趙各莊礦井高傾斜煤層深部開(kāi)采礦井涌水量預(yù)測(cè)研究

連會(huì)青，冉 偉，夏向?qū)W，晏 濤

(1.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

礦井涌水量是煤礦開(kāi)采中非常重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。在多年開(kāi)采中，積累了大量涌水量預(yù)測(cè)的理論與數(shù)學(xué)模型，提出了很多有效的預(yù)測(cè)方法，目前常用的預(yù)測(cè)礦井涌水量的方法主要有相關(guān)比擬法［1］、解析法［2］、水均衡法［3］、數(shù)值法［4］和時(shí)間序列分析［5］等方法。但是在高傾斜煤層深部開(kāi)采條件下，預(yù)測(cè)過(guò)程中由于水文地質(zhì)條件復(fù)雜化、水文地質(zhì)參數(shù)缺乏代表性以及所建立的數(shù)學(xué)模型不恰當(dāng)?shù)仍?，很容易?dǎo)致計(jì)算誤差偏大［6－8］，不能提供準(zhǔn)確的涌水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，開(kāi)展急傾斜煤層深部開(kāi)采礦井涌水量預(yù)測(cè)是值得關(guān)注的課題，也為下組煤的安全生產(chǎn)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

1.1 3839工作面概況及開(kāi)采情況

趙各莊井田位于河北省唐山市東北古冶區(qū)，開(kāi)平煤田開(kāi)平向斜東北端。3839工作面位于13水平西翼8石門(mén)，上至12水平，12水平以上2137工作面已于2007年回采完畢;下至13水平，以下無(wú)采掘工程;東至F2斷層，以東3639工作面2012年回采完畢，西至13西8石門(mén)，以西無(wú)采掘工程。

為更好地認(rèn)識(shí)本區(qū)域工作面涌水規(guī)律，對(duì)距離3839工作面最近的九水平9037工作面、十水平0033工作面、十一水平1237工作面和十二水平2137工作面曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的出水情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，各工作面與3839工作面的空間關(guān)系如下圖1所示:

圖1 3839研究區(qū)及以上工作面位置示意圖

如果從立面圖上看，開(kāi)采范圍位于12西11石門(mén)東翼，12西10石門(mén)兩翼，東至F2斷層，西至西II斷層。地面標(biāo)高+62 m，工作面標(biāo)高－971.9～－1087.3 m，走向長(zhǎng)395 m，傾向長(zhǎng)124 m，面積48980 m2。

1.2 3839工作面涌水量動(dòng)態(tài)

12水平西10石門(mén)和11石門(mén)掘進(jìn)期間涌水量變化曲線圖(圖2)，可以看出自2012年9月以來(lái)，12水平石門(mén)和3839風(fēng)道涌水量同時(shí)開(kāi)始增大，一直持續(xù)到2013年1月底。期間，在2012年10月20日10石門(mén)小井被沖開(kāi)，10石門(mén)當(dāng)時(shí)涌水量為4.11 m3·min－1，在 2012年 10月25日 10石門(mén)以東底回風(fēng)道見(jiàn)大水，10石門(mén)當(dāng)時(shí)涌水量為3.14 m3·min－1，11石門(mén)涌水量變化不大。最大值出現(xiàn)在2013年1月17日，12水平10和11石門(mén)總涌水量達(dá)到6.44 m3·min－1。之后開(kāi)始下降，到2013年4月18日，12水平10和11石門(mén)總涌水量已下降至2.38 m3·min－1。

圖2 12西10石門(mén)和11石門(mén)涌水量變化曲線圖

同期，13水平7石門(mén)和8石門(mén)涌水量數(shù)值一直不大(圖3)，個(gè)別時(shí)間有涌水現(xiàn)象，二者比較，8石門(mén)要比7石門(mén)水量要大，但都小于0.35 m3·min－1。2013年以來(lái)，8石門(mén)基本沒(méi)有涌水現(xiàn)象，7石門(mén)則僅在2013年3月1日有過(guò)一次涌水，水量為 0.16 m3·min－1。

