应用大井法预测矿井涌水量

张通

（河北省众联能源环保科技有限公司河北石家庄050031）

应用大井法预测矿井涌水量

张通

（河北省众联能源环保科技有限公司河北石家庄050031）

矿井涌水量是矿井建设和生产过程中单位时间内流入矿井的地表水、裂隙水、岩溶水等的水量。矿井涌水量的计算有利于煤矿单位确定矿井排水设备和制定防治水方案。矿井涌水量的预测工作十分重要，准确的矿井有水量能够有效的防止矿井水害的发生，减少煤矿的开采成本，保障煤矿能够安全生产。本文以某矿井的实际水文地质条件为基础，应用大井法预测矿井涌水量。

煤矿；大井法；矿井涌水量

中国煤炭资源丰富，对煤炭的利用由来已久。近年来，随着资源需求量的增加和机械化开采程度的不断提高，浅层煤越来越少，煤炭开采逐渐趋向深层煤，开采时水头压力变得更大，煤田水文地质条件越来越复杂，开采时危险性增加[1]。因此，研究煤层矿井涌水量，减少人员伤亡和经济损失很有必要。

本文以某矿井首采区为例，利用解析法中的大井法预测矿井涌水量，对矿井安全生产和长远衔接具有极其重要的理论指导意义和实用价值，对于提高矿井经济效益具有重要意义。

1　矿区概况

1.1井田位置

该井田位于内蒙古自治区内。井田南北长6.1km～8.3km，东西宽3.2km～12.0km，面积93.89km2。首采区位于井田东南角，面积0.92km2。

1.2自然地理

1.2.1地形地貌

井田位于沙漠边缘。井田中部多沙丘，大部分为固定、半固定沙丘，少部分为随季风流动的垄状沙丘及新月型沙丘，区内地势开阔，地形相对较平缓。东部、北部多为低缓草滩戈壁；井田中部基本上由沙漠、风积荒漠等地貌类型构成。

1.2.2气象

据当地气象局历年资料：当地最高气温为35.2℃，最低气温为-30.1℃；年降水量为150.2mm～429.2mm，平均为324.58mm，且多集中于7、8、9三个月内；年蒸发量为2297.4mm～2833mm，平均为2534.2mm。

1.2.3水文

井田内无常年性地表径流，仅在井田南端沟谷中有水流，在临河汇入黄河，流量一般为2.85 L/s～40.5L/s，水的矿化度低，可供人、畜饮用。井田内多有民用灌溉用井及饮用水井，多为第四系地下潜水，含水量较大，水质优良，矿化度小于1.2g/L，可作饮用水源。

1.2.4矿区地层

井田全部被新生界地层所覆盖，属隐伏式煤田。根据钻孔揭露显示，井田内地层由老至新依次为：三叠系上统延长组（T3y）；侏罗系中统延安组（J2y）、中统直罗组（J2z）、上统安定组（J3a）、白垩系下统志丹群（(K1zd）、古近系渐新统清水营组（E3q）、第四系（Q）。

2　矿区水文地质条件

2.1第四系含水层

2.1.1含水层岩性

井田第四系松散孔隙含水层由全新统风积砂和更新统萨拉乌素组冲湖积砂组成，全新统风积砂与更新统萨拉乌苏组构成一个统一含水体。岩性为灰黄色、黄褐色中细砂、粉细砂、亚粘土、亚砂土，结构松散，遍布全井田。

2.1.2富水性特征

根据本区以往研究成果，第四系松散孔隙含水层由全新统风积砂和更新统萨拉乌苏组冲湖积砂组成，地下水位埋深较浅，富水性中等-强富水，井田的中西部富水性较好。

2.1.3地下水流场特征

根据以往水文地质成果，本井田第四系含水层水位埋深10m左右，水位标高在1344m～1302m内变化，地下水总体流向从东北流向西南。

2.1.4补给、径流、排泄条件

井田第四系孔隙含水层主要赋存于第四系砂层中，第四系地层在全区广泛分布。主要补给来源为大气降水，由于本区地形平坦，且砂层质地均一，结构松散，孔隙率大，透水性强，有利于大气降水的补给，大气降水入渗补给作用较强。第四系孔隙水的径流受地形控制，地下水径流路径较短，水循环积极，第四系水总的流向是由北东向南西方向径流。排泄方式以径流排泄为主，其次为人工开采排泄、蒸发排泄等。

2.2侏罗系含水层

2.2.1岩性及组合特征

地层岩性为浅灰、灰绿、青灰色厚层砂岩，以细砂岩、中粒砂岩为主，局部为粗砂岩。固结程度较高，泥岩及砂质泥岩的含量明显增多，以原生裂隙为主，部分地段裂隙被充填。根据钻孔资料，细、中、粗砂岩厚度分布不均匀，厚度变化较大。分析含水层大部分地段细、中、粗砂岩占地层厚度在25%～60%之间，个别地段在超过了80%。

