【提要】
岩溶管道流主要分布在我国的南方，尤以西南最发育。岩溶裂隙、管道含水极不均匀。暗河管道的流量与降雨补给面积成正比。地下水位升降迅速、变幅大。暴雨矿坑涌水量很大，给采矿带来巨大危害。因此正确预测、预
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【提要】
岩溶管道流主要分布在我国的南方，尤以西南最发育。岩溶裂隙、管道含水极不均匀。暗河管道的流量与降雨补给面积成正比。地下水位升降迅速、变幅大。暴雨矿坑涌水量很大，给采矿带来巨大危害。因此正确预测、预
报矿坑最大涌水量很重要。由于暗河管道充水的矿床一般水文地质条件复杂，难于用常规的钻孔抽水试验及基于渗流理论的水动力学方法来预计这类复杂矿坑的涌水量。
这类裸露型的岩溶矿床，常位于分水岭地段，适合采用非渗透型确定型模型---水均衡方程进行矿坑涌水量预测。水均衡法不仅可以预测矿坑正常涌水量，而且可以预计设计必须的最大涌水量。但是，使用均衡法计算时，由于天然水均衡场受到矿坑采动等因素的影响，使渗入系数、均衡期、最大用水量起峰期等参数难于确定。这些问题长期妨碍水均衡法的广泛应用。
本文利用集中参数系统，以宏观的方法，从研究地下水动态均衡着手，找出均衡参数与动态过程曲线的相关关系。该方法实质就是用简明的均衡后果来反映矿坑复杂水文条件的前因。用简捷方法，解决确定渗入系数随意性大和预计最大涌水量的困难问题。实践证明，只要查明矿坑充水条件，正确确定各项参数，用水均衡法预计矿坑的最大涌水量，能取得较理想效果。
1
南方裸露石灰岩地区的地下水位虽埋藏较深，但下渗补给时间很短，且降雨蒸发散失量较小，故暗河补、排和储存量的均衡关系可近似用下式表示：
(
式中
Qd——排泄流量（m3/h);
ΔV——地下水储量的增量（m3）；
——地下水调节储量变化率。
根据一次暴雨后，暗河补、排流量和水位过程曲线的旋回变化模式（图1），在图1中：
图1
（a）补排流量曲线；（b）地下水位曲线；（c）暗河调节储量变化曲线。
曲线综合显示暗河最高水位与最低水位的储水体积变化；
当暗河接受降水补给后，在T1～T2时段水位急剧上升，补给量和调节储量增加，Qp＞Qd
在非降水的T2～T3时段，Qp＜Qd，储存量在消耗、减小、为－()，地下水位逐渐下降；
当暗河Qp＝Qd，即t＝T2、t＝T3时，地下储存水量不增不减
在T1～T2时段Qp＞Qd，其降雨补给流量之总和：
(图1-c曲线)
而在T2～T3时段Qp＜Qd，其消耗储量之总和：
这就表明，在相同地下水位标高（简称水位重合h=ha）的T1～T3时段的变化周期中（或旋回期）P1=P2（因），故补给总量与排泄总量相等：
即Vp=Vd
依据上述推论，只要对暗河主径流量水位与排泄量（或矿坑涌水量）进行系统观测，在动态曲线上，截取降雨前后水位周期变化出现的重合时段（均衡周期），以该时段的地下水总排泄流量，即可表达降水后下渗的总补给量。以总补给量（），用下列公式计算渗入系数：
（2）
式中α——大气降水渗入系数（%）；
X——峰期旋回降雨量（m）；
F——补给区汇水面积（m2）；
Vp——降雨下渗补给总量（无地表水补给时），（m3）。
曲线图1中：
T1～T3=T
T1～T2=tm最大排泄流量的起峰时间（h）。
我们知道，渗入系数（α）和最大流量起峰时间（tm）均不是常数，它分别是降雨强度（I）的函数。降雨强度可用下列公式计算；
（3）
式中
Xi——时段的降雨量（mm）；
——降雨时段（h）。
对采矿前（勘探时）和采矿塌陷后的渗入系数（α）和起峰期（tm），我们可以根据不同时期的动态观测资料，用上述方法绘出不同降雨强度相关曲线图2、图3。这样就可从不同时期的曲线图上、求得采矿前后不同降雨强度的渗入系数和起峰时间。
