榆神礦區(qū)曹家灘井田首采工作面涌水量預測

方 剛， 梁向陽， 黃 浩

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，西安 710077；3.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，西安 710054)

榆神礦區(qū)位于中國陜北地區(qū)侏羅紀煤田中部，區(qū)內(nèi)現(xiàn)有錦界、涼水井、小壕兔、小保當、曹家灘、杭來灣、榆樹灣、郭家灘、大保當、金雞灘等多個大型井田，其煤質(zhì)優(yōu)良、資源豐富，是西北地區(qū)重要的原煤生產(chǎn)地之一。鄂爾多斯盆地內(nèi)的侏羅紀煤田普遍存在頂板含水層水害問題[1-2]，區(qū)內(nèi)各礦井在多年開發(fā)、采掘過程中，均不同程度地遭受其煤層上覆含水層水的影響[3- 4]。在礦井工作面回采前，能夠科學、合理、準確地預測涌水量，將有助于后期生產(chǎn)過程中的水文地質(zhì)及礦井防治水工作高效開展。

近年來，諸多學者對礦井涌水量預測問題進行了一定的分析研究。謝道文等[5]提出一種既考慮模糊性又考慮隨機性的云加權(quán)馬爾可夫預測模型，具體通過概念云劃分，確定各情形出現(xiàn)的頻數(shù)權(quán)重，計算預測樣本所屬狀態(tài)的概率矩陣，根據(jù)最大隸屬度建立模型，最后進行礦井涌水量預測及與實際對比驗證。汪偉等[6]收集礦山日涌水量時間序列，運用聯(lián)合算法確定其重構(gòu)參數(shù)，對其進行相空間重構(gòu)，以定性和定量方法結(jié)合辨識重構(gòu)序列的混沌特征，并根據(jù)加權(quán)一階局域法建立礦井涌水量預測模型。羅安昆等[7]建立導水斷裂帶未能貫穿含水層的水文地質(zhì)概化模型，將含水層概化為垂直方向上互不影響的兩元結(jié)構(gòu)，提出倒置非完整大井法，得出相應的數(shù)學模型。李鐸等[8]針對巖溶地區(qū)金屬礦床地下水多個滲流方向的各向異性，建立三維滲流模型，采用通用水頭邊界，隨著降深變化邊界流入量依據(jù)水位值計算得到，并利用群孔抽水試驗和長觀資料對模型進行識別驗證。來永偉等[9]提出利用非穩(wěn)定流定降深法預測煤層頂板含水層的涌水量，該方法可充分利用非穩(wěn)定流抽水試驗求得水文地質(zhì)參數(shù)，較傳統(tǒng)的穩(wěn)定流解析法、數(shù)值法更為直觀簡單。王猛等[10]基于ARIMA(auto regressive integrated moving average)季節(jié)乘積模型，提出一種礦井涌水量預測方法，通過普通差分和季節(jié)差分保證礦井涌水量時間序列的平穩(wěn)化，以模型定階、參數(shù)估計和假設檢驗等過程建立合適的乘積季節(jié)模型ARIMA(2,1,1)(1,1,1)12。李建林等[11]基于礦井涌水量序列具有明顯的隨機性和灰色特征，建立涌水量GM(1,2)預測模型(grey model)，以克服灰色GM(1,1)模型對于隨機波動大的長序列預測效果差的缺點；李建林等[12]還提出在確定Hurst指數(shù)和平均循環(huán)周期的基礎上，將R/S(rescaled range analysis)分析與灰色系統(tǒng)理論相結(jié)合以預測礦井涌水量。連會青等[13]采用數(shù)值法實時預測采掘進程中礦井涌水量動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)與以往采區(qū)范圍固定不變的模擬方法相比，考慮按工作面開采時間先后順序進行水量預測，實時調(diào)整新采區(qū)內(nèi)的虛擬開采井，其預測結(jié)果更為接近實際。王雪冬等[14]提出采用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(GRNN)引入到礦井涌水量預測中，將大氣降水、采空區(qū)面積、底板構(gòu)造斷裂和采動裂隙等3個影響因子作為網(wǎng)絡輸入，涌水量作為預測輸出，采取交叉驗證方法獲得光滑因子來建立預測模型。

