刘海先

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳110015）

矿山涌水是矿山生产安全的重大隐患，可靠的涌水量预测是矿山疏干排水设计的主要依据，因此，实用且准确的矿山涌水量预测方法一直是关注的热点[1]，形成了很多矿山涌水量预测的方法。解析法、数值法、水均衡法、水文地质比拟法和相关分析法是矿山涌水量预测的基本方法，其各有优缺点[2]。水文地质比拟法使用的前提条件是预测区的水文地质条件与已知涌水量的矿山具有可比拟性，常应用于开采条件基本相同的开采区域或同一矿井[3-4]。数值方法需要的数据较多，在实际实用中并不广泛。而解析法，如大井法[5]和水平廊道法，由于其简单、快速而得到广泛应用。在实际应用中多采用完整大井法和完整水平廊道法，但经常出现涌水量的高估。矿坑非均质和各向异性是影响其不准确的因素，另外由于矿山勘查程度较浅，含水层资料不充分，在预测时把非完整大井或非完整水平廊道简单概化成了完整大井或完整水平廊道，这种简单概化也是导致预测结果不准确的原因之一，但是这种误差很少被系统地进行论证[6]。

以谢尔塔拉露天煤矿为例，采用大井法、廊道法及比拟法分别计算矿坑地下涌水量。讨论最适合谢尔塔拉露天矿疏干排水设计的涌水量依据，并以此为据布设疏干工程。

1 矿区水文地质条件

谢尔塔拉露天煤矿首采区位于陈旗煤田境界内，陈旗煤田为一向斜盆地，发育有古生界、中生界、新生界地层。首采区位于陈旗煤田向斜的一翼。露天矿设计规模7.0 Mt/a。

从区域上分析，谢尔塔拉露天区位于1 个完整的水文地质单元内；该单元南部边界为海拉尔河，北部以地表分水岭为界，东部边界为东大沟，西北部以莫勒格尔河为界；单元内北部和东部为补给区，西北部的莫勒格尔河和南部的海拉尔河构成了单元的排泄边界。

1.1 含水层

1.1.1 第四系松散岩类孔隙水

该含水层分布于全区，含水层一般厚度3.5～8.5 m，平均厚度6 m。其岩性主要以砂砾石为主，结构松散，磨圆一次棱角状或次棱状，孔隙发育，赋含第四系孔隙潜水。渗透系数6.4 m/d，单井涌水量小于500 m3/d。区内第四系含水层补给来源主要是每年7—9 月大气降水以及4 月下旬至5 月雪融水垂直入渗补给第四系含水层。区域地下水的侧向径流补给也是含水层接受补给的主要方式。在区域露头部位，形成地表径流，并在煤系以及第四系地层中径流，总体径流趋势是北西北东向西南方向径流。排泄途径有3 种：①侧向径流排泄；②在本区疏干排水工程形成后，第四系水通过井孔垂向补给碎屑岩、火山熔岩裂隙孔隙水；③地表蒸发，也是第四系含水层组的重要排泄方式。

1.1.2 裂隙孔隙含水层组

裂隙孔隙含水层平均渗透系数为5.05 m/d，单井涌水量为500～3 000 m3/d。煤层碎屑岩含水层组的富水性及导水性也呈规律性变化。含水层可分为3 层：

1）上部砂砾岩含水层。含水层岩性为砂砾岩、粗砂岩、细砂岩，灰白色，分布于全区。含水层埋深在37～41 m，厚度3～10 m。其顶部为泥岩，为良好的隔水层，其底部为泥岩，在个别地段与下伏的砂砾岩含水层连通。该类水主要接受区外地下水的侧向径流补给，以侧向径流方式流出区外。

2）中部砂砾岩、粗砂岩、火山熔岩裂隙孔隙水含水层。厚度变化大，其底部地层为薄层的泥岩或褐煤，火山熔岩含水层分布在首采区西侧及西南角。含水层深度为30～50 m，平均厚度为10 m。该含水层在东侧与下伏的褐煤含水层连通，在这类地段二者存在密切的水力联系。

3）下部为褐煤含水层。煤层含水层主要发育于全区，分布连续，深度为80～100 m，平均厚度15 m。其下伏地层为泥岩，为良好的隔水层；上覆地层大多数地段为泥岩，与上覆含水层无水力联系，但个别地段为火山熔岩及砂砾岩，导致上覆含水层与该含水层存在明显的水力联系，本含水层为承压含水层。

