馬向東 趙 靜 韓淑新

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 合肥 230009 2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 長春 130021）

煤礦建設(shè)項(xiàng)目礦井涌水水源論證有關(guān)問題的探討
——以大段家煤礦礦井涌水量預(yù)測為例

馬向東1，2趙 靜1韓淑新1

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 合肥 230009 2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 長春 130021）

礦井涌水水源論證是煤礦建設(shè)項(xiàng)目水資源論證的重要一環(huán)，鑒于影響礦井涌水的因素非常復(fù)雜，涌水量的計(jì)算方法選用、尤其是計(jì)算結(jié)果的合理性分析顯得尤為重要。以大段家煤礦為例，根據(jù)其井田的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，采用不同方法對礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測，并對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比和合理性分析，在此基礎(chǔ)上，初步探討并提出煤礦建設(shè)項(xiàng)目礦井涌水水源論證應(yīng)注意的問題，為煤礦建設(shè)項(xiàng)目水資源論證提供參考。

涌水量 大井法 數(shù)值法 水資源論證

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源不斷增大的需求，我國煤炭工業(yè)產(chǎn)量正以前所未有的發(fā)展速度逐年增加。但作為缺水地區(qū)，水資源比較緊缺，為了合理、有效地利用水資源，避免水資源浪費(fèi)，盡可能多地利用礦井涌水進(jìn)行礦區(qū)生產(chǎn)已形成趨勢，勢在必行。同時(shí)，為了煤礦區(qū)生產(chǎn)安全，保障煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，能否準(zhǔn)確地預(yù)測礦井涌水量非常重要，因此，對煤礦開采引起的礦井涌水量預(yù)測進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，礦井涌水量預(yù)測方法很多，但許多方法只能近似計(jì)算，預(yù)測的礦井涌水量和開采實(shí)測涌水量相差很大，誤差從百分之幾到上百倍。本文以大段家煤礦為例，對煤礦開采過程中形成的礦井涌水量采用不同方法進(jìn)行預(yù)測，并對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比和合理性分析。希望能為開展水資源論證工作提供可靠依據(jù)，對于干旱缺水地區(qū)來說，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基本概況

大段家井田位于安徽省渦陽縣城東北約20km，地處大段家至劉樓一帶。全井田共有可采煤層4層，分別為32、7、8、10煤等，可采煤層平均總厚6.68m。

2 井田水文地質(zhì)特征

2.1井田水文地質(zhì)條件

井田內(nèi)煤系地層之上均沉積有厚227.85～271.20m的新生界松散沉積物，自上而下劃分4個(gè)含水層和3個(gè)隔水層。

區(qū)內(nèi)二疊紀(jì)煤系地層主要由泥巖、粉砂巖及砂巖夾數(shù)層煤層組成，根據(jù)地層巖性的組合特征和可采煤層的賦存位置，劃分為3個(gè)含水層和4個(gè)隔水層。

太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層在正常情況下對10煤層開采無直接影響，但遇斷層使煤層與太灰“對口”接觸或間距縮小時(shí)，可能產(chǎn)生底鼓或突水。

本溪組鋁質(zhì)泥巖隔水層厚度在15m左右。正常情況下，能起一定隔水作用。

奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層總厚度在500m左右，正常情況下距離主采煤層較遠(yuǎn)，一般對礦坑無直接充水影響。

2.2各含水層間的水力聯(lián)系

新生界第一、二、三含水層之間均有相應(yīng)穩(wěn)定的隔水層存在，各含水層之間地下水一般無水力聯(lián)系，僅在局部地段隔水層變薄時(shí)，存在著越流補(bǔ)給關(guān)系。第三隔水層厚度大，分布穩(wěn)定，使其以上的含水層與下部各含水層之間地下水無水力聯(lián)系。第四含水層因直接覆蓋在基巖各含水層之上，與基巖各含水層均有水力聯(lián)系，特別是在淺部煤系砂巖裂隙含水層段有著密切的水力聯(lián)系。