前人關于礦井涌水量預測方面的研究觀點、內(nèi)容均取得了一定的成果，但可能由于地域限制、開采時限等原因，對于陜北侏羅紀煤田榆神礦區(qū)內(nèi)礦井的涌水量預測方面的實際研究與應用成果尚不多見，后期還需繼續(xù)更進一步的開展研究。為此，以榆神礦區(qū)曹家灘井田122106首采工作面為例，通過多種方法進行涌水量預測，并分析對比各自結(jié)果，最終結(jié)合礦井實際，提出相對最適用于本礦井的涌水量預測方法。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

1.1 井田概況

曹家灘井田位于陜西省榆林市北部，地處榆神礦區(qū)中部(圖1)。井田面積約108.5 km2，含煤地層延安組，有可采煤層11層，其中全區(qū)可采煤層4層，分別為2-2上、2-2(2-2下)、3-1、4-3煤層，大部可采煤2層，分別為4-2、5-3(5-3上)；局部可采煤層5層，分別為1-1、1-2、5-2、5-3下、5-4煤層，礦井首采2-2煤層，達產(chǎn)設計生產(chǎn)能力為15 Mt/a。

井田位于鄂爾多斯高原東北部，陜北黃土高原北部，為沙丘沙地、風沙灘地和黃土梁峁地貌，地形總體北高東低。井田范圍內(nèi)水系不發(fā)育，僅井田東南有野雞河、高羔兔溝這2條小型季節(jié)性溝流，另外井田內(nèi)有個別水庫分布。

井田含水層主要為新生界松散層孔隙潛水含水層和中生界碎屑巖裂隙承壓水及潛水含水層，具體為：第四系松散層潛水含水層[單位涌水量q=0.116～1.2 L/(s·m)，滲透系數(shù)K=1.27～14.822 m/d]富水性中等-強；侏羅系中統(tǒng)安定組裂隙承壓含水層[q=0.004 1～0.056 4 L/(s·m)，K=0.005 6～0.205 m/d]富水性弱；侏羅系中統(tǒng)直羅組裂隙承壓含水層[q=0.000 502～0.093 3 L/(s·m)，K=0.002 807～0.35 m/d]富水性弱；侏羅系中統(tǒng)延安組裂隙承壓含水層[q=0.000 7～0.046 61 L/(s·m)，K=0.000 72～0.014 4 m/d]富水性弱[15-16]。

圖1 井田位置及四鄰關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of mine field location and neighborhood relationship

1.2 首采工作面概況

曹家灘煤礦122106首采工作面開采2-2煤層，地面位置位于礦井工業(yè)廣場東南側(cè)，井下工作面北部是為整個礦井服務的三條大巷，南部為礦井規(guī)劃13盤區(qū)。工作面南部接續(xù)122108工作面，北部緊鄰122104工作面；西部為122109工作面。工作面長 6 300 m，寬350 m，開采煤層厚度為6 m，采用綜合機械化一次性采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板。

根據(jù)礦井導水裂隙帶高度預計[16]，首采面2-2號煤導水裂縫帶高度為162 m(裂采比27倍計算)。由工作面附近以往鉆孔資料可知，2-2號煤回采后頂板產(chǎn)生的導水裂隙帶不會穿透全部基巖(基巖全厚183.54～219.5 m)，屆時煤層上覆延安組含水層及直羅組層含水層均處于導水裂隙帶范圍之內(nèi)，部分區(qū)域還包括風化基巖裂隙孔隙含水層，區(qū)內(nèi)的保德組相對隔水層厚度約50～130 m，且未發(fā)現(xiàn)有缺失的“天窗”地帶，因此2-2號煤層開采時，其上覆的延安組含水層和直羅組含水層為主要充水水源，還包括部分區(qū)域的風化基巖裂隙孔隙含水層水，當進行2-2號煤層回采階段涌水量預測時主要考慮這3個含水層。

2 涌水量預測方法介紹

根據(jù)第1節(jié)分析敘述的首采工作面充水水源及充水方式，各類涌水量預測方法和公式如下。

2.1 大井法

礦井排水時，在礦井周圍含水層中形成以巷道系統(tǒng)為中心的具有一定形狀的降落漏斗。這與鉆孔抽水所形成的降落漏斗十分相似，因此，可以將巷道系統(tǒng)分布范圍假設為一個理想的“大井”，其截面積與巷道系統(tǒng)的分布面積相當，利用地下水動力學的井流公式來計算巷道系統(tǒng)的涌水量[17]。其計算公式為

