海大学学报Journal of Qinghai University
青
Vol. 37 No. 1 Feb. 2019
加给陇洼矿区首采区矿井涌水量计算方法及其可靠度研究
王珑霖
1，张
文
1>2*
，罗艳珍>，李斌
121，杨晓旭1
(1.青海大学地质工程系，青海西宁810016;.青藏高原北缘新生代资源环境重点实验室，青海西宁810016)摘要:在多年冻土区和季节冻融区，矿井涌水量计算和预测是一个值得研究的课题。根据青海
加给陇洼矿区水文地质条件，采用数值法和解析法对加给陇洼矿区首采区矿井涌水量进行计 算和分析。结果表明：加给E洼矿区地下水的补给、径流和排泄的边界条件，明显受到冻融循 环条件的干扰，地下水补给以冻土融水为主。用数值法和解析法在青海加给陇洼首采区矿井 涌水量计算和预测的过程中，数值法计算和预测精度为C级，可信度为0.4;解析法预测精度 为D级，可信度为0. 3，采用数值法计算和预测结果的可靠度高于解析法，为青海冻土区首采 区矿井涌水量计算和预测提供了基础数据，对青藏高原冻土区矿井涌水量计算和预测具有很 好的参考意义。
关键词：多年冻土区；季节冻融区；涌水量计算;数值法；解析法中图分类号：P641.2 文献标志码:A 文章编号：1006 -8996(2019)01 -0063 -09
DOI；10. 13901/j. cnki. qhwxxbzk. 2019. 01. 011
Study on calculation method and reliability of mine water inflow
in initial mining area of Jiageilongwa mining area
WANG Longlin1，ZHANG Wen1，2 *，LUO Yanzhen12，LI Bin1，YANG Xiaoxu1
2. The Key Lab of Cenozoic Resource & Environment in North
Margin of the Tibetan Plateau，Xining 810016，China)
(1. Department of Geological Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China;
Abstract：In permafrost regions and seasonal freezing - thawing regions,mine water inflowrs calcula
tion and prediction is a subject worth studying. According to the hydrogeological conditions of Qinghai Jiageilongwa mining, numerical method and analytic method are used to calculate and analyze the initial mining water inflow of Jiageilongwa mining. The results show that the boundary conditions of recharge， runoff and discharge of groundwater in Jiageilongwa mining are obviously disturbed by the freezing - thawing cycle conditions. Using numerical method and analytical in the process of calculation and prediction of initial mine water inflow in Qinghai Jiageilongwa mining， the prediction accuracy of numerical method is grade C and the reliability is 0. 4， the prediction accuracy of analytical method is D grade and the reliability is 0. 3. The reliability of numerical calculation and prediction results is higher than that of analytic method， which provides basic data for calculation and prediction of initial mining water inflow of Qinghai cryolithozone，and has a good reference significance for calculation and prediction of mine water inflow in the Qinghai - Tibet plateau cryolithozone.
