曹思文 張 民 張振國(guó)

（兗州煤業(yè)股份有限公司楊村煤礦，山東 濟(jì)寧 272118）

礦井工作面涌水量大小是工作面回采水害防治工作的一個(gè)非常關(guān)鍵且重要的參數(shù)，目前已形成了多種涌水量預(yù)測(cè)方法[1]。歸納來(lái)看，常用的主要方法有非線(xiàn)性預(yù)測(cè)法[2]、水文地質(zhì)比擬法[3]、數(shù)值模擬法[4]和大井法（解析法）[5]。但每一種方法都有一定的適用條件和其局限性，一般都采用兩種以上方法綜合對(duì)比確定。以楊村煤礦10603工作面為背景，通過(guò)對(duì)該工作面水文地質(zhì)條件分析，采用水文地質(zhì)比擬法和大井法分別進(jìn)行了涌水量預(yù)測(cè)。

1 工作面地質(zhì)背景

1.1 位置與范圍

10603工作面位于楊村煤礦南翼-273 m水平的十采區(qū)中部，開(kāi)采太原組下組煤16上煤層。該工作面北到西興隆村莊保護(hù)煤柱，南至10605F5斷層煤柱線(xiàn)，東鄰已回采完畢的10605工作面，西靠處于設(shè)計(jì)階段的10601工作面（圖1）。

工作面上限標(biāo)高-300.4 m，下限標(biāo)高-330.7 m，煤層埋深348～376 m。工作面走向長(zhǎng)平均250～275 m，傾斜長(zhǎng)149 m，面積約38 827 m2。工作面擬開(kāi)采的16上煤層厚度變化1.02～1.33 m，平均1.2 m，屬于薄煤層開(kāi)采。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以亮煤為主，可采性指數(shù)為1，屬于穩(wěn)定可采煤層。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

10603工作面為單斜構(gòu)造，地層走向NE～SW，傾向SE，煤巖層傾角6°～10°，平均8°，較平緩。巷道掘進(jìn)過(guò)程中共揭露2條逆斷層，分別為10603F1逆斷層、10605F5逆斷層（圖1）。 其中10603運(yùn)順掘進(jìn)時(shí)揭露10603F1（150°∠15°H=1.8 m）逆 斷 層、10605F5（150°∠20° H=3.0 m）逆 斷 層；10603軌 順 掘 進(jìn) 時(shí) 揭 露10603F1（170°∠15° H=0.8～1.2 m）逆斷層、10605F5（140°∠25°H=5.0 m）逆斷層。

圖1 10603工作面采掘工程平面示意圖

2 工作面水文地質(zhì)條件分析

通過(guò)鉆孔及地質(zhì)資料分析，各含水層、隔水層與預(yù)開(kāi)采的16上煤層間距關(guān)系如圖2。

圖2 10603工作面與含水層間距關(guān)系圖

（1）十下灰?guī)r含水層

十下灰?guī)r含水層直接位于開(kāi)采煤層頂板，厚5.6～6.5 m，平均厚度5.9 m。十下灰透水性強(qiáng)，連通性好，屬溶洞裂隙承壓水，但以靜儲(chǔ)量為主，單位涌水量q=0.005 14～0.152 1 L/（s.m），富水性弱～中等，滲透系數(shù)k=0.085 9～2.28 m/d。2020年10月底，水位標(biāo)高-89.46 m。十下灰是工作面回采過(guò)程中直接充水含水層，主要以頂板淋水為主。

（2）十三-十四灰含水層

十三灰、十四灰在該工作面合并為一個(gè)含水層，厚16.3～16.7 m，平均16.5 m。單位涌水量q=0.000 87～0.028 6 L/（s.m），富水性弱，滲透系數(shù)k=0.005 7～0.132 0 m/d。2020年10月底，水位標(biāo)高-87.35 m，是工作面回采過(guò)程中間接充水含水層。

（3）奧灰含水層

采區(qū)內(nèi)奧灰上部含水層單位涌水量q=0.008 2～0.104 9 L/（s.m），富水性弱～中等，滲透系數(shù)k=0.003 2～2.80 m/d。整體上看，礦井內(nèi)奧灰作為區(qū)域性含水層，各個(gè)位置水力聯(lián)系是很強(qiáng)的。

3 工作面涌水量預(yù)測(cè)

10603工作面開(kāi)采的直接充水含水層為煤層頂板十下灰，間接充水含水層為十三-十四灰和奧灰。根據(jù)已有資料分析，該工作面十三-十四灰突水系數(shù)0.075～0.088 MPa/m，對(duì)該工作面開(kāi)采有較大威脅。奧灰突水系數(shù)0.062～0.068 MPa/m，基本在《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定的有構(gòu)造地段臨界值0.06 MPa/m附近?？紤]該含水層完整地段距離16上煤層底板厚度較大，一般具有很好的阻滲能力。從水文地質(zhì)特征對(duì)比看，這三個(gè)含水層在正常條件下關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，水文地質(zhì)特征參數(shù)差異性比較明顯（表1），故奧灰含水層可不用參與該工作面涌水量預(yù)測(cè)。

