華豐煤礦礫巖水突水量特征及基于水量分割法的突水量計算

李延輝 張新霞 許進鵬 薛建坤

（1.安徽金黃莊礦業有限公司，安徽省宿州市，234000；2.中國礦業大學資源學院，江蘇省徐州市，221116）

華豐煤礦礫巖水突水量特征及基于水量分割法的突水量計算

李延輝1張新霞2許進鵬2薛建坤2

（1.安徽金黃莊礦業有限公司，安徽省宿州市，234000；2.中國礦業大學資源學院，江蘇省徐州市，221116）

分析了華豐煤礦礫巖突水特征，認為其突水量具有過程性，在此基礎上，用分割法進行了計定水量和最大水量的突水量計算。通過對1409工作面突水量的計算并與實際對比表明，這種計算水量方法是相對準確的。

突水量 計算方法 特征 分割法

1 概述

華豐煤礦的煤系地層之上廣泛分布有第三系礫巖，礫巖是一個巨大的含水層系，含水性復雜，富水性較強。同時，華豐煤礦還存在嚴重的沖擊地壓，特別是主采的4＃煤層具有強烈的沖擊傾向性。巨厚的礫巖層和強沖擊地壓導致了導水裂隙帶高度發育異常，形成斑裂線導水，由于斑裂線溝通了4＃煤層頂板的所有含水層，造成了侏羅系礫巖含水層的水和二疊系砂巖含水層的水在縱向上產生了較為密切的水力聯系。4＃煤層14采區在開采過程中礫巖水不可避免地要進入工作面。

因此，華豐煤礦防治礫巖水的關鍵問題不是防止礫巖水下泄，而是要準確計算礫巖水突水量，特別是要準確預測礫巖水的最大突水量，以確定有足夠的排水設施或提前進行疏放。

礦井的突水量預測目前仍未有相對成熟的方法。目前對礦井突水量的計算，還處于一個探索階段，還有許多問題尚須解決。本文將從華豐煤礦礫巖水突水量特征出發，探索礫巖水突水量的計算方法，從而為華豐煤礦的防治水工作提供依據。

2 礫巖水出水的特征

2.1 礫巖含水層的富水性特征

華豐煤礦第三系礫巖覆蓋于煤系地層之上，侵蝕面傾向為NE 50～62°，傾角一般為21～27°，礫巖層在本區由南往北加厚（800m以上），預計深部還要增厚，礫巖為鈣質、泥質膠結，礫石以灰巖碎塊為主，淺部礫石較大，礫徑一般為0.02～0.05m，深部礫石變小。

礫巖段鉆孔簡易水文地質觀測成果表明，孔深43m以內泥漿消耗量大，幾乎所有鉆孔在該段均有不同程度的漏水，漏失量一般為1.0m3／h以上，全泵量漏水者較多；100m以下鉆孔消耗量逐漸減少，—般在0.5～1.5m3／h，個別層段達1.5m3／h以上，極少數鉆孔全泵量漏失；420m以下一般不漏水。可見，第三系在垂向上的裂隙、巖溶發育具有明顯的分段性。據此，可自上而下將礫巖劃分為3個水文地質特征不同的層段，即底部為紅色粘土巖或粘土巖與礫巖互層段，稱紅層；中部礫巖與砂質粘土巖互層段；上部巨厚層礫巖夾薄層粘土巖段。

礫巖含水層的含水性不僅具有垂向上的分帶性，而且平面上也存在分區性。井下突水點多集中于井田中西部，除了紅層不發育的因素外，也說明這些區域礫巖下部富水性較好。

2.2 礫巖突水機理及出水點特征

研究結果表明：頂板突水與頂板覆巖運動過程中形成的離層、沖擊地壓及斑裂線存在密切的因果關系，斑裂線和沿層離層是造成頂板水主要沿工作面下平巷涌出的主要因素，斑裂線是導致華豐煤礦頂板大量突水的主要導水通道。

經過對井下20余起大小頂板突水事故分析，頂板突水具有下列特點：

（1）突水點比較集中，大小突水點均分布在井田中西部。

（2）突水多發生在回采過程或回采之后，且多發生在初次來壓后或周期來壓前后。

（3）突水量變化有一定規律，主要表現為由小到大再緩慢減小。

（4）涌水量具有季節性變化特點，說明礫巖涌水的大小與大氣降水有著直接的關系。

2.3 礫巖水突水量特征

華豐礦煤組開采受第三系礫巖水的嚴重影響，在開采過程中已發生大小突水事故20多起，單點突水量最大達7.5m3／min，尤其是主采的4＃煤層，由于淺部與第三系礫巖間距小，在開采過程中幾乎每個工作面都發生過涌水現象，涌水量一般在0.5～2.0m3／min，最大涌水量達5.5m3／min。

為更好地分析工作面突水情況，現將幾起典型突水案例及原因分析列表，見表1。

表1 華豐礦礫巖出水水量統計表

從表1中的案例可以看出，華豐煤礦礫巖出水水量具有明顯的過程，即一開始水量較小，隨后水量逐漸增大，然后水量又逐漸穩定，甚至部分出水點水量會減小到零。

3 礫巖層突水水量預測

3.1 基于水量分割的計算方法

如前文所述，目前突水量的計算特別是最大突水量的計算尚沒有成熟方法。目前礦井涌水量計算的解析法——大井法，其公式是從地下水動力學中的裘布依公式演化而來的。裘布依公式是穩定流公式，所以無法計算突水點的最大水量。

