马向东 赵 静 韩淑新

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院 合肥 230009 2.中水东北勘测设计研究有限责任公司 长春 130021）

煤矿建设项目矿井涌水水源论证有关问题的探讨
——以大段家煤矿矿井涌水量预测为例

马向东1，2赵 静1韩淑新1

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院 合肥 230009 2.中水东北勘测设计研究有限责任公司 长春 130021）

矿井涌水水源论证是煤矿建设项目水资源论证的重要一环，鉴于影响矿井涌水的因素非常复杂，涌水量的计算方法选用、尤其是计算结果的合理性分析显得尤为重要。以大段家煤矿为例，根据其井田的地质条件和水文地质条件，采用不同方法对矿井涌水量进行了预测，并对预测结果进行了对比和合理性分析，在此基础上，初步探讨并提出煤矿建设项目矿井涌水水源论证应注意的问题，为煤矿建设项目水资源论证提供参考。

涌水量 大井法 数值法 水资源论证

随着国民经济发展对能源不断增大的需求，我国煤炭工业产量正以前所未有的发展速度逐年增加。但作为缺水地区，水资源比较紧缺，为了合理、有效地利用水资源，避免水资源浪费，尽可能多地利用矿井涌水进行矿区生产已形成趋势，势在必行。同时，为了煤矿区生产安全，保障煤炭工业可持续发展，能否准确地预测矿井涌水量非常重要，因此，对煤矿开采引起的矿井涌水量预测进行研究具有重要的现实意义。目前，矿井涌水量预测方法很多，但许多方法只能近似计算，预测的矿井涌水量和开采实测涌水量相差很大，误差从百分之几到上百倍。本文以大段家煤矿为例，对煤矿开采过程中形成的矿井涌水量采用不同方法进行预测，并对预测结果进行了对比和合理性分析。希望能为开展水资源论证工作提供可靠依据，对于干旱缺水地区来说，具有一定的现实意义。

1 基本概况

大段家井田位于安徽省涡阳县城东北约20km，地处大段家至刘楼一带。全井田共有可采煤层4层，分别为32、7、8、10煤等，可采煤层平均总厚6.68m。

2 井田水文地质特征

2.1井田水文地质条件

井田内煤系地层之上均沉积有厚227.85～271.20m的新生界松散沉积物，自上而下划分4个含水层和3个隔水层。

区内二叠纪煤系地层主要由泥岩、粉砂岩及砂岩夹数层煤层组成，根据地层岩性的组合特征和可采煤层的赋存位置，划分为3个含水层和4个隔水层。

太原组石灰岩岩溶裂隙含水层在正常情况下对10煤层开采无直接影响，但遇断层使煤层与太灰“对口”接触或间距缩小时，可能产生底鼓或突水。

本溪组铝质泥岩隔水层厚度在15m左右。正常情况下，能起一定隔水作用。

奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层总厚度在500m左右，正常情况下距离主采煤层较远，一般对矿坑无直接充水影响。

2.2各含水层间的水力联系

新生界第一、二、三含水层之间均有相应稳定的隔水层存在，各含水层之间地下水一般无水力联系，仅在局部地段隔水层变薄时，存在着越流补给关系。第三隔水层厚度大，分布稳定，使其以上的含水层与下部各含水层之间地下水无水力联系。第四含水层因直接覆盖在基岩各含水层之上，与基岩各含水层均有水力联系，特别是在浅部煤系砂岩裂隙含水层段有着密切的水力联系。

二叠系主采煤层砂岩裂隙含水层，裂隙不发育，连通性差，富水性弱，各含水层之间地下水一般无水力联系。

太原组和奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层地下水，与二叠系主采煤层砂岩裂隙含水层之间的地下水，在正常情况下无水力联系，因构造影响，它们之间将发生水力联系。

2.3地下水的补、径、排条件

新生界一含以大气降水补给为主，水平径流补给次之，排泄方式为垂直蒸发、人工开采和河流排泄。二、三含以区域层间径流补给为主，局部在第一、二隔水层较薄地段，一、二、三含之间将产生越流补给。四含地下水以区域层间径流补给为主。

