马路坪矿矿岩渗透特性研究及涌水量预测.pdf

中图分类号 U D C X 9 1 3 ．4 6 2 6 硕士学位论文 学校代码 Q 三三3 密级公开 马路坪矿矿岩渗透特性研究 及涌水量预测 R e s e a r c ho nr o c kp e r m e a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n d p r e d i c t i o no f w a t e ri n f l o wi nM a l u p i n gM i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 余佩佩 矿业工程 安全技术及工程 资源与安全工程学院 赵国彦教授 答辩委员会主席 中，南大学 2 0 1 4 年5 月 名蝴 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 万方数据 马路坪矿矿岩渗透特性研究及涌水量预测 摘要随着矿山深部开采的进行，地下涌水逐渐成为一个影响矿山开 采的重要因素。井下大量涌水易造成矿岩泥化、作业条件与安全性变 差、矿石损失贫化加大、运输困难等一系列问题，严重制约着矿山大 规模安全高效开采的进行。为保证矿山正常运转和生产，井下防排水 就显得尤为重要，而准确掌握、预测井下涌水量则是进行矿山疏干设 计的必要前提。针对贵州开磷集团马路坪矿区大水矿床开采现状，本 文相应开展了矿岩渗透特性及矿区涌水量预测两个方面的研究。其主 要研究内容如下 1 深入矿区现场调查，广泛收集矿区水文地质资料。在此基 础上分析了矿床地下水动态特征及水力联系，查明矿床充水因素及充 水通道。 2 对矿区透水岩层典型岩石白云岩和磷块岩进行取样加工并 在室内开展了矿岩渗透性试验，研究了不同围压．轴压组合作用下矿 岩渗透性变化规律，采用线性拟合方法获得了上述两种岩石渗透率在 矿区低围压条件下的近似线性计算公式。 3 对矿区上盘围岩节理裂隙进行了详细的工程地质调查，并 在此基础上采用M a t h e m a t i c 软件编程对工程岩体渗透系数进行了计 算，获得了矿区不同中段上盘围岩的渗透系数分布范围。 4 基于最小二乘法基本原理，采用支持向量机理论建立了矿 区涌水量的L S ．S V M 预测模型。以矿区2 0 0 7 - 2 0 1 2 年涌水量实测数 据为样本对模型进行训练，并对矿区2 0 1 3 年1 - 6 月涌水量进行了预 测。将预测结果同动态神经网络预测值进行了对比，结果表明 L S ．S V M 预测模型预测结果精度更高，能够满足工程实际需求。 5 为满足矿山安全生产的要求，在上述研究的基础上提出了 矿区防治水及排水安全技术措施，主要包括矿区地表防治水措施、井 下防治水措施及矿井排水安全技术措施。 关键词矿井涌水；渗透特性；L S ．S V M 预测；治水措施 分类号X 9 1 3 ．4 I I 万方数据 R e s e a r c ho nr o c kp e r m e a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n d p r e d i c t i o no f i n f l o wi nM a l u p i n gM i n e p r e d i c t i o no fw a t e ri n f l o wa l u p i n 2i n e A b s t r a c t U n d e r g r o u n dw a t e rg u s h i n gh a sb e c o m i n ga ni m p o r t a n tf a c t o r w h i c hh a sab i gi n f l u e n c eo nt h es a f e t yo fd e e pm i n i n g ．As e r i e so f p r o b l e m ss u c ha so r es l i m i n g ，p o o rs e c u r i t y , h i g hl o s sr a t eo fd i l u t i o na n d t r a n s p o r t a t i o nd i f f i c u l t i e sa r ec a u s e db yt h eg u s h i n gw a t e r , a sar e s u l t ，t h e g o a lt om i n es a f e t y , e f f i c i e n t l ya n de c o n o m i c a l yi sh a l d l yt oa c h i e v e ．I n o r d e rt oe n s u r et h en o r m a l o p e r m i o n a n d p r o d u c t i o n i n m i n e s ， u n d e r g r o u n dw a t e rc o n t r o l i s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t a n dt h ef i r s t n e c e s s a r yjo bt od oi sp r e d i c t i n gt h eg r o u n d w a t e rd i s c h a r g ea c c u r a t e l y ．