煤礦建設項目礦井涌水水源論證有關問題的探討
——以大段家煤礦礦井涌水量預測為例

馬向東 趙 靜 韓淑新

（1.合肥工業大學土木與水利工程學院 合肥 230009 2.中水東北勘測設計研究有限責任公司 長春 130021）

煤礦建設項目礦井涌水水源論證有關問題的探討
——以大段家煤礦礦井涌水量預測為例

馬向東1，2趙 靜1韓淑新1

（1.合肥工業大學土木與水利工程學院 合肥 230009 2.中水東北勘測設計研究有限責任公司 長春 130021）

礦井涌水水源論證是煤礦建設項目水資源論證的重要一環，鑒于影響礦井涌水的因素非常復雜，涌水量的計算方法選用、尤其是計算結果的合理性分析顯得尤為重要。以大段家煤礦為例，根據其井田的地質條件和水文地質條件，采用不同方法對礦井涌水量進行了預測，并對預測結果進行了對比和合理性分析，在此基礎上，初步探討并提出煤礦建設項目礦井涌水水源論證應注意的問題，為煤礦建設項目水資源論證提供參考。

涌水量 大井法 數值法 水資源論證

隨著國民經濟發展對能源不斷增大的需求，我國煤炭工業產量正以前所未有的發展速度逐年增加。但作為缺水地區，水資源比較緊缺，為了合理、有效地利用水資源，避免水資源浪費，盡可能多地利用礦井涌水進行礦區生產已形成趨勢，勢在必行。同時，為了煤礦區生產安全，保障煤炭工業可持續發展，能否準確地預測礦井涌水量非常重要，因此，對煤礦開采引起的礦井涌水量預測進行研究具有重要的現實意義。目前，礦井涌水量預測方法很多，但許多方法只能近似計算，預測的礦井涌水量和開采實測涌水量相差很大，誤差從百分之幾到上百倍。本文以大段家煤礦為例，對煤礦開采過程中形成的礦井涌水量采用不同方法進行預測，并對預測結果進行了對比和合理性分析。希望能為開展水資源論證工作提供可靠依據，對于干旱缺水地區來說，具有一定的現實意義。

1 基本概況

大段家井田位于安徽省渦陽縣城東北約20km，地處大段家至劉樓一帶。全井田共有可采煤層4層，分別為32、7、8、10煤等，可采煤層平均總厚6.68m。

2 井田水文地質特征

2.1井田水文地質條件

井田內煤系地層之上均沉積有厚227.85～271.20m的新生界松散沉積物，自上而下劃分4個含水層和3個隔水層。

區內二疊紀煤系地層主要由泥巖、粉砂巖及砂巖夾數層煤層組成，根據地層巖性的組合特征和可采煤層的賦存位置，劃分為3個含水層和4個隔水層。

太原組石灰巖巖溶裂隙含水層在正常情況下對10煤層開采無直接影響，但遇斷層使煤層與太灰“對口”接觸或間距縮小時，可能產生底鼓或突水。

本溪組鋁質泥巖隔水層厚度在15m左右。正常情況下，能起一定隔水作用。

奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層總厚度在500m左右，正常情況下距離主采煤層較遠，一般對礦坑無直接充水影響。

2.2各含水層間的水力聯系

新生界第一、二、三含水層之間均有相應穩定的隔水層存在，各含水層之間地下水一般無水力聯系，僅在局部地段隔水層變薄時，存在著越流補給關系。第三隔水層厚度大，分布穩定，使其以上的含水層與下部各含水層之間地下水無水力聯系。第四含水層因直接覆蓋在基巖各含水層之上，與基巖各含水層均有水力聯系，特別是在淺部煤系砂巖裂隙含水層段有著密切的水力聯系。

二疊系主采煤層砂巖裂隙含水層，裂隙不發育，連通性差，富水性弱，各含水層之間地下水一般無水力聯系。

太原組和奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層地下水，與二疊系主采煤層砂巖裂隙含水層之間的地下水，在正常情況下無水力聯系，因構造影響，它們之間將發生水力聯系。

2.3地下水的補、徑、排條件

新生界一含以大氣降水補給為主，水平徑流補給次之，排泄方式為垂直蒸發、人工開采和河流排泄。二、三含以區域層間徑流補給為主，局部在第一、二隔水層較薄地段，一、二、三含之間將產生越流補給。四含地下水以區域層間徑流補給為主。

