基于水文地質條件分析的工作面涌水量預測研究

曹思文 張 民 張振國

（兗州煤業股份有限公司楊村煤礦，山東 濟寧 272118）

礦井工作面涌水量大小是工作面回采水害防治工作的一個非常關鍵且重要的參數，目前已形成了多種涌水量預測方法[1]。歸納來看，常用的主要方法有非線性預測法[2]、水文地質比擬法[3]、數值模擬法[4]和大井法（解析法）[5]。但每一種方法都有一定的適用條件和其局限性，一般都采用兩種以上方法綜合對比確定。以楊村煤礦10603工作面為背景，通過對該工作面水文地質條件分析，采用水文地質比擬法和大井法分別進行了涌水量預測。

1 工作面地質背景

1.1 位置與范圍

10603工作面位于楊村煤礦南翼-273 m水平的十采區中部，開采太原組下組煤16上煤層。該工作面北到西興隆村莊保護煤柱，南至10605F5斷層煤柱線，東鄰已回采完畢的10605工作面，西靠處于設計階段的10601工作面（圖1）。

工作面上限標高-300.4 m，下限標高-330.7 m，煤層埋深348～376 m。工作面走向長平均250～275 m，傾斜長149 m，面積約38 827 m2。工作面擬開采的16上煤層厚度變化1.02～1.33 m，平均1.2 m，屬于薄煤層開采。煤層結構簡單，以亮煤為主，可采性指數為1，屬于穩定可采煤層。

1.2 地質構造

10603工作面為單斜構造，地層走向NE～SW，傾向SE，煤巖層傾角6°～10°，平均8°，較平緩。巷道掘進過程中共揭露2條逆斷層，分別為10603F1逆斷層、10605F5逆斷層（圖1）。 其中10603運順掘進時揭露10603F1（150°∠15°H=1.8 m）逆 斷 層、10605F5（150°∠20° H=3.0 m）逆 斷 層；10603軌 順 掘 進 時 揭 露10603F1（170°∠15° H=0.8～1.2 m）逆斷層、10605F5（140°∠25°H=5.0 m）逆斷層。

圖1 10603工作面采掘工程平面示意圖

2 工作面水文地質條件分析

通過鉆孔及地質資料分析，各含水層、隔水層與預開采的16上煤層間距關系如圖2。

圖2 10603工作面與含水層間距關系圖

（1）十下灰巖含水層

十下灰巖含水層直接位于開采煤層頂板，厚5.6～6.5 m，平均厚度5.9 m。十下灰透水性強，連通性好，屬溶洞裂隙承壓水，但以靜儲量為主，單位涌水量q=0.005 14～0.152 1 L/（s.m），富水性弱～中等，滲透系數k=0.085 9～2.28 m/d。2020年10月底，水位標高-89.46 m。十下灰是工作面回采過程中直接充水含水層，主要以頂板淋水為主。

（2）十三-十四灰含水層

十三灰、十四灰在該工作面合并為一個含水層，厚16.3～16.7 m，平均16.5 m。單位涌水量q=0.000 87～0.028 6 L/（s.m），富水性弱，滲透系數k=0.005 7～0.132 0 m/d。2020年10月底，水位標高-87.35 m，是工作面回采過程中間接充水含水層。

（3）奧灰含水層

采區內奧灰上部含水層單位涌水量q=0.008 2～0.104 9 L/（s.m），富水性弱～中等，滲透系數k=0.003 2～2.80 m/d。整體上看，礦井內奧灰作為區域性含水層，各個位置水力聯系是很強的。

3 工作面涌水量預測

10603工作面開采的直接充水含水層為煤層頂板十下灰，間接充水含水層為十三-十四灰和奧灰。根據已有資料分析，該工作面十三-十四灰突水系數0.075～0.088 MPa/m，對該工作面開采有較大威脅。奧灰突水系數0.062～0.068 MPa/m，基本在《煤礦防治水細則》規定的有構造地段臨界值0.06 MPa/m附近。考慮該含水層完整地段距離16上煤層底板厚度較大，一般具有很好的阻滲能力。從水文地質特征對比看，這三個含水層在正常條件下關聯性不強，水文地質特征參數差異性比較明顯（表1），故奧灰含水層可不用參與該工作面涌水量預測。

