建筑石料用灰?guī)r礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法研究

［摘要］傳統(tǒng)的灰?guī)r礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)，導(dǎo)致涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值誤差較大，因此需設(shè)計(jì)一種建筑石料用灰?guī)r礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法。通過(guò)綜合分析地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及開(kāi)采技術(shù)等因素，選取合適的礦坑邊界，并劃分預(yù)算層位。在此基礎(chǔ)上，建立預(yù)測(cè)區(qū)水文地質(zhì)模型，利用該模型進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)。最后，確定關(guān)鍵參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦坑涌水量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)方法下的涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果為3595.71 m3/d，與標(biāo)準(zhǔn)值誤差小于5 m3/d，說(shuō)明該方法更準(zhǔn)確，具有實(shí)用性。

［關(guān)鍵詞］建筑石料；灰?guī)r礦；礦坑；涌水量；預(yù)測(cè)

礦坑涌水量預(yù)測(cè)是確保礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。準(zhǔn)確的涌水量預(yù)測(cè)可以幫助礦山企業(yè)制定科學(xué)的排水方案，預(yù)防水害事故的發(fā)生，從而保障礦工的生命安全。同時(shí)，預(yù)測(cè)礦坑涌水量還有助于評(píng)估礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境影響，為礦山的可持續(xù)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。通過(guò)掌握礦坑涌水規(guī)律，可以采取有針對(duì)性的措施來(lái)減少涌水對(duì)周邊環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)礦山的綠色可持續(xù)發(fā)展[1]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在建筑石料用灰?guī)r礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法上取得了一定的研究成果。然而，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中仍存在諸多挑戰(zhàn)。因此，本文提出一種建筑石料用灰?guī)r礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法，探索更為準(zhǔn)確、實(shí)用的預(yù)測(cè)技術(shù)，為礦山安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供有力支持，推動(dòng)我國(guó)礦業(yè)事業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

1 建筑石料用灰?guī)r礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 選取灰?guī)r礦礦坑邊界

選取灰?guī)r礦礦坑邊界需要考慮多種因素。需要借助先進(jìn)的勘探技術(shù)對(duì)灰?guī)r礦礦體進(jìn)行詳細(xì)的探測(cè)。這包括地質(zhì)鉆探、地震勘探、地球物理勘探等方法。通過(guò)這些技術(shù)，可以獲取礦體的形態(tài)、分布、埋深、巖石性質(zhì)等關(guān)鍵信息[2]，如表1所示。

根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步進(jìn)行分析和比較。可以根據(jù)地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)等因素，對(duì)不同礦區(qū)的礦坑邊界進(jìn)行比較和評(píng)估。實(shí)際選取灰?guī)r礦礦坑邊界時(shí)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整和完善。以確保選取結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.2 劃分礦坑涌水量預(yù)算層位

礦坑涌水量的預(yù)算需要考慮多個(gè)層位，這些層位可以根據(jù)礦床的特性和地質(zhì)條件來(lái)確定。頂板層位是礦體頂部的巖層，其滲透性能和含水程度對(duì)礦坑涌水量有較大影響，預(yù)算時(shí)需考慮含水性質(zhì)、厚度、巖石性質(zhì)等因素。底板層位是指礦體底部的巖層，其穩(wěn)定性對(duì)安全生產(chǎn)至關(guān)重要，需考慮巖石性質(zhì)、穩(wěn)定性、裂隙發(fā)育程度等。側(cè)壁層位則是礦坑側(cè)壁的巖層，其穩(wěn)定性也對(duì)安全生產(chǎn)有影響，預(yù)算時(shí)需考慮巖石性質(zhì)、穩(wěn)定性、裂隙發(fā)育程度等因素。含水層位是指具有較高含水程度的巖層，其滲透性能和含水程度直接影響礦坑涌水量，預(yù)算時(shí)需考慮分布、厚度、巖石性質(zhì)、滲透系數(shù)等因素。

礦坑涌水量預(yù)算層位的劃分對(duì)于預(yù)測(cè)礦坑涌水量具有重要意義。通過(guò)劃分不同的層位，可以更好地了解地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和礦坑涌水量的影響因素。礦坑涌水量預(yù)算層位的劃分方法根據(jù)地下水的流動(dòng)方向、地下水的壓力分布，可以將礦坑劃分為不同的層位[3]，如表2所示。

在進(jìn)行劃分礦坑涌水量預(yù)算層位時(shí)，需要充分了解礦區(qū)的實(shí)際情況，綜合考慮各種影響因素，對(duì)于灰?guī)r裂隙中的地下水和溶洞中的水，可以通過(guò)地質(zhì)勘探和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。以確保劃分結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.3 建立預(yù)測(cè)區(qū)水文地質(zhì)模型

