礦井涌水量計算的穩(wěn)定與非穩(wěn)定流解析法

張曼曼　姚多喜

摘 要：準(zhǔn)確預(yù)測礦井涌水量，對煤礦的采掘方案和排水能力的合理設(shè)計具有重要意義.以青東煤礦為例，依據(jù)單口抽水水位恢復(fù)數(shù)據(jù)，運用泰斯水位恢復(fù)理論求出煤系砂巖含水層滲透系數(shù)K及貯水系數(shù)u*，并將計算結(jié)果與穩(wěn)定流的K值進行對比.在此基礎(chǔ)上，運用“大井法”對建井期一水平的礦井涌水量分別進行了穩(wěn)定流和定降深變流量非穩(wěn)定流預(yù)計.研究結(jié)果表明，水位恢復(fù)與穩(wěn)定流理論計算出的滲透系數(shù)值相差不大;煤礦建井期實測涌水量總體平穩(wěn)，穩(wěn)定流理論計算值與總體均值接近;由于砂巖裂隙發(fā)育的不均一性，在局部時段，涌水量呈現(xiàn)疏干遞減型，非穩(wěn)定流理論值與實測值擬合較好;反映出穩(wěn)定流理論可對涌水量進行總體預(yù)測，而非穩(wěn)定流對部分獨立砂巖裂隙水單元可準(zhǔn)確預(yù)測出涌水量的動態(tài)變化規(guī)律.

關(guān)鍵詞：礦井涌水量;穩(wěn)定流;非穩(wěn)定流;解析法

中圖分類號：TD742? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）11-0092-04

礦井涌水一直都是影響礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，給礦井的建設(shè)、掘進及開采都帶來了一定的困難.而礦井涌水量在煤地質(zhì)學(xué)中則是指流入礦井巷道內(nèi)的地表水、裂隙水、老窯水、巖溶水等的總量，它是煤礦開采的一個重要技術(shù)條件[1-2]，也是制定礦山疏干設(shè)計方案、確定生產(chǎn)能力的主要依據(jù)，其直接關(guān)系著煤礦采掘方案和排水能力設(shè)計的合理性，更決定了煤礦是否能夠安全生產(chǎn)，因此礦井涌水量的準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報尤為重要.預(yù)測礦井涌水量的方法有很多種，一般可包括確定性預(yù)計方法和非確定性預(yù)計方法兩類.確定性預(yù)計方法包括解析法、水均衡法、數(shù)值法和物理模擬法;而非確定性預(yù)計方法主要分為時間序列分析法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色關(guān)聯(lián)法、回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、地質(zhì)比擬法和混沌模型法等.

實際采礦工程中，解析法又可稱為地下水動力學(xué)法，由于具有概念清晰、計算簡便以及參數(shù)易于獲取而被廣泛地運用在礦坑涌水量的計算中，該法通過合理概化實際問題，構(gòu)造解析公式從而達到計算水礦區(qū)涌水量的問題.經(jīng)過多年的實踐該法已積累較多的工程經(jīng)驗，為正確指導(dǎo)礦井開采合理布置疏排水工程奠定了良好的前期基礎(chǔ).本文以青東煤礦一水平開采涌水量計算為例，分別采用穩(wěn)定流解析法和非穩(wěn)定流解析法對其涌水量進行預(yù)測，為煤礦排水系統(tǒng)設(shè)計與布置提供參考指標(biāo).

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

青東煤礦位于安徽省濉溪縣臨渙鎮(zhèn)石集村境內(nèi)，研究區(qū)位置如圖1所示.本區(qū)屬淮河水系.淮北煤田位于安徽北部，是全隱蔽煤田，松散層厚度大，屬于華北型地層，主要含煤地層為二疊系的上石盒子組、下石盒子組和山西組，含煤地層平均總厚880.8m.

青東煤礦構(gòu)造主體表現(xiàn)為一走向北西～近東西，局部略有轉(zhuǎn)折，向北、北東傾斜的單斜.地層傾角一般10～20°，沿走向方向出現(xiàn)較小規(guī)模的地層起伏或次級褶曲;井田以正斷層為主，局部有巖漿巖侵蝕，構(gòu)造復(fù)雜程度為中等.

礦區(qū)內(nèi)含水層可根據(jù)地下水賦存介質(zhì)特征劃分為新生界松散層孔隙含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層和太原組及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，如圖2所示.礦井主要充水水源有新生界松散層第四含水層（“四含”）、主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層、太灰、奧灰石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、老空區(qū)積水，這些充水水源都直接或間接的影響著礦井的充水.在掘進和工作面回采時，受采掘破壞或影響主要是各主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層，其位于疏干開采的層位，因此，各主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層是礦井充水的直接充水含水層.