T o s o l v et h e s ep r o b l e m se x i s t i n gi nM a l u p i n gm i n e ，t h i sp a p e rc a r r i e so u t c o r r e s p o n d i n gs t u d yo no r e b e a r i n gr o c kp e r m e a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n d m i n ew a t e ri n f l o wf o r e c a s t ．T b 毛m 矗r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o i l o w s 1 T h eh y d r o g e o l o g i c a ld a t ao f t h em i n i n ga r e ai sw i d e l yc o l l e c t e d a n dt h ew a t e rf i l l i n gp a s s a g ea n dt h ef a c t o r sw h i c hh a v ea na f f a c to n w a t e rf i l l i n ga r ef i g u r e do u to nt h eb a s i so fa n a l y s i so fg r o u n d w a t e r d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dh y d r a u l i cc o n n e c t i o n ． 2 T w ot y p i c a lk i n d so fr o c k ，d o l o m i t ea n dp h o s p h a t e ，a r et a k e n b a c ki n t ol a b o r a t o r ya n dp r o c e s s e di n t os t a n d a r ds a m p l e s ．T of i g u r eo u t l a wo f r o c kp e r m e a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c su n d e rl o a do fd i f f e r e r tc o n f i n i n g p r e s s u r e a n da x i a lp r e s s u r e ，a n e x p e r i m e n t i sc a r r i e do u ta n dt h e a p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o nf o r m u l a i so b t a i n e db yl i n e a rf i t t i n gm e t h o d ． 3 A ne n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls u r v e ya b o u tt h ej o i n tf i s s u r eo nt h e h a n g i n gh a l li sc o n d u c t e df i r s t l y ．T h e nt h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to f c o r r e s p o n d i n g r o c km a s si sc a l c u l a t e du s i n gt h eM a t h e m a t i cs o f t w a r ea n d t h er o u g hd i s t r i b u t i o nr a n g eo fr o c km a s sp e r m e a b i l i t yc o e f f i c ．i e n ti s w o r k e do u t ． 4 AL S S V Mp r e d i c tm o d e lo fm i n ew a t e ri n f l o wi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h et h e o r yo fs u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea n dt h ep r i n c i p l eo ft h e l e a s ts q u a r em e t h o d ．