方 剛

（1.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077）

陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)內(nèi)的多個(gè)礦井受到2 號(hào)煤層水害威脅[1-3]，但該2 號(hào)煤層在區(qū)內(nèi)的富水性極不均一，表現(xiàn)為：開(kāi)采同一2 號(hào)煤層，相鄰的2 個(gè)井田，煤層則具有富水（巴拉素井田）和非富水（大海則井田）2 種截然不同的結(jié)果[3-4]。為此，對(duì)于區(qū)內(nèi)2 號(hào)煤層水問(wèn)題，需開(kāi)展大量的基礎(chǔ)性研究工作；而關(guān)于煤層水資源量的分布估算、煤層富水性的預(yù)測(cè)分區(qū)、有煤層水參與的礦井涌水量預(yù)測(cè)等方面的研究，始終關(guān)聯(lián)著礦井防治水工作，也直接影響著礦井安全生產(chǎn)。

多年來(lái)，業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)地下含水層開(kāi)展了大量研究工作，根據(jù)含水層水文地質(zhì)參數(shù)、賦存條件和形式，從含水層可釋放出水的能力進(jìn)行定量預(yù)測(cè)，目前主要方法有類(lèi)比法、解析法、數(shù)值法、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等[5-6]?；⒕S岳[7]、李超峰等[8]、周振方等[9]從靜態(tài)水釋放、動(dòng)態(tài)水補(bǔ)給等方面考慮，對(duì)含水層水量預(yù)測(cè)進(jìn)行研究；CHENG 等[10]針對(duì)滲透系數(shù)非線(xiàn)性變化的特征，對(duì)涌水量預(yù)測(cè)的方法進(jìn)行探索；來(lái)永偉等[11]提出利用非穩(wěn)定流定降深法預(yù)測(cè)煤層頂板含水層涌水量；劉英鋒等[12]建立基于達(dá)西定律和Dupuit 理論的頂部進(jìn)水型涌水量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行水量預(yù)測(cè)；此外，王猛等[13]、李建林等[14]、連會(huì)青等[15]、李濤等[16]分別基于ARIMA 季節(jié)乘積模型、灰色系統(tǒng)、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、鉆孔顯微高速攝像等方法技術(shù)的改進(jìn)應(yīng)用，對(duì)含水層的富水性及涌水量均進(jìn)行了預(yù)測(cè)和探索[17-18]。

綜上所述，關(guān)于地下含水層的水量估算、富水性分區(qū)研究及礦井涌水量預(yù)測(cè)等方面均取得了較好的成果，但就陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)內(nèi)的2 號(hào)煤層水而言，相關(guān)研究工作尚為不足。為此，將采用理論分析、計(jì)算預(yù)測(cè)、模擬實(shí)驗(yàn)等方法，探索區(qū)內(nèi)2 號(hào)煤層水賦存變化等主要特征，為礦井后期防治水工作提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究背景

巴拉素井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)內(nèi)，礦井首采的2 號(hào)煤層平均埋深約498 m，煤厚2.2～5.2 m。礦井在建設(shè)期間發(fā)現(xiàn)其2 號(hào)煤層富（含）水（?75 mm 鉆孔單孔涌水量約200 m3/h，水壓約3.6 MPa）[19-20]。根據(jù)以往開(kāi)展的研究工作，2 號(hào)煤層水主要源于漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期中煤層頂板的侏羅系直羅-延安組含水層水垂向入滲，且由于頂板含水層富水性弱，該煤層水以靜儲(chǔ)量為主，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給有限[20]。

區(qū)內(nèi)2 號(hào)富水煤層作為承載地下水的介質(zhì)體，與一般地下含水層有相似之處，也有所區(qū)別；為此，以巴拉素井田先期開(kāi)采地段為研究區(qū)，針對(duì)2 號(hào)煤層水開(kāi)展水資源量估算、富水性預(yù)測(cè)分區(qū)和礦井涌水量預(yù)測(cè)，探究其煤層水的賦存及水體變化特征。

