米艳飞

(陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

煤矿涌水量的大小关系到矿井开拓方式的选择和采掘系统的布置，从而影响到矿井的总体规划和设计。通过对矿井涌水量的预测为煤矿下组煤开拓延深工程可行性研究、工程设计提供依据。隆德煤矿位于陕西省神木市西南部，属榆神矿区三期规划[1]，行政区划隶属于神木市大保当镇及瑶镇乡管辖，矿区面积约44.489 6 km2，开采矿种为煤，规划生产能力为500万t/年。目前，井下生产布局是“一综采、二连掘”，属于典型的“高产、高效”矿井生产模式。工作面采用长壁后退式(倾斜长壁开采)、全部垮落法管理顶板，综合机械化采煤。煤矿内可采煤层10层[2]。其中全区可采煤层为2-2、3-1、4-3、5-2、5-3层，共5层；大部分可采煤层为5-2下、5-4层；局部可采煤层为1-1、5-3上、5-3下层。矿井目前主要开采2-2煤层，该层厚度0.85～6.60 m，平均厚度4.16 m，属厚煤层，大部分可采，煤层厚度变化较大，规律性明显，结构简单，煤类单一，属稳定型大部分可采煤层。3-1煤层全区可采，煤层厚度2.15～3.05 m，平均厚度2.68 m，煤层厚度变化小，属稳定型全区可采煤层。

隆德煤矿经过几年的开采，2-2煤层工作面212、210、209、208、207、206、205、203、202、201已经采空，211工作面正在回采中。因此，需通过系统搜集、整理、分析隆德煤矿地质及水文地质资料以及煤矿前期实测矿井涌水量、各工作面采空区涌水量，分析、研究煤矿矿井充水特征以及导水裂缝带发育高度，预测矿井2-2煤层以及下组煤3-1煤层的涌水量。

1 矿井涌水分析

1.1 矿井充水特征分析

根据隆德煤矿已采205工作面DL2钻孔东南部区域地表出现拉伸裂隙，以及2-2煤层205工作面施工3个“两带”观测钻孔资料分析成果[3-5]，得出裂采比为18.10～19.41，冒采比3.83～6.88倍，结合隆德煤矿地质、水文地质条件及采煤方法等因素，考虑采用经验公式进行计算

H冒=7M,H裂=20M

(1)

式中，H冒为冒落带最大高度，m；H裂为导水裂缝带最大高度，m；M为累计采厚，m(按采高4.60计算)。通过经验公式计算，结果见表1。经计算，2-2煤层冒落带最大高度5.95～32.20 m，导水裂缝带最大高度为17.00～69.89 m，而上覆基岩厚度为5.10～201.18 m。采煤时导水裂缝带最大高度大部分发育在直罗组正常基岩里，部分发育至风化基岩内，部分甚至发育至松散层段内，因红土层部分缺失或厚度较薄，导水裂缝带局部沟通松散层潜水。

表1 冒落带、导水裂缝带计算结果

3-1煤层冒落带高度15.12～21.35 m，导水裂缝带最大高度43.20～61.00 m，而3-1煤层与上覆2-2煤层间距为30.91～44.53 m，采煤时导水裂缝带高度全部发育至上覆2-2煤层采空区，导水裂缝带沟通上覆采空区积水。

1.2 矿井涌水量特征

隆德煤矿自建成投产以来，已回采101、102、212、210、209、208、207、206、205、203、202、201工作面，主要开采2-2煤层，2-2煤层采空区的面积为948.24万m2。根据煤矿井下涌水量观测数据[6]，隆德煤矿(含井下各采掘工作面、采空区涌水点)正常涌水量950 m3/h，最大涌水量1 050 m3/h，其中回采工作面涌水量为170 m3/h，采空区涌水量为615 m3/h，掘进面疏放水涌水量为250 m3/h，1-1煤掘进顺槽顶板淋水及疏放水9 m3/h，井筒、大巷涌水量为4 m3/h。矿井涌水量总体随着开采面积逐渐扩大呈缓增趋势[7]，回采工作面、采空区以及2-2煤掘井巷道疏放水是矿井涌水的主要来源。