圖3 13西7石門(mén)和8石門(mén)涌水量變化曲線圖

1.3 3839工作面充水因素分析

1.3.1 老塘水

隨著礦井開(kāi)采水平的不斷向下延深，采區(qū)的主要充水因素雖仍是奧灰水，但直接充水因素卻是上方的老塘水。奧灰水成為老塘水的穩(wěn)定補(bǔ)給源，造成老塘內(nèi)長(zhǎng)期涌水，并隨著水平延伸，而逐步向下轉(zhuǎn)移。

根據(jù)上巷開(kāi)采中出水工作面的位置分析，區(qū)域老塘水的來(lái)源一部分來(lái)自12西11石門(mén)西側(cè)上部，即上方0033、1237、2137工作面老塘的垂直下滲。另一部分來(lái)自金莊反山區(qū)，即上方的0235、0335工作面老塘，由于在11水平之后，大巷未進(jìn)入金莊反山區(qū)區(qū)域，9、12煤層均未開(kāi)采。該區(qū)域10水平以上涌水向下已無(wú)通道，只能向東轉(zhuǎn)移。

1.3.2 降雨強(qiáng)度

區(qū)域涌水量的大小與降雨強(qiáng)度和奧灰水位的上升幅度關(guān)系密切，而與奧灰水位高低關(guān)系不甚明顯。77年7月、84年8月、87年8月、94年7月均有一次100mm以上的集中降雨，結(jié)果近一個(gè)月之后，該區(qū)域涌水量發(fā)生明顯變化;而77年6月、87年7月奧灰水位在－120 m時(shí)，區(qū)域涌水量無(wú)增大現(xiàn)象，94年8月奧灰水位在－170 m時(shí)區(qū)域涌水量發(fā)生明顯變化。

1.3.3 奧灰水動(dòng)態(tài)特征分析

為了解放井田內(nèi)受奧灰威脅的區(qū)域，趙各莊礦實(shí)施了疏水降壓工程，自1989年始，以7水平(－557m)為疏水基地，共完成疏水降壓井巷工程2125.2 m，打奧灰放水鉆孔 37眼，共鉆進(jìn)7850.06 m，放水能力 40 ～45 m3·min－1，使奧灰水位由0 m疏降到－150 m以下。

區(qū)內(nèi)奧灰水位在每年的汛期受降水影響會(huì)較快速抬升。2012年降水量豐富，區(qū)內(nèi)奧灰水位一度逼近警戒水位－150 m;但隨著雨季過(guò)后，補(bǔ)給減少，截止2013年4月5日，奧灰水位已降至－250.29 m(圖4)，且?jiàn)W灰水位還在持續(xù)下降，接近2008年的低值，緩解了底板奧灰突水的威脅。

圖4 開(kāi)灤趙各莊井田疏水后奧灰水位降落漏斗圖

1.3.4 小煤窯

在不考慮降雨的情況下，單獨(dú)就小煤窯而言，小煤窯關(guān)閉后基本上對(duì)礦井涌水無(wú)影響。2008年9月地方煤礦停產(chǎn)整頓后，曾對(duì)礦井涌水影響結(jié)果進(jìn)行了分析，分析認(rèn)為:地方煤礦的停產(chǎn)整頓對(duì)趙各莊礦的涌水量影響不大，甚至使礦井涌水量有所減少。

2 多元線性回歸法預(yù)計(jì)涌水量

2.1 研究區(qū)涌水量預(yù)測(cè)公式確定

1)根據(jù)正常涌水量(Q)與開(kāi)采面積(S)、降水量(P)、奧灰水位(H0)和開(kāi)采深度(S0)擬合公式，建立多元線性回歸方程(相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)。

表1 涌水量與各相關(guān)因素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

因涌水量和開(kāi)采面積、降水量、奧灰水位和開(kāi)采深度的四元回歸方程最少需要五組數(shù)據(jù)才能擬合，但每一水平只有三組完整數(shù)據(jù)(8水平有4組數(shù)據(jù))，所以將相鄰兩個(gè)水平數(shù)據(jù)組合進(jìn)行模擬。其中回歸性較好的方程有三個(gè):