二叠系煤系砂岩裂隙含水层在浅部受新生界四含补给，区域层间径流补给微弱。总的来说补给水源不足，处于封闭或半封闭的水文地质环境，地下水径流缓慢。

石炭系太原组和奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层部分地带在北部裸露区受大气降水补给，向南部平原地区径流和排泄。

3 矿井涌水量估算

3.1矿井涌水量预测

3.1.1解析法

根据井田水文地质条件和矿井主要充水因素，利用解析法进行矿井涌水量预测时，直接充水含水层煤系砂岩裂隙水和间接充水含水层四含水要分别计算。

a.新生界第四含水层（组）孔隙水涌水量预测

新生界第四含水层四地下水主要是沿主采煤层浅部露头带或采空冒裂带裂隙渗入矿井。当第四含水层四地下水水位降至其顶板以下时，地下水处于承压～无压水流状态，故计算时采用承压转无压双侧进水沟渠公式。

式中：Q为预测矿井涌水量，m3/h；S为水位降低值，m；K为渗透系数，m/d；M为含水层厚度，m；B为进水廊道长度，m；h0为含水层底板以上动水位高度，第四含水降至其顶板一下或煤系砂岩水降至各煤层地板时，h0=0；R为影响半径，m。

b.主采煤层顶底板砂岩裂隙水

对本井田水文地质条件及充水因素分析，井巷开拓时，各可采煤层顶底板砂岩裂隙水将直接进入矿坑，煤层顶底板砂岩裂隙水是矿井的直接充水水源，当水位降至一水平-740m时，h0=0，地下水处于承压转无压水流状态，故以此估算矿井涌水量。

利用地下水动力学采用承压转无压公式法（“大井”法）预算可采煤层顶、底板砂岩裂隙水进入矿井涌水量。

式中：r0为“大井”引用半径，m；R0为“大井”引用影响半径，m；其他符号同前。

根据淮北各矿生产实际资料，矿井涌水量多数稳定在一水平开拓面积1/3～1/2左右，其后采区接替或开拓范围的增大，而相应的涌水量无明显的增加，故矿井涌水量的计算面积采用10煤层一水平面积的1/2。

水位降低S值采用一水平标高-740m与32、7、8煤和10煤顶、底板砂岩裂隙含水层静止水位标高平均值来计算，即S=764.33m。含水层厚度采用32、8主采煤层顶、底板含水砂岩厚度即M=25.325m。

渗透系数选用8-2与11-1两孔抽水试验资料，利用非稳定流和稳定流两种不同方法所获得的K值平均值，即：K=0.0367m/d。

表1 大井法预测主采煤层顶底板砂岩裂隙水涌水量结果表

选用上述参数利用公式（3）、（4）预算主采煤层顶、底板砂岩裂隙水进入矿井的正常涌水量为207.7m3/h。大井法预测主采煤层顶底板砂岩裂隙水涌水量结果见表1。

矿井涌水总量应为“大井法”计算的主采煤层砂岩裂隙水涌水量与新生界第四含水层（组）孔隙水涌水量之和，因此，本方法预测正常矿井涌水量为6843m3/d。

3.1.2数值法

数值法预测过程，总体分水文地质概念模型建立、相应的数学模型建立、模型识别与验证、矿井涌水量预测四个步骤。本次计算软件采用美国地质调查局开发的Visual modflow软件。

a.水文地质概念模型

为最大程度地反映勘察区地质特征，并结合水文地质模型建立的需要，利用勘探的42个钻孔柱状图及6个抽水试验综合成果资料，依据含、隔水层的特征地层进行统计，确定各个含隔水层的在每个柱状图上的标高，然后利用krige插值，建立起三维地下水流模型。