二疊系主采煤層砂巖裂隙含水層，裂隙不發(fā)育，連通性差，富水性弱，各含水層之間地下水一般無水力聯(lián)系。

太原組和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層地下水，與二疊系主采煤層砂巖裂隙含水層之間的地下水，在正常情況下無水力聯(lián)系，因構(gòu)造影響，它們之間將發(fā)生水力聯(lián)系。

2.3地下水的補(bǔ)、徑、排條件

新生界一含以大氣降水補(bǔ)給為主，水平徑流補(bǔ)給次之，排泄方式為垂直蒸發(fā)、人工開采和河流排泄。二、三含以區(qū)域?qū)娱g徑流補(bǔ)給為主，局部在第一、二隔水層較薄地段，一、二、三含之間將產(chǎn)生越流補(bǔ)給。四含地下水以區(qū)域?qū)娱g徑流補(bǔ)給為主。

二疊系煤系砂巖裂隙含水層在淺部受新生界四含補(bǔ)給，區(qū)域?qū)娱g徑流補(bǔ)給微弱?？偟膩碚f補(bǔ)給水源不足，處于封閉或半封閉的水文地質(zhì)環(huán)境，地下水徑流緩慢。

石炭系太原組和奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層部分地帶在北部裸露區(qū)受大氣降水補(bǔ)給，向南部平原地區(qū)徑流和排泄。

3 礦井涌水量估算

3.1礦井涌水量預(yù)測

3.1.1解析法

根據(jù)井田水文地質(zhì)條件和礦井主要充水因素，利用解析法進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測時(shí)，直接充水含水層煤系砂巖裂隙水和間接充水含水層四含水要分別計(jì)算。

a.新生界第四含水層（組）孔隙水涌水量預(yù)測

新生界第四含水層四地下水主要是沿主采煤層淺部露頭帶或采空冒裂帶裂隙滲入礦井。當(dāng)?shù)谒暮畬铀牡叵滤唤抵疗漤敯逡韵聲r(shí)，地下水處于承壓～無壓水流狀態(tài)，故計(jì)算時(shí)采用承壓轉(zhuǎn)無壓雙側(cè)進(jìn)水溝渠公式。

式中：Q為預(yù)測礦井涌水量，m3/h；S為水位降低值，m；K為滲透系數(shù)，m/d；M為含水層厚度，m；B為進(jìn)水廊道長度，m；h0為含水層底板以上動(dòng)水位高度，第四含水降至其頂板一下或煤系砂巖水降至各煤層地板時(shí)，h0=0；R為影響半徑，m。

b.主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水

對本井田水文地質(zhì)條件及充水因素分析，井巷開拓時(shí)，各可采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水將直接進(jìn)入礦坑，煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水是礦井的直接充水水源，當(dāng)水位降至一水平-740m時(shí)，h0=0，地下水處于承壓轉(zhuǎn)無壓水流狀態(tài)，故以此估算礦井涌水量。

利用地下水動(dòng)力學(xué)采用承壓轉(zhuǎn)無壓公式法（“大井”法）預(yù)算可采煤層頂、底板砂巖裂隙水進(jìn)入礦井涌水量。

式中：r0為“大井”引用半徑，m；R0為“大井”引用影響半徑，m；其他符號(hào)同前。

根據(jù)淮北各礦生產(chǎn)實(shí)際資料，礦井涌水量多數(shù)穩(wěn)定在一水平開拓面積1/3～1/2左右，其后采區(qū)接替或開拓范圍的增大，而相應(yīng)的涌水量無明顯的增加，故礦井涌水量的計(jì)算面積采用10煤層一水平面積的1/2。

水位降低S值采用一水平標(biāo)高-740m與32、7、8煤和10煤頂、底板砂巖裂隙含水層靜止水位標(biāo)高平均值來計(jì)算，即S=764.33m。含水層厚度采用32、8主采煤層頂、底板含水砂巖厚度即M=25.325m。