1.3 采空区涌水量特征

根据隆德煤矿212、210、208、206、202、201工作面采空区涌水量观测资料，涌水量观测统计见表2。

表2 隆德煤矿采空区涌水量观测统计

212工作面回采完毕时涌水量为110 m3/h，稳定时涌水量15 m3/h，涌水量衰减周期约30个月；210工作面回采完毕时涌水量为340 m3/h，稳定时涌水量140 m3/h，涌水量衰减周期约31个月；208工作面回采完时涌水量为248 m3/h，稳定时涌水量125 m3/h，涌水量衰减周期约34个月；206工作面回采完时涌水量为58 m3/h，稳定时涌水量26 m3/h，涌水量衰减周期约28个月；202工作面回采完毕时涌水量为170 m3/h，稳定时涌水量90 m3/h，涌水量衰减周期约18个月；201工作面回采完毕时涌水量为320 m3/h，稳定时涌水量180 m3/h，涌水量衰减周期约24个月。从表2中统计资料可以看出工作面在回采结束后30个月左右采空区上覆静储量水基本疏放完，采空区涌水量衰减趋于稳定。对隆德煤矿6个采空区涌水量变化情况分析统计，见表3。采空区涌水量基本稳定后，较工作面回采完毕时涌水量衰减率在44%～86%，平均57%。

表3 采空区涌水量衰减率统计

2 涌水量预测

2.1 计算条件说明

预测全矿井开采2-2、3-1煤层的正常涌水量，其中2-2煤层北部盘区预测范围约24.02 km2，3-1煤层全矿井预测范围为44.489 6 km2，如图1所示。参与本次涌水量计算的各含水层为承压水，采用承压水经验公式进行计算。按《关于陕西省陕北侏罗纪煤田榆神矿区三期规划区总体规划环境影响报告书的审查意见》(环审〔2013〕285号)以及保水采煤要求[8-10]，隆德煤矿采煤导水裂缝带切穿土层隔水层区禁止采煤，一次采全高，采煤导水裂缝切穿土层隔水层区波及至松散沙层区域(北部盘区东部及218工作面)需进行限厚或填充开采[11-13]，以降低导水裂缝带发育高度避免采煤导水裂隙波及至松散沙层，限厚开采区松散沙层含水层不参与计算。根据煤矿水文地质条件，2-2煤层上覆直接充水含水层为煤层上覆正常基岩、风化基岩含水层段，3-1煤层的直接充水含水层为2-2煤层采空区积水以及3-1煤层与2-2煤层之间基岩含水层，故采用“大井法”“水平廊道法”[12-13]，对2-2煤层、3-1煤层的涌水量进行预测。

2.2 计算方法

大井法将开采地段的整个坑道系统视作一大的集水井，采用承压转无压公式计算，见式(2)。水平廊道法将开采地段视为一狭长廊道，形状近似为矩形，计算公式见式(3)

(2)

(3)

式中，Q为矿井正常涌水量,m3/h；K为渗透系数，m/d；H为水柱高度，m；M为含水层厚度，m；S为水位降深，m；R0为引用影响半径，m；r0为引用半径，m；B为巷道进水水平长度，m；h0为剩余水柱厚度，m；R为影响半径，m。

矿坑所在含水层均质无限分布，天然水位近似水平，因此引用影响半径R0可采用式(4)计算

(4)

