礦井涌水量的預(yù)測方法分析與探討

方 立，韓 鵬

（1.河南黃河水文勘測設(shè)計院，河南 鄭州 450004；2.水利部海河水利委員會，天津 300170）

礦井涌水量主要是指礦山建設(shè)和生產(chǎn)活動中單位時間內(nèi)井巷中所涌出的水量。在制訂礦井防治水方案時，可以將涌水量作為主要的參考依據(jù)，也可以通過涌水量來判定礦井生產(chǎn)的安全性，涌水量預(yù)測也是采礦業(yè)取水項目水資源論證的重要內(nèi)容。本文以A煤礦為例，進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測方法的分析與探討。

1 基本情況

本次論證A煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市境內(nèi)某煤田的中北部。礦井設(shè)計范圍井田東西最長25.44 km，南北最寬15.69 km，礦區(qū)面積345.53 km2。

全井田共劃分為10個盤區(qū)，其中3-1煤層5個盤區(qū)，即西一、西二、西三、東一、東二盤區(qū)；下部煤層與3-1煤層對應(yīng)設(shè)5個盤區(qū)。本次開采范圍是井田首采區(qū)的西一盤，位于井田的中西部，面積為40.51 km2。

2 地質(zhì)條件

新生代地質(zhì)營力作用在井田表現(xiàn)較為強(qiáng)烈，上部地層遭受剝蝕并被枝狀溝谷切割破壞。區(qū)內(nèi)地層由老至新發(fā)育有三疊系上統(tǒng)延長組（T3y），侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y），侏羅系中統(tǒng)（J2），白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）和第四系（Q）。

該井田構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域含煤地層構(gòu)造形態(tài)基本一致，總體為一向南西傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀沿走向及傾向均有一定變化，但變化不大。沿走向發(fā)育有寬緩的波狀起伏，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂和褶皺構(gòu)造，亦無巖漿巖侵入，地質(zhì)構(gòu)造簡單，即構(gòu)造簡單類型。

3 預(yù)測理論分析

3.1 計算范圍分析

井田范圍內(nèi)發(fā)育有多個含、隔水層段。其中，含水層主要包含第四系（Q）松散層潛水含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）孔隙潛水～承壓水含水層、侏羅系中統(tǒng)-侏羅系中下統(tǒng)延安組（J2-J1-2y）裂隙孔隙承壓含水層、三疊系上統(tǒng)延長組（T3y）碎屑巖類承壓水含水層，隔水層主要包含侏羅系中統(tǒng)頂部隔水層、侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）頂部隔水層、侏羅系中下統(tǒng)延安組底部隔水層。

對礦井充水影響最大的是侏羅系中統(tǒng)直羅組-侏羅系中下統(tǒng)延安組（J2z-J1-2y）裂隙孔隙承壓水含水層。該含水層段厚度大，西一盤區(qū)范圍內(nèi)厚度80.56～217.33 m、平均158.29 m，地下水位為+1 337.14～+1 343.69 m，平均1 340.58 m，富水性弱到中等，滲透性中等。因埋藏較深，井田內(nèi)地表無出露，該含水層段為井田的直接和主要充水含水層段。

綜上所述，侏羅系中統(tǒng)-侏羅系中下統(tǒng)延安組（J2-J1-2y）裂隙孔隙承壓含水層是礦井的直接和主要充水含水層，3-1煤底板含水層是礦井的直接充水水源；白堊系下統(tǒng)志丹群裂隙孔隙潛水-承壓水含水層富水性弱，是礦井的間接充水水源。

經(jīng)分析，計算范圍確定為礦區(qū)首采區(qū)西一盤礦區(qū)。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)選取