滲透系數(shù)選用8-2與11-1兩孔抽水試驗(yàn)資料，利用非穩(wěn)定流和穩(wěn)定流兩種不同方法所獲得的K值平均值，即：K=0.0367m/d。

表1 大井法預(yù)測主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水涌水量結(jié)果表

選用上述參數(shù)利用公式（3）、（4）預(yù)算主采煤層頂、底板砂巖裂隙水進(jìn)入礦井的正常涌水量為207.7m3/h。大井法預(yù)測主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水涌水量結(jié)果見表1。

礦井涌水總量應(yīng)為“大井法”計(jì)算的主采煤層砂巖裂隙水涌水量與新生界第四含水層（組）孔隙水涌水量之和，因此，本方法預(yù)測正常礦井涌水量為6843m3/d。

3.1.2數(shù)值法

數(shù)值法預(yù)測過程，總體分水文地質(zhì)概念模型建立、相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型建立、模型識(shí)別與驗(yàn)證、礦井涌水量預(yù)測四個(gè)步驟。本次計(jì)算軟件采用美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的Visual modflow軟件。

a.水文地質(zhì)概念模型

為最大程度地反映勘察區(qū)地質(zhì)特征，并結(jié)合水文地質(zhì)模型建立的需要，利用勘探的42個(gè)鉆孔柱狀圖及6個(gè)抽水試驗(yàn)綜合成果資料，依據(jù)含、隔水層的特征地層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定各個(gè)含隔水層的在每個(gè)柱狀圖上的標(biāo)高，然后利用krige插值，建立起三維地下水流模型。

①模型范圍

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，將孔隙水計(jì)算范圍劃為以礦為中心的16.9km×18.5km范圍。

②邊界條件概化

模型計(jì)算區(qū)域，四面含水層分布寬廣，視為無限邊界。由于本區(qū)屬大面積開采區(qū)，水力坡度甚小，側(cè)向徑流微弱，側(cè)向補(bǔ)給量無實(shí)測資料，而邊界上的水位容易獲得，故整個(gè)模型邊界作為第一類邊界處理。

b.數(shù)學(xué)模型的建立

依據(jù)概化的水文地質(zhì)概念模型，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型：

式中：K是含水層滲透系數(shù)（m/d）；H是地下水水位（m）；M是承壓含水層厚度（m）；W是單位體積流量，用以代表流進(jìn)源或流出匯的水量（m3）；μ是彈性釋水系數(shù)；H0是地下水初始水位（m）；H1是模擬期邊界處的地下水水位（m）；t是時(shí)間（d）；D是模擬區(qū)范圍；Γ1是第一類邊界；Γ2是第二類邊界。

c.模型識(shí)別與參數(shù)賦值

建立水文地質(zhì)概念模型及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型后，要利用水文地質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行識(shí)別。

本次運(yùn)用modflow軟件進(jìn)行運(yùn)算，采用間接求參法來達(dá)到模型識(shí)別的目的，間接求參就是在計(jì)算時(shí)給出參數(shù)初值及變化范圍，用正演計(jì)算求解水頭函數(shù)，將計(jì)算結(jié)果和實(shí)測曲線進(jìn)行擬合比較，通過不斷調(diào)整參數(shù)初值，反復(fù)多次的正演計(jì)算。通過不斷的調(diào)試，使計(jì)算曲線與實(shí)測的曲線擬合的較好，擬合誤差小于規(guī)定值。

利用識(shí)別后的參數(shù)，運(yùn)用Visual modflow軟件，得出礦井涌水量如圖1所示。

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，正常礦井涌水量隨煤礦開采逐漸衰減；涌水量在初始階段最大達(dá)5500m3/d左右，早期衰減迅速，約1000d末衰減速度變慢，并總體上趨于穩(wěn)定，涌水量約為3212m3/d左右。

d.涌水量預(yù)算結(jié)果及評(píng)述

以上利用解析法、數(shù)值法兩種方法，對礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測。兩者之間存在著一定的差距，造成這種結(jié)果上差距的原因，主要是由于：

