煤礦水文地質特征和礦井涌水量預測探討

李小雷

（鶴壁中泰礦業有限公司，河南 鶴壁 458000）

我國具有較為豐富的煤炭資源，在我國社會經濟發展中，煤炭能源起到了重要的推動作用。但就目前來看，在我國煤礦生產中，安全事故依然多有發生，礦井涌水是產生安全事故的重要因素。而水文地質特征會直接影響礦井涌水，只有對煤礦水文地質特征做到全面了解，對礦井涌水量進行有效預測，才能保證煤礦開采的安全性。

1 煤礦工程概況

A 煤礦工程位于我國北方某沙漠中部地區，其地勢具有東部、中部低，西南高的主要特點，井田西南角為工程最高處，海拔高程約為1317m，東部為海拔最低處，高程約為1173m。該井田地下水資源豐富，水量相對較大，且具有較大的淺層水蘊含量。煤田總體面積約為10萬km2，具有規整的形狀，從東至西、從北至南的最長長度分別為410km、400km，構造形態總體為單斜構造，傾向北西西、走向北北東。在地質勘察過程中，沒有發現較明顯的斷裂構造，沒有巖漿巖侵入，煤田構造類型為簡單[1]。

2 礦井水文地質特征

2.1 井田水文地質分區

依照水文地質分區與地貌情況，在含水層富水性方面，風沙區降水補給較為容易。風沙區具有平緩的地形，地表沙地、沙丘具有綿延性，經水平運移，可以在地形低洼處匯集，進而讓富水地段得以形成。在河谷區，降水入滲補給、地表水入滲補給較為方便。河谷區具有平坦的地勢，其水位埋藏相對較淺，井田東北有沖積層分布，該沖積層具有富水性強、沉積厚度大的特點[2]。

2.2 含水層水文地質特征

（1）在第四系孔隙潛水含水層方面，主要為沖洪積沙層、風積沙層以及沖洪積砂礫石層。其巖性主要為灰黃色與褐黃色粉細砂，下部具有夾粉土，整體具有松散結構。經過抽水試驗，含水層厚度平均約為73.83m，其地下水位埋深為0.92 ～1.15m，水位標高約為1254m，鉆孔最大涌水量約為0.63L/s，單位涌水量約為0.28L/s·m，滲透系數約為0.49m/d，水溫約為12℃。地下水主要為HCO3-Ca 型，為低礦化度淡水，具有較好水質。

（2）在白堊系下K1zh 孔隙裂隙承壓水含水層方面，具有全區分布特點，紫紅色、棕紅色各粒級砂巖為含水層巖性，整體具有疏松的地層結構，地下水儲水空間相對較好。經過抽水試驗，該地層地下水位具有2.3m 埋深、172.3m 含水層厚度，其標高主要為1258m，最大用水量、單位用水量分別為10.3L/s、0.48L/s·m，滲透系數約為0.52m/d。地下水主要為HCO3-Na 型，具有較好水質。

（3）在侏羅系J2z 孔隙裂隙承壓水含水層方面，經過抽水試驗，含水層厚度、地下水位埋深分別約為55m、2.8m，其水位標高約為1258m，鉆孔涌水量與單位用水量分別為1.72L/s、0.047L/s·m，滲透系數約為0.13m/d。地下水主要類型為SO4-Na·Ca 型，水質相對較差。

（4）在侏羅系J2a 孔隙裂隙承壓含水層方面，經過抽水試驗，平均厚度約為45m，地下水位埋深為3.7 ～2.1m，水位標高約為1252m，鉆孔最大涌水量以及單位涌水量約為1.74L/s、0.04L/s·m，滲透系數約為0.14m/d。地下水主要為SO4·HCO3-Na 型，水質相對較差。

2.3 井田地下水情況

第四系含水層補給主要為大氣降水，徑流方向具有多樣性特點，潛水流向為西北至東南，河水和河谷區潛水之間具有互補關系。因構造、隔水層影響，基巖水會形成承壓水，具有多層特點，且沒有統一補給區，承壓水主要為鄰區承壓水側向徑流補給與潛水滲入補給形成。在化學特征方面，隨著含水層中水化學類型復雜程度的提升，礦化度也會增大，水質也會變差。

2.4 斷層導水性影響

井田主要為單斜構造，傾向北西，斷層不發育構造類型簡。斷層對礦井充水基本無影響。

2.5 老窯水與地表水影響

礦井周邊沒有老窯、小窯存在，但周邊區域已經具有規劃礦井，未來可能會有采空區，如果不留足邊界安全煤柱，就有可能礦井安全生產，因此，需要在開采過程中對臨近礦井情況予以密切關注。在地表水方面，溝谷、低洼處具有很多水匯集，各層中間存在穩定隔水層，很難有潛水進入礦井，但地表水通過鉆孔、井口進入礦井。