T h ed a t ao ft h em i n ew a t e ri n f l o wf r o m2 0 0 7t o 2 012i su s e dt ot r a i nt h em o d e la n dt h em i n ew a t e ri n f l o wf r o mJ a n u a r yt o J u n e2 013i sp r e d i c t e da f t e rt h em o d e li sw e l lt r a i n e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h eL S ．S V M p r e d i c t i o nm o d e l i sm o r ea c c u r a t et h a nD y n a m i cN e u r a l I I I 万方数据 N e t w o r kS Oi tc a nm e e tt h ed e m a n do f p r a c t i c a le n g i n e e r i n gw e l l ． 5 S e v e r a lw a t e rc o n t r o lm e a s u r e sm i a n l yi n c l u d i n gt h es u r f a c e w a t e rc o n t r o l m e a s u r e s ，u n d e r g r o u n dm i n ed r a i n a g es a f e t yt e c h n i c a l m e a s u r e sa n dt h em e a s u r e sf o r p r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fw a t e ra r e p r o p o s e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f s a f e t ym i n i n ga tl a s t ． K e yw o r d s m i n ei n f l o w , p e r m e a b i l i t y , l e a s ts q u a r e s s u p p o r tv e c t o r m a c t u n e ，p r e d i c t i o n ，w a t e rc o n s e r v a n c ym e a s u r e s ． C l a s s i f i c a t i o n X 913 ．4 I V 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A b s t r a c t ．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯．⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯．．．．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1 矿岩渗透特性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．2 涌水量预测研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 研究区域概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 自然地理概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．1 矿区地理及交通位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．2 研究区范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．3 水文气象条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 成矿控矿条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．2 ．1 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．2 构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 4 2 ．3 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．1 含水层特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．