①邊界條件的影響。本次研究區(qū)，邊界形狀不規(guī)則，這在建立解析公式時(shí)，很難對此進(jìn)行全面刻畫，這將影響解析法的計(jì)算精度；

②含水層厚度變化的影響。四含及煤層所在的含水層厚度變化均很大，但解析法只能將均值作為含水層厚度來處理，這也將影響解析法的計(jì)算精度。數(shù)值法較好地解決了這一問題，計(jì)算結(jié)果較解析法更為合理。

圖1 礦井涌水量預(yù)測圖

表2 鄰近生產(chǎn)煤礦礦坑排水調(diào)查統(tǒng)計(jì)

③含水層非均質(zhì)各向異性的影響。受方法理論的限制，解析法在應(yīng)用過程中，將研究區(qū)范圍內(nèi)的含水層視為均質(zhì)各向同性，這顯然與實(shí)際不符，這也在一定程度上影響解析法計(jì)算結(jié)果的精度。

3.2涌水量結(jié)果合理性分析

礦坑正常涌水量在煤礦開采早期較大為5500m3/d，噸煤排水系數(shù)為3.025m3/t；之后隨煤礦開采而迅速衰減，并在1000d逐漸穩(wěn)定在3212m3/d左右，噸煤排水系數(shù)為1.77m3/t。

此外，根據(jù)對淮北煤田礦坑排水調(diào)查統(tǒng)計(jì)（見表2），鄰近生產(chǎn)煤礦的噸煤排水系數(shù)為1.17～3.0m3/t，本項(xiàng)目噸煤排水系數(shù)為1.767～3.025m3/t，其中穩(wěn)定后排水系數(shù)約為1.77m3/t，認(rèn)為數(shù)值法計(jì)算結(jié)果是比較合理的。

從本礦生產(chǎn)用水水源的角度進(jìn)行礦井涌水預(yù)測，從供水水源安全角度考慮，結(jié)合上述對結(jié)果差距原因的分析，可認(rèn)為數(shù)值法的結(jié)果較解析法更合適。綜上所述，在考慮上述方法特點(diǎn)的同時(shí)，大段家煤礦供水設(shè)計(jì)中所參考的礦坑正常涌水量約為3212m3/d。

4 有關(guān)問題的探討

在實(shí)際工作中，預(yù)測礦井涌水量的方法有很多，但是受礦床賦存條件的復(fù)雜性、勘探程度等的影響，每種方法都有其使用條件及工程控制程度要求，且礦坑涌水量預(yù)測結(jié)果帶有不確定性。要保證礦井涌水量預(yù)測的精度，關(guān)鍵在于查明礦井充水因素、礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件，獲得具有代表性的水文地質(zhì)參數(shù)，建立符合客觀實(shí)際的水文地質(zhì)概念模型，選擇合理的計(jì)算方法，才能取得比較符合客觀實(shí)際的預(yù)測結(jié)果。

在礦井開采過程中，比較精確地預(yù)測礦井涌水量至關(guān)重要，它關(guān)系到礦井的生產(chǎn)安全和水資源的利用程度。特別是在干旱缺水的地區(qū)，水資源十分寶貴，利用礦井涌水進(jìn)行生產(chǎn)可以減少其他水源的取水，避免水資源的浪費(fèi)。但在水資源論證工作中，為保證工程用水安全，一般至少采用2種預(yù)算方法，取預(yù)測涌水量的最小值作為煤礦用水可供水量。煤礦建設(shè)過程中，還應(yīng)開展地下水動(dòng)態(tài)觀測和礦井涌水量動(dòng)態(tài)預(yù)測研究，加強(qiáng)水文地質(zhì)觀測，逐步修正水文參數(shù)，以提高礦坑涌水量預(yù)測的精度■