基于产流-汇流-渗流充水模式的黄土梁峁区过沟开采涌水量预测

李涛，高颖，郭亮亮，冯海

(1.六盘水师范学院 矿业与土木工程学院，贵州 六盘水 553004；2.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710065；3.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710065;4.陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719000；5.陕西煤业化工技术研究院，陕西 西安710065)

0 引 言

我国黄土覆盖区煤炭资源丰富，其中晋、陕、宁、蒙等省(自治区)更是我国目前最主要的产煤基地[1-3]。黄土覆盖区年降雨量多在400 mm以上，主要集中在雨季以暴雨形式降落。由于黄土梁峁区沟壑纵横，在雨季该区浅埋煤层过沟开采时有突水溃沙的危险[4-6]。因此，开展黄土梁峁区过沟开采工作面涌水量预测研究意义重大。

目前，国内对过沟开采的研究较多，如蒋泽泉等[1]、杨俊鹏等[2]、王启庆[3]对煤炭开采上覆岩土层破坏规律进行了研究；方刚等[4]、李建文[5]、于杰凯等[6]、于云飞等[7]、王振荣[8]通过超前探放水、采动裂隙充填、地表水系拦截、煤炭限高开采、注浆封堵、调整采矿参数以及综合方法研究了过沟开采水害防治技术，但在过沟开采采煤工作面涌水量预测方面的研究还以传统的“大井法”、“比拟法”为主[9-12]。实践表明，这些方法由于各种原因，很难准确预测采煤工作面涌水量，这不利于井下排水系统设置。

本文在分析黄土梁峁区过沟开采充水模式的基础上，建立过沟开采工作面涌水量预测模型，并通过实践检验模型的合理性，以期为相似采矿地质条件安全过沟开采提供借鉴。

1 研究区概况

1.1 研究区过沟开采

以陕北神南矿区张家峁煤矿为研究区，该矿开采的区域属于黄土覆盖区域，且以梁峁地形为主，受地表沟道洪水影响严重，地质概况如下。

(1)沟道概况。研究区地形支离破碎，坎陡沟深，梁峁相间，地表侵蚀强烈。黄土覆盖厚度一般为50～100 m，沟肩至沟底落差一般约20 m，最大达50 m。该类地形对大气降水的汇集作用显著，研究区的17个主要沟道调查结果如表1所示。由表1可见，研究区沟道汇水面积大、延伸范围广、沟道比降较大。

表1 研究区主要沟道调查结果

(2)气象概况。研究区多年平均降雨量为434.1 mm，年最大降雨量553.1 mm，日最大降雨量141.1 mm，降雨主要集中在6—9月，多年平均蒸发量为1 712.0 mm。可见旱季过沟开采一般无水害。但在雨季沟道汇水量巨大，对工作面威胁不容忽视。因此，研究区多在旱季推过沟道，并在沟道底部进行地表裂缝充填。需要预测的涌水量是地裂缝处理后的雨季涌水量。

(3)采煤概况。研究区主要开采的煤层有7层，其中正在开采的5-2煤层采厚5～6 m，其上覆基岩厚度50～110 m。依据研究区大量导水裂隙带发育高度实测结果(裂采比约27)，研究区采煤必然导致裂缝发育至地表，且主要表现为台阶性切落，有突水溃沙的危险。

1.2 过沟开采充水模式

1.2.1 传统过沟开采充水模式存在的问题

传统过沟开采沟道洪水的充水模式很简单，是在最大降水强度条件下沟道所有汇水面积内的降水全部涌入采煤工作面。这种模式存在问题：

(1)最大降水量是用于预测最大洪水量的参数，而正常洪水量的预测需要正常降水量。

(2)黄土地区降水全部转化为地表径流是不准确的。黄土包气带有一定的储水能力，在降雨的时候会吸收一定的降水，减少一定地表产流。

(3)地表径流全部通过裂隙进入采煤工作面也是与实际不符的，野外调查研究发现，沟谷采动地表裂隙在填埋处理之后，地表水不会全部渗入采煤工作面。

(4)过沟道的采煤工作面存在多个，上游的采煤工作面对沟道洪水有拦截作用，即采煤工作面的汇水面积参数选取往往偏大。

1.2.2 产流-汇流-渗流充水模式

依据研究区采矿地质条件，绘制图1所示的过沟开采充水模式，即产流-汇流-渗流模式。

图1 黄土梁峁区过沟开采充水模式示意图

(1)产流阶段。如图1右边A-B线剖面图，大气降水产生的水