新安煤礦礦井涌水量預測研究

劉小滿趙明坤王澤軒

(1.河南理工大學資環學院,河南省焦作市,454003; 2.河南省煤炭地質勘察研究院,河南省鄭州市,450000)

★煤礦安全 ★

新安煤礦礦井涌水量預測研究

劉小滿1趙明坤2王澤軒2

(1.河南理工大學資環學院,河南省焦作市,454003; 2.河南省煤炭地質勘察研究院,河南省鄭州市,450000)

分析了1987-2008年新安煤礦的逐月涌水量,指出其礦井涌水量隨著開采范圍的擴大總體量增長趨勢,而枯水期和豐水期礦井涌水量并沒有明顯的變化;并從理論上證明了小浪底水庫蓄水將對本礦礦井涌水量產生重要影響。

礦井涌水量 地下水流動力學法 過水斷面法 預測 新安煤礦

AbstractOn the basis of an analysis of mine month to month water inflow in Xin’an Coal Mine during 1987-2008,it is pointed out by this paper that mine water inflow increases with the extension of the total area of coal mining while on the other hand no obvious differences are seen between the mine water inflow between dry seasons and water affluent seasons.Moreover, this paper provides a theoretical proof that the water storage in Xiaolangdi reservoir impacts significantly on mine water inflow rate in Xin’an Coal Mine.

Key wordsmine water inflow,underground water dynamic method,water carrying section method,forecast,Xin’an Coal Mine

義馬煤業 (集團)有限責任公司新安煤礦位于新安縣城以北15 km處,石寺鎮境內。流經本井田的河流有畛河、石寺河和北冶河,其中畛河為流經該井田的主要河流,屬黃河水系。畛河發源于青野地,最終流入小浪底庫區。河床寬度 200～500 m,河道寬度20～30 m。石寺河流入本井田后,在石寺村附近匯入畛河,河床寬度100～200 m,河道寬度10～20 m。北冶河從井田東部流入庫區。流向與地層走向斜交,河床平坦,一般旱季干涸,雨季山洪暴發,洪流量可達 368.58 m3/s (1958年7月1日測),淹沒寬度150 m左右。畛河、石寺河和北冶河流量隨季節變化顯著,雨季水位高,流量大,干旱季節斷流。由圖1可以看出,在一年之中,新安礦礦井涌水量沒有明顯的季節變化,所以,地表河水暫對開采影響不大,只有當采空區形成一定規模后,地面塌陷形成的地裂縫與河流貫通時,河水在雨季可能通過地裂縫進入礦井,對煤礦生產影響較大。

1 礦井涌水量

自1987年1月至2008年1月新安煤礦礦井月平均涌水量變化趨勢見圖1,觀測值見表1。

圖1 涌水量和時間關系曲線圖

表1 1987年1月～2008年1月礦井涌水量月平均觀測值 m3/h

由表1和圖1可以看出:礦井涌水量基本上呈逐年緩慢上升趨勢,表明隨著巷道掘進長度的增加,采空區范圍擴大,含水層揭露面積的加大,突水點增多,礦井涌水量增大;礦井涌水量在一年之中變化不大,說明本礦涌水量和降雨關系不顯著。礦井的主要涌水水源為常年性穩定的地表下滲水和地下水。

小浪底水庫位于黃河中游,設計最高蓄水水位為+275 m,到達設計水位后將覆蓋新安井田面積的40%,通過對礦井涌水量特征的分析,認為小浪底水庫對新安煤礦的礦井涌水量產生巨大影響。

2 礦井涌水量計算模型

2.1 比擬法

(1)模型方程:

式中:Q、Q′——擬求、已知礦井涌水量,m3/h;

S、S1——擬求、已知水位降深,m;

F、F1——擬求、已知開采面積,km2

2.2 地下水動力學方法 (大井法)

承壓-無壓穩定流公式:

承壓穩定流公式:

式中:Q1——煤層頂板砂巖含水層涌水量,m3/h;

Q2——煤層底板灰巖含水層涌水量,m3/h;

M1、M2——承壓含水層厚度,m;

K——含水層滲透系數,m/d;

H——承壓水頭高度,m;

S——水位降深,m;

F——采空區面積,m2;

R——影響半徑,m;

R0、R01、R02——礦井排水的引用半徑,m;

r0——引用半徑,即假想大井的半徑,m。

2.3 過水斷面法

模型公式:

式中:Q——礦井涌水量,m3/h;

Sm——過水斷面面積,m2;

q——通過過水斷面的水流滲透速度,m/h;

3 新安煤田涌水量構成特征

以礦井水來源地點劃分,總涌水量由西部采區涌水量、東部采區涌水量、井底車場涌水量和井筒涌水量4部分組成。在目前生產條件下,枯水期礦井排水總量450～550 m3/h,其中西部采區水量占礦井排水總量的30%～40%,東部采區水量占礦井排水總量的40%～50%,井筒水量和井底車場水量占總排水量的10%～15%。

