矿井首采区涌水量预测研究

李雪琴（山西汾西煤化高级技工学校,山西介休032000）

矿井首采区涌水量预测研究

李雪琴
（山西汾西煤化高级技工学校,山西介休032000）

摘要：文中在以矿区实际情况和上述资料为基础，并参考目前计算矿井涌水量的方法，选择稳定流解析法、比拟法两种适合该矿区的科学合理的矿井涌水量的计算方法[1]，以起到相互验证的作用。计算出矿区正常和最大涌水量，为找出适合矿区水文地质条件的矿井防水和排水的最优方法及为矿井防治水系统设计提供水文地质依据。

关键词：稳定流解析法；比拟法；用水量

1矿井涌水量预测范围及边界条件

矿井涌水量预测范围为井田首采区，煤层与它相连含水层的边界条件，包括侧向和顶底板条件。井田位于山前倾斜平原的斜坡地带，为单斜储水构造，地层由南向北缓倾，含水层在南部隐伏露头区接受地表水及地下水的补给，是地下水的主要来水方向，可将其露头线概化为直线供水边界；含水层由南向北埋深逐渐增大，含水层由于相变而变薄或尖灭，特别是在ZK3006与ZK36-5钻孔之间，伴随新近系的出现，头屯河组泥岩隔水层厚度的增大，顶底板泥质岩类的大量出现及地层产状的变陡，其含水层渗透性变的更差，故北部视为弱透水边界，因此过ZK3006与ZK3605钻孔的中点作东西向直线，可概化为北部的隔水边界线；沿其走向在其东西方向上，含水层厚度虽有一定变化，但分布连续，岩性变化不大，可视为无限边界；计算主采3号煤层涌水量时，将Ⅱ3含水层底板泥岩或煤视为底板直线隔水边界，计算采5号煤层涌水量时，需对Ⅱ4含水层排水降压，可将5号煤层底板视为直线隔水边界。这样水文地质计算模型基本确定，即概化为平行隔水供水边界类型，从而选择计算公式及参数进行计算，其计算示意图见图1。

图1矿井涌水量预测剖面示意图

2矿井涌水量预测

在首采区内，矿井拟采用6°反斜井开拓，高落式机械化首采3号煤层；未来矿山在回采阶段，随矿井排水储存量的消耗，流场外边界将固定而稳定，矿井涌水量将被流场南部定水头供水边界的补给量所平衡，其特征除受季节变化影响外，将会出现相对的稳定流；含水层以孔隙为主，裂隙次之，地下水符合层流运动；充水含水层中侏罗系含水层为承压水，第四系孔隙水为潜水。故根据井田水文地质资料及概化的边界条件，采用稳定流解析法和比拟法两种方法而选择公式，对矿井涌水量进行计算；在稳定流解析法计算中，分承压水和潜水两部分。其中承压水的水头降低，以首采地段主采煤层底板最低标高ZK2204钻孔为准，3号煤层为+905.60m，5号煤层为+852.80m。

2.1稳定流解析法

2.1.1̓承压水的计算公式

因侏罗系层间承压含水层，在疏干过程中将转化为无压状态，故选用平行隔水供水边界的承压—无压完整井公式进行预测[2-3]： ̓̓

式中：Q承——大井涌水量（m3/d）̓

K——渗透系数（m/d）̓

H——承压水头高度（m）̓

M——含水层厚度（m）̓

h0——含水层底板至井中动水位的高度（m）因疏干（h0=0）̓

γ0——大井引用半径（m）̓

b——大井至供水边界距离（m）̓

B——隔水至供水边界距离（m）

2.1.2̓潜水的计算̓̓

未来矿山拟采用崩落法开采，在南部首采地段为煤层的浅埋区，由于顶板冒裂，势必要沟通第四系孔隙水的渗透补给，而由于潜水位面平缓，当塌陷垂直下降时，会形成圆形补给边界，故利用潜水完整井公式计算[4]：即̓̓

式中：Q——首采区第四系孔隙水总涌水量（m/d）̓

K——渗透系数（m/d）̓H——潜水面至含水层底板距离（m）̓

R0——大井引用影响半径（m）̓

r0——大井引用半径(m) ̓

矿井总涌水量：Q总=Q承+Q潜

2.2比拟法

井田东部奶牛场煤矿（乌库尔其老井）与本区位于同一水文地质单元内，两者在渗流场，地下水流场外界条件、地貌单元、气候条件、含水层特征等方面均具有相似性，但是在开采方法和井巷规模及内边界条件方面无相似性，考虑到地质条件的复杂性，故对正常比拟的数学模型进行修改，即由于开采面积和深度不同，以反映出矿井引用半径和开采深度的变化对涌水量的影响[5]。其比拟公式为：̓̓

式中：Q、r、S—分别为拟建矿井涌水量，矿井引用半径和水位降深（m）。̓̓

Q1、r1、S1—分别为生产矿井的涌水量，引用井半径和降深（m）。

3参数的选择及依据

3.1稳定流解析法

3.1.1̓承压水计算参数的选择

（1）平均渗透系数k：因开采5号煤层时，Ⅱ4含水层会充水，故计算5号煤层时承压含水层采用ZK2403、ZK2401、ZK3004、ZK2807、ZK3602和ZK3604钻孔Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4含水层单层或其混合抽水时最大降深K值的算术平均值为0.182m/d，计算3号煤层时利用水文孔中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3单层或混合抽水最大降深时K值的算术平均值为0.139m/d；第四系孔隙含水层：采用ZK3004和ZK3604钻孔试验K值的算术平均值为0.201m/d（见表1）。

