華亭煤礦礦井涌水量預測研究

慕斌(甘肅煤電股份有限公司華亭煤礦，甘肅 平?jīng)?744100)

1 礦井概況

華亭煤礦1962年4月正式開始建井，經(jīng)過多次技術改造和改擴建，設計生產(chǎn)能力和核定生產(chǎn)能力均達到400萬噸/年，后根據(jù)沖擊地壓防治要求，礦井產(chǎn)能核減為330萬噸/年。礦井通風方式為中央分列抽出式通風。礦井采用立井、斜井聯(lián)合開拓方式，開采水平為+840 m水平，布置一個采區(qū)(2501采區(qū))和一個回采工作面(250107-1綜放工作面)，工作面采用條帶式布置、后退式俯斜開采，采煤方法為走向長壁傾斜分層綜采低位放頂煤法，全部垮落法管理頂板。

華亭煤礦水文地質類型中等。礦井主要受影響含水層為煤層頂板第三含水層，該含水層由煤5層頂板以上的細砂巖-粗砂巖組成，為一復合含水層。單孔涌水量1.90～13.91 m3/d，單位涌水量0.000 47～0.003 73 L/s，滲透系數(shù) 0.00 170～0.00 653 m/d，該含水層底界距煤5層頂板0～25.6 m，平均距離9.0 m。根據(jù)中國礦業(yè)大學“兩帶”高度經(jīng)驗公式，工作面回采后形成的導水裂隙帶進入第三含水層，但第三含水層滲透性和富水性差，所以頂板第三含水層可能會造成巷道淋水等現(xiàn)象。

2 礦井涌水量

礦井涌水量是指礦井在開拓及開采過程中，單位時間內(nèi)流入礦井(包括井筒和開采系統(tǒng))的水量，是開采及設計單位制訂疏干措施，確定排水設備及其生產(chǎn)能力的主要依據(jù)[1]?，F(xiàn)就華亭煤礦目前礦井涌水組成及涌水特征進行分析，對礦井正常涌水量和最大涌水量進行預測。

2.1 礦井涌水量組成

根據(jù)近年來對礦井涌水量的觀測分析，礦井涌水量主要由生產(chǎn)用水、煤5層頂?shù)装鍧B水、淋水組成。

2.2 近3年來礦井涌水量觀測

根據(jù)礦井近3年平均涌水量觀測數(shù)據(jù)可知，礦井涌水量未發(fā)生大的變化，自建井以來礦井未發(fā)生突水事故。2020年礦井正常涌水量為75.3 m3/h，最大涌水量為108.4 m3/h。

3 礦井涌水量預測

3.1 計算方法的選擇

根據(jù)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》附錄，常用的礦井涌水量計算方法主要有：水文地質比擬法(富水系數(shù)法、單位用水量比擬法)、解析法(大井法、水平廊道法)等。論證本次采用解析法和水文地質比擬法分別對華亭煤礦礦井涌水量進行預算，再對各預算成果進行分析，以確定合理的礦井涌水水量。

3.2 礦井涌水量預測

(1)解析法預算礦井涌水量。計算方法：根據(jù)《基坑工程手冊(第二版)》解釋了的解析法中大井法和水平廊道法等兩種方法適用范圍：“長寬比值小于10的視為輻射流，即可將巷道系統(tǒng)假設為一個理想大井，采用大井法進行預算；比值大于10的視為平行流，即將其概化為水平廊道，采用水平廊道法進行預算”。華亭煤礦采區(qū)長寬比小于10，礦井涌水量預算采用大井法。

①煤5層頂板以上礦井涌水。根據(jù)導水裂隙帶計算結果，煤5層頂板以上礦井涌水量為中侏羅統(tǒng)延安組第二段至第三段承壓含水層(第三含水層)涌水量。

采用本井田及周邊地區(qū)B405、B403、L1503、1406號水文孔相關資料計算第三含水層厚度、滲透系數(shù)、水頭高度、降深，用大井法對煤5層頂板以上礦井涌水量預算結果為1 989.16 m3/d。