2 煤層水資源量估算

2.1 估算范圍及條件

在巴拉素井田研究區(qū)內(nèi)估算2 號(hào)富水煤層的水資源量，由于2 號(hào)煤層平均埋深約500 m，區(qū)內(nèi)無(wú)露頭及火燒區(qū)，因此，將其煤層水視為承壓含水層水對(duì)待，并認(rèn)為煤層內(nèi)的孔裂隙均已充滿(mǎn)水，呈飽和狀態(tài)。根據(jù)《供水水文地質(zhì)》中地下水資源的分類(lèi)要求，將地下水分為補(bǔ)給量、儲(chǔ)存量和消耗量[21]，本次估算的巴拉素井田2 號(hào)煤層水資源量主要為儲(chǔ)存量和補(bǔ)給量，即為賦存于2 號(hào)煤層孔隙、裂隙內(nèi)的煤層靜態(tài)儲(chǔ)存水量（靜儲(chǔ)量水）和煤層采掘后的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量（動(dòng)儲(chǔ)量水），其動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量源于2 號(hào)煤層同層水補(bǔ)給和圍巖含水層補(bǔ)給（煤層上覆的侏羅系直羅組、延安組含水層）。

結(jié)合中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司自主研發(fā)的TIM-3D 三維地質(zhì)建模軟件，對(duì)研究區(qū)各主要地層進(jìn)行模型構(gòu)建。計(jì)算模型中研究區(qū)整體平面面積約60 946 389.01 m2。根據(jù)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)范圍內(nèi)以往施工的各鉆孔資料，確定2 號(hào)煤層厚度在2.20～5.21 m 之間，平均煤厚約3.69 m，計(jì)算得出研究區(qū)2 號(hào)煤層體積約224 892 175.45 m3。

2.2 水資源量估算

2.2.1 煤層水的儲(chǔ)存量

研究區(qū)2 號(hào)煤層為承壓含水層，地下水靜儲(chǔ)量（Wj）應(yīng)包括彈性釋水（Wt）和重力給水（Wz），煤層水的靜儲(chǔ)量表達(dá)式為[22]：

式中：Wj、Wt、Wz分別為研究區(qū)地下水靜儲(chǔ)量、地下水彈性釋放量、地下水重力給水量，m3；μ*為研究區(qū)2 號(hào)煤層彈性釋水系數(shù)，取最大值9.99×10-4；F為研究區(qū)面積，m2，取60 946 389.01 m2；h為研究區(qū)2 號(hào)煤層頂面算起的水頭高度，取478.69 m；μ為研究區(qū)2 號(hào)煤層重力給水度（取煤層的平均給水度），取0.166；V為研究區(qū)2 號(hào)煤層體積，m3，取224 892 175.45 m3。

將各參數(shù)值代入式（1）可以計(jì)算得出：Wj≈0.665 億 m3。

截至2022 年9 月底，礦井疏放水量約900萬(wàn) m3（含頂板含水層疏放水70 萬(wàn)m3）。其中，2 號(hào)煤層水約830 萬(wàn)m3，井下2 號(hào)煤層采掘面積約460 萬(wàn) m2，通過(guò)與研究區(qū)面積進(jìn)行比擬計(jì)算，得出整個(gè)研究區(qū)應(yīng)釋放的2 號(hào)煤層水量約1.100億m3，兩者計(jì)算結(jié)果數(shù)量級(jí)基本一致，估算水量數(shù)據(jù)較為可靠。考慮到2 號(hào)煤層的富水性不均一性，本次煤層水靜儲(chǔ)量估算值以公式計(jì)算得出數(shù)值為準(zhǔn)，即Wj約為0.665 億 m3。

