導高不確定條件下涌水量計算模型確定方法

陳銘岳，許進鵬，任鄧君，胡華庭，李龍飛

(1.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.陜西正通煤業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713699)

0 引 言

礦井涌水量的大小是合理設(shè)計礦井建設(shè)與生產(chǎn)方案、設(shè)計礦井防排水系統(tǒng)、制定礦井防治水措施的主要依據(jù)。因此礦井涌水量的計算是礦井水文地質(zhì)工作的重要任務(wù)，然而礦井涌水量普遍存在水文地質(zhì)參數(shù)難以準確確定的難題，導致涌水量與實際相差甚大[1]。目前，礦井涌水量計算方法繁多，有解析法[2-3]、比擬法[4]、數(shù)值法[5-6]、水均衡法[7]、灰色理論[8-9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1,3,10]和層次分析法[11]等。如何選擇一種合適的涌水量計算模型至關(guān)重要，特別是針對富水礦區(qū)。本文將通過收集高家堡煤礦已開采工作面煤層頂板的出水資料，通過涌水量資料分析建立兩種情況下井壁進水的非完整井以及越流三種涌水量計算模型的正確性，確立一個合適的模型來計算涌水量。

1 研究區(qū)概況及存在問題

1.1 研究區(qū)概況

高家堡井田位于陜西彬長礦區(qū)，鄂爾多斯盆地南部渭北撓折帶北緣的廟-彬凹陷內(nèi)北部，基底隆起與煤系、煤層的沉積分布及其厚度變化關(guān)系密切。區(qū)內(nèi)主要可采煤層為4煤層，發(fā)育于延安組。煤層的直接充水水源是侏羅系延安組、直羅組含水層。延安組含水層平均厚度41.1 m，滲透系數(shù)為0.0116 m/d；直羅組含水層平均厚度19.6 m，滲透系數(shù)為0.0069 m/d，總體來看，侏羅系含水層裂隙不發(fā)育，且補給條件差，富水性弱。間接充水水源為白堊系洛河組含水層，平均厚度393.68 m，滲透系數(shù)為0.04385～1.321521 m/d，接受大氣降雨補給條件好，富水性強，對煤礦的開采造成很大的威脅，見圖1。

圖1 4煤層煤頂板地層柱狀圖Fig.1 Simplified overlying geological column of No.4 coal seam

1.2 出水水源分析及存在問題

工作面的主要出水水源是洛河組含水層和侏羅系延安直羅組含水層。侏羅系的兩個含水層，距離4煤層較近，在開采過程中，導水裂縫帶必然會波及到這兩個含水層導致出水；在精細探查報告中，洛河組根據(jù)滲透系數(shù)的差異性分為上下段，上段含水層和下段含水層水文地質(zhì)特征差異較明顯，但上下段之間無明顯的隔水層。根據(jù)涌水量的水質(zhì)分析可知，洛河組上段的水已經(jīng)進入工作面。

由于地下水的壓力高達5 MPa，注水試驗很難進行，所以導水裂縫帶高度難以確定，也就不能確定導高是否溝通洛河組上段。所以工作面出水可能存在以下三種情況：①導高直接溝通上段含水層造成涌水；②導高溝通下段含水層后上段含水層越流補給下段從而進入工作面；③洛河組上下段之間并不存在明顯的隔水層，工作面涌水直接來自洛河組含水層，不需要考慮分段問題。

2 模型的建立

2.1 侏羅系含水層的水量計算模型

根據(jù)資料分析，導水裂縫帶必然會波及到侏羅系兩個含水層，因此采用承壓轉(zhuǎn)無壓公式計算即可。

2.2 洛河組含水層的水量計算模型

根據(jù)前文分析得出工作面出水的三種情況，可以建立三種不同的洛河組水量計算模型。

2.2.1 分段進水非完整井模型(對應情況1)

洛河組上下段之間可能存在明顯隔水層，且導高直接溝通上段含水層造成涌水，如圖2(a)所示，用式(1)～(4)進行計算。

(3)

R0=R+r0

(4)

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；Ma為含水層有效厚度，m；S為疏降水頭高度，m；R0為引用半徑，m；r0為預測區(qū)折算半徑，m；L為影響深度，m；R為影響半徑，m；η系數(shù)，查表求得；a、b為計算區(qū)的邊長，m。

圖2 分段出水水源及出水途徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of segmented effluent water source and water outlet

2.2.2 越流模型(對應情況2)

當導水裂縫帶波及到洛河組下段時，由于洛河組下段與洛河組上段之間沒有明顯的隔水層，洛河組上段水必然會補給洛河組下段水，所以越流模型也適合用于計算此種情況，如圖2(b)所示，用式(3)和式(5)進行計算。

(5)

式中：K為洛河組下段的滲透系數(shù)，m/d；M為已被導通的洛河組下段厚度，m；S為洛河組下段降深，m；r為觀測孔距離，m；B為越流系數(shù)，查表求得；K1(r0/B)為一階第二類虛宗量Bessel函數(shù)；K0(r/B)為一階第一類虛宗量Bessel函數(shù)。

2.2.3 井壁進水非完整井模型(對應情況3)

洛河組不存在分段問題，工作面涌水直接來自洛河組含水層。如圖3所示，可選用井壁進水的非完整井模型，用式(1)～(4)進行計算。

3 模型的出水量計算及分析

3.1 不同模型的涌水量計算

根據(jù)本礦井104工作面實際情況，采用不同模型計算涌水量，首先利用承壓轉(zhuǎn)無壓公式得到104工作面侏羅系涌水量為23.84 m3/h，104工作面實測侏羅系涌水量為21.68 m3/h，二者相差不大，表明侏羅系采用承壓轉(zhuǎn)無壓模型計算是可靠的。