图2
图3
2
暴雨常给采矿造成威胁，预计最大涌水量是矿坑防排水设计的重要依据。众所周知，在一个水文地质单元内，均衡期为一至数个水文年时，此时大气降水入渗量近似等于矿坑平均涌水量（即）。而矿坑短期暴雨入渗水量，则不等于矿坑最大涌水量（出现暂时不均衡），这是由于岩溶管道与坑道对水的调节作用。由此所造成的难点，使现在预计最大涌水量方法和公式各异，且公式中有的参数很难确定（4）、（5）。针对这些问题，我们提出以下见解和新的计算涌水量公式。
鉴于我国南方的暗河流量直接受大气降雨强度控制，且具有明渠流态的特点，暗河与明渠的洪水流量过程曲线相类似。因此，我们可以借助绘制洪水过程曲线的理论和方法预测洪水流量。即“在汇流的洪峰流量过程曲线上（图4），洪峰流量（）与涨水起峰时间（）所组成的矩形面积等于汇流所产生的总水量()，（即）”。其总水量又近似等于一次暴雨补给的总水量：
图4
（4）
式中符号同式（2）。因此，只要在动态过程曲线上（如图1），求得暴雨后最大流量的起峰时间（），最大涌水量就不难确定了。
确定最大涌水量。可分为矿坑开采前（勘探阶段）和开采后（矿坑采动裂隙形成后）的两种情况：
2.1
（5）
式中
——暗河补给汇水面积（）；
——暴雨峰期旋回总降雨量（m）；
——勘探时降雨渗入系数（%）；
——暗河最大流量起峰时间（h）；
——暗河充水系数（%）。为暗河灌入矿坑流量（）与暗河流量（）的比值（即）。可根据邻近水文地质条件相似的生产矿井观测资料分析确定。一般经验值为0.2～0.5。
当矿区在有利条件直接观测暗河出口的最大流量时，矿坑最大涌水量，则等于暗河出口最大流量之和与充水系数的乘积（即）。
2.2
按生产矿坑观测的流量和水位动态资料，预计最大涌水量无须在考虑暗河充水系数（）的影响，其矿坑最大涌水量的计算公式如下：
（6）
式中
——矿坑发生采动裂隙后的渗入系数（%）；
——矿坑最大流量起峰时间（h）；
——峰值旋回降雨量（m）；
公式（6）可用降雨强度资料，及时预测矿坑最大涌水量（）。
当生产矿坑（）值难于确定滞后时，可将坑道洪水流量曲线（）概化为三角形，按均衡期采用下列公式预算最大涌水量：
（7）
式中
如果矿区出现连续暴雨，并有明显降雨间断时，矿坑将形成多次洪峰。此时，应将连续出现的最大流量过程曲线以迭加法（2），对曲线加以修正。然后才能在综合后的流量过程曲线上求得连续暴雨的、、等参数。
3
红岩煤矿位于重庆市万盛区，主采从林向斜（从林河东侧）二叠系煤层。煤层底板茅口组石灰岩为矿坑主要充水含水层，该层暗河发育、海孔暗河从大海孔～小海孔～148号泉，全长2.6km。暗河主要受大海孔、小海孔等洼地的降雨补给，补给面积6.15km2。南茅口巷道在标高+370m，揭穿暗河突水（低于暗河210m），暗河涌水量占全矿总涌水量46%，暴雨后暗河水占全矿涌水量95%。根据1966年～1970年突水点流量观测，补、排近似均衡，观测水文年越长，其均衡流量差越小。根据红岩煤矿海孔暗河补、排的均衡关系，现截取该区1968年7约降暴雨后，实测矿坑流量与钻孔水位的周期变化（图5），采用上述水文过程曲线分析计算方法，推算暴雨后的下渗补给总量和暴雨渗入系数，并计算矿坑最大涌水量，以此作为研讨本方法的算例。
图5
涌水量和参数的计算步骤：
（1）绘制矿坑排泄流量（Q）与CK1号钻孔水位（h）历时过程曲线，与曲线（图5）；
（2）在曲线图上，选取降雨开始前的点，作OT轴的平行线（），使它交于水位曲线在T3时点；
（3）在水位观测资料中，内插与点相同钻孔水位标高（即）的T3点之重合水位标高598.9m；
（4）在过程曲线上，截取与水位对应的T1～T3时段的总排泄量（Vd）。此乃是水文单元内T1～T3时段总下渗补给量（Vp）:
