礦井首采區(qū)涌水量預測研究

李雪琴（山西汾西煤化高級技工學校,山西介休032000）

礦井首采區(qū)涌水量預測研究

李雪琴
（山西汾西煤化高級技工學校,山西介休032000）

摘要：文中在以礦區(qū)實際情況和上述資料為基礎，并參考目前計算礦井涌水量的方法，選擇穩(wěn)定流解析法、比擬法兩種適合該礦區(qū)的科學合理的礦井涌水量的計算方法[1]，以起到相互驗證的作用。計算出礦區(qū)正常和最大涌水量，為找出適合礦區(qū)水文地質條件的礦井防水和排水的最優(yōu)方法及為礦井防治水系統(tǒng)設計提供水文地質依據。

關鍵詞：穩(wěn)定流解析法；比擬法；用水量

1礦井涌水量預測范圍及邊界條件

礦井涌水量預測范圍為井田首采區(qū)，煤層與它相連含水層的邊界條件，包括側向和頂底板條件。井田位于山前傾斜平原的斜坡地帶，為單斜儲水構造，地層由南向北緩傾，含水層在南部隱伏露頭區(qū)接受地表水及地下水的補給，是地下水的主要來水方向，可將其露頭線概化為直線供水邊界；含水層由南向北埋深逐漸增大，含水層由于相變而變薄或尖滅，特別是在ZK3006與ZK36-5鉆孔之間，伴隨新近系的出現，頭屯河組泥巖隔水層厚度的增大，頂底板泥質巖類的大量出現及地層產狀的變陡，其含水層滲透性變的更差，故北部視為弱透水邊界，因此過ZK3006與ZK3605鉆孔的中點作東西向直線，可概化為北部的隔水邊界線；沿其走向在其東西方向上，含水層厚度雖有一定變化，但分布連續(xù)，巖性變化不大，可視為無限邊界；計算主采3號煤層涌水量時，將Ⅱ3含水層底板泥巖或煤視為底板直線隔水邊界，計算采5號煤層涌水量時，需對Ⅱ4含水層排水降壓，可將5號煤層底板視為直線隔水邊界。這樣水文地質計算模型基本確定，即概化為平行隔水供水邊界類型，從而選擇計算公式及參數進行計算，其計算示意圖見圖1。

圖1礦井涌水量預測剖面示意圖

2礦井涌水量預測

在首采區(qū)內，礦井擬采用6°反斜井開拓，高落式機械化首采3號煤層；未來礦山在回采階段，隨礦井排水儲存量的消耗，流場外邊界將固定而穩(wěn)定，礦井涌水量將被流場南部定水頭供水邊界的補給量所平衡，其特征除受季節(jié)變化影響外，將會出現相對的穩(wěn)定流；含水層以孔隙為主，裂隙次之，地下水符合層流運動；充水含水層中侏羅系含水層為承壓水，第四系孔隙水為潛水。故根據井田水文地質資料及概化的邊界條件，采用穩(wěn)定流解析法和比擬法兩種方法而選擇公式，對礦井涌水量進行計算；在穩(wěn)定流解析法計算中，分承壓水和潛水兩部分。其中承壓水的水頭降低，以首采地段主采煤層底板最低標高ZK2204鉆孔為準，3號煤層為+905.60m，5號煤層為+852.80m。

2.1穩(wěn)定流解析法

2.1.1?承壓水的計算公式

因侏羅系層間承壓含水層，在疏干過程中將轉化為無壓狀態(tài)，故選用平行隔水供水邊界的承壓—無壓完整井公式進行預測[2-3]： ??

式中：Q承——大井涌水量（m3/d）?

K——滲透系數（m/d）?

H——承壓水頭高度（m）?

M——含水層厚度（m）?

h0——含水層底板至井中動水位的高度（m）因疏干（h0=0）?

γ0——大井引用半徑（m）?

b——大井至供水邊界距離（m）?

B——隔水至供水邊界距離（m）

2.1.2?潛水的計算??

未來礦山擬采用崩落法開采，在南部首采地段為煤層的淺埋區(qū)，由于頂板冒裂，勢必要溝通第四系孔隙水的滲透補給，而由于潛水位面平緩，當塌陷垂直下降時，會形成圓形補給邊界，故利用潛水完整井公式計算[4]：即??

式中：Q——首采區(qū)第四系孔隙水總涌水量（m/d）?

K——滲透系數（m/d）?H——潛水面至含水層底板距離（m）?

R0——大井引用影響半徑（m）?

r0——大井引用半徑(m) ?

礦井總涌水量：Q總=Q承+Q潛

2.2比擬法

井田東部奶牛場煤礦（烏庫爾其老井）與本區(qū)位于同一水文地質單元內，兩者在滲流場，地下水流場外界條件、地貌單元、氣候條件、含水層特征等方面均具有相似性，但是在開采方法和井巷規(guī)模及內邊界條件方面無相似性，考慮到地質條件的復雜性，故對正常比擬的數學模型進行修改，即由于開采面積和深度不同，以反映出礦井引用半徑和開采深度的變化對涌水量的影響[5]。其比擬公式為：??

式中：Q、r、S—分別為擬建礦井涌水量，礦井引用半徑和水位降深（m）。??