建立預(yù)測(cè)區(qū)水文地質(zhì)模型是礦坑涌水量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵步驟之一。在建立模型時(shí)，首先，需要收集預(yù)測(cè)區(qū)的地質(zhì)資料，包括地形地貌、地層巖性、構(gòu)造特征、水文地質(zhì)條件等，這些信息可以通過(guò)地質(zhì)勘探、地球物理勘探、遙感技術(shù)等方法獲取。隨后，對(duì)收集的地質(zhì)資料進(jìn)行分析，了解預(yù)測(cè)區(qū)的水文地質(zhì)條件，包括含水層的分布、厚度、巖石性質(zhì)、滲透系數(shù)等，同時(shí)需要分析地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件以及地下水的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。根據(jù)分析結(jié)果，建立預(yù)測(cè)區(qū)的概念模型，包括含水層的空間分布、地下水的流動(dòng)路徑、補(bǔ)給和排泄條件等，這一步驟需要充分考慮地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性。在概念模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立預(yù)測(cè)區(qū)的數(shù)學(xué)模型，可以采用數(shù)值模擬方法，如有限差分法等，對(duì)地下水的流動(dòng)和變化進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，同時(shí)需要考慮地質(zhì)條件的非均質(zhì)性和各向異性等因素。建立數(shù)學(xué)模型后，需要對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)，可以采用歷史數(shù)據(jù)對(duì)比、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比等方法，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和校準(zhǔn)后的模型可以用于礦坑涌水量的預(yù)測(cè)，根據(jù)礦坑的設(shè)計(jì)參數(shù)和生產(chǎn)計(jì)劃，利用模型進(jìn)行涌水量的預(yù)測(cè)和分析，為礦坑的安全生產(chǎn)和排水設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

礦區(qū)主礦體在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，在礦床開(kāi)采過(guò)程中，進(jìn)入采坑的水主要取決于大氣降水量及采礦場(chǎng)匯水范圍的大小。另外，鉆孔顯示的地下水靜水位（226.00～226.53 m，平均226.27 m）高于最低開(kāi)采標(biāo)高（+200 m）數(shù)十米，因此進(jìn)入采坑的水量還包括采坑外圍大氣降水形成的地表徑流匯入采坑的水量和地下水含水層進(jìn)入采坑的水量[4]。

綜合分析，灰?guī)r礦礦坑總涌水量Q 主要包括三部分：第一部分為灰?guī)r礦礦坑承雨面積內(nèi)直接接受大氣降水的量Q1；第二部分為灰?guī)r礦礦坑外匯水范圍內(nèi)大氣降水形成的地表徑流進(jìn)入采坑的量Q2；第三部分為地下水含水層進(jìn)入灰?guī)r礦礦坑的量Q3。以此為依據(jù)建立灰?guī)r礦礦坑預(yù)測(cè)區(qū)水文地質(zhì)模型如圖1所示。

S 表示地下水位的特定標(biāo)識(shí)范圍；r 表示地下水流動(dòng)半徑；R0表示地下水流動(dòng)的擴(kuò)散半徑；R 表示地下水流動(dòng)半徑和地下水流動(dòng)的擴(kuò)散半徑之和；H 表示水位高度。

在進(jìn)行建模時(shí)，需要充分了解預(yù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，選擇合適的方法進(jìn)行建模，不斷更新和完善模型，以適應(yīng)預(yù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況的變化。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)區(qū)的礦坑涌水量。

1.4 確定參數(shù)預(yù)測(cè)涌水量

確定參數(shù)預(yù)測(cè)涌水量是指在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)歷史涌水?dāng)?shù)據(jù)和礦井運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)選取合適的運(yùn)行參數(shù)作為自變量，建立涌水量與礦井運(yùn)行參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)。常用的數(shù)學(xué)模型包括多元回歸模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和支持向量機(jī)模型等。這些模型可以根據(jù)礦井的具體情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。但建立數(shù)學(xué)模型需要大量的歷史數(shù)據(jù)和專業(yè)知識(shí)，并且對(duì)于模型的選擇和參數(shù)調(diào)整需要一定的經(jīng)驗(yàn)。需要注意的是，礦坑涌水量的預(yù)測(cè)是一個(gè)高難度的工作，因?yàn)楹畬拥膬?nèi)部結(jié)構(gòu)和邊界條件都是未知的，尤其是礦坑涌水量計(jì)算常常要求作大降深的下推預(yù)測(cè)，這給模型的預(yù)測(cè)增加了難度。

參照適用條件，Q1與Q2在開(kāi)采條件下水均衡關(guān)系極為簡(jiǎn)單，適合采用水均衡法估算；Q3可類比“大井法”預(yù)測(cè)，適合采用解析法估算。因此，本次選用水均衡法與解析法兩種方法聯(lián)合估算礦坑涌水量。Q1、Q2、Q2計(jì)算公式如下所示：

