解析法在金鳳煤礦工作面涌水量預測中的應用

摘 要：以金鳳煤礦011202回采工作面為例，在工作面開采前采用解析法對工作面的靜儲量和動態補給量進行理論計算，并與開采期間工作面的實際涌水量進行對比。得出解析法計算出的涌水量與實際涌水量基本一致，該計算方法在金鳳煤礦回采工作面涌水量預測預報工作中得到有效應用，對礦井防治水工作具有重要指導意義。

關鍵詞：靜儲量；動態補給量；涌水量

神華寧夏煤業集團金鳳煤礦位于寧夏吳忠市鹽池縣境內，2008年7月23日開工建設，2011年8月18日投入生產。礦井設計生產能力400萬噸，服務年限57.2年，礦井水文地質類型為中等偏復雜。

011202工作面位于金鳳煤礦一采區十二煤南翼二區段，開采的煤層為侏羅紀中統延安組的12#煤層。12煤在本區段平均厚度為1.32m，平均傾角為19°；直接頂為粉砂巖（平均厚3.10m），老頂由中粒砂巖、細粒砂巖和粉砂巖組成（平均厚15.00m），直接底為粉砂巖（平均厚3.05m），老底由細粒砂巖和粉砂巖組成（平均厚4.16m）；工作面主要充水水源為12煤頂板砂巖孔隙裂隙水。工作面于2014年4月15日從切眼處開始開采，2015年1月15日開采結束，開采長度為1485m。

1 解析法計算工作面涌水量

12煤頂板砂巖孔隙裂隙含水層的涌水量Q（m3/h）由靜儲量Qj（m3/h）和動態補給量Qd（m3/h）兩部分組成：Q=Qj+Qd

其中動態補給量的確定關鍵是滲透系數的確定，靜儲量的確定關鍵是給水度的確定。

1.1 動態補給量計算

動態補給量采用“大井法”進行計算。

“大井法”是礦坑涌水量計算常用方法之一，它是把礦區水平坑道系統所占的面積看成是等價于一個理想的“大井”面積，整個坑道系統的涌水量就相當于“大井”的涌水量，對于頂板砂巖水的疏干水量預計，其計算公式為承壓轉無壓公式[1]，如下：

Qd=1.366K·

式中：Qd——動態補給量，m3/h；

K——滲透系數，m/d；（《金鳳煤礦首采區水文地質補充勘探報告》[2]中，針對12煤頂板砂巖含水層進行DG3鉆孔抽水試驗，得到滲透系數為0.0113m/d。）

M——含水層厚度，m；（根據011202工作面周邊多個鉆孔的統計數據，結合頂板導水裂縫帶高度計算結果，取平均值15m。）

H——水頭高度，m；（參考現有的鉆孔抽水試驗資料，12煤頂板砂巖含水層的水位標高為1352m，011202工作面煤層底板平均標高為+1225m，取水頭高度為127m。）

R0——引用影響半徑，m；

r0——引用半徑，m。

礦坑所在含水層概化為均質無限分布，天然水位近似水平，因此引用影響半徑R0可采用如下式計算：

R0=r0+R [1] R=10S [1]；

由于011202工作面形狀近似一個矩形，因此選擇引用半徑r0的計算公式為：r0=η [1]

式中：a，b分別表示矩形工作面的邊長，η表示計算引用半徑參數，取值見表1。

工作面回采過程中，周期性冒落后動態補給量（穩定涌水量）預計結果見表2。

表1 計算引用半徑參數η取值范圍表[1]

[b/a＼&0＼&0.2＼&0.4＼&0.6＼&0.8＼&1＼&η＼&1＼&1.12＼&1.14＼&1.16＼&1.18＼&1.18＼&]

表2 011202工作面采后穩定涌水量預測計算成果表

[階段＼&回采范圍（m）＼&動態補給量 （m3/h）＼&初次來壓

第二次來壓

第三次來壓

…

整個工作面＼&40

60

80

…

1485＼&5.7

6

6.3

…

21.9＼&]

表2中工作面初次來壓步距（40m）和周期來壓步距（20m）參考金鳳煤礦12煤已回采的其它工作面資料，含水層厚度按15m計算。故初次來壓時工作面動態補給量為5.7m3/h，開采結束時工作面動態補給量為21.9m3/h。

1.2 靜態儲存量計算

采用靜儲量計算公式：

Qj=Qt+Qz=μe·F·h+μd·F·m [1]