（5）按公式（2）求渗入系数（α），采用参数：补给汇水面积（F）为6150000m2;下渗补给量（Vp）为1229280m3；1968年7月一次集中降雨量为0.323m。按公式求得暴雨渗入系数
（6）采用公式（6）、（7）计算矿坑最大涌水量：
首先，从矿坑动态过程曲线（图5）上，分别求出、参数，（=T1～T2,T=T1~T3）；然后代入公式计算矿坑最大涌水量（表1）
红岩煤矿南茅口坑道1988年7月最大涌水量计算实例
以上事例表明，只要参数采用正确，采用水均衡公式（6）、（7）计算的矿坑涌水量，与实际结果相近。
4
（1）利用动态观测曲线分析计算水均衡参数和最大涌水量，其方法简便，结果可靠。采用这种地区性集中性参数，它不必借助于钻孔抽水试验，也不必考虑岩溶水赋存状况的不均匀性与水动力条件的复杂性，故使本方法尤显优越和经济。
（2）该研究证明，无论在勘探和矿坑开采阶段，坚持地下水长期动态观测和对资料的综合分析，对解决复杂水文地质问题具有重要的实际意义。
（3）本方法主要使用于分水岭的裸露型岩溶、裂隙管道区的矿坑涌水量计算。它不仅可观测矿坑最大的涌水量，也可按一年或多年的动态观测资料，均衡计算出一年或多年的矿坑平均涌水量。文中介绍的动态曲线分析方法，同时还可应用于地下水资源的均衡评价上。
（4）暗渠与明渠的流量过程曲线，正如本文所述，其形状一般都很相似。而当暗河管道中出现喉管时，洪水流量将在暗河喉管上游出现承压节流回水。回水明显时，暗河过程曲线的流量峰值将有所消减，或变成园顶（图5），这是暗河与明渠过程曲线的差异。但这一差异不影响矿坑的补排均衡关系，实践证明，也不影响以上预测方法和公式的运用。但由此而值得注意的是矿区水位观测钻孔应布设在暗河喉道上部的主径流带上，这样钻孔水位与流量的同步变化效果才明显。
参考文献
【1】
【2】
【3】
【4】
【5】
董兴文
邮编：400037
重庆市上桥
手机：13271922656
Email：dxwz68a@sina.com.cn
这类裸露型的岩溶矿床，常位于分水岭地段，适合采用非渗透型确定型模型---水均衡方程进行矿坑涌水量预测。水均衡法不仅可以预测矿坑正常涌水量，而且可以预计设计必须的最大涌水量。但是，使用均衡法计算时，由于天然水均衡场受到矿坑采动等因素的影响，使渗入系数、均衡期、最大用水量起峰期等参数难于确定。这些问题长期妨碍水均衡法的广泛应用。
本文利用集中参数系统，以宏观的方法，从研究地下水动态均衡着手，找出均衡参数与动态过程曲线的相关关系。该方法实质就是用简明的均衡后果来反映矿坑复杂水文条件的前因。用简捷方法，解决确定渗入系数随意性大和预计最大涌水量的困难问题。实践证明，只要查明矿坑充水条件，正确确定各项参数，用水均衡法预计矿坑的最大涌水量，能取得较理想效果。
1
南方裸露石灰岩地区的地下水位虽埋藏较深，但下渗补给时间很短，且降雨蒸发散失量较小，故暗河补、排和储存量的均衡关系可近似用下式表示：
(
式中
Qd——排泄流量（m3/h);
ΔV——地下水储量的增量（m3）；
——地下水调节储量变化率。
根据一次暴雨后，暗河补、排流量和水位过程曲线的旋回变化模式（图1），在图1中：
图1
（a）补排流量曲线；（b）地下水位曲线；（c）暗河调节储量变化曲线。
曲线综合显示暗河最高水位与最低水位的储水体积变化；
当暗河接受降水补给后，在T1～T2时段水位急剧上升，补给量和调节储量增加，Qp＞Qd
在非降水的T2～T3时段，Qp＜Qd，储存量在消耗、减小、为－()，地下水位逐渐下降；
当暗河Qp＝Qd，即t＝T2、t＝T3时，地下储存水量不增不减
在T1～T2时段Qp＞Qd，其降雨补给流量之总和：
(图1-c曲线)
而在T2～T3时段Qp＜Qd，其消耗储量之总和：
