五舉煤礦礦井涌水量預(yù)測研究

邊 疆

甘肅煤田地質(zhì)局一四六隊(duì)，甘肅 平?jīng)?744000

0 引言

礦井涌水量預(yù)測是對礦井充水條件的定量評價，也是對礦井需要排出水量的估計(jì)。礦井涌水量的大小是反映一定條件下，礦井充水程度的定量指標(biāo)，是井田開采設(shè)計(jì)中制定防治水方案的依據(jù)[1]。五舉煤礦為擬建大型煤礦，礦井涌水量預(yù)測準(zhǔn)確與否對項(xiàng)目設(shè)計(jì)及生產(chǎn)至關(guān)重要，用解析法和比擬法對礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測，并對其可靠性進(jìn)行對比分析。

1 井田概況

1.1 井田概況

五舉井田位于甘肅省崇信縣新窯鎮(zhèn)和靈臺縣龍門鄉(xiāng)，地處隴東黃土高原南端，海拔標(biāo)高1 200～1 520 m，地形總趨勢西北高東南低。

1.2 井田地層及煤層

井田內(nèi)出露及揭露的地層自老而新有：中上三疊統(tǒng)延長組（T2-3y），下侏羅統(tǒng)富縣組（J1f），中侏羅統(tǒng)延安組（J2ya），中侏羅統(tǒng)直羅組（J2z），中上侏羅統(tǒng)安定組（J2-3a）），下白堊統(tǒng)六盤山群（K1L），新近系干河溝組（N2g）和第四系（Q）。其中中侏羅統(tǒng)延安組（J2ya）為井田內(nèi)主要含煤地層，含可采煤層6層，分別為煤2-1、煤2-2、煤3-1、煤3-2、煤5-1和煤5-2。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域上，礦區(qū)地處六盤山東麓，大地構(gòu)造位置處于鄂爾多斯多斯盆地西緣斷褶帶的南端。以鄂爾多斯盆地西南部區(qū)域構(gòu)造特征分析，可劃分出渭北撓褶帶、西緣斷褶帶、天環(huán)坳陷等構(gòu)造單元（圖1）。

自西而東，由于七條主要斷裂破壞，使礦區(qū)煤系地層支離破碎，各煤層也隨之失去連續(xù)完整性。礦區(qū)區(qū)褶皺構(gòu)造旋迴層有三個，上部為喜馬拉雅期新生代旋迴層，地層水平或有原始傾斜;中部為燕山晚期白堊紀(jì)旋迴層，地層傾角為5～8°，總體東傾，斷層處傾角異常變陡；下部為為燕山早期三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)旋迴層。

圖 1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure of the mining area

2 井田水文地質(zhì)特征

井田內(nèi)巖層按其賦水性、含水類型等，可劃分為六個含水層和四個隔水層。對礦井充水有影響的直接充水含水層埋深大，其上又有隔水層覆蓋，補(bǔ)給條件差，與地表水水力聯(lián)系差。主采煤層頂、底板直接充水含水層單位涌水量小于0.1 L/s.m。礦井屬于以裂隙充水為主，水文地質(zhì)條件簡單的礦床。

3 礦井涌水量預(yù)測

3.1 預(yù)測方法

如何準(zhǔn)確地預(yù)測礦井涌水量，一直是國內(nèi)外專家都在努力探求的問題[2]。結(jié)合本井田水文地質(zhì)特征及已取得的水文地質(zhì)參數(shù)，以及對周邊生產(chǎn)礦井涌水量的了解，本文對五舉煤礦礦井涌水量分別采用解析法和比擬法進(jìn)行計(jì)算。采用冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶最大高度推算，第1、2、3含水層對礦井基本無影響，故只計(jì)算第4、5、6含水層對礦井的涌水量。

3.2 解析法

這里分三種情況，即煤層隱伏露頭地帶、煤礦頂板水和底板水，分別采用不同的公式計(jì)算。

3.2.1 煤層隱伏露頭地帶：

式中：Q—涌入坑道涌水量(m3/d)；H—承壓水頭高度(m)；B—巷道水平長度(m)；S—水位降低(m)；K—滲透系數(shù)(m/d)；R—影響半徑(m)。

3.2.2 頂板水：

式中：Q—地下水涌入坑道流量（m3/d）；M—含水層平均厚度（m）；K—含水層滲透系數(shù)（m/d）；H—承壓水頭高度（m）；h—動水位至底板隔水層高度（m）；R0—坑道系統(tǒng)影響半徑（m）；r0—坑道系統(tǒng)引用半徑（m）；S—水位降低（m）；F—礦坑面積（m2）（先期開采地段面積為6 180 000 m2）；R—影響半徑（m）。

3.2.3 底板水：

式中：Ma—坑道底板至底部含水層的有效厚度（m），取50 m；L—坑道底板內(nèi)揭露含水層的平均厚度（m），取10 m；其它符號意義同[1]、[2]、[3]式。

3.3 比擬法

式中：Kp—相鄰百貫溝煤礦的富水系數(shù)；Qp—相鄰百貫溝煤礦總排水量；P總—相鄰百貫溝煤礦同時期內(nèi)的采礦量；Q—五舉煤礦的預(yù)測涌水量；P—五舉煤礦的設(shè)計(jì)采礦量。