根據(jù)井田構(gòu)造和水文地質(zhì)條件綜合分析，各計算參數(shù)確定如下：①含水層厚度H值。頂板以上含水層根據(jù)地質(zhì)鉆孔柱狀圖確定含水層厚度，底板以下含水層亦采用同樣的方法確定含水層厚度。②含水層滲透系數(shù)K值。根據(jù)煤礦的水文地質(zhì)勘探報告分析，在J1-2y-J2Z含水層段分別計算8個鉆孔的水位標(biāo)高、礦井涌水量和滲透系數(shù)數(shù)據(jù)，得出西一盤區(qū)的實際水文地質(zhì)鉆孔資料中的滲透系數(shù)平均值K=0.054 7 m/d。③降深值。為達(dá)到開采階段疏干排水的目的，以疏干開采的水平標(biāo)高作為降深值進(jìn)行涌水量預(yù)測。

4 礦井涌水量預(yù)測計算

礦井的水文地質(zhì)條件主要受區(qū)域地形、地貌及構(gòu)造等影響，礦井涌水量一般很難準(zhǔn)確預(yù)測。因此，合適的預(yù)測方法對礦井涌水量的合理評估尤為重要[1，2]。

預(yù)測礦井涌水量一般比較常用的方法有大井法、集水廊道法和水文比擬法，3種方法簡單易懂，可操作性強(qiáng)，在礦坑涌水量計算預(yù)測中被普遍使用[3]。

4.1 大井法

將所有邊界作為流量邊界，將整個礦井的采煤區(qū)概化為一個理想的“圓形大井”，可以用穩(wěn)定流解析法預(yù)測礦坑涌水量，采用地下水動力學(xué)法的“大井法”進(jìn)行計算。

礦坑水位降深值采用礦井采煤區(qū)內(nèi)的鉆孔水位標(biāo)高與計算范圍內(nèi)鉆孔煤層底板標(biāo)高平均值之差。含水層厚度采用礦井采煤區(qū)鉆孔含水層平均值。根據(jù)區(qū)域的《水文地質(zhì)手冊》，確定引用半徑及引用影響半徑。

在礦井開采抽水期間，當(dāng)水位降至含水層底板時，地下水類型成為承壓轉(zhuǎn)無壓，故采用大井法承壓—無壓公式核算礦井涌水水量。其計算公式為：

式中：Q為礦井涌水量（m3/d）；K為滲透系數(shù)（m/d）；H為承壓水靜水位高度（m）；M為承壓水含水層厚度（m）；h為動水位高度（m）；R0為引用影響半徑（m），R0=R+r0，其中R為影響半徑（m）、r0為引用半徑（m）。按照所確定的計算公式及各項參數(shù)，得出涌水量的預(yù)測結(jié)果和所選參數(shù)值，詳見表1。

表1 開采涌水量計算參數(shù)及成果（大井法）

4.2 集水廊道法

集水廊道法和大井法都屬于解析法的范疇，是基于穩(wěn)定流理論推導(dǎo)的地下水動力學(xué)計算公式。它要求地下水有比較充分的補(bǔ)給條件，同時要求在該水平開采的幾年到幾十年內(nèi)，礦井排水計算的地下水影響半徑邊界上的水頭高度永遠(yuǎn)穩(wěn)定在計算采用的高度上。

按照集水廊道法預(yù)計礦井涌水量，其計算公式如下：

式中：H為水柱高度（m）；B為巷道長度（m），取西一區(qū)域工作面長度5 126 m；h0為含水層剩余水柱高度（m），h0=H-Smax，含水層疏干時H≈Smax，因此h0≈0；其余變量含義同上。根據(jù)《水文地質(zhì)手冊》中公式R=10S計算R值，S為水位降深值（m）。

按照所確定的計算公式及各項參數(shù)，得出涌水量的預(yù)測結(jié)果和所選參數(shù)值，詳見表2。

表2 開采涌水量計算參數(shù)及成果（集水廊道法）

4.3 水文比擬法

水文比擬法是根據(jù)已生產(chǎn)礦坑的排水資料預(yù)測水文地質(zhì)條件與其相似的新的或擴(kuò)建礦坑的涌水量。該方法前提是新建或擴(kuò)建礦坑的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件與已開采的礦坑基本相似。一般來講，水文地質(zhì)比擬法主要適用于條件比較簡單、充水巖層透水性比較均一的孔隙或裂隙充水礦床，是一種近似的計算方法[4]。其計算公式如下：