2.2.2富水性特征

侏罗系岩石固结程度较高、泥岩及砂质泥岩的含量明显增多、部分地段裂隙被充填。水位埋深较浅，含水层富水性弱～中等。中等富水区分布在井田的中部和背向斜发育区域。

2.2.3侏罗系砂岩裂隙地下水流场特征

井田范围内，西北部、西部水位较高，东部水位较低。侏罗系砂岩裂隙地下水总体由西向东径流，侏罗系砂岩裂隙水接受白垩系水的补给，使侏罗系砂岩裂隙水位抬高，形成分水岭。因此，井田内的侏罗系砂岩裂隙地下水由西向东北部一带径流，向东折向东南方向沿地层倾向径流。水力坡度较陡、变化较大，反映出裂隙发育较弱，连通性较差，径流条件较差。

2.2.4补给、径流、排泄条件

砂岩含水层主要赋存于侏罗系中统直罗组（J2z）以及侏罗系中下统延安组（J2y）的砂岩中，在井田地表没有出露。主要补给来源为大气降水，其次为井田外白垩系及侏罗系砂岩含水层的侧向径流补给。

在井田西部由于白垩系与侏罗系地层之间隔水层厚度薄，含水层厚度增大，位于上部的白垩系水水头较高，水压较大，形成白垩系水对侏罗系水的直接渗透补给。地下水总体上从西向东径流，以侧向径流排泄为主，次为人工打井开采排泄。

3　大井法预测矿井涌水量

井田巷道分布不规则，在平面上及垂向上构成复杂形状，加之水文地质参数精度所限，会遇到数学上的困难。但分布不规则的巷道，在其采掘边界或一定范围内会逐渐形成统一的降落漏斗，理论上可将其视为一个概化了的理想“大井”[2]。同时，将诸多形状不规则的巷道所占面积视为一个“大井”积。此时，整个巷道系统的涌水量就相当一个“大井”的出水量。这样，就可以借助涌水量计算公式直接求出矿井涌水量。“大井法”综合考虑了充水含水层边界条件、水文地质分区、含水层试验参数等，选择的计算公式比较符合实际情况[3]。

本次研究采用解析法中的大井法对井田的涌水量进行预测。在分析水文地质条件基础上，预测首采区在自然状态下和人工改造后的矿井涌水量。煤层顶板主要受顶板砂岩裂隙含水层涌水的影响，以下针对顶板含水层的疏降水量进行预测。

3.1公式选取

根据水文地质条件，矿井涌水量的预测采用地下水动力学的解析法，承压转无压完整井的稳定流计算公式：

3.2计算参数确定

采用解析法求含水层的渗透系数（K）和导水系数（T）。式中：Q——矿井涌水量，m3/d

K——渗透系数，m/d

M——含水层（出水段）厚度，m

S——疏排设计降深，m

H——初始水位（以含水层底板为基准），m

h——疏干井的井中水位（以含水层底板为基准），m

R0——含水层的引用补给半径

r0——引用半径，m；r0=(F/π)1/2

（1）影响半径（R）

利用承压水稳定流公式（3-2）

（2）渗透系数（K）

利用完整井单孔稳定流公式（3-3）

将（3-2）代入（3-3）得（3-4）

（3）导水系数（T）

T=K·M（3-5）

式中：S——水位降深值（m）；

r——井管半径（m）；

R——影响半径（m）；

T——导水系数（m2/d）。

3.3涌水量预测

3.3.1计算参数确定

（1）渗透系数（K）值的确定：本次采用所有抽水试验所计算的渗透系数的平均值，煤顶板K=0.18m/d。

（2）水柱高度（H）值的确定：工作面顶板含水层自然水位标高的平均值：H=480m；（以含水层底板为基准）。

（3）含水层厚度（M）值的确定：选取含水层的粗、中粒砂岩累计厚度的平均值：48.92m。

（4）疏干水位降深（S）值的确定：为平均自然水位标高至目的煤层顶板含水层底板标高的距离平均值：S=480m。

（5）引用半径（r0）值的确定：r0=(F/π)1/2=540m。

（6）引用影响半径（R0）值的确定：根据R0＝r0+R，R=10S

3.3.2涌水量预测结果

根据公式（3-3）对矿井的涌水量进行预测，将计算参数代入公式，计算得到煤顶板含水层正常涌水量为16233m3/d，约合676 m3/h。根据经验，最大涌水量为正常涌水量的1.5倍，以此计算最大涌水量为1014m3/h。

[1]郑世书,胡友彪,等.专门水文地质学[M].北京：中国矿业大学出版社,1999.

[2]高江淮,张清.张双楼煤矿涌水规律及涌水量分析计算[J].煤炭科技,2002(2)：43-45.

[3]李云峰，胥国富，左传明.梁花园矿井涌水量估算[J].中国煤田地质,2007(5)：38-40.