1.2 隔水层

1）第四系隔水层。第四系底部普遍沉积粉质黏土，煤系地层顶部发育有泥岩、粉砂岩、细砂岩，因而两者构成较稳定的隔水层，在总体上反映第四系含水层组与煤系含水层之间无水力联系。

2）煤层碎屑岩含水层组顶、底板隔水层。由泥岩、粉砂岩或细砂岩组成，分布连续，厚度稳定，隔水性能良好，由此可知本矿区隔水层发育稳定，隔水性能好。

1.3 地下水的补给与排泄

第四系含水层主要接受来自大气降水的垂直入渗及区外地下水的侧向径流补给，含水层上下各覆粉质黏土，形成含水层隔水顶底板。第四系含水层中水的径流以顺层径流为主。第四系含水层的主要排泄途径为蒸发和侧向径流。

裂隙孔隙含水层的补给主要接受侧向径流补给以及第四系含水层通过降水井的垂向补给。本层地下水以径流形式向区外排泄，首采区内未见其直接排泄露头。当疏干排水系统运行后，人工排水为其主要的排泄方式。

2 矿坑地下涌水量计算

现场已经施工了43 口疏干井，并进行了抽水试验。根据抽水试验数据，并结合以往地质勘探成果选取水文地质参数。矿坑地下涌水量计算主要水文地质参数为渗透系数、含水层厚度及水位等参数。

2.1 大井法

将露天矿概化为一口大井，采用远离地表水体与隔水边界公式[7]。对第四系孔隙含水层和裂隙孔隙含水层组达产时期涌水量进行分别估算。第四系潜水含水层公式为：

式中：Q 为矿坑地下涌水量，m3/d；M 为含水层厚度，m；K 为含水层渗透系数，m/d；S 为水位降深，m；R0为引用影响半径，m；r0为露天采场引用半径，m；F 为采矿场面积，m2。

煤层碎屑岩含水层组采用承压转无压公式，其公式为：

式中：H 为承压含水层有含水层底板算起的水头值，m；h 为有含水层底板算起的动水位高度，m。

大井法计算结果：第四系潜水含水层地下涌水量为9 635.47 m3/d，煤系地层孔隙裂隙含水层组地下涌水量为40 588.52 m3/d，总计50 224 m3/d。

2.2 廊道法

《露天采矿手册》中说明，当露天采矿场长宽比大于10 时，视其为集水廊道。本次计算把露天采矿场一侧边帮概化为廊道的单侧补给边界。因此将原手册中提供的公式下面除以2，视为单侧补给量。采矿场4 个帮分别计算2 层含水层的侧向补给量之和即为矿坑地下涌水量。第四系潜水含水层廊道法公式：

式中：B 为水平巷道长度，m；H1、H2为补给边界及排泄边界上的水位，m；R1、R2为廊道至补给边界及排泄边界的距离，m；R 为影响半径，m。

煤层碎屑岩含水层组采用廊道法承压转无压公式。其公式为：

廊道法计算侧向补给量结果：第四系潜水含水层涌水量为9 996.29 m3/d，煤系含水层组涌水量为29 136.4 m3/d，总计39 132.68 m3/d。

2.3 比拟法

比拟法计算混合含水层涌水量，根据不同时期的疏干排水量可以分析露天矿地下涌水量的变化特征。矿区西部15 km 的宝日希勒露天矿，主要开采的12煤层。宝日希勒露天矿12煤层开采基础数据见表1。

表1 宝日希勒露天矿12 煤层开采基础数据

该露天矿与本勘探区同属于陈旗煤田，在区域水文地质单元的径流区；谢尔塔拉露天矿外围区主采煤层Ⅱ、Ⅲ煤层，在区域水文地质单元的补给区。受第四系含水层及煤系含水层静储量逐步释放的影响，整体上体现了矿床疏干涌水量的基本特征即从涌水量小到大再变小。