式中，η取1.18；a，b为计算区的长和宽，m；采空区涌水量衰减率取6个工作面统计平均值57%。

图1 2-2煤层涌水量预算范围示意Fig.1 Prediction area of water inflow in No.2-2 coal seam

2.3 2-2煤层涌水量预算

全矿井2-2煤层涌水量由采空区的涌水量、2-2煤层规划开采区域涌水量及北部盘区涌水量构成。根据煤矿资料，将各参数代入到计算公式，采用“大井法”计算得出北部盘区2-2煤层正常涌水量为1 000 m3/h；采用“水平廊道法”计算得出北部盘区2-2煤层正常涌水量为628 m3/h。同样，将各参数代入到计算公式，采用“大井法”计算得出211、213、215、216、217工作面涌水量为278 m3/h，“水平廊道法”计算得出211、213、215、216、217工作面涌水量为182 m3/h。采用“大井法”计算得出218工作面涌水量为110 m3/h，“水平廊道法”计算得出218工作面涌水量为96 m3/h。

根据前文分析统计，目前矿井正常涌水量为950 m3/h，工作面回采完毕后约30个月后采空区涌水量趋于稳定，扣除57%涌水量衰减率，采空区正常涌水量按409 m3/h，参与累计预测全矿井开采2-2煤层涌水量。全矿井2-2煤层涌水量为隆德煤矿2-2煤层采空区涌水量(扣除衰减量后)、隆德煤矿2-2煤层规划开采区域预算涌水量及北盘区2-2煤层可采区域预算涌水量之和。“大井法”预算开采2-2煤层全矿井涌水量：Q2-2大井法=Q北盘区+Q计划采区+Q已采=1 000+278+110+409=1 797 m3/h。“水平廊道法”预算开采2-2煤层全矿井涌水量：Q2-2廊道法=Q北盘区+Q计划采区+Q已采=628+182+96+409=1 315 m3/h。

2.4 3-1煤层涌水量预算

采用“大井法”计算得出全矿井2-2煤层正常涌水量为1 797 m3/h。采用“水平廊道法”计算得出全矿井2-2煤层正常涌水量为1 315 m3/h。根据2-2煤层已采区域在回采期间涌水量衰减规律，采面在回采结束平均30个月后，上覆含水层水的动、静储量逐渐衰减并趋于稳定，按照已采6个工作面涌水量资料分析统计，回采结束至涌水量趋于稳定，涌水量衰减率平均为57%。基于本矿井采区涌水量变化特征，本次2-2煤层采空区涌水量按预测的正常涌水量扣除衰减量，作为2-2煤层采空区涌水量参与3-1煤层涌水量预测。Q采空大井法=(1-0.57%)Q大井法=0.43×1 797=773 m3/h，Q采空廊道法=(1-0.57%)Q廊道法=0.43×1 315=565 m3/h。

根据煤矿资料分析，将各参数代入到计算公式，采用“大井法”计算得出全矿井3-1煤层与2-2煤层之间基岩正常涌水量为74 m3/h。采用“水平廊道法”计算得出全矿井3-1煤层与2-2煤层之间基岩正常涌水量为61 m3/h。全矿井3-1煤层涌水量由3-1煤层与2-2煤层之间基岩涌水量及上覆2-2煤层采空区涌水量构成。经计算“大井法”预算开采3-1煤层全矿井正常涌水量847 m3/h。“水平廊道法”预算开采3-1煤层全矿井正常涌水量626 m3/h。“大井法”预算开采3-1煤全矿井涌水量为Q3-1大井法=Q煤层间+Q采空区正常=74+773=847 m3/h。“水平廊道法”预算开采3-1煤全矿井涌水量为Q3-1廊道法=Q煤层间+Q采空区正常=61+565=626 m3/h。

3 结论

(1)通过对隆德煤矿矿井充水特征分析，矿井充水途径主要为导水裂缝带，矿井涌水量随着开采面积逐渐扩大呈缓增趋势。

(2)详细分析并归纳采空区涌水量，得出各工作面采空区涌水量的衰减率为57%。

(3)采用“大井法”预测出隆德煤矿2-2煤层涌水量为1 797 m3/h，3-1煤层的涌水量为847 m3/h；采用“水平廊道法”预测出隆德煤矿2-2煤层涌水量为1 315 m3/h，3-1煤层的涌水量为626 m3/h。