礦井涌水量的預測方法分析與探討

方 立，韓 鵬

（1.河南黃河水文勘測設計院，河南 鄭州 450004；2.水利部海河水利委員會，天津 300170）

礦井涌水量主要是指礦山建設和生產活動中單位時間內井巷中所涌出的水量。在制訂礦井防治水方案時，可以將涌水量作為主要的參考依據，也可以通過涌水量來判定礦井生產的安全性，涌水量預測也是采礦業取水項目水資源論證的重要內容。本文以A煤礦為例，進行礦井涌水量預測方法的分析與探討。

1 基本情況

本次論證A煤礦位于內蒙古鄂爾多斯市境內某煤田的中北部。礦井設計范圍井田東西最長25.44 km，南北最寬15.69 km，礦區面積345.53 km2。

全井田共劃分為10個盤區，其中3-1煤層5個盤區，即西一、西二、西三、東一、東二盤區；下部煤層與3-1煤層對應設5個盤區。本次開采范圍是井田首采區的西一盤，位于井田的中西部，面積為40.51 km2。

2 地質條件

新生代地質營力作用在井田表現較為強烈，上部地層遭受剝蝕并被枝狀溝谷切割破壞。區內地層由老至新發育有三疊系上統延長組（T3y），侏羅系中下統延安組（J1-2y），侏羅系中統（J2），白堊系下統志丹群（K1zh）和第四系（Q）。

該井田構造形態與區域含煤地層構造形態基本一致，總體為一向南西傾斜的單斜構造，地層產狀沿走向及傾向均有一定變化，但變化不大。沿走向發育有寬緩的波狀起伏，井田內未發現大的斷裂和褶皺構造，亦無巖漿巖侵入，地質構造簡單，即構造簡單類型。

3 預測理論分析

3.1 計算范圍分析

井田范圍內發育有多個含、隔水層段。其中，含水層主要包含第四系（Q）松散層潛水含水層、白堊系下統志丹群（K1zh）孔隙潛水～承壓水含水層、侏羅系中統-侏羅系中下統延安組（J2-J1-2y）裂隙孔隙承壓含水層、三疊系上統延長組（T3y）碎屑巖類承壓水含水層，隔水層主要包含侏羅系中統頂部隔水層、侏羅系中下統延安組（J1-2y）頂部隔水層、侏羅系中下統延安組底部隔水層。

對礦井充水影響最大的是侏羅系中統直羅組-侏羅系中下統延安組（J2z-J1-2y）裂隙孔隙承壓水含水層。該含水層段厚度大，西一盤區范圍內厚度80.56～217.33 m、平均158.29 m，地下水位為+1 337.14～+1 343.69 m，平均1 340.58 m，富水性弱到中等，滲透性中等。因埋藏較深，井田內地表無出露，該含水層段為井田的直接和主要充水含水層段。

綜上所述，侏羅系中統-侏羅系中下統延安組（J2-J1-2y）裂隙孔隙承壓含水層是礦井的直接和主要充水含水層，3-1煤底板含水層是礦井的直接充水水源；白堊系下統志丹群裂隙孔隙潛水-承壓水含水層富水性弱，是礦井的間接充水水源。

經分析，計算范圍確定為礦區首采區西一盤礦區。

3.2 水文地質參數選取

根據井田構造和水文地質條件綜合分析，各計算參數確定如下：①含水層厚度H值。頂板以上含水層根據地質鉆孔柱狀圖確定含水層厚度，底板以下含水層亦采用同樣的方法確定含水層厚度。②含水層滲透系數K值。根據煤礦的水文地質勘探報告分析，在J1-2y-J2Z含水層段分別計算8個鉆孔的水位標高、礦井涌水量和滲透系數數據，得出西一盤區的實際水文地質鉆孔資料中的滲透系數平均值K=0.054 7 m/d。③降深值。為達到開采階段疏干排水的目的，以疏干開采的水平標高作為降深值進行涌水量預測。

4 礦井涌水量預測計算

礦井的水文地質條件主要受區域地形、地貌及構造等影響，礦井涌水量一般很難準確預測。因此，合適的預測方法對礦井涌水量的合理評估尤為重要[1，2]。

預測礦井涌水量一般比較常用的方法有大井法、集水廊道法和水文比擬法，3種方法簡單易懂，可操作性強，在礦坑涌水量計算預測中被普遍使用[3]。

4.1 大井法

將所有邊界作為流量邊界，將整個礦井的采煤區概化為一個理想的“圓形大井”，可以用穩定流解析法預測礦坑涌水量，采用地下水動力學法的“大井法”進行計算。

礦坑水位降深值采用礦井采煤區內的鉆孔水位標高與計算范圍內鉆孔煤層底板標高平均值之差。含水層厚度采用礦井采煤區鉆孔含水層平均值。根據區域的《水文地質手冊》，確定引用半徑及引用影響半徑。