2.6 充水因素分析

結合上文，在礦井充水水源上，主要為大氣降水、白堊系下承壓水、松散巖類潛水以及煤層頂板基巖裂隙水等；在礦井充水通道上，該井田具有簡單的構造，為新建礦井，沒有不良鉆孔、斷層等充水通道；與此同時，煤層開采工作中，會有冒落帶、彎曲帶以及裂隙帶形成，可能會讓礦井突水情況出現。此礦井煤層開采主要利用頂板跨落法，在煤層開采工作完成后，頂板會自行跨落，在煤層開采工作完成后，頂板會有垮塌情況出現，需要計算導水裂隙帶以及冒落帶[3]；在礦井充水強度方面，地下水具有較差補給條件，開采煤層礦井充水強度相對較小，但隨著開采層位的逐漸加深，其充水強度可能會減弱。

3 礦井涌水量預測主要措施

3.1 大井法

大井法計算首采面的南北寬度、東西長度分別為300m、2556m，其總面積約為77 萬m2。分析礦井涌水量預測條件，井田煤層產狀具有平緩性，在煤層頂板上部具有充水含水層，在計算涌水量中，需要對正常涌水量、最大涌水量進行有效預測，對煤層礦井涌水量開展預算工作。設滲透系數為K，水柱高度為H，含水層厚度為M，剩余水柱高度為h0，引用影響半徑為R0，影響半徑為R，引用半徑為r0，開采面積為F，那么礦井涌水量：

結合公式（1），可以明確礦井涌水量情況[4]。在礦井生產疏干工作中，需要保證可以降低井孔中水位到煤層底板之下，進而讓地下水承壓得以形成，對此，可以利用解析法公式開展計算工作。利用解析法公式，計算出未來開采過程中具有481m3/h 的礦井正常涌水量。考量到實際情況，正常涌水量、最大涌水量之間具有線性關系，該地區二者之間比值通常是1.8，可以計算出865.8m3/h 的最大涌水量。

3.2 數值法

數值法主要是對礦井區域邊界條件、計算范圍進行全面考量。在該工程中，可以采用數值法構建模型，預測涌水量主要是首采面煤層頂板直羅組承壓含水層。在該區域中，其南北寬度、東西長度分別為4.3km、4.7km，總面積約為19.3km2。在構建模型后，需要對其進行識別、校正等工作，對涌水量予以有效預測。承壓含水層如圖1 所示。

圖1 承壓含水層

結合圖1，該結構隔水效果相對較好，應用GMS 軟件，可以對承壓含水層模型予以構建，在首采區中，含水層具有均勻分布。模型如圖2 所示。

結合圖2，含水層具有層流運動方式，所有項目要求均能和達西定律適用條件相符，經過計算，發現數值法計算最大涌水量是840m3/h。

3.3 數學模型和數值模擬

圖2 模型情況

在數學模型上，可以概化直羅組承壓含水層地下水流為承壓水以及非均質多向異性三維流數學模型，利用有限差分方法，使用Modflow 可以計算各個單元水位。在對有限差分網格進行計算時，需要構建一結點和周圍六結點之間的水量平衡關系，針對每一單元均構建水均衡方程，之后，可以利用共軛梯度法開展迭代工作，讓水位得以求解[5]。

在數值模擬上，需要剖分滲流區域，劃分區域為正方形網格，剖分此區域為小型規格網格，橫縱各為40，總數量為1600 個。在參數設置中，考量到鉆孔抽水試驗無法表征地下水滲透性中各向異性，主要采用滲透張量對模擬工作中應用滲透系數進行選擇。

3.4 模型識別和檢驗

針對模型結果，為讓礦井涌水量得到準確預測，需要針對檢驗模型開展參數反演工作。在反演工作完成后，可以得到相應的含水層水文地質參數，分區中的水平滲透系數分別為0.13 ～0.23m/d、0.08 ～0.18m/d；在垂向滲透系數上，主要為0.01 ～0.02m/d；貯水率主要在1.4×10-5～3.5×10-5。

3.5 涌水量預測結果

就涌水量預測結果而言，結合數值法、大井法計算結果，遵循《煤礦安全規程》中就高不就低主要原則，為讓礦井開采安全得到保證，在排水疏干設計礦井過程中，其設計依據主要為最大涌水量。因此，在文章中，正常涌水量取值為481m3/h、最大涌水量為840m3/h。

4 結束語

綜上所述，在本工程中，通過對井田水文地質分區、含水層水文地質特征、井田地下水情況以及充水因素進行全面分析，并采用大井法、數值法，可以讓煤礦井田水文地質特征得到有效分析，可以對涌水量進行有效預測，以此來提升煤礦開采工作安全性。