解析法在礦井涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用及評(píng)價(jià)

崔原萍，張寶平

(貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院，貴州 貴陽(yáng) 550000)

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解析法在礦井涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用及評(píng)價(jià)

崔原萍，張寶平

(貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院，貴州 貴陽(yáng) 550000)

受水文地質(zhì)條件復(fù)雜性和計(jì)算方法適用性等限制，礦井涌水量預(yù)測(cè)一直是國(guó)內(nèi)外研究的難點(diǎn)。根據(jù)水文地質(zhì)勘探、地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)、抽水試驗(yàn)等成果，充分了解石榴煤礦勘探區(qū)的水文地質(zhì)條件。通過(guò)系統(tǒng)分析合理概化研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，采用穩(wěn)定井流解析法預(yù)測(cè)礦井涌水量。最后對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果作出評(píng)價(jià)，并根據(jù)礦井涌水量的預(yù)測(cè)給出一定的建議。

礦井涌水量；石榴煤礦；水文地質(zhì)條件；解析法

礦井涌水量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(kāi)采的一個(gè)重要技術(shù)條件。礦井涌水量預(yù)測(cè)精度，不僅取決于對(duì)水文地質(zhì)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(yù)測(cè)方法和礦山開(kāi)采方案[1]。

預(yù)測(cè)礦井涌水量的方法很多，目前常用的數(shù)學(xué)模型有確定性模型和非確定性統(tǒng)計(jì)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(jì)性模型主要是相關(guān)比擬法(水文地質(zhì)比擬法、Q-S曲線法)[2]。

解析法是運(yùn)用地下水動(dòng)力學(xué)原理，以數(shù)學(xué)分析的方法，對(duì)一定邊界條件和初始條件下的地下水流動(dòng)問(wèn)題建立定解公式，然后應(yīng)用這些公式預(yù)測(cè)涌水量。如Muskat(1937)首次利用解析法解出了地下水流問(wèn)題，后來(lái)Hantush及Jacob(1955)擴(kuò)展了解析法的概念用來(lái)處理從弱透水層越流補(bǔ)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(dá)式，這些方法可以在大多數(shù)情況下直接應(yīng)用于求解礦井涌水量[4]。

地下水滲流運(yùn)動(dòng)的基本定律是達(dá)西定律[5]，所有的解析公式都是在此基礎(chǔ)上建立或推導(dǎo)出來(lái)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(guò)對(duì)研究區(qū)的勘探[6]，根據(jù)礦井水文地質(zhì)特征，分析礦井充水條件和邊界條件，合理選擇參數(shù)及計(jì)算方法，計(jì)算出礦井涌水量，預(yù)測(cè)礦井涌水量的變化趨勢(shì)，為礦井建設(shè)可行性研究和初步設(shè)計(jì)提供依據(jù)[7]。

1　研究區(qū)概況

本次計(jì)算選取貴州金沙縣石榴煤礦作為對(duì)象，該礦計(jì)劃建設(shè)南、北兩個(gè)年產(chǎn)45萬(wàn)噸的礦井，礦井主要開(kāi)采9號(hào)、15號(hào)煤層，。區(qū)內(nèi)出露的地層從老到新依次為茅口組(P2m)、龍?zhí)督M(P3l)、長(zhǎng)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(hào)煤層位于龍?zhí)督M中上部，15號(hào)煤層位于龍?zhí)督M底部。為了安全的開(kāi)采煤礦，需要對(duì)研究區(qū)進(jìn)行仔細(xì)的勘查，本次研究評(píng)價(jià)僅計(jì)算南礦9號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)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(zhǎng)興組含水層(P3c)

收集鄰近的田灣煤礦資料，導(dǎo)水裂隙帶最大高度大于50 m，本礦9號(hào)煤層距長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)興組巖溶水進(jìn)入礦井，為礦井間接充水含水層。

2.3長(zhǎng)興組上部夜郎組一段(T1y1)

該巖組為一套厚度約8 m的泥質(zhì)砂巖，為一穩(wěn)定隔水層。所以長(zhǎng)興組之上的含水巖組對(duì)礦井開(kāi)采一般無(wú)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?cè)嵯嚅g的組合增強(qiáng)了底板隔水性。J801號(hào)鉆孔9號(hào)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(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》附錄G中就全國(guó)資料統(tǒng)計(jì)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(huì)進(jìn)入礦井。

