解析法在金鳳煤礦工作面涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：以金鳳煤礦011202回采工作面為例，在工作面開(kāi)采前采用解析法對(duì)工作面的靜儲(chǔ)量和動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量進(jìn)行理論計(jì)算，并與開(kāi)采期間工作面的實(shí)際涌水量進(jìn)行對(duì)比。得出解析法計(jì)算出的涌水量與實(shí)際涌水量基本一致，該計(jì)算方法在金鳳煤礦回采工作面涌水量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作中得到有效應(yīng)用，對(duì)礦井防治水工作具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：靜儲(chǔ)量；動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量；涌水量

神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)金鳳煤礦位于寧夏吳忠市鹽池縣境內(nèi)，2008年7月23日開(kāi)工建設(shè)，2011年8月18日投入生產(chǎn)。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬(wàn)噸，服務(wù)年限57.2年，礦井水文地質(zhì)類型為中等偏復(fù)雜。

011202工作面位于金鳳煤礦一采區(qū)十二煤南翼二區(qū)段，開(kāi)采的煤層為侏羅紀(jì)中統(tǒng)延安組的12#煤層。12煤在本區(qū)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(xì)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(xì)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(kāi)始開(kāi)采，2015年1月15日開(kāi)采結(jié)束，開(kāi)采長(zhǎng)度為1485m。

1 解析法計(jì)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(chǔ)量Qj（m3/h）和動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量Qd（m3/h）兩部分組成：Q=Qj+Qd

其中動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量的確定關(guān)鍵是滲透系數(shù)的確定，靜儲(chǔ)量的確定關(guān)鍵是給水度的確定。

1.1 動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量計(jì)算

動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量采用“大井法”進(jìn)行計(jì)算。

“大井法”是礦坑涌水量計(jì)算常用方法之一，它是把礦區(qū)水平坑道系統(tǒng)所占的面積看成是等價(jià)于一個(gè)理想的“大井”面積，整個(gè)坑道系統(tǒng)的涌水量就相當(dāng)于“大井”的涌水量，對(duì)于頂板砂巖水的疏干水量預(yù)計(jì)，其計(jì)算公式為承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓公式[1]，如下：

Qd=1.366K·

式中：Qd——?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)給量，m3/h；

K——滲透系數(shù)，m/d；（《金鳳煤礦首采區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告》[2]中，針對(duì)12煤頂板砂巖含水層進(jìn)行DG3鉆孔抽水試驗(yàn)，得到滲透系數(shù)為0.0113m/d。）

M——含水層厚度，m；（根據(jù)011202工作面周邊多個(gè)鉆孔的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合頂板導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算結(jié)果，取平均值15m。）

H——水頭高度，m；（參考現(xiàn)有的鉆孔抽水試驗(yàn)資料，12煤頂板砂巖含水層的水位標(biāo)高為1352m，011202工作面煤層底板平均標(biāo)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(zhì)無(wú)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(jì)算：

R0=r0+R [1] R=10S [1]；

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

式中：a，b分別表示矩形工作面的邊長(zhǎng)，η表示計(jì)算引用半徑參數(shù)，取值見(jiàn)表1。

工作面回采過(guò)程中，周期性冒落后動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量（穩(wěn)定涌水量）預(yù)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 計(jì)算引用半徑參數(shù)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(wěn)定涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算成果表

[階段＼&回采范圍（m）＼&動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量 （m3/h）＼&初次來(lái)壓

第二次來(lái)壓

第三次來(lái)壓

…

整個(gè)工作面＼&40

60

80

…

1485＼&5.7

6

6.3

…

21.9＼&]

表2中工作面初次來(lái)壓步距（40m）和周期來(lái)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(jì)算。故初次來(lái)壓時(shí)工作面動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量為5.7m3/h，開(kāi)采結(jié)束時(shí)工作面動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量為21.9m3/h。

1.2 靜態(tài)儲(chǔ)存量計(jì)算

采用靜儲(chǔ)量計(jì)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(shù)的乘積μe較小，在靜儲(chǔ)量計(jì)算時(shí)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(jì)算中：Qj=Qz=μd·F·m

