應用大井法預測礦井涌水量

張通

（河北省眾聯能源環保科技有限公司河北石家莊050031）

應用大井法預測礦井涌水量

張通

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礦井涌水量是礦井建設和生產過程中單位時間內流入礦井的地表水、裂隙水、巖溶水等的水量。礦井涌水量的計算有利于煤礦單位確定礦井排水設備和制定防治水方案。礦井涌水量的預測工作十分重要，準確的礦井有水量能夠有效的防止礦井水害的發生，減少煤礦的開采成本，保障煤礦能夠安全生產。本文以某礦井的實際水文地質條件為基礎，應用大井法預測礦井涌水量。

煤礦；大井法；礦井涌水量

中國煤炭資源豐富，對煤炭的利用由來已久。近年來，隨著資源需求量的增加和機械化開采程度的不斷提高，淺層煤越來越少，煤炭開采逐漸趨向深層煤，開采時水頭壓力變得更大，煤田水文地質條件越來越復雜，開采時危險性增加[1]。因此，研究煤層礦井涌水量，減少人員傷亡和經濟損失很有必要。

本文以某礦井首采區為例，利用解析法中的大井法預測礦井涌水量，對礦井安全生產和長遠銜接具有極其重要的理論指導意義和實用價值，對于提高礦井經濟效益具有重要意義。

1　礦區概況

1.1井田位置

該井田位于內蒙古自治區內。井田南北長6.1km～8.3km，東西寬3.2km～12.0km，面積93.89km2。首采區位于井田東南角，面積0.92km2。

1.2自然地理

1.2.1地形地貌

井田位于沙漠邊緣。井田中部多沙丘，大部分為固定、半固定沙丘，少部分為隨季風流動的壟狀沙丘及新月型沙丘，區內地勢開闊，地形相對較平緩。東部、北部多為低緩草灘戈壁；井田中部基本上由沙漠、風積荒漠等地貌類型構成。

1.2.2氣象

據當地氣象局歷年資料：當地最高氣溫為35.2℃，最低氣溫為-30.1℃；年降水量為150.2mm～429.2mm，平均為324.58mm，且多集中于7、8、9三個月內；年蒸發量為2297.4mm～2833mm，平均為2534.2mm。

1.2.3水文

井田內無常年性地表徑流，僅在井田南端溝谷中有水流，在臨河匯入黃河，流量一般為2.85 L/s～40.5L/s，水的礦化度低，可供人、畜飲用。井田內多有民用灌溉用井及飲用水井，多為第四系地下潛水，含水量較大，水質優良，礦化度小于1.2g/L，可作飲用水源。

1.2.4礦區地層

井田全部被新生界地層所覆蓋，屬隱伏式煤田。根據鉆孔揭露顯示，井田內地層由老至新依次為：三疊系上統延長組（T3y）；侏羅系中統延安組（J2y）、中統直羅組（J2z）、上統安定組（J3a）、白堊系下統志丹群（(K1zd）、古近系漸新統清水營組（E3q）、第四系（Q）。

2　礦區水文地質條件

2.1第四系含水層

2.1.1含水層巖性

井田第四系松散孔隙含水層由全新統風積砂和更新統薩拉烏素組沖湖積砂組成，全新統風積砂與更新統薩拉烏蘇組構成一個統一含水體。巖性為灰黃色、黃褐色中細砂、粉細砂、亞粘土、亞砂土，結構松散，遍布全井田。

2.1.2富水性特征

根據本區以往研究成果，第四系松散孔隙含水層由全新統風積砂和更新統薩拉烏蘇組沖湖積砂組成，地下水位埋深較淺，富水性中等-強富水，井田的中西部富水性較好。

2.1.3地下水流場特征

根據以往水文地質成果，本井田第四系含水層水位埋深10m左右，水位標高在1344m～1302m內變化，地下水總體流向從東北流向西南。

2.1.4補給、徑流、排泄條件

井田第四系孔隙含水層主要賦存于第四系砂層中，第四系地層在全區廣泛分布。主要補給來源為大氣降水，由于本區地形平坦，且砂層質地均一，結構松散，孔隙率大，透水性強，有利于大氣降水的補給，大氣降水入滲補給作用較強。第四系孔隙水的徑流受地形控制，地下水徑流路徑較短，水循環積極，第四系水總的流向是由北東向南西方向徑流。排泄方式以徑流排泄為主，其次為人工開采排泄、蒸發排泄等。

2.2侏羅系含水層

2.2.1巖性及組合特征

地層巖性為淺灰、灰綠、青灰色厚層砂巖，以細砂巖、中粒砂巖為主，局部為粗砂巖。固結程度較高，泥巖及砂質泥巖的含量明顯增多，以原生裂隙為主，部分地段裂隙被充填。根據鉆孔資料，細、中、粗砂巖厚度分布不均勻，厚度變化較大。分析含水層大部分地段細、中、粗砂巖占地層厚度在25%～60%之間，個別地段在超過了80%。

