游桂芝，鮑大忠，代啟先

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊，貴州 六盤水 553004)

評價礦井充水特征和預(yù)測礦井涌水量是煤礦床水文地質(zhì)勘查中一項重要和復(fù)雜的工作[1]，而煤礦相對其他固體礦產(chǎn)來說，水文地質(zhì)更為復(fù)雜。這使得礦井涌水量的預(yù)測值與實際值往往存在較大的偏差，礦井涌水量的預(yù)測往往難以獲得令人滿意的結(jié)果[2]。準(zhǔn)確識別礦坑涌水源、預(yù)測礦坑涌水量對于深入分析礦區(qū)水文地質(zhì)特征以及指導(dǎo)礦山開采具有重要意義[3]。礦坑涌水量預(yù)測是礦產(chǎn)地質(zhì)勘查綜合研究的一項重要內(nèi)容；是對礦坑充水條件的定量描述[4]；是對礦井充水條件的定量評價，也是對礦井需要排出水量的估計[5-6]。下面就大灣煤礦充水因素進(jìn)行分析及涌水量預(yù)測，為礦山開采超前探水和抽排水設(shè)計提供參考。

1 礦區(qū)概況

大灣煤礦位于貴州六盤水市鐘山區(qū)和畢節(jié)市威寧縣境內(nèi)；設(shè)計生產(chǎn)能力345萬 t/a；準(zhǔn)采標(biāo)高2 050～1 300 m；為2015年兼并重組礦山，最早建井時間為1966年；由五個礦井組成，即盛遠(yuǎn)井區(qū)、大灣東井、大灣中井、大灣西井、盛榮井區(qū)。各礦井均以立井斜井聯(lián)合開拓；采煤方式為走向長壁式和傾斜長壁后退式；綜合機(jī)械化采煤；全部垮落法管理頂板；水泵排水。

2 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

礦區(qū)位于二塘向斜北東翼及軸部；地貌類型主要為山地地貌；位于長江流域烏江水系三岔河支流上游；屬于以三岔河匯水、二塘向斜為儲水構(gòu)造的水文地質(zhì)單元內(nèi)；出露地層有二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)和永寧鎮(zhèn)組(T1yn)、第四系(Q)，其中龍?zhí)督M(P3l)、飛仙關(guān)組(T1f)廣布于礦區(qū)。龍?zhí)督M(P3l)為含煤地層。(見圖1)。

地下水類型主要為巖溶水和基巖裂隙水。巖溶水賦存于永寧鎮(zhèn)組(T1yn)碳酸鹽巖中，富水性強(qiáng)，為相對含水層，但其分布范圍小(向斜軸部附近)，對采煤影響甚微；基巖裂隙水賦存于龍?zhí)督M(P3l)及飛仙關(guān)組(T1f)，富水性弱，為相對隔水層。

區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給主要來源大氣降水。地下水流向總體由北西向南東，沿低洼或地形切割處排泄，最終匯入三岔河。(見圖1)。

圖1 大灣煤礦水文地質(zhì)略圖

區(qū)內(nèi)主要煤層多數(shù)位于侵蝕基準(zhǔn)面以下；地表水系發(fā)育；構(gòu)造發(fā)育；采煤時地表水有可能沿裂隙、斷層破碎帶等滲入礦井；區(qū)內(nèi)老窯、采空區(qū)較多且多數(shù)情況不明。水文地質(zhì)條件屬直接充水的裂隙充水復(fù)雜礦床(第二類第三型)。

3 礦床充水因素分析

3.1 充水水源

(1)地表水：礦區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，發(fā)育有三岔河主干河流及拱橋河、拖魯河、格書河、木沖溝河、二塘河等常年性河流。三岔河為最低侵蝕基準(zhǔn)面，海拔1 760 m。礦床大部分位于侵蝕基準(zhǔn)面之下，煤系上覆較厚隔水層，但在地表水下采煤，頂板冒落后地表水體及大氣降水極有可能沿冒落裂隙滲入地下，成為礦井充水水源。