Key words ： permafrost regions; seasonal freezing - thawing regions; calculation of water inflow; nu
merical method; analytical method
收稿日期:2018 -09 -13
基金项目：国家自然基金项目（51468055);青海省级重点实验室建设项目（k071714);青海省自然科学基金项目（2012-Z-705) 作者简介：王珑霖（1997—)，男，重庆綦江人，青海大学在读硕士研究生。*通信作者，E-
mail:516061874@qq.com
_64___________________________________青海大学学报_______________________________第37卷
青藏高原冻土多位于平均海拔4 000 m以上的区域，多年冻土带内具有不稳定的隔水层、冻结层上 水、冻结层下水及其补给、径流和排泄等复杂的水文地质条件，使得冻土区矿井涌水量计算和预测成为 水文地质与工程地质领域值得深入研究的课题[1_2]。目前，国内外学者对青藏高原冻土区矿井涌水量 计算和预测研究尚不够深入，但通过对一般地区矿井涌水量计算和准确预测研究，总结出一系列矿井涌 水量计算和预测的方法，主要有两类[3]:—类是分布参数法，另一类是集中参数法[]。比较常用的有解 析法[]、数值法[]、水均衡法[]、神经网络法[]和水文地质比拟法[]。其中，数值法和解析法应用较为 广泛，属于分布参数法。数值法是一种求解渗流偏微分方程近似解的一种方法，该方法可以解决许多复 杂条件下的矿区涌水量问题[]。国内外学者根据工程实际的需要，编制了许多数值计算软件，主要有 美国地质调查局开发的地下水三维有限差分数值模拟软件Visual ModFlow[10]，美国Brigham Young Uni-
versity的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站开发，用于地下水模拟的图形界面的综
合性软件Groundwater Modeling System[11]，德国WASY公司基于有限兀法开发的地下水数值模拟软件 包尸6£1〇〜[12]等。解析法是一种基于达西定律的原理，建立和推导地下水流动问题的求解方法[13_14]。
Muskat在
1937年利用解析法求解了地下水流动问题，后来Hantush和Jacob在1955年求解弱透水层越
Oda[16]提出了岩体渗流场与应力场耦合
Heuer[7]根据压水试验，采用半经验法对隧道涌水量进行预测。这
流补给含水层的水量计算中，对解析法进行了扩展[15]; 1986年分析的等效连续介质模型;1995年
些研究对冻土区和冻融作用下的矿区地下水的补给、径流和排泄的边界条件确定，具有很好的参考作 用。本文拟将青海加给陇洼矿区首采矿井涌水量为研究对象，针对矿区的地下水补给、径流和排泄的边 界条件，分别采取数值法和解析法，对该矿区首采区矿井涌水量计算和预测的精度及可靠度进行研究， 为青海冻土区首采区矿井涌水量计算和预测提供参考，具有一定的工程意义。
1 研究区矿山地质概况
1.1
区域地质概况
研究区区域地质概况见图1。
图1 研究区地质背景示意图（青海省第一地质矿产勘查大队，2008年，修改）
Fig. 1 Schematic diagram of mine(Qinghai provinces first geological and mineral exploration brigade,2008 ,modification)
第1期王珑霖等：加给陇洼矿区首采区矿井涌水量计算方法及其可靠度研究
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青海加给陇洼矿区位于青海省曲麻莱县麻多乡东北部，巴颜喀拉山北坡，根据1: 25 000水工环地 质调查区，矿区地理坐标为东经96。04,30\" ~96。10,00\"，北纬35。21，30\" ~35。24,00\"，面积约25 km2,平均 海拔4 500 m，矿区内相对高差为50〜700 m，大地构造属于可可西里一巴颜喀拉印支褶皱系（III)，北巴 颜喀拉冒地槽带（H
U
内，出露地层相对单一，主要为中二叠纪布青山群马尔争组（P2m)和三叠纪巴颜
