甘肅靖遠煤電股份有限公司紅會第一煤礦礦井涌水量計算與分析

王玉合

（甘肅煤炭地質勘查院，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

礦井涌水量計算是對于煤礦水害防治中的一項重要前期工作。以甘肅靖遠煤電股份有限公司紅會第一煤礦為例，本文采用大井法和比擬法分別計算了礦井涌水量，并對計算結果進行對比和分析，最終以比擬法的計算作為預測結果，供礦井使用。

2 礦井水文地質條件

紅會第一煤礦位于甘肅省白銀市平川區紅會礦區的南部，隸屬于甘肅靖遠煤電股份有限公司，屬隴西黃土高原丘陵區，地貌類型屬沖洪積平原，南有崛吳山，北有北掌山和黃家洼山，西北有青石山和老爺山。礦區為一小型洪積沖積平原，區內無經常性水流，由若干沙河所形成。依據以往地質資料[1]，與礦井建設相關的地層從老至新依次為：上三疊統南營兒群（T3n）、中侏羅統窯街組（J2y）、中侏羅統新河組（J2x）、上侏羅統苦水峽組（J3k）、第四系。

紅會一礦東西寬約4.47 km，南北長約7.21 km，面積18.219 6 km2，開采標高+1 800 m～+600 m標高。開拓系統：井田淺部（+1 500 m水平以上）開拓方式為斜井多水平開拓，井田深部（+1 500 m水平以下）通過暗斜井延深集中開拓。主、副井及風井均為底板斜井，采用走向長壁、預先綜合弱化、一次采全高綜采放頂煤開采。目前該礦核定生產能力220萬t/a。

2.1 大氣降水及地表水對礦井充水影響

礦井西部邊界煤系地層露頭直接受大氣降水可補給含水層，但礦區氣候干旱，大氣降水補給量極少；本區無地表河流，因此大氣降水及地表水對礦井開采基本無影響。

2.2 含水層概況及其對礦井充水的影響

依據以往水文地質資料[2]，礦井主要含水層有第四系洪積潛水層、中侏羅統新河組含水層、煤層頂板含水層、一層煤底板含水層、煤系基底砂礫巖及三疊系頂部含水層等5個含水層。自上而下分別為：

（1）第四系洪積潛水層。主要依靠大氣降水補給，厚度為2～35 m，一般在底部的砂礫卵石層中含水，滲透系數1.358 m/h。依據礦井生產地質資料，本含水層對礦井開采無影響。

（2）中侏羅統新河組含水層。中侏羅統新河組草黃色砂巖段，位于煤層頂板含水層之上，為含水較弱的含水層。單位涌水量0.002 8 L/s·m，為弱富水性含水層；滲透系數為0.002 65 m/d，含水層平均厚度102.02 m，導水系數0.270 4 m2/d。經計算，本區可采煤層開采后形成的導水裂隙帶能夠到達該含水層，是礦井涌水的來源之一。

（3）煤1層頂板含水層。為新河組底部砂礫巖段，為礦井主要充水含水層，平均厚度170.32 m，據生產資料，井巷穿越該含水層之后，突水最大值為50 m3/h。單位涌水量為0.003 L/s·m，為弱富水性含水層；滲透系數為0.001 36 m/d，導水系數0.254 5 m2/d，生產中亦作為洗煤用水、井下灑水及灌漿用水，是礦井涌水的來源之一。

（4）煤1層底板含水層。為窯街組煤1層頂板裂隙含水層。含水層平均厚度20.2 m，依據W1901水文孔資料，該含水層滲透系數K值為0.067 m/d，單位涌水量0.091 L/s.m，導水系數1.353 4 m2/d，屬弱富水性含水層，是礦井涌水的來源之一。

（5）煤系基底砂礫巖及三疊系頂部含水層。一般厚度8 m，最大厚度33.14 m。井底車場穿越該層后最大涌水量為17 m3/h，釋放靜儲量后則疏干，為弱富水性含水層，對礦井開采無影響。

2.3 礦井充水通道

礦井充水通道主要有開采時產生的冒落帶和導水裂隙帶、構造斷裂帶和封閉不良的鉆孔。礦井內斷裂構造多為落差2～5 m的小斷層，以壓性或壓扭性為主，經鉆孔與采掘實際揭露，斷層及其斷層破碎帶富水與導水性均較差，除斷層裂隙帶附近有淋水外，未見突水與涌水現象，構不成對礦井充水威脅。

