大井法和富水系数法在矿井涌水量预测中的应用

郭 海，陈旭东，郭雪飞，田 慈

(河北地质大学，河北 石家庄 050031)



大井法和富水系数法在矿井涌水量预测中的应用

郭 海，陈旭东，郭雪飞，田 慈

(河北地质大学，河北 石家庄 050031)

指出了大井法和富水系数法是两种传统的矿井涌水量预测方法，分析了这两种方法在矿井涌水量预测中的应用，并通过对河北省唐山某煤矿矿井涌水量的预测，结果表明：在特定情况下富水系数法预测结果比应用较为广泛的大井法的预测结果更加合理可靠。

涌水量；大井法；富水系数法

1　引言

矿井涌水量是指在矿山建设和生产过程中，单位时间内涌入矿坑(包括井、巷和开采系统)的水量[1]。矿井涌水量的预测是矿井安全生产的重要指标，也是判断矿井是否经济的一项重要指标。目前，国内外有很多预测矿井涌水量的方法，可以分为两大类：确定性方法和非确定性方法[2]。确定性分析方法主要包括解析法、水均衡法和数值法三大类；非确定性分析法又称为统计分析方法[3]，主要包括水文地质比拟分析法、相关分析法、时间序列分析法[4]等。大井法是确定性方法中解析法的一种，富水系数法则是非确定性方法中水文地质比拟法中的一种。笔者将对大井法和富水系数法分别进行分析和总结，并应用这两种方法对河北省唐山某煤矿的涌水量进行预测，分析比较两种方法的预测结果，可以为矿山开采提供一定的参考依据。

2　大井法

大井法是一种稳定流解析方法[5]。大井法的原理是在矿床疏干排水的过程中，应用井流理论和等效原则将复杂的矿坑开挖巷道系统等效的看成是一个具有等效半径的大井在排水，大井的涌水量即为整个矿坑巷道系统的涌水量。

大井法的计算公式为：

应用大井法预测矿井涌水量，具有快速、简便和经济等优点。但大井法预测模型是理想化模型，应用大井法计算矿坑涌水量时，要求地下水处于稳定流动状态，符合达西直线渗透定律；假定含水层均质各向同性，分布广泛，且含水层、隔水层顶、底板必须是水平的。因此，大井法在降深较大、矿井水文地质条件较为复杂的矿井涌水量预测中产生的误差较大。为了使大井法预测更为精准，陈思佳等人[6]按掘进进度将矿井工作面进行分段，分别用大井法对各个分段进行涌水量预测，使矿井涌水量预测值较传统大井法预测值精确，但此方法的本质和传统大井法预测涌水量是一致的，而且也大大提升了计算的工作量。

3　富水系数法

富水系数法是水文地质比拟法的一种，也是传统预测矿井涌水量的方法的一种。它利用地质和水文地质条件相似、开采方法基本相同生产矿井的排水或涌水量观测资料，来预测新建矿井的涌水量[7]。当相似生产矿井有长期可靠的涌水量观测资料时，可以寻找涌水量与各影响因素之间的相关性，得到可靠的涌水量与各影响因素之间的相关关系。

富水系数法的计算公式为：

4　实例分析

应用大井法和富水系数法对河北省唐山某煤矿涌水量预测。

4.1矿井充水水源及充水通道

矿井涌水量主要受地下水的影响，矿井的直接充水含水层主要包括5煤层顶板砂岩裂隙承压含水层、5～12煤层砂岩裂隙承压含水层组和12～14煤层砂岩裂隙承压含水层；间接充水含水层主要包括第四系底部卵砾石强含水层和煤系底部奥陶系岩溶裂隙承压含水层，为直接含水层的主要补给来源。矿井直接充水含水层和间接充水含水层，各个含水层之间都有较好的隔水层存在，水力联系微弱。

该矿区的充水通道主要包括：采动导水裂隙带、断裂带、岩溶陷落柱及封闭不良的钻孔。

4.2矿区涌水量计算

目前该矿一水平开采已经结束，二水平回采处于扫尾阶段，三、四水平为主要回采水平，主采煤层为7S、8S、9S和12S煤层，三、四水平该矿水文地质条件类型划分时涌水量预测的主要预测水平。