在礦井開采抽水期間，當水位降至含水層底板時，地下水類型成為承壓轉無壓，故采用大井法承壓—無壓公式核算礦井涌水水量。其計算公式為：

式中：Q為礦井涌水量（m3/d）；K為滲透系數（m/d）；H為承壓水靜水位高度（m）；M為承壓水含水層厚度（m）；h為動水位高度（m）；R0為引用影響半徑（m），R0=R+r0，其中R為影響半徑（m）、r0為引用半徑（m）。按照所確定的計算公式及各項參數，得出涌水量的預測結果和所選參數值，詳見表1。

表1 開采涌水量計算參數及成果（大井法）

4.2 集水廊道法

集水廊道法和大井法都屬于解析法的范疇，是基于穩定流理論推導的地下水動力學計算公式。它要求地下水有比較充分的補給條件，同時要求在該水平開采的幾年到幾十年內，礦井排水計算的地下水影響半徑邊界上的水頭高度永遠穩定在計算采用的高度上。

按照集水廊道法預計礦井涌水量，其計算公式如下：

式中：H為水柱高度（m）；B為巷道長度（m），取西一區域工作面長度5 126 m；h0為含水層剩余水柱高度（m），h0=H-Smax，含水層疏干時H≈Smax，因此h0≈0；其余變量含義同上。根據《水文地質手冊》中公式R=10S計算R值，S為水位降深值（m）。

按照所確定的計算公式及各項參數，得出涌水量的預測結果和所選參數值，詳見表2。

表2 開采涌水量計算參數及成果（集水廊道法）

4.3 水文比擬法

水文比擬法是根據已生產礦坑的排水資料預測水文地質條件與其相似的新的或擴建礦坑的涌水量。該方法前提是新建或擴建礦坑的地質、水文地質條件與已開采的礦坑基本相似。一般來講，水文地質比擬法主要適用于條件比較簡單、充水巖層透水性比較均一的孔隙或裂隙充水礦床，是一種近似的計算方法[4]。其計算公式如下：

式中：Q為設計礦井疏干水量（m3/d）；K為富水系數（m3/t）；P為設計礦井產量（104t/a）；Q1為生產礦井疏干水量（m3/d）；P1為生產礦井煤產量（t/d）。

B煤礦位于A煤礦礦區的東南，與A煤礦同屬鄂爾多斯某煤田區域范圍內，主要含煤地層均為侏羅系中下統延安組（J1-2y），其中3-1煤層等為主要可采煤層，2個煤礦的設計原煤產量規模基本一致。因此，采用B煤礦的礦井富水系數比擬本項目達產時礦井涌水量。

目前，B煤礦已經按達產規模生產運行，根據2013—2018年礦井涌水排水記錄分析可知，礦井涌水量呈逐年增大趨勢，2017—2018年趨于穩定，監測值平均為8 352 m3/d。基于相鄰煤礦富水系數為0.70 m3/t，推算出本次計算煤礦礦井涌水量為13 548.26 m3/d。

5 分析與探討

5.1 結果分析

礦井開采疏干水量主要與水文地質條件、地下水補給量、地質構造等因素有關，同時還取決于礦坑的大小、形狀、挖掘深度（產量）、降水量等。

3種礦井涌水量的預測方法主要區別在于勘查研究程度、計算方法及精度級別等級不同。當礦井具有第一開采水平或第一開采中段實測的礦井涌水量或鄰近水文地質條件近似礦井的礦井涌水量，一般采用水文比擬法，計算精度級別為C級。當礦井具有單孔或者多孔抽水試驗資料，利用抽水試驗求取滲透系數，一般采用大井法和集水廊道法計算礦井涌水量，計算精度級別為D級[5]。

對于本次論證的煤礦，3種方法都適用。由于論證的礦井涌水量是作為礦區生產用水供水水源，為保證供水的可靠性和安全性，涌水量應以最不利條件下最小的水量作為供水依據，因此涌水量采用集水廊道法的計算結果，詳見表3。

5.2 探討

礦井涌水量計算是一項重要而復雜的工作，不能簡單、機械地使用公式，應充分分析前期水文地質資料，采用更加適合該礦井水文地質條件的方法計算水量。

表3 不同方法計算涌水量成果m3/d

為了盡可能降低礦井涌水量預測誤差，一般礦井開采之前需要做大量的區域內水文地質勘探、井田煤炭勘探等工作，這些前期工作對礦井涌水量計算方法的確定和礦井涌水量的預測是一個理論性支撐。同時，要進行實地踏勘和搜集煤礦區域內的井田水文地質及近期煤田地質詳細勘探報告，詳細了解周邊已經開采煤礦的涌水量大小，這對礦井涌水量預測工作會有一定的參考價值。

后期礦井涌水量如果已經趨于穩定或者變化幅度不大，礦坑涌水量預測應當按照實際情況進行分析。礦井涌水量預測過程中，要堅持實事求是的原則，既可以確定一個礦井涌水量的范圍數據，也可以提出一種極端情況下的礦井涌水量的利用方案。