2.2.2 煤層水的動(dòng)儲(chǔ)量

根據(jù)前期研究成果[20]，研究區(qū)2 號(hào)煤層水主要源于其煤層上覆的侏羅系延安組、直羅組含水層垂向下滲，而在煤層經(jīng)歷人工采掘影響后，原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)被打破，煤層內(nèi)靜儲(chǔ)量水進(jìn)行釋放，在此過(guò)程中，煤層孔裂隙內(nèi)的水和頂板含水層水均將對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)給，因此，本處估算的煤層水動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量則為上述地下水的混合值；同時(shí)，由于煤層水整體水量有限，而煤層頂板含水層富水性相對(duì)較弱，在礦井研究區(qū)采掘范圍不斷擴(kuò)大的過(guò)程中，煤層水消耗釋放遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其受補(bǔ)給的水量，估算得出的煤層水動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量數(shù)值為其最大水量；后期在區(qū)域內(nèi)煤層水全部釋放完畢，井下煤層動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量將會(huì)逐漸減小，并將基本穩(wěn)定在其僅受頂板砂巖含水層水補(bǔ)給的數(shù)量值范圍。由此，本處采用數(shù)值模擬方法求解該動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量，應(yīng)用Visual Modflow 軟件構(gòu)建相關(guān)立體模型，通過(guò)設(shè)置其邊界條件、地層結(jié)構(gòu)、滲透特性及水力聯(lián)系等特征，開(kāi)展數(shù)值模型計(jì)算，得出研究區(qū)2 號(hào)煤層水的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量[23]。

由于整個(gè)研究區(qū)面積較大，從實(shí)際礦井開(kāi)采角度出發(fā)，不可能計(jì)算研究區(qū)全部采空時(shí)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量，因此，根據(jù)礦井采掘接續(xù)，對(duì)2 號(hào)煤層首采的2102 工作面和2101 工作面回采時(shí)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。其計(jì)算結(jié)果為：2101 工作面回采時(shí)涌水量為3 908 m3/d，約163 m3/h；2102工作面回采時(shí)涌水量為4 765 m3/d，約為199 m3/h；合計(jì)約362 m3/h。該水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為煤層水動(dòng)態(tài)補(bǔ)給最大值（為2 號(hào)煤層原始狀態(tài)下估算量，未考慮礦井實(shí)際生產(chǎn)中煤層水超前疏放水量），后期將逐漸減小至穩(wěn)定。

綜上所述，研究區(qū)2 號(hào)富水煤層具有較大的靜儲(chǔ)量，但整體水量有限，遭受采掘活動(dòng)后，煤層及圍巖原有的穩(wěn)定狀態(tài)被打破，煤層自身的同層煤層水和頂板砂巖水動(dòng)態(tài)補(bǔ)給研究區(qū)煤層水，該水量相對(duì)穩(wěn)定；考慮到2 號(hào)煤層富水性的不均一性，結(jié)合預(yù)測(cè)其靜儲(chǔ)量和動(dòng)儲(chǔ)量情況，預(yù)計(jì)巴拉素井田2 號(hào)煤層水疏放將是礦井未來(lái)5～10 年內(nèi)的主要防治水工作。

3 煤層富水性預(yù)測(cè)分區(qū)

選取與富水煤層關(guān)聯(lián)緊密的相關(guān)因素，應(yīng)用多元地學(xué)信息復(fù)合疊加，結(jié)合ArcGIS 地理信息系統(tǒng)和層次分析法（AHP），對(duì)巴拉素井田2 號(hào)煤層進(jìn)行富水性預(yù)測(cè)分區(qū)[24]。選取的主要控制2 號(hào)煤層水富水性的信息因素有煤層厚度、煤心采取率、煤層孔隙度、煤層頂?shù)装搴穸裙? 項(xiàng)。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1.1 富水性影響因素

1）煤層厚度。巴拉素井田2 號(hào)煤層水以煤層內(nèi)部的孔隙、裂隙為賦存介質(zhì)[20]，煤層的富水性與其厚度呈正比關(guān)系。煤層在研究區(qū)內(nèi)東北部厚度相對(duì)較大，向西南部逐漸變小。煤層厚度歸一化專(zhuān)題圖如圖1。

圖1 煤層厚度歸一化專(zhuān)題圖Fig.1 Thematic map of coal seam thickness normalization

2）煤心采取率。巴拉素井田2 號(hào)煤層裂隙發(fā)育，裂隙發(fā)育程度對(duì)煤層水的存儲(chǔ)、運(yùn)移有著決定性作用，但由于區(qū)內(nèi)以往施工鉆孔時(shí)的煤層裂隙數(shù)據(jù)無(wú)法收集，本處采用煤心采取率作為評(píng)價(jià)2 號(hào)煤層裂隙發(fā)育的指標(biāo)，裂隙越發(fā)育、煤心的采取率就越差。在研究區(qū)北部的煤心采取率相對(duì)較高，南部相對(duì)較低。煤心采取率歸一化專(zhuān)題圖如圖2。

