李延輝 張新霞 許進(jìn)鵬 薛建坤

（1.安徽金黃莊礦業(yè)有限公司，安徽省宿州市，234000；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

華豐煤礦礫巖水突水量特征及基于水量分割法的突水量計(jì)算

李延輝1張新霞2許進(jìn)鵬2薛建坤2

（1.安徽金黃莊礦業(yè)有限公司，安徽省宿州市，234000；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

分析了華豐煤礦礫巖突水特征，認(rèn)為其突水量具有過程性，在此基礎(chǔ)上，用分割法進(jìn)行了計(jì)定水量和最大水量的突水量計(jì)算。通過對1409工作面突水量的計(jì)算并與實(shí)際對比表明，這種計(jì)算水量方法是相對準(zhǔn)確的。

突水量 計(jì)算方法 特征 分割法

1 概述

華豐煤礦的煤系地層之上廣泛分布有第三系礫巖，礫巖是一個(gè)巨大的含水層系，含水性復(fù)雜，富水性較強(qiáng)。同時(shí)，華豐煤礦還存在嚴(yán)重的沖擊地壓，特別是主采的4＃煤層具有強(qiáng)烈的沖擊傾向性。巨厚的礫巖層和強(qiáng)沖擊地壓導(dǎo)致了導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育異常，形成斑裂線導(dǎo)水，由于斑裂線溝通了4＃煤層頂板的所有含水層，造成了侏羅系礫巖含水層的水和二疊系砂巖含水層的水在縱向上產(chǎn)生了較為密切的水力聯(lián)系。4＃煤層14采區(qū)在開采過程中礫巖水不可避免地要進(jìn)入工作面。

因此，華豐煤礦防治礫巖水的關(guān)鍵問題不是防止礫巖水下泄，而是要準(zhǔn)確計(jì)算礫巖水突水量，特別是要準(zhǔn)確預(yù)測礫巖水的最大突水量，以確定有足夠的排水設(shè)施或提前進(jìn)行疏放。

礦井的突水量預(yù)測目前仍未有相對成熟的方法。目前對礦井突水量的計(jì)算，還處于一個(gè)探索階段，還有許多問題尚須解決。本文將從華豐煤礦礫巖水突水量特征出發(fā)，探索礫巖水突水量的計(jì)算方法，從而為華豐煤礦的防治水工作提供依據(jù)。

2 礫巖水出水的特征

2.1 礫巖含水層的富水性特征

華豐煤礦第三系礫巖覆蓋于煤系地層之上，侵蝕面傾向?yàn)镹E 50～62°，傾角一般為21～27°，礫巖層在本區(qū)由南往北加厚（800m以上），預(yù)計(jì)深部還要增厚，礫巖為鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，礫石以灰?guī)r碎塊為主，淺部礫石較大，礫徑一般為0.02～0.05m，深部礫石變小。

礫巖段鉆孔簡易水文地質(zhì)觀測成果表明，孔深43m以內(nèi)泥漿消耗量大，幾乎所有鉆孔在該段均有不同程度的漏水，漏失量一般為1.0m3／h以上，全泵量漏水者較多；100m以下鉆孔消耗量逐漸減少，—般在0.5～1.5m3／h，個(gè)別層段達(dá)1.5m3／h以上，極少數(shù)鉆孔全泵量漏失；420m以下一般不漏水。可見，第三系在垂向上的裂隙、巖溶發(fā)育具有明顯的分段性。據(jù)此，可自上而下將礫巖劃分為3個(gè)水文地質(zhì)特征不同的層段，即底部為紅色粘土巖或粘土巖與礫巖互層段，稱紅層；中部礫巖與砂質(zhì)粘土巖互層段；上部巨厚層礫巖夾薄層粘土巖段。

礫巖含水層的含水性不僅具有垂向上的分帶性，而且平面上也存在分區(qū)性。井下突水點(diǎn)多集中于井田中西部，除了紅層不發(fā)育的因素外，也說明這些區(qū)域礫巖下部富水性較好。

2.2 礫巖突水機(jī)理及出水點(diǎn)特征

研究結(jié)果表明：頂板突水與頂板覆巖運(yùn)動過程中形成的離層、沖擊地壓及斑裂線存在密切的因果關(guān)系，斑裂線和沿層離層是造成頂板水主要沿工作面下平巷涌出的主要因素，斑裂線是導(dǎo)致華豐煤礦頂板大量突水的主要導(dǎo)水通道。

