崔原萍，張寶平

(貴州省煤田地質局地質勘察研究院，貴州 貴陽 550000)

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解析法在礦井涌水量預測中的應用及評價

崔原萍，張寶平

(貴州省煤田地質局地質勘察研究院，貴州 貴陽 550000)

受水文地質條件復雜性和計算方法適用性等限制，礦井涌水量預測一直是國內外研究的難點。根據(jù)水文地質勘探、地下水位動態(tài)觀測、抽水試驗等成果，充分了解石榴煤礦勘探區(qū)的水文地質條件。通過系統(tǒng)分析合理概化研究區(qū)的水文地質條件，采用穩(wěn)定井流解析法預測礦井涌水量。最后對預測結果作出評價，并根據(jù)礦井涌水量的預測給出一定的建議。

礦井涌水量；石榴煤礦；水文地質條件；解析法

礦井涌水量是指流入礦井巷道內的地表水、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條件。礦井涌水量預測精度，不僅取決于對水文地質條件的勘探精度、礦井充水條件的正確分析和含水層參數(shù)的合理選用，也取決于選用的預測方法和礦山開采方案[1]。

預測礦井涌水量的方法很多，目前常用的數(shù)學模型有確定性模型和非確定性統(tǒng)計模型，其中確定性模型包括：解析法、水均衡法、數(shù)值法(有限元法、有限差法)等，非確定性統(tǒng)計性模型主要是相關比擬法(水文地質比擬法、Q-S曲線法)[2]。

解析法是運用地下水動力學原理，以數(shù)學分析的方法，對一定邊界條件和初始條件下的地下水流動問題建立定解公式，然后應用這些公式預測涌水量。如Muskat(1937)首次利用解析法解出了地下水流問題，后來Hantush及Jacob(1955)擴展了解析法的概念用來處理從弱透水層越流補給入含水層的水量[3]。Carslaw及Jaeger(1959)的著作中收編了大量用于熱流的表達式，這些方法可以在大多數(shù)情況下直接應用于求解礦井涌水量[4]。

地下水滲流運動的基本定律是達西定律[5]，所有的解析公式都是在此基礎上建立或推導出來的。解析法中最常用到的是井流方程，其基本公式分為穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流兩大類。通過對研究區(qū)的勘探[6]，根據(jù)礦井水文地質特征，分析礦井充水條件和邊界條件，合理選擇參數(shù)及計算方法，計算出礦井涌水量，預測礦井涌水量的變化趨勢，為礦井建設可行性研究和初步設計提供依據(jù)[7]。

1　研究區(qū)概況

本次計算選取貴州金沙縣石榴煤礦作為對象，該礦計劃建設南、北兩個年產45萬噸的礦井，礦井主要開采9號、15號煤層，。區(qū)內出露的地層從老到新依次為茅口組(P2m)、龍?zhí)督M(P3l)、長興組(P3c)、夜郎組一段(T1y1)、夜郎組二段(T1y2)。煤層位于龍?zhí)督M地層(P3l)中，該巖組總厚度約100 m，9號煤層位于龍?zhí)督M中上部，15號煤層位于龍?zhí)督M底部。為了安全的開采煤礦，需要對研究區(qū)進行仔細的勘查，本次研究評價僅計算南礦9號煤層開采時的涌水量。

2　礦井充水水源分析

2.1龍?zhí)督M含水層(P3l)

煤層位于龍?zhí)督M含水層中，該含水層為礦井直接充水含水層。

2.2長興組含水層(P3c)

收集鄰近的田灣煤礦資料，導水裂隙帶最大高度大于50 m，本礦9號煤層距長興組含水層底界37.16～54.45 m，所以在9煤層的采掘工程中會導致長興組巖溶水進入礦井，為礦井間接充水含水層。

2.3長興組上部夜郎組一段(T1y1)