根據(jù)9－10水平數(shù)據(jù)擬合涌水量和開(kāi)采面積、降水量、奧灰水位和開(kāi)采深度之間的多元線性回歸方程為:

該多元線性回歸方程的R2=0.99655，相關(guān)性很高，說(shuō)明該方程擬合的比較好。

根據(jù)11－12水平數(shù)據(jù)擬合涌水量和開(kāi)采面積、降水量、奧灰水位和開(kāi)采深度之間的多元線性回歸方程為:

該多元線性回歸方程的R2=0.98，相關(guān)性很高，說(shuō)明該方程擬合的比較好。

根據(jù)12－13水平數(shù)據(jù)擬合涌水量和開(kāi)采面積、降水量、奧灰水位和開(kāi)采深度之間的多元線性回歸方程為:

該多元線性回歸方程的R2=0.9987，相關(guān)性很高，說(shuō)明該方程擬合的比較好。

在擬合公式中，8－9水平和10－11水平擬合效果不好，9－10水平、11－12水平、12－13水平擬合效果非常好。所以在此使用這三個(gè)擬合公式進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)。

2)根據(jù)正常涌水量(Q)與老空積水量(q)、降水量(P)、奧灰水位變幅(H0)和開(kāi)采深度(S0)擬合公式，建立多元線性回歸方程 (相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)。

根據(jù)11－12水平數(shù)據(jù)擬合正常涌水量和老空積水量、降水量、奧灰水位變幅和開(kāi)采深度之間的多元線性回歸方程為:

該多元線性回歸方程的R2=0.9996，相關(guān)性非常高，說(shuō)明該方程擬合的非常好。

2.2 公式的驗(yàn)證

上述公式一采用12－13水平的擬合方程，公式2采用11－12水平的擬合方程分別對(duì)12水平和13水平的涌水量進(jìn)行預(yù)計(jì)。并利用2010～2012年的實(shí)測(cè)涌水量數(shù)據(jù)對(duì)方程進(jìn)行驗(yàn)證，見(jiàn)表2。

表2 實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值比較結(jié)果單位:m3·min－1

從以上兩種方法預(yù)測(cè)不同水平涌水量比較來(lái)看，第一種方法得到的預(yù)測(cè)值更接近實(shí)測(cè)值，。所以采用正常涌水量(Q)與開(kāi)采面積(S)、降水量(P)、奧灰水位(H0)和開(kāi)采深度(S0)擬合方程進(jìn)行工作區(qū)涌水量預(yù)測(cè)。

2.3 研究區(qū)涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)以上計(jì)算方法確定采用以下四元線性回歸方程進(jìn)行2013年13水平工作區(qū)涌水量預(yù)測(cè)。

其中，降水量、水位值的預(yù)測(cè)值采用2010－2012年3年每月平均值預(yù)測(cè)每月正常涌水量，最大值預(yù)測(cè)每月最大涌水量。其余參數(shù)取值，開(kāi)采面積974.654 m2，開(kāi)采深度1100 m。

預(yù)測(cè)得2013年13水平正常涌水量和最大涌水量見(jiàn)表3。

表3 2013年涌水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表單位:m3·min－1

3 比擬法預(yù)計(jì)涌水量

3.1 涌水量與開(kāi)采深度比擬

根據(jù)礦井已采水平的歷史涌水量與開(kāi)采深度的統(tǒng)計(jì)分析，確定八水平以下各水平涌水量高峰期內(nèi)的正常涌水量(把每個(gè)水平高峰涌水量期間內(nèi)的平均值稱(chēng)作該水平高峰期內(nèi)的正常涌水量)與開(kāi)采深度的相關(guān)關(guān)系(即非線性關(guān)系)，方程為:

式中:s為各水平的采深(m)，Q為單位時(shí)間涌水量(m3·min－1)。

依據(jù)此公式對(duì)14水平的涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。通過(guò)生產(chǎn)區(qū)域的分析發(fā)現(xiàn)，11、12和13水平都沒(méi)有對(duì)水文地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行開(kāi)采，而根據(jù)十水平以上各水平開(kāi)采涌水資料統(tǒng)計(jì)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域涌水量要占整個(gè)水平涌水量的40%，如果11、12和13水平也對(duì)反山區(qū)進(jìn)行開(kāi)采，其涌水量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)測(cè)水平，因此，對(duì)十四水平涌水量預(yù)測(cè)分析中，使用11、12和13水平數(shù)據(jù)，模擬其開(kāi)采反山區(qū)的情況。

因此，取近10年礦井正常涌水量平均值、礦井涌水量最大值作為礦井正常涌水量、礦井最大涌水量。本次礦井涌水量的預(yù)計(jì)未考慮奧灰底板突水等災(zāi)變因素。礦井及各水平涌水量結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 比擬法礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果單位:m3·min－1

3.2 涌水量與開(kāi)采面積、降深比擬

本次采用的計(jì)算方法將涌水量大小與主要影響因素開(kāi)采面積大小、開(kāi)采降深聯(lián)系，能更好計(jì)算涌水量的值。根據(jù)已有歷史實(shí)測(cè)涌水量值、每年開(kāi)采面積和水位降深值數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度，確定采用9水平－11水平礦井實(shí)測(cè)歷史涌水量與開(kāi)采面積、水位降深的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算出礦井單位涌水量比擬公式，然后再采用比擬式預(yù)測(cè)出不同開(kāi)采面積、不同開(kāi)采水平的涌水量大小。具體計(jì)算公式如下:

式中:Q—新水平預(yù)計(jì)涌水量(m3/min);F—新水平設(shè)計(jì)開(kāi)采面積(m2);S—新水平水位降深(m);Q0—生產(chǎn)水平實(shí)際涌水量(m3·min－1);F0—生產(chǎn)水平實(shí)際擴(kuò)采面積(m2);S0—生產(chǎn)水平實(shí)際水位降深(m);m，n—系數(shù)。

計(jì)算得到 12 水平 Q=2.01 m3·min－1，13 水平 Q=2.73 m3·min－1。

用上述公式計(jì)算得到的水平涌水量值與實(shí)測(cè)正常涌水量值比較接近，見(jiàn)表5。在預(yù)測(cè)更深層的涌水量時(shí)，可參考使用該公式。

表5 研究區(qū)比擬法預(yù)測(cè)與實(shí)際涌水量對(duì)比表單位:m3·min－1

現(xiàn)階段，因未得到14水平設(shè)計(jì)資料，所以未知開(kāi)采面積，暫未進(jìn)行預(yù)測(cè)。若已知14水平設(shè)計(jì)開(kāi)采面積，可代入公式，得到對(duì)應(yīng)開(kāi)采面積、降深下的涌水量值。

4 解析法計(jì)算涌水量

以井流理論和用等效原則構(gòu)造的“大井”為主的大井法來(lái)預(yù)測(cè)涌水量。礦井充水含水層為承壓水，礦井開(kāi)采排水過(guò)程中，必然會(huì)形成以坑道系統(tǒng)為中心的降落漏斗，在漏斗中心的一定范圍內(nèi)，承壓水降至隔水頂板以下，含水層性質(zhì)由承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓，地下水流狀態(tài)為穩(wěn)定流，所以預(yù)測(cè)涌水量的計(jì)算公式采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓的完整井公式:

式中，Q為預(yù)計(jì)礦井涌水量(m3·min－1);K為滲透系數(shù)(m·d－1)H0為水柱高度(m);M為含水層厚度(m);hw為含水層底板以上動(dòng)水位高度(m);R“大井”引用影響半徑(m)，其計(jì)算公式為“大井”引用半徑(m)。

此次計(jì)算，滲透系數(shù)取工作面范圍內(nèi)滲透系數(shù)平均值0.1166，hw取0，旨在計(jì)算水位降到含水層底板。計(jì)算得十三水平坑道系統(tǒng)涌水量為2.53 m3·min－1。對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表 6。