喀拉山群(TB)早中三叠世昌马河组(T^2。），第四纪地层主要以晚更新世洪冲积、全新世冲积、坡积、沼 泽堆积物为主。研究区被甘德一玛多深大断裂纵贯矿区中南部，受断裂构造的影响，断裂构造按展布方 向可分为大致平行于甘德一玛多深大断裂呈北西向展布和斜交于甘德一玛多深大断裂呈北东向展 布[18]。北东向多属平移断层，形成时间较晚，规模大小不一均横切地层及北西向构造。
l. 2
区域水文地质条件
研究区内分布着两类冻土，一类是季节性冻土，冻结深度2.7 m，山坡处可达3.1 m，主要由第四纪
表层堆积物构成。冻结深度随季节温度变化，融化层达到最大深度3.1 m;另一类为多年冻土（岩），位 于季节性冻土层以下，上限为3. 1 m，钻孔资料显示研究区多年冻土底板埋深为20. 85 m，厚度为17. 75
m。 研究区地下水主要受大气降水补给，水量受季节限制变化大。以多年冻土层充当隔水层，按地下水
含水介质、赋存条件，研究区地下水划分为松散岩类冻结层水和基岩类冻结层水[9](表1)。
表1
Tab. 1
地下水划分
Classification of groundwater
富水性
地下水分布与埋藏特征
单泉流量/(
单位涌水量/
L.s-1)
^ <1
(L • s -1 • m -1 )
松散岩类冻结层水
松散岩类冻结层上水
分布于松散岩类季节性融化层，埋藏多年冻土层 之上
分布于松散岩类孔隙中，埋藏于多年冻土层之下分布于基岩风化带中，埋藏于季节性融化层之中分布于基岩裂隙中，埋藏于多年冻土层之下，多 受构造控制
松散岩类冻结层下水基岩类冻结层上水
基岩类 冻结层水
基岩类冻结层下水
0. 1 < Q^1.0
Q <1；1.0 < ^^10
<0. 1
松散岩类冻结层上水主要依赖大气降水和冰雪融化的补给，受到季节性冻土融水的影响，水量随季 节变化。丘陵坡体边缘残坡积层中，地下水受大气降水补给，经短暂径流即溢出地表，富水性较差。矿 区内加给陇洼河北侧的砂砾卵石含水层，地下水径流发育，富水性较差;松散岩类冻结层下水，埋藏于多 年冻土层之下，通过构造融区补给或排泄;赋存于层状的灰色砂岩、粉砂岩、板岩、结晶灰岩等的风化裂 隙中的基岩类冻结层上水，主要接受大气降水补给，富水性较差，在地势较低处以泉的形式出露;埋藏在 永久性冻层以下的基岩类冻结层下水，水位稳定。1.3矿区补给条件
研究区处于基岩山区，为地下水的径流及排泄区。矿区以基岩裂隙含水层充水为主，地下水补给条 件差，无明显的补给排泄区，与地表水体联系不密切。主矿体位于研究区地表水水位以下，矿体与地表 水之间存在着较厚的多年冻土层，地下水补给主要有：
(1)大气降水。研究区气象观测资料(2009—2011年），矿区每年降雨集中于6 —9月份，占全年 降雨量的80%以上，多年平均降雨量376. 6 mm，常以暴雨的形式降水，短时间内降雨量很大。由于
66
青海大学学报
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矿区年平均蒸发量很大（1 528.4 mm)，为降雨量的4. 1倍，因此，只有少量的降雨流入地下补给冻土层（图2)。
160 140
| 120
•I 100
蝈衮
8060
^ 40
20
06 1 07 1 08 1 09 1 10 1 11 1 12
2009 年08 1 09 1 10
2010 年11 1 1208 1 09 1 10
2011 句
时刻
图2 矿区降水量、蒸发量变化曲线图
Fig. 2 Change curve of mine precipitation, evaporation
(2)冻结层水。研究区西侧上升泉即为基岩类冻结层下水的天然排泄露头，地下水通过断裂融区 集中泻出地表，单泉流量18. 38〜79. 36 L/s(图3)，其流量变化曲线表明，水量以7—11月份较大。
1UU
806040?
Q _______________________________j____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________少户 夕夕々夕少户
麵日期
夕少户；？ ^ ^ A ^Fig. 3 Change curve of flow observation of west ascending spring
(3)断层破碎带水。矿区内发育过两组次级断裂，一组平行于甘德一玛多深大断裂呈北西向展布， 另一组斜交于甘德一玛多深大断裂呈北东向展布，平均倾角为40°〜50°，破碎带由碎裂岩组成，断层接 触带出露地表，得到大气降水的补给，形成一定规模的集中涌水，构成地表水与地下水发生水力联系的 通道，使得地表水可以不经过多年冻土层直接与冻结层下水补给。