洛河組涌水量分別采用分段井壁進水的非完整井模型、整體井壁進水的非完整井模型、越流模型三種模型進行計算。

1) 分段井壁進水的非完整井模型。Ma=M為整個含水層厚度，影響深度就導水裂隙發(fā)育到洛河組下段的高度，因為工作面開采過程采高不同，因此分別取不同數(shù)值進行計算。據(jù)104工作面資料，洛河組下段最大降深95 m，洛河組上段降深為20 m。參數(shù)取值見表1和表2，計算結(jié)果見表3。

圖3 整體不分段出水水源及出水途徑示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overall non-segmented water source and water outlet

表1 洛河組含水層參數(shù)表Table 1 Luohe formation aquifer parameters table

表2 參數(shù)計算成果表Table 2 Parameter calculation results table

表3 洛河組總涌水量計算成果表(分段井壁進水的非完整井模型)Table 3 Calculation results of total water inflow in Luohe formation

2) 越流模型。根據(jù)一盤區(qū)T1孔的水位資料可知,降深S約438 m，r取T1孔距中心位置距離415 m。二盤區(qū)根據(jù)越流補給模型的規(guī)律，降深S應為洛河組上、下段的水位差，取300 m。r取觀測孔GL-1下到各工作面平均距離721 m。

在式(6)中，越流系數(shù)B可以通過前期的出水進行反算。根據(jù)地下水動力學關(guān)于越流的相關(guān)公式，側(cè)向流入量與總水量的關(guān)系見式(6)。

(6)

式中：Qr為側(cè)向流入量，當r=R0，Qr是洛河組下段的穩(wěn)定水量；Q為總涌水量。

根據(jù)實測資料分析，102+103工作面水量中，最后洛河組下段水量占14.31%，即：Qr/Q=0.1431，查表求得R0/B=2.8，一盤區(qū)r取T1孔的距離415 m。由此可求得一盤區(qū)B=148，同理可求二盤區(qū)B=258。

根據(jù)《高家堡礦井首采區(qū)白堊系含水層精細探查研究成果報告》及統(tǒng)計資料，參數(shù)取值見表1和表4。

已經(jīng)導通的洛河組下段厚度不確定，此處分段計算不同M值的工作面涌水量大小，將以上數(shù)值帶入公式即可得到各工作面涌水量，見表5。

3) 整體井壁進水的非完整井模型。把洛河組含水層作為一個整體進行計算，影響深度根據(jù)導水裂縫帶的不同階段取值，具體的參數(shù)見表1和表2，計算結(jié)果見表6。

表4 越流模型計算參數(shù)表Table 4 overflow model calculation parameters table

表5 洛河組涌水量計算成果表(越流模型)Table 5 Results of calculation of water inflow in Luohe formation

3.2 模型的選擇及合理性分析

根據(jù)104工作面侏羅系涌水量的計算結(jié)果和洛河組三種涌水量模型的計算結(jié)果可以得出不同影響深度下工作面的總涌水量。導水裂縫帶高度即為影響深度加上4煤層頂板至洛河組下段底界的間距，根據(jù)數(shù)據(jù)可以做出工作面在不同導水裂縫帶高度下總涌水量變化圖(圖4)。

表6 洛河組涌水量計算成果表(整體井壁進水的非完整井模型)Table 6 Results of calculation of water inflow in Luohe formation

圖4 涌水量變化曲線圖Fig.4 Curve of water influx

由圖4可知，三種模型的涌水量變化曲線差異較大，可以通過其與實測涌水量和導高曲線形態(tài)的相似性來分析判別模型的準確程度。

我們發(fā)現(xiàn)104工作面實測涌水量曲線圖與分段進水非完整井模型涌水量曲線圖一樣都存在一個明顯的突變情況。根據(jù)已有的工作面水量變化情況及水源分析資料，能夠確定水量突變前工作面涌水中已經(jīng)有洛河組水的參與，可以推斷是導水裂縫帶溝通洛河組上段含水層時滲透系數(shù)變化引起的水量突變，即得出結(jié)論：洛河組存在分段情況且導水裂縫帶溝通了上段含水層。所以在礦井工作面涌水量計算中應該采用分段井壁進水的非完整井模型。

4 模型檢驗

通過分段井壁進水非完整井模型可以反算已采工作面的導水裂縫帶高度，確定裂采比，許進鵬等[12]已經(jīng)計算得出裂采比為21.6，通過裂采比和已采工作面資料進行涌水量計算并驗證，見表7，誤差為預測涌水量與實測涌水量的差值和實測涌水量之比。

表7 工作面預測涌水量與實際涌水量對比成果表Table 7 Comparison results of predicted water inflow and actual water inflow in each working face

分析可知，已采工作面的實測涌水量和預測涌水量整體差異不大，101工作面、201工作面準確性較高，因為這兩個工作面是一盤區(qū)、二盤區(qū)的首采面，涌水量與導高有著明顯的關(guān)系，其他工作面由于在開采時已經(jīng)受到了附近工作面的影響，所以預測涌水量與實測涌水量存在一定的差異，但誤差在允許范圍內(nèi)，所以用該模型預測涌水量是可靠的。

5 結(jié) 論

1) 對高家堡的出水水源進行分析，將工作面出水分為3種情況，并分別建立三種涌水量計算模型：①分段井壁進水的非完整井模型；②整體井壁進水的非完整井模型；③越流模型。

2) 對104工作面進行不同模型的涌水量計算，畫出三種模型的涌水量曲線圖，與實測涌水量曲線圖對比，得出分段進水的非完整井模型最適合高家堡工作面涌水量計算。

3) 用已確定的模型預測其他工作面的涌水量，將預測涌水量與實測工作面涌水量進行對比，說明該模型適合本礦井的涌水量計算。