杨 帆

（陕煤集团神木张家峁矿业有限公司）

国民经济发展对能源的需求日益增长，我国煤炭工业产量每年都在以前所未有的速度增长，煤炭开采面临的水文地质问题日益突出［1］，然而，近年来我国西北侏罗纪煤田弱富水软岩水—沙混合型间歇式突水事故多发，严重威胁矿井安全生产。红柳煤矿首采工作面初采186 m范围内发生了4次较大规模的突水，最大突水量达到3 000 m3/h，工作面2次被迫停产；2016年陕西铜川照金煤矿发生重大顶板水害事故，造成11人死亡［2］。无论在煤田水文地质勘查阶段还是矿井生产建设阶段，矿井涌水量预测不仅是对矿井建设进行技术经济评价、合理开发的重要指标，更是煤矿生产设计部门制定采掘方案、确定矿井排水能力、制定疏干措施、防止重大水害和利用地下水资源的重要依据［3］。

目前矿井涌水量预测大体上可以分为确定性分析方法和不确定性分析方法两类［4］。确定性分析包括解析法、模拟法、数值法、水均衡法；非确定性分析法包括水文地质比拟、相关分析、模糊数学模型、灰色系统、BP神经网络和时间序列分析等。但这些方法在实际使用过程中其科学性、准确性确一直不太理想［3］。没有针对矿井涌水量的组成部分进行剖析，是导致上述问题的重要因素之一。鉴于此，本研究以张家峁矿井为研究对象，剖析矿井涌水量构成，对涌水量各组成部分分别进行预测，最终得到张家峁矿井未来5 a分年度矿井涌水量大小，旨在为矿井涌水量预测提供一种新思路。

1 研究区概况

研究区位于陕北黄土高原与毛乌素沙漠的接壤地带，地处干旱半干旱地区，水资源贫乏，与丰富的煤炭资源形成了鲜明对比［5］。地形总的趋势为西南、西北高，中东部低。矿井北界附近最大海拔高程为1 319.70 m，最低1 088.0 m，一般在1 150~1 260 m。地貌类型可分为风沙滩地区、河谷区和黄土丘陵沟壑区。构造简单，总体构造面貌是褶皱包络面向北西缓倾斜的单斜构造。主要开采煤层为2-2、3-1、4-2和5-2煤。矿区直接充水含水层为第四系上更新统萨拉乌苏组（Q3s）含水层、侏罗系中统（J2z+y）基岩裂隙含水层和烧变岩含水层。目前矿井涌水量为181.6 m3/h。截至2020年底，张家峁矿井共发生突水事故5次，均对工作面的正常开采造成了影响，严重影响了矿井生产安全。因此，有必要对张家峁矿井未来5 a的矿井涌水量进行预测，为矿井的防治水工作提供指导。

2 矿井涌水量构成分析

对涌水量的预测根据张家峁矿井的生产接续进行，根据对张家峁矿井水文地质条件和近3 a该矿井涌水量观测台账的分析可知，矿井涌水量不单单只是在矿井进行回采过程中工作面的涌水量，还包括矿井在掘进过程中的涌水量以及其他出水点的涌水量。

根据张家峁矿井的实际开采情况，将整个矿井涌水量构成分为5个部分：①回采工作面涌水量（以风化带基岩涌水量为主）；②待采工作面涌水量（探放水和掘进出水）；③已采工作面涌水量（新增老空水和原有老空水）；④其他水（井筒水等）；⑤采掘系统生产地面供水量（井下生产用水）。

其中，顶板风化基岩涌水量为矿井主要涌水水源，月平均涌水量与顶板风化基岩含水层的涌水量占比有很强的正相关性。这说明，对于张家峁矿井各充水含水层来说，最主要的充水含水层是顶板风化基岩含水层。

3 矿井涌水量预测

3.1 涌水量预测基本思路

通过对矿井涌水量构成分析，本次涌水量预测计算公式为

式中，Q为矿井涌水量大小，m3/h；Q1为回采工作面涌水量，m3/h；Q2为待采工作面涌水量，m3/h；Q3为已采工作面涌水量，m3/h；Q4为其他水涌水量，m3/h；Q5为采掘系统生产地面供水量，m3/h。

