大井法和富水系數法在礦井涌水量預測中的應用

郭 海，陳旭東，郭雪飛，田 慈

(河北地質大學，河北 石家莊 050031)

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大井法和富水系數法在礦井涌水量預測中的應用

郭 海，陳旭東，郭雪飛，田 慈

(河北地質大學，河北 石家莊 050031)

指出了大井法和富水系數法是兩種傳統的礦井涌水量預測方法，分析了這兩種方法在礦井涌水量預測中的應用，并通過對河北省唐山某煤礦礦井涌水量的預測，結果表明：在特定情況下富水系數法預測結果比應用較為廣泛的大井法的預測結果更加合理可靠。

涌水量；大井法；富水系數法

1　引言

礦井涌水量是指在礦山建設和生產過程中，單位時間內涌入礦坑(包括井、巷和開采系統)的水量[1]。礦井涌水量的預測是礦井安全生產的重要指標，也是判斷礦井是否經濟的一項重要指標。目前，國內外有很多預測礦井涌水量的方法，可以分為兩大類：確定性方法和非確定性方法[2]。確定性分析方法主要包括解析法、水均衡法和數值法三大類；非確定性分析法又稱為統計分析方法[3]，主要包括水文地質比擬分析法、相關分析法、時間序列分析法[4]等。大井法是確定性方法中解析法的一種，富水系數法則是非確定性方法中水文地質比擬法中的一種。筆者將對大井法和富水系數法分別進行分析和總結，并應用這兩種方法對河北省唐山某煤礦的涌水量進行預測，分析比較兩種方法的預測結果，可以為礦山開采提供一定的參考依據。

2　大井法

大井法是一種穩定流解析方法[5]。大井法的原理是在礦床疏干排水的過程中，應用井流理論和等效原則將復雜的礦坑開挖巷道系統等效的看成是一個具有等效半徑的大井在排水，大井的涌水量即為整個礦坑巷道系統的涌水量。

大井法的計算公式為：

應用大井法預測礦井涌水量，具有快速、簡便和經濟等優點。但大井法預測模型是理想化模型，應用大井法計算礦坑涌水量時，要求地下水處于穩定流動狀態，符合達西直線滲透定律；假定含水層均質各向同性，分布廣泛，且含水層、隔水層頂、底板必須是水平的。因此，大井法在降深較大、礦井水文地質條件較為復雜的礦井涌水量預測中產生的誤差較大。為了使大井法預測更為精準，陳思佳等人[6]按掘進進度將礦井工作面進行分段，分別用大井法對各個分段進行涌水量預測，使礦井涌水量預測值較傳統大井法預測值精確，但此方法的本質和傳統大井法預測涌水量是一致的，而且也大大提升了計算的工作量。

3　富水系數法

富水系數法是水文地質比擬法的一種，也是傳統預測礦井涌水量的方法的一種。它利用地質和水文地質條件相似、開采方法基本相同生產礦井的排水或涌水量觀測資料，來預測新建礦井的涌水量[7]。當相似生產礦井有長期可靠的涌水量觀測資料時，可以尋找涌水量與各影響因素之間的相關性，得到可靠的涌水量與各影響因素之間的相關關系。

富水系數法的計算公式為：

4　實例分析

應用大井法和富水系數法對河北省唐山某煤礦涌水量預測。

4.1礦井充水水源及充水通道

礦井涌水量主要受地下水的影響，礦井的直接充水含水層主要包括5煤層頂板砂巖裂隙承壓含水層、5～12煤層砂巖裂隙承壓含水層組和12～14煤層砂巖裂隙承壓含水層；間接充水含水層主要包括第四系底部卵礫石強含水層和煤系底部奧陶系巖溶裂隙承壓含水層，為直接含水層的主要補給來源。礦井直接充水含水層和間接充水含水層，各個含水層之間都有較好的隔水層存在，水力聯系微弱。

該礦區的充水通道主要包括：采動導水裂隙帶、斷裂帶、巖溶陷落柱及封閉不良的鉆孔。

4.2礦區涌水量計算

目前該礦一水平開采已經結束，二水平回采處于掃尾階段，三、四水平為主要回采水平，主采煤層為7S、8S、9S和12S煤層，三、四水平該礦水文地質條件類型劃分時涌水量預測的主要預測水平。

