(MTT778—1998 )數(shù)值法預(yù)測(cè)礦井涌水量技術(shù)規(guī)范
前 言
本標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)中華人民共和國(guó)煤炭工業(yè)部《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》（1984年版）和《GB12719—1991礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》以及《供水水文地質(zhì)勘測(cè)規(guī)程》、《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》、《煤礦防治水工作條例》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定，在總結(jié)近20年來應(yīng)用數(shù)值法進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測(cè)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制訂的本煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)內(nèi)容與上述引用標(biāo)準(zhǔn)等效。
本標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)家煤炭工業(yè)局行業(yè)管理司提出。
本標(biāo)準(zhǔn)由煤炭工業(yè)煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口。
本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：煤炭科學(xué)研究總院西安分院。
本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：戴振學(xué)、郝旗勝、劉志中。
本標(biāo)準(zhǔn)委托煤炭科學(xué)研究總院西安分院負(fù)責(zé)解釋。
數(shù)值法預(yù)測(cè)礦井涌水量技術(shù)規(guī)范
1 范圍
本標(biāo)準(zhǔn)適用于應(yīng)用數(shù)值法進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測(cè)工作，是確定計(jì)算方案、檢驗(yàn)計(jì)算精度、編寫預(yù)測(cè)報(bào)告、制定相應(yīng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)的依據(jù)。
2 一般要求
2.1 本方法可用于礦井正常涌水量、礦井最大涌水量、各開采水平的涌水量、井筒和開拓坑道的涌水量及疏干工程或?qū)ｉT排水裝置的涌水量的預(yù)測(cè)。
2.2計(jì)算工作前或計(jì)算過程中，掌握以下資料：
——礦區(qū)所處水文地質(zhì)單元的區(qū)域水文地質(zhì)圖及報(bào)告；
——1:5000～1:2.5萬礦區(qū)水文地質(zhì)圖及相應(yīng)的文字報(bào)告；
——1:5000礦井可行性方案開采圖；
——含水層頂、底板埋深及等厚線圖；
——含水層等水位線圖；
——煤層底板等高線圖；
——受水威脅煤層頂、底板等水壓線圖；
——地下水水化學(xué)圖；
——水文地質(zhì)剖面圖；
——鉆孔及群孔抽（放）水試驗(yàn)數(shù)據(jù)；
——地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)；
——?dú)v年氣象、水文資料。
2.3 計(jì)算工作結(jié)束時(shí)提交的文件及附件：
工作報(bào)告：包括對(duì)所采用的數(shù)據(jù)、建立的模型、選用的參數(shù)、計(jì)算過程及結(jié)果的詳細(xì)分析與說明；
圖件：包括概念模型的示意圖、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖、計(jì)算區(qū)剖分圖、水位擬合曲線圖、計(jì)算機(jī)程序流程圖、初始流場(chǎng)圖、預(yù)測(cè)曲線和流場(chǎng)圖、涌水量動(dòng)態(tài)曲線；
附件：參數(shù)識(shí)別和正演預(yù)報(bào)時(shí)所采用的計(jì)算程序及相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件、計(jì)算結(jié)果、水位擬合及誤差分布情況，最終預(yù)測(cè)的各時(shí)段、各節(jié)點(diǎn)的水位值。
3 礦井涌水量數(shù)值法預(yù)測(cè)
3.1 概念模型