(1)

R0=r0+R

(2)

(3)

式中：Q為涌水量，m3/h；K為滲透系數(shù)，m/d；H為水頭高度，m；M為含水層厚度，m；S為水位降深，m；R為影響半徑，m；R0為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m。

2.2 廊道法

將礦井122106首采工作面視為一狹長的坑道，其邊界為一矩形區(qū)域，水平廊道法承壓轉(zhuǎn)無壓水完整井(兩側(cè)進水)[18]，計算公式如式(4)所示：

(4)

式(4)中：B為巷道水平長度，m；h為動水位至底板隔水層水柱高度，m。

2.3 動靜結(jié)合法

在進行工作面涌水量預計時需包含導水裂隙帶周邊的側(cè)向補給水量和導水裂隙帶內(nèi)含水層的水量，根據(jù)有無補給源可稱其為動態(tài)水和靜態(tài)水。動態(tài)水主要指垮落后，導水裂隙帶波及到的周邊含水層以斷裂面為通道，對采空區(qū)進行源源不斷側(cè)向補給，這部分水因為有補給源所以稱為動態(tài)補給水，簡稱動態(tài)水；靜態(tài)水補給主要指垮落后，導水裂隙帶內(nèi)波及的含水層以密集裂隙為通道，將其內(nèi)部包含的水釋放出來流入到工作面內(nèi)，這部分水因為沒有補給源稱之為靜態(tài)釋放水，簡稱靜態(tài)水。在進行水量預計時須分開計算[19-20]。

動態(tài)水計算方法同2.1節(jié)大井法計算公式，即

(5)

靜態(tài)水包括含水層彈性釋水和重力釋水兩部分，即

Qj=Qt+Qz

(6)

(7)

Qz=μdFm

(8)

式中：Qd為動態(tài)水涌水量，m3/h；Qj為靜態(tài)水涌水量，m3/h；qt為彈性釋水量，m3/h；Qt為彈性釋水造成工作面涌水量，m3/h；Qz為重力釋水造成工作面涌水量，m3/h；S′為儲水系數(shù)；F為采空區(qū)面積，m2；b為采空區(qū)寬度，m；l為工作面推進長度，m；v為工作面推進速度，d/m；ΔH為采空區(qū)內(nèi)頂板含水層承壓水位降深，m；μd為含水層重力給水度(一般為0.007～0.018)；F為疏干面積，m2；m為含水層厚度，m。

2.4 比擬法

水文地質(zhì)比擬法是利用地質(zhì)、水文地質(zhì)條件類似、開采方法基本相同的生產(chǎn)礦井(采區(qū)或工作面)的排水或涌水量觀測資料，來預測新建礦井的涌水量[21-22]。比擬法應用的前提是新建礦井(采區(qū)或工作面)與老礦井(采區(qū)或工作面)的條件應基本相似，老礦井要有長期的水量觀測資料，以保證涌水量與各影響因素之間數(shù)學表達式的可靠程度。但水文地質(zhì)條件完全相似的礦井少見，再加上開采條件也有差異，因此它只是一種近似的計算方法。

(9)

式(9)中：Q1、Q2分別為比擬礦井、預計礦井的涌水量，m3/h；F1、F2分別為比擬礦井、預計礦井的采掘面積，m2；m為待定系數(shù)，可由最小二乘法求得，取m=0.5。

2.5 數(shù)值法

采用Visual MODFLOW軟件作為地下水模擬工作的工具[23-24]，建立122106首采工作面2-2號煤頂板第四系松散巖類孔隙及孔隙裂隙潛水、風化基巖、直羅組與延安組基巖裂隙承壓水含水層組的三維數(shù)值模型(圖2)，通過計算分析2-2號煤層開采形成導水裂隙帶計算成果，預測工作面開采時的涌水量。

3 涌水量預測結(jié)果

根據(jù)礦井在122106首采工作面開展的物探及鉆探工作范圍，工作面回采涌水量預測以工作面開切眼以外2.7 km2面積為準，其計算邊界以工作面開采區(qū)域為界，預測結(jié)果是對該工作面進行全面疏干所得。

