崔原萍，张宝平

(贵州省煤田地质局地质勘察研究院，贵州 贵阳 550000)



解析法在矿井涌水量预测中的应用及评价

崔原萍，张宝平

(贵州省煤田地质局地质勘察研究院，贵州 贵阳 550000)

受水文地质条件复杂性和计算方法适用性等限制，矿井涌水量预测一直是国内外研究的难点。根据水文地质勘探、地下水位动态观测、抽水试验等成果，充分了解石榴煤矿勘探区的水文地质条件。通过系统分析合理概化研究区的水文地质条件，采用稳定井流解析法预测矿井涌水量。最后对预测结果作出评价，并根据矿井涌水量的预测给出一定的建议。

矿井涌水量；石榴煤矿；水文地质条件；解析法

矿井涌水量是指流入矿井巷道内的地表水、裂隙水、老窑水、岩溶水等的总量，它是煤矿开采的一个重要技术条件。矿井涌水量预测精度，不仅取决于对水文地质条件的勘探精度、矿井充水条件的正确分析和含水层参数的合理选用，也取决于选用的预测方法和矿山开采方案[1]。

预测矿井涌水量的方法很多，目前常用的数学模型有确定性模型和非确定性统计模型，其中确定性模型包括：解析法、水均衡法、数值法(有限元法、有限差法)等，非确定性统计性模型主要是相关比拟法(水文地质比拟法、Q-S曲线法)[2]。

解析法是运用地下水动力学原理，以数学分析的方法，对一定边界条件和初始条件下的地下水流动问题建立定解公式，然后应用这些公式预测涌水量。如Muskat(1937)首次利用解析法解出了地下水流问题，后来Hantush及Jacob(1955)扩展了解析法的概念用来处理从弱透水层越流补给入含水层的水量[3]。Carslaw及Jaeger(1959)的著作中收编了大量用于热流的表达式，这些方法可以在大多数情况下直接应用于求解矿井涌水量[4]。

地下水渗流运动的基本定律是达西定律[5]，所有的解析公式都是在此基础上建立或推导出来的。解析法中最常用到的是井流方程，其基本公式分为稳定流和非稳定流两大类。通过对研究区的勘探[6]，根据矿井水文地质特征，分析矿井充水条件和边界条件，合理选择参数及计算方法，计算出矿井涌水量，预测矿井涌水量的变化趋势，为矿井建设可行性研究和初步设计提供依据[7]。

1　研究区概况

本次计算选取贵州金沙县石榴煤矿作为对象，该矿计划建设南、北两个年产45万吨的矿井，矿井主要开采9号、15号煤层，。区内出露的地层从老到新依次为茅口组(P2m)、龙潭组(P3l)、长兴组(P3c)、夜郎组一段(T1y1)、夜郎组二段(T1y2)。煤层位于龙潭组地层(P3l)中，该岩组总厚度约100 m，9号煤层位于龙潭组中上部，15号煤层位于龙潭组底部。为了安全的开采煤矿，需要对研究区进行仔细的勘查，本次研究评价仅计算南矿9号煤层开采时的涌水量。

2　矿井充水水源分析

2.1龙潭组含水层(P3l)

煤层位于龙潭组含水层中，该含水层为矿井直接充水含水层。

2.2长兴组含水层(P3c)

收集邻近的田湾煤矿资料，导水裂隙带最大高度大于50 m，本矿9号煤层距长兴组含水层底界37.16～54.45 m，所以在9煤层的采掘工程中会导致长兴组岩溶水进入矿井，为矿井间接充水含水层。

2.3长兴组上部夜郎组一段(T1y1)

该岩组为一套厚度约8 m的泥质砂岩，为一稳定隔水层。所以长兴组之上的含水岩组对矿井开采一般无影响；下伏茅口组含水层(P2m)距离9煤底板约60 m，两者之间的岩层由泥岩、粉砂岩、灰岩、煤层等组成，这样的刚柔相间的组合增强了底板隔水性。J801号钻孔9号煤底板突水系数约Ts=2.16/69.75=0.03 Mpa/m，比《矿区水文地质工程地质勘探规范》附录G中就全国资料统计的正常块段不大于0.15 Mpa/m小许多。因此，茅口组底板突水的可能性较小，在正常地段不会进入矿井。

3　计算范围及边界条件

根据矿井开采开拓设计方案，首采区范围确定为深部以9号煤层底板标高+650 m以上。计算龙潭组与长兴组地层涌水量范围，该面积为东以9号煤+650 m底板等高线、西以矿界为边围成区域，计算面积F=1.494 km2，形状不规则，如图1。

图1　南矿涌水量预算平面示意图

4　矿井涌水量的预测

据邻近田湾煤矿观测资料，涌水量与降水量关系密切，表现为暴雨突增，雨季增大，枯季相对减少的特点。另外，涌水量与煤矿生产有关，随煤矿生产，采空区不断扩大，涌水量亦增大。附近煤矿主要开采浅部煤层，而本矿井开采深度大，水文地质条件与其有差异，充水水源主要来自各含水层水量。两者相比拟存在一定差异，所以不采用比拟法计算，而采用解析法计算。

4.1计算方法及公式选择

本次矿井涌水量估算采用“大井”公式进行计算。矿区内地层倾角约10°，可视为水平含水层，无断层等隔供水边界，因此可将其视为无限边界。矿床开采后疏干排水，长兴组与龙潭组地下水表现为承压-无压水状态，根据矿区水文地质边界条件的概化，矿井涌水量预算公式采用稳定流承压-无压“大井”公式(1)计算。公式为：