这就表明，在相同地下水位标高（简称水位重合h=ha）的T1～T3时段的变化周期中（或旋回期）P1=P2（因），故补给总量与排泄总量相等：
即Vp=Vd
依据上述推论，只要对暗河主径流量水位与排泄量（或矿坑涌水量）进行系统观测，在动态曲线上，截取降雨前后水位周期变化出现的重合时段（均衡周期），以该时段的地下水总排泄流量，即可表达降水后下渗的总补给量。以总补给量（），用下列公式计算渗入系数：
（2）
式中α——大气降水渗入系数（%）；
X——峰期旋回降雨量（m）；
F——补给区汇水面积（m2）；
Vp——降雨下渗补给总量（无地表水补给时），（m3）。
曲线图1中：
T1～T3=T
T1～T2=tm最大排泄流量的起峰时间（h）。
我们知道，渗入系数（α）和最大流量起峰时间（tm）均不是常数，它分别是降雨强度（I）的函数。降雨强度可用下列公式计算；
（3）
式中
Xi——时段的降雨量（mm）；
——降雨时段（h）。
对采矿前（勘探时）和采矿塌陷后的渗入系数（α）和起峰期（tm），我们可以根据不同时期的动态观测资料，用上述方法绘出不同降雨强度相关曲线图2、图3。这样就可从不同时期的曲线图上、求得采矿前后不同降雨强度的渗入系数和起峰时间。
图2
图3
2
暴雨常给采矿造成威胁，预计最大涌水量是矿坑防排水设计的重要依据。众所周知，在一个水文地质单元内，均衡期为一至数个水文年时，此时大气降水入渗量近似等于矿坑平均涌水量（即）。而矿坑短期暴雨入渗水量，则不等于矿坑最大涌水量（出现暂时不均衡），这是由于岩溶管道与坑道对水的调节作用。由此所造成的难点，使现在预计最大涌水量方法和公式各异，且公式中有的参数很难确定（4）、（5）。针对这些问题，我们提出以下见解和新的计算涌水量公式。
鉴于我国南方的暗河流量直接受大气降雨强度控制，且具有明渠流态的特点，暗河与明渠的洪水流量过程曲线相类似。因此，我们可以借助绘制洪水过程曲线的理论和方法预测洪水流量。即“在汇流的洪峰流量过程曲线上（图4），洪峰流量（）与涨水起峰时间（）所组成的矩形面积等于汇流所产生的总水量()，（即）”。其总水量又近似等于一次暴雨补给的总水量：
图4
（4）
式中符号同式（2）。因此，只要在动态过程曲线上（如图1），求得暴雨后最大流量的起峰时间（），最大涌水量就不难确定了。
确定最大涌水量。可分为矿坑开采前（勘探阶段）和开采后（矿坑采动裂隙形成后）的两种情况：
2.1
（5）
式中
——暗河补给汇水面积（）；
——暴雨峰期旋回总降雨量（m）；
——勘探时降雨渗入系数（%）；
——暗河最大流量起峰时间（h）；
——暗河充水系数（%）。为暗河灌入矿坑流量（）与暗河流量（）的比值（即）。可根据邻近水文地质条件相似的生产矿井观测资料分析确定。一般经验值为0.2～0.5。
当矿区在有利条件直接观测暗河出口的最大流量时，矿坑最大涌水量，则等于暗河出口最大流量之和与充水系数的乘积（即）。
2.2
按生产矿坑观测的流量和水位动态资料，预计最大涌水量无须在考虑暗河充水系数（）的影响，其矿坑最大涌水量的计算公式如下：
（6）
式中
——矿坑发生采动裂隙后的渗入系数（%）；
——矿坑最大流量起峰时间（h）；
——峰值旋回降雨量（m）；
公式（6）可用降雨强度资料，及时预测矿坑最大涌水量（）。
当生产矿坑（）值难于确定滞后时，可将坑道洪水流量曲线（）概化为三角形，按均衡期采用下列公式预算最大涌水量：
（7）
式中
如果矿区出现连续暴雨，并有明显降雨间断时，矿坑将形成多次洪峰。此时，应将连续出现的最大流量过程曲线以迭加法（2），对曲线加以修正。然后才能在综合后的流量过程曲线上求得连续暴雨的、、等参数。
3