概念模型是連接地下水實(shí)體系統(tǒng)與數(shù)值模型的橋梁。概念模型應(yīng)包括對(duì)地下水流系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、邊界條件、地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及輸入、輸出條件的概化。模型概化得合理與否直接影響計(jì)算的程度。
3.2 數(shù)學(xué)模型
3.2.1數(shù)學(xué)模型是由概念模型來確定的，按含水層的埋藏條件分為潛水流或承壓水流模型，根據(jù)地下水運(yùn)動(dòng)的時(shí)空變化特征又可分為：穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流，平面二維流或剖面二維流、擬三維流或三維流模型。模型中的每個(gè)變量都必須給定相應(yīng)的物理意義和量綱。
3.2.2模型的邊界條件按性質(zhì)分為三類：
第一類：水位邊界（Dirichlet型）。選取水位邊界應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
a）水位邊界的位置應(yīng)盡可能地遠(yuǎn)離計(jì)算區(qū)內(nèi)的源（匯）項(xiàng)，絕對(duì)不允許置抽（注）水井于水位邊界上；
b）水位邊界處要有觀測(cè)點(diǎn)控制，以確定邊界水位值；
c）在模型域中至少應(yīng)有一個(gè)水位邊界節(jié)點(diǎn)，這對(duì)保證數(shù)值模型和其逆問題解的唯一性是必要的。
第二類：流量邊界（Neumann型）。選取二類邊界應(yīng)以隔水邊界和弱透水邊界為主，盡量不用A.32劃成的大流量邊界。在數(shù)值模型中處理大流量邊界，容易造成邊界附近的水位異常和整個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果的較大誤差。因此，應(yīng)盡量選取確定性較好的自然邊界作為計(jì)算邊界。
第三類：（Combined Boundary Condition型）。由于邊界中的兩個(gè)參數(shù)較難準(zhǔn)確估值，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)慎重。
3.2.3常用的數(shù)值方法有：有限單元法、有限差分法、邊界元法、有限分析法等。根據(jù)實(shí)際條件選定算法后，必須簡(jiǎn)要說明該算法的計(jì)算過程和計(jì)算程序設(shè)計(jì)步驟以及計(jì)算程序框圖。
3.2.4對(duì)計(jì)算區(qū)的剖分（離散化）可根據(jù)不同的數(shù)值方法來選用線元、面元（三角形或四邊形單元）和體積單元。在靠近抽（放）水井處水力坡度較大，剖分要加密一些，在水力坡度較少處或水文地質(zhì)數(shù)據(jù)較少處可以剖分得疏一些。剖分的三角形單元一般不能出現(xiàn)鈍角和角度很小的銳角，特別是在擬三維模型中，鈍角三角形將可能直接影響數(shù)值解的穩(wěn)定性與收斂性。
3.2.5對(duì)于時(shí)間的離散化，應(yīng)按如下公式確定時(shí)段大?。?
初始時(shí)段（Δt0）可以取為0.001d，當(dāng)Δt增大到一定程度后可以選用等步長(zhǎng)直到計(jì)算結(jié)束。
3.3模型參數(shù)識(shí)別
3.3.1待識(shí)別的參數(shù)一般包括：滲透系數(shù)或?qū)禂?shù)，給水度或彈性釋水系數(shù)，垂向越流系數(shù)，入滲系數(shù)及混合邊界系數(shù)。所采用的數(shù)據(jù)來源于抽（放）水試驗(yàn)和長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)。
3.3.2在參數(shù)識(shí)別之前要進(jìn)行參數(shù)分區(qū)，其依據(jù)為：
a）計(jì)算區(qū)鉆孔抽（放）水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，包括滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)、給水度及單位涌水量；
b）含水層分布規(guī)律，即埋深、厚度、巖性組合特征及富水性分區(qū)；
c）地下水天然流場(chǎng)、人工干擾流場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)和溫度場(chǎng)；
d）構(gòu)造條件及巖溶分布規(guī)律。
3.3.3參數(shù)分區(qū)數(shù)要適中，基本保證第一參數(shù)分區(qū)內(nèi)至少有一個(gè)觀測(cè)孔（點(diǎn)來控制）。
3.3.4參數(shù)優(yōu)選問題一般都描述為非線性最優(yōu)化問題，在觀測(cè)噪聲的情況下，非線性規(guī)劃算法可能收斂于局部最優(yōu)解。因此，必須反復(fù)調(diào)整保參數(shù)的上、下限及初始值，重新優(yōu)選參數(shù)，直到滿足收斂準(zhǔn)則。