4.2.1应用大井法计算

假设：①井田三、四水平直接充水含水层(5煤以上砂岩裂隙含水层、5～12煤砂岩裂隙含水层、12～14煤砂岩裂隙含水层)富水程度和充水程度稳定；②各含水层的水文地质参数稳定、变化较小；③忽略工作面短时间非稳定充水过程；④概化三、四水平开采区开采时的矿井充水过程为近似稳定流井。

则，应用承压含水层稳定流大井法预测矿井涌水量，公式为：

其中，水位降深H-h取顶板承压含水层疏放至顶板时为300 m；渗透系数K取直接充水含水层渗透系数的平均值0.69 m/d；含水层厚度M取直接充水含水层组中-粗砂岩之和40 m；大井半径r0，三水平661 m，四水平338 m；引用影响半径R0，三水平3153 m，四水平2829 m。

计算得三水平开采时的正常涌水量为23.124 m3/min，四水平开采时的正常涌水量为17.004 m3/min。

4.2.2应用富水系数法计算

2007～2012年全矿涌水量为34.166～15.125 m3/min，矿井涌水量与采空面积、开拓长度的相关关系曲线如图1所示。经计算，矿井涌水量与采空面积、开拓长度的线性相关系数分别为0.345、0.531，矿井涌水量与采空面积不相关，与开采长度相关性中等；采空面积与开采长度不宜直接用于预测矿井或工作面涌水量。

图1矿井涌水量与采空面积及开拓长度相关关系曲线

由于井田工作面以顶、底板弱含水层直接滴淋充水为特征，回采工作面最大程度揭露了直接充水含水层，回采工作面的吨煤富水系数较稳定(自1989年统计结果)，吨煤富水系数宜作为涌水量预测参数。

此时，涌水量计算公式为：Q=Kp×p0，根据2001年至今回采工作面涌水量和回采吨煤量的统计计算，求得三、四水平、各采区、各煤层的吨煤富水系数如表1所示。

通过计算可得，三水平的正常涌水量为4.81 m3/min，四水平的正常涌水量为1.54 m3/min。

两种方法预测结果有一定偏差，基于稳定流大井法的预测结果偏大，主要原因是大井法概化时，忽略了非稳定流含水层疏干过程的涌水量衰减现象和疏干漏斗

表1　富水系数

形成过程。富水系数法基于回采对各水平、各煤层的充分揭露数据，同时，较好处理了不同水平、不同采区、不同煤层涌水特征的差异，预测结果更为合理和可靠，因此可作为今后防治水工作的主要参考依据。

5　结论

大井法和富水系数法都是传统的矿井涌水量预测方法。大井法对于水文地质条件相对简单的矿井涌水量预测比较准确，对于条件复杂的矿井，边界的简化及概化模型计算参数的选取都会影响预测的精度；富水系数法是基于统计分析思想的一种方法，虽然计算粗糙，但在有基本条件相似且有长期涌水量观测资料的老矿井的基础下，预测结果更为合理可靠。

[1]曹剑峰，迟宝明，王文科，等．专门水文地质学[M]．3版.北京：科学出版社，2006．

[2]杨永国，韩宝平，谢克俊，等．用多变量时间序列相关模型预测矿井涌水量[J]．煤田地质与勘探，1995，23(6)：38～42．

[3]陈酩知，刘树才，杨国勇．矿井涌水量预测方法的发展[J]．工程地球物理学报，2009，6(1)：68～72．

[4]宋颖霞．矿井涌水量时间序列预测方法研究[J]．绿色科技，2014(7)，268～269．

[5]华解明．“大井法”预测矿井涌水量问题探讨[J]．中国煤炭地质，2009,21(6)：45～47．

[6]陈思佳，骆祖江．“分段大井法”预测矿井工作面涌水量[J]．中国煤炭地质，2016,28(1)：41～43．

[7]杜敏铭，邓英尔，许模．矿井涌水量预测方法综述[J]．地质学报，2009,29(1)：70～73．

2016-07-11

郭海(1990—)，男，河北地质大学硕士研究生。

P641.4+1

A

1674-9944(2016)16-0088-03