圖2 煤心采取率歸一化專(zhuān)題圖Fig.2 Thematic map of core rate normalization

3）煤層孔隙度。與煤層裂隙發(fā)育情況類(lèi)似，巴拉素井田2 號(hào)煤孔隙度也直接影響煤層水的富水性。在研究區(qū)西南部的煤層孔隙度相對(duì)較大，東北部的相對(duì)較小。煤層孔隙度歸一化專(zhuān)題圖如圖3。

圖3 煤層孔隙度歸一化專(zhuān)題圖Fig.3 Thematic map of coal seam porosity normalization

4）直接頂含水層厚度。巴拉素井田2 號(hào)煤層水來(lái)源于上覆侏羅系砂巖含水層水下滲補(bǔ)給[20]。通過(guò)分析，認(rèn)為煤層直接頂含水層的厚度與其富水性呈正相關(guān)關(guān)系，因此，直接頂含水層厚度將決定其向下伏煤層補(bǔ)給水量的多少研究區(qū)直接頂含水層厚度表現(xiàn)為中部及北部相對(duì)較大，東西兩側(cè)相對(duì)較小。直接頂含水層歸一化專(zhuān)題圖如圖4。

圖4 直接頂含水層歸一化專(zhuān)題圖Fig.4 Thematic map of direct roof aquifer normalization

5）直接底隔水層厚度。直接底隔水層厚度將決定著2 號(hào)煤層水底部是否具有良好的隔水性，隔水層厚度越大，2 號(hào)煤層水的富水性相對(duì)越好。研究區(qū)2 號(hào)煤直接底隔水層厚度表現(xiàn)為南北兩側(cè)局部較小，其他區(qū)域相對(duì)較大。直接底隔水層歸一化專(zhuān)題圖如圖5。

該地區(qū)建造時(shí)遭遇連續(xù)暴雨天氣，7月平均降雨量172.5 mm，8月平均降雨量209.5 mm，雨水匯集到基坑中，導(dǎo)致基坑內(nèi)地下水位迅速上漲.發(fā)現(xiàn)時(shí)地下車(chē)庫(kù)已出現(xiàn)整體積水現(xiàn)象，積水最大深度為1 m.此時(shí)地下車(chē)庫(kù)及網(wǎng)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)施工已完成，地下車(chē)庫(kù)側(cè)面回填土已完成，但頂板回填土及底板回填土未進(jìn)行.由于主樓及網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)已足夠抵抗上浮的抗浮水頭，僅地下車(chē)庫(kù)部分產(chǎn)生抗浮破壞，需進(jìn)行加固處理.

圖5 直接底隔水層歸一化專(zhuān)題圖Fig.5 Thematic map of direct floor aquiclude normalization

3.1.2 富水性指數(shù)法

1）建立層次結(jié)構(gòu)分析模型。綜合分析影響巴拉素井田2 號(hào)煤層富水性的多元地學(xué)信息，將其劃分為3 個(gè)層段。其中，2 號(hào)煤層富水性評(píng)價(jià)為目標(biāo)層段（A層段），圍巖厚度、煤層厚度、和空間條件為準(zhǔn)則層段（B層段），上述的5 項(xiàng)地學(xué)信息則為決策層段（C層段），以此進(jìn)行2 號(hào)煤層的富水性預(yù)測(cè)分區(qū)[24]。2 號(hào)煤層富水性評(píng)價(jià)層次分析結(jié)構(gòu)圖如圖6。

圖6 2 號(hào)煤層富水性評(píng)價(jià)層次分析結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Hierarchy analysis structure of No.2 coal seam water richness evaluation

