“大井法”在郭屯煤矿矿井实际涌水量计算中的运用

张业智

（山东省煤田地质局规划勘察研究院，山东 泰安 271000）

1 基本概况

郭屯井田位于山东省菏泽市郓城县，井田内地层自下而上分为：奥陶纪中统、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、新近系及第四系。主要含煤岩系为太原组和山西组。

井田内的主要含水层为：第四系下组、新近系底部砂砾层孔隙含水层，侏罗系上统砂砾岩裂隙承压含水层，3煤层顶、底板砂岩裂隙含水层，太原组三灰岩溶裂隙含水层，十下灰岩溶裂隙含水层，奥陶系灰岩为含煤地层基底含水层，属强含水层。其中，3煤层顶、底板砂岩和太原组三灰是开采上组煤的直接充水含水层；十下灰为开采下组煤的直接充水含水层，奥灰为开采下组煤的间接充水含水层。

井田内的主要隔水层为：新生界地层中的粘土、砂质粘土层，侏罗系泥岩、粉砂岩，上石盒子组泥岩、下石盒子组杂色泥岩、粉砂岩，太原组泥岩、粉砂岩及本溪组铁铝质泥岩等，它们大都与含水层相间沉积，阻隔了含水层间的水力联系。

郭屯煤矿东起田桥断层及田桥支断层，西至煤系地层底界露头，南起3925000纬线，北至25勘探线。东部田桥断层落差大于500m，西升东降，使井田内的煤系含水层与对盘的二叠系地层对口，对盘无强含水层，因此可能是阻水边界。西部煤系地层底界露头，为补给边界。南北均为人为技术边界，视为补给边界。因此井田边界水文地质条件为：东部为阻水边界，西部、南部、北部为补给边界。

2 郭屯煤矿矿井实际涌水量

2.1 建井期间

建井期间，2006年之前矿井涌水量一般小于50m3/h，2006～2008 年涌水量在 100～200m3/h（2007年矿井处于建设时期，没有形成统一的矿井水量观测记录）,自2009年以来，随着巷道掘进和工作面的开拓，3煤顶底板面积增大，顶板断层水和淋水点增多，涌水量逐渐增大，2009年12月涌水量增大到424m3/h。

图1 建井期间矿井涌水量历时曲线图

2.2 生产期间

矿井生产期间涌水量大约在500m3/h 左右，2010年至2013年5月的涌水量见图2。

图2 2010～2013年5月矿井涌水量历时曲线图

矿井2010～2013年5月的涌水量极值及正常涌水量见表1。

表1 2010～2013年5月平均涌水量及极值 （m3/h）

上述涌水量不包括上石盒子组砂岩水水量。上石盒子组砂岩水水量为建井期间残留水量，以M4、M5砂岩含水层水量为主，初期巷道总水量约320m3/h,其中M4、M5含水层水量为260m3/h，其他为顶底板散水；经过多年疏放，目前巷道总水量为194.8m3/h,其中M4、M5水量103m3/h。两含水层下距开采煤层（3煤）213～235m，对煤层开采没有影响。上石盒子组砂岩水的封堵工作已完成招标等事项，近期将组织施工。预计封堵后水量将减少160～180m3/h。从图2可以看出，2010～2013年5月矿井涌水量总体较稳定，但有3个时间段涌水量波动较大，具体情况及原因分析如下：

（1）2010年12月～2011年4月涌水量出现第一次峰值，这是因为：①随着巷道掘进长度的增加、含水层揭露面积的增大，突水点增多。②2010年底1301工作面底板三灰突水，突水量最大达280m3/h。以上原因使矿井涌水量增大。2011年年中以后，由于矿井对主副井和大巷出水点进行了注浆堵水，取得了良好效果，且井下探放水对3砂、三灰等主要充水含水层进行了大规模疏放，因含水层的补给有限，静储量减小，所以矿井涌水量出现了较大的下降。（2）2011年8～11月，矿井涌水量增大。主要原因为：①1303工作面对3煤顶底板砂岩和三灰放水。②2011年9月9日，1308工作面K12点（距下出口90m）发生顶底板砂岩突水，水量最大达246m3/h。③2011年10月9日，1301工作面推采434m处发生顶底板砂岩突水，水量最大达150m3/h。以上原因，导致矿井涌水量增大。

