果可能偏大还是可能偏小，理由是甚麽。Q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。Q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。Q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

23、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级一一推断的地下水可开采量、推断的矿井涌水量 E级一一预测的地下水可开采量、预测的矿井涌水量8.2参照GB 1

24、5218-94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级一一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级一一具有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级一一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

25、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级一一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级一一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%。

26、这是因为：。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。G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。Q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

27、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：A10 20%； B20 40%； C40 60%； D60 80%； E8090%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 3700ms/d，实测的地下水可开采量或是矿井涌水量为2400ms/d，则误差为3700 24003

28、700X100%=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

29、误差有13%，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23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：9.91.0，它的误差是1%10% （0.1：9.9 X100%=1.0%； 0.1：1.0X100%=10%）； 3 位有效数字：9.991.00，

30、它的误差是 0.1%1%（0.01：9.99X 100%=0.1%； 0.01 -F1.00X 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Q1、2、3、4、5、6、7、8、9是有效数字。Q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。Q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1.8X104 m3/d （不甚严格通俗