強巖溶礦區(qū)降雨量與礦坑涌水量相關(guān)性研究

趙 恰,王 軍

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南長沙 410012)

強巖溶礦區(qū)降雨量與礦坑涌水量相關(guān)性研究

趙 恰,王 軍

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南長沙 410012)

在研究強巖溶礦山水文地質(zhì)條件和礦區(qū)地下水動力學(xué)條件的基礎(chǔ)上,提出強巖溶礦山降雨后即時礦坑涌水量預(yù)測模型,運用統(tǒng)計學(xué)和多元回歸分析方法,估計模型,并以凡口鉛鋅礦為例研究建模方法,用實測礦坑涌水量檢驗?zāi)Ｐ偷木?、可靠性。結(jié)果表明:該模型具有較高的精度,該方法適合強巖溶礦山。

強巖溶礦區(qū);礦坑涌水量;預(yù)測模型;多元非線性回歸分析

0 引 言

強巖溶礦區(qū)礦坑涌水量大,礦山日常水文地質(zhì)工作之一就是監(jiān)測礦坑涌水量,并進行對比、分析,一方面能指導(dǎo)礦山防治水的方向,并可以檢查防治水工程的效果,預(yù)防礦山透水事故發(fā)生;另一方面,可以掌握排水設(shè)施設(shè)備的運行情況,確保礦山的安全生產(chǎn)。我國以往的礦山水文地質(zhì)研究工作主要集中在礦坑最大涌水量和礦坑日常涌水量上,對降雨后的即時礦坑涌水量研究還相當(dāng)少,所以給分析礦坑涌水量的變化和預(yù)測礦坑涌水量帶來了困難。

強巖溶礦區(qū),由于水文地質(zhì)條件的特殊性——含水層巖溶通道發(fā)育,給降雨轉(zhuǎn)換成礦坑涌水提供了良好的通道,所以降雨量與礦坑涌水量有著密切的相關(guān)性[1]。本文以凡口鉛鋅礦為例,根據(jù)礦山的水文地質(zhì)模型,提出適合地下水動力學(xué)原理的預(yù)測模型,運用統(tǒng)計學(xué)和多元非線性回歸分析方法,建立預(yù)測模型,采用Mtalab編程[2-3],估計模型參數(shù),并根據(jù)礦山實測數(shù)據(jù)對模型進行檢驗。

1 凡口鉛鋅礦水文地質(zhì)概況

凡口鉛鋅礦床是典型的強巖溶大水礦床,礦坑涌水量旱季一般為28000 m3/d,雨季一般為38000 m3/d,最大達到60000 m3/d以上。

礦區(qū)主要含水層為石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3ht),巖性為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r,淺部巖溶裂隙發(fā)育,巖溶發(fā)育程度、富水性隨深度增加逐漸減弱,強巖溶含水帶(A帶)一般延伸至-20 m標(biāo)高,局部深達-40 m,廣泛分布在礦體東面和南面。

泥盆系中統(tǒng)東崗嶺階上亞階(D2db)——上統(tǒng)天子嶺組下亞組(D3ta)灰?guī)r裂隙含水層:該含水層厚度為105～120 m,近地表巖溶發(fā)育,深部以裂隙含水層為主,其特點是水壓高,富水性弱。由于上部泥盆系上統(tǒng)天子嶺組中上亞組的泥灰?guī)r,條帶狀灰?guī)r組成相對隔水層,故該含水層與壺天群巖溶含水層無直接水力聯(lián)系,是礦區(qū)次要含水層。

礦區(qū)的主要隔水層為泥盆系上統(tǒng)天子嶺組中上亞組(D3tbc):層厚約200 m,主要分布在礦體的西部,該層中的泥灰?guī)r,條帶狀灰?guī)r和瘤狀灰?guī)r含泥質(zhì)較高,穿層裂隙不發(fā)育,透水性差,構(gòu)成礦區(qū)較穩(wěn)定的隔水層[4]。

凡口鉛鋅礦充分利用礦床的水文地質(zhì)特征,在-40 m標(biāo)高建設(shè)淺部截流疏干系統(tǒng)對礦區(qū)的主要含水層壺天群含水層進行疏干排水,截流系統(tǒng)將95%的壺天群含水層地下動水補給截獲,保證了礦床的安全開采[5]。

2 建立降雨量與礦坑涌水量模型

水文地質(zhì)條件:凡口鉛鋅礦地下水的主要補給來源是降雨。降雨通過入滲,進入壺天群含水層,然后通過巖溶通道進入淺部截流系統(tǒng)。淺部截流系統(tǒng)對壺天群含水層中的地下水進行疏干,使得礦區(qū)形成了穩(wěn)定的降落漏斗,而且隨著疏干系統(tǒng)作用的發(fā)揮,壺天群含水層中的巖溶通道與疏干系統(tǒng)的聯(lián)系更加緊密,巖溶通道更加暢通。所以礦區(qū)的降雨與疏干系統(tǒng)的涌水量聯(lián)系相當(dāng)緊密。

地下水動力學(xué)條件:根據(jù)地下水動力學(xué),地下水的運動具有延時性,所以,模型應(yīng)該考慮前期降雨量的變化因素;降雨在轉(zhuǎn)換成地下水過程中,一方面受到入滲率的限制,當(dāng)降雨量增加到一定程度時入滲量將趨近于一個定值[6],即P→∞時,Q(P)趨于一常數(shù);另一方面,即使礦區(qū)長時間沒有降雨,井下仍然需要排水,即p＝0時,Q＝β＞0。