(2)地下水：直接充水含水層為龍?zhí)督M，均厚234.32 m；間接充水含水層為飛仙關(guān)組。巖石風(fēng)化裂隙淺部發(fā)育，其富水性隨深度增加隨之變?nèi)酢Ｈ髁恳话銥?.000 22～0.394 L/s，富水性弱。在自然條件下，地表水與龍?zhí)督M水力聯(lián)系差，生產(chǎn)坑道大都無水，但礦區(qū)東界該組被三岔河切割，構(gòu)成地表水與龍?zhí)督M有直接水力聯(lián)系，給淺部煤層開采帶來威脅。

(3)大氣降水：是地下水的主要補(bǔ)給來源，據(jù)礦山多年觀測表明：涌水量隨大氣降水強(qiáng)度變化而變化；未來采空塌陷影響至地表后，大氣降雨會通過冒落裂隙補(bǔ)給礦井成為礦井直接充水水源。

(4)采空積水：根據(jù)資料[7]：至2021年11月，礦區(qū)已累計形成采空區(qū)10 657 161 m2。因該礦一直在疏排水，采空積水較少，對礦井充水影響較小。

(5)老窯積水：煤層露頭處老窯較多(137處)，開采歷史久遠(yuǎn)，歷年累計采空面積2 263 468 m2，多數(shù)老窯具體情況不明。老窯積水對礦井安全生產(chǎn)存在一定的隱患。

(6)斷層水：井田及鄰近地段共發(fā)現(xiàn)斷層38條，均發(fā)育于碎屑巖弱含水層中。斷層破碎帶膠結(jié)較好；含水性和導(dǎo)水性較差。斷層對礦井的充水影響較小，但F2、F3、F10、F11、F17、F20斷層落差大，破碎帶較寬，富水性較強(qiáng)，局部斷層水對礦井充水有一定影響。

3.2 充水通道

節(jié)理裂隙：含礦層及上覆巖層淺表巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，隨深度增加而減弱；淺表節(jié)理裂隙成為地下水向礦井充水的通道。

斷層破碎帶：區(qū)內(nèi)F2、F3、F10、F11、F17、F20斷層落差大，含水性和導(dǎo)水性較強(qiáng)，在這些斷層及附近采煤，斷層破碎帶將成為礦井導(dǎo)水通道。

采礦冒落裂隙：區(qū)內(nèi)含可采及局部可采煤層9層，累計均厚11.87 m，煤層傾角8°～35°，巖石類型為中硬巖：據(jù)規(guī)范[8]公式：

(1)

式中：HM為導(dǎo)水裂縫帶最大高度(m)；∑M為累計采厚(m)。經(jīng)代入計算，HM=75 m。煤層上覆地層厚度為0～640 m，故在煤層淺部或老采空區(qū)(個別采深達(dá)300 m)底部不足75 m地帶進(jìn)行采煤活動時，將產(chǎn)生一定的采礦冒落裂隙成為導(dǎo)水通道，使各類充水水源滲入或涌入礦井。未來采礦冒落裂隙可能成為主要充水通道。

已有巷道：區(qū)內(nèi)采煤多年，巷道密布，老窯廢棄采面或巷道有部分積水，當(dāng)開采煤層與已有巷道連通時，已有巷道將成為礦井的充水充道。

封閉不良鉆孔：據(jù)收集的資料表明，礦區(qū)內(nèi)共有未封閉和封閉不良鉆孔46個，其可能成為局部導(dǎo)水通道，尤其施工在三岔河洪水位線內(nèi)的鉆孔，應(yīng)給予高度重視。

3.3 充水方式

目前礦井充水方式主要以滴水、線流及脈流。在未來開采深部及多層煤層時，隨采空區(qū)及冒落裂隙的大量產(chǎn)生，使各類充水水源相互溝通，充水方式將變?yōu)橛咳搿?/p>