比拟法不同时期的吨煤含税系数体现的是不同时期的地下水涌水量，采矿后期主要为含水层疏干稳定后侧向补给量。计算公式：

式中：A 为井田设计生产能力，取700 万t/a；t为吨煤含水层系数，取值1.64（2005 年度的含水系数）。

井田预计生产能力为700 万t/a，由于吨煤系数随时间呈降低的趋势，使用宝日希勒露天矿逐年吨煤含水系数来比拟计算谢尔塔拉露天矿的涌水量结果为1 148～13 965 m3/h。开采前期地下水静储量较大，后期静储量消耗殆尽，疏干水量主要为侧向补给量，约27 552 m3/h。此时补给量仅为煤系含水层补给量。第四系潜水含层呈季节性少量补给。

2.4 静储量

含水层稳定降落漏范围内岩土孔隙、裂隙中地下水中之重力水部分的水量即为静储量，第四系潜水含水层静储量计算公式为：

其中：QJ为静储量，m3；μ 为给水度。

煤层系含水层静储量分为2 部分:①径流量：以水体积形式运动在全部含水层中；②弹性调节量，即在巨大水头压力下使含水层发生弹性变形，比它在1 个大气压下所多容纳的地下水水量。计算公式为：

式中：Ss为弹性释水系数。

由式（8）和式（9）计算得，第四系潜水含水层静储量为195 万m3，煤系含水层组静储量为358.41 万m3，总计553.41 万m3。项目建设期20 个月，疏干要求提前3 个月超前降深，因此疏干工程运行期仅510 d。假设静储量平均分配，则日消耗静储量为：第四系潜水含水层3 823 m3/d，煤系含水层日消耗静储量约10 851 m3/d。

2.5 校核涌水量

采用《水文地质手册》采矿场涌水量计算公式对涌水量进行校核验算[8]。露天采矿场开采时期，考虑消耗地下水贮存量及径流量时的计算公式：

式中：α 为与水力动态有关的系数（潜水时，α=1；承压水时，α=0.5）；T 为采矿场基本建设时间，510 d。

计算得，第四系含水层涌水量为18 457 m3/d，煤系裂隙含水层组涌水量为24 240 m3/d，总计42 697 m3/d。

2.6 计算结果分析

根据不同计算方法得出计算结果，涌水量计算汇总见表2。

表2 涌水量计算汇总

通过大井法、廊道法及比拟法在计算过程中都为考虑到静储量，因计算的适用条件不同，概化模型及边界条件等原因导致计算结果不尽相同。总体来看，廊道法与比拟法在计算煤系含水层侧向补给量时计算结果相近，再加上日消耗的静储量，与大井法计算结果相近。用《水文地质手册》中考虑静储量的地下涌水量公式计算总量接近于大井法与廊道法计算的平均值。因此，在露天矿疏干排水设计中，采用降水孔超前疏干的方式疏降地下水位（水压）时，应充分考虑静储量。

3 地下水控制方式

1）疏干方案。设计前对几种疏干方案进行了比较，疏干降水孔施工简单、安全、工期较短，疏干工程布置灵活，初期投资较少。经综合对比分析，最后选择地面降水孔超前疏干方案。根据含水层的产状、空间相对位置以及国内露天矿疏干的经验。初步设计采用地面降水孔超前疏干截取部分补给量，在平盘开挖集水沟、集水坑疏排静储量的联合疏干方式疏降含水层地下水。

2）工程布置。目前，露天矿已施工了43 口疏干降水孔。通过对已施工降水孔的出水量核算，出水能力无法满足设计的疏干排水量。为了保证疏干效果及采掘工作的安全进行，在露天矿建设过渡期额外增加16 个过渡期疏干排水井，用来疏放静储量。同时，在采掘场平盘上开挖集水沟、集水坑，利用排砂潜水泵将平盘积水排至采掘场排水泵站或直接排至疏干水处理间。

4 结 语

1）采用解析法中大井法和廊道法计算的矿坑地下涌水量均为疏干漏斗形成后的侧向径流补给量。大井法与廊道法计算得出的第四系潜水含水层涌水量相近，但煤系地层含水层组涌水量相差较大。

2）露天矿矿坑地下涌水量受疏干漏斗内静储量影响，疏干排水量变化趋势是由小变大再变小，最后趋于稳定。

3）谢尔塔拉露天煤矿依据大井法计算结果设计疏干降水孔工程，为控制地下水位快速降深及疏放静储量，过渡期增设16 个疏干降水孔。