神南礦區張家峁礦井涌水量預測與分析

楊 帆

（陜煤集團神木張家峁礦業有限公司）

國民經濟發展對能源的需求日益增長，我國煤炭工業產量每年都在以前所未有的速度增長，煤炭開采面臨的水文地質問題日益突出［1］，然而，近年來我國西北侏羅紀煤田弱富水軟巖水—沙混合型間歇式突水事故多發，嚴重威脅礦井安全生產。紅柳煤礦首采工作面初采186 m范圍內發生了4次較大規模的突水，最大突水量達到3 000 m3/h，工作面2次被迫停產；2016年陜西銅川照金煤礦發生重大頂板水害事故，造成11人死亡［2］。無論在煤田水文地質勘查階段還是礦井生產建設階段，礦井涌水量預測不僅是對礦井建設進行技術經濟評價、合理開發的重要指標，更是煤礦生產設計部門制定采掘方案、確定礦井排水能力、制定疏干措施、防止重大水害和利用地下水資源的重要依據［3］。

目前礦井涌水量預測大體上可以分為確定性分析方法和不確定性分析方法兩類［4］。確定性分析包括解析法、模擬法、數值法、水均衡法；非確定性分析法包括水文地質比擬、相關分析、模糊數學模型、灰色系統、BP神經網絡和時間序列分析等。但這些方法在實際使用過程中其科學性、準確性確一直不太理想［3］。沒有針對礦井涌水量的組成部分進行剖析，是導致上述問題的重要因素之一。鑒于此，本研究以張家峁礦井為研究對象，剖析礦井涌水量構成，對涌水量各組成部分分別進行預測，最終得到張家峁礦井未來5 a分年度礦井涌水量大小，旨在為礦井涌水量預測提供一種新思路。

1 研究區概況

研究區位于陜北黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶，地處干旱半干旱地區，水資源貧乏，與豐富的煤炭資源形成了鮮明對比［5］。地形總的趨勢為西南、西北高，中東部低。礦井北界附近最大海拔高程為1 319.70 m，最低1 088.0 m，一般在1 150~1 260 m。地貌類型可分為風沙灘地區、河谷區和黃土丘陵溝壑區。構造簡單，總體構造面貌是褶皺包絡面向北西緩傾斜的單斜構造。主要開采煤層為2-2、3-1、4-2和5-2煤。礦區直接充水含水層為第四系上更新統薩拉烏蘇組（Q3s）含水層、侏羅系中統（J2z+y）基巖裂隙含水層和燒變巖含水層。目前礦井涌水量為181.6 m3/h。截至2020年底，張家峁礦井共發生突水事故5次，均對工作面的正常開采造成了影響，嚴重影響了礦井生產安全。因此，有必要對張家峁礦井未來5 a的礦井涌水量進行預測，為礦井的防治水工作提供指導。

2 礦井涌水量構成分析

對涌水量的預測根據張家峁礦井的生產接續進行，根據對張家峁礦井水文地質條件和近3 a該礦井涌水量觀測臺賬的分析可知，礦井涌水量不單單只是在礦井進行回采過程中工作面的涌水量，還包括礦井在掘進過程中的涌水量以及其他出水點的涌水量。

根據張家峁礦井的實際開采情況，將整個礦井涌水量構成分為5個部分：①回采工作面涌水量（以風化帶基巖涌水量為主）；②待采工作面涌水量（探放水和掘進出水）；③已采工作面涌水量（新增老空水和原有老空水）；④其他水（井筒水等）；⑤采掘系統生產地面供水量（井下生產用水）。

其中，頂板風化基巖涌水量為礦井主要涌水水源，月平均涌水量與頂板風化基巖含水層的涌水量占比有很強的正相關性。這說明，對于張家峁礦井各充水含水層來說，最主要的充水含水層是頂板風化基巖含水層。

3 礦井涌水量預測

3.1 涌水量預測基本思路

通過對礦井涌水量構成分析，本次涌水量預測計算公式為

式中，Q為礦井涌水量大小，m3/h；Q1為回采工作面涌水量，m3/h；Q2為待采工作面涌水量，m3/h；Q3為已采工作面涌水量，m3/h；Q4為其他水涌水量，m3/h；Q5為采掘系統生產地面供水量，m3/h。