3.3.5收斂準(zhǔn)則應(yīng)根據(jù)識(shí)別的參數(shù)個(gè)數(shù)和選取的觀測(cè)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)來確定。觀測(cè)水位擬合點(diǎn)的相對(duì)誤差（相對(duì)于該點(diǎn)在擬合期內(nèi)的水位變幅）應(yīng)小于15%；對(duì)于抽（放）水孔，在消除井損之后，其相對(duì)誤差一般應(yīng)小于20%。
3.4涌水量預(yù)測(cè)
3.4.1根據(jù)生產(chǎn)部門的實(shí)際情況與要求制定幾種預(yù)測(cè)方案，給定排水孔位置與個(gè)數(shù)，按不同方案進(jìn)行水位預(yù)報(bào)，便于對(duì)比分析和選用最優(yōu)方案。
3.4.2按照開采施工計(jì)劃確定疏排水的期限及提前疏排時(shí)間，同時(shí)確定各控制點(diǎn)的水位降深。
3.4.3涌水量預(yù)測(cè)為一正演問題，需要反復(fù)修正水量，使各控制點(diǎn)的計(jì)算水位降達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最終求取各預(yù)測(cè)方案下的涌水量，包括正常涌水量和最大涌水量。
正常涌水量定義為以多年平均降水量和補(bǔ)給邊界處平均水位、水量作為輸入條件求得的涌水量；最大涌水量則為以最大年降水量和補(bǔ)給邊界處最大水位和水量值作為輸入條件求得的涌水量。
3.5對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析與解釋
為了便于生產(chǎn)、設(shè)計(jì)部門應(yīng)用涌水量的預(yù)測(cè)結(jié)果，必須對(duì)計(jì)算結(jié)果作詳細(xì)分析與解釋。根據(jù)所采用的資料的代表性和所建立的數(shù)值模型的可靠性來論證最終預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性，同時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)涌水量在實(shí)際應(yīng)用中可能存在的局限性作出說明。
本標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)中華人民共和國(guó)煤炭工業(yè)部《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》（1984年版）和《GB12719—1991礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》以及《供水水文地質(zhì)勘測(cè)規(guī)程》、《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》、《煤礦防治水工作條例》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定，在總結(jié)近20年來應(yīng)用數(shù)值法進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測(cè)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制訂的本煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)內(nèi)容與上述引用標(biāo)準(zhǔn)等效。
本標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)家煤炭工業(yè)局行業(yè)管理司提出。
本標(biāo)準(zhǔn)由煤炭工業(yè)煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口。
本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：煤炭科學(xué)研究總院西安分院。
本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：戴振學(xué)、郝旗勝、劉志中。
本標(biāo)準(zhǔn)委托煤炭科學(xué)研究總院西安分院負(fù)責(zé)解釋。
數(shù)值法預(yù)測(cè)礦井涌水量技術(shù)規(guī)范
1 范圍
本標(biāo)準(zhǔn)適用于應(yīng)用數(shù)值法進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測(cè)工作，是確定計(jì)算方案、檢驗(yàn)計(jì)算精度、編寫預(yù)測(cè)報(bào)告、制定相應(yīng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)的依據(jù)。
2 一般要求
2.1 本方法可用于礦井正常涌水量、礦井最大涌水量、各開采水平的涌水量、井筒和開拓坑道的涌水量及疏干工程或?qū)ｉT排水裝置的涌水量的預(yù)測(cè)。
