隆德煤礦北部區不同開采條件下涌水量預測研究

米艷飛，趙金花

(陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隆德煤礦北部區保德組紅土分布不連續，局部地段缺失或厚度較薄，2-2煤層上覆基巖厚度較薄，如果采用傳統垮落法開采，開采后導水裂隙帶高度將發育至薩拉烏蘇組沙層含水層，導致沙層含水進入井下采空區，造成水資源破壞、地下水位下降、水土流失及生態退化等一系列礦山生態環境和地質災害問題。另外，隆德煤礦每年產生煤矸石約40萬t，固體廢棄物堆放會占用大量土地和污染環境。

為了有效保護水資源，確保薩拉烏蘇組沙層含水不進入井下，實現保水開采，并處理掉洗選的煤矸石，實現綠色開采，隆德煤礦北部區采用限厚、充填保水開采方案。

1 煤礦基本概況

隆德煤礦位于陜西省神木市西南部，屬榆神礦區三期規劃[1]。行政區劃隸屬于神木市大保當鎮及瑤鎮鄉管轄。礦區面積約44.489 6 km2，開采礦種為煤，規劃生產能力為500萬噸/年。隆德煤礦北部區位于煤礦北部，南北走向長5.40～6.74 km，東西傾斜寬約4.05 km，面積約為24.05 km2。隆德煤礦北部區西北部為瑤鎮水源地準保護區。

北部區內可采煤層8層[2]。其中全區可采煤層5層：2-2、3-1、4-3、5-2、5-3；大部分可采煤層2層：5-2下、5-4；局部可采煤層1層：5-3下。

2-2煤層除北部區北部遭受后期直羅河沖刷剝蝕變薄至缺失外，其余地段均賦存，賦存區均可采，可采面積21.821 km2，為全區可采煤層。北部區內煤層厚度0.00～4.80 m，平均厚度3.27 m，面積可采率91%。

2 礦井充水特征分析

根據煤礦限厚、充填保水開采方案[3]，方案設計充填開采區充填率85%[4]，進行冒落帶、導水裂隙帶最大高度計算，結果見表1。 2-2煤層限厚開采區域，冒落帶、導水裂隙帶最大高度計算結果見表2。

表1 充填開采區冒落帶、導水裂隙帶計算結果Table 1 Calculation results of caving zone and water-conducting fracture zone in filling mining area 單位：m

表2 限厚開采區冒落帶、導水裂隙帶計算結果Table 2 Calculation results of caving zone and water-conducting fracture zone in limited thickness mining area 單位：m

經隆德煤礦經驗公式：H冒=7M，H裂=20M[5](M為煤層采高，m)計算，煤礦充填開采區域2-2煤層冒落帶最大高度為1.22～2.55 m，導水裂隙帶最大高度為6.12～11.23 m，而上覆正常基巖厚度為18.79～86.94 m。采煤時導水裂隙帶最大高度全部發育至直羅組正常基巖里。

經同樣公式計算，煤礦充填開采區域2-2煤層冒落帶高度17.50～29.33 m，導水裂隙帶最大高度50.00～83.80 m，而上覆正常基巖厚度為55.01～151.87 m。采煤時導水裂隙帶最大高度全部發育至直羅組正常基巖里。

3 涌水量預測

3.1 計算條件說明

本次預測北部區正常開采條件下開采2-2煤層的正常及最大涌水量以及2-2煤層開采方法改為限厚和充填[6-7]開采方式(扣除瑤鎮水源地保護區)條件下，開采2-2煤層的正常及最大涌水量。北部區正常開采條件下2-2煤層的可采范圍約21.82 km2，如圖1所示。北部區限厚和充填開采條件下，限厚區域面積約9.67萬km2，充填區域面積為8.36 km2，如圖2所示。計算煤層礦井涌水量時，北部區正常開采條件下將導水裂隙帶波及范圍內的各含水層水均參與計算，但2-2煤層導水裂隙帶溝通松散層潛水需進行限厚開采，不考慮沙層水。根據煤礦限厚、充填保水采煤方案[8-10]，北部區改為限厚和充填開采條件下，降低導水裂隙帶發育高度避免采煤導水裂隙波及至風化基巖及松散沙層，故風化基巖及沙層含水層水不參與涌水量預測。僅考慮限厚和充填開采煤層厚度導水裂隙帶波及范圍內的各含水層水均參與計算。參與計算的各含水層段的正常基巖中的泥巖、砂質泥巖、粉砂巖視為隔水層，其厚度不計入含水層厚度，且均按照全降深計算該層的涌水量。本次計算不考慮意外性的大裂隙、斷層溝通地表水所造成的突水，僅以正常導水裂隙所能導通的含水層形成的地下水滲流場為模式。基巖含水層視為均質各向同性的無限含水層，含水層頂底板視水平狀。參與本次涌水量計算的各含水層為承壓水，采用承壓水經驗公式進行計算。根據本區的水文地質條件，采用“大井法”“廊道法”和“比擬法”[11]3種計算方法對2-2煤層涌水量進行預測。根據隆德煤礦涌水量統計資料，礦井最大涌水量約為正常涌水量的1.10倍。但據周邊煤礦多年礦井防治水經驗及長期涌水量觀測資料，煤礦最大涌水量約為正常涌水量的1.20倍。

