采矿工程
露天采矿技术
２００７年第４期・３９・
采掘场地下水涌水量计算
金祎民
（中煤国际工程集团沈阳设计研究院，辽宁沈阳１１００１５）
摘要：地下水涌水量预测是确定采掘场疏干系统布置的前提。对胜利东二号露天区的水文地质条件进
行分析，确定计算域补、径、排条件和边界条件，利用有限单元数值法计算不同阶段采掘场４煤含水岩组地下水涌水量。
关键词：数值法；有限单元；渗透系数中图分类号：ＴＤ８２４．６
文献标识码：Ｂ
文章编号：１６７１－９８１６（２００７）０４－００３９－０２西部低，地面标高９９０～１１１０ｍ。
对露天开采构成影响的主要含水层为：第四系孔隙潜水含水层和白垩系含煤组裂隙承压水含水岩组。后者分为４煤组裂隙承压含水岩组、５煤和６煤组裂隙承压含水岩组、６煤组以下裂隙承压含水岩组。第四系孔隙潜水含水层分布于ＤＧ０７号、１４６号、
１引言
地下水及地表水对露天开采的影响非常大，轻者降低剥采效率，严重时淹没采掘场坑底道路及采掘、运输设备，导致露天矿停产，因此应高度重视露天矿疏干排水工作。采掘场疏干排水是一个直接影响矿山生产是否能正常运转及矿山成本的重要问题，因而预测采掘场地下水涌水量一方面为设计排水能力提供依据，另一方面可以预测采掘场排水对周围地区水环境的影响。矿床疏干水文地质理论计算分为解析法和数值法２种。解析法是根据地下水运动的基本原理，对自然界的水文地质条件进行必要的简化后，用所推导出来的公式进行计算。数值法从数学上来说是一种近似解，但对解决水文地质条件复杂的矿区疏干水文地质计算，往往比解析法得到更满意的结果。数值法能模拟出矿区的复杂水文地质条件和地下水流动状态，而解析法则难以办到。因此，矿床疏干水文地质数值解法，比用简化矿区水文地质模型而导出的解析公式所得的计算结果更接近实际。目前在地下水计算中使用的数值法主要有有限差分法和有限单元法。本文采用有限元法对胜利东二号露天煤矿进行水文地质计算。计算时有限元法计算程序能够自动生成单元网格，能够显示模型结果的图形，减少了地下水涌水量及水位计算的时间，为整个疏干设计周期的缩短打下了良好的基础。
２２－１１号、２０－８号及１８－４号孔连线以西，岩性以细
砂为主，底部有砂砾石层，厚度由东向西逐渐变厚，单位涌水量０．２２～０．５４Ｌ／ｓ．ｍ，渗透系数０．８８～１．０１ｍ／ｄ。
４煤组裂隙承压含水岩组南起煤层露头及Ｆ８断层，
北至１０２号孔、３８－２号孔与３６－５号孔所确定的零北向中间有增点线；岩性以煤层为主，其厚度由南、
厚的趋势，南部和北部厚度一般５～１０ｍ，而中间部位的２０－１０号、２０－１３号及２８－１３号孔范围内厚度可达１０～１５ｍ，平均厚度为１１．７ｍ，单位涌水量０．００
５～０．０４０Ｌ／ｓｍ，渗透系数为０．０１４～０．３６１１ｍ／ｄ，富・
水性弱。５煤和６煤组裂隙承压含水岩组分布范围与
４煤组一致，南起煤层露头及Ｆ８、Ｆ８－１、Ｆ２－１断层，至北
部边界；岩性以煤层为主，由南北两个方向向中间变厚，首采区含水岩组厚度一般为６０～１００ｍ；单位涌水量０．０１８２～０．０２８１Ｌ／ｓｍ，渗透系数０．０２～０．０３１７ｍ／・
ｄ，富水性弱。对６煤组以下的基岩裂隙水仅作概略
的了解，据２２－７号孔抽水资料，含水层的埋藏深度
２９２～３７０ｍ，厚度为１１．２０ｍ，水位标高９９１．２７ｍ，降
深１２～３８ｍ，单位涌水量为０．０１９～０．０２０Ｌ／ｓ・ｍ，平均渗透系数为０．１７４ｍ／ｄ，富水性弱。露天区分布有
２矿区水文地质条件
胜利东二号露天区位于锡林河东侧，本区属锡
Ｆ８、Ｆ８－１、Ｆ２、Ｆ２－１、Ｆ９断层，皆为正断层，其导水性有待
进一步查明。
流域内潜水与地表水的补给来源主要为大气降水，其次是侧向径流补给。锡林河为该区潜水与地表水的排泄区。承压水主要接受侧向径流补给，并向下游径流。在露天开采条件下，采掘场排水成为主要排