2.2計(jì)算工作前或計(jì)算過程中，掌握以下資料：
——礦區(qū)所處水文地質(zhì)單元的區(qū)域水文地質(zhì)圖及報(bào)告；
——1:5000～1:2.5萬礦區(qū)水文地質(zhì)圖及相應(yīng)的文字報(bào)告；
——1:5000礦井可行性方案開采圖；
——含水層頂、底板埋深及等厚線圖；
——含水層等水位線圖；
——煤層底板等高線圖；
——受水威脅煤層頂、底板等水壓線圖；
——地下水水化學(xué)圖；
——水文地質(zhì)剖面圖；
——鉆孔及群孔抽（放）水試驗(yàn)數(shù)據(jù)；
——地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)；
——?dú)v年氣象、水文資料。
2.3 計(jì)算工作結(jié)束時(shí)提交的文件及附件：
工作報(bào)告：包括對(duì)所采用的數(shù)據(jù)、建立的模型、選用的參數(shù)、計(jì)算過程及結(jié)果的詳細(xì)分析與說明；
圖件：包括概念模型的示意圖、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖、計(jì)算區(qū)剖分圖、水位擬合曲線圖、計(jì)算機(jī)程序流程圖、初始流場(chǎng)圖、預(yù)測(cè)曲線和流場(chǎng)圖、涌水量動(dòng)態(tài)曲線；
附件：參數(shù)識(shí)別和正演預(yù)報(bào)時(shí)所采用的計(jì)算程序及相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件、計(jì)算結(jié)果、水位擬合及誤差分布情況，最終預(yù)測(cè)的各時(shí)段、各節(jié)點(diǎn)的水位值。
3 礦井涌水量數(shù)值法預(yù)測(cè)
3.1 概念模型
概念模型是連接地下水實(shí)體系統(tǒng)與數(shù)值模型的橋梁。概念模型應(yīng)包括對(duì)地下水流系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、邊界條件、地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及輸入、輸出條件的概化。模型概化得合理與否直接影響計(jì)算的程度。
3.2 數(shù)學(xué)模型
3.2.1數(shù)學(xué)模型是由概念模型來確定的，按含水層的埋藏條件分為潛水流或承壓水流模型，根據(jù)地下水運(yùn)動(dòng)的時(shí)空變化特征又可分為：穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流，平面二維流或剖面二維流、擬三維流或三維流模型。模型中的每個(gè)變量都必須給定相應(yīng)的物理意義和量綱。
3.2.2模型的邊界條件按性質(zhì)分為三類：
第一類：水位邊界（Dirichlet型）。選取水位邊界應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
a）水位邊界的位置應(yīng)盡可能地遠(yuǎn)離計(jì)算區(qū)內(nèi)的源（匯）項(xiàng)，絕對(duì)不允許置抽（注）水井于水位邊界上；
b）水位邊界處要有觀測(cè)點(diǎn)控制，以確定邊界水位值；
c）在模型域中至少應(yīng)有一個(gè)水位邊界節(jié)點(diǎn)，這對(duì)保證數(shù)值模型和其逆問題解的唯一性是必要的。
第二類：流量邊界（Neumann型）。選取二類邊界應(yīng)以隔水邊界和弱透水邊界為主，盡量不用A.32劃成的大流量邊界。在數(shù)值模型中處理大流量邊界，容易造成邊界附近的水位異常和整個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果的較大誤差。因此，應(yīng)盡量選取確定性較好的自然邊界作為計(jì)算邊界。
第三類：（Combined Boundary Condition型）。由于邊界中的兩個(gè)參數(shù)較難準(zhǔn)確估值，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)慎重。
3.2.3常用的數(shù)值方法有：有限單元法、有限差分法、邊界元法、有限分析法等。根據(jù)實(shí)際條件選定算法后，必須簡(jiǎn)要說明該算法的計(jì)算過程和計(jì)算程序設(shè)計(jì)步驟以及計(jì)算程序框圖。
3.2.4對(duì)計(jì)算區(qū)的剖分（離散化）可根據(jù)不同的數(shù)值方法來選用線元、面元（三角形或四邊形單元）和體積單元。在靠近抽（放）水井處水力坡度較大，剖分要加密一些，在水力坡度較少處或水文地質(zhì)數(shù)據(jù)較少處可以剖分得疏一些。剖分的三角形單元一般不能出現(xiàn)鈍角和角度很小的銳角，特別是在擬三維模型中，鈍角三角形將可能直接影響數(shù)值解的穩(wěn)定性與收斂性。
3.2.5對(duì)于時(shí)間的離散化，應(yīng)按如下公式確定時(shí)段大?。?