二疊系煤系砂巖裂隙含水層在淺部受新生界四含補給，區域層間徑流補給微弱。總的來說補給水源不足，處于封閉或半封閉的水文地質環境，地下水徑流緩慢。

石炭系太原組和奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層部分地帶在北部裸露區受大氣降水補給，向南部平原地區徑流和排泄。

3 礦井涌水量估算

3.1礦井涌水量預測

3.1.1解析法

根據井田水文地質條件和礦井主要充水因素，利用解析法進行礦井涌水量預測時，直接充水含水層煤系砂巖裂隙水和間接充水含水層四含水要分別計算。

a.新生界第四含水層（組）孔隙水涌水量預測

新生界第四含水層四地下水主要是沿主采煤層淺部露頭帶或采空冒裂帶裂隙滲入礦井。當第四含水層四地下水水位降至其頂板以下時，地下水處于承壓～無壓水流狀態，故計算時采用承壓轉無壓雙側進水溝渠公式。

式中：Q為預測礦井涌水量，m3/h；S為水位降低值，m；K為滲透系數，m/d；M為含水層厚度，m；B為進水廊道長度，m；h0為含水層底板以上動水位高度，第四含水降至其頂板一下或煤系砂巖水降至各煤層地板時，h0=0；R為影響半徑，m。

b.主采煤層頂底板砂巖裂隙水

對本井田水文地質條件及充水因素分析，井巷開拓時，各可采煤層頂底板砂巖裂隙水將直接進入礦坑，煤層頂底板砂巖裂隙水是礦井的直接充水水源，當水位降至一水平-740m時，h0=0，地下水處于承壓轉無壓水流狀態，故以此估算礦井涌水量。

利用地下水動力學采用承壓轉無壓公式法（“大井”法）預算可采煤層頂、底板砂巖裂隙水進入礦井涌水量。

式中：r0為“大井”引用半徑，m；R0為“大井”引用影響半徑，m；其他符號同前。

根據淮北各礦生產實際資料，礦井涌水量多數穩定在一水平開拓面積1/3～1/2左右，其后采區接替或開拓范圍的增大，而相應的涌水量無明顯的增加，故礦井涌水量的計算面積采用10煤層一水平面積的1/2。

水位降低S值采用一水平標高-740m與32、7、8煤和10煤頂、底板砂巖裂隙含水層靜止水位標高平均值來計算，即S=764.33m。含水層厚度采用32、8主采煤層頂、底板含水砂巖厚度即M=25.325m。

滲透系數選用8-2與11-1兩孔抽水試驗資料，利用非穩定流和穩定流兩種不同方法所獲得的K值平均值，即：K=0.0367m/d。

表1 大井法預測主采煤層頂底板砂巖裂隙水涌水量結果表

選用上述參數利用公式（3）、（4）預算主采煤層頂、底板砂巖裂隙水進入礦井的正常涌水量為207.7m3/h。大井法預測主采煤層頂底板砂巖裂隙水涌水量結果見表1。

礦井涌水總量應為“大井法”計算的主采煤層砂巖裂隙水涌水量與新生界第四含水層（組）孔隙水涌水量之和，因此，本方法預測正常礦井涌水量為6843m3/d。

3.1.2數值法

數值法預測過程，總體分水文地質概念模型建立、相應的數學模型建立、模型識別與驗證、礦井涌水量預測四個步驟。本次計算軟件采用美國地質調查局開發的Visual modflow軟件。

a.水文地質概念模型

為最大程度地反映勘察區地質特征，并結合水文地質模型建立的需要，利用勘探的42個鉆孔柱狀圖及6個抽水試驗綜合成果資料，依據含、隔水層的特征地層進行統計，確定各個含隔水層的在每個柱狀圖上的標高，然后利用krige插值，建立起三維地下水流模型。