上式中：Qj——靜態(tài)存儲(chǔ)量，m3；

Qt——彈性釋水量，m3；

Qz——重力給水量，m3；

μe——彈性釋水系數(shù)（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(zhǎng)1485m，傾向長(zhǎng)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(duì)整個(gè)011202工作面12煤頂板砂巖水的總靜儲(chǔ)量、頂板初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距范圍內(nèi)含水層的靜儲(chǔ)量進(jìn)行估算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 011202工作面頂板砂巖含水層靜儲(chǔ)量計(jì)算表

[估算范圍＼&走向長(zhǎng)度（m）＼&斜長(zhǎng)（m）＼&含水層厚（m）＼&給水度＼&靜儲(chǔ)量（m3）＼&初次來(lái)壓

周期來(lái)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(jì)劃回采9個(gè)月（6480小時(shí)），故回采過(guò)程中011202工作面靜態(tài)存儲(chǔ)量為19.1m3/h。

1.3 工作面涌水量計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算，可得出011202工作面回采期間的涌水量大小，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 011202工作面涌水量計(jì)算成果表

[序號(hào)＼&平均推進(jìn)距離（m）＼&動(dòng)態(tài)涌水量（m3/h）＼&靜儲(chǔ)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(shí)際涌水量

011202工作面在回采期間采取對(duì)涌水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，其中工作面初次來(lái)壓時(shí)實(shí)測(cè)涌水量為23m3/h（比來(lái)壓前增加了5m3/h）；隨著工作面向前開(kāi)采，涌水量逐漸增大；當(dāng)工作面回采至停采線時(shí)，實(shí)測(cè)涌水量為40m；當(dāng)工作面開(kāi)采結(jié)束涌水量穩(wěn)定后，實(shí)測(cè)采空區(qū)補(bǔ)給量為21m3/h。

3 工作面涌水量對(duì)比評(píng)價(jià)

將解析法計(jì)算得出的工作面涌水量與工作面在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中實(shí)測(cè)得到的涌水量進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

①采用解析法計(jì)算得出的工作面初次來(lái)壓時(shí)的涌水量、開(kāi)采結(jié)束時(shí)的涌水量以及涌水量隨推進(jìn)距離變化情況與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)涌水量值基本一致。

②整個(gè)工作面的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量（21.9m3/h）與工作面開(kāi)采結(jié)束后采空區(qū)的實(shí)際補(bǔ)給量（21m3/h）基本一致。

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

④采用解析法計(jì)算出的金鳳煤礦回采工作面涌水量較為準(zhǔn)確，該方法對(duì)金鳳煤礦回采工作面涌水量預(yù)測(cè)工作及采空區(qū)補(bǔ)給量預(yù)測(cè)工作起到了重要指導(dǎo)作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

在煤礦建設(shè)與生產(chǎn)過(guò)程中，提高礦井水文地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作尤為重要，只有提高了預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平，才能防止礦井水害事故發(fā)生，保證礦井安全生產(chǎn)工作正常有序開(kāi)展。本文以解析法作為金鳳煤礦回采工作面涌水量預(yù)測(cè)的理論依據(jù)，將計(jì)算得出的涌水量值與工作面回采過(guò)程中實(shí)測(cè)涌水量值進(jìn)行對(duì)比分析，證明了解析法計(jì)算出的金鳳煤礦回采工作面不同開(kāi)采階段的涌水量值與實(shí)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(yù)測(cè)工作中得到了有效地應(yīng)用，對(duì)金鳳煤礦011202回采工作面及后期開(kāi)采的其它工作面涌水量預(yù)測(cè)工作做出了重要的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭世書(shū).專門水文地質(zhì)學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[2]海瑋，馬勇等.金鳳煤礦首采區(qū)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告[R].銀川：寧夏煤炭勘察工程公司，2012.

作者簡(jiǎn)介：馬強(qiáng)（1985-），助理工程師，2010年畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)任神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)金鳳煤礦地測(cè)科技術(shù)員。