初始時(shí)段（Δt0）可以取為0.001d，當(dāng)Δt增大到一定程度后可以選用等步長(zhǎng)直到計(jì)算結(jié)束。
3.3模型參數(shù)識(shí)別
3.3.1待識(shí)別的參數(shù)一般包括：滲透系數(shù)或?qū)禂?shù)，給水度或彈性釋水系數(shù)，垂向越流系數(shù)，入滲系數(shù)及混合邊界系數(shù)。所采用的數(shù)據(jù)來源于抽（放）水試驗(yàn)和長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)。
3.3.2在參數(shù)識(shí)別之前要進(jìn)行參數(shù)分區(qū)，其依據(jù)為：
a）計(jì)算區(qū)鉆孔抽（放）水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，包括滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)、給水度及單位涌水量；
b）含水層分布規(guī)律，即埋深、厚度、巖性組合特征及富水性分區(qū)；
c）地下水天然流場(chǎng)、人工干擾流場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)和溫度場(chǎng)；
d）構(gòu)造條件及巖溶分布規(guī)律。
3.3.3參數(shù)分區(qū)數(shù)要適中，基本保證第一參數(shù)分區(qū)內(nèi)至少有一個(gè)觀測(cè)孔（點(diǎn)來控制）。
3.3.4參數(shù)優(yōu)選問題一般都描述為非線性最優(yōu)化問題，在觀測(cè)噪聲的情況下，非線性規(guī)劃算法可能收斂于局部最優(yōu)解。因此，必須反復(fù)調(diào)整保參數(shù)的上、下限及初始值，重新優(yōu)選參數(shù)，直到滿足收斂準(zhǔn)則。
3.3.5收斂準(zhǔn)則應(yīng)根據(jù)識(shí)別的參數(shù)個(gè)數(shù)和選取的觀測(cè)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)來確定。觀測(cè)水位擬合點(diǎn)的相對(duì)誤差（相對(duì)于該點(diǎn)在擬合期內(nèi)的水位變幅）應(yīng)小于15%；對(duì)于抽（放）水孔，在消除井損之后，其相對(duì)誤差一般應(yīng)小于20%。
3.4涌水量預(yù)測(cè)
3.4.1根據(jù)生產(chǎn)部門的實(shí)際情況與要求制定幾種預(yù)測(cè)方案，給定排水孔位置與個(gè)數(shù)，按不同方案進(jìn)行水位預(yù)報(bào)，便于對(duì)比分析和選用最優(yōu)方案。
3.4.2按照開采施工計(jì)劃確定疏排水的期限及提前疏排時(shí)間，同時(shí)確定各控制點(diǎn)的水位降深。
3.4.3涌水量預(yù)測(cè)為一正演問題，需要反復(fù)修正水量，使各控制點(diǎn)的計(jì)算水位降達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最終求取各預(yù)測(cè)方案下的涌水量，包括正常涌水量和最大涌水量。
正常涌水量定義為以多年平均降水量和補(bǔ)給邊界處平均水位、水量作為輸入條件求得的涌水量；最大涌水量則為以最大年降水量和補(bǔ)給邊界處最大水位和水量值作為輸入條件求得的涌水量。
3.5對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析與解釋
為了便于生產(chǎn)、設(shè)計(jì)部門應(yīng)用涌水量的預(yù)測(cè)結(jié)果，必須對(duì)計(jì)算結(jié)果作詳細(xì)分析與解釋。根據(jù)所采用的資料的代表性和所建立的數(shù)值模型的可靠性來論證最終預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性，同時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)涌水量在實(shí)際應(yīng)用中可能存在的局限性作出說明。
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