Q1、r1、S1—分別為生產礦井的涌水量，引用井半徑和降深（m）。

3參數的選擇及依據

3.1穩(wěn)定流解析法

3.1.1?承壓水計算參數的選擇

（1）平均滲透系數k：因開采5號煤層時，Ⅱ4含水層會充水，故計算5號煤層時承壓含水層采用ZK2403、ZK2401、ZK3004、ZK2807、ZK3602和ZK3604鉆孔Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4含水層單層或其混合抽水時最大降深K值的算術平均值為0.182m/d，計算3號煤層時利用水文孔中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3單層或混合抽水最大降深時K值的算術平均值為0.139m/d；第四系孔隙含水層：采用ZK3004和ZK3604鉆孔試驗K值的算術平均值為0.201m/d（見表1）。

表1平均滲透系數一覽表

（2）水頭高度H：計算3號煤層時，用ZK2401和ZK3604鉆孔平均水位標高1173.35m與3號煤層最低開采標高905.60m差值為267.75m；計算5號煤層時取ZK2401、ZK3004、ZK2807、ZK3602及ZK3604鉆孔Ⅱ4含水層的平均水位標高1210.12m與5號煤層最低底板標高852.80m的差值為357.32m（見表2）。

表2平均水位標高一覽表

（3）平均含水層厚度：計算采3號煤層時，取首采區(qū)內已施工鉆孔中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3含水層厚度的算術平均值為34.77m；計算采5號煤層時根據首采區(qū)已施工的鉆孔，?、?-Ⅱ4含水層平均厚度之和為46.57m。

（4）大井引用半徑γ0：根據首采區(qū)幾何形態(tài)按（p=2400m）

計算為3821.65m。

（5）供水邊界至隔水邊界的距離B：據概化的邊界，從平面圖上量得7400m。

（6）大井到供水邊界的距離b：據大井所在中心位置；到南部“達拉地”礫巖出露的距離為3100m。

（7）含水層底板到動水位高度h0：因疏干則h0=0。

3.1.2?潛水計算參數的選擇

（1）滲透系數K：取ZK3004、ZK3604鉆孔第四系孔隙含水層抽水時K值的平均值為0.201m/d。

（2）大井引用半徑r0：同前為3821.65m。

（4）平均潛水含水層厚度H：首采區(qū)地段第四系平均厚92.42m，因水位埋深一般大于50m，其底部常有粘性土，故有效含水層厚度按35m計算。

3.2比擬法計算參數的選擇

（1）擬建礦井引用半徑r：同前r0為3821.65m。

（2）擬建礦井水位降深s：即水頭高度為356.35m。

（3）生產礦井引用半徑r1：根據生產礦坑形態(tài)及采空面積F1：283500m2，按計算為300.5m。

（4）生產礦井排水量Q1：根據奶牛場煤礦調查為：1000—1200m3/d。

（5）生產礦井水位降深s0：由調查知平均水位標高為+1183m，平均開采標高為1160m，故s0為23m。

4礦井涌水量預測

將上述所確定的參數分別代入各自計算公式（1）～（3）進行計算得出礦井涌水量,對3、5號煤層首采區(qū)通過穩(wěn)定流解析法預測其礦井最大涌水量為625.61m3/h、712.74m3/h，通過比擬法預測其礦井正常涌水量為507.81m3/h，584.88m3/h。

以上通過對井田水文地質條件分析，認為邊界條件的確定，計算公式及參數的選擇是合理的。根據現有資料，本次只對主采5號煤層最低采準+852.80m水平的礦坑涌水量和3號煤層+905.60m水平的礦井涌水量進行了初步預測；通過穩(wěn)定流解析法和比擬法兩種不同方法的計算結果可以看出：二者比較接近，計算結果比較可靠。在穩(wěn)定流解析法計算中，由于含水層厚度和滲透性具有各向異性，其計算參數的選擇仍有一定偏差，特別是第四系抽水孔位于河旁，在井田尚缺乏代表性，因其底部常夾有粘性土，在計算時含水層厚度和計算范圍可能有些偏大，致使所預測松散層水量偏大。在比擬法計算中由于設計礦井與比擬礦井在開采方法、井巷規(guī)模、第四系厚度、開采深度和補給條件等方面（比擬地表水已滲入）還有一定差異，本次既使對比擬的數學模型進行了修正，但也只是概略的比較；故“解析法”法計算結果更接近實際。由于計算參數是本次豐水期的抽水資料，加之比擬法中所比擬的煤礦涌水是最大水量，故本次計算水量應為最大水量。

5結論

現條件下所計算結果為地下水動、靜儲量兩部分組成，在開采條件下，初期涌水量較大，隨礦山排水、承壓水頭的下降，靜儲量逐漸減少，將會變?yōu)橐詣觾α繛橹?，而由于含水層補給條件較差，井巷涌水量有變小的趨勢。通過計算比較可以看出，第四系水所占比重較大，因其受季節(jié)性河水影響，若采取有效防護措施，對補給源地表水充分利用，防止溝通第四系水，其涌水量會減少。否則，在開采條件下，由反傾向由深到淺的開采及疏干排水，伴隨覆巖冒裂，斷層的揭露及塌陷的發(fā)生，地下水動力條件會發(fā)生改變，以增加新的充水水源，礦坑涌水量還有增大的趨勢，如：當遇斷層并溝通深部承壓含水層時，可使深部承壓水涌入，會造成水量增大；當溝通季節(jié)性地表水體時，水量將會隨季節(jié)變化而變化，遇洪水時會淹井。

參考文獻：

[1]李俊亭.地下水流數值模擬[M].北京：地質出版社,1989:1-62.

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