礦井首采工作面水文地質條件分析及涌水量預測

摘 要：為了降低涌水對煤炭開采影響，針對3101首采工作面水文地質條件復雜問題，在對該采面水文地質資料分析基礎上，采用理論法確定采面開采后導水裂隙發育高度，并通過動靜儲量法預測采面推進不同距離時正常涌水量、最大涌水量，后將預測值與實際值進行比對。結果表明預測到的最大涌水量與實際涌水量誤差小于10%，預測結果準確度較高。

關鍵詞：首采工作面;礦井涌水;含水層;導水裂隙;涌水量

1 工程概況

某礦主采煤層為3、8、11號三層煤，其中主采3號煤層的3101綜采工作面為該礦首采工作面。該采面，北側為采區、南側、東側、分別為礦井邊界、3煤集中運輸巷、采區邊界及采面運輸巷。3101采面設計走向推進長度2850m、斜長260m，采高平均5.70m。礦井前期地質勘探資料表明3號煤層開采時涌水水源煤層底板中粗砂巖裂隙水承壓含水層，水頭壓力達到6MPa，具有較強富水性。施工的探放水鉆孔涌水量達到63m3/h。在3號煤層布置的回采巷道以及回采工作面容易受到含水層涌水影響，從而使得井下布置的排水系統遭受顯著沖擊，給煤炭正常開采帶來不利影響。

2 3101采面水文地質條件分析

2.1 含水層、隔水層特征

①本井田開采過程中上覆第四系松散層潛水孔隙含水層、志丹群（K1zh）孔隙水含水層是煤炭開采過程中的主要供水水源。該孔隙水含水層富水性中等，厚度136.7～193.6m，滲透系數0.123～0.378m/d，單位涌水量0.2126～0.6236L/（m·s）;②侏羅系中統碎屑巖承壓含水層巖性以中粗砂巖為主，夾雜有砂質泥巖、粉砂巖，該承壓含水層在井田范圍內分布廣泛。含水層富水性中等、厚度20.98～69.23m、滲透系數0.003695～0.07653m/d，單位涌水量介于0.0312～0.05968L/（m·s）;③侏羅系中下統裂隙含水層巖性為粒級砂巖、砂質泥巖等。該含水層厚度在44.32～119.97m，富水性中等、滲透系數0.00432～0.0815m/d、單位涌水量介于0.0312～0.05968L/（m·s）;④侏羅系下統存在一層分布穩定隔水層，巖性以致密的粉砂巖、泥巖為主，厚度介于22.56～24.98m，在井田范圍內分布較為均衡，隔水性能優越。

2.2 導水通道

3號煤層回采巷道以及掘進工作面開采時主導的導水通道為頂板冒落帶及裂隙帶，具體3號煤層開采后的頂板裂隙帶發育高度可通過下式計算：

其中：Hli為3號煤層導水裂隙帶發育高度（m）;M為3號煤層開采厚度，取值5.70m。

經過計算求得Hli=124.0m。

通過對3101綜采工作面水位地質條件分析得知，3號煤層上覆延安組砂巖裂隙含水層厚度分布介于13.68～44.29m，與3號煤層頂板間距在1.3～8.93m;2號煤層頂板含水層（厚度介于5.36～91.23m）與3號煤層頂板間距78.96～99.12m;侏羅系中下統碎屑巖裂隙含水層與3號煤層頂板間距最小為129.6m，同時該含水層上覆存在有一層隔水效果明顯的泥巖、砂質泥巖隔水層。

3 采面涌水量計算

在3號煤層回采過程中采面涌水量直接決定井下排水系統規模及布置。3號煤層回采過程中涌水一方面來至于頂板導水裂隙帶影響范圍內的孔隙水、裂隙水，此部分涌水量與裂隙帶分布范圍、降落漏斗分布形態有關;同時受到開采裂隙水頭壓力降低影響附近含水層內的水會向采空區流動。在確定3101采面涌水量時靜儲量關鍵是確定給水度、動態補給量關鍵是確定巖層透水系數。

煤層開采時動態補給的涌水量可通過下述公式計算：

當進行疏排排水時中心位置處水頭壓力h=0，則公式（2）可簡化為：

其中：Qd表示3號煤層開采時涌水量（m3/d）;K表示透水性系數（m/d）;H表示水柱高度（m）;M0表示含水層厚度（m）;R0、r0分別為引用影響半徑、引用半徑（m）。

根據3101采面水位地質實際情況，確定K=0.0372m/d、H=580m、M0=45.87m、R0=2763.5m、r0=181.2m，將上述參數帶入公式（3）求得3101工作面在前300m開采范圍內的涌水量為92.1m3/d。

煤巖開采時井下涌水量現場實測發現，3101綜采工作面涌水主要為回采巷道、切眼以疏排水鉆孔三部分組成，具體涌水量分別為10.2m3/d、9.3m3/d、66.9m3/d。采面開采時實際涌水量為86.3 m3/d，實際涌水量較預測到的涌水量（92.1m3/d）低4.8 m3/d，誤差率僅為5.56%。

根據3號煤層頂板巖層厚度及滲透性系數，計算得到3101綜采工作面推進至300m位置時采面正常涌水量在93.2m3/d;依據本段上覆頂板含水層最大厚度及巖層最大滲透性，計算得到采面推進至300m時最大涌水量為330.5m3/d。同理，根據上述計算方法確定到的采面推進至600m、900m、1000、1500、2000以及回采結束時（推進2600m）正常涌水量、最大涌水量計算結果見表1。

4 采面實際涌水量與預計涌水量對比分析

將采面回采過程中監測到的實際涌水量與計算獲取到的預計涌水量進行比對分析，對預測結果進行判定。具體在3101實際涌水量與預計涌水量對比分析對比結果見圖1。

從圖1中可看出，預測正常涌水量與實際涌水量間偏差較大，但是預測的最大涌水量與實際涌水量間絕對值相差較小，一般在5～58m3/d，誤差率控制在10%以內。如采面推進至300m、1000m、2000m位置時實際涌水量與預測到的最大涌水量間誤差率分別為1.2%、7.6%、7.5%。

5 總結

①對礦井3101首采工作面水文地質特征進行分析，并采用理論計算法對3101采面開采后覆巖導水裂隙發育高度，導水裂隙帶高度為124.0m，導水裂隙會直接導通侏羅系中下統碎屑巖裂隙含水層;②依據3101首采工作面水文地質條件及充水特征對采面開采過程中正常涌水量、最大涌水量進行預測，并將預測結果與實際涌水量進行比對，預測到的最大涌水量與實際涌水量間誤差率均在10%以內，涌水量預測結果較為準確。

參考文獻：

[1]高鵬浩，周友清，陳新攀.內蒙古三貴口礦區水文地質特征分析及涌水量預測[J].礦產與地質，2019，33（05）：891-898+904.

作者簡介：

馮聰聰（1987- ），男，山西省洪洞縣人，2014年1月畢業于太原理工大學，采礦工程專業，本科，現為工程師。