當(dāng)?shù)V坑涌水量隨季節(jié)變化在一定區(qū)域內(nèi)變動(dòng)，并出現(xiàn)相對(duì)平衡狀況的，則可近似視為以礦坑為中心所形成的穩(wěn)定地下水，線性滲流場(chǎng)基本滿足了穩(wěn)定的雨水徑流要求，使用穩(wěn)定井流方程估算。確定參數(shù)[6]預(yù)測(cè)灰?guī)r礦礦坑總涌水量如表4所示。

確定關(guān)鍵參數(shù)是預(yù)測(cè)礦坑涌水量的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)合理選擇和確定這些參數(shù)，可以對(duì)礦坑涌水量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為礦山安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于靈璧縣縣城西南245°方向直距約12km的大山地區(qū)，行政區(qū)劃隸屬靈璧縣婁莊鎮(zhèn)管轄。地形總體趨勢(shì)為北部高、南部低，最高點(diǎn)位于北部山頂，海拔+93.63 m，最低點(diǎn)位于南部采坑底部，海拔+17.94 m，最大相對(duì)高差75.69 m，工作區(qū)周邊地面最低標(biāo)高約為+26 m。工作區(qū)地貌類型為低丘，且地貌類型單一。據(jù)靈璧縣氣象局近50年氣象資料，多年平均氣溫為14.5 ℃，極端最高氣溫41.7 ℃，極端最低氣溫-23.9℃，年平均日照2322.9～2471.7 h，年平均無(wú)霜期209 d，平均年降水量881.4 mm，多年平均蒸發(fā)量1070.6 mm。

實(shí)驗(yàn)區(qū)屬淮河流域漴潼河水系，周邊較大的河流有沱河和北沱河。縣內(nèi)長(zhǎng)40.9 km，流域面積352.2 km2。最高水位20.8 m，最大流量224 m3/s。區(qū)內(nèi)除現(xiàn)存幾處大小不一的坑塘水面外，無(wú)其他地表水系。在進(jìn)行建筑石料用灰?guī)r礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要以下設(shè)備和儀器：地質(zhì)勘探設(shè)備，包括鉆機(jī)、巖心鉆探設(shè)備、測(cè)井儀等；水文地質(zhì)勘探設(shè)備，包括水位計(jì)、水壓計(jì)、水質(zhì)分析儀等；數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備，包括數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等；測(cè)量?jī)x器，包括測(cè)距儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的實(shí)用性，以涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，采用本文方法、露天礦礦坑涌水量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)（方法1）與銅山銅礦水文地質(zhì)特征及礦坑涌水量預(yù)測(cè)研究（方法2）進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

涌水量測(cè)試結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5可以看出，方法1和方法2涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果為4356.10 m3/d、1816.05 m3/d，與標(biāo)準(zhǔn)值誤差分別為755.74 m3/d、1215.69 m3/d，而本文方法的涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果為3595.71 m3/d，與標(biāo)準(zhǔn)值誤差小于5 m3/d，說(shuō)明本文方法在預(yù)測(cè)建筑石料用灰?guī)r礦礦坑的涌水量時(shí)更為準(zhǔn)確，誤差明顯低于方法1和方法2，表明本文方法具有更高的實(shí)用性和預(yù)測(cè)精度；在不同涌水量情況下，三種方法得到的預(yù)測(cè)結(jié)果存在較大的波動(dòng)，該數(shù)據(jù)存在一定的不確定性或誤差。此外，本文方法相對(duì)于方法1和方法2得到的預(yù)測(cè)結(jié)果普遍較高，表明本文方法在對(duì)涌水量的估計(jì)相對(duì)準(zhǔn)確，可為相關(guān)工程實(shí)踐提供更可靠的涌水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，具有重要的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

在研究建筑石料用灰?guī)r礦礦坑涌水量的預(yù)測(cè)方法中，深入探討了灰?guī)r礦的開(kāi)采過(guò)程、地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及它們之間的相互影響?？偟膩?lái)說(shuō)，研究旨在提供一種更準(zhǔn)確、更可靠的預(yù)測(cè)方法，以保障灰?guī)r礦的開(kāi)采安全和環(huán)境保護(hù)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論：

（1）本文方法的涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果為3595.71 m3/d，與標(biāo)準(zhǔn)值誤差小于5 m3/d，說(shuō)明本文方法在預(yù)測(cè)建筑石料用灰?guī)r礦礦坑的涌水量時(shí)更為準(zhǔn)確，

（2）本文方法相對(duì)于方法1和方法2得到的預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，表明本文方法在對(duì)涌水量的估計(jì)相對(duì)準(zhǔn)確。

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