2）構(gòu)建判斷矩陣。根據(jù)SAATY T L 創(chuàng)立的1～9 標(biāo)度方法，對(duì)上述影響因素所起作用的多少進(jìn)行相對(duì)重要性評(píng)價(jià)，對(duì)各因素信息進(jìn)行量化分值，構(gòu)建2 號(hào)煤層富水性層次分析法評(píng)價(jià)判斷矩陣[24]。

3）層次單排序及一致性檢驗(yàn)。評(píng)價(jià)判斷矩陣計(jì)算出各層段單排序權(quán)值（W），由各矩陣計(jì)算得出最大特征值（λmax）、隨機(jī)性與一致性比值（CR）。

經(jīng)計(jì)算，CR 小于0.1，具有較明顯的一致性。由此可得多元地學(xué)信息在富水性分區(qū)研究過(guò)程中的疊加權(quán)重值[24]，其中，直接頂含水層厚度權(quán)重值（W1）為0.085 8；直接底隔水層厚度權(quán)重值（W2）為0.051 5；2 號(hào)煤層厚度權(quán)重值（W3）為0.239 5；2 號(hào)煤心采取率權(quán)重值（W4）為0.346 2；2 號(hào)煤層孔隙度權(quán)重值（W5）為0.277 0。

引入富水性指數(shù)WI 的初始模型對(duì)2 號(hào)煤層富水性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，關(guān)系式為：

式中：WI 為富水性指數(shù)；Wk為地學(xué)信息權(quán)重；fk（x,y）為歸一化之后的單信息影響值函數(shù)（已考慮相關(guān)指標(biāo)的正負(fù)相關(guān)因素；x,y為地理坐標(biāo)；n為多元信息的個(gè)數(shù)[24]。

負(fù)相關(guān)因素歸一化公式為：

式中：fk（x,y）為第k個(gè)地學(xué)信息數(shù)據(jù)歸一化后的值。

結(jié)合上式，可得出巴拉素井田2 號(hào)煤層富水性評(píng)價(jià)模型為：

3.2 富水性預(yù)測(cè)分區(qū)結(jié)果及驗(yàn)證

1）分區(qū)結(jié)果。在已構(gòu)建的層次分析法（AHP）2號(hào)煤層富水性評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（ArcGIS）的空間數(shù)據(jù)分析功能，生成各地學(xué)信息等值線(xiàn)圖，而后計(jì)算疊加后各單元的富水性指數(shù)值大小，各單元內(nèi)各地學(xué)信息量化后的歸一值是一致的[24]。形成巴拉素井田2 號(hào)煤層富水性指數(shù)分布圖后，通過(guò)對(duì)富水性指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分級(jí)，得到分區(qū)閾值分別為0.341 6、0.362 9、0.401 0、0.427 6。根據(jù)分級(jí)閾值，將巴拉素井田2 號(hào)煤層劃分為5 個(gè)區(qū)域，即：①WI＞0.427 6，為相對(duì)強(qiáng)富水區(qū)；②0.401 0＜WI≤0.427 6，為相對(duì)較強(qiáng)富水區(qū)；③0.362 9＜WI≤0.401 0，為相對(duì)中等富水區(qū)；④0.341 6＜WI≤0.362 9，為相對(duì)較弱富水區(qū)；⑤WI≤0.341 6，為相對(duì)弱富水區(qū)。由此得到的巴拉素井田2 號(hào)煤層富水性預(yù)測(cè)分區(qū)圖如圖7。

圖7 巴拉素井田2 號(hào)煤層富水性預(yù)測(cè)分區(qū)圖Fig.7 Prediction zoning map of water richness of No.2 coal seam in Balasu Mine Field

