1 緒論 

1.1 研究背景及意義
近年來，我國礦業(yè)迅猛發(fā)展，中規(guī)模以上的礦山企業(yè)達到 1.7 萬個，就業(yè)人員 776萬人，隨著開采深度、開采強度、開采速度、開采規(guī)模的增加和擴大，由礦井突水引發(fā)的事故頻繁發(fā)生。礦井一旦突水，將淹沒井巷和礦山設(shè)備，造成大量的人員傷亡和嚴(yán)重的財產(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越復(fù)雜困難，礦井涌水量的預(yù)測結(jié)果常與開采的實際值存在較大偏差。 預(yù)測錯誤的礦井涌水量不僅會影響生產(chǎn)，甚至?xí)斐裳途戎卮蟀踩鹿屎徒?jīng)濟損失。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 個工作面、龍山礦 2 個工作面、田角鋅礦 1 個工作面，共致 81 人死亡，經(jīng)濟損失高達 8000 余萬元。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，因此，準(zhǔn)確地預(yù)測礦坑涌水量并了解地下水動態(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，動態(tài)預(yù)測評價礦井涌水量在不同空間和時間上的變化趨勢顯得尤其重要。 1.1.2 意義 預(yù)測礦井涌水量是礦井建設(shè)生產(chǎn)過程中制定采掘方案、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)測礦井涌水量，對礦井安全生產(chǎn)具有極其重要的現(xiàn)實意義。 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)濟效益。三種方法相結(jié)合能使預(yù)測的結(jié)果更加合理、準(zhǔn)確。 
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
1856 法國工程師達西(Henry Darcy)根據(jù)砂槽實驗提出達西公式，由此開啟了對地下水運動的定量認識（王浩等，2010）。1935 年美國人 C.V.泰斯和數(shù)學(xué)家 C.I.盧賓導(dǎo)出定流量抽水時的單井非穩(wěn)定流計算分式，使井流的研究從穩(wěn)定流進入了非穩(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動的基本微分方程，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)定流問題的電阻網(wǎng)絡(luò)模擬法及用于非穩(wěn)定流問題的電阻-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，應(yīng)用于大降深礦區(qū)時會因地下水流態(tài)的變化而產(chǎn)生較大的誤差并且難以處理潛水問題（龐馮秋等，2009）。1955 年Hantush 和 Jacob 在處理從弱透水層越流補給含水層的水量上對解析法的概念進行了擴展（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)測方法。1964 年 Fiering 等人在求解水流的非線性偏微分方程時應(yīng)用了數(shù)值法，使原本復(fù)雜的問題得到了較大程度的簡化。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、解決實際問題時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)條件六個方面內(nèi)容，重點分析了研究區(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)測礦井涌水量提供了基本依據(jù)。 

2.1 自然地理與社會經(jīng)濟概況
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，在礦區(qū)西側(cè)合二為一。研究區(qū)內(nèi)沒有大的淡水體，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，煙臺-濰坊(206 國道)公路從礦區(qū)南東部通過，礦區(qū)東距榮烏高速公路（G18）招遠-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 社會經(jīng)濟狀況 
區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟發(fā)達，人口較多，勞動力充足。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，已成為本地區(qū)的經(jīng)濟支柱。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、藍莓和小麥、玉米、花生等。工業(yè)以農(nóng)業(yè)機械制造、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。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 ....... 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 ......... 35
4.1 大井法 .......... 35 
4.1.1 預(yù)測計算原則 ..... 35 
4.1.2 涌水量的計算 ..... 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)測結(jié)果分析 ......... 40 
5.1 數(shù)值法預(yù)測結(jié)果分析 ...... 40 
5.2 預(yù)測結(jié)果對比分析 .......... 40 
5.3 本章小結(jié) ...... 40 

5 涌水量預(yù)測結(jié)果分析 

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

5.1 數(shù)值法預(yù)測結(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，本次主要模擬-1400m和-1700m 坑道開采時地下水流場形態(tài)，并預(yù)測兩坑道系統(tǒng)開采時的最大涌水量。-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，計算得出最大涌水量為 12326 m3/d。橫向?qū)Ρ缺?5.1 的預(yù)測結(jié)果，數(shù)值法和大井法預(yù)測的-1700m 中段涌水量大約是各自預(yù)測的-1400m 中段涌水量的 1.4 倍，水文地質(zhì)比擬法預(yù)測的-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)測結(jié)果，在-1400m 中段，水文地質(zhì)比擬法預(yù)測的汛期涌水量最大為 9303.64m3/d，比數(shù)值法和大井法預(yù)測的結(jié)果分別大 471.64m3/d、836.10m3/d；在-1700m 中段，數(shù)值法的預(yù)測結(jié)果最大為 12326m3/d，比大井法預(yù)測的涌水量和水文地質(zhì)比擬法預(yù)測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)計求得，汛期涌水量基本代表水文地質(zhì)比擬法預(yù)測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，通過概化地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件，依據(jù)地下水動力學(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)測紗嶺金礦涌水量，得出以下結(jié)論： 
1、礦坑充水主要來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限邊界承壓含水層。 
2、數(shù)值法和大井法計算的-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)測的-1400m 中段汛期最大涌水量 9303.64m3/d 和數(shù)值法預(yù)測的-1700m 中段涌水量 12326m3/d 作為礦井排水疏干設(shè)計的依據(jù)。 
3、三種方法預(yù)測的涌水量差別不大，各方法優(yōu)勢互補、互相驗證，增強和提高了預(yù)測結(jié)果的客觀性及安全性，既避免了大井法預(yù)測涌水量時因為人為選擇試驗點參數(shù)而導(dǎo)致的偏向于主觀性的結(jié)果，又能夠通過數(shù)值模型細化參數(shù)分區(qū)提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。 
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參考文獻(略)

本文編號：234782