表1 工作面主要涌水含水層水文地質特征差異性對比

根據該工作面水文地質及開采條件，分別選用水文地質比擬法和大井法對該工作面進行涌水量預計。

3.1 水文地質比擬法

10603工作面南側10602工作面已開采完畢，10602工作面與10603工作面的水文地質條件具有很好的相似性，可采用公式（1）對10603工作面涌水量進行預計。10602工作面在整個回采過程中最大涌水量約80.0 m3/h。

式中：Q為10603工作面涌水量，m3/h；Q0為10602工作面涌水量，m3/h；A為10603工作面開采面積，m2；A0為10602工作面開采面積，m2。

式中，10602工作面最大涌水量80.0 m3/h，10602工作面開采面積約162 813 m2，10603工作面開采面積約38 827 m2。由此可計算10603工作面最大涌水量約40.0 m3/h。正常涌水量取最大涌水量的一半，即20.0 m3/h。

3.2 大井法

由于十下灰巖和十三-十四灰對工作面涌水條件不同，前者是直接充水含水層，后者是間接充水含水層，故需要選用不同大井法公式進行計算。

3.2.1 十下灰巖涌水量

通過前面分析，10603工作面頂板直接充水含水層為十下灰巖，按其完全處于頂板采動垮落裂縫帶波及范圍考慮，可采用公式（2）的承壓轉無壓的大井法進行涌水量預計。

（1）計算參數選取

① 滲透系數（K）：這里選擇靠近10603工作面較近的D18孔數據，取0.085 9 m/d；

② 含水層厚度（M）：取平均5.9 m；

③ 工作面面積（A）：面積約38 827 m2；

④ 水位降深值（S）：根據十下-4孔2020年10月30日水位（-89.46 m）和工作面最低標高（-333 m），取水位降深S=243.54 m；

⑤ 靜水斷面高度（hw）：含水層被疏干，即hw=0。

（2）涌水量計算結果

按式（2）可計算出10603工作面16上煤開采十下灰巖正常涌水量約15.9 m3/h。

3.2.2 十三-十四灰巖涌水量

通過前面分析，10603工作面底板十三-十四灰突水系數值均大于0.06 MPa/m，平均約0.08 MPa/m，按其完全處于安全帶壓開采范圍考慮，需要進一步疏放十三-十四灰含水層，使該含水層水頭壓力降低到0.06 MPa/m，這樣就相對比較安全開采了。疏降水量采用大井法的有限邊界承壓穩定流公式（3）進行預算：

式中：Q為十三-十四灰疏降預計涌水量，m3/h；K為滲透系數，m/h；M為含水層厚度，m；S為疏排降壓設計降深， m；r0為引用半徑，m；R0為引用影響半徑，m。

（1）計算參數選取

① 含水層厚度（M）：取十三-十四灰平均16.5 m；

② 疏排降壓設計降深（S）：根據0.08 MPa/m降低到0.06 MPa/m，由ΔP=ΔT×M，可得疏降水壓約0.33 MPa，則約取水位降深S=33 m；

③其他參數同上。

（2）涌水量計算結果

按式（3），可計算出10603工作面16上煤開采十三-十四灰巖正常疏放涌水量約19.6 m3/h。

3.2.3 綜合分析

根據以上計算可知，大井法分別預計了該工作面十下灰巖和十三-十四灰巖的正常涌水量，兩者之和應為該工作面的涌水量，則為35.5 m3/h；最大涌水量可取正常涌水量2倍，即71.0 m3/h。

3.3 涌水量預計綜合分析

安全起見，建議按大井法預算結果作為該工作面涌水量。

4 結論

（1）系統分析了石炭系太原組下組煤10603工作面地質、構造和水文地質條件，確定了開采煤層與各主要充水含水層之間關系和空間展布特征。

（2）采用水文地質比擬法對該工作面涌水量進行了預測，正常涌水量約20 m3/h，最大40 m3/h。

（3）采用大井法中承壓轉無壓和承壓兩種狀態對該工作面直接充水含水層和間接充水含水層涌水量進行了預測，兩者合計正常涌水量35.5 m3/h，最大71 m3/h，建議選擇大井法預測結果作為該工作面涌水量。