張通

（河北省眾聯(lián)能源環(huán)保科技有限公司河北石家莊050031）

應(yīng)用大井法預(yù)測礦井涌水量

張通

（河北省眾聯(lián)能源環(huán)?？萍加邢薰竞颖笔仪f050031）

礦井涌水量是礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中單位時間內(nèi)流入礦井的地表水、裂隙水、巖溶水等的水量。礦井涌水量的計算有利于煤礦單位確定礦井排水設(shè)備和制定防治水方案。礦井涌水量的預(yù)測工作十分重要，準確的礦井有水量能夠有效的防止礦井水害的發(fā)生，減少煤礦的開采成本，保障煤礦能夠安全生產(chǎn)。本文以某礦井的實際水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，應(yīng)用大井法預(yù)測礦井涌水量。

煤礦；大井法；礦井涌水量

中國煤炭資源豐富，對煤炭的利用由來已久。近年來，隨著資源需求量的增加和機械化開采程度的不斷提高，淺層煤越來越少，煤炭開采逐漸趨向深層煤，開采時水頭壓力變得更大，煤田水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，開采時危險性增加[1]。因此，研究煤層礦井涌水量，減少人員傷亡和經(jīng)濟損失很有必要。

本文以某礦井首采區(qū)為例，利用解析法中的大井法預(yù)測礦井涌水量，對礦井安全生產(chǎn)和長遠銜接具有極其重要的理論指導意義和實用價值，對于提高礦井經(jīng)濟效益具有重要意義。

1　礦區(qū)概況

1.1井田位置

該井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)。井田南北長6.1km～8.3km，東西寬3.2km～12.0km，面積93.89km2。首采區(qū)位于井田東南角，面積0.92km2。

1.2自然地理

1.2.1地形地貌

井田位于沙漠邊緣。井田中部多沙丘，大部分為固定、半固定沙丘，少部分為隨季風流動的壟狀沙丘及新月型沙丘，區(qū)內(nèi)地勢開闊，地形相對較平緩。東部、北部多為低緩草灘戈壁；井田中部基本上由沙漠、風積荒漠等地貌類型構(gòu)成。

1.2.2氣象

據(jù)當?shù)貧庀缶謿v年資料：當?shù)刈罡邭鉁貫?5.2℃，最低氣溫為-30.1℃；年降水量為150.2mm～429.2mm，平均為324.58mm，且多集中于7、8、9三個月內(nèi)；年蒸發(fā)量為2297.4mm～2833mm，平均為2534.2mm。

1.2.3水文

井田內(nèi)無常年性地表徑流，僅在井田南端溝谷中有水流，在臨河匯入黃河，流量一般為2.85 L/s～40.5L/s，水的礦化度低，可供人、畜飲用。井田內(nèi)多有民用灌溉用井及飲用水井，多為第四系地下潛水，含水量較大，水質(zhì)優(yōu)良，礦化度小于1.2g/L，可作飲用水源。

1.2.4礦區(qū)地層

井田全部被新生界地層所覆蓋，屬隱伏式煤田。根據(jù)鉆孔揭露顯示，井田內(nèi)地層由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)延長組（T3y）；侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、中統(tǒng)直羅組（J2z）、上統(tǒng)安定組（J3a）、白堊系下統(tǒng)志丹群（(K1zd）、古近系漸新統(tǒng)清水營組（E3q）、第四系（Q）。

2　礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1第四系含水層

2.1.1含水層巖性

井田第四系松散孔隙含水層由全新統(tǒng)風積砂和更新統(tǒng)薩拉烏素組沖湖積砂組成，全新統(tǒng)風積砂與更新統(tǒng)薩拉烏蘇組構(gòu)成一個統(tǒng)一含水體。巖性為灰黃色、黃褐色中細砂、粉細砂、亞粘土、亞砂土，結(jié)構(gòu)松散，遍布全井田。

2.1.2富水性特征

根據(jù)本區(qū)以往研究成果，第四系松散孔隙含水層由全新統(tǒng)風積砂和更新統(tǒng)薩拉烏蘇組沖湖積砂組成，地下水位埋深較淺，富水性中等-強富水，井田的中西部富水性較好。

2.1.3地下水流場特征

根據(jù)以往水文地質(zhì)成果，本井田第四系含水層水位埋深10m左右，水位標高在1344m～1302m內(nèi)變化，地下水總體流向從東北流向西南。

2.1.4補給、徑流、排泄條件

井田第四系孔隙含水層主要賦存于第四系砂層中，第四系地層在全區(qū)廣泛分布。主要補給來源為大氣降水，由于本區(qū)地形平坦，且砂層質(zhì)地均一，結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大，透水性強，有利于大氣降水的補給，大氣降水入滲補給作用較強。第四系孔隙水的徑流受地形控制，地下水徑流路徑較短，水循環(huán)積極，第四系水總的流向是由北東向南西方向徑流。排泄方式以徑流排泄為主，其次為人工開采排泄、蒸發(fā)排泄等。

2.2侏羅系含水層

2.2.1巖性及組合特征

地層巖性為淺灰、灰綠、青灰色厚層砂巖，以細砂巖、中粒砂巖為主，局部為粗砂巖。固結(jié)程度較高，泥巖及砂質(zhì)泥巖的含量明顯增多，以原生裂隙為主，部分地段裂隙被充填。根據(jù)鉆孔資料，細、中、粗砂巖厚度分布不均勻，厚度變化較大。分析含水層大部分地段細、中、粗砂巖占地層厚度在25%～60%之間，個別地段在超過了80%。

