解析法預(yù)測(cè)寒武系灰?guī)r含水層涌水量

張帥偉，張清鋒，徐志軍，張 飛

神火煤業(yè)公司梁北礦，河南 禹州 461670

梁北礦所采煤層為二1煤，立井單水平上下山開拓，開采水平-550m。該礦于2004年10月投產(chǎn)，目前礦區(qū)通過西翼兩條暗斜井，即將進(jìn)入32采區(qū)。

礦井初采期間，21031工作面于2003年10月發(fā)生突水，并在以后的一年半中先后發(fā)生5次較大的突水，突水處寒灰含水層當(dāng)時(shí)水壓由6.1MPa下降至4.3MPa。

32采區(qū)南部以虎頭山斷層為界，西部以019勘探線為界，北部和東部以井田邊界為界，采區(qū)地面標(biāo)高+109～+132m,主采二1煤層，開采標(biāo)高-800m～-550m。

1 計(jì)算方法概述

解析法是運(yùn)用地下水動(dòng)力學(xué)原理，以數(shù)學(xué)分析的方法，對(duì)一定邊界條件和初始條件下的地下水流動(dòng)問題建立定解公式，然后，應(yīng)用這些公式預(yù)測(cè)礦井涌水量。此類公式包含一系列理想條件，如含水層水平，等厚，均質(zhì)，各向同性，具有定水頭內(nèi)外邊界，流場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)等。

2 計(jì)算公式選擇

在本次計(jì)算中，由于梁北礦寒武系灰?guī)r灰?guī)r含水層水壓大，短時(shí)間內(nèi)礦井涌水量和補(bǔ)給量可認(rèn)為近似相等穩(wěn)定；寒灰含水層上部巖溶裂隙較發(fā)育，在礦井涌水過程中進(jìn)水條件可以為完整井進(jìn)水；又奧灰含水層含水豐富，涌水時(shí)可以看作為穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)。因此可以使用承壓水向完整井的穩(wěn)定流公式進(jìn)行計(jì)算。

式中:Q-涌水量；R-影響半徑；r-抽水井半徑；

S-水位降深；K-滲透系數(shù)；M-含水層厚度。

3 水文地質(zhì)概念模型建立

解析法的公式有嚴(yán)格的假設(shè)條件，而實(shí)際的水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜。為了能夠應(yīng)用解析公式，必須在不歪曲原始條件的前提下，對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行合理的概括和簡(jiǎn)化。

3.1 內(nèi)邊界的概化

圖1 引用井半徑r0計(jì)算表

圖2 B系數(shù)表

內(nèi)邊界是指井、鉆孔或巷道系統(tǒng)的進(jìn)水邊界。對(duì)于鉆孔和水井而言，其邊界特征可用其半徑r來表示；對(duì)于巷道系統(tǒng)來說，內(nèi)邊界的形狀是不規(guī)則的，其特征不能用半徑r來表示。為了引用解析公式計(jì)算涌水量，常將復(fù)雜形狀的巷道系統(tǒng)（內(nèi)邊界）概化為一個(gè)理想的“圓形大井”，這樣只要能求出“大井”的引用井半徑r0，就能用解析公式計(jì)算礦井巷道系統(tǒng)的涌水量。內(nèi)邊界的概化方法依巷道系統(tǒng)的形狀而定（見圖1 ，圖2）。

梁北礦32采區(qū)在平面上基本呈一邊長(zhǎng)為2500m的正方形，故內(nèi)邊界概化石使其變?yōu)槔硐胝叫?。引用井半徑?jì)算公式采用礦坑平面圖形為方形時(shí)的公式，即r0=0.59a，其中a=2500m,帶入數(shù)據(jù)得r0=1475m。

3.2 充水巖層的介質(zhì)性質(zhì)

解析法一般要求含水層為均質(zhì)，實(shí)際上含水層往往是不均質(zhì)、不等厚的。在這種情況下，可通過適當(dāng)?shù)钠骄椒?，?duì)有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行均質(zhì)化處理，將原含水層概化為理想的均質(zhì)、等厚含水層，這樣求得的涌水量是近似的。這里假設(shè)含水層充水巖層介質(zhì)性質(zhì)為理想狀態(tài)，并據(jù)此適當(dāng)調(diào)整計(jì)算過程中所涉及的水文地質(zhì)參數(shù)。

4 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

4.1 滲透系數(shù)K

梁北礦礦井地質(zhì)報(bào)告提供滲透系數(shù)為0.00075m/d～0.401m/d；由回采初期N006號(hào)突水資料反求得滲透系數(shù)為2.3m/d；河南省地質(zhì)四隊(duì)1985年6月在本地區(qū)寒武系灰?guī)r含水層內(nèi)做的單孔抽水試驗(yàn)求得滲透系數(shù)分別為0.0153，0.0166，0.0245m/d。由目前11及21采區(qū)地面水位觀測(cè)鉆孔資料及寒灰含水層水位降深資料反求得滲透系數(shù)為0.3m/d。

分析以上數(shù)據(jù):地質(zhì)報(bào)告中提供滲透系數(shù)上下限數(shù)量級(jí)相差較大，故無法但確定該參數(shù)值；突水時(shí)水流在巖層中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，通道性質(zhì)也發(fā)生改變，水流由原來的滲流變?yōu)榻乒艿懒鳎?，反求的滲透系數(shù)會(huì)變大。單孔抽水試驗(yàn)資料太少無法體現(xiàn)宏觀上代表性。綜上分析，滲透系數(shù)取11及21采區(qū)資料反求值。即K=0.3m/d。