3 礦井涌水量預測

3.1 計算方法的選擇

根據本區水文地質條件及已取得的水文地質參數，礦井涌水量擬用大井法計算。由于導水裂隙可達下白堊系新河組含水層，故涌水量計算需對中侏羅統新河組承壓含水層、中侏羅統窯街組煤層頂板承壓含水層、中侏羅統窯街組煤層底板承壓含水層分層計算，參數是選擇區內水文地質鉆孔實際抽水試驗所得參數。

3.2 計算公式的選擇

1.頂板進水

采用承壓轉無壓頂板進水：

2.底板進水

上述公式中：

R0-計算區域坑道系統影響半徑（m）；r0為計算區域坑道系統引用半徑（m）；R為依據抽水試驗結果求出的影響半徑（m）；F為礦井面積（m2）；Q為地下水涌入坑道流量（m3/d）；M為含水層平均厚度（m）；S為含水層水位降低值（m）；K為含水層滲透系數（m/d）；H為承壓水頭高度（m）；hw為動水位至底板隔水層水柱高度（m）；Ma為坑道頂板至底部含水層的有效厚度（m）；t為坑道底板內含水層的平均厚度（m），取3.5 m。

3.3 大井法計算礦井涌水量

3.3.1 中侏羅統新河組涌水量的計算

（1）含水層水文參數的選取。采用以往水文孔資料，滲透系數K取0.002 65 m/d，含水層厚度M取102.02 m，水頭高度H取396.71 m，水位降深S取396.71 m。

含水層引用影響半徑R0：礦區有效面積為可采區面積，呈多邊形，面積13 477 799 m2，坑道系統半徑

含水層影響半徑：

含水層引用影響半徑：

動水位至底板隔水層水柱高度hw：由于長期開采過程中的疏干排水，承壓水位下降至新河組含水層底板以下，在礦井范圍內已無承壓水頭，故取hw=0 m。

（2）中侏羅統新河組涌水量的計算結果：Q新河=3 237 m3/d。

3.3.2 中侏羅統窯街組煤層頂板涌水量的計算

（1）計算參數。采用以往水文孔資料，滲透系數K取0.001 36 m/d，含水層厚度M取170.32 m，水頭高度H取444.57 m，水位降深S取444.57 m。

含水層引用影響半徑R0：坑道系統半徑同上，r0=2 071.26 m；

含水層影響半徑：

含水層引用影響半徑：

動水位至底板隔水層水柱高度hw：由于長期開采過程中的疏干排水，承壓水位下降至煤層底板以下，在礦井范圍內已無承壓水頭，故取hw=0 m。

（2）礦區煤層頂板含水層涌水量計算結果：Q頂板=2 789 m3/d。

3.3.3 礦區中侏羅統窯街組煤層底板涌水量的計算

（1）計算參數。采用以往水文孔資料，滲透系數K取0.067 m/d，含水層厚度M取20.2 m，水頭高度H取524.5 m，水位降深S取524.5 m。

含水層引用影響半徑R0：坑道系統半徑同上，r0=2 071.26m；

含水層影響半徑：

含水層引用影響半徑：

含水層有效厚度Ma：礦坑頂板以下含水層厚度影響范圍取周邊礦井的經驗資料，依據鉆孔資料，取Ma=20.2 m；

坑道底板內含水層的平均厚度t：因坑道巷高平均不超過3.5 m，取t=3.5 m；

（2）礦區煤層底板含水層涌水量計算結果：Q底板=4 662 m3/d。

礦區總涌水量=Q新河+Q頂板+Q底板=3 237+2 789+4 662=10688m3/d。

考慮到煤層頂板、煤層底板含水層的滲透系數K分別為0.001 36、0.067，后者約為前者的50倍，差值太大，這與含水層的厚度、孔隙度、透水性等性質分布不均有關，在計算時不宜直接采用。故利用礦區2007—2017年涌水量觀測數據平均值231 m3/h，以往水文孔新河組及煤層頂底板含水層的混合抽水試驗參數的綜合值，反算新河組含水層、煤層頂板含水層、煤層底板含水層的綜合滲透系數K值，計算公式如下：

