解析法在金凤煤矿工作面涌水量预测中的应用

摘 要：以金凤煤矿011202回采工作面为例，在工作面开采前采用解析法对工作面的静储量和动态补给量进行理论计算，并与开采期间工作面的实际涌水量进行对比。得出解析法计算出的涌水量与实际涌水量基本一致，该计算方法在金凤煤矿回采工作面涌水量预测预报工作中得到有效应用，对矿井防治水工作具有重要指导意义。

关键词：静储量；动态补给量；涌水量

神华宁夏煤业集团金凤煤矿位于宁夏吴忠市盐池县境内，2008年7月23日开工建设，2011年8月18日投入生产。矿井设计生产能力400万吨，服务年限57.2年，矿井水文地质类型为中等偏复杂。

011202工作面位于金凤煤矿一采区十二煤南翼二区段，开采的煤层为侏罗纪中统延安组的12#煤层。12煤在本区段平均厚度为1.32m，平均倾角为19°；直接顶为粉砂岩（平均厚3.10m），老顶由中粒砂岩、细粒砂岩和粉砂岩组成（平均厚15.00m），直接底为粉砂岩（平均厚3.05m），老底由细粒砂岩和粉砂巖组成（平均厚4.16m）；工作面主要充水水源为12煤顶板砂岩孔隙裂隙水。工作面于2014年4月15日从切眼处开始开采，2015年1月15日开采结束，开采长度为1485m。

1 解析法计算工作面涌水量

12煤顶板砂岩孔隙裂隙含水层的涌水量Q（m3/h）由静储量Qj（m3/h）和动态补给量Qd（m3/h）两部分组成：Q=Qj+Qd

其中动态补给量的确定关键是渗透系数的确定，静储量的确定关键是给水度的确定。

1.1 动态补给量计算

动态补给量采用“大井法”进行计算。

“大井法”是矿坑涌水量计算常用方法之一，它是把矿区水平坑道系统所占的面积看成是等价于一个理想的“大井”面积，整个坑道系统的涌水量就相当于“大井”的涌水量，对于顶板砂岩水的疏干水量预计，其计算公式为承压转无压公式[1]，如下：

Qd=1.366K·

式中：Qd——动态补给量，m3/h；

K——渗透系数，m/d；（《金凤煤矿首采区水文地质补充勘探报告》[2]中，针对12煤顶板砂岩含水层进行DG3钻孔抽水试验，得到渗透系数为0.0113m/d。）

M——含水层厚度，m；（根据011202工作面周边多个钻孔的统计数据，结合顶板导水裂缝带高度计算结果，取平均值15m。）

H——水头高度，m；（参考现有的钻孔抽水试验资料，12煤顶板砂岩含水层的水位标高为1352m，011202工作面煤层底板平均标高为+1225m，取水头高度为127m。）

R0——引用影响半径，m；

r0——引用半径，m。

矿坑所在含水层概化为均质无限分布，天然水位近似水平，因此引用影响半径R0可采用如下式计算：

R0=r0+R [1] R=10S [1]；

由于011202工作面形状近似一个矩形，因此选择引用半径r0的计算公式为：r0=η [1]

式中：a，b分别表示矩形工作面的边长，η表示计算引用半径参数，取值见表1。

工作面回采过程中，周期性冒落后动态补给量（稳定涌水量）预计结果见表2。

表1 计算引用半径参数η取值范围表[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工作面采后稳定涌水量预测计算成果表

[阶段＼&回采范围（m）＼&动态补给量 （m3/h）＼&初次来压

第二次来压

第三次来压

…

整个工作面＼&40

60

80

…

1485＼&5.7

6

6.3

…

21.9＼&]

表2中工作面初次来压步距（40m）和周期来压步距（20m）参考金凤煤矿12煤已回采的其它工作面资料，含水层厚度按15m计算。故初次来压时工作面动态补给量为5.7m3/h，开采结束时工作面动态补给量为21.9m3/h。

1.2 静态储存量计算

采用静储量计算公式：

Qj=Qt+Qz=μe·F·h+μd·F·m [1]