图3 西侧上升泉流量观测变化曲线
2首采区涌水量计算
研究区首采区长4 380 m，面积为2. 40 km2,水源补给主要依靠大气降水和冻结层水。表2数据由
现场钻孔抽水试验测得，其中影响半径、渗透系数均采用裘布衣稳定流公式计算所得，单井计算涌水量 通过绘制Q_
S
曲线图确定。当矿区开采后会改变地下水的流场，此时开采标高会远小于承压水头的
标高，含水层此时由承压含水层变为无压含水层[20]。根据矿区地质背景和水文边界条件，选择数值法 和解析法两种方法，对首采区涌水量进行合理的计算和比较分析两种方法产生误差的原因。
第1期 王珑霖等：加给陇洼矿区首采区矿井涌水量计算方法及其可靠度研究
表2
Tab. 2
67
钻孔抽水试验表
Drilling andpumping test
降深(幻/m26. 1420. 5555. 461. 552. 7
渗透系数
(K)/(m-d-1)0. 019 50. 006 80. 006 70.013 20.010 6
计算涌水量/
(m3 • d-1)3. 284. 522. 6873. 8443. 336
基岩类
冻结层下水抽水层位
孔号
静止水位/m6. 8635. 030.942. 0014. 00
影响半径(幻/m36. 1731.3070. 4996. 1376. 10
ZK007
ZK0310ZK5303ZK0307ZK4803
2. 1
数值法
采用加拿大Waterloo公司研发的三维地下水流运移模拟评价的标准可视化专业软件系统Visual
表示垂直方向海拔高度，以％，表示水平方向和
ModFlow Flex[21_22]，对研究区进行数值模拟。分别以z
范围，在空间W =2. 4 km2平面范围内，划分单元格100 X 100个;垂直方向上，地层主要为前第四纪地层 和第四纪地层为主，由于矿区存在多年冻土层，其透水性较弱，可视为隔水层，故将松散岩类冻结层上水 化为第一层，基岩类冻结层下水化为第二层（表3)。计算设计高度z为海拔4 400〜4 600 m。
表3 模型区分层状况及各层特征
Tab. 3
Stratification of the model area and characteristics of each aquifer
垂向分层前第四纪地层第四纪地层
分层12
平均厚度/m3. 410.13
含水层特征主要分布区域
松散岩类冻结层上水和地表降水补给 分布于加给陇洼河北侧河谷、山谷两侧
冲（洪）积层为主
埋藏在永久性冻土层以下，固相、水位
基岩类冻结层下水为主
稳定
依据矿区内钻探数据，判定含水层分层界限，含水层由承压含水层变为无压含水层。数值计算采用
Visual ModFlow Flex软件（图4)，计算模型通过整合三维空间数据，根据矿区构造复杂程度，建立矿区三维模型（图5)。
• visual MCOrtOW Hex - INewProjeal
File View Tools Workflow Window Help
-
3
X
□必 aic 〇
图4 利用Visual ModFlow Flex软件建立研究区计算模型 Fig. 4 The calculation model of the research area is established by Visual ModFlow Flex software
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青海大学学报
等高线分层1分层2
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455(4500
200
Xm
1200
2000
图5 研究区模型概化图Fig. 5 Generalized diagram of mining model
考虑矿区地下水主要补给通道为融区，主要补给水源为冻融水。矿区周边虽然有两条河流流经，考 虑到存在较厚的隔水带，在定边界条件时进行淡化处理，西侧定为变水头边界。第二层隔水层底板高程 作为定水头边界。矿区渗流场模型采用的渗流系数来源于矿井抽水试验成果，考虑到矿区含水层由承 压转无压，前第四纪地层渗透系数采用矿区南侧661号钻孔抽水试验，K = 1.641 m/d;第四纪地层渗流 系数采用矿区南侧657号钻孔抽水试验，尺=0. 004 m/d(表4)。
表4 模型区渗透性模拟计算参数
Tab. 4