礦井首采工作面2-2號煤開采后頂板導水裂隙帶波及的上覆含水層有3層，綜合選取曹家灘井田以往地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探鉆孔資料可知：風化基巖裂隙孔隙含水層涉及7個鉆孔，具體為檢1、檢5、DCC-2、DCC-3、FHG-1、FHG-2、FHG-3；直羅組含水層涉及8個鉆孔，具體為補51、檢3、檢4、DCC-1、DCC- 4、ZLG-1、ZLG-2、ZLG-3；2-2號煤上覆延安組含水層涉及8個鉆孔，具體為C7、C12、D6、檢4、補7、補51、DCC-2、DCC-3。因此工作面涌水量預測參數(shù)均來源于以上鉆孔數(shù)據(jù)。

3.1 大井法

工作面涌水量預算各參數(shù)如表1所示，其中，疏干水位降深為平均自然水位標高至疏干含水層底板標高的距離，與水柱高度同值；各方法預測結(jié)果均為工作面正常涌水量，最大涌水量為正常開采條件下雨季期間的最大涌水量，取值為正常涌水量的1.2倍(區(qū)內(nèi)礦井多年觀測實際及經(jīng)驗值參考)。

各參數(shù)代入式(1)，在頂板含水層靜儲量充分預疏放的情況下，礦井122106首采工作面開采2-2號煤正常涌水量404 m3/h；最大涌水量為 485 m3/h。

3.2 廊道法

由于風化基巖裂隙含水層波及面積較小，水平廊道法無法對其涌水量進行預計，因此含水層僅針對直羅組及延安組五段含水層進行預測(表2)。

表2 廊道法預計工作面涌水量參數(shù)Table 2 Parameter of water inflow predicted by corridor method

經(jīng)計算，利用水平廊道法預測的礦井涌水量為570 m3/h，礦井最大涌水量為684 m3/h。

3.3 動靜結(jié)合法

工作面動儲量計算采用大井法計算公式，但由于該工作面為首采面，根據(jù)區(qū)內(nèi)經(jīng)驗，首采面回采后釋放的基本為上覆含水層靜儲量，因此對工作面靜儲量主要進行預測。

根據(jù)井田水文補勘期間的抽水試驗參數(shù)，儲水系數(shù)S′的取值約為10-6，因此在靜儲量計算時將各含水層彈性釋水水量可忽略，故取重力給水的涌水量值。

由于風化基巖含水層受采動影響范圍有限(僅0.2 km2)，因此計算時不將其作為靜儲量計算考慮含水層。同時，根據(jù)區(qū)內(nèi)相似條件礦井實測取值，延安組-直羅組砂巖含水層重力給水度正常為0.018 9，通過計算，曹家灘井田122106首采工作面開采2-2號煤可能波及的含水層儲量約為1 852.2×104t，根據(jù)礦井全年工作日為330 d，礦井生產(chǎn)能力為 15×106t/a，經(jīng)計算得到，曹家灘井田122106首采工作面靜儲量造成的礦井涌水量為617 m3/h，最大涌水量740 m3/h。

3.4 比擬法

榆樹灣煤礦位于曹家灘井田東南部，開采2-2號煤，埋深一般為254.85～312.21 m，2-2號煤平均厚度為11.68 m，上覆基巖厚度為90.15～167.89 m，土層厚度95.08～188.50 m，砂層厚度0～35.21 m，一般14 m左右，水位埋藏較淺，一般為0.73～2.86 m，富水性中等-弱。實際生產(chǎn)規(guī)模達8×106t/a，該礦井正常涌水量為470 m3/h，最大涌水量為530 m3/h，不均衡系數(shù)約為1.13。

曹家灘礦井涌水量預計采用相鄰礦井面積比擬法，即利用榆樹灣煤礦已開采的20104、20106工作面來預計曹家灘122106工作面涌水量，其中榆樹灣煤礦20104、20106工作面合計開采面積為2 628 320 m2。

根據(jù)比擬法計算公式[式(9)]，可得曹家灘煤礦122106首采工作面正常涌水量為464 m3/h，最大涌水量為557 m3/h。

3.5 數(shù)值法

根據(jù)礦井采掘規(guī)劃，122106首采工作面可開采412 d，可分為13.54月(進度期)，工作面涌水量按照采掘規(guī)劃進行動態(tài)預測(圖3、表3)。