4 礦井涌水量預(yù)測

4.1 礦井涌水量現(xiàn)狀

4.1.1 礦井涌水量與降水量動態(tài)變化關(guān)系

據(jù)收集實測涌水量資料表明：礦井涌水量的大小與降水量呈明顯正比關(guān)系；動態(tài)變化特征與各年降水量的變化特征極為相關(guān)。

4.1.2 礦井涌水量與充水采空區(qū)面積、水位降深的關(guān)系

大灣西井2020年1月至2021年11月涌水量、充水面積、水位降深實測資料見表1。由表1可見，水位降深相同情況下，涌水量隨采空區(qū)面積增加而增大。

表1 大灣西井礦井涌水量、采空區(qū)面積、水位降深實測數(shù)據(jù)表

4.2 涌水量預(yù)測的對象、開采水平、范圍

預(yù)測對象是大灣煤礦的五個井區(qū)，即大灣東井、大灣中井、大灣西井、盛遠(yuǎn)井區(qū)、盛榮井區(qū)，其設(shè)計先期開采水平分別為1 500 m、1 300 m、1 300 m、1 700 m、1 396 m；范圍為各礦井先期開采以平以上井田區(qū)域。

4.3 礦井涌水量預(yù)測

在實際礦井涌水量預(yù)測中，由于礦區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，要根據(jù)實際情況選擇合適的方法[9-11]。經(jīng)分析確定本礦區(qū)適合采用比擬法和解析法。

4.3.1 比擬法涌水量與實際值對比

據(jù)原報告[12]采用了比擬法，并經(jīng)曲線擬合得公式：

(2)

式中：Q為預(yù)測各礦井先期開采地段涌水量(m3/d)；Q0為已開采礦井實際涌水量(m3/d)；F為未來各礦井先期開采地段內(nèi)含水層充水面積(m2)；F0為已開采礦井含水層的充水面積(m2)；S為未來礦井疏排水至先期開采水平平均水位降深值(m) ，取平均靜止水位(1 787.8 m)至先期開采水平的差值；S0為已開采礦井的平均水位降深值(m)，取平均靜止水位(1 787.8 m)至其開采水平的差值。

現(xiàn)將大灣東井、大灣西井2021年實際充水面積、降深代入前述擬合比擬公式，得相同條件下的預(yù)測涌水量，并與2021年實測涌水量進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

表2 礦井采用比擬法計算涌水量預(yù)測值與實際值對比表

4.3.2 解析法涌水量與實際值對比

原報告還采用了入滲系數(shù)法預(yù)測涌水量，但由于深部采礦，此方已不適用。下面根據(jù)現(xiàn)狀及未來開采情況重新選擇解析法。

因龍?zhí)督M(P3l)、飛仙關(guān)組(T1f)為未來礦井充水含水層，自然情況下為相對隔水層，但在受采動影響時，透水性將增強(qiáng)，水文地質(zhì)特征與含水層接近一致。因此考慮到未來采動的影響，把T1f-P3l視為含水層，未來礦井疏排水可視為潛水完整井。井田北東部煤層露頭區(qū)為有限補(bǔ)給邊界，其余部分及深部為無限補(bǔ)給邊界。礦井疏排水模型處于半無限含水層中，數(shù)學(xué)模型選用潛水完整井模型。

根據(jù)礦坑涌水量預(yù)測計算規(guī)程，計算公式：

(3)

R0=r0+R

(4)

(5)

(6)

Q最大=αQ正常

(7)

式中：Q正常為礦坑正常涌水量(m3/d)；Q最大為礦坑最大涌水量(m3/d)；K為滲透系數(shù)(m/d)；取抽水試驗均值0.017 381 m/d；H為含水層飽水帶厚度(m)；S為先期開采地段地下水位降深(m)；r0為未來礦井“大井”半徑(m)；F為充水面積(m2)，采用11號煤層在先期開采地段內(nèi)的資源儲量分布面積(m2)；R為影響半徑(m)；R0為“大井”引用影響半徑(m)；α為雨季、旱季涌水量變化系數(shù)，α=1.76。