①模型范圍

根據區域水文地質條件，將孔隙水計算范圍劃為以礦為中心的16.9km×18.5km范圍。

②邊界條件概化

模型計算區域，四面含水層分布寬廣，視為無限邊界。由于本區屬大面積開采區，水力坡度甚小，側向徑流微弱，側向補給量無實測資料，而邊界上的水位容易獲得，故整個模型邊界作為第一類邊界處理。

b.數學模型的建立

依據概化的水文地質概念模型，建立相應的數學模型：

式中：K是含水層滲透系數（m/d）；H是地下水水位（m）；M是承壓含水層厚度（m）；W是單位體積流量，用以代表流進源或流出匯的水量（m3）；μ是彈性釋水系數；H0是地下水初始水位（m）；H1是模擬期邊界處的地下水水位（m）；t是時間（d）；D是模擬區范圍；Γ1是第一類邊界；Γ2是第二類邊界。

c.模型識別與參數賦值

建立水文地質概念模型及相應的數學模型后，要利用水文地質試驗數據，對數學模型進行識別。

本次運用modflow軟件進行運算，采用間接求參法來達到模型識別的目的，間接求參就是在計算時給出參數初值及變化范圍，用正演計算求解水頭函數，將計算結果和實測曲線進行擬合比較，通過不斷調整參數初值，反復多次的正演計算。通過不斷的調試，使計算曲線與實測的曲線擬合的較好，擬合誤差小于規定值。

利用識別后的參數，運用Visual modflow軟件，得出礦井涌水量如圖1所示。

根據預測結果，正常礦井涌水量隨煤礦開采逐漸衰減；涌水量在初始階段最大達5500m3/d左右，早期衰減迅速，約1000d末衰減速度變慢，并總體上趨于穩定，涌水量約為3212m3/d左右。

d.涌水量預算結果及評述

以上利用解析法、數值法兩種方法，對礦井涌水量進行了預測。兩者之間存在著一定的差距，造成這種結果上差距的原因，主要是由于：

①邊界條件的影響。本次研究區，邊界形狀不規則，這在建立解析公式時，很難對此進行全面刻畫，這將影響解析法的計算精度；

②含水層厚度變化的影響。四含及煤層所在的含水層厚度變化均很大，但解析法只能將均值作為含水層厚度來處理，這也將影響解析法的計算精度。數值法較好地解決了這一問題，計算結果較解析法更為合理。

圖1 礦井涌水量預測圖

表2 鄰近生產煤礦礦坑排水調查統計

③含水層非均質各向異性的影響。受方法理論的限制，解析法在應用過程中，將研究區范圍內的含水層視為均質各向同性，這顯然與實際不符，這也在一定程度上影響解析法計算結果的精度。

3.2涌水量結果合理性分析

礦坑正常涌水量在煤礦開采早期較大為5500m3/d，噸煤排水系數為3.025m3/t；之后隨煤礦開采而迅速衰減，并在1000d逐漸穩定在3212m3/d左右，噸煤排水系數為1.77m3/t。

此外，根據對淮北煤田礦坑排水調查統計（見表2），鄰近生產煤礦的噸煤排水系數為1.17～3.0m3/t，本項目噸煤排水系數為1.767～3.025m3/t，其中穩定后排水系數約為1.77m3/t，認為數值法計算結果是比較合理的。

從本礦生產用水水源的角度進行礦井涌水預測，從供水水源安全角度考慮，結合上述對結果差距原因的分析，可認為數值法的結果較解析法更合適。綜上所述，在考慮上述方法特點的同時，大段家煤礦供水設計中所參考的礦坑正常涌水量約為3212m3/d。

4 有關問題的探討

在實際工作中，預測礦井涌水量的方法有很多，但是受礦床賦存條件的復雜性、勘探程度等的影響，每種方法都有其使用條件及工程控制程度要求，且礦坑涌水量預測結果帶有不確定性。要保證礦井涌水量預測的精度，關鍵在于查明礦井充水因素、礦區水文地質邊界條件，獲得具有代表性的水文地質參數，建立符合客觀實際的水文地質概念模型，選擇合理的計算方法，才能取得比較符合客觀實際的預測結果。

在礦井開采過程中，比較精確地預測礦井涌水量至關重要，它關系到礦井的生產安全和水資源的利用程度。特別是在干旱缺水的地區，水資源十分寶貴，利用礦井涌水進行生產可以減少其他水源的取水，避免水資源的浪費。但在水資源論證工作中，為保證工程用水安全，一般至少采用2種預算方法，取預測涌水量的最小值作為煤礦用水可供水量。煤礦建設過程中，還應開展地下水動態觀測和礦井涌水量動態預測研究，加強水文地質觀測，逐步修正水文參數，以提高礦坑涌水量預測的精度■