林浩特盆地水文地质单元的一部分，地势为东部高，
收稿日期：２００７－０５－２２
作者简介：金祎民（１９７１－），男，辽宁海城人，工程师，
１９９３年毕业于华北水利水电学院，现在中煤国际工程集团沈
阳设计研究院从事疏干、防排水设计咨询工作。
・４０・
露天采矿技术
２００７年第４期
Ｑ——抽水率；
采矿工程
泄方式。
根据含水层分布范围和富水性的差异，确定４煤组裂隙承压水、５煤和６煤组裂隙承压水为达产时期采掘场主要充水因素。现采用有限单元数值法计算４煤组含水岩组地下水涌水量。
ｑ——阻水边界单宽侧向补给量；Ｓ——承压含水岩组的储水系数；
——潜水含水岩组的给水度；μ
（头）；Ｈ—含水层的水位
３４煤组含水岩组地下水涌水量计算
针对水文地质边界条件不清的特点，为提高计
Ｈ０——含水层的初始水头；ＨＢ——边界Γ１上给定的水头；Ｔ——导水系数；
ｎ——边界Γ２的外法线方向。
数值方法采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元法，三角形单元，线性插值，计算域的面积约３８．９ｋｍ２，计算区共剖分
算的准确度，将计算边界外扩。计算区将Ｆ８断层、４煤露头线和Ｆ２－１断层的连线按二类边界处理，其它按一类边界处理。含水层渗透性能为各向同性。
根据上述水文地质模型，建立有限单元数值法计算的二维非稳定流的数学模型：
７５５个单元，７１３个节点。计算区参数值见表１。
表１
分区渗透系数／ｍ・ｄ－１单位储水系数
给水度
各分区水文地质参数表
Ⅰ０．３６１０．００００５０．００１
Ⅱ０．０１４０．００００１０．００１
! Ｔ! Ｈ＋! Ｔ! Ｈ＋Ｑ＝Ｓ! Ｈ（承压水部分）
! " ! " ! ｋｈ! Ｈ＋! ｋｈ! Ｈ＋Ｑ＝! Ｈ（潜水部分）! " ! " ! ｘ! ｙ初始条件和边界条件：
（ｘ，ｙ，ｔ）│＝Ｈ（）Ｈ０ｘ，ｙ（ｘ，ｙ，ｔ）│ΓＨ１＝Ｈ（Ｂｘ，ｙ，ｔ）（ｘ，ｙ，ｔ）Ｔ! Ｈ│Γ２＝ｑ! ｎ式中：
（ｘ，ｙ）∈Ω，ｔ＝０（ｘ，ｙ）∈Γ１（ｘ，ｙ）∈Γ２
结合露天开采进度，通过对井位、井量、井数目进行多次调试，满足剥采要求，确定达产时期４煤组含水岩组疏干水量为４２１４ｍ３／ｄ。
４结论
ｋ——渗透系数；ｈ—潜水含水层厚度；
—渗流计算域；Ω
第二类ΓΓ１、２——渗流计算域的第一类边界、边界；
地下水涌水量计算过程中，充分结合采掘工程的空间关系布置疏干工程，较好地反映了外部条件。针对计算区的水文地质勘探程度不足的状况，在确定模型时，增大了计算域，从而减少计算误差，提高了预报的准确度，为疏干降水孔布置提供了依据。
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
（上接第３８页）破效果得到很大提高，大块率由排间起爆的３．２％降
到斜线起爆的１．４３％。因此，大块率反而会增加，这一点应在现场的施工中
引以注意。
减少抵抗线是降低大块率的一个途径。对于大块率不高的矿山，在保证孔网面积和炸药单耗不变的情况下，减少抵抗线是降低大块率和根底的可行途径。
（４）炮孔底部采用高威力炸药或改变起爆顺序。通常情况下，深孔爆破（尤其是垂直深孔）在底部的阻抗都比较大，因此，为了改善底部破碎质量，防止出现拉底，在底部采用高威力炸药是一项有效的措施。
图２
斜线起爆方法示意图
４结语
１９９７年１０月在北坑９２０水平进行试验：
炮孔采用分两段装药（上段用铵沥蜡炸药，下段用硝铵类的铵梯炸药），起爆方式将原来的多排微差起爆改为斜线微差起爆（见图２），孔内微差（上部较底部延迟３５ｍｓ），在装药量保持不变的情况下，爆
通过对南露天矿深孔松动爆破产生非规格大块和根底的原因分析，并采取有效的技术措施，从根本上扭转了大块率高、拉底多的被动局面，基本上满足了生产的要求，提高了经济效益，同时也完善了该矿的爆破工艺技术。