3　計(jì)算范圍及邊界條件

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

圖1　南礦涌水量預(yù)算平面示意圖

4　礦井涌水量的預(yù)測(cè)

據(jù)鄰近田灣煤礦觀測(cè)資料，涌水量與降水量關(guān)系密切，表現(xiàn)為暴雨突增，雨季增大，枯季相對(duì)減少的特點(diǎn)。另外，涌水量與煤礦生產(chǎn)有關(guān)，隨煤礦生產(chǎn)，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，涌水量亦增大。附近煤礦主要開(kāi)采淺部煤層，而本礦井開(kāi)采深度大，水文地質(zhì)條件與其有差異，充水水源主要來(lái)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(jì)算，而采用解析法計(jì)算。

4.1計(jì)算方法及公式選擇

本次礦井涌水量估算采用“大井”公式進(jìn)行計(jì)算。礦區(qū)內(nèi)地層傾角約10°，可視為水平含水層，無(wú)斷層等隔供水邊界，因此可將其視為無(wú)限邊界。礦床開(kāi)采后疏干排水，長(zhǎng)興組與龍?zhí)督M地下水表現(xiàn)為承壓-無(wú)壓水狀態(tài)，根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件的概化，礦井涌水量預(yù)算公式采用穩(wěn)定流承壓-無(wú)壓“大井”公式(1)計(jì)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(zhì)參數(shù)的確定

4.2.1滲透系數(shù)

根據(jù)南礦首采區(qū)內(nèi)701、704、J801號(hào)鉆孔抽水試驗(yàn)資料(各鉆孔的抽水情況如表1所示)，確定本次預(yù)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(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)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(jì)算水平+650 m作為礦井疏干基準(zhǔn)面，根據(jù)抽水資料，龍?zhí)督M靜止水位平均標(biāo)高為848m，經(jīng)換算Smax=848-650=198 m，剩余水頭為9號(hào)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(zhǎng)興組(P3c)含水層：選有代表性鉆孔704、J801號(hào)，取鉆孔中長(zhǎng)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(jì)算

礦井總涌水量來(lái)自龍?zhí)督M含水層和上覆長(zhǎng)興組含水層。根據(jù)公式(1)分別計(jì)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(zhǎng)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(yàn)時(shí)間不是雨季，參數(shù)取值偏小。據(jù)調(diào)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(nèi)泉點(diǎn)動(dòng)態(tài)觀測(cè)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(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果

南礦開(kāi)采9號(hào)煤層時(shí)涌水量預(yù)算結(jié)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(kāi)采后由于頂板管理支護(hù)等，煤層上覆地層產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶不可能均勻地全面地溝通長(zhǎng)興組地層，所以今后礦井實(shí)際涌水量可能與此次預(yù)算的結(jié)果有偏差。而隨著長(zhǎng)興組地層水的靜儲(chǔ)量被疏干，其外界補(bǔ)給條件較差，僅有大氣降雨作為主要補(bǔ)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(gòu)造發(fā)育的不均勻性，獲得的水文地質(zhì)參數(shù)有一定的局限，故會(huì)影響到本次涌水量預(yù)算；但總體認(rèn)為本次采用的預(yù)算方法是可行的，最好是選取5.5×103m3/d作為今后礦井設(shè)計(jì)的礦井涌水量值。

6　結(jié)語(yǔ)

該煤礦南礦涌水量預(yù)算結(jié)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(shè)計(jì)的礦井涌水量值。

根據(jù)結(jié)論以及勘查結(jié)果建議開(kāi)采時(shí)務(wù)必做好探放水工作，備足排水設(shè)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(yù)測(cè)方法[J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào).2009,29(1):70-73.

[2]王心義，等.專門水文地質(zhì)學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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(xué)的發(fā)展[M].北京:地質(zhì)出版社.1992:70-73.

[5]王大純,張人權(quán)，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)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(zhì)報(bào)告[R].貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘查研究院.2009.

[7]MT/T 1091-2008煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].國(guó)家安全生產(chǎn)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(pán)水人，助理工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。

P641.4+1

A

1004-1184(2016)05-0008-02