式中：Q為設(shè)計礦井疏干水量（m3/d）；K為富水系數(shù)（m3/t）；P為設(shè)計礦井產(chǎn)量（104t/a）；Q1為生產(chǎn)礦井疏干水量（m3/d）；P1為生產(chǎn)礦井煤產(chǎn)量（t/d）。

B煤礦位于A煤礦礦區(qū)的東南，與A煤礦同屬鄂爾多斯某煤田區(qū)域范圍內(nèi)，主要含煤地層均為侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y），其中3-1煤層等為主要可采煤層，2個煤礦的設(shè)計原煤產(chǎn)量規(guī)模基本一致。因此，采用B煤礦的礦井富水系數(shù)比擬本項目達(dá)產(chǎn)時礦井涌水量。

目前，B煤礦已經(jīng)按達(dá)產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)運(yùn)行，根據(jù)2013—2018年礦井涌水排水記錄分析可知，礦井涌水量呈逐年增大趨勢，2017—2018年趨于穩(wěn)定，監(jiān)測值平均為8 352 m3/d?；谙噜徝旱V富水系數(shù)為0.70 m3/t，推算出本次計算煤礦礦井涌水量為13 548.26 m3/d。

5 分析與探討

5.1 結(jié)果分析

礦井開采疏干水量主要與水文地質(zhì)條件、地下水補(bǔ)給量、地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)，同時還取決于礦坑的大小、形狀、挖掘深度（產(chǎn)量）、降水量等。

3種礦井涌水量的預(yù)測方法主要區(qū)別在于勘查研究程度、計算方法及精度級別等級不同。當(dāng)?shù)V井具有第一開采水平或第一開采中段實測的礦井涌水量或鄰近水文地質(zhì)條件近似礦井的礦井涌水量，一般采用水文比擬法，計算精度級別為C級。當(dāng)?shù)V井具有單孔或者多孔抽水試驗資料，利用抽水試驗求取滲透系數(shù)，一般采用大井法和集水廊道法計算礦井涌水量，計算精度級別為D級[5]。

對于本次論證的煤礦，3種方法都適用。由于論證的礦井涌水量是作為礦區(qū)生產(chǎn)用水供水水源，為保證供水的可靠性和安全性，涌水量應(yīng)以最不利條件下最小的水量作為供水依據(jù)，因此涌水量采用集水廊道法的計算結(jié)果，詳見表3。

5.2 探討

礦井涌水量計算是一項重要而復(fù)雜的工作，不能簡單、機(jī)械地使用公式，應(yīng)充分分析前期水文地質(zhì)資料，采用更加適合該礦井水文地質(zhì)條件的方法計算水量。

表3 不同方法計算涌水量成果m3/d

為了盡可能降低礦井涌水量預(yù)測誤差，一般礦井開采之前需要做大量的區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)勘探、井田煤炭勘探等工作，這些前期工作對礦井涌水量計算方法的確定和礦井涌水量的預(yù)測是一個理論性支撐。同時，要進(jìn)行實地踏勘和搜集煤礦區(qū)域內(nèi)的井田水文地質(zhì)及近期煤田地質(zhì)詳細(xì)勘探報告，詳細(xì)了解周邊已經(jīng)開采煤礦的涌水量大小，這對礦井涌水量預(yù)測工作會有一定的參考價值。

后期礦井涌水量如果已經(jīng)趨于穩(wěn)定或者變化幅度不大，礦坑涌水量預(yù)測應(yīng)當(dāng)按照實際情況進(jìn)行分析。礦井涌水量預(yù)測過程中，要堅持實事求是的原則，既可以確定一個礦井涌水量的范圍數(shù)據(jù)，也可以提出一種極端情況下的礦井涌水量的利用方案。