采矿工程
露天采矿技术
２００７年第４期・３９・
采掘场地下水涌水量计算
金祎民
（中煤国际工程集团沈阳设计研究院，辽宁沈阳１１００１５）
摘要：地下水涌水量预测是确定采掘场疏干系统布置的前提。对胜利东二号露天区的水文地质条件进
行分析，确定计算域补、径、排条件和边界条件，利用有限单元数值法计算不同阶段采掘场４煤含水岩组地下水涌水量。
关键词：数值法；有限单元；渗透系数中图分类号：ＴＤ８２４．６
文献标识码：Ｂ
文章编号：１６７１－９８１６（２００７）０４－００３９－０２西部低，地面标高９９０～１１１０ｍ。
对露天开采构成影响的主要含水层为：第四系孔隙潜水含水层和白垩系含煤组裂隙承压水含水岩组。后者分为４煤组裂隙承压含水岩组、５煤和６煤组裂隙承压含水岩组、６煤组以下裂隙承压含水岩组。第四系孔隙潜水含水层分布于ＤＧ０７号、１４６号、
１引言
地下水及地表水对露天开采的影响非常大，轻者降低剥采效率，严重时淹没采掘场坑底道路及采掘、运输设备，导致露天矿停产，因此应高度重视露天矿疏干排水工作。采掘场疏干排水是一个直接影响矿山生产是否能正常运转及矿山成本的重要问题，因而预测采掘场地下水涌水量一方面为设计排水能力提供依据，另一方面可以预测采掘场排水对周围地区水环境的影响。矿床疏干水文地质理论计算分为解析法和数值法２种。解析法是根据地下水运动的基本原理，对自然界的水文地质条件进行必要的简化后，用所推导出来的公式进行计算。数值法从数学上来说是一种近似解，但对解决水文地质条件复杂的矿区疏干水文地质计算，往往比解析法得到更满意的结果。数值法能模拟出矿区的复杂水文地质条件和地下水流动状态，而解析法则难以办到。因此，矿床疏干水文地质数值解法，比用简化矿区水文地质模型而导出的解析公式所得的计算结果更接近实际。目前在地下水计算中使用的数值法主要有有限差分法和有限单元法。本文采用有限元法对胜利东二号露天煤矿进行水文地质计算。计算时有限元法计算程序能够自动生成单元网格，能够显示模型结果的图形，减少了地下水涌水量及水位计算的时间，为整个疏干设计周期的缩短打下了良好的基础。
２２－１１号、２０－８号及１８－４号孔连线以西，岩性以细
砂为主，底部有砂砾石层，厚度由东向西逐渐变厚，单位涌水量０．２２～０．５４Ｌ／ｓ．ｍ，渗透系数０．８８～１．０１ｍ／ｄ。
４煤组裂隙承压含水岩组南起煤层露头及Ｆ８断层，
北至１０２号孔、３８－２号孔与３６－５号孔所确定的零北向中间有增点线；岩性以煤层为主，其厚度由南、
厚的趋势，南部和北部厚度一般５～１０ｍ，而中间部位的２０－１０号、２０－１３号及２８－１３号孔范围内厚度可达１０～１５ｍ，平均厚度为１１．７ｍ，单位涌水量０．００
５～０．０４０Ｌ／ｓｍ，渗透系数为０．０１４～０．３６１１ｍ／ｄ，富・
水性弱。５煤和６煤组裂隙承压含水岩组分布范围与
４煤组一致，南起煤层露头及Ｆ８、Ｆ８－１、Ｆ２－１断层，至北
部边界；岩性以煤层为主，由南北两个方向向中间变厚，首采区含水岩组厚度一般为６０～１００ｍ；单位涌水量０．０１８２～０．０２８１Ｌ／ｓｍ，渗透系数０．０２～０．０３１７ｍ／・
ｄ，富水性弱。对６煤组以下的基岩裂隙水仅作概略
的了解，据２２－７号孔抽水资料，含水层的埋藏深度
２９２～３７０ｍ，厚度为１１．２０ｍ，水位标高９９１．２７ｍ，降
深１２～３８ｍ，单位涌水量为０．０１９～０．０２０Ｌ／ｓ・ｍ，平均渗透系数为０．１７４ｍ／ｄ，富水性弱。露天区分布有
２矿区水文地质条件
胜利东二号露天区位于锡林河东侧，本区属锡
Ｆ８、Ｆ８－１、Ｆ２、Ｆ２－１、Ｆ９断层，皆为正断层，其导水性有待
进一步查明。
流域内潜水与地表水的补给来源主要为大气降水，其次是侧向径流补给。锡林河为该区潜水与地表水的排泄区。承压水主要接受侧向径流补给，并向下游径流。在露天开采条件下，采掘场排水成为主要排