(1)

式中：Q为矿井涌水量(m3/d)；K为含水层渗透系数(m/d)；H为水头高度(m)；h为剩余水头(m)；M为含水层厚度(m)；R0为引用影响半径(m)；r0为引用半径(m)

4.2水文地质参数的确定

4.2.1渗透系数

根据南矿首采区内701、704、J801号钻孔抽水试验资料(各钻孔的抽水情况如表1所示)，确定本次预算所采用的含水层渗透系数(K)，龙潭组含水层渗透系数(K1)为0.002 m/d；长兴组(P3c)的含水层渗透系数(K2)为0.02 m/d。

表1　各钻孔抽水情况

4.2.2含水层厚度

本次计算所采用的含水层厚度根据矿区地层综合厚度，取龙潭组平均厚度作为该含水层厚度(M1=107.25 m)，取长兴组平均厚度为该含水层厚度(M2=53.35 m)。

4.2.3水头高度(H)、水位降深(S)、剩余水头(h)

龙潭组(P3l)含水层：本次计算水平+650 m作为矿井疏干基准面，根据抽水资料，龙潭组静止水位平均标高为848m，经换算Smax=848-650=198 m，剩余水头为9号煤至龙潭组底部的距离 h=60 m，含水层水头高度H=h+ Smax=258 m。

长兴组(P3c)含水层：选有代表性钻孔704、J801号，取钻孔中长兴组含水层水头平均值(147.07+179.04)÷2=163.1 m作为该含水层的水头高度。地下水降至该含水层底板，因此，H=163.1 m，Smax=H=163.1，则h=0。

4.2.4引用半径(r0)及引用影响半径(R0)

4.2.5涌水量计算

矿井总涌水量来自龙潭组含水层和上覆长兴组含水层。根据公式(1)分别计算得：龙潭组含水层涌水量含水层涌水量Q1为730 m3/d；上覆长兴组地层含水层涌水量Q2为1 480 m3/d。

南矿总的正常涌水量Q正常为两地层涌水量之和，Q正常=Q1+Q2≈2.2×103m3/d，因抽水试验时间不是雨季，参数取值偏小。据调查，邻近田湾煤矿涌水量正常5～10 m3/d，最大15 m3/d，并参考区内泉点动态观测资料，取变化率为2.5，则雨季最大涌水量为Qmax=2.2×103×2.5≈5.5×103m3/d。

5　评价预测结果

南矿开采9号煤层时涌水量预算结果为：矿井正常涌水量为2.2×103m3/d ，雨季最大涌水

量为5.5×103m3/d。今后矿床开采后由于顶板管理支护等，煤层上覆地层产生的导水裂隙带不可能均匀地全面地沟通长兴组地层，所以今后矿井实际涌水量可能与此次预算的结果有偏差。而随着长兴组地层水的静储量被疏干，其外界补给条件较差，仅有大气降雨作为主要补给源，最后矿井涌水量随降雨量变化而变化。由于矿区上覆含水地层构造发育的不均匀性，获得的水文地质参数有一定的局限，故会影响到本次涌水量预算；但总体认为本次采用的预算方法是可行的，最好是选取5.5×103m3/d作为今后矿井设计的矿井涌水量值。

6　结语

该煤矿南矿涌水量预算结果为：正常涌水量为2.2×103m3/d，雨季最大涌水量为5.5×103m3/d。选取雨季最大涌水量作为今后矿井设计的矿井涌水量值。

根据结论以及勘查结果建议开采时务必做好探放水工作，备足排水设备，防止突水事故发生。

[1]杜敏铭,邓英尔,许模.矿井涌水量预测方法[J].四川地质学报.2009,29(1):70-73.

[2]王心义，等.专门水文地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社.2011.2.227-244.

[3]Anon.Recommendations for the treatment of water inflows and outflows in operated underground structures[J].Tunneling and Underground Space Technology,1989.4(3):343-407.

[4]张宏仁，等.地下水水力学的发展[M].北京:地质出版社.1992:70-73.

[5]王大纯,张人权，等.水文地质学基础[M].北京:地质出版社.1995:36-37.

[6]刘从义，等.贵州省金沙县煤矿区石榴煤矿勘探地质报告[R].贵州省煤田地质局地质勘查研究院.2009.

[7]MT/T 1091-2008煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准[S].国家安全生产监督管理总局发布.2009.

Evaluation and Application of the Analytical Method to Mine Water Inflow Prediction

CUI Yuan-ping，ZHANG Bao-ping

(Institute of Geological Survey of Coal Geology Bureau of Guizhou Province,Guiyang 550000,Guizhou)

By the restrictions of the complexity of the hydro-geological conditions and the applicability of calculation methods,predicting the mine water inflow has been difficult at home and abroad.According to hydro-geological exploration,pumping test,groundwater level observations such as dynamic results,full understanding of hydro-geological conditions in the Shiliu coal exploration area.Through the systematic analysis of reasonable hydro-geological conditions in the studied area,and selected the analytical method formula of the steady flow to get the mine water inflow.Finally,the calculated results are reviewed and some suggestions are given according to the budget of the mine water inflow.

Mine water inflow；Shiliu coal；Hydro-geological conditions and analytical method

2016-05-03

崔原萍(1989-)，女，贵州六盘水人，助理工程师，主要从事水工环地质工作。

P641.4+1

A

1004-1184(2016)05-0008-02