2.2.2富水性特征

侏羅系巖石固結程度較高、泥巖及砂質泥巖的含量明顯增多、部分地段裂隙被充填。水位埋深較淺，含水層富水性弱～中等。中等富水區分布在井田的中部和背向斜發育區域。

2.2.3侏羅系砂巖裂隙地下水流場特征

井田范圍內，西北部、西部水位較高，東部水位較低。侏羅系砂巖裂隙地下水總體由西向東徑流，侏羅系砂巖裂隙水接受白堊系水的補給，使侏羅系砂巖裂隙水位抬高，形成分水嶺。因此，井田內的侏羅系砂巖裂隙地下水由西向東北部一帶徑流，向東折向東南方向沿地層傾向徑流。水力坡度較陡、變化較大，反映出裂隙發育較弱，連通性較差，徑流條件較差。

2.2.4補給、徑流、排泄條件

砂巖含水層主要賦存于侏羅系中統直羅組（J2z）以及侏羅系中下統延安組（J2y）的砂巖中，在井田地表沒有出露。主要補給來源為大氣降水，其次為井田外白堊系及侏羅系砂巖含水層的側向徑流補給。

在井田西部由于白堊系與侏羅系地層之間隔水層厚度薄，含水層厚度增大，位于上部的白堊系水水頭較高，水壓較大，形成白堊系水對侏羅系水的直接滲透補給。地下水總體上從西向東徑流，以側向徑流排泄為主，次為人工打井開采排泄。

3　大井法預測礦井涌水量

井田巷道分布不規則，在平面上及垂向上構成復雜形狀，加之水文地質參數精度所限，會遇到數學上的困難。但分布不規則的巷道，在其采掘邊界或一定范圍內會逐漸形成統一的降落漏斗，理論上可將其視為一個概化了的理想“大井”[2]。同時，將諸多形狀不規則的巷道所占面積視為一個“大井”積。此時，整個巷道系統的涌水量就相當一個“大井”的出水量。這樣，就可以借助涌水量計算公式直接求出礦井涌水量?！按缶ā本C合考慮了充水含水層邊界條件、水文地質分區、含水層試驗參數等，選擇的計算公式比較符合實際情況[3]。

本次研究采用解析法中的大井法對井田的涌水量進行預測。在分析水文地質條件基礎上，預測首采區在自然狀態下和人工改造后的礦井涌水量。煤層頂板主要受頂板砂巖裂隙含水層涌水的影響，以下針對頂板含水層的疏降水量進行預測。

3.1公式選取

根據水文地質條件，礦井涌水量的預測采用地下水動力學的解析法，承壓轉無壓完整井的穩定流計算公式：

3.2計算參數確定

采用解析法求含水層的滲透系數（K）和導水系數（T）。式中：Q——礦井涌水量，m3/d

K——滲透系數，m/d

M——含水層（出水段）厚度，m

S——疏排設計降深，m

H——初始水位（以含水層底板為基準），m

h——疏干井的井中水位（以含水層底板為基準），m

R0——含水層的引用補給半徑

r0——引用半徑，m；r0=(F/π)1/2

（1）影響半徑（R）

利用承壓水穩定流公式（3-2）

（2）滲透系數（K）

利用完整井單孔穩定流公式（3-3）

將（3-2）代入（3-3）得（3-4）

（3）導水系數（T）

T=K·M（3-5）

式中：S——水位降深值（m）；

r——井管半徑（m）；

R——影響半徑（m）；

T——導水系數（m2/d）。

3.3涌水量預測

3.3.1計算參數確定

（1）滲透系數（K）值的確定：本次采用所有抽水試驗所計算的滲透系數的平均值，煤頂板K=0.18m/d。

（2）水柱高度（H）值的確定：工作面頂板含水層自然水位標高的平均值：H=480m；（以含水層底板為基準）。

（3）含水層厚度（M）值的確定：選取含水層的粗、中粒砂巖累計厚度的平均值：48.92m。

（4）疏干水位降深（S）值的確定：為平均自然水位標高至目的煤層頂板含水層底板標高的距離平均值：S=480m。

（5）引用半徑（r0）值的確定：r0=(F/π)1/2=540m。

（6）引用影響半徑（R0）值的確定：根據R0＝r0+R，R=10S

3.3.2涌水量預測結果

根據公式（3-3）對礦井的涌水量進行預測，將計算參數代入公式，計算得到煤頂板含水層正常涌水量為16233m3/d，約合676 m3/h。根據經驗，最大涌水量為正常涌水量的1.5倍，以此計算最大涌水量為1014m3/h。

[1]鄭世書,胡友彪,等.專門水文地質學[M].北京：中國礦業大學出版社,1999.

[2]高江淮,張清.張雙樓煤礦涌水規律及涌水量分析計算[J].煤炭科技,2002(2)：43-45.

[3]李云峰，胥國富，左傳明.梁花園礦井涌水量估算[J].中國煤田地質,2007(5)：38-40.