2 涌水量計算的穩(wěn)定流理論

2.1 “大井法”簡介

工程實踐中常用解析法中的“大井法”，即把巷道系統(tǒng)所占面積簡化成一個圓形的大井，當(dāng)?shù)V井排水時，以巷道系統(tǒng)為中心，在礦井周圍會形成具有一定形狀的降落漏斗，這與鉆孔抽水時形成降落漏斗的情況相似，進而可利用地下水動力學(xué)公式來計算涌水量.

當(dāng)承壓水頭H值降至含水層底板時，h=0，地下水處于承壓轉(zhuǎn)無壓水流狀態(tài)，故估算涌水量時采用承壓～無壓完整井公式.含水層一般為承壓含水層，當(dāng)承壓水井進行大降深抽水時，若井中水位低于含水層頂板，井附近則出現(xiàn)無壓水流區(qū)，這時承壓水井就會變成承壓無壓（潛水）井.

2.2 涌水量計算

2.2.1 計算公式

依據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件，分析礦井充水水源、通道和強度等因素，可采用穩(wěn)定流“大井”法預(yù)測礦井涌水量，涌水量估算范圍是先期開采地段一水平（F6～大劉家斷層），淺部以主采煤層露頭帶為界，深部至-585m水平.按照“大井法”原理，將此開采面積視為一大井，計算時選用承壓～無壓完整井公式：

式中：Q為礦井涌水量，m3/h;K為滲透系數(shù)，m/d;M為含水層厚度，m;S為水位降低值，m;F為采區(qū)面積，km2;R0為含水層的引用影響半徑，m;r0為“大井”半徑，m;r為影響半徑，m;H為水頭高度，m;h為井筒水柱高度，m.

2.2.2 計算參數(shù)

經(jīng)過現(xiàn)場實測，可得到7～8煤含水層厚度M、估算面積F以及透系數(shù)K，將滲透系數(shù)K代入式（2），可求出大井半徑r0、“大井”引用影響半徑R0和影響半徑r，具體參數(shù)值如表1所示.

2.2.3 計算結(jié)果

將上述各個參數(shù)代入式（1），可得到7～8煤含水層涌水量Q1=100m3/h.

3 涌水量計算的非穩(wěn)定流理論

一般來說，穩(wěn)定流“大井法”預(yù)測礦井涌水量，具有快速、簡便等優(yōu)點.但該預(yù)測模型只能總體上反映出涌水量的大小，不能反映出涌水量隨時間的變化規(guī)律，因此本節(jié)采用非穩(wěn)定流理論進行涌水量的動態(tài)預(yù)測.

3.1 非穩(wěn)定流計算公式

在礦井排水量大于充水含水層補給量時，在建井過程中，開采初期或開采水平延伸的情況下，地下水的運動始終處于非穩(wěn)定流狀態(tài)，無法達到相對穩(wěn)定的條件，只有用非穩(wěn)定流法才能客觀的計算礦井涌水量.非穩(wěn)定流計算公式如下：

式中：s離鉆井井軸r處的水位降深，m;Q為抽水井的流量;T為導(dǎo)水系數(shù);t為自抽水開始到計算時刻的時間;r為計算點到抽水井的距離;u*為含水層的釋水系數(shù);W（u）為井函數(shù).

3.2 計算參數(shù)的求取

利用非穩(wěn)定流定降深法計算涌水量時，需要釋水系數(shù)u*參數(shù)值.理論上講，在多孔介質(zhì)骨架的形變?yōu)榫€彈性的情況下，含水層的貯水系數(shù)和釋水系數(shù)應(yīng)該是相等的，故可利用水位恢復(fù)數(shù)據(jù)計算含水層參數(shù)u*，其計算原理如下所示：

如果不考慮水頭慣性滯后動態(tài)，水井以定流量Q持續(xù)抽水tp時間后停抽恢復(fù)水位，那么在時刻（t>tp）的剩余降深s’，（原始水位與抽停后某時刻水位之差），可理解為流量Q繼續(xù)抽水一直延續(xù)到t時刻的降深和從停抽時刻起以流量Q注水t-tp時間的水位抬升的疊加.兩者均可用Theis公式計算.故有：

利用6-71孔對7～8煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層（段）的抽水試驗水位恢復(fù)資料，利用軟件Aquifer Test中的Theis Recovery進行擬合，6-71孔的擬合曲線圖3所示，并可得到該孔的導(dǎo)水系數(shù)T為5.4×10-6m3/s.