2 岩溶发育特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 地下水动态特征及水力联系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 矿床充水条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．5 ．1 充水通道分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．5 ．2 充水因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 矿岩渗透特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．1 岩石渗流特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．1 试验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．2 岩样加工与基本物理参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．3 试验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 V 万方数据 3 ．1 ．4 试验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 矿床岩体渗透特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l 3 ．2 ．1 矿区岩体结构面统计与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．2 ．2 裂隙测量法确定渗透张量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 矿区涌水量预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．1L S ．S V M 预测模型简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．1 ．1S V M 的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．1 ．2L S ．S V M 的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．2 马路坪矿区涌水量预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．2 ．1 涌水量数据特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．2 ．2 基于L S S V M 的矿区涌水量预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 矿区防排水安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 5 5 ．1 矿区防水安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 ．1 地表防水安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．1 。2 井下防水安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．2 矿井排水安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 6 ．1 结{ 沦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 攻读学位期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 V I 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 概述 在矿山实际开采过程中，时常发生矿井涌水淹井的事故，计算单位时间内井 下巷道和各开拓系统内的水量即为矿井单位时间的涌水量【l J 。井下涌水量大小不 仅是作为矿山开采建设收支额度、矿床技术经济评价的一个重要指标，还是判定 矿床水文地质条件复杂程度的重要依据之一。另外涌水量大小还是矿山确定合理 的开采方案和治水方案的一个重要依据。因而，在实际水文地质调查过程中，分 析井下涌水的来源、途径，并在此基础上，选择合理的方法对矿山开采各个阶段 的涌水量进行准确预测有着十分重要的意义【2 - 引。 准确分析矿床的充水条件，并选择合理的计算参数，对正确预测矿坑涌水量 有决定性作用。但是矿井涌水量受多种因素影响，因矿区地形不同而存在差异， 使矿坑涌水问题变得更为复杂。。由于矿井突水造成的生产事故时有发生，严重影 响和威胁着矿山的正常开采及人员的生命安全。2 0 1 0 年3 月，山西省王家岭矿发 生井下突水事故，造成3 8 名工作人员失去性命，财产损失高达4 9 3 7 万元。