現(xiàn)將大灣東井、大灣西井2021年實際采空面積、降深代入前述擬合的比擬公式，得上一次(2015年)降低至設(shè)計開采水平的預(yù)測涌水量，并與2020年12月至2021年11月實際礦井涌水量進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。

表3 礦井采用解析法計算涌水量預(yù)測值與實際值對比表

4.3.3 比擬法、解析法預(yù)測涌水量與實際涌水量對比探討

由表2和表3可看出大灣東井實測涌水量數(shù)據(jù)比用兩種方預(yù)測涌水量值均明顯偏大，這說明與該水平段節(jié)理裂隙較發(fā)育或與大氣降水、地表水、含水層水等有水力聯(lián)系有關(guān)；大灣西井實測涌水量數(shù)據(jù)比2015年經(jīng)比擬法預(yù)測涌水量值明顯偏小，這說明與深部節(jié)理裂隙不發(fā)育或大氣降水、地表水、含水層水等聯(lián)系減弱有關(guān)。

兩種方法預(yù)測涌水量值同時與2021年實測涌水量值進(jìn)行差值對比結(jié)果見表4。由表4可知,兩種方預(yù)測涌水量與實測涌水量偏差均較大，但相對比擬法涌水量與實測涌水量更為接近。這是因為解析法采用的是淺部鉆孔抽水試驗獲得的平均滲透系數(shù)。從鉆孔抽水資料看，地層含水性隨埋藏深度增加顯著減小。而比擬法是利用礦井涌水量實測資料，大氣降水及老窯采空水、地表水等通過采動冒裂帶等途徑直接進(jìn)入礦井，反映巖石綜合滲透性能，故更加接近礦山實際情況。

表4 兩種方法預(yù)測涌水量值與實測涌水量差值對比表

4.3.4 本次涌水量預(yù)測公式選擇及計算

由4.3.3，比擬法涌水量與實測涌水量更為接近，故下面采用比擬法預(yù)測礦井先期開采水平涌水量。由表4可知，涌水量預(yù)測與實測涌水量存在較大偏差，故采用4.3.1節(jié)公式計算后按修正系數(shù)(實際值/預(yù)測值)進(jìn)行修正。修正系數(shù)見表5。

表5 各礦井先期開采地段比擬法修正系數(shù)表

本次礦井涌水量計算結(jié)果見表6。

表6 各礦井先期開采地段比擬法涌水量預(yù)測結(jié)果表

5 結(jié)語

(1)礦床充水水源有大氣降水、老窯水、局部地下水和斷層水、地表水等；充水通道主有節(jié)理裂隙、斷層破碎帶、采礦冒落裂隙、已有巷道、封閉不良鉆孔等；充水方式目前為滴水、線流及脈流，未來可能為涌入。

(2)原礦山采用了比擬法和入滲系數(shù)法求涌水量，但本次采用了比擬法和解析法，故當(dāng)水文地質(zhì)條件發(fā)生變化時，要重新選用適合現(xiàn)狀條件的涌水量計算方法。

(3)采用比擬法和解析法分別對2021年實測涌水量降深、充水面積條件下的預(yù)測涌水量與實測涌水量值進(jìn)行了對比，認(rèn)為比擬法涌水量更接近實際情況，推薦采用比擬法。

(4)針對比擬法預(yù)測涌水量與實測涌水量存在偏差情況，建議采用修正系數(shù)修正，修正后的涌水量更接近實際。

(5)實際上礦山水文地質(zhì)條是復(fù)雜多變、動態(tài)變化的[12]。礦坑涌水量也是動態(tài)變化的，建議礦山定期或定中段地對預(yù)測涌水量值進(jìn)行反復(fù)驗證和修正，使其更符合采區(qū)水文地質(zhì)條件，為礦山防治水管理提供有用的水文地質(zhì)資料。