表6 預(yù)測(cè)與實(shí)際涌水量對(duì)比表單位:m3·min－1

5 結(jié)論

綜合以上計(jì)算結(jié)果，回歸法、比擬法和解析法三種方法預(yù)測(cè)的13水平涌水量在2.06 m3·min－1～2.73 m3·min－1之間，平均值為 2.395 m3·min－1與實(shí)測(cè)值比較接近(見(jiàn)表7)，待進(jìn)一步獲取14水平詳細(xì)的開(kāi)采參數(shù)，預(yù)測(cè)14水平相應(yīng)工作面涌水量。

表7 研究區(qū)不同方法的預(yù)測(cè)值與實(shí)際涌水量單位:m3·min－1

綜上所述，可以得出以下結(jié)論:

1)涌水量預(yù)測(cè)過(guò)程中，可以采取多種方法預(yù)測(cè)，綜合對(duì)比后確定。

2)總體看，“大井法”和考慮“開(kāi)采面積－降深”的比擬公式預(yù)測(cè)結(jié)果接近實(shí)際值;

3)多元回歸法預(yù)測(cè)結(jié)果偏小，主要是由于上部采空區(qū)積水量的預(yù)測(cè)難度較大，導(dǎo)致最終預(yù)測(cè)結(jié)果誤差較大，但不能否認(rèn)上部采空區(qū)積水量對(duì)深部開(kāi)采的重要影響。

4)所建立多元回歸模型涌水量預(yù)測(cè)誤差在15%左右，遠(yuǎn)小于生產(chǎn)實(shí)際中常見(jiàn)的50%的誤差范圍，可見(jiàn)模型具有一定的可行性，隨著對(duì)各因素研究的深入，模型精度將逐步提高，為生產(chǎn)設(shè)計(jì)需求可提供參考數(shù)據(jù)。

［1］ 周漢江，顧志廣，彭先林，等.用比擬法預(yù)測(cè)急傾斜煤層開(kāi)采礦井涌水量的方法［J］.江西煤炭科技，2010，(4):70－71.

［2］ 華解明.關(guān)于“大井法”礦井涌水量預(yù)測(cè)的質(zhì)疑［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，(4):74 －76+82.

［3］ 杜敏銘，鄧英爾，許模.礦井涌水量預(yù)測(cè)方法綜述［J］.四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009，(1):70 －73.

［4］ 宋桂軍.長(zhǎng)溝峪煤礦礦井涌水規(guī)律數(shù)值模擬研究［D］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2008.

［5］ 湯琳，楊永國(guó)，徐忠杰.非線性時(shí)間序列分析及其在礦井涌水預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.工程勘察，2007，(5):28－30+72.

［6］ 高明中.急傾斜煤層開(kāi)采巖移基本規(guī)律的模型試驗(yàn)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，(3):441－445.

［7］ 李永明，劉長(zhǎng)友，徐青云，等.急傾斜煤層開(kāi)采防水煤柱穩(wěn)定性影響因素研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，(12):15－18+23.

［8］ 王金安，馮錦艷，蔡美峰.急傾斜煤層開(kāi)采覆巖裂隙演化與滲流的分形研究［J］. 煤炭學(xué)報(bào)，2008，(2):162－165.

［9］ 段儉君，徐會(huì)軍，王子河.相關(guān)分析法在礦井涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，(6):114－116+76.

［10］ 陳永新，徐東晶，林寧，等.多項(xiàng)式曲線擬合在礦井涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］. 采礦技術(shù)，2013，(4):75－77+93.

［11］ 湖南省第二煤田地質(zhì)勘探隊(duì)地質(zhì)科.斗笠山礦區(qū)深部井田水文地質(zhì)特征及其礦井涌水量預(yù)測(cè)［J］.煤田地質(zhì)與勘探，1981，(1):31 －41.

［12］ 劉洋，李凱，王振榮.礦井涌水量計(jì)算方法評(píng)述［A］.陜西省煤炭學(xué)會(huì).高產(chǎn)高效煤礦建設(shè)的地質(zhì)保障技術(shù)——陜西省煤炭學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集·2009［C］.陜西省煤炭學(xué)會(huì)，2009:5.