圖3 工作面推進示意圖Fig.3 Working face advance diagram

表3 廊道法預計工作面涌水量參數(shù)Table 3 Parameters for predicting water inflow of working face by corridor method

由表3可知，工作面回采的第一個月，涌水量為137 m3/h，隨著推進距離的增加涌水量逐漸減小，后期減小為8.16 m3/h，采用數(shù)值模擬法預測的122106工作面正常涌水量約為589 m3/h，計算其最大涌水量約為707 m3/h。

4 涌水量預測評述

通過第3節(jié)5種方法預測了曹家灘井田122106首采工作面正常、最大涌水量，各方法預測涌水量結(jié)果對比如表4所示。

表4 各方法預測涌水量結(jié)果對比Table 4 Comparison of the results of water inflow predicted by each method

大井法是早期礦井計算涌水量時的常用預測方法，其需要考慮的參數(shù)較多，礦井涌水量預測使用的參數(shù)是由井田水文地質(zhì)補充勘探期間多個單孔抽水試驗共同確定的，雖具有普遍性及可靠性，但預測結(jié)果可能與實際涌水量存在一定偏差，同時由于近年來現(xiàn)行礦井生產(chǎn)過程中觀測的涌水量數(shù)據(jù)與前期使用大井法預測涌水量偏差較大，故使用該方法計算值僅作參考。

水平廊道法采用的水文參數(shù)由井田水文地質(zhì)補勘位于首采面的水文孔抽水試驗資料提供，求得的滲透系數(shù)屬于實測參數(shù)，真實可靠，基本能反映礦井真實的水文地質(zhì)特征。但是在計算過程中，公式對工作面的跨度考慮因素不足，因此可能缺乏一定的準確性，其預測值相對實際涌水量可能存在較大的偏差。

動靜結(jié)合法預測的首采工作面涌水量，動態(tài)涌水量采用的水文參數(shù)由井田水文地質(zhì)補勘位于首采面的水文孔抽水試驗資料提供，求得的滲透系數(shù)屬于實測參數(shù)，基本能反映礦井真實的水文地質(zhì)特征。但是由于礦井工作面首次開采，僅使用的靜儲量計算參數(shù)可為后期涌水量預計提供借鑒參考，其適用性可能存在一定的精度偏差，需后期驗證。因此，使用動靜結(jié)合法計算所得首采面礦井涌水量與真實工作面涌水量可能存在一定的偏差。

數(shù)值法選用參數(shù)為井田水文補勘鉆孔數(shù)據(jù)，但在模型構(gòu)建及后期計算過程中，可能涉及地層劃分不細致、部分地層參數(shù)調(diào)整等因素影響，造成計算結(jié)果與實際偏差較大。

由于曹家灘井田與榆樹灣煤礦開采位置相鄰、煤層相同、方法一致，各含水層性質(zhì)及富水性雖有所差異，但差別不大；且榆樹灣煤礦在巷道掘進過程中對礦井涌水做了大量的統(tǒng)計及資料整理工作，利用榆樹灣煤礦涌水量資料進行比擬法預計的曹家灘井田122106首采工作面涌水量可能也會存在一定的偏差，但該預測值應最為接近礦井實際。

綜上分析，結(jié)合相鄰礦井涌水情況，采用比擬法預測曹家灘煤礦首采工作面礦井涌水量，即在開采122106首采工作面時的正常涌水量為464 m3/h，最大涌水量為557 m3/h。

5 結(jié)論

(1)曹家灘井田122106首采工作面開采2-2號煤頂板導水裂隙帶預計高度為162 m，為工作面開采過程中的主要充水通道，工作面回采期間的主要充水水源為煤層上覆的侏羅系延安組含水層、直羅組層含水層，以及部分風化基巖裂隙孔隙含水層。

(2)采用大井法、廊道法、動靜結(jié)合法、比擬法、數(shù)值法這5種方法對122106首采工作面未來正常涌水量進行預計，其計算值分別為404、570、617、464、589 m3/h；最大涌水量取正常涌水量的1.2倍系數(shù)進行計算。

(3)通過對各預計方法優(yōu)缺點討論對比，認為比擬法的計算值最能夠接近礦井生產(chǎn)實際，故選取比擬法預測的曹家灘井田122106首采工作面涌水量結(jié)果，即工作面開采2-2號煤的正常涌水量為464 m3/h，最大涌水量為557 m3/h。