經(jīng)過對井下20余起大小頂板突水事故分析，頂板突水具有下列特點(diǎn)：

（1）突水點(diǎn)比較集中，大小突水點(diǎn)均分布在井田中西部。

（2）突水多發(fā)生在回采過程或回采之后，且多發(fā)生在初次來壓后或周期來壓前后。

（3）突水量變化有一定規(guī)律，主要表現(xiàn)為由小到大再緩慢減小。

（4）涌水量具有季節(jié)性變化特點(diǎn)，說明礫巖涌水的大小與大氣降水有著直接的關(guān)系。

2.3 礫巖水突水量特征

華豐礦煤組開采受第三系礫巖水的嚴(yán)重影響，在開采過程中已發(fā)生大小突水事故20多起，單點(diǎn)突水量最大達(dá)7.5m3／min，尤其是主采的4＃煤層，由于淺部與第三系礫巖間距小，在開采過程中幾乎每個(gè)工作面都發(fā)生過涌水現(xiàn)象，涌水量一般在0.5～2.0m3／min，最大涌水量達(dá)5.5m3／min。

為更好地分析工作面突水情況，現(xiàn)將幾起典型突水案例及原因分析列表，見表1。

表1 華豐礦礫巖出水水量統(tǒng)計(jì)表

從表1中的案例可以看出，華豐煤礦礫巖出水水量具有明顯的過程，即一開始水量較小，隨后水量逐漸增大，然后水量又逐漸穩(wěn)定，甚至部分出水點(diǎn)水量會減小到零。

3 礫巖層突水水量預(yù)測

3.1 基于水量分割的計(jì)算方法

如前文所述，目前突水量的計(jì)算特別是最大突水量的計(jì)算尚沒有成熟方法。目前礦井涌水量計(jì)算的解析法——大井法，其公式是從地下水動力學(xué)中的裘布依公式演化而來的。裘布依公式是穩(wěn)定流公式，所以無法計(jì)算突水點(diǎn)的最大水量。

本文根據(jù)華豐煤礦礫巖水突水量變化的特點(diǎn)，認(rèn)為礫巖突水水量由兩部分組成，突水量構(gòu)成見圖1，一部分是工作面頂板冒裂帶以外區(qū)域橫向徑流而來，即圖1中所示Q1，另一部分是冒裂區(qū)域內(nèi)的礫巖水下泄，即圖中所示Q2。計(jì)算突水量時(shí)，首先對突水量進(jìn)行水量分割，即根據(jù)突水流量的過程線，將流量分割成兩部分。Q1部分主要是穩(wěn)定流量，可用解析法（大井法）計(jì)算，Q2部分為變化最大的流量，可根據(jù)礦井突水量曲線進(jìn)行比擬。

圖1 突水量構(gòu)成示意圖

具體方法：選擇一個(gè)典型突水過程線圖，華豐煤礦2405、2406上涌水量變化曲線見圖2。首先將這個(gè)流量過程線加以分割，采用直線分割法，分割線以下流量為Q1，Q1用大井法計(jì)算，在此不再敘述。分割線以上的部分為Q2，可以將流量過程線概化成一個(gè)三角形，則總水量V就是三角形的面積，根據(jù)三角面積公式，可得到：

式中：Qmax——Q2部分的最大流量；

Δt——流量從增大到平衡階段的時(shí)間；

V——Q2部分的總水量。

公式（1）即為Q2部分的最大流量求法。

圖2 2405、2406上涌水量過程線及分割圖

3.2 計(jì)算方法實(shí)例

以華豐煤礦1409工作面為例進(jìn)行計(jì)算。

（1）穩(wěn)定水量預(yù)計(jì)（用大井法計(jì)算）。

單個(gè)出水點(diǎn)的最大范圍應(yīng)為一邊長等于工作面斜長的正方形。

即引用半徑ro：

式中：a——工作面傾斜長；

s——降深，m；

k——滲透系數(shù)，m／d。

據(jù)井下－679石門實(shí)測礫巖水壓力推算，礫巖底界水壓P＝3.6MPa，相當(dāng)于礫巖水頭高360m，若出水后水頭為0，則降深s＝360m，k＝0.229 m／d（據(jù)No.5孔抽水試驗(yàn)）。則ro＝88.5m，Ro＝1811.2m。