該巖組為一套厚度約8 m的泥質砂巖，為一穩(wěn)定隔水層。所以長興組之上的含水巖組對礦井開采一般無影響；下伏茅口組含水層(P2m)距離9煤底板約60 m，兩者之間的巖層由泥巖、粉砂巖、灰?guī)r、煤層等組成，這樣的剛柔相間的組合增強了底板隔水性。J801號鉆孔9號煤底板突水系數(shù)約Ts=2.16/69.75=0.03 Mpa/m，比《礦區(qū)水文地質工程地質勘探規(guī)范》附錄G中就全國資料統(tǒng)計的正常塊段不大于0.15 Mpa/m小許多。因此，茅口組底板突水的可能性較小，在正常地段不會進入礦井。

3　計算范圍及邊界條件

根據(jù)礦井開采開拓設計方案，首采區(qū)范圍確定為深部以9號煤層底板標高+650 m以上。計算龍?zhí)督M與長興組地層涌水量范圍，該面積為東以9號煤+650 m底板等高線、西以礦界為邊圍成區(qū)域，計算面積F=1.494 km2，形狀不規(guī)則，如圖1。

圖1　南礦涌水量預算平面示意圖

4　礦井涌水量的預測

據(jù)鄰近田灣煤礦觀測資料，涌水量與降水量關系密切，表現(xiàn)為暴雨突增，雨季增大，枯季相對減少的特點。另外，涌水量與煤礦生產有關，隨煤礦生產，采空區(qū)不斷擴大，涌水量亦增大。附近煤礦主要開采淺部煤層，而本礦井開采深度大，水文地質條件與其有差異，充水水源主要來自各含水層水量。兩者相比擬存在一定差異，所以不采用比擬法計算，而采用解析法計算。

4.1計算方法及公式選擇

本次礦井涌水量估算采用“大井”公式進行計算。礦區(qū)內地層傾角約10°，可視為水平含水層，無斷層等隔供水邊界，因此可將其視為無限邊界。礦床開采后疏干排水，長興組與龍?zhí)督M地下水表現(xiàn)為承壓-無壓水狀態(tài)，根據(jù)礦區(qū)水文地質邊界條件的概化，礦井涌水量預算公式采用穩(wěn)定流承壓-無壓“大井”公式(1)計算。公式為：

(1)

式中：Q為礦井涌水量(m3/d)；K為含水層滲透系數(shù)(m/d)；H為水頭高度(m)；h為剩余水頭(m)；M為含水層厚度(m)；R0為引用影響半徑(m)；r0為引用半徑(m)

4.2水文地質參數(shù)的確定

4.2.1滲透系數(shù)

根據(jù)南礦首采區(qū)內701、704、J801號鉆孔抽水試驗資料(各鉆孔的抽水情況如表1所示)，確定本次預算所采用的含水層滲透系數(shù)(K)，龍?zhí)督M含水層滲透系數(shù)(K1)為0.002 m/d；長興組(P3c)的含水層滲透系數(shù)(K2)為0.02 m/d。

表1　各鉆孔抽水情況

4.2.2含水層厚度

本次計算所采用的含水層厚度根據(jù)礦區(qū)地層綜合厚度，取龍?zhí)督M平均厚度作為該含水層厚度(M1=107.25 m)，取長興組平均厚度為該含水層厚度(M2=53.35 m)。

4.2.3水頭高度(H)、水位降深(S)、剩余水頭(h)

龍?zhí)督M(P3l)含水層：本次計算水平+650 m作為礦井疏干基準面，根據(jù)抽水資料，龍?zhí)督M靜止水位平均標高為848m，經換算Smax=848-650=198 m，剩余水頭為9號煤至龍?zhí)督M底部的距離 h=60 m，含水層水頭高度H=h+ Smax=258 m。

長興組(P3c)含水層：選有代表性鉆孔704、J801號，取鉆孔中長興組含水層水頭平均值(147.07+179.04)÷2=163.1 m作為該含水層的水頭高度。地下水降至該含水層底板，因此，H=163.1 m，Smax=H=163.1，則h=0。

4.2.4引用半徑(r0)及引用影響半徑(R0)

