齊立德

（河北省邯鄲市中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056004）

1 礦井概況

（1）地形地貌。本區(qū)地處山西最北部的洪濤山西延和管涔山北延斜軸部，山丘連綿，溝壑縱橫，東有洪濤山、北西有西石山脈、南與朔縣平原相接。區(qū)內(nèi)地勢(shì)大致為南部高，北部低，最高處位于312號(hào)孔東，海拔標(biāo)高為1495m；最低處位于北部的大砂溝，海拔標(biāo)高為1295m，最大相對(duì)高差為200m。井工三礦區(qū)內(nèi)黃土廣布，侵蝕切割作用強(qiáng)烈，植被覆蓋少，形成典型的梁、垣、峁等黃土高原地貌。溝谷多呈樹(shù)枝狀分布，切割深度30m～50m，形態(tài)為“V”字型或“U”字型。

（2）水文。區(qū)域內(nèi)河流屬海河流域桑干河水系。主要河流有馬營(yíng)河、馬關(guān)河和七里河。井工三礦南部馬營(yíng)背斜一帶北東-南西向山梁為分水嶺，其北部為馬營(yíng)河發(fā)源地，南部為七里河和馬關(guān)河源頭。馬營(yíng)河是桑干河的一級(jí)大支流，為一季節(jié)性河流，從井工三礦的東部經(jīng)過(guò)，自北向南逕流并匯入桑干河。馬營(yíng)河在該礦西部發(fā)育有一級(jí)支流—大沙溝，發(fā)源于平魯區(qū)阻虎鄉(xiāng)的蘆草洼，呈近南北向，由北向南流經(jīng)大有坪、下紅溝、小白羊洼流入井坪鎮(zhèn)后改為由西向東流經(jīng)該礦西北部匯入馬營(yíng)河。大沙溝全長(zhǎng)55.4km，礦內(nèi)總長(zhǎng)16km。

2 井田地質(zhì)

（1）地層。井工三礦區(qū)地表大部分被新生界地層覆蓋，屬典型的黃土丘陵地貌。在井工三礦北部靠近礦層露頭處以及井工三礦內(nèi)各大溝谷的底部有零星基巖出露。

（2）礦層。井工三礦含礦地層為二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組、中統(tǒng)本溪組，但具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的含礦地層僅為太原組。太原組為該礦的主要含礦地層，本組地層厚66.52m～124.02m，平均厚92.30m，共含礦9層，編號(hào)為4-1、4（4-2）、5、6、7、8、9、10、11#。本溪組地層厚23.00m～53.00m，平均厚度為45.77m，含礦1層～2層，礦層厚度一般小于0.50m，零星分布，無(wú)工業(yè)價(jià)值。

3 礦井涌水量計(jì)算

涌水量計(jì)算是防治水的基礎(chǔ)，本次采用Q-S曲線法、“大井法”對(duì)井工三礦的涌水量進(jìn)行了計(jì)算。

3.1 Q-S曲線法

根據(jù)穩(wěn)定井流理論，抽水井的涌水量Q與水位降深S之間可用Q-S曲線的函數(shù)關(guān)系表示。Q-S曲線就是利用穩(wěn)定流抽（放）水試驗(yàn)的資料，建立涌水量Q與水位降深S的曲線方程，然后根據(jù)試驗(yàn)階段與未來(lái)階段水文地質(zhì)條件的相似性，把Q-S曲線外推，以預(yù)測(cè)涌水量。常見(jiàn)的Q-S曲線類型可歸納為直線型、拋物線型、冪函數(shù)曲線型、對(duì)數(shù)曲線型4種形式（表1）。

表1 Q-S關(guān)系曲線對(duì)照表

（1）直線型，表示滿足承壓水的裘布衣公式，Q和S有如下關(guān)系

如果在普通坐標(biāo)紙上作圖，單位涌水量q即為通過(guò)原點(diǎn)的直線斜率，如最小二乘法確定待定系數(shù)（公式2）。

（2）拋物線型，方程的形式為

式中a和b為待定系數(shù)。將（3）式兩邊除以Q，得

令

如果以Q為橫坐標(biāo)，S0為縱坐標(biāo)，在直角坐標(biāo)系中作圖，則（5）式為一直線。a為直線在縱軸上的截距，b為直線的斜率，因而可求出待定系數(shù)a和b的值。如用最小二乘法，可按下式計(jì)算

上式中N為抽水試驗(yàn)的落程次數(shù)。

（3）對(duì)數(shù)曲線型，方程的形式為

其中a、b為待定系數(shù)。上式在單對(duì)數(shù)量上為一直線。如果在單對(duì)數(shù)紙上Q取普通坐標(biāo)（縱軸），s取對(duì)數(shù)坐標(biāo)（橫軸），則a為直線在縱軸上的截距，b為直線的斜率。如用最小二乘法確定待定系數(shù)，則