據(jù)99－1孔資料，含水層厚度M＝16.35m。依據(jù)公式計(jì)算水量為：

則Q1＝1.91m3／min。

（2）最大涌水量預(yù)測。

以上計(jì)算的只是穩(wěn)定水量Q1，在水量穩(wěn)定之前，在ro范圍內(nèi)尚有一定水量需短時(shí)間排出，即圖1中Q2。這部分水量總量V為：

式中：a——工作面斜長，取150m；

L——推采距離，此處據(jù)經(jīng)驗(yàn)取充分垮落長度180m；

M——含水層厚度，取16.35m；

u——給水度，一般礫石取0.30。

則V＝132425m3。

據(jù)3601工作面資料及4403工作面資料，大水量時(shí)間預(yù)計(jì)約為20d，代入公式（1）得Qmax＝9.20m3／min。

同時(shí)考慮Q1和Q2兩部分水量，則：

以上預(yù)測尚未考慮上階段采空區(qū)水的影響。若考慮采空區(qū)水2.0m3／min，則最大水量達(dá)13.53 m3／min。

3.3 結(jié)果對比

1409工作面從2003年11月4日開始推采，推采過程中發(fā)生了突水，具體水量見表2。

從實(shí)際出水情況看， 該工作面最大出量13.7m3／min，與預(yù)測結(jié)果13.11m3／min相差較小。而從實(shí)際出水情況看，推采距離越長，出水量越大，當(dāng)達(dá)到充分垮落長度，出水量達(dá)到最大值。

表2 1409工作面突水量統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

（1）華豐煤礦防治礫巖水的關(guān)鍵問題不是防止礫巖水下泄，而是要準(zhǔn)確計(jì)算礫巖水突水量，特別是要準(zhǔn)確預(yù)測礫巖水的最大突水量，以確定足夠的排水設(shè)施或提前進(jìn)行疏放。

（2）華豐煤礦礫巖出水水量具有明顯的過程，即一開始水量較小，隨后水量逐漸增大，然后水量又逐漸穩(wěn)定，甚至部分出水點(diǎn)水量會減小到零。

（3）華豐煤礦的頂板突水量可以分割成工作面頂板冒裂帶以外區(qū)域橫向徑流而來水量和冒裂區(qū)域內(nèi)的礫巖水下泄水量兩部分。

（3）冒裂區(qū)域內(nèi)的礫巖水下泄水量的最大量可通過流量過程線形態(tài)概化一定標(biāo)準(zhǔn)形狀后，用幾何形態(tài)推導(dǎo)出計(jì)算公式。

（4）通過實(shí)例計(jì)算對比表明，本文所采用的計(jì)算方法是可靠的。

［1］ 繼景東，施龍青等.華豐煤礦頂板突水機(jī)理研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（5）

［2］ 施龍青.華豐井田4煤層頂板礫巖水突出影響因素分析［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（1）

［3］ 虎維岳.礦山水害防治理論與方法［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005

［4］ 周笑綠，楊國勇等.一種礦井突水量預(yù)測的近似方法［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）

［5］ 趙明忠，馮立杰等.基于熵權(quán)理論的煤礦突發(fā)水災(zāi)害救援系統(tǒng)可靠性評價(jià)［J］.中國煤炭，2010（2）［6］ 曹勝根.煤層底板突水水量預(yù)測及注漿改造技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009（2）

［7］ 陳紅江，李夕兵.煤層底板突水量的距離判別分析預(yù)測方法［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009（4）

［8］ 薛禹群.地下水動力學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005

Water inrush characteristics of conglomerate in Huafeng coal mine and water quantity calculation based on segmentation method

Li Yanhui1，Zhang Xinxia2，Xu Jinpeng2，Xue Jiankun2
（1.Anhui Jinhuangzhuang Mining Co.，Ltd.，Suzhou，Anhui 234000，China；2.School of Resources and Earth Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Based on the analysis of water inrush characteristics of conglomerate in Huafeng coal mine and water inrush having aprocess，the paper puts forward the water inrush calculation method of segmenting the water quantity and then respectively calculating the stable and maximum water quantity.By comparing the calculated water inrush quantity with the actual quantity in No.1409working face，this method of calculating the water quantity is relatively accurate.

water inrush quantity，calculation method，characteristics，segmentation method

TD742.1

A

影響半徑Ro：

李延輝（1970－），男，山東泰安人，畢業(yè)于山東科技大學(xué)地質(zhì)測量專業(yè)，現(xiàn)為安徽金黃莊礦業(yè)有限公司副總工程師。

（責(zé)任編輯 張艷華）