4.2 含水層厚度M

由于沒有查到可靠資料說明寒武系灰?guī)r含水層的厚度，只有梁北礦地質(zhì)報(bào)告中提到:寒武系白云質(zhì)灰?guī)r在礦井內(nèi)埋深100m～900m，頂界面標(biāo)高-200～-900m。鉆孔最大揭露厚度145.66m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常寒武系白云質(zhì)灰?guī)r上部40m～60m巖溶裂隙較為發(fā)育，所以，這里取含水層厚度M=50m。

4.3 水位降深S

32采區(qū)的開采條件及開采工藝與現(xiàn)有采面的基本相同，欲使工作面安全回采，采區(qū)水位降深也將與現(xiàn)采區(qū)相似。這里降深值參考現(xiàn)采面的降深值。

據(jù)井下東軌道大巷G10測(cè)壓鉆孔2009年封堵前數(shù)據(jù)1.7MPa（該鉆孔初始水壓觀測(cè)數(shù)據(jù)為5.7MPa），水壓下降4 MPa。故水位降深約400m。現(xiàn)在梁北的漏斗中心位于21031工作面突水點(diǎn)處。據(jù)2006年6月繪制的寒武系灰?guī)r等水位線圖顯示，漏斗中心水位已經(jīng)降至-500m位置，漏斗中心底板標(biāo)高約-580m，即該處水位下井500余米。

考慮到寒灰含水層的大降深與突水有直接關(guān)系，通常情況下通過抽放水很難達(dá)到這個(gè)值，但同時(shí)還要盡可能獲得一個(gè)較大的降深以保證工作面的安全回采，綜合考慮，這里假設(shè)降深為400m。

4.4 引用井半徑r0

由前文敘述可知，32采區(qū)的引用井半徑為1475m。即r0=1475m

4.5 引用影響半徑R0

在穩(wěn)定流解析公式中，鉆孔抽水試驗(yàn)時(shí)影響半徑R是從鉆孔（其半徑與R相比可以忽略不計(jì)）中心算起。當(dāng)用“大井”法預(yù)測(cè)礦井涌水量時(shí)，其影響半徑也應(yīng)從“大井”的中心算起。但由于巷道系統(tǒng)本身的引用井半徑r0的值相當(dāng)大，故在用解析公式計(jì)算礦井涌水量時(shí)，式中的R應(yīng)換為R0，即R0=R+r0

影響半徑R可以由鉆孔抽水資料確定，也可以用經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。在這里計(jì)算影響半徑R采用吉哈爾特經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得R0=3667m。

5 涌水量預(yù)計(jì)結(jié)果

降深達(dá)到400m時(shí)，涌水量值為1725m3/h。

6 涌水量預(yù)計(jì)評(píng)價(jià)

1）根據(jù)梁北礦實(shí)測(cè)涌水量統(tǒng)計(jì)，礦井涌水量的不均衡系數(shù)為1.5，故梁北礦32采區(qū)寒武系灰?guī)r含水層涌水量最大值為2588m3/h；

2）涌水量的預(yù)計(jì)結(jié)果是存在誤差的。本次預(yù)計(jì)結(jié)果的誤差主要來源于以下3個(gè)方面:

（1）參數(shù)的選擇。由于資料局限性，在選用滲透系數(shù)K值時(shí)不能充分說明其具有代表性，故可能使最終結(jié)果產(chǎn)生誤差；

（2）模型概化。在進(jìn)行水文地質(zhì)模型概化時(shí)沒有考慮采區(qū)內(nèi)部及周邊可能會(huì)影響最終預(yù)計(jì)結(jié)果的構(gòu)造，未知的斷裂構(gòu)造的存在可能會(huì)影響礦井的涌水量；

（3）建立的數(shù)學(xué)模型本身的精度是有局限性的，所以最終的結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生誤差。

3）由于在11與21采區(qū)內(nèi)部目前已經(jīng)形成一個(gè)較穩(wěn)定的降落漏斗，當(dāng)在32采區(qū)進(jìn)行疏水降壓時(shí)，必定會(huì)相互干擾。最終結(jié)果將是32采區(qū)寒武系灰?guī)r層的涌水量將偏小。

7 結(jié)論與建議

1）梁北礦32采區(qū)寒武系灰?guī)r含水層正常涌水量為1725m3/h，最大涌水量為2588m3/h；

2）32采區(qū)位于虎頭山斷層北部，較南部采區(qū)相比，32采區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，涌水量也較大，由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，使巖層裂隙的發(fā)育呈現(xiàn)不均一性建議，在以后的開掘與回采過程中做好探構(gòu)造與探放水工作，加強(qiáng)地質(zhì)及水害預(yù)報(bào)，預(yù)防突水事故的發(fā)生；

2）32采區(qū)寒灰含水層地面水文觀測(cè)鉆孔目前只有5個(gè)，為了更好的掌握寒武系灰?guī)r含水層的動(dòng)態(tài)水位變化，建議補(bǔ)充觀測(cè)鉆孔，同時(shí)井下也需要配合設(shè)計(jì)觀測(cè)鉆孔，形成點(diǎn)、線、面的控制，完善寒灰含水層的水位觀測(cè)系統(tǒng)，為梁北礦的安全生產(chǎn)提供更多更可靠的水文地質(zhì)資料。

[1]陳兆炎，蘇文智，鄭世書.煤田水文地質(zhì)學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1989.

[2]李金凱.礦井巖溶水防治[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1990.