方 立，韓 鵬

（1.河南黃河水文勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450004；2.水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170）

礦井涌水量主要是指礦山建設(shè)和生產(chǎn)活動(dòng)中單位時(shí)間內(nèi)井巷中所涌出的水量。在制訂礦井防治水方案時(shí)，可以將涌水量作為主要的參考依據(jù)，也可以通過(guò)涌水量來(lái)判定礦井生產(chǎn)的安全性，涌水量預(yù)測(cè)也是采礦業(yè)取水項(xiàng)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(cè)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(jì)范圍井田東西最長(zhǎng)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(gè)盤區(qū)，其中3-1煤層5個(gè)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(duì)應(yīng)設(shè)5個(gè)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(yíng)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(zhǎng)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(wú)巖漿巖侵入，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，即構(gòu)造簡(jiǎn)單類型。

3 預(yù)測(cè)理論分析

3.1 計(jì)算范圍分析

井田范圍內(nèi)發(fā)育有多個(gè)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(zhǎng)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(duì)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(wú)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(jì)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(jì)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(bào)告分析，在J1-2y-J2Z含水層段分別計(jì)算8個(gè)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(shí)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(cè)。

4 礦井涌水量預(yù)測(cè)計(jì)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(cè)。因此，合適的預(yù)測(cè)方法對(duì)礦井涌水量的合理評(píng)估尤為重要[1，2]。

預(yù)測(cè)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(jiǎn)單易懂，可操作性強(qiáng)，在礦坑涌水量計(jì)算預(yù)測(cè)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(gè)礦井的采煤區(qū)概化為一個(gè)理想的“圓形大井”，可以用穩(wěn)定流解析法預(yù)測(cè)礦坑涌水量，采用地下水動(dòng)力學(xué)法的“大井法”進(jìn)行計(jì)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(jì)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(cè)》，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(shí)，地下水類型成為承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓，故采用大井法承壓—無(wú)壓公式核算礦井涌水水量。其計(jì)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(dòng)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(jì)算公式及各項(xiàng)參數(shù)，得出涌水量的預(yù)測(cè)結(jié)果和所選參數(shù)值，詳見(jiàn)表1。

表1 開采涌水量計(jì)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(dòng)力學(xué)計(jì)算公式。它要求地下水有比較充分的補(bǔ)給條件，同時(shí)要求在該水平開采的幾年到幾十年內(nèi)，礦井排水計(jì)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(jì)算采用的高度上。

按照集水廊道法預(yù)計(jì)礦井涌水量，其計(jì)算公式如下：

式中：H為水柱高度（m）；B為巷道長(zhǎng)度（m），取西一區(qū)域工作面長(zhǎng)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(shí)H≈Smax，因此h0≈0；其余變量含義同上。根據(jù)《水文地質(zhì)手冊(cè)》中公式R=10S計(jì)算R值，S為水位降深值（m）。

按照所確定的計(jì)算公式及各項(xiàng)參數(shù)，得出涌水量的預(yù)測(cè)結(jié)果和所選參數(shù)值，詳見(jiàn)表2。

表2 開采涌水量計(jì)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(cè)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(lái)講，水文地質(zhì)比擬法主要適用于條件比較簡(jiǎn)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(jì)算方法[4]。其計(jì)算公式如下：

式中：Q為設(shè)計(jì)礦井疏干水量（m3/d）；K為富水系數(shù)（m3/t）；P為設(shè)計(jì)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(gè)煤礦的設(shè)計(jì)原煤產(chǎn)量規(guī)?；疽恢隆Ｒ虼?，采用B煤礦的礦井富水系數(shù)比擬本項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)時(shí)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(shì)，2017—2018年趨于穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)值平均為8 352 m3/d。基于相鄰煤礦富水系數(shù)為0.70 m3/t，推算出本次計(jì)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(shí)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(cè)方法主要區(qū)別在于勘查研究程度、計(jì)算方法及精度級(jí)別等級(jí)不同。當(dāng)?shù)V井具有第一開采水平或第一開采中段實(shí)測(cè)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(jì)算精度級(jí)別為C級(jí)。當(dāng)?shù)V井具有單孔或者多孔抽水試驗(yàn)資料，利用抽水試驗(yàn)求取滲透系數(shù)，一般采用大井法和集水廊道法計(jì)算礦井涌水量，計(jì)算精度級(jí)別為D級(jí)[5]。

對(duì)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(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表3。

5.2 探討

礦井涌水量計(jì)算是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的工作，不能簡(jiǎn)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(jì)算水量。

表3 不同方法計(jì)算涌水量成果m3/d

為了盡可能降低礦井涌水量預(yù)測(cè)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(duì)礦井涌水量計(jì)算方法的確定和礦井涌水量的預(yù)測(cè)是一個(gè)理論性支撐。同時(shí)，要進(jìn)行實(shí)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(bào)告，詳細(xì)了解周邊已經(jīng)開采煤礦的涌水量大小，這對(duì)礦井涌水量預(yù)測(cè)工作會(huì)有一定的參考價(jià)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(cè)應(yīng)當(dāng)按照實(shí)際情況進(jìn)行分析。礦井涌水量預(yù)測(cè)過(guò)程中，要堅(jiān)持實(shí)事求是的原則，既可以確定一個(gè)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。