4.2.5涌水量計算

礦井總涌水量來自龍?zhí)督M含水層和上覆長興組含水層。根據(jù)公式(1)分別計算得：龍?zhí)督M含水層涌水量含水層涌水量Q1為730 m3/d；上覆長興組地層含水層涌水量Q2為1 480 m3/d。

南礦總的正常涌水量Q正常為兩地層涌水量之和，Q正常=Q1+Q2≈2.2×103m3/d，因抽水試驗時間不是雨季，參數(shù)取值偏小。據(jù)調查，鄰近田灣煤礦涌水量正常5～10 m3/d，最大15 m3/d，并參考區(qū)內泉點動態(tài)觀測資料，取變化率為2.5，則雨季最大涌水量為Qmax=2.2×103×2.5≈5.5×103m3/d。

5　評價預測結果

南礦開采9號煤層時涌水量預算結果為：礦井正常涌水量為2.2×103m3/d ，雨季最大涌水

量為5.5×103m3/d。今后礦床開采后由于頂板管理支護等，煤層上覆地層產生的導水裂隙帶不可能均勻地全面地溝通長興組地層，所以今后礦井實際涌水量可能與此次預算的結果有偏差。而隨著長興組地層水的靜儲量被疏干，其外界補給條件較差，僅有大氣降雨作為主要補給源，最后礦井涌水量隨降雨量變化而變化。由于礦區(qū)上覆含水地層構造發(fā)育的不均勻性，獲得的水文地質參數(shù)有一定的局限，故會影響到本次涌水量預算；但總體認為本次采用的預算方法是可行的，最好是選取5.5×103m3/d作為今后礦井設計的礦井涌水量值。

6　結語

該煤礦南礦涌水量預算結果為：正常涌水量為2.2×103m3/d，雨季最大涌水量為5.5×103m3/d。選取雨季最大涌水量作為今后礦井設計的礦井涌水量值。

根據(jù)結論以及勘查結果建議開采時務必做好探放水工作，備足排水設備，防止突水事故發(fā)生。

[1]杜敏銘,鄧英爾,許模.礦井涌水量預測方法[J].四川地質學報.2009,29(1):70-73.

[2]王心義，等.專門水文地質學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社.2011.2.227-244.

[3]Anon.Recommendations for the treatment of water inflows and outflows in operated underground structures[J].Tunneling and Underground Space Technology,1989.4(3):343-407.

[4]張宏仁，等.地下水水力學的發(fā)展[M].北京:地質出版社.1992:70-73.

[5]王大純,張人權，等.水文地質學基礎[M].北京:地質出版社.1995:36-37.

[6]劉從義，等.貴州省金沙縣煤礦區(qū)石榴煤礦勘探地質報告[R].貴州省煤田地質局地質勘查研究院.2009.

[7]MT/T 1091-2008煤礦床水文地質、工程地質及環(huán)境地質勘查評價標準[S].國家安全生產監(jiān)督管理總局發(fā)布.2009.

Evaluation and Application of the Analytical Method to Mine Water Inflow Prediction

CUI Yuan-ping，ZHANG Bao-ping

(Institute of Geological Survey of Coal Geology Bureau of Guizhou Province,Guiyang 550000,Guizhou)

By the restrictions of the complexity of the hydro-geological conditions and the applicability of calculation methods,predicting the mine water inflow has been difficult at home and abroad.According to hydro-geological exploration,pumping test,groundwater level observations such as dynamic results,full understanding of hydro-geological conditions in the Shiliu coal exploration area.Through the systematic analysis of reasonable hydro-geological conditions in the studied area,and selected the analytical method formula of the steady flow to get the mine water inflow.Finally,the calculated results are reviewed and some suggestions are given according to the budget of the mine water inflow.

Mine water inflow；Shiliu coal；Hydro-geological conditions and analytical method

2016-05-03

崔原萍(1989-)，女，貴州六盤水人，助理工程師，主要從事水工環(huán)地質工作。

P641.4+1

A

1004-1184(2016)05-0008-02