考慮到該含水層水壓和彈性釋水系數的乘積μe較小，在靜儲量計算時將含水層彈性釋水水量Qt忽略，僅取重力給水的水量值Qz。

故本次計算中：Qj=Qz=μd·F·m

上式中：Qj——靜態存儲量，m3；

Qt——彈性釋水量，m3；

Qz——重力給水量，m3；

μe——彈性釋水系數（忽略）；

μd ——含水層重力給水度（參考周邊礦井資料，取1.5%）；

F——疏干范圍面積，m2；（011202工作面走向長1485m，傾向長度272m。四周外推40m（按金鳳煤礦采空地面塌陷裂縫推算），則疏干面積為550880m2）；

m——含水層厚度，m；（011202工作面12煤頂板砂巖含水層平均厚度為15m）。

利用公式，分別對整個011202工作面12煤頂板砂巖水的總靜儲量、頂板初次來壓步距和周期來壓步距范圍內含水層的靜儲量進行估算，結果見表3。

表3 011202工作面頂板砂巖含水層靜儲量計算表

[估算范圍＼&走向長度（m）＼&斜長（m）＼&含水層厚（m）＼&給水度＼&靜儲量（m3）＼&初次來壓

周期來壓

全工作面＼&120

20

1565＼&352

352

352＼&15

15

15＼&0.015

0.015

0.015＼&9504

1584

123948＼&]

因011202工作面計劃回采9個月（6480小時），故回采過程中011202工作面靜態存儲量為19.1m3/h。

1.3 工作面涌水量計算

根據以上計算，可得出011202工作面回采期間的涌水量大小，結果見表4。

表4 011202工作面涌水量計算成果表

[序號＼&平均推進距離（m）＼&動態涌水量（m3/h）＼&靜儲量（m3/h）＼&011202工作面涌水量（m3/h）＼&K=0.0113m/d＼&μ=0.015＼&1

2

3

5

6＼&40

60

80

…

1485＼&5.7

6

6.3

…

21.9＼&19.1

19.1

19.1

…

19.1＼&24.8

25.1

25.4

…

41＼&]

2 工作面實際涌水量

011202工作面在回采期間采取對涌水量進行動態觀測，其中工作面初次來壓時實測涌水量為23m3/h（比來壓前增加了5m3/h）；隨著工作面向前開采，涌水量逐漸增大；當工作面回采至停采線時，實測涌水量為40m；當工作面開采結束涌水量穩定后，實測采空區補給量為21m3/h。

3 工作面涌水量對比評價

將解析法計算得出的工作面涌水量與工作面在實際開采過程中實測得到的涌水量進行對比分析，得出以下結論：

①采用解析法計算得出的工作面初次來壓時的涌水量、開采結束時的涌水量以及涌水量隨推進距離變化情況與對應的實測涌水量值基本一致。

②整個工作面的動態補給量（21.9m3/h）與工作面開采結束后采空區的實際補給量（21m3/h）基本一致。

③解析法計算出的涌水量與實測涌水量或多或少存在一些偏差，主要是由于解析法計算中含水層厚度、水頭高度、含水層重力給水度等參數的取值誤差所造成的。

④采用解析法計算出的金鳳煤礦回采工作面涌水量較為準確，該方法對金鳳煤礦回采工作面涌水量預測工作及采空區補給量預測工作起到了重要指導作用。

4 結束語

在煤礦建設與生產過程中，提高礦井水文地質預測預報的準確性對煤礦安全生產工作尤為重要，只有提高了預測預報水平，才能防止礦井水害事故發生，保證礦井安全生產工作正常有序開展。本文以解析法作為金鳳煤礦回采工作面涌水量預測的理論依據，將計算得出的涌水量值與工作面回采過程中實測涌水量值進行對比分析，證明了解析法計算出的金鳳煤礦回采工作面不同開采階段的涌水量值與實際涌水量值基本一致，該方法在金鳳煤礦回采工作面涌水量預測工作中得到了有效地應用，對金鳳煤礦011202回采工作面及后期開采的其它工作面涌水量預測工作做出了重要的貢獻。

參考文獻：

[1]鄭世書.專門水文地質學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1999.

[2]海瑋，馬勇等.金鳳煤礦首采區水文地質補充勘探報告[R].銀川：寧夏煤炭勘察工程公司，2012.

作者簡介：馬強（1985-），助理工程師，2010年畢業于長安大學地質工程專業，現任神華寧夏煤業集團金鳳煤礦地測科技術員。