表1平均渗透系数一览表

（2）水头高度H：计算3号煤层时，用ZK2401和ZK3604钻孔平均水位标高1173.35m与3号煤层最低开采标高905.60m差值为267.75m；计算5号煤层时取ZK2401、ZK3004、ZK2807、ZK3602及ZK3604钻孔Ⅱ4含水层的平均水位标高1210.12m与5号煤层最低底板标高852.80m的差值为357.32m（见表2）。

表2平均水位标高一览表

（3）平均含水层厚度：计算采3号煤层时，取首采区内已施工钻孔中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3含水层厚度的算术平均值为34.77m；计算采5号煤层时根据首采区已施工的钻孔，取Ⅱ1-Ⅱ4含水层平均厚度之和为46.57m。

（4）大井引用半径γ0：根据首采区几何形态按（p=2400m）

计算为3821.65m。

（5）供水边界至隔水边界的距离B：据概化的边界，从平面图上量得7400m。

（6）大井到供水边界的距离b：据大井所在中心位置；到南部“达拉地”砾岩出露的距离为3100m。

（7）含水层底板到动水位高度h0：因疏干则h0=0。

3.1.2̓潜水计算参数的选择

（1）渗透系数K：取ZK3004、ZK3604钻孔第四系孔隙含水层抽水时K值的平均值为0.201m/d。

（2）大井引用半径r0：同前为3821.65m。

（4）平均潜水含水层厚度H：首采区地段第四系平均厚92.42m，因水位埋深一般大于50m，其底部常有粘性土，故有效含水层厚度按35m计算。

3.2比拟法计算参数的选择

（1）拟建矿井引用半径r：同前r0为3821.65m。

（2）拟建矿井水位降深s：即水头高度为356.35m。

（3）生产矿井引用半径r1：根据生产矿坑形态及采空面积F1：283500m2，按计算为300.5m。

（4）生产矿井排水量Q1：根据奶牛场煤矿调查为：1000—1200m3/d。

（5）生产矿井水位降深s0：由调查知平均水位标高为+1183m，平均开采标高为1160m，故s0为23m。

4矿井涌水量预测

将上述所确定的参数分别代入各自计算公式（1）～（3）进行计算得出矿井涌水量,对3、5号煤层首采区通过稳定流解析法预测其矿井最大涌水量为625.61m3/h、712.74m3/h，通过比拟法预测其矿井正常涌水量为507.81m3/h，584.88m3/h。

以上通过对井田水文地质条件分析，认为边界条件的确定，计算公式及参数的选择是合理的。根据现有资料，本次只对主采5号煤层最低采准+852.80m水平的矿坑涌水量和3号煤层+905.60m水平的矿井涌水量进行了初步预测；通过稳定流解析法和比拟法两种不同方法的计算结果可以看出：二者比较接近，计算结果比较可靠。在稳定流解析法计算中，由于含水层厚度和渗透性具有各向异性，其计算参数的选择仍有一定偏差，特别是第四系抽水孔位于河旁，在井田尚缺乏代表性，因其底部常夹有粘性土，在计算时含水层厚度和计算范围可能有些偏大，致使所预测松散层水量偏大。在比拟法计算中由于设计矿井与比拟矿井在开采方法、井巷规模、第四系厚度、开采深度和补给条件等方面（比拟地表水已渗入）还有一定差异，本次既使对比拟的数学模型进行了修正，但也只是概略的比较；故“解析法”法计算结果更接近实际。由于计算参数是本次丰水期的抽水资料，加之比拟法中所比拟的煤矿涌水是最大水量，故本次计算水量应为最大水量。

5结论

现条件下所计算结果为地下水动、静储量两部分组成，在开采条件下，初期涌水量较大，随矿山排水、承压水头的下降，静储量逐渐减少，将会变为以动储量为主，而由于含水层补给条件较差，井巷涌水量有变小的趋势。通过计算比较可以看出，第四系水所占比重较大，因其受季节性河水影响，若采取有效防护措施，对补给源地表水充分利用，防止沟通第四系水，其涌水量会减少。否则，在开采条件下，由反倾向由深到浅的开采及疏干排水，伴随覆岩冒裂，断层的揭露及塌陷的发生，地下水动力条件会发生改变，以增加新的充水水源，矿坑涌水量还有增大的趋势，如：当遇断层并沟通深部承压含水层时，可使深部承压水涌入，会造成水量增大；当沟通季节性地表水体时，水量将会随季节变化而变化，遇洪水时会淹井。

参考文献：

[1]李俊亭.地下水流数值模拟[M].北京：地质出版社,1989:1-62.

[2]王文科,李俊亭.地下水流数值模拟的发展与展望[J].西北地质,1995,16(04):52-56.

[3]彭苏萍.矿井工程地质理论与实践[M].北京.地质出版社,2002(01).

[4]许光明，张燕君.系统思想在矿坑涌水量预测中的应用[J].系统工程理论与实践,1997(09).

[5]李红军,王旭.基于有限元法的滑坡地下水渗流场模拟分析[J].西部探矿工程，2009(05):27-29.