2）現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。由于巴拉素煤礦暫未正式投產(chǎn)，井下巷道多處于建設(shè)掘進(jìn)階段，現(xiàn)場(chǎng)可供驗(yàn)證2號(hào)煤層富水性的僅為超前疏放水鉆孔。具體在研究區(qū)東側(cè)的2101 工作面、西側(cè)的2102 工作面、井底車(chē)場(chǎng)及北翼大巷延伸掘進(jìn)地段。上述區(qū)域大部分處于相對(duì)中等富水區(qū)，較少區(qū)域處于相對(duì)較弱富水區(qū)，極少區(qū)域處于相對(duì)較強(qiáng)富水區(qū)和相對(duì)強(qiáng)富水區(qū)。通過(guò)計(jì)算，得出井下相關(guān)區(qū)域的136個(gè)2 號(hào)煤層超前疏放水鉆孔中，有89 個(gè)鉆孔的單位涌水量在0.1～1 L/（s·m），基本對(duì)應(yīng)相對(duì)中等富水區(qū)；有21 個(gè)鉆孔的單位涌水量在1～1.5 L/（s·m），基本對(duì)應(yīng)相對(duì)較強(qiáng)富水區(qū)；其余鉆孔的單位涌水量均在0.01～0.1 L/（s·m）之間，基本對(duì)應(yīng)相對(duì)較弱富水區(qū)；暫未發(fā)現(xiàn)鉆孔單位涌水量在1.5 L/（s·m）以上的區(qū)域。煤層揭露基本均有水涌出（初期揭露情況作為依據(jù)，后期衰減情況暫不計(jì)），認(rèn)為對(duì)鉆孔單位涌水量在0.01 L/（s·m）以下的區(qū)域應(yīng)相對(duì)弱富水區(qū)。

根據(jù)本次研究區(qū)內(nèi)2 號(hào)煤層富水性預(yù)測(cè)分區(qū)情況來(lái)看，未來(lái)礦井向北部開(kāi)展采掘工程，將有可能面臨更為嚴(yán)峻的煤層水害，屆時(shí)需提前做好相關(guān)防治水工作，確保安全生產(chǎn)。

4 礦井涌水量預(yù)測(cè)

采用Visual Modflow 軟件進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬工作[18,23]。以研究區(qū)范圍建立地下水?dāng)?shù)值模型，對(duì)礦井采掘面臨的2 號(hào)煤層水及頂板砂巖水系統(tǒng)實(shí)體進(jìn)行含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件和水動(dòng)力狀態(tài)概化。通過(guò)收集相關(guān)鉆孔數(shù)據(jù)，進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)剖分，將白堊系洛河組至侏羅系3 號(hào)煤之間共剖分為7個(gè)單元層。模型自上而下分別為洛河組、安定組、直羅組、延安組至2 號(hào)煤頂、2 號(hào)煤、2 號(hào)煤底至3 號(hào)煤頂、3 號(hào)煤層。礦井掘進(jìn)階段的充水水源為2 號(hào)煤層水，回采階段的充水水源為2 號(hào)煤上覆直羅組、延安組含水層水。在平面上剖分結(jié)點(diǎn)175×98 個(gè)，每個(gè)單元格的長(zhǎng)寬基本相等，約為100 m，整個(gè)模型共計(jì)剖分單元17 150 個(gè)。

根據(jù)礦井建設(shè)、生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行模擬，初始流場(chǎng)依據(jù)井田水文補(bǔ)勘鉆孔的水位標(biāo)高插值得出，結(jié)合礦井水文長(zhǎng)觀(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和校正[25-26]。

本次涌水量的預(yù)測(cè)采用模型中的Drain 子模塊和Zone budget 子模塊聯(lián)合進(jìn)行，根據(jù)礦井建設(shè)的采掘接續(xù)情況，在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)將井筒和巷道掘進(jìn)時(shí)的水位由2 號(hào)煤層的水位降至煤層底板；再將開(kāi)采區(qū)段的主要頂板充水含水層的水位降至2號(hào)煤層底板，計(jì)算工作面回采時(shí)的涌水量。通過(guò)水均衡計(jì)算預(yù)測(cè)各階段掘進(jìn)、回采工作面的涌水量。

1）井筒掘進(jìn)涌水量預(yù)測(cè)。井筒掘進(jìn)過(guò)程中主要為2 號(hào)煤層涌水，將Drain 設(shè)置在4 個(gè)井筒的位置。通過(guò)模擬計(jì)算，得出井筒掘進(jìn)時(shí)涌水量（Drain）為30 184 m3/d，即為1 257.7 m3/h。該區(qū)域富水性評(píng)價(jià)為中等富水區(qū)域，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本吻合。

