基于涌水量探采對比的“大井法”公式修正

牟兆剛，唐朝苗，梁葉萍，杜金龍

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

礦井涌水量預(yù)測方法多樣，“大井法”是工程實踐中常用的方法之一。它是把復雜的礦井采掘系統(tǒng)分布的范圍假設(shè)為一個理想的大井，利用地下水動力學公式來計算礦井涌水量。該方法因簡單快速、適用范圍廣而得到水文地質(zhì)人員的青睞；但是研究表明，其預(yù)測涌水量比實際涌水量偏大，最大達30多倍，平均偏大3.21倍[1]，預(yù)測精度只達到D級[2]。因此，本文將通過潞安礦區(qū)涌水量探采數(shù)據(jù)的對比分析，采用地質(zhì)和數(shù)學研究方法來求取“大井法”的修正公式，驗證其合理性與預(yù)測精度。

1 地質(zhì)與水文地質(zhì)

潞安礦區(qū)位于沁水復式向斜東翼、晉-獲褶斷帶西側(cè)，總體上為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，其上疊加了次一級的褶皺和斷裂構(gòu)造。區(qū)域地層自東往西，由老至新，有上元古界震旦系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界新近系、第四系。含煤地層山西組平均煤厚6.04m，太原組平均煤厚3.08m。

礦區(qū)含水層主要為新生界松散層孔隙含水層、石炭-二疊系碎屑巖裂隙夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層、奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。

2 煤礦床充水因素分析

潞安礦區(qū)成煤時代主要為二疊系和石炭系。二疊系山西組上組煤的直接充水水源為裂隙水，間接充水水源為第四系孔隙水；石炭系太原組下組煤，煤層頂板為太原組薄層灰?guī)r，煤層底板為奧陶系灰?guī)r，并且大部分地段煤層位于奧陶系巖溶水位以下，屬于帶壓區(qū)，因煤層底板距奧陶系灰?guī)r較近，帶壓高度大、突水系數(shù)大，在水頭壓力作用下，使奧陶系巖溶水向上進入礦井，形成礦井突水。故開采石炭系煤礦井主要充水水源頂板為巖溶-裂隙水、底板為巖溶水[3]。含水層與煤層疊置關(guān)系見圖1。

3 涌水量探采數(shù)據(jù)對比

收集整理潞安礦區(qū)煤礦井山西組3號煤層的涌水量探采數(shù)據(jù)見表1[1]。經(jīng)統(tǒng)計，預(yù)算值比實測值平均偏大2.21倍。

表1 礦井涌水量探采數(shù)據(jù)對比

經(jīng)過礦井涌水量探采對比分析，總結(jié)影響礦井涌水量預(yù)算的因素主要有以下三方面：1)水文地質(zhì)勘探程度不足，施工抽水鉆孔數(shù)量少，抽水試驗次數(shù)少，且多為單孔抽水，導致水文地質(zhì)條件未徹底查清。2)數(shù)學模型計算公式選擇不當，水文地質(zhì)參數(shù)不具有代表性。參數(shù)取值是通過實測、半實測、反算或者采用經(jīng)驗值，都會對涌水量預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。3)“大井法”未考慮煤層采動影響及工作面巖層釋水。

如何解決以上問題，提高涌水量預(yù)算精度，水文地質(zhì)工作者進行了多方面研究。從效果來看，通過實際涌水量反算影響半徑R，再預(yù)算涌水量是一個較好的方法。通過實例可知，采用反算的R計算礦井涌水量與實測涌水量的誤差減小到平均35%[4]。而目前，在綜合考慮影響涌水量的各種因素的前提下，尚未提出一種較好的預(yù)算方法。我們以此思路為出發(fā)點，從探采數(shù)據(jù)著手，提出一種減小“大井法”涌水量預(yù)算誤差的方法。