②煤5層底板以下礦井涌水。煤5層底板以下礦井涌水為中侏羅統(tǒng)延安組第一段—上三疊統(tǒng)延長群承壓含水層(第一、二含水層)涌水量。

采用本井田及周邊地區(qū)1406、B403、水1、水3號水文孔相關資料計算滲透系數(shù)、水頭高度、降深等參數(shù)，采用大井法對煤5層底板以下礦井涌水量預算結果為1128.53 m3/d。

③大井法預算華亭煤礦礦井涌水量結果

Q總=1 989.16+1 128.53=3 117.69 m3/d。

(2)富水系數(shù)法預算礦井涌水量

①富水系數(shù)的計算公式為：

式中：Kp為富水系數(shù)(m3/t)；Q0為比擬煤礦的涌水量(m3/d)；P0為比擬煤礦的產(chǎn)量(t/d)。

②礦井涌水量的計算公式為：

式中：Q為本礦的涌水量(m3/d)；P為本礦的產(chǎn)量(t/d)。

根據(jù)2018年1月至2020年12月的礦井涌水量、實際產(chǎn)量計算的富水系數(shù)如表1所示。

表1 華亭煤礦涌水量統(tǒng)計和富水系數(shù)計算表

近年來華亭煤礦產(chǎn)量、礦井涌水水量較為穩(wěn)定，綜合平均富水系數(shù)Kp=0.197 m3/t。

③富水系數(shù)法預算涌水量結果。華亭煤礦核定產(chǎn)能為330萬噸/年，年運行時間按330 d計算，平均日產(chǎn)量10 000 t，Kp=0.197 m3/t，則華亭煤礦開采后正常涌水量為1 970 m3/d。

4 礦井涌水量預測結果評述

4.1 解析法預算的礦井涌水量評述

(1)在礦井開采條件確定的情況下，涌水量的大小主要取決于補給條件。

在補給條件不利的情況下，含水層涌水量隨水位降深的增大而增大到一定程度后，就不會隨降深增大而再增大。但在礦井涌水量的計算中，合適的降深值S是無法確定的[2]。本次計算中，煤層頂板進水水位降深是按照水位降到含水層底板計算的，煤層底板進水水位降深是按照水位降到礦井底板以下30 m計算的。頂?shù)装搴畬拥慕瞪钪刀计?，相應計算出的涌水量也較實際偏大。

(2)根據(jù)GB 15218—94《地下水資源分類分級標準》，本次大井法的計算結果精度相當于D級。預算值誤差較大的原因主要有：

①因抽水井布置較少，計算結果有一定的誤差；

②本次所采用的大井法是基于穩(wěn)定流理論推導的地下水動力學計算公式，它要求地下水有比較充分的補給條件，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，永遠穩(wěn)定在計算采用的高度上，與實際情況有較大的出入。

4.2 富水系數(shù)法預算的礦井涌水量評述

富水系數(shù)法是一個半經(jīng)驗計算法，這是因為礦井涌水量和開采量之間嚴格意義上不是線性關系，礦井涌水量除與礦井開采量有關外，還與開采方法及井田內(nèi)部的水文地質條件有關[3]。從華亭煤礦已有開采資料分析，該區(qū)礦井涌水量和礦井開采規(guī)模基本上還是成正相關關系，所以本次用富水系數(shù)法計算的礦井涌水量總體上能夠代表華亭煤礦未來礦井涌水量，因是半經(jīng)驗公式，所以計算的礦井涌水量的精度也應為D級。

5 礦井涌水量推薦值

從安全角度考慮，本次論證采用富水系數(shù)法預算的1 970 m3/d作為礦井未來五年正常涌水量，將大井法預算結果3 117.69 m3/d作為礦井涌水量的最大值。

6 結語

綜上所述，煤礦礦井涌水量對開采活動的安全性具有重要影響，因此相關人員應當提高對礦井用水量預測的重視程度。結合華亭煤礦的實際情況，運用大井法和富水系數(shù)法進行預測，結果顯示大井法預測值存在一定誤差，富水經(jīng)驗法計算結果能夠代表未來礦井用水量?；诖?，綜合考慮安全因素，在實際預測工作中，建議將富水系數(shù)預測數(shù)值作為礦井未來五年的正常用水量，將大井法預測結果作為礦井用水量的最大值，為水害防治管理提供依據(jù)，提高礦井生產(chǎn)安全性。