红岩煤矿位于重庆市万盛区，主采从林向斜（从林河东侧）二叠系煤层。煤层底板茅口组石灰岩为矿坑主要充水含水层，该层暗河发育、海孔暗河从大海孔～小海孔～148号泉，全长2.6km。暗河主要受大海孔、小海孔等洼地的降雨补给，补给面积6.15km2。南茅口巷道在标高+370m，揭穿暗河突水（低于暗河210m），暗河涌水量占全矿总涌水量46%，暴雨后暗河水占全矿涌水量95%。根据1966年～1970年突水点流量观测，补、排近似均衡，观测水文年越长，其均衡流量差越小。根据红岩煤矿海孔暗河补、排的均衡关系，现截取该区1968年7约降暴雨后，实测矿坑流量与钻孔水位的周期变化（图5），采用上述水文过程曲线分析计算方法，推算暴雨后的下渗补给总量和暴雨渗入系数，并计算矿坑最大涌水量，以此作为研讨本方法的算例。
图5
涌水量和参数的计算步骤：
（1）绘制矿坑排泄流量（Q）与CK1号钻孔水位（h）历时过程曲线，与曲线（图5）；
（2）在曲线图上，选取降雨开始前的点，作OT轴的平行线（），使它交于水位曲线在T3时点；
（3）在水位观测资料中，内插与点相同钻孔水位标高（即）的T3点之重合水位标高598.9m；
（4）在过程曲线上，截取与水位对应的T1～T3时段的总排泄量（Vd）。此乃是水文单元内T1～T3时段总下渗补给量（Vp）:
（5）按公式（2）求渗入系数（α），采用参数：补给汇水面积（F）为6150000m2;下渗补给量（Vp）为1229280m3；1968年7月一次集中降雨量为0.323m。按公式求得暴雨渗入系数
（6）采用公式（6）、（7）计算矿坑最大涌水量：
首先，从矿坑动态过程曲线（图5）上，分别求出、参数，（=T1～T2,T=T1~T3）；然后代入公式计算矿坑最大涌水量（表1）
红岩煤矿南茅口坑道1988年7月最大涌水量计算实例
| 采用公式 |
F(m2) |
X(m) |
α(%) |
Tm(h) |
T(h) |
Yp(m3) |
预计 |
实际 |
误差 （%） |
| （6） （7） |
6150000 6510000 |
0.323 0.323 |
0.618 0.618 |
168 — |
— 374 |
1229280 1229280 |
7307 6565 |
7217 7217 |
+1.3 -9 |
4
（1）利用动态观测曲线分析计算水均衡参数和最大涌水量，其方法简便，结果可靠。采用这种地区性集中性参数，它不必借助于钻孔抽水试验，也不必考虑岩溶水赋存状况的不均匀性与水动力条件的复杂性，故使本方法尤显优越和经济。
（2）该研究证明，无论在勘探和矿坑开采阶段，坚持地下水长期动态观测和对资料的综合分析，对解决复杂水文地质问题具有重要的实际意义。
（3）本方法主要使用于分水岭的裸露型岩溶、裂隙管道区的矿坑涌水量计算。它不仅可观测矿坑最大的涌水量，也可按一年或多年的动态观测资料，均衡计算出一年或多年的矿坑平均涌水量。文中介绍的动态曲线分析方法，同时还可应用于地下水资源的均衡评价上。
（4）暗渠与明渠的流量过程曲线，正如本文所述，其形状一般都很相似。而当暗河管道中出现喉管时，洪水流量将在暗河喉管上游出现承压节流回水。回水明显时，暗河过程曲线的流量峰值将有所消减，或变成园顶（图5），这是暗河与明渠过程曲线的差异。但这一差异不影响矿坑的补排均衡关系，实践证明，也不影响以上预测方法和公式的运用。但由此而值得注意的是矿区水位观测钻孔应布设在暗河喉道上部的主径流带上，这样钻孔水位与流量的同步变化效果才明显。
参考文献
【1】
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董兴文
邮编：400037
重庆市上桥
手机：13271922656
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