林浩特盆地水文地质单元的一部分，地势为东部高，
收稿日期：２００７－０５－２２
作者简介：金祎民（１９７１－），男，辽宁海城人，工程师，
１９９３年毕业于华北水利水电学院，现在中煤国际工程集团沈
阳设计研究院从事疏干、防排水设计咨询工作。
・４０・
露天采矿技术
２００７年第４期
Ｑ——抽水率；
采矿工程
泄方式。
根据含水层分布范围和富水性的差异，确定４煤组裂隙承压水、５煤和６煤组裂隙承压水为达产时期采掘场主要充水因素。现采用有限单元数值法计算４煤组含水岩组地下水涌水量。
ｑ——阻水边界单宽侧向补给量；Ｓ——承压含水岩组的储水系数；
——潜水含水岩组的给水度；μ
（头）；Ｈ—含水层的水位
３４煤组含水岩组地下水涌水量计算
针对水文地质边界条件不清的特点，为提高计
Ｈ０——含水层的初始水头；ＨＢ——边界Γ１上给定的水头；Ｔ——导水系数；
ｎ——边界Γ２的外法线方向。
数值方法采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元法，三角形单元，线性插值，计算域的面积约３８．９ｋｍ２，计算区共剖分
算的准确度，将计算边界外扩。计算区将Ｆ８断层、４煤露头线和Ｆ２－１断层的连线按二类边界处理，其它按一类边界处理。含水层渗透性能为各向同性。
根据上述水文地质模型，建立有限单元数值法计算的二维非稳定流的数学模型：
７５５个单元，７１３个节点。计算区参数值见表１。
表１
分区渗透系数／ｍ・ｄ－１单位储水系数
给水度
各分区水文地质参数表
Ⅰ０．３６１０．００００５０．００１
Ⅱ０．０１４０．００００１０．００１
! Ｔ! Ｈ＋! Ｔ! Ｈ＋Ｑ＝Ｓ! Ｈ（承压水部分）
! " ! " ! ｋｈ! Ｈ＋! ｋｈ! Ｈ＋Ｑ＝! Ｈ（潜水部分）! " ! " ! ｘ! ｙ初始条件和边界条件：
（ｘ，ｙ，ｔ）│＝Ｈ（）Ｈ０ｘ，ｙ（ｘ，ｙ，ｔ）│ΓＨ１＝Ｈ（Ｂｘ，ｙ，ｔ）（ｘ，ｙ，ｔ）Ｔ! Ｈ│Γ２＝ｑ! ｎ式中：
（ｘ，ｙ）∈Ω，ｔ＝０（ｘ，ｙ）∈Γ１（ｘ，ｙ）∈Γ２
结合露天开采进度，通过对井位、井量、井数目进行多次调试，满足剥采要求，确定达产时期４煤组含水岩组疏干水量为４２１４ｍ３／ｄ。
４结论
ｋ——渗透系数；ｈ—潜水含水层厚度；
—渗流计算域；Ω
第二类ΓΓ１、２——渗流计算域的第一类边界、边界；
地下水涌水量计算过程中，充分结合采掘工程的空间关系布置疏干工程，较好地反映了外部条件。针对计算区的水文地质勘探程度不足的状况，在确定模型时，增大了计算域，从而减少计算误差，提高了预报的准确度，为疏干降水孔布置提供了依据。
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
（上接第３８页）破效果得到很大提高，大块率由排间起爆的３．２％降
到斜线起爆的１．４３％。因此，大块率反而会增加，这一点应在现场的施工中
引以注意。
减少抵抗线是降低大块率的一个途径。对于大块率不高的矿山，在保证孔网面积和炸药单耗不变的情况下，减少抵抗线是降低大块率和根底的可行途径。
（４）炮孔底部采用高威力炸药或改变起爆顺序。通常情况下，深孔爆破（尤其是垂直深孔）在底部的阻抗都比较大，因此，为了改善底部破碎质量，防止出现拉底，在底部采用高威力炸药是一项有效的措施。
图２
斜线起爆方法示意图
４结语
１９９７年１０月在北坑９２０水平进行试验：
炮孔采用分两段装药（上段用铵沥蜡炸药，下段用硝铵类的铵梯炸药），起爆方式将原来的多排微差起爆改为斜线微差起爆（见图２），孔内微差（上部较底部延迟３５ｍｓ），在装药量保持不变的情况下，爆
通过对南露天矿深孔松动爆破产生非规格大块和根底的原因分析，并采取有效的技术措施，从根本上扭转了大块率高、拉底多的被动局面，基本上满足了生产的要求，提高了经济效益，同时也完善了该矿的爆破工艺技术。