随着 矿山开采不断延深，井下受涌水威胁也越来越严重，突水事故发生频率越来越高， 在面对惨痛的教训的同时，我们也应该加强矿山安全生产工作，密切关注矿坑涌 水动态，做好突水预测预报工作，力求准确预测矿坑的涌水量，为矿区防治水制 定制定合理的方案。 本论文主要研究贵州开磷集团马路坪矿区进入深部开采后矿坑涌水量预测问 题。开磷集团在建矿初期，以露天开采方式出矿，经过几十年的采矿工作，地表． 矿石资源不断减少，为充分利用磷矿资源，矿山现己逐渐转为地下开采。随着开 采的深入，地下涌水逐渐成为影响矿山生产的一个主要因素。由于矿体大水，造 成地下淋水量大、矿石泥化、安全性差、贫化损失率高、运送困难等一系列问题， 制约着矿山大规模高效开采的进行。为满足矿山开采需要，对矿区的水文地质条 件和地下水运动规律进行深入调查，分析矿山涌水规律，对矿区井下涌水量进行‘ 预测，为矿山防排水工作提供参考依据。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 矿岩渗透特性研究现状 国内外有关岩体渗透特性的研究，主要是集中在岩体渗透系数或渗透张量确 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 定、岩体渗流模型和渗流场模拟三个方面【4 - 5 J 。 一 裂隙岩体渗透张量 渗透系数 确定方法研究 裂隙岩体渗透系数的确定方法主要有三种现场试验法、裂隙测量法和裂隙 网格数值试验法。 1 现场试验法 常用的确定岩体渗透张量 渗透系数 的主要试验方法有单孔、交叉孔、群 孔和三段压水试验、抽水试验、渗水试验和示踪试验。 单孔压水试验 L u g e o n 试验 的前提条件是认为岩体为各向同性介质，根据 试验中压力与流量的数据关系来分析岩体的渗透特性，试验获得的渗透特性指标 即为岩体的渗透系数 非渗透张量 ，是目前应用最广的压水试验。随后为获得岩 体的渗透系数张量，国内外的学者陆续提出了不同方向的压水试验、三段压水试 验同和交叉孔压水试验f 7 1 等方法。但是由于这些试验方法本身存在缺陷，因而在 实际中并没有得到广泛应用。用于测定渗透张量的三段压水试验，为保证试验结 果的准确性，必须要求钻孔只穿过一组裂隙且垂直，但是当存在三组以上裂隙或 者各组裂隙不正交时，则很难做到这一点，因而该试验方法一般不易完成，难以 达到理想的效果。又因为试验需要花费较多经费，故只允许在条件具备的实验室 内应用。交叉孔压水试验方法在工程中不常应用的原因也在于试验成果不理想等 问题，如在三峡工程周边山体的实际应用中，试验测得岩体渗透系数就不令人满 意，跟实际情况差别较大。用抽水试验确定岩体渗透系数的方法是由P a d a p a u l o sI S t 8 1 首次提出，不过该方法在工程中多用于裂隙岩体渗透系数的初步确定。原因在 于进行抽水试验时，由于无法保持供电电压的持续稳定，所以不能保证有连续的 抽水水流。另外岩体的内部裂隙结构分布复杂，因而无法获得较详尽的空间分布 图。示踪试验和渗水试验一般多用于求取指定目标的渗透系数。周志芳，张世荣 等就利用渗水试验求得某特定平硐岩体的渗透系数【9 】。 2 裂隙测量法 国外研究学者S n o wDT t l 0 】于1 9 6 9 年提出裂隙岩体的渗透张量公式 朋 朋∥f 如bk1 肚善K 2 善嚣【乏2 乏J ‘ “- 1 ’ 这是目前计算渗透张量的主要公式。S n o w 依据立方体定律，将岩体内部各裂 隙的渗透张量进行累加，这种假定与实际裂隙存在一定偏差，因而后人在其基础 上对渗透张量公式提出了添加一个修正系数，修正系数主要从裂隙粗糙度、裂隙 网络连通性、压水试验、反演法等方面考虑。 我国学者钟启明等人通过研究得到，对于同时存在单组和多组裂隙的岩体， 2 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 其渗透系数具有轴对称的特点，因而可以对岩体的渗透张量进行坐标转换，形成 一个只由主渗透方向渗透系数组成的多维矩阵，通过矩阵转换得到由主渗透系数 为变量的的渗流方程。 3 裂隙网络数值试验法 离散裂隙网络数值试验法于1 9 8 2 年得到发展并广泛应用，该方法最早是由 L o n g 等【1 1 l 提出用来确定裂隙岩体的典型渗流单元体 R E V 和等效渗透张量，随 后被W a n gM 等【1 2 J ，M i nK i ．B o k 等【1 3 J 国内外大批学者采纳并发展应用。 只要准确测量出岩体渗流过程中裂隙的几何要素和概化均质区，利用该试验 方法就能得出岩体渗透单元体积大小和渗透张量。但是并非所有岩体渗流都存在 R E V ，因为岩体裂隙发育复杂多变，其中一些裂隙岩体其渗流就不存在典型单元 体积，或者说渗透单元体积随测量尺度发生改变【I 4 ‘。 二 岩体渗流模型 1 9 7 4 年国外学者L o u r i sC t l 5 】将岩体定义为完整岩石和裂隙的综合体。他提出 有关岩体渗流的研究工作主要是集中在岩体裂隙的渗流研究上面。因为完整岩石 属于均匀连续介质，相关的理论研究已经相当成熟。但是节理裂隙作为水流经岩 体的重要途径，其相关研究还较为缺少。