2.2.2富水性特征

侏羅系巖石固結(jié)程度較高、泥巖及砂質(zhì)泥巖的含量明顯增多、部分地段裂隙被充填。水位埋深較淺，含水層富水性弱～中等。中等富水區(qū)分布在井田的中部和背向斜發(fā)育區(qū)域。

2.2.3侏羅系砂巖裂隙地下水流場特征

井田范圍內(nèi)，西北部、西部水位較高，東部水位較低。侏羅系砂巖裂隙地下水總體由西向東徑流，侏羅系砂巖裂隙水接受白堊系水的補給，使侏羅系砂巖裂隙水位抬高，形成分水嶺。因此，井田內(nèi)的侏羅系砂巖裂隙地下水由西向東北部一帶徑流，向東折向東南方向沿地層傾向徑流。水力坡度較陡、變化較大，反映出裂隙發(fā)育較弱，連通性較差，徑流條件較差。

2.2.4補給、徑流、排泄條件

砂巖含水層主要賦存于侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）以及侏羅系中下統(tǒng)延安組（J2y）的砂巖中，在井田地表沒有出露。主要補給來源為大氣降水，其次為井田外白堊系及侏羅系砂巖含水層的側(cè)向徑流補給。

在井田西部由于白堊系與侏羅系地層之間隔水層厚度薄，含水層厚度增大，位于上部的白堊系水水頭較高，水壓較大，形成白堊系水對侏羅系水的直接滲透補給。地下水總體上從西向東徑流，以側(cè)向徑流排泄為主，次為人工打井開采排泄。

3　大井法預(yù)測礦井涌水量

井田巷道分布不規(guī)則，在平面上及垂向上構(gòu)成復(fù)雜形狀，加之水文地質(zhì)參數(shù)精度所限，會遇到數(shù)學上的困難。但分布不規(guī)則的巷道，在其采掘邊界或一定范圍內(nèi)會逐漸形成統(tǒng)一的降落漏斗，理論上可將其視為一個概化了的理想“大井”[2]。同時，將諸多形狀不規(guī)則的巷道所占面積視為一個“大井”積。此時，整個巷道系統(tǒng)的涌水量就相當一個“大井”的出水量。這樣，就可以借助涌水量計算公式直接求出礦井涌水量。“大井法”綜合考慮了充水含水層邊界條件、水文地質(zhì)分區(qū)、含水層試驗參數(shù)等，選擇的計算公式比較符合實際情況[3]。

本次研究采用解析法中的大井法對井田的涌水量進行預(yù)測。在分析水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，預(yù)測首采區(qū)在自然狀態(tài)下和人工改造后的礦井涌水量。煤層頂板主要受頂板砂巖裂隙含水層涌水的影響，以下針對頂板含水層的疏降水量進行預(yù)測。

3.1公式選取

根據(jù)水文地質(zhì)條件，礦井涌水量的預(yù)測采用地下水動力學的解析法，承壓轉(zhuǎn)無壓完整井的穩(wěn)定流計算公式：

3.2計算參數(shù)確定

采用解析法求含水層的滲透系數(shù)（K）和導水系數(shù)（T）。式中：Q——礦井涌水量，m3/d

K——滲透系數(shù)，m/d

M——含水層（出水段）厚度，m

S——疏排設(shè)計降深，m

H——初始水位（以含水層底板為基準），m

h——疏干井的井中水位（以含水層底板為基準），m

R0——含水層的引用補給半徑

r0——引用半徑，m；r0=(F/π)1/2

（1）影響半徑（R）

利用承壓水穩(wěn)定流公式（3-2）

（2）滲透系數(shù)（K）

利用完整井單孔穩(wěn)定流公式（3-3）

將（3-2）代入（3-3）得（3-4）

（3）導水系數(shù)（T）

T=K·M（3-5）

式中：S——水位降深值（m）；

r——井管半徑（m）；

R——影響半徑（m）；

T——導水系數(shù)（m2/d）。

3.3涌水量預(yù)測

3.3.1計算參數(shù)確定

（1）滲透系數(shù)（K）值的確定：本次采用所有抽水試驗所計算的滲透系數(shù)的平均值，煤頂板K=0.18m/d。

（2）水柱高度（H）值的確定：工作面頂板含水層自然水位標高的平均值：H=480m；（以含水層底板為基準）。

（3）含水層厚度（M）值的確定：選取含水層的粗、中粒砂巖累計厚度的平均值：48.92m。

（4）疏干水位降深（S）值的確定：為平均自然水位標高至目的煤層頂板含水層底板標高的距離平均值：S=480m。

（5）引用半徑（r0）值的確定：r0=(F/π)1/2=540m。

（6）引用影響半徑（R0）值的確定：根據(jù)R0＝r0+R，R=10S

3.3.2涌水量預(yù)測結(jié)果

根據(jù)公式（3-3）對礦井的涌水量進行預(yù)測，將計算參數(shù)代入公式，計算得到煤頂板含水層正常涌水量為16233m3/d，約合676 m3/h。根據(jù)經(jīng)驗，最大涌水量為正常涌水量的1.5倍，以此計算最大涌水量為1014m3/h。

[1]鄭世書,胡友彪,等.專門水文地質(zhì)學[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社,1999.

[2]高江淮,張清.張雙樓煤礦涌水規(guī)律及涌水量分析計算[J].煤炭科技,2002(2)：43-45.

[3]李云峰，胥國富，左傳明.梁花園礦井涌水量估算[J].中國煤田地質(zhì),2007(5)：38-40.