百貫溝煤礦年產(chǎn)量15萬t，采煤階段正常涌水量45 m3/h，最大涌水量51.75 m3/h。

3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)相鄰?fù)幻禾飪?nèi)百貫溝煤礦資料，其最大涌水量為正常涌水量的1.15倍。故本次對五舉煤礦礦井涌水量預(yù)測時，僅計(jì)算礦井正常涌水量，最大涌水量與正常涌水量的比值參照百貫溝煤礦的1.15倍來計(jì)算。

3.4.1 解析法計(jì)算結(jié)果

（1）煤層露頭地帶涌水量

利 用 KG1、KG2、CS1904、CS2704、J2708號孔資料進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見表1。

礦坑長寬之比：a:b=3 933:154=25.5，采用水平廊道法計(jì)算:B=3 933 mH=449.32 m；S=449.32 m；M=148.9 m。

（2）煤層頂板（第五含水層）進(jìn)入礦坑系統(tǒng)涌水量

采用頂板水計(jì)算公式，計(jì)算參數(shù)選用J2202、J2402孔抽水試驗(yàn)資料，計(jì)算參數(shù)見表2。

礦坑長寬之比：a:b=5 885:1 050=5.61，采用頂板充水計(jì)算公式：H=591.45 m；S=591.45 m；=0.013 5 m/d；M=35.4 m；r0=（ 開 采 面 積 /π）1/2=(6 180 000/π)1/2=1 402 m ；R=2Sm；R0=r0+R=4 745 m。

（3）煤層底板含水層（第六含水層）進(jìn)入礦坑系統(tǒng)涌水量

公式選用底板水計(jì)算公式，計(jì)算參數(shù)選用井田內(nèi)J2202、J2402孔抽水試驗(yàn)資料，計(jì)算參數(shù)見表3。=0.009 43 m/d，Ma=50 m（假定）；L=10 m（假設(shè)）；S=561 m（按水位降至煤5-2底板以下20 m計(jì)算）；r0=（6 180 000/π）1/2=1 402 m ；R0=1 947 m。故解析法計(jì)算礦井正常涌水量：Q正常=Q露頭+Q頂+Q底=3 032+1 415+2 625=7 072 m3/d，礦井最大涌水量Q最大=1.15×Q正常=8 183 m3/d。

3.4.2 比擬法計(jì)算結(jié)果

五舉煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為240萬t，以百貫溝煤礦資料進(jìn)行類比推算，則比擬法計(jì)算開采階段礦井正常涌水量Q正常= Kp.P=(2.628×240×104)/365=17 280 m3/d，最大涌水量Q最大=1.15×Q正常=19 872 m3/d。

表 1 煤層露頭地帶白堊系涌水量計(jì)算參數(shù)取值表Table 1 Calculating parameters of Cretaceous water inf l ow in coal seam outcrop area

表 2 煤層頂板進(jìn)水計(jì)算參數(shù)取值表Table 2 Calculation parameter table for water intake of coal seam roof

表 3 煤層底板進(jìn)水計(jì)算參數(shù)取值表Table 3 Calculation parameter table for water intake of coal seam fl oor

4 預(yù)測結(jié)果對比分析

采用解析法計(jì)算礦井涌水量,是針對具體的水文地質(zhì)條件進(jìn)行理想化后進(jìn)行的，計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確與公式及參數(shù)的選擇是否合理有很大的關(guān)系，本次各計(jì)算參數(shù)均選自井田內(nèi)各水文孔抽水試驗(yàn)計(jì)算成果，計(jì)算公式選擇合理，參數(shù)可靠，計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，可以采用。

采用比擬法計(jì)算礦井涌水量時,雖然百貫溝煤礦和五舉煤礦同屬一個煤田，水文地質(zhì)條件相似，但由于百貫溝煤礦位于煤層隱伏露頭地帶，為地下水補(bǔ)給區(qū)，且礦井涌水量與大氣降水關(guān)系更為密切，造成該礦井涌水量偏大。其次，兩個煤礦生產(chǎn)能力相差懸殊，采用比擬法計(jì)算誤差被成倍放大，精度下降，以至于比擬法計(jì)算結(jié)果是解析法計(jì)算結(jié)果的兩倍還多，與相鄰礦區(qū)各煤礦涌水量相比，該計(jì)算結(jié)果明顯偏大，不可采用。

5 結(jié)論

五舉煤礦礦井涌水量采用解析法計(jì)算Q正常=7 072 m3/d，Q最大=1.15×Q正常=8 183 m3/d；采用比擬法計(jì)算Q正常=17 280 m3/d，Q最大=19 872 m3/d，比擬法計(jì)算結(jié)果明顯失真，解析法計(jì)算公式和參數(shù)選擇合理，符合本礦井水文地質(zhì)條件和實(shí)際水文地質(zhì)資料反映的規(guī)律，計(jì)算結(jié)果更接近礦井實(shí)際情況[3]。建議采用解析法計(jì)算結(jié)果作為五舉煤礦初步設(shè)計(jì)依據(jù)。