根據(jù)以上條件,建立涌水量Q與降雨量P1, P2,…,Pn之間關(guān)系模型[7]:

其中:β0,β1,…βn均為待定的未知參數(shù);Pn為當(dāng)月降雨量,Pn-1為前1個月的降雨量,其余依次類推。

3 模型參數(shù)估計

以該礦區(qū)1999～2003年總共5 a間的降雨量(表1)與礦坑涌水量(表2)實際觀測數(shù)據(jù)作為參考樣本,對其進行分析,通過多元非線性回歸分析研究礦區(qū)降雨量與礦坑涌水量之間的關(guān)系模型。并對參數(shù)β0,β1,…βn進行估算。

表1 1999～2003年降雨量 mm

表2 1999～2003年淺部截流巷涌水量 萬m3

礦區(qū)壺天群含水層中巖溶通道發(fā)育,且與疏干截流巷聯(lián)系緊密,所以,假設(shè)模型中涌水量受3個月的降雨影響,則公式(1)簡化為如下形式:

其中P1是前2個月的月降雨量,P2是前1個月的月降雨量,P3是當(dāng)月降雨量。降雨量數(shù)據(jù)計入矩陣X,涌水量數(shù)據(jù)計入矩陣Y,則:

修改模型,假設(shè)礦坑涌水量受2個月的降雨影響,運用Matlab計算得7.3691＞＝6.8018,說明礦坑涌水量主要受到本月降雨量的影響,與實際礦坑涌水情況相符,所以預(yù)測模型為:

4 模型檢驗

為驗證預(yù)測模型的可靠性,分析模型預(yù)測的誤差,運用預(yù)測模型,對1999～2003年平均降雨量和2004年降雨量進行分析、計算,其結(jié)果與礦坑涌水量實測值對比,見表3。

從表3可以看出預(yù)測值與實測值相當(dāng)接近,礦坑年總涌水量預(yù)測值的整體誤差控制在5%以內(nèi),最小只有0.68%,說明凡口鉛鋅礦截流巷涌水量主要受本月和前1個月,共2個月降雨量影響的假設(shè)是正確的,預(yù)測模型符合礦區(qū)的水文地質(zhì)情況[8],將預(yù)測結(jié)果與實測礦坑涌水量繪制成曲線,見圖1,圖2。

表3 礦坑涌水量實測與預(yù)測值對比

圖1 1999～2003年平均預(yù)測值與實測曲線

圖2 2004年預(yù)測值與實測曲線

從圖1、圖2可以看出整體擬合較好,總體上反映了礦坑涌水的過程,說明符合礦區(qū)的實際情況,模擬結(jié)果可以指導(dǎo)礦區(qū)日常水文地質(zhì)工作。對分析相同降雨量下礦坑涌水量大小情況,研究井下是否有排水異常以及預(yù)測礦區(qū)降雨后即時礦坑涌水量有指導(dǎo)作用。

局部誤差偏較大,主要集中在小降雨量,大涌水量月份,例如:2004年10月份涌水量誤差最大,主要由于本月總降雨量為0,但是礦坑涌水量依然達到75.088萬m3,遠超年度月平均涌水量,其主要原因是觀測時有一定的人為誤差,以及礦區(qū)對地下水的調(diào)度、利用等。

5 結(jié) 論

(1)強巖溶礦山的巖溶通道發(fā)育,并與礦坑截流巷聯(lián)系緊密,導(dǎo)致降雨與礦坑涌水聯(lián)系緊密。結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì),依據(jù)地下水動力學(xué)原理提出預(yù)測模型,通過多元非線性回歸分析建立預(yù)測模型是可行的。所建立的模型可以有效預(yù)測降雨后的即時礦坑涌水量,有利于礦山的日常水文地質(zhì)工作[9]。

(2)實例表明,本文所建立的模型具有較高的擬合和預(yù)報精度,可有效地預(yù)測礦區(qū)降雨后的即時礦坑涌水量,有助于礦山的日常水文地質(zhì)管理工作。

[1]楊成田.專門水文地質(zhì)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1981.

[2]韓旭里,萬 中.數(shù)值分析與實驗[M].北京:科學(xué)出版社, 2006.

[3]薛定宇,陳陽泉.高等數(shù)學(xué)問題的MATLAB求解(第二版) [M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[4]熊萬勝,戴周,賈會業(yè).廣東凡口鉛鋅礦礦區(qū)地下水害防治方案研究[J].廣東地質(zhì),2001(3).

[5]何志堅.凡口鉛鋅礦區(qū)礦坑涌水量估算方法[J].中國科技信息,2008(14).

[6]薛禹群,等.地下水動力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,2001.

[7]王國富,王志忠.應(yīng)用統(tǒng)計[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2003. [8]陳南祥.地下水動態(tài)預(yù)報模型的精度評價[J].工程勘察,1999 (3):35-38.

[9]陳南祥.曹連海.李 梅.等.偏最小二乘回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦坑涌水量預(yù)測[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版),2005,35(6).

2012-03-20)

趙 恰(1984-),男,陜西渭南人,助理工程師,主要從事金屬礦山地下水防治研究,Email:zqia@163.com。