回采工作面涌水量采用類比法進行預測；其余四部分根據礦井實際生產情況進行賦值：①采掘系統生產地面供水量取100.0 m3/h；②其他水以井筒涌水量為主，且其涌水量近3 a來較穩定，水量為10.7 m3/h；③待采工作面涌水量取探放水水量和掘進面出水水量之和，為35.4 m3/h，其中探放水水量取2020年礦井探放水水量最大值10.4 m3/h，掘進面正常涌水量取25 m3/h；④采空區涌水以每年50%的速度遞減。

3.2 未來5 a回采工作面涌水量預測

3.2.1 類比法基本原理

類比法屬于水文地質比擬法的一種，是根據相似性原理，選用已經開采過工作面的涌水量，選取合適的類比因素，對未開采但地質和水文地質條件相似的工作面進行類比，來計算工作面涌水量，計算公式為

式中，Q01為比擬工作面實際涌水量，m3/h；Q02為預計工作面涌水量，m3/h；A01為比擬工作面類比因素；A02為預計工作面類比因素。

根據張家峁礦井實際生產狀況，在相同的地質和水文地質條件下，回采面積、產量、工作面傾向長度3個因素與工作面涌水量之間相關性較強，且在礦井實際開采中預測結果較符合實際。

3.2.2 類比法計算礦井回采工作面涌水量

利用與回采工作面涌水量相關因素較大的回采面積、產量、工作面傾向長度3個因素，對張家峁礦井未來5 a內的回采工作面分別計算涌水量。

傾向長度反映了工作面寬度對涌水量變化的影響，面積富水系數法類比反映工作面涌水量涌出的變化，產量類比結果反映了工作面產量變化與實際涌水量為基礎下的各工作面噸煤涌水量，各種類比因素均可作為影響工作面涌水量的因素之一。在取值時，以3種類比結果的平均值作為礦井涌水量預測的數值，而最大值取3個影響因素類比結果的最大值。計算結果見表1。

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3.3 未來5 a礦井涌水量預測

根據式（1），將待采工作面涌水量、已采工作面涌水量、其他水、采掘系統生產地面供水量4部分的賦值結果與類比法計算的開采工作面涌水量相加，得到張家峁礦井未來5 a礦井涌水量預測結果，見表2。待采工作面涌水量、已采工作面涌水量、其他水、采掘系統生產地面供水量這四部分的取值，是對礦井涌水量觀測臺賬的分析所取得，數據真實可靠，故本次預測結果可以為礦井防治水工作提供一定的依據。

由表2可知，張家峁礦井未來5 a涌水量在2021年至2023年開始增大，到2023年增加到最大后開始減小，究其原因，主要是由于從2022年開始，礦井開采西部邊界2-2煤，其中2023年將在西部邊界集中開采3個2-2煤工作面，這3個工作面均與檸條塔南翼S1210工作面接壤，且都屬于頂板風化基巖厚度大、水位高的地區。檸條塔礦井在開采S1210工作面時，曾瞬時突水1 200 m3/h，造成突水淹面事故發生，因此礦井在開采該區域2-2煤層時，應該提前對2-2煤層頂板風化基巖富水性進行探查，在條件允許的情況下，考慮在該區域提前布設強排水系統，防止突水淹面事故的方法。

在后續開采過程中，當礦井開采條件發生變化，會導致預測結果相差較大。對礦井涌水量劃分不同組成來預測礦井涌水量，便于對礦井實際生產狀況進行修正，重新賦值，對預測結果進行修改，避免預測結果偏差太大。

4 結 論

（1）通過對張家峁礦井水文地質條件和礦井涌水量觀測臺賬進行剖析，總結提出了一種利用礦井涌水量構成來計算礦井涌水量的簡便方法，該方法主要將礦井涌水量分為5個部分，分別做出預測。

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（2）預測了張家峁礦井未來5 a礦井涌水量，在2023年礦井涌水量達到最大值。原因是2023年張家峁礦井將開采西部靠近檸條塔礦界的2-2煤的3工作面，煤層深度大，同時煤層頂板基巖風化帶含水層水位高，預計該區域工作面涌水量較大。因此，在開采該部分煤層時，應提前制定相關頂板疏放水、超前探放水方案，確保煤層安全回采，加強對排水系統的維護、檢修工作。

（3）考慮涌水量構成來預測礦井未來涌水量，是一種基于現階段礦井采掘情況的涌水量預測方法，礦井應該根據實際采掘情況，在未來對涌水量構成部分進行修正，優化礦井排水系統，保障礦井安全回采。