回采工作面涌水量采用类比法进行预测；其余四部分根据矿井实际生产情况进行赋值：①采掘系统生产地面供水量取100.0 m3/h；②其他水以井筒涌水量为主，且其涌水量近3 a来较稳定，水量为10.7 m3/h；③待采工作面涌水量取探放水水量和掘进面出水水量之和，为35.4 m3/h，其中探放水水量取2020年矿井探放水水量最大值10.4 m3/h，掘进面正常涌水量取25 m3/h；④采空区涌水以每年50%的速度递减。

3.2 未来5 a回采工作面涌水量预测

3.2.1 类比法基本原理

类比法属于水文地质比拟法的一种，是根据相似性原理，选用已经开采过工作面的涌水量，选取合适的类比因素，对未开采但地质和水文地质条件相似的工作面进行类比，来计算工作面涌水量，计算公式为

式中，Q01为比拟工作面实际涌水量，m3/h；Q02为预计工作面涌水量，m3/h；A01为比拟工作面类比因素；A02为预计工作面类比因素。

根据张家峁矿井实际生产状况，在相同的地质和水文地质条件下，回采面积、产量、工作面倾向长度3个因素与工作面涌水量之间相关性较强，且在矿井实际开采中预测结果较符合实际。

3.2.2 类比法计算矿井回采工作面涌水量

利用与回采工作面涌水量相关因素较大的回采面积、产量、工作面倾向长度3个因素，对张家峁矿井未来5 a内的回采工作面分别计算涌水量。

倾向长度反映了工作面宽度对涌水量变化的影响，面积富水系数法类比反映工作面涌水量涌出的变化，产量类比结果反映了工作面产量变化与实际涌水量为基础下的各工作面吨煤涌水量，各种类比因素均可作为影响工作面涌水量的因素之一。在取值时，以3种类比结果的平均值作为矿井涌水量预测的数值，而最大值取3个影响因素类比结果的最大值。计算结果见表1。

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3.3 未来5 a矿井涌水量预测

根据式（1），将待采工作面涌水量、已采工作面涌水量、其他水、采掘系统生产地面供水量4部分的赋值结果与类比法计算的开采工作面涌水量相加，得到张家峁矿井未来5 a矿井涌水量预测结果，见表2。待采工作面涌水量、已采工作面涌水量、其他水、采掘系统生产地面供水量这四部分的取值，是对矿井涌水量观测台账的分析所取得，数据真实可靠，故本次预测结果可以为矿井防治水工作提供一定的依据。

由表2可知，张家峁矿井未来5 a涌水量在2021年至2023年开始增大，到2023年增加到最大后开始减小，究其原因，主要是由于从2022年开始，矿井开采西部边界2-2煤，其中2023年将在西部边界集中开采3个2-2煤工作面，这3个工作面均与柠条塔南翼S1210工作面接壤，且都属于顶板风化基岩厚度大、水位高的地区。柠条塔矿井在开采S1210工作面时，曾瞬时突水1 200 m3/h，造成突水淹面事故发生，因此矿井在开采该区域2-2煤层时，应该提前对2-2煤层顶板风化基岩富水性进行探查，在条件允许的情况下，考虑在该区域提前布设强排水系统，防止突水淹面事故的方法。

在后续开采过程中，当矿井开采条件发生变化，会导致预测结果相差较大。对矿井涌水量划分不同组成来预测矿井涌水量，便于对矿井实际生产状况进行修正，重新赋值，对预测结果进行修改，避免预测结果偏差太大。

4 结 论

（1）通过对张家峁矿井水文地质条件和矿井涌水量观测台账进行剖析，总结提出了一种利用矿井涌水量构成来计算矿井涌水量的简便方法，该方法主要将矿井涌水量分为5个部分，分别做出预测。

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（2）预测了张家峁矿井未来5 a矿井涌水量，在2023年矿井涌水量达到最大值。原因是2023年张家峁矿井将开采西部靠近柠条塔矿界的2-2煤的3工作面，煤层深度大，同时煤层顶板基岩风化带含水层水位高，预计该区域工作面涌水量较大。因此，在开采该部分煤层时，应提前制定相关顶板疏放水、超前探放水方案，确保煤层安全回采，加强对排水系统的维护、检修工作。

（3）考虑涌水量构成来预测矿井未来涌水量，是一种基于现阶段矿井采掘情况的涌水量预测方法，矿井应该根据实际采掘情况，在未来对涌水量构成部分进行修正，优化矿井排水系统，保障矿井安全回采。