作为岩体渗流的主要研究内容之一，根 据裂隙渗流的特性，国内外大批学者通过研究后提出以下几种典型的岩体渗流 模型，如针对只含单组裂隙岩体的单裂隙模型，针对含多组裂隙岩体的裂隙岩体 模型等，其中裂隙岩体模型包括等效连续介质或等效多孔介质模型、离散裂隙 网络模型、双重介质模型等I 蛤1 。7 1 。 1 单裂隙渗流模型 有关裂隙岩体渗流的理论研究越来越多，但其最基础的理论为单裂隙渗流模 型。对于只含单组裂隙的岩体而言，我们通常认为其内部裂隙相互平行且互不接 触，我们把这种假设称为“平行板模型”。岩体渗流公式中关键是要确定裂隙的宽 度，国内外学者先后提出过采用中线测量法【1 扪、球面法【1 9 1 、平均值法f 2 0 】以及 T s a n gYW 提出的“沟槽模型”等方法测量裂隙的宽度。其中“沟槽模型”理论被 J e o n gW 等人通过多种方法得到了应证【2 1 。2 2 1 。但是由于岩体内部裂隙分布随机， 导致沟槽模型分布复杂难以建立，因而该模型只停留在理论提出阶段。单裂隙渗 流模型一般通过修正系数的矫正，都可以取得理想的计算结果，因而目前仍在广 泛使用。单裂隙渗流受到包括应力大小及分布状态、节理裂隙状态 如粗糙度、 填充状态、宽度 以及所受荷载等因素的影响。 2 等效连续介质模型 该模型用来模拟裂隙岩体的各向异性连续介质具有对称渗透张量，并采用连 续介质理论描述了该模型的渗流方程。 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 该模型认为岩体中的水均匀充斥在整个岩体介质空间中，不存在裂隙优先流 动的可能。L o n g 等提出等效介质理论在实际应用时应满足两个前提条件 1 岩 体的渗透特性与岩体体积无关，不因体积变化而发生变化。 2 假定渗透张量是 对称的，也就是说研究对象的方向渗透率在特定坐标系内可以用一个椭圆图形表 示。另外在一些实际问题中，还应保证研究区域的范围要能够满足特征单元体的 大小。等效连续介质模型的简便之处就在于无需知道岩体内部每条裂隙的具体位 置和详细的水力特性，可以直接沿用连续介质理论进行分析，因而得到广泛应用。 3 离散裂隙网络模型 该模型不考虑岩块的孔隙，假定岩体内部的裂隙分布满足概率统计的规律， 成离散型分布，地下水在该离散裂隙网络系统中运动。离散裂隙网络模型试图以 单裂隙渗流理论原理来得出裂隙系统的真实渗流特征。该模型最早由W i t t k e 提出， 其优点就是仿真性好、精度高，因而成为国内外目前研究裂隙岩体渗流、确定岩 体渗透张量的主要方法。但是由于受测量方法和运算量的限制，岩体内部的裂隙 分布规律遵从概率统计的特点，并非完全真实的裂隙分布状态，所以对于密集裂 隙岩体而言，工作量太大，不容易实现【2 3 - 2 4 ] 。 4 双重介质模型 双重介质渗流模型认为岩体是由两种介质 孔隙介质和裂隙介质 相结合组 成的，并具有这两种介质的综合特性，该模型最早由B a r e n b l a t tGI 提出1 2 5 1 。而后 Z i m m e r m a n 提出了改进的“双重介质模型”，在原有的基础上研究裂隙岩体渗流随 时间的变化规律，建立起时间．岩体渗流的非线性体系【2 6 】。 双重介质模型有狭义和广义之分，我国所采用的广义双重介质模型是把岩体 看做是一个由连续介质和非连续介质组成的综合体。对于岩体中的连续介质部分 即岩体中的次要裂隙 ，则采用理论较为成熟，适用于大范围的工程岩体研究的 连续介质模型，而对于岩体中的非连续介质部分 即岩体的主要裂隙 ，则采用能 较精确反映岩体的渗透规律的离散裂隙网络模型。结合两者的优点，对岩体的渗 透特性进行研究。因而属于渗流研究中一种较为行之有效的方法。 三 岩体渗流模拟 ．岩体渗流分析经历了从最初的观察试验法到解析数学法再到如今的数值模拟 法，有了飞跃的发展。在研究初始阶段，法国工程师H e n n r yD a r c y 通过试验法得 出达西定律，成为1 9 世纪具有代表性的成果。而后J ．B o u s s i n e s r 在1 9 0 4 年提出地 下水非稳定流的偏微分方程，为解析数学法奠定基础。今天很多研究岩体渗流的 软件得到开发，如F e f l o w 、M o d f l o w 等，为研究者们提出了一种新的研究手段【2 7 。2 8 1 。 1 ．2 ．2 涌水量预测研究现状 长期以来，国内外专家学者都在致力于研究如何准确的预测矿井涌水量，为 4 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 寻求各种切实可靠的数学方法来预测矿坑涌水量大小而努力t 2 9 - 3 0 l 。但是由于矿井 涌水受多种因素影响，是一个复杂的问题，另外又很难获得较精确的各类水文地 质参数【3 1 1 ，因而目前矿井涌水量的预测方法大致可分为下列两种大的类型【3 2 ’3 3 1 。 1 确定性数学方法 ①水均衡法 水均衡法1 3 4 l 是依据矿山开采水体收支平衡的原理，通过己知的水流量，反求 未知水流量的一种预测方法。该方法要求须对矿山地下水的补给和排泄量都有明 确的记录，因而须在矿区上下建立一个动态的观测站，记录矿区每日地下水流收 入和支出，为矿井涌水量预测提供数据支持。依据水体收支平衡的原理，董兴文 [ 3 5 1 根据矿区地表洪水流量涨退情况预测出矿井的最大涌水量，预测结果与实际相 符，说明该方法切实可行。 ②解析法 解析法分为稳定流解析法和非稳定流解析法，是目前最常用的基本方法p 。 该方法主要是根据矿区的实际情况，对矿区地形井下合理的划分，然后选择相对 应的公式进行计算，可用于各种不同类型的巷道。运用解析法时要求充分分析井 下各岩层含水情况、岩体渗透系数以及矿区的边界条件。李再兴、梁杏【3 8 】等人运 用大井法对某水电站地表基坑随大气降水入渗地下的水量进行了预测，预测结果 符合实际情况。曹楠【3 9 】等分析西藏自治区雄村矿的水文地质条件，运用大井法对 矿区涌水量进行预测，为工程设计提供了可靠依据。 ③数值法 数值法是指通过计算机数值模拟软件对目标岩体的特定结构及其限定条件进 行分析识别，并对计算对象作出近似预测的一种方法。在实际应用中最广泛的是 有限元差分法和单元法。国外早期学者S o u t h w e l l f 4 们、A l i e n 等【4 1 1 人在其著作中分 别论述了有限差分法的具体实现过程，1 9 6 8 年C h a r l e s1 4 2 】研究分析了交替隐式差 分法的具体计算过程，随后1 9 7 7 年N e u m o n [ 4 3 】公开发表文章专门讲述了强隐式 差分法的理论研究。针对受水患威胁的鹤壁矿区，潘国营m 】运用V i s u a lM o d f l o w 软件根据矿区地下水特征及其边界条件建立数值模型，对井下涌水量进行预测， 为矿山制定合理的防排水方案提供参考依据。孙亚军等1 4 5 】运用F E F L O W 软件对 某景区地下水实况井下仿真模拟，得出该区域水流外泄的原因【4 6 J 。 2 非确定性数学方法 ①水文地质比拟法 水文地质比拟法[ 4 7 1 是指通过类比两个矿井的水文地质条件，如两矿井的地质 条件相似度很高，则可将己生产矿井的涌水量观测资料用来类比预测新建矿井涌 水量的一种传统预测方法，其中已知矿井与新建矿井的开采条件要基本相同。根 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 据所用指标的不同科分为富水系数法和单位涌水量法。富水系数法是指当被预测 矿井的富水系数与已开采矿井的富水系数是一样的情况下，富水系数与该矿的设 计采矿量乘积即为被预测矿井的涌水量，其中富水系数为单位时间里矿井抽水量 与采出矿石量的比值。单位涌水量法则是指两矿井的涌水量都和井下开采面积和 水位降深呈比例关系，只需求出己开采矿井的单位涌水量，通过线性关系即可得 到目标矿井的涌水量。咎雅玲等t 4 S l 调查分析了勘探区的水文地质条件后，发现其 与某煤矿的水文地质条件类似，可利用水文地质比拟法进行涌水量的预测，结果 表明用该方法预测的结果较为接近，表明水文地质比拟法简单好用，但是不宜用 于较为精准的预测。 ②点网络模拟法 点网络模拟方法兴起于1 9 5 0 年，并在随后的十几年间得到广泛应用，用于矿 井涌水量预测主要包括稳定和非稳定两种模型。1 9 6 0 年间大庆油田运用点网络模 型对油田井下涌水量进行预测，结果证明该模型有良好的应用性。点网络模拟法 在水文地质条件复杂的矿井中应用时较有优势，能节省大量时间，减少计算量， 其运行方法和程序与数值法类似。 ③灰色系统理论 灰色系统理论是一种将数学方法与抽象系统相结合的理论方法，由邓聚龙教 授于1 9 8 0 年提出【4 9 l 。一般传统预测模型建立的关键是要确定合适的预测因子， 各因子之间相互关联但又互不干扰，然后通过预测因子建立模型。与传统预测方 法相比，灰色系统理论对样本的容量和特征要求不高，且计算量小。基于这些优 点，该模型己在各个领域得到广泛应用。杨永斟5 0 】针对山东某矿月涌水量建立了 预测模型，利用该理论对趋势项进行拟合并引入时间序列对随机项进行了分析， 成功对该矿涌水量进行了预测。穆勇针【5 l 】对灰色预测模型在实际应用中的不足， 提出一种新的灰色无偏G M 1 ，1 模型，应用效果良好【5 撕孔。 ④神经网络方法 神经网络方法兴起于1 9 8 0 年，其基本原理是模仿人类大脑的结构和功能而形 成的一种非线性的信息处理系统，该系统具有较好的自学能力，对于处理非线性 逼近问题有良好的效果。吴翠娟针对南屯煤矿2 0 0 2 ．2 0 0 4 年间涌水量数据建立了 神经网络预测模型，预测结果误差较小，远小于工程许可误差。 综上所述，以上介绍的这些预测方法都有各自的适用范围，并在实际应用中 均取得良好的预测效果。例如神经网络法虽有各种优点，但也存在一些缺点，如 计算复杂困难，不易选择到合适的参数，且当样本数量较小时，精度明显下降。 另外这些方法的提出和改进原理均是以提高预测精度为目标，但是在实际应用中， 预测效率也十分重要，不容忽略。当样本数量较大时，预测效率甚至成了首要考 6 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 虑的问题。目前关于提高预测效率的算法越来越多，为减少支持向量机算法的计 算量，提出基于最小二乘法的支持向量机算法就有效的简化了计算的工作量，其 将等式约束代替S V M 模型中的不等式约束，更利于预测模型在实际中应用。因 而，本文选择利用L S ．S V M