Model permeability simulation calculation parameter
地层前第四纪地层第四纪地层
分类12
Kz / (m • d-1 )
1.6410. 004
Kx/(m • d-1)
0. 8510. 000 2
K/(m • d-1 )
0. 8510. 000 2
备注松散岩类冻结层上水基岩类冻结层下水
对矿区矿井地下水涌水量计算，主要划分为两个含水层，以冻结层为边界，模拟区高差较大，最大处 351 m，矿区内平均高程在4 500 m以上，通过模型计算和室内分析得出矿区的矿井预测涌水值(表5)。
表5 利用模型计算矿区各层涌水量
Tab. 5
Model is used to calculate the amount of water flowingin each layer
研究区冻土区首采矿井
含水层松散岩类冻结层上水基岩类冻结层下水
涌水量（G )/(m3 • d-1)
1 624. 72386. 79
2.2
解析法
研究区矿体埋藏在多年冻结带以下，侵蚀基准面标高4 381 m，矿体埋藏底部标高4 100 m左右，第
四系覆盖面积小且厚度薄。当矿开采后，开采标高会远小于承压水头标高，冻结层以下的基岩裂隙水会
第1期王珑霖等：加给陇洼矿区首采区矿井涌水量计算方法及其可靠度研究
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由承压含水层变成无压含水层。矿井涌水量（首采区）（)补给水源有三个来源:一是大气降水补给
(认）；二是松散岩类冻结层上水补给（仏）；三是基岩类冻结层下水补给（认）。大气降水补给量（认）不 考虑入渗补给系数，直接采取去除蒸发量后的平均降雨量，按照矿区面积进行计算[23]，松散岩类冻结层 上水补给量（Qp = Qi + Q2 + Q3 n F x X x 0. 7 x 10_3
■认=
Q
365 ⑴
= 1. 336K(2H - M)M
卜3 = ~LgR〇 - Lgr〇~
式中:F:露天矿场的面积(km2) ;X:平均年降雨量（mm)，
（X x
0. 7为去除蒸发量后的平均降雨量）；K:
渗透系数（rn/d)。冻结层上水采用SZK661，K = 1. 641 m/d;冻结层下水采用SZK657，K =0. 004 m/d;
SZK661:钻孔编号，矿区南侧661号钻孔。M
:含水层厚度/m。冻结层上水采用SZK660，M = 3.4 m;冻
结层下水采用SZK657，M = 10. 13 m;S:水位降深（m)。SZK661水位降深为15.75 m;SZK657降深为 111. 0 m;H:水头高度（m) ,H = S;F:开采地段面积（m2 ),取F =2. 4 X 106 m2 ;0 :引用半径（m)。因为矿区不规则，采用公式〜=槡^ = 0.565^，求得〜=875.3爪;/?0:引用影响半径化。8。=8+〜，/?=10S TK, = H，影响半径R通过裘布衣稳定流公式计算所得。
利用“承压一无压完整井”公式计算各层涌水量详见表6。
表6 “承压|无压完整井”公式计算结果
Tab. 6
“ Confined—unconfined complete well” formula result
含水层松散岩类 冻结层上水（Q2)基岩类
冻结层下水（Q3)
渗透系数
(K)/(m • d-1)
1.6410.004
降深
(S)/m15.75111. 0
水头高度
(H)/m15. 75111. 0
含水层厚度
(M)/m3.410. 13
影响半径
(R)/m
预算涌水量/
(m3 • d -1 )2 323. 35342. 3
201.7670. 20
矿区涌水量（首采区）Qp，其中：
Q总=Qi + Q2 + Q3 =1 733. 39 + 2 323. 35 +342. 3 =4 399. 04 m3/d
3
3. 1
结果与分析
可靠度分析
分析数值法和解析法对冻土区矿井首采涌水量计算和预测结果（表7)，解析法计算标高4 380 m
的矿区涌水量，与数值法预测结果相近。根据钱学溥等[25]对矿坑精确级别和可信度的划分，本研究区 矿坑精度和可信度的划分对照《矿坑涌水量计算方法、精度级别和可信度》一表，数值法计算和预测矿
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青海大学学报