主要參數取值如下：含水層水頭高度H取438.22 m，含水層厚度M取118.59 m，水位降深S取438.22 m，hw取0。求得綜合K=0.006 928 m/d，R=794.42 m。

r0為采空區半徑，礦區目前有2處采區尚在生產，其余范圍全為采空區，經計算采空區面積為13 477 799 m2，

將上述數據帶入下式：

其中，hw=0，求得全礦區涌水量為6 032 m3/d。

3.4 比擬法計算涌水量

（1）涌水量-開采量比擬法（含水系數法）。

含水系數：Kp=Q/P

式中：Kp為含水系數（礦井的相對涌水量）；Q為年從礦井中排出的水量（m3）；P為相應一年的煤炭開采量（t）。

根據已有的數據[3]，計算2009—2020年的含水系數如表1。

表1 紅會第一煤礦2009—2020年含水系數計算表

對含水系數與煤炭開采量2個數值進行線性擬合，擬合結果如圖1所示。

圖1 2009—2020年煤炭年產量、含水系數曲線圖

二者之間關系為：

Kp=-0.001 3P+1.054，P為煤炭年開采量，單位萬t。

根據《紅會第一煤礦2021—2025年采掘接續計劃》，2021—2025年計劃煤炭年開采量P分別為210.0萬t、197.0萬t、197.0萬t、197.0萬t、184.0萬t，求得2021—2025年含水系數Kp分別為0.844、0.857、0.857、0.857、0.87，礦井全年涌水量預測值分別4 856 m3/d、4 625 m3/d、4 625 m3/d、4 625 m3/d、4386 m3/d。

（2）涌水量與采掘進尺比擬法。2015—2020年總采掘進尺見表2。

表2 2015—2020年采掘進尺、涌水量統計表

對涌水量與總采掘進尺2個數值進行線性擬 合，擬合結果如圖2所示。

圖2 歷年采掘進尺、涌水量曲線圖

二者之間關系為：Y=0.607X1.0282

其中Y為年度涌水量，單位m3/d；X為年度采掘進尺，單位m。

根據《紅會第一煤礦2021—2025年采掘接續計劃》，2021—2025年計劃采掘進尺分別為5 930 m、5 150 m、6 640 m、5 710 m、3 800 m，求得2021—2025年礦井全年涌水量預測值分別為4 599 m3/d、3 978 m3/d、5 166 m3/d、4 423 m3/d、2 910 m3/d。

4 涌水量可靠性評價及最終涌水量推薦值

礦井涌水量計算采用了大井法、比擬法分別對全礦井、七采區、南翼井田的未來用水量分別進行了計算，結果匯總見表3。

表3 紅會第一煤礦涌水量預測值

4.1 大井法預測的涌水量可靠性分析

目前規范推薦預測礦井涌水量的“大井法”是理論計算公式，適用的水文地質模型是地下水補給充分、水文地質參數均一的條件，實際中很少有這樣的水文地質條件[4]；其次水文地質參數是利用抽水試驗成果反算的值，屬半實測值。由于水文參數點少（本礦井只有三個水文孔），數據的代表性一般，由此可以確定“大井法”估算的礦井涌水量的精度為D級，誤差大體在60%～80%。

4.2 比擬法預測的礦井涌水量可靠性分析

“比擬法”是一個半經驗計算法，這是因為礦井涌水量和開采量、采掘進尺之間嚴格意義上不是線性關系，涌水量還與開采方法及礦井內部的水文地質條件有關。因是半經驗公式，所以比擬法估算的礦井涌水量的精度也應為D級。

4.3 礦井涌水量推薦值

以2009—2020年全礦井的逐月涌水量觀測平均值5 427 m3/d為參考基準，采用大井法（煤層頂底板含水層分別計算）求得涌水量10 688 m3/d接近觀測平均值的2倍，水量偏大；采用含水系數法、涌水量-采掘進尺比擬法計算的全礦井涌水量分別為4 856 m3/d、4 599 m3/d，低于觀測平均值，水量偏小；采用大井法（煤層頂底板含水層綜合計算）求得的涌水量6 032 m3/d與其最為接近，所以推薦以此預測的涌水量為礦井正常涌水量，故未來全礦井涌水量約6 032 m3/d。