（3）2012年10月由于矿井探放1310工作面3砂水、三灰水，导致矿井涌水量增大。

3 矿井实际涌水量构成分析

建井期间矿井涌水量主要由井筒和大巷的石盒子组砂岩水构成，生产阶段矿井涌水量由3煤层顶板砂岩水、三灰水构成。以最近的矿井涌水量构成情况看：3煤层顶板砂岩水占40.6%、三灰水占59.4%。

4 矿井涌水量预计

本井田目前开采一采区3（3下）煤层，未来仍然开采3（3下）煤层，开采范围仍然在一采区。根据充水因素分析，3下煤层顶底板砂岩和三灰为直接充水含水层。本次分别预计其涌水量。

4.1 3砂涌水量预算

（1）参数选择：井田内有J-12、J-17、B1-3孔对3砂抽水，对其成果和抽水过程分析可知，抽水曲线正常，其成果可作为涌水量计算依据。故3砂涌水量计算采用J-12、J-17、B1-3孔抽水成果的平均值。开采水平为-808m，其参数如下：

开采水平：h=-808m；

B1-3孔实测静水位：h'=-270.03m；

水位降深：S=|h|-|h'|=808-270.3=537.97m；

J-12、J-17、B1-3孔最大渗透系数平均值：K=0.0109m/d；

3砂平均厚度：M=28.28m；

引用半径r：

式中：

P-揭露范围周长，18.5km。

引用影响半径R：

（2）计算方法：大井法承压转无压公式

将参数代入公式得：

4.2 三灰涌水量预算

本次报告利用J13、J17、B7-1孔的抽水试验资料和一采区井下探放水孔G3#的观测数据(L2、L4孔位于四、五采区，本次不采用)，采用大井法承压公式预计三灰涌水量。

（1）参数选取

开采水平：h=-808m；

井下G3#三灰观测孔观测的水位：h'=-400.3m；

水位降深：S=|h|-|h'|=808-400.3=407.7m；

J-13、J-17、B7-1孔最大渗透系数平均值：K=0.1138m/d；

三灰平均厚度：M=5.81m；

引用半径r：

式中：

P-揭露范围周长，18.5km。

引用影响半径R：

（2）计算方法：选择大井法承压水公式

Q三灰=2.732KMS/（lgR-lgr）

（3）结论：将参数代入公式得：

Q三灰=4332.02m3/d=180.50m3/h

故矿井的正常涌水量：

Q=Q3砂+Q三灰=248.54+180.50=429.04m3/h，根据2010年～2013年5月矿井实测资料，矿井最大涌水量为正常涌水量的1.1～1.2倍，为保证安全，取1.5倍，即Qmax=1.5Q=643.56m3/h。

5 矿井涌水量预测结果评述

本次预计正常涌水量为429.04m3/h，小于矿井2010年～2013年5月的正常涌水量453～543.6m3/h（不包括上石盒子组砂岩水涌水量）。分析原因如下：矿井2005年10月开工建设，2010年3月正式投产，含水层处于刚揭露阶段，涌水量大。3砂水、三灰水以静储量为主，随着矿井工作面的揭露和探放水工程的实施，3砂水、三灰水静储量将大大减小，由于补给条件差，未来3砂水、三灰水正常涌水量会逐渐减小。

本次预计的矿井涌水量中不包含上石盒子组砂岩水，上石盒子组砂岩水以M4、M5砂岩含水层水量为主，经过多年的疏放已衰减，正准备封堵。封堵后，上石盒子组砂岩含水层的涌水量将大大减小，故本次报告预计正常涌水量时不再考虑上石盒子组砂岩水。

此外需要指出的是，根据煤田勘探与矿井开采经验，3砂与三灰的富水性极不均一，一般浅部或断层附近，富水性较强，矿井涌水量较大。另外初揭含水层时，矿井涌水量较大，经过一定时间的疏排后，涌水量逐渐变小，并趋于正常涌水量。因此，在断层附近或初揭含水层时，应充分做好防排水及探放水工作，以防发生突水灾害。