本文根據華豐煤礦礫巖水突水量變化的特點，認為礫巖突水水量由兩部分組成，突水量構成見圖1，一部分是工作面頂板冒裂帶以外區域橫向徑流而來，即圖1中所示Q1，另一部分是冒裂區域內的礫巖水下泄，即圖中所示Q2。計算突水量時，首先對突水量進行水量分割，即根據突水流量的過程線，將流量分割成兩部分。Q1部分主要是穩定流量，可用解析法（大井法）計算，Q2部分為變化最大的流量，可根據礦井突水量曲線進行比擬。

圖1 突水量構成示意圖

具體方法：選擇一個典型突水過程線圖，華豐煤礦2405、2406上涌水量變化曲線見圖2。首先將這個流量過程線加以分割，采用直線分割法，分割線以下流量為Q1，Q1用大井法計算，在此不再敘述。分割線以上的部分為Q2，可以將流量過程線概化成一個三角形，則總水量V就是三角形的面積，根據三角面積公式，可得到：

式中：Qmax——Q2部分的最大流量；

Δt——流量從增大到平衡階段的時間；

V——Q2部分的總水量。

公式（1）即為Q2部分的最大流量求法。

圖2 2405、2406上涌水量過程線及分割圖

3.2 計算方法實例

以華豐煤礦1409工作面為例進行計算。

（1）穩定水量預計（用大井法計算）。

單個出水點的最大范圍應為一邊長等于工作面斜長的正方形。

即引用半徑ro：

式中：a——工作面傾斜長；

s——降深，m；

k——滲透系數，m／d。

據井下－679石門實測礫巖水壓力推算，礫巖底界水壓P＝3.6MPa，相當于礫巖水頭高360m，若出水后水頭為0，則降深s＝360m，k＝0.229 m／d（據No.5孔抽水試驗）。則ro＝88.5m，Ro＝1811.2m。

據99－1孔資料，含水層厚度M＝16.35m。依據公式計算水量為：

則Q1＝1.91m3／min。

（2）最大涌水量預測。

以上計算的只是穩定水量Q1，在水量穩定之前，在ro范圍內尚有一定水量需短時間排出，即圖1中Q2。這部分水量總量V為：

式中：a——工作面斜長，取150m；

L——推采距離，此處據經驗取充分垮落長度180m；

M——含水層厚度，取16.35m；

u——給水度，一般礫石取0.30。

則V＝132425m3。

據3601工作面資料及4403工作面資料，大水量時間預計約為20d，代入公式（1）得Qmax＝9.20m3／min。

同時考慮Q1和Q2兩部分水量，則：

以上預測尚未考慮上階段采空區水的影響。若考慮采空區水2.0m3／min，則最大水量達13.53 m3／min。

3.3 結果對比

1409工作面從2003年11月4日開始推采，推采過程中發生了突水，具體水量見表2。

從實際出水情況看， 該工作面最大出量13.7m3／min，與預測結果13.11m3／min相差較小。而從實際出水情況看，推采距離越長，出水量越大，當達到充分垮落長度，出水量達到最大值。

表2 1409工作面突水量統計表

4 結論

（1）華豐煤礦防治礫巖水的關鍵問題不是防止礫巖水下泄，而是要準確計算礫巖水突水量，特別是要準確預測礫巖水的最大突水量，以確定足夠的排水設施或提前進行疏放。

（2）華豐煤礦礫巖出水水量具有明顯的過程，即一開始水量較小，隨后水量逐漸增大，然后水量又逐漸穩定，甚至部分出水點水量會減小到零。

（3）華豐煤礦的頂板突水量可以分割成工作面頂板冒裂帶以外區域橫向徑流而來水量和冒裂區域內的礫巖水下泄水量兩部分。

（3）冒裂區域內的礫巖水下泄水量的最大量可通過流量過程線形態概化一定標準形狀后，用幾何形態推導出計算公式。

（4）通過實例計算對比表明，本文所采用的計算方法是可靠的。

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Water inrush characteristics of conglomerate in Huafeng coal mine and water quantity calculation based on segmentation method

Li Yanhui1，Zhang Xinxia2，Xu Jinpeng2，Xue Jiankun2
（1.Anhui Jinhuangzhuang Mining Co.，Ltd.，Suzhou，Anhui 234000，China；2.School of Resources and Earth Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Based on the analysis of water inrush characteristics of conglomerate in Huafeng coal mine and water inrush having aprocess，the paper puts forward the water inrush calculation method of segmenting the water quantity and then respectively calculating the stable and maximum water quantity.By comparing the calculated water inrush quantity with the actual quantity in No.1409working face，this method of calculating the water quantity is relatively accurate.

water inrush quantity，calculation method，characteristics，segmentation method

TD742.1

A

影響半徑Ro：

李延輝（1970－），男，山東泰安人，畢業于山東科技大學地質測量專業，現為安徽金黃莊礦業有限公司副總工程師。

（責任編輯 張艷華）