4 礦井涌水量預測

預測方式分兩種情況進行:其一,不考慮小浪底水庫蓄水,利用+25水平的涌水量來預算-200水平的礦井正常涌水量;其二,考慮小浪底水庫蓄水,預測水庫蓄水高度達到+275 m時的礦井正常涌水量。

4.1 -200水平的礦井正常涌水量

根據礦井涌水量長期觀測結果及鉆孔抽水試驗成果,結合礦井充水條件及開拓方式,選擇比擬法及地下水動力學法對礦井涌水量進行預測。

4.1.1 比擬法

(1)公式選擇:根據現在新安煤礦礦井涌水量的調查,礦井涌水量與開采面積和水位降深具有一定的關系,但不是線性關系,因此選用比擬法的經驗公式即公式 (1)計算。

新安煤礦目前開采水平為+25 m,涌水量Q1 =480 m3/h,水位降深S1=251.68 m,采空區面積F1=8.75 km2,擬求未來-200 m水平的采空區面積F=55.21 km2,水位降深S=476.68 m (頂底板含水層水位降深的平均值)。

(2)計算結果:利用比擬法,對-200m水平對應的礦井正常涌水量進行預測,其結果為1046.22 m3/h。礦井目前的最大涌水量是正常值的1.2倍,經計算最大涌水量為1255.46 m3/h。

4.1.2 地下水動力學法(大井法)

(1)由前述充水因素分析及礦井涌水量構成分析,礦井的直接充水含水層為煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層和底板灰巖裂隙巖溶承壓含水層。礦井開采過程中,隨井巷開拓及礦坑水疏排,砂巖裂隙承壓含水層將由承壓轉為無壓,故可用承壓-無壓穩定流公式 (公式 (2))進行砂巖裂隙水涌水量計算;煤層底板灰巖裂隙巖溶水礦井涌水量則用承壓穩定流公式 (公式 (3))進行計算。

(2)根據鉆孔抽水試驗資料,含水層厚度及滲透系數分別選用各水文孔的算術平均值及加權平均值。采空區面積選用開采水平的采空區整體范圍面積。水頭高度選擇鉆孔揭露平均值,水位降深選擇鉆孔平均水位標高與-200 m水平的差值。參數選擇詳見表2。

表2 水文地質參數選擇一覽表

(3)計算結果:運用地下水動力學法 (公式2、3)求得頂板涌水量為607.01 m3/h,底板涌水量為888.25 m3/h,總量為1495.26 m3/h;運用比擬法 (公式1)求得涌水總量為1046.22 m3/h,故推薦涌水量為1050 m3/h。

4.1.3 礦井涌水量預測結果評價

本次分別采用比擬法和大井法對礦井正常涌水量和最大涌水量進行了預測,兩項結果略有偏差。大井法是根據抽水資料和礦井涌水資料求得的滲透系數,具有一定的局限性,也有一定的靈活性,由于考慮寒武-奧陶系灰巖水及其他水源對礦井充水的影響,其結論可能與實際存在一定偏差;而比擬法是根據多年開采實踐所得礦井涌水量基礎上進行的深部類推,其含水層暴露充分,故其計算值更接近實際,因此推薦礦井正常涌水量為1050 m3/h、最大為1300 m3/h作為今后礦井開拓設計的依據。參照《地下水資源分類分級標準》,計算的礦井涌水量屬于C級的精度,它的誤差大體在50%以內。

4.2 水庫蓄水至+275 m后礦井正常涌水量預測

義馬煤業集團、黃河水利委員會勘察規劃設計院及河南理工大學等單位,對水庫蓄水后新安煤礦涌水量采用斷面法 (采用公式 (4))進行過計算。故本文不對此問題重新計算,直接引用前人研究成果。即:小浪底水庫蓄水到275 m高程時,新安礦井涌水量將達到4954.16 m3/h。

5 結論

新安煤礦礦井涌水量預測結果為正常涌水量1050 m3/h、最大涌水1300 m3/h,當小浪底水庫蓄水到275 m高程時,采用義馬煤業集團、黃河水利委員會勘察規劃設計院及焦作工學院 (現河南理工大學)等單位的研究成果,正常情況下新安煤礦礦井涌水量屆時將達到4954.16 m3/h。說明小浪底水庫的蓄水將會對礦井涌水量產生巨大影響。

[1]王澤軒.河南省新安煤田新安煤礦煤炭資源儲量核實報告 [R].2007

[2]房佩賢,衛中鼎等.專門水文地質學 [M].北京:地質出版社,1996(11)

(責任編輯 梁子榮)

On Xin’an Coal Mine water inflowforecasts

Liu Xiaoman1,Zhao Mingkun2,Wang Zexuan2
(1.College of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan province 454003,China; 2.Henan Provincial Coal Geological Survey Institute,Zhengzhou,Henan province 450000,China)

TD742

A

劉小滿 (1974-),男,陜西涇陽人,講師,長期從事水文地質研究工作。