①模型范围

根据区域水文地质条件，将孔隙水计算范围划为以矿为中心的16.9km×18.5km范围。

②边界条件概化

模型计算区域，四面含水层分布宽广，视为无限边界。由于本区属大面积开采区，水力坡度甚小，侧向径流微弱，侧向补给量无实测资料，而边界上的水位容易获得，故整个模型边界作为第一类边界处理。

b.数学模型的建立

依据概化的水文地质概念模型，建立相应的数学模型：

式中：K是含水层渗透系数（m/d）；H是地下水水位（m）；M是承压含水层厚度（m）；W是单位体积流量，用以代表流进源或流出汇的水量（m3）；μ是弹性释水系数；H0是地下水初始水位（m）；H1是模拟期边界处的地下水水位（m）；t是时间（d）；D是模拟区范围；Γ1是第一类边界；Γ2是第二类边界。

c.模型识别与参数赋值

建立水文地质概念模型及相应的数学模型后，要利用水文地质试验数据，对数学模型进行识别。

本次运用modflow软件进行运算，采用间接求参法来达到模型识别的目的，间接求参就是在计算时给出参数初值及变化范围，用正演计算求解水头函数，将计算结果和实测曲线进行拟合比较，通过不断调整参数初值，反复多次的正演计算。通过不断的调试，使计算曲线与实测的曲线拟合的较好，拟合误差小于规定值。

利用识别后的参数，运用Visual modflow软件，得出矿井涌水量如图1所示。

根据预测结果，正常矿井涌水量随煤矿开采逐渐衰减；涌水量在初始阶段最大达5500m3/d左右，早期衰减迅速，约1000d末衰减速度变慢，并总体上趋于稳定，涌水量约为3212m3/d左右。

d.涌水量预算结果及评述

以上利用解析法、数值法两种方法，对矿井涌水量进行了预测。两者之间存在着一定的差距，造成这种结果上差距的原因，主要是由于：

①边界条件的影响。本次研究区，边界形状不规则，这在建立解析公式时，很难对此进行全面刻画，这将影响解析法的计算精度；

②含水层厚度变化的影响。四含及煤层所在的含水层厚度变化均很大，但解析法只能将均值作为含水层厚度来处理，这也将影响解析法的计算精度。数值法较好地解决了这一问题，计算结果较解析法更为合理。

图1 矿井涌水量预测图

表2 邻近生产煤矿矿坑排水调查统计

③含水层非均质各向异性的影响。受方法理论的限制，解析法在应用过程中，将研究区范围内的含水层视为均质各向同性，这显然与实际不符，这也在一定程度上影响解析法计算结果的精度。

3.2涌水量结果合理性分析

矿坑正常涌水量在煤矿开采早期较大为5500m3/d，吨煤排水系数为3.025m3/t；之后随煤矿开采而迅速衰减，并在1000d逐渐稳定在3212m3/d左右，吨煤排水系数为1.77m3/t。

此外，根据对淮北煤田矿坑排水调查统计（见表2），邻近生产煤矿的吨煤排水系数为1.17～3.0m3/t，本项目吨煤排水系数为1.767～3.025m3/t，其中稳定后排水系数约为1.77m3/t，认为数值法计算结果是比较合理的。

从本矿生产用水水源的角度进行矿井涌水预测，从供水水源安全角度考虑，结合上述对结果差距原因的分析，可认为数值法的结果较解析法更合适。综上所述，在考虑上述方法特点的同时，大段家煤矿供水设计中所参考的矿坑正常涌水量约为3212m3/d。

4 有关问题的探讨

在实际工作中，预测矿井涌水量的方法有很多，但是受矿床赋存条件的复杂性、勘探程度等的影响，每种方法都有其使用条件及工程控制程度要求，且矿坑涌水量预测结果带有不确定性。要保证矿井涌水量预测的精度，关键在于查明矿井充水因素、矿区水文地质边界条件，获得具有代表性的水文地质参数，建立符合客观实际的水文地质概念模型，选择合理的计算方法，才能取得比较符合客观实际的预测结果。

在矿井开采过程中，比较精确地预测矿井涌水量至关重要，它关系到矿井的生产安全和水资源的利用程度。特别是在干旱缺水的地区，水资源十分宝贵，利用矿井涌水进行生产可以减少其他水源的取水，避免水资源的浪费。但在水资源论证工作中，为保证工程用水安全，一般至少采用2种预算方法，取预测涌水量的最小值作为煤矿用水可供水量。煤矿建设过程中，还应开展地下水动态观测和矿井涌水量动态预测研究，加强水文地质观测，逐步修正水文参数，以提高矿坑涌水量预测的精度■