對(duì)數(shù)型曲線常出現(xiàn)在一些相對(duì)隔離的含水巖體和含水構(gòu)造地區(qū)，其分布范圍較大，地下水補(bǔ)給條件較差。

根據(jù)抽水試驗(yàn)水位降深S與抽水井涌水量Q資料，繪制Q-S曲線（圖1～2）。本次報(bào)告采用了曲度值n來(lái)判別Q-S曲線類型，即通過(guò)公式

計(jì)算得到n值，若n=1，Q-S曲線方程為直線型；若1＜n＜2，Q-S曲線方程為冪曲線型；若n=2，Q-S曲線方程為拋物線型；若n＞2，Q-S曲線方程為對(duì)數(shù)曲線型；若n＜1，則說(shuō)明抽（放）水資料有錯(cuò)誤。

圖1 水補(bǔ)13鉆孔Q-S曲線

圖2 水補(bǔ)14鉆孔Q-S曲線

不同地段，含水層水文地質(zhì)條件各異，地質(zhì)構(gòu)造不同，從而抽水試驗(yàn)所獲得的參數(shù)也有所不同，從而導(dǎo)致計(jì)算所得涌水量值不同，本次取各煤層水平涌水量計(jì)算最大值作為該礦層涌水量。

3.2 大井法

大井法是將巷道系統(tǒng)分布范圍假設(shè)為一個(gè)理想的大井，該大井與巷道系統(tǒng)分布的面積相當(dāng)，當(dāng)?shù)V井排水時(shí)，在礦井周圍形成以巷道系統(tǒng)為中心的具有一定形狀的降落漏斗，故可直接利用地下水動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算。

井工三礦充水水源主要為礦層頂板砂巖裂隙水，隨著井巷開(kāi)拓及礦坑水的疏排，承壓水頭降至含水層頂板以下，井巷附近出現(xiàn)無(wú)壓區(qū)，而遠(yuǎn)離井巷周圍仍保持承壓狀態(tài)。根據(jù)水文地質(zhì)條件。因此，本次報(bào)告選用潛水—承壓水完整井的涌水量公式（公式9）計(jì)算礦井涌水量：

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(jì)降深，為自然水位至疏干標(biāo)高的距離，m；H—初始水位（以含水層底板為基準(zhǔn)），m；h—疏干井的井中水位（以含水層底板為基準(zhǔn)），m；R0—含水層的引用影響半徑，m，；r0—引用半徑，m；r0=(F/π)1/2，F(xiàn)為先期開(kāi)采地段面積（km2）。

（1）4#頂板涌水量計(jì)算。通過(guò)對(duì)礦區(qū)內(nèi)4以上頂板砂巖含水層抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，4以上含水層及二疊系砂巖抽水試驗(yàn)鉆孔主要有水補(bǔ)8、水補(bǔ)9、水補(bǔ)13、水補(bǔ)14、水補(bǔ)15、水補(bǔ)16、水補(bǔ)18及水補(bǔ)19，取各鉆孔抽水試驗(yàn)所得到的滲透系數(shù)K的平均值，得K=0.2551m/d；取頂二疊系含水層自然水位標(biāo)高（以含水層底板為基準(zhǔn)）的平均值：得H=125.02m；含水層厚度取4主要含水層K3、K4和K6含水層累計(jì)厚度的平均值M=35.37m；平均自然水位標(biāo)高至目的礦層頂板含水層底板標(biāo)高的距離平均值作為疏排設(shè)計(jì)降深S，得S=125.02m；本次4計(jì)算二采區(qū)范圍內(nèi)涌水量，二采區(qū)面積8.90km2，引用半徑，取η=1.18，a、b分別為二采區(qū)長(zhǎng)寬，算得r0=1737.69m；含水層的引用影響半徑R0=r0+R，，R0=2425.20m。

將各相關(guān)參數(shù)代入公式4-12，計(jì)算得到井工三礦二采區(qū)4#礦井正常涌水量為760.84 m3/h。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最大涌水量按照正常涌水量的1.3倍進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此計(jì)算最大涌水量為989.10m3/h。

（2）9#頂板涌水量計(jì)算。本次計(jì)算井工三礦全礦范圍內(nèi)涌水量，面積8.90km2，引用半徑，取η=1.18，a、b分別為二采區(qū)長(zhǎng)寬，算得r0=1737.69m；含水層的引用影響半徑R0=r0+R，，R0=2425.20m。

將各相關(guān)參數(shù)代入公式9，計(jì)算得到井工三礦9#正常涌水量為1041.70m3/h。最大涌水量按照正常涌水量的1.3倍進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此計(jì)算最大涌水量為1354.21m3/h。

4 結(jié)論

由于Q-S曲線法及“大井法”都是采用抽水試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)，受抽水試驗(yàn)降深及時(shí)間的制約，其預(yù)測(cè)結(jié)果均與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)有差距。因此，用Q-S曲線法及“大井法”所計(jì)算礦井涌水量?jī)H供參考，建議以實(shí)際觀測(cè)的涌水量資料安排排水設(shè)施。