王玉合

（甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

礦井涌水量計(jì)算是對于煤礦水害防治中的一項(xiàng)重要前期工作。以甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司紅會(huì)第一煤礦為例，本文采用大井法和比擬法分別計(jì)算了礦井涌水量，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比和分析，最終以比擬法的計(jì)算作為預(yù)測結(jié)果，供礦井使用。

2 礦井水文地質(zhì)條件

紅會(huì)第一煤礦位于甘肅省白銀市平川區(qū)紅會(huì)礦區(qū)的南部，隸屬于甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司，屬隴西黃土高原丘陵區(qū)，地貌類型屬?zèng)_洪積平原，南有崛吳山，北有北掌山和黃家洼山，西北有青石山和老爺山。礦區(qū)為一小型洪積沖積平原，區(qū)內(nèi)無經(jīng)常性水流，由若干沙河所形成。依據(jù)以往地質(zhì)資料[1]，與礦井建設(shè)相關(guān)的地層從老至新依次為：上三疊統(tǒng)南營兒群（T3n）、中侏羅統(tǒng)窯街組（J2y）、中侏羅統(tǒng)新河組（J2x）、上侏羅統(tǒng)苦水峽組（J3k）、第四系。

紅會(huì)一礦東西寬約4.47 km，南北長約7.21 km，面積18.219 6 km2，開采標(biāo)高+1 800 m～+600 m標(biāo)高。開拓系統(tǒng)：井田淺部（+1 500 m水平以上）開拓方式為斜井多水平開拓，井田深部（+1 500 m水平以下）通過暗斜井延深集中開拓。主、副井及風(fēng)井均為底板斜井，采用走向長壁、預(yù)先綜合弱化、一次采全高綜采放頂煤開采。目前該礦核定生產(chǎn)能力220萬t/a。

2.1 大氣降水及地表水對礦井充水影響

礦井西部邊界煤系地層露頭直接受大氣降水可補(bǔ)給含水層，但礦區(qū)氣候干旱，大氣降水補(bǔ)給量極少；本區(qū)無地表河流，因此大氣降水及地表水對礦井開采基本無影響。

2.2 含水層概況及其對礦井充水的影響

依據(jù)以往水文地質(zhì)資料[2]，礦井主要含水層有第四系洪積潛水層、中侏羅統(tǒng)新河組含水層、煤層頂板含水層、一層煤底板含水層、煤系基底砂礫巖及三疊系頂部含水層等5個(gè)含水層。自上而下分別為：

（1）第四系洪積潛水層。主要依靠大氣降水補(bǔ)給，厚度為2～35 m，一般在底部的砂礫卵石層中含水，滲透系數(shù)1.358 m/h。依據(jù)礦井生產(chǎn)地質(zhì)資料，本含水層對礦井開采無影響。

（2）中侏羅統(tǒng)新河組含水層。中侏羅統(tǒng)新河組草黃色砂巖段，位于煤層頂板含水層之上，為含水較弱的含水層。單位涌水量0.002 8 L/s·m，為弱富水性含水層；滲透系數(shù)為0.002 65 m/d，含水層平均厚度102.02 m，導(dǎo)水系數(shù)0.270 4 m2/d。經(jīng)計(jì)算，本區(qū)可采煤層開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶能夠到達(dá)該含水層，是礦井涌水的來源之一。

（3）煤1層頂板含水層。為新河組底部砂礫巖段，為礦井主要充水含水層，平均厚度170.32 m，據(jù)生產(chǎn)資料，井巷穿越該含水層之后，突水最大值為50 m3/h。單位涌水量為0.003 L/s·m，為弱富水性含水層；滲透系數(shù)為0.001 36 m/d，導(dǎo)水系數(shù)0.254 5 m2/d，生產(chǎn)中亦作為洗煤用水、井下灑水及灌漿用水，是礦井涌水的來源之一。

（4）煤1層底板含水層。為窯街組煤1層頂板裂隙含水層。含水層平均厚度20.2 m，依據(jù)W1901水文孔資料，該含水層滲透系數(shù)K值為0.067 m/d，單位涌水量0.091 L/s.m，導(dǎo)水系數(shù)1.353 4 m2/d，屬弱富水性含水層，是礦井涌水的來源之一。

（5）煤系基底砂礫巖及三疊系頂部含水層。一般厚度8 m，最大厚度33.14 m。井底車場穿越該層后最大涌水量為17 m3/h，釋放靜儲(chǔ)量后則疏干，為弱富水性含水層，對礦井開采無影響。

2.3 礦井充水通道

礦井充水通道主要有開采時(shí)產(chǎn)生的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶、構(gòu)造斷裂帶和封閉不良的鉆孔。礦井內(nèi)斷裂構(gòu)造多為落差2～5 m的小斷層，以壓性或壓扭性為主，經(jīng)鉆孔與采掘?qū)嶋H揭露，斷層及其斷層破碎帶富水與導(dǎo)水性均較差，除斷層裂隙帶附近有淋水外，未見突水與涌水現(xiàn)象，構(gòu)不成對礦井充水威脅。

3 礦井涌水量預(yù)測

3.1 計(jì)算方法的選擇

根據(jù)本區(qū)水文地質(zhì)條件及已取得的水文地質(zhì)參數(shù)，礦井涌水量擬用大井法計(jì)算。由于導(dǎo)水裂隙可達(dá)下白堊系新河組含水層，故涌水量計(jì)算需對中侏羅統(tǒng)新河組承壓含水層、中侏羅統(tǒng)窯街組煤層頂板承壓含水層、中侏羅統(tǒng)窯街組煤層底板承壓含水層分層計(jì)算，參數(shù)是選擇區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)鉆孔實(shí)際抽水試驗(yàn)所得參數(shù)。

3.2 計(jì)算公式的選擇

1.頂板進(jìn)水

采用承壓轉(zhuǎn)無壓頂板進(jìn)水：

2.底板進(jìn)水

上述公式中：

R0-計(jì)算區(qū)域坑道系統(tǒng)影響半徑（m）；r0為計(jì)算區(qū)域坑道系統(tǒng)引用半徑（m）；R為依據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果求出的影響半徑（m）；F為礦井面積（m2）；Q為地下水涌入坑道流量（m3/d）；M為含水層平均厚度（m）；S為含水層水位降低值（m）；K為含水層滲透系數(shù)（m/d）；H為承壓水頭高度（m）；hw為動(dòng)水位至底板隔水層水柱高度（m）；Ma為坑道頂板至底部含水層的有效厚度（m）；t為坑道底板內(nèi)含水層的平均厚度（m），取3.5 m。

3.3 大井法計(jì)算礦井涌水量

3.3.1 中侏羅統(tǒng)新河組涌水量的計(jì)算

（1）含水層水文參數(shù)的選取。采用以往水文孔資料，滲透系數(shù)K取0.002 65 m/d，含水層厚度M取102.02 m，水頭高度H取396.71 m，水位降深S取396.71 m。

含水層引用影響半徑R0：礦區(qū)有效面積為可采區(qū)面積，呈多邊形，面積13 477 799 m2，坑道系統(tǒng)半徑

含水層影響半徑：

含水層引用影響半徑：

動(dòng)水位至底板隔水層水柱高度hw：由于長期開采過程中的疏干排水，承壓水位下降至新河組含水層底板以下，在礦井范圍內(nèi)已無承壓水頭，故取hw=0 m。

（2）中侏羅統(tǒng)新河組涌水量的計(jì)算結(jié)果：Q新河=3 237 m3/d。

3.3.2 中侏羅統(tǒng)窯街組煤層頂板涌水量的計(jì)算

（1）計(jì)算參數(shù)。采用以往水文孔資料，滲透系數(shù)K取0.001 36 m/d，含水層厚度M取170.32 m，水頭高度H取444.57 m，水位降深S取444.57 m。

含水層引用影響半徑R0：坑道系統(tǒng)半徑同上，r0=2 071.26 m；

含水層影響半徑：

含水層引用影響半徑：

動(dòng)水位至底板隔水層水柱高度hw：由于長期開采過程中的疏干排水，承壓水位下降至煤層底板以下，在礦井范圍內(nèi)已無承壓水頭，故取hw=0 m。

（2）礦區(qū)煤層頂板含水層涌水量計(jì)算結(jié)果：Q頂板=2 789 m3/d。

3.3.3 礦區(qū)中侏羅統(tǒng)窯街組煤層底板涌水量的計(jì)算

（1）計(jì)算參數(shù)。采用以往水文孔資料，滲透系數(shù)K取0.067 m/d，含水層厚度M取20.2 m，水頭高度H取524.5 m，水位降深S取524.5 m。

含水層引用影響半徑R0：坑道系統(tǒng)半徑同上，r0=2 071.26m；

含水層影響半徑：

含水層引用影響半徑：

含水層有效厚度Ma：礦坑頂板以下含水層厚度影響范圍取周邊礦井的經(jīng)驗(yàn)資料，依據(jù)鉆孔資料，取Ma=20.2 m；

坑道底板內(nèi)含水層的平均厚度t：因坑道巷高平均不超過3.5 m，取t=3.5 m；

（2）礦區(qū)煤層底板含水層涌水量計(jì)算結(jié)果：Q底板=4 662 m3/d。

礦區(qū)總涌水量=Q新河+Q頂板+Q底板=3 237+2 789+4 662=10688m3/d。

考慮到煤層頂板、煤層底板含水層的滲透系數(shù)K分別為0.001 36、0.067，后者約為前者的50倍，差值太大，這與含水層的厚度、孔隙度、透水性等性質(zhì)分布不均有關(guān)，在計(jì)算時(shí)不宜直接采用。故利用礦區(qū)2007—2017年涌水量觀測數(shù)據(jù)平均值231 m3/h，以往水文孔新河組及煤層頂?shù)装搴畬拥幕旌铣樗囼?yàn)參數(shù)的綜合值，反算新河組含水層、煤層頂板含水層、煤層底板含水層的綜合滲透系數(shù)K值，計(jì)算公式如下：