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井涌水量精度C级，可信度0. 4;解析法计算和预测矿井涌水量精度D级，可信度0. 3。可见，本次研究 使用数值法较解析法结果可靠。
表7 预测结果比较
Tab. 7
Comparison of predicted results
计算方法解析法
含水层松散岩类冻结层上水基岩类冻结层下水松散岩类冻结层上水
预测涌水量/〇3 • d-1)
2 323. 3342.31 624. 72386.79
精度/可信度
D/0. 3C/0. 4
数值法
基岩类冻结层下水
3.2解析法与数值法的应用
青藏高原冻土区具有的特殊的水文地质环境，可能是导致解析法矿井涌水量预测结果与实际涌水 量出现较大偏差的主要因素:一是冻土层的冻融循环作用会对矿区涌水量的计算造成极大的干扰;二是 研究区多年少雨、蒸发量大等特点，对大气降水补给量的计算也有很大影响。三是“承压一无压完整 井”大井法中，因为在矿区开采后承压含水层变成无压含水层，会使得下部冻土层暴露在地表，使得多 年冻土层转变成季节性冻土层，渗透系数K值也会发生变化，采用之前的K值计算下部含水层涌水量 不准确。这些因素导致解析法在青海冻土区矿区矿井涌水量计算中各参数选取存在一定难度，计算结 果产生偏差的可能性增加。因此，“承压一无压完整井”大井法对于大多数地区较为适用，但对于多年 冻土和季节性冻土地区的涌水量的计算和预测是否适用，尚值得商榷。
数值法模型构建严格按照青海冻土区矿井的水文地质资料和钻孔资料，将矿区划分为两个含水层， 对模型区边界条件和源汇项进行了概化，建立了研究矿区的水文地质三维模型及计算数学模型，并据此 计算矿井涌水量，其结果在精度和可信度方面，均高于解析法的计算和预测结果。尽管数值法和解析法 在矿区涌水量预测中广泛应用，但对于青海冻土区复杂水文地质条件下的矿区涌水量计算，数值方法可 以直观清晰的反映各个地层的展布信息，相对具有较高的精度和可信度。但数值法建模和运算工作量 大、耗时长，对于冻土矿区水文地质资料精确性要求高。
4讨论与结论
青藏高原冻土区具有特殊的水文地质环境[19>24]，分别采用数值法和解析法对研究区涌水量进行计
算，并对两者结果的可靠度进行了分析。笔者认为“承压一无压完整井”大井法对于大多数地区较为适 用，但对于多年冻土和季节性冻土地区的涌水量的计算和预测是否适用，尚值得商榷;数值法可以直观 清晰的反映各个地层的展布信息，相对具有较高的精度和可信度[25]，但数值法建模运算工作量大、耗时 长，对于冻土矿区水文地质资料精确性要求高，不易于在工程中推广。综合上述讨论，本文针对研究区 涌水量计算方法及其可靠度得到以下几方面结论：
(1)冻土区地下水补给受到冻土融水、季节性冻土层的冻融循环作用等因素的干扰，采矿作业会扰 动多年冻土层，导致多年冻土层上下限变化，造成冻土区首采区矿井涌水量计算和预测难度增大。
()对于冻土区复杂水文地质条件下的矿井涌水量计算，数值方法适用性较好，可以直观清晰的反
第1期__________王珑霖等：加给陇洼矿区首采区矿井涌水量计算方法及其可靠度研究__________映各个地层的展布信息，且具有较高的精度和可信度。但数值法建模及运算工作量大、耗时长，需反复 修正涌水量，对于冻土区矿井水文地质资料精确性要求高。
(3)冻土区首采矿井涌水量计算方法，应根据经济实用，技术可行的原则，进一步结合工程实际，对 于要求计算精度D级的矿床，可以选取简易大井法;对于复杂水文地质条件，要求精度在C〜B级，建议 尽量采取数值法为主，辅以其他计算方法，可以得到较准确的计算和预测结果。参考文献：[1] 祁焕芳，贾成财，曹世泰，等•阿仓河南矿区永久冻结层的水文地质特征分析[JL煤炭科技，2011(4) :27 -28.[2] 田成成，李成英，张磊，等•大场金矿区水文地质特征及矿坑涌水量预测[J]•西部探矿工程，2012,24(11):177 -180.[]连会青，夏向学，徐斌，等.矿井涌水量预测方法及适用性评价华北科技学院学报，2014，11(2):22-27.[]宋春辉，杨云龙，郭继锋•浅析矿井水涌水量预测的几种常见方法科技情报开发与经济，2009，19(10):177 -178.[]张帅伟，张清锋，徐志军，等•解析法预测寒武系灰岩含水层涌水量科技传播，2012(12)157 -158.
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(编辑赵良霞)
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