由抽水資料可知6-71孔的涌水量Q為0.286 L/s，停抽時刻的水位降深sp為85.02m，距抽水井的距離為0.055m，將擬合得到的T代入斜率公式可求得i分別為11，將其代入式（8）中可求得a分別為2.38.又根據(jù)u*，可以求得7～8煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層的u*為2×10-6.將擬合曲線所求的T代入剩余降深公式，其與原始降深對比曲線圖如圖4所示.

根據(jù)抽水試驗資料，可直接得到7～8煤層引用半徑r和降深s，而其導(dǎo)水系數(shù)T和滲透系數(shù)K可由上述擬合曲線求得.由擬合曲線圖可知孔6-71測得7～8煤層的K值為0.015m/d，穩(wěn)定流的7～8煤的K值為K=0.03235m/d，二者結(jié)果相差不大，具體參數(shù)如表2所示.

3.3 計算結(jié)果

該礦目前主采7～8煤，根據(jù)開采過程中井下水位觀測可知，7～8煤層在35d后水位降到-585m，即一水平處，呈現(xiàn)出疏干現(xiàn)象;如表3所示.將上述參數(shù)代入到式（4），可得到不同時間和不同降深情況下的各煤層涌水量，如圖5所示.

從圖5可以看出，在同一降深下，涌水量隨時間的增大而逐漸減小;在相同時間內(nèi)下，涌水量隨降深的增大而逐漸增大.礦井涌水量初期一般比較大，后期隨著時間的增加而逐漸減小，但減小的幅度在變小.與穩(wěn)定流理論相比，非穩(wěn)定流可計算出涌水量的動態(tài)變化過程.

為驗證本次水文地質(zhì)參數(shù)求解的合理性，利用本礦7～8煤實測礦井涌水量見圖6所示.由圖6可以看出，2016年1月～2016年7月礦井涌水量為65.90～103.10m3/h，平均涌水量為92.00m3/h，涌水量總體趨于相對穩(wěn)定，局部存在波動，與穩(wěn)定流理論計算出100m3/h吻合程度較高.同時在2016年5月30日至7月5日期間，涌水量呈現(xiàn)遞減狀態(tài)，提示此段為獨立砂巖裂隙含水單元的疏干現(xiàn)象，可采用非穩(wěn)定流泰斯公式計算涌水量的動態(tài)變化過程，計算結(jié)果如圖7所示，從圖中可看出，二者吻合較好，反映出由本文確定的水文地質(zhì)參數(shù)精度較高，對涌水量的計算以及含水層水文地質(zhì)條件的評價具有較好的指導(dǎo)意義.

4 結(jié)論

4.1 運用穩(wěn)定流“大井法”公式估算出先期采掘地段一水平7～8煤頂?shù)装迳皫r裂隙含水層Q1=100m3/h，該礦井實測礦井7～8煤涌水量值一般為92m3/h，與穩(wěn)定流計算值相差不大.非穩(wěn)定流泰斯計算7～8煤層涌水量在35d后為46.86m3/h，與穩(wěn)定流預(yù)測值相差不大;而非穩(wěn)定流計算結(jié)果反映在揭露部分獨立的砂巖裂隙含水層時，其預(yù)測的涌水量趨勢與實際涌水量趨勢相一致.由上表可知，非穩(wěn)定流預(yù)測的礦井涌水量的變化規(guī)律一般是前期較大，后來逐漸減小并趨于穩(wěn)定狀態(tài);涌水量隨時間和降深增減而發(fā)生變化，即在同一降深，涌水量隨時間的增大而逐漸減小;在相同條件下，涌水量隨降深的增大而逐漸減小.一般情況下，穩(wěn)定流預(yù)測涌水量適用于水文地質(zhì)條件較為簡單的地區(qū)，比較理想化;而非穩(wěn)定流則可利用抽水試驗所獲取的資料來求取相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)，繼而預(yù)測礦井涌水量，可準(zhǔn)確地反映出涌水量的衰減趨勢.

4.2 煤礦建井期實測涌水量總體平穩(wěn)，穩(wěn)定流理論計算值與總體均值接近;由于砂巖裂隙發(fā)育的不均一性，在局部時段，涌水量呈現(xiàn)疏干遞減型，非穩(wěn)定流理論值與實測值擬合較好;反映出穩(wěn)定流理論可對涌水量進行總體預(yù)測，而非穩(wěn)定流對部分獨立砂巖裂隙水單元可準(zhǔn)確預(yù)測出涌水量的動態(tài)變化規(guī)律.

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