表1 工作面主要涌水含水層水文地質(zhì)特征差異性對(duì)比

根據(jù)該工作面水文地質(zhì)及開(kāi)采條件，分別選用水文地質(zhì)比擬法和大井法對(duì)該工作面進(jìn)行涌水量預(yù)計(jì)。

3.1 水文地質(zhì)比擬法

10603工作面南側(cè)10602工作面已開(kāi)采完畢，10602工作面與10603工作面的水文地質(zhì)條件具有很好的相似性，可采用公式（1）對(duì)10603工作面涌水量進(jìn)行預(yù)計(jì)。10602工作面在整個(gè)回采過(guò)程中最大涌水量約80.0 m3/h。

式中：Q為10603工作面涌水量，m3/h；Q0為10602工作面涌水量，m3/h；A為10603工作面開(kāi)采面積，m2；A0為10602工作面開(kāi)采面積，m2。

式中，10602工作面最大涌水量80.0 m3/h，10602工作面開(kāi)采面積約162 813 m2，10603工作面開(kāi)采面積約38 827 m2。由此可計(jì)算10603工作面最大涌水量約40.0 m3/h。正常涌水量取最大涌水量的一半，即20.0 m3/h。

3.2 大井法

由于十下灰?guī)r和十三-十四灰對(duì)工作面涌水條件不同，前者是直接充水含水層，后者是間接充水含水層，故需要選用不同大井法公式進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 十下灰?guī)r涌水量

通過(guò)前面分析，10603工作面頂板直接充水含水層為十下灰?guī)r，按其完全處于頂板采動(dòng)垮落裂縫帶波及范圍考慮，可采用公式（2）的承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓的大井法進(jìn)行涌水量預(yù)計(jì)。

（1）計(jì)算參數(shù)選取

① 滲透系數(shù)（K）：這里選擇靠近10603工作面較近的D18孔數(shù)據(jù)，取0.085 9 m/d；

② 含水層厚度（M）：取平均5.9 m；

③ 工作面面積（A）：面積約38 827 m2；

④ 水位降深值（S）：根據(jù)十下-4孔2020年10月30日水位（-89.46 m）和工作面最低標(biāo)高（-333 m），取水位降深S=243.54 m；

⑤ 靜水?dāng)嗝娓叨龋╤w）：含水層被疏干，即hw=0。

（2）涌水量計(jì)算結(jié)果

按式（2）可計(jì)算出10603工作面16上煤開(kāi)采十下灰?guī)r正常涌水量約15.9 m3/h。

3.2.2 十三-十四灰?guī)r涌水量

通過(guò)前面分析，10603工作面底板十三-十四灰突水系數(shù)值均大于0.06 MPa/m，平均約0.08 MPa/m，按其完全處于安全帶壓開(kāi)采范圍考慮，需要進(jìn)一步疏放十三-十四灰含水層，使該含水層水頭壓力降低到0.06 MPa/m，這樣就相對(duì)比較安全開(kāi)采了。疏降水量采用大井法的有限邊界承壓穩(wěn)定流公式（3）進(jìn)行預(yù)算：

式中：Q為十三-十四灰疏降預(yù)計(jì)涌水量，m3/h；K為滲透系數(shù)，m/h；M為含水層厚度，m；S為疏排降壓設(shè)計(jì)降深， m；r0為引用半徑，m；R0為引用影響半徑，m。

（1）計(jì)算參數(shù)選取

① 含水層厚度（M）：取十三-十四灰平均16.5 m；

② 疏排降壓設(shè)計(jì)降深（S）：根據(jù)0.08 MPa/m降低到0.06 MPa/m，由ΔP=ΔT×M，可得疏降水壓約0.33 MPa，則約取水位降深S=33 m；

③其他參數(shù)同上。

（2）涌水量計(jì)算結(jié)果

按式（3），可計(jì)算出10603工作面16上煤開(kāi)采十三-十四灰?guī)r正常疏放涌水量約19.6 m3/h。

3.2.3 綜合分析

根據(jù)以上計(jì)算可知，大井法分別預(yù)計(jì)了該工作面十下灰?guī)r和十三-十四灰?guī)r的正常涌水量，兩者之和應(yīng)為該工作面的涌水量，則為35.5 m3/h；最大涌水量可取正常涌水量2倍，即71.0 m3/h。

3.3 涌水量預(yù)計(jì)綜合分析

安全起見(jiàn)，建議按大井法預(yù)算結(jié)果作為該工作面涌水量。

4 結(jié)論

（1）系統(tǒng)分析了石炭系太原組下組煤10603工作面地質(zhì)、構(gòu)造和水文地質(zhì)條件，確定了開(kāi)采煤層與各主要充水含水層之間關(guān)系和空間展布特征。

（2）采用水文地質(zhì)比擬法對(duì)該工作面涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，正常涌水量約20 m3/h，最大40 m3/h。

（3）采用大井法中承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓和承壓兩種狀態(tài)對(duì)該工作面直接充水含水層和間接充水含水層涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，兩者合計(jì)正常涌水量35.5 m3/h，最大71 m3/h，建議選擇大井法預(yù)測(cè)結(jié)果作為該工作面涌水量。