圖1 正常開采條件下涌水量預測范圍示意Fig.1 Prediction range of water inflow under normal mining conditions

圖2 限厚、充填開采條件下涌水量預測范圍示意Fig.2 Prediction range of water inflow under the conditions of limited thickness and filling mining

3.2 計算方法

3.2.1 解析法

大井法：將開采地段的整個坑道系統視作一大的集水井，采用承壓轉無壓公式

廊道法：將開采地段視為一狹長廊道，形狀近似為矩形，計算公式如下

式中，Q為礦井正常涌水量，m3/h；H為水柱高度，m；h0為剩余水柱厚度，m；M為含水層厚度，m；S為水位降深，m；R0為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m；K為滲透系數，m/d；B為巷道進水水平長度，m；R為影響半徑,m。

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3.2.2比擬法

式中，Q為預計礦井涌水量，m3/h；Q0為生產礦井正常涌水量，m3/h；F0為生產礦井實際開采面積，km2；s0為生產礦井實際水位降低，m；F為預計開采面積，km2；s為預計水位降低，m。

3.3 2-2煤層涌水量預測

3.3.1 正常開采條件下2-2煤層涌水量預測

比擬法：①計算范圍的確定。根據北部區2-2煤層涌水量計算范圍以北部區2-2煤層可采范圍為計算區，計算區可采面積2 182萬m2。②計算參數選擇。本報告采用原隆德煤礦涌水量比擬計算北部區2-2煤層正常涌水量及最大涌水量。原隆德煤礦開采面積為903萬m2，正常涌水量為660 m3/h。北部區基巖含水層段水柱高度s取補充勘探鉆孔含水層水柱高度平均值，s=132 m。原隆德煤礦基巖含水層段水柱高度s取以往補勘鉆孔含水層水柱高度平均值，s=124 m。③計算結果。上述參數代入“比擬法”計算公式，計算得出北部區開采2-2煤層正常涌水量取1 057 m3/h，最大涌水量取1 268 m3/h。

比擬法：①計算范圍的確定。北部區2-2煤層涌水量計算范圍分限厚和充填2塊區域分別進行計算，限厚區域面積967萬m2，充填區域面積836萬m2。②計算參數選擇。北部區2-2煤層限厚區域開采水文地質條件與已采工作面(201、203、205、207工作面)開采區域水文地質條件相似，采用這4個已采工作面的涌水量比擬北部區2-2煤層限厚開采區正常涌水量及最大涌水量。已采工作面(201、203、205、207工作面)開采面積530萬m2。2-2煤上覆基巖層段水柱高度降深值取s0=152 m。已采工作面(201、203、205、207工作面)正常涌水量取300 m3/h。北部區2-2煤層填充開采區域類比榆神礦區東南部同樣采取充填措施開采同一組煤(3號煤層)的上河煤礦，上河煤礦于2018正式開始進行充填開采，截至目前充填開采區域總面積26萬m2，充填區域涌水量約10 m3/h。北部區2-2煤層充填區基巖含水層段水柱高度s取126 m，限厚區基巖含水層段水柱高度s取142 m。③計算結果。上述參數代入“比擬法”計算公式，計算得出北部區開采2-2煤層限厚區域正常涌水量取393 m3/h，最大涌水量取472 m3/h；計算得出充填區域正常涌水量取90 m3/h，最大涌水量取108 m3/h。北部區2-2煤層限厚、充填開采方式(除瑤鎮水源地保護區外)條件下，采用“比擬法”計算得出正常涌水量為483 m3/h，最大涌水量為580 m3/h。

3.4 2-2煤層涌水量預測結果

北部區2-2煤層涌水量采用了“大井法”“水平廊道法”及“比擬法”3種計算方法進行涌水量預測。

經過比較，“比擬法”涌水量預測值較為接近實際循序開采模式情況，本次推薦采用“比擬法”預測結果。2-2煤層正常開采條件下，“比擬法”預測北部區開采2-2煤層正常涌水量1 057 m3/h，最大涌水量為1 268 m3/h。2-2煤層開采方法改為限厚和充填開采方式條件下，“比擬法”預測北部區開采2-2煤層正常涌水量483 m3/h，最大涌水量為580 m3/h。由此可以看出：隆德煤礦采用限厚、充填保水開采方案，可以降低礦井涌水量，可以有效保護薩拉烏蘇組沙層含水層，實現保水開采，還可以處理隆德煤礦產生的固體廢棄物，取消矸石山[12-13]。

4 結論

通過對隆德煤礦北部區2-2煤層在限厚、充填保水開采方案開采條件下導水裂隙帶分析，導水裂隙帶均發育至正常基巖，未波及至松散沙層。根據煤礦北部區2-2煤層在不同開采條件下涌水量預測結果，煤礦在采取限厚、充填保水采煤技術措施可有效降低礦井涌水量，且充填采煤是從采煤工作面源頭主動采取措施，控制上覆巖層移動與破壞，以及地表沉陷，不僅能夠滿足地表水源地保護的需要，還能夠大幅度減少采煤工作面采空區導水裂隙帶高度，有效減少地下水的破壞，減少礦井排水量和處理量，充填采煤是順應可持續發展的綠色開采技術。