4 “大井法”公式修正

4.1 修正方法

1)對同一礦區(qū)而言，水文地質(zhì)條件、煤層賦存條件、開采施工工藝基本相似，每座礦井充水條件也基本相似，即同一煤層充水含水層是均質(zhì)、等厚、各向同性的承壓含水層，符合裘布依公式假定條件，采用“大井法”的承壓轉(zhuǎn)無壓水完整井和吉哈爾特經(jīng)驗公式預(yù)算的涌水量只與“大井”半徑相關(guān)，也就是只與預(yù)算面積相關(guān)。

3)采用“大井法”公式

(1)

計算出Q預(yù)后，代入修正公式即可求得最終結(jié)果。

4.2 修正公式求取

以每個礦區(qū)為對象，礦區(qū)內(nèi)每座礦井的“大井法”預(yù)算涌水量作為自變量，實際涌水量作為因變量，采用最小二乘法進行回歸分析，求出兩組數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系式，該線性函數(shù)關(guān)系式即為修正公式。

以潞安礦區(qū)涌水量探采數(shù)據(jù)(表1)為例，制作散點圖進行回歸分析，可求得回歸系數(shù)b0、b1，其擬合函數(shù)如圖2所示。

圖2 潞安礦區(qū)涌水量探采數(shù)據(jù)散點圖Figure 2 Scatter plot of Lu’an mining area water inflow data from exploration and mining

擬合優(yōu)度均在0.96以上，我們采用y=0.479 2x-8.519 9。因此，“大井法”修正公式為Q井=0.479 2Q預(yù)-8.519 9。

5 修正公式驗證

以潞安礦區(qū)常村煤礦為例，采用富水系數(shù)法和“大井法”修正公式分別預(yù)算3號煤層礦井涌水量，驗證“大井法”修正公式的準確度。

5.1 富水系數(shù)法

富水系數(shù)比擬法公式為：Q=Kp·P

常村礦井目前只開采3號煤層，根據(jù)2010—2016年礦井涌水量和產(chǎn)量統(tǒng)計(表略)，礦井正常涌水量352.20m3/h，最大涌水量為470.4m3/h。礦井正常涌水量時富水系數(shù)(Kp)為0.37m3/t，最大礦井涌水量時富水系數(shù)(Kp)為0.56m3/t。

按照設(shè)計2017年產(chǎn)量800萬t/a，每年330個工作日計算，日產(chǎn)量(P)為1 010.1t/h。根據(jù)選取的參數(shù)，經(jīng)計算，礦井正常涌水量為373.74m3/h，最大涌水量為565.66m3/h。

5.2 “大井法”修正公式

采用潞安礦區(qū)“大井法”修正公式：

Q井=0.479 2Q預(yù)-8.519 9，

計算后3號煤層正常涌水量為328.50m3/h。

5.3 計算結(jié)果評價

采用富水系數(shù)法計算2017年礦井涌水量，與比擬地段的水文地質(zhì)條件相近，預(yù)測結(jié)果基本可靠，可達到C級精度[2]。

采用”大井法”比較符合本礦實際情況，但由于2017年開采工作面不集中，水文地質(zhì)條件變化較大，參數(shù)采取可能偏差。經(jīng)過修正后，計算結(jié)果與富水系數(shù)法計算結(jié)果、往年實測涌水量比較接近，計算誤差分別為12.1%、6.7%，結(jié)果較為準確，精度達到C級。

6 結(jié)語

通過潞安礦區(qū)煤礦井勘探階段與開采階段涌水量資料的對比研究，分析了影響“大井法”預(yù)測精度的因素，介紹了“大井法”公式修正的方法，得出了潞安礦區(qū)“大井法”修正公式。經(jīng)驗證，所計算的涌水量與富水系數(shù)法計算正常涌水量、往年實測正常涌水量比較接近，計算誤差均小于15%，結(jié)果較為準確，預(yù)測精度由D級提高到C級。因此，基于涌水量探采對比的“大井法”公式修正，方法簡單易行，運用效果較好，可為礦井涌水量研究提供一些借鑒。

致謝：本文得到我院首席專家傅耀軍教授的悉心指導，程愛國總工程師的鼎力支持，在此致以誠摯的謝意！