考虑到该含水层水压和弹性释水系数的乘积μe较小，在静储量计算时将含水层弹性释水水量Qt忽略，仅取重力给水的水量值Qz。

故本次计算中：Qj=Qz=μd·F·m

上式中：Qj——静态存储量，m3；

Qt——弹性释水量，m3；

Qz——重力给水量，m3；

μe——弹性释水系数（忽略）；

μd ——含水层重力给水度（参考周边矿井资料，取1.5%）；

F——疏干范围面积，m2；（011202工作面走向长1485m，倾向长度272m。四周外推40m（按金凤煤矿采空地面塌陷裂缝推算），则疏干面积为550880m2）；

m——含水层厚度，m；（011202工作面12煤顶板砂岩含水层平均厚度为15m）。

利用公式，分别对整个011202工作面12煤顶板砂岩水的总静储量、顶板初次来压步距和周期来压步距范围内含水层的静储量进行估算，结果见表3。

表3 011202工作面顶板砂岩含水层静储量计算表

[估算范围＼&走向长度（m）＼&斜长（m）＼&含水层厚（m）＼&给水度＼&静储量（m3）＼&初次来压

周期来压

全工作面＼&120

20

1565＼&352

352

352＼&15

15

15＼&0.015

0.015

0.015＼&9504

1584

123948＼&]

因011202工作面计划回采9个月（6480小时），故回采过程中011202工作面静态存储量为19.1m3/h。

1.3 工作面涌水量计算

根据以上计算，可得出011202工作面回采期间的涌水量大小，结果见表4。

表4 011202工作面涌水量计算成果表

[序号＼&平均推进距离（m）＼&动态涌水量（m3/h）＼&静储量（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 工作面实际涌水量

011202工作面在回采期间采取对涌水量进行动态观测，其中工作面初次来压时实测涌水量为23m3/h（比来压前增加了5m3/h）；随着工作面向前开采，涌水量逐渐增大；当工作面回采至停采线时，实测涌水量为40m；当工作面开采结束涌水量稳定后，实测采空区补给量为21m3/h。

3 工作面涌水量对比评价

将解析法计算得出的工作面涌水量与工作面在实际开采过程中实测得到的涌水量进行对比分析，得出以下結论：

①采用解析法计算得出的工作面初次来压时的涌水量、开采结束时的涌水量以及涌水量随推进距离变化情况与对应的实测涌水量值基本一致。

②整个工作面的动态补给量（21.9m3/h）与工作面开采结束后采空区的实际补给量（21m3/h）基本一致。

③解析法计算出的涌水量与实测涌水量或多或少存在一些偏差，主要是由于解析法计算中含水层厚度、水头高度、含水层重力给水度等参数的取值误差所造成的。

④采用解析法计算出的金凤煤矿回采工作面涌水量较为准确，该方法对金凤煤矿回采工作面涌水量预测工作及采空区补给量预测工作起到了重要指导作用。

4 结束语

在煤矿建设与生产过程中，提高矿井水文地质预测预报的准确性对煤矿安全生产工作尤为重要，只有提高了预测预报水平，才能防止矿井水害事故发生，保证矿井安全生产工作正常有序开展。本文以解析法作为金凤煤矿回采工作面涌水量预测的理论依据，将计算得出的涌水量值与工作面回采过程中实测涌水量值进行对比分析，证明了解析法计算出的金凤煤矿回采工作面不同开采阶段的涌水量值与实际涌水量值基本一致，该方法在金凤煤矿回采工作面涌水量预测工作中得到了有效地应用，对金凤煤矿011202回采工作面及后期开采的其它工作面涌水量预测工作做出了重要的贡献。

参考文献：

[1]郑世书.专门水文地质学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.

[2]海玮，马勇等.金凤煤矿首采区水文地质补充勘探报告[R].银川：宁夏煤炭勘察工程公司，2012.

作者简介：马强（1985-），助理工程师，2010年毕业于长安大学地质工程专业，现任神华宁夏煤业集团金凤煤矿地测科技术员。