4.2.1應用大井法計算

假設：①井田三、四水平直接充水含水層(5煤以上砂巖裂隙含水層、5～12煤砂巖裂隙含水層、12～14煤砂巖裂隙含水層)富水程度和充水程度穩定；②各含水層的水文地質參數穩定、變化較小；③忽略工作面短時間非穩定充水過程；④概化三、四水平開采區開采時的礦井充水過程為近似穩定流井。

則，應用承壓含水層穩定流大井法預測礦井涌水量，公式為：

其中，水位降深H-h取頂板承壓含水層疏放至頂板時為300 m；滲透系數K取直接充水含水層滲透系數的平均值0.69 m/d；含水層厚度M取直接充水含水層組中-粗砂巖之和40 m；大井半徑r0，三水平661 m，四水平338 m；引用影響半徑R0，三水平3153 m，四水平2829 m。

計算得三水平開采時的正常涌水量為23.124 m3/min，四水平開采時的正常涌水量為17.004 m3/min。

4.2.2應用富水系數法計算

2007～2012年全礦涌水量為34.166～15.125 m3/min，礦井涌水量與采空面積、開拓長度的相關關系曲線如圖1所示。經計算，礦井涌水量與采空面積、開拓長度的線性相關系數分別為0.345、0.531，礦井涌水量與采空面積不相關，與開采長度相關性中等；采空面積與開采長度不宜直接用于預測礦井或工作面涌水量。

圖1礦井涌水量與采空面積及開拓長度相關關系曲線

由于井田工作面以頂、底板弱含水層直接滴淋充水為特征，回采工作面最大程度揭露了直接充水含水層，回采工作面的噸煤富水系數較穩定(自1989年統計結果)，噸煤富水系數宜作為涌水量預測參數。

此時，涌水量計算公式為：Q=Kp×p0，根據2001年至今回采工作面涌水量和回采噸煤量的統計計算，求得三、四水平、各采區、各煤層的噸煤富水系數如表1所示。

通過計算可得，三水平的正常涌水量為4.81 m3/min，四水平的正常涌水量為1.54 m3/min。

兩種方法預測結果有一定偏差，基于穩定流大井法的預測結果偏大，主要原因是大井法概化時，忽略了非穩定流含水層疏干過程的涌水量衰減現象和疏干漏斗

表1　富水系數

形成過程。富水系數法基于回采對各水平、各煤層的充分揭露數據，同時，較好處理了不同水平、不同采區、不同煤層涌水特征的差異，預測結果更為合理和可靠，因此可作為今后防治水工作的主要參考依據。

5　結論

大井法和富水系數法都是傳統的礦井涌水量預測方法。大井法對于水文地質條件相對簡單的礦井涌水量預測比較準確，對于條件復雜的礦井，邊界的簡化及概化模型計算參數的選取都會影響預測的精度；富水系數法是基于統計分析思想的一種方法，雖然計算粗糙，但在有基本條件相似且有長期涌水量觀測資料的老礦井的基礎下，預測結果更為合理可靠。

[1]曹劍峰，遲寶明，王文科，等．專門水文地質學[M]．3版.北京：科學出版社，2006．

[2]楊永國，韓寶平，謝克俊，等．用多變量時間序列相關模型預測礦井涌水量[J]．煤田地質與勘探，1995，23(6)：38～42．

[3]陳酩知，劉樹才，楊國勇．礦井涌水量預測方法的發展[J]．工程地球物理學報，2009，6(1)：68～72．

[4]宋穎霞．礦井涌水量時間序列預測方法研究[J]．綠色科技，2014(7)，268～269．

[5]華解明．“大井法”預測礦井涌水量問題探討[J]．中國煤炭地質，2009,21(6)：45～47．

[6]陳思佳，駱祖江．“分段大井法”預測礦井工作面涌水量[J]．中國煤炭地質，2016,28(1)：41～43．

[7]杜敏銘，鄧英爾，許模．礦井涌水量預測方法綜述[J]．地質學報，2009,29(1)：70～73．

2016-07-11

郭海(1990—)，男，河北地質大學碩士研究生。

P641.4+1

A

1674-9944(2016)16-0088-03