主要參數(shù)取值如下：含水層水頭高度H取438.22 m，含水層厚度M取118.59 m，水位降深S取438.22 m，hw取0。求得綜合K=0.006 928 m/d，R=794.42 m。

r0為采空區(qū)半徑，礦區(qū)目前有2處采區(qū)尚在生產(chǎn)，其余范圍全為采空區(qū)，經(jīng)計(jì)算采空區(qū)面積為13 477 799 m2，

將上述數(shù)據(jù)帶入下式：

其中，hw=0，求得全礦區(qū)涌水量為6 032 m3/d。

3.4 比擬法計(jì)算涌水量

（1）涌水量-開采量比擬法（含水系數(shù)法）。

含水系數(shù)：Kp=Q/P

式中：Kp為含水系數(shù)（礦井的相對涌水量）；Q為年從礦井中排出的水量（m3）；P為相應(yīng)一年的煤炭開采量（t）。

根據(jù)已有的數(shù)據(jù)[3]，計(jì)算2009—2020年的含水系數(shù)如表1。

表1 紅會(huì)第一煤礦2009—2020年含水系數(shù)計(jì)算表

對含水系數(shù)與煤炭開采量2個(gè)數(shù)值進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖1所示。

圖1 2009—2020年煤炭年產(chǎn)量、含水系數(shù)曲線圖

二者之間關(guān)系為：

Kp=-0.001 3P+1.054，P為煤炭年開采量，單位萬t。

根據(jù)《紅會(huì)第一煤礦2021—2025年采掘接續(xù)計(jì)劃》，2021—2025年計(jì)劃煤炭年開采量P分別為210.0萬t、197.0萬t、197.0萬t、197.0萬t、184.0萬t，求得2021—2025年含水系數(shù)Kp分別為0.844、0.857、0.857、0.857、0.87，礦井全年涌水量預(yù)測值分別4 856 m3/d、4 625 m3/d、4 625 m3/d、4 625 m3/d、4386 m3/d。

（2）涌水量與采掘進(jìn)尺比擬法。2015—2020年總采掘進(jìn)尺見表2。

表2 2015—2020年采掘進(jìn)尺、涌水量統(tǒng)計(jì)表

對涌水量與總采掘進(jìn)尺2個(gè)數(shù)值進(jìn)行線性擬 合，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 歷年采掘進(jìn)尺、涌水量曲線圖

二者之間關(guān)系為：Y=0.607X1.0282

其中Y為年度涌水量，單位m3/d；X為年度采掘進(jìn)尺，單位m。

根據(jù)《紅會(huì)第一煤礦2021—2025年采掘接續(xù)計(jì)劃》，2021—2025年計(jì)劃采掘進(jìn)尺分別為5 930 m、5 150 m、6 640 m、5 710 m、3 800 m，求得2021—2025年礦井全年涌水量預(yù)測值分別為4 599 m3/d、3 978 m3/d、5 166 m3/d、4 423 m3/d、2 910 m3/d。

4 涌水量可靠性評價(jià)及最終涌水量推薦值

礦井涌水量計(jì)算采用了大井法、比擬法分別對全礦井、七采區(qū)、南翼井田的未來用水量分別進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果匯總見表3。

表3 紅會(huì)第一煤礦涌水量預(yù)測值

4.1 大井法預(yù)測的涌水量可靠性分析

目前規(guī)范推薦預(yù)測礦井涌水量的“大井法”是理論計(jì)算公式，適用的水文地質(zhì)模型是地下水補(bǔ)給充分、水文地質(zhì)參數(shù)均一的條件，實(shí)際中很少有這樣的水文地質(zhì)條件[4]；其次水文地質(zhì)參數(shù)是利用抽水試驗(yàn)成果反算的值，屬半實(shí)測值。由于水文參數(shù)點(diǎn)少（本礦井只有三個(gè)水文孔），數(shù)據(jù)的代表性一般，由此可以確定“大井法”估算的礦井涌水量的精度為D級，誤差大體在60%～80%。

4.2 比擬法預(yù)測的礦井涌水量可靠性分析

“比擬法”是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法，這是因?yàn)榈V井涌水量和開采量、采掘進(jìn)尺之間嚴(yán)格意義上不是線性關(guān)系，涌水量還與開采方法及礦井內(nèi)部的水文地質(zhì)條件有關(guān)。因是半經(jīng)驗(yàn)公式，所以比擬法估算的礦井涌水量的精度也應(yīng)為D級。

4.3 礦井涌水量推薦值

以2009—2020年全礦井的逐月涌水量觀測平均值5 427 m3/d為參考基準(zhǔn)，采用大井法（煤層頂?shù)装搴畬臃謩e計(jì)算）求得涌水量10 688 m3/d接近觀測平均值的2倍，水量偏大；采用含水系數(shù)法、涌水量-采掘進(jìn)尺比擬法計(jì)算的全礦井涌水量分別為4 856 m3/d、4 599 m3/d，低于觀測平均值，水量偏?。徊捎么缶ǎ簩禹?shù)装搴畬泳C合計(jì)算）求得的涌水量6 032 m3/d與其最為接近，所以推薦以此預(yù)測的涌水量為礦井正常涌水量，故未來全礦井涌水量約6 032 m3/d。