2）巖巷掘進(jìn)揭煤涌水量預(yù)測(cè)。巖巷掘進(jìn)期間工作面涌水量極?。? m3/h 以下，忽略不計(jì)），當(dāng)其揭露2 號(hào)煤及進(jìn)入煤層后將出現(xiàn)大量涌水，同樣采用Drain 來(lái)預(yù)測(cè)揭露2 號(hào)煤后巷道掘進(jìn)工作面涌水量。通過(guò)模擬計(jì)算，得出巖巷掘進(jìn)揭露2 號(hào)煤時(shí)涌水量（Drain）為18 535 m3/d，約為772.3 m3/h。該區(qū)域富水性評(píng)價(jià)為中等富水區(qū)域，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭露出水情況基本一致。

3）煤巷掘進(jìn)期涌水量預(yù)測(cè)。煤巷掘進(jìn)期的主要充水水源為2 號(hào)煤層水，Drain 設(shè)置在2101、2102 工作面的切眼和兩巷部位。通過(guò)模擬計(jì)算，得出煤巷工作面掘進(jìn)時(shí)涌水量（Drain）為14 124 m3/d，約為588.5 m3/h。該區(qū)域富水性評(píng)價(jià)為較弱～中等富水區(qū)域，基本符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

4）回采期涌水量預(yù)測(cè)。2102 工作面長(zhǎng)6 000 m、寬300 m、煤厚3.5 m；2101 工作面長(zhǎng)6 000 m、寬350 m、煤厚3.5 m。通過(guò)模擬計(jì)算，得出2102工作面回采時(shí)涌水量為23 824 m3/d，約為992.7 m3/h；2101 工作面回采時(shí)涌水量為19 541 m3/d，約814.2 m3/h，該區(qū)域2 號(hào)煤層富水性評(píng)價(jià)為較弱-中等富水區(qū)域。

通過(guò)對(duì)礦井不同工況條件下采掘2 號(hào)富水煤層時(shí)的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其預(yù)測(cè)水量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接近，同時(shí)與前文預(yù)測(cè)煤層富水性分區(qū)成果具有一定的關(guān)聯(lián)性，相關(guān)預(yù)測(cè)基本符合礦井水文地質(zhì)及地下水運(yùn)移的一般規(guī)律。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)理論公式、數(shù)值模擬等方法，計(jì)算其靜態(tài)存儲(chǔ)水量和動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量，得出研究區(qū)2 號(hào)煤層水靜儲(chǔ)量約0.665 億m3，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量約362 m3/h，煤層水整體呈衰減趨勢(shì)。結(jié)合礦井涌水情況，預(yù)計(jì)未來(lái)5～10 年礦井防治水工作主要為疏放2 號(hào)煤層水。

2）根據(jù)影響富水煤層的5 項(xiàng)主控指標(biāo)，結(jié)合ArcGIS 軟件和層次分析法（AHP）對(duì)研究區(qū)2 號(hào)煤層進(jìn)行富水性預(yù)測(cè)分區(qū)，得出相對(duì)強(qiáng)、較強(qiáng)、中等、較弱和弱共5 類(lèi)富水區(qū)。

3）利用Visual Modflow 軟件構(gòu)建相關(guān)數(shù)值模型，并對(duì)不同工況條件的井下掘進(jìn)、回采工作面的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)井筒掘進(jìn)時(shí)涌水量約1 257.7 m3/h，巖巷掘進(jìn)揭煤時(shí)涌水量約772.3 m3/h，工作面煤巷掘進(jìn)時(shí)涌水量約588.5 m3/h，各工作面回采時(shí)涌水量約800～900 m3/h。

4）本次研究成果為陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)內(nèi)2 號(hào)富水煤層的初步認(rèn)識(shí)和淺顯探索，后期還需對(duì)2 號(hào)煤層水及相關(guān)含水層水變化情況持續(xù)關(guān)注，并完善相應(yīng)的富水性預(yù)測(cè)分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)及涌水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，力求為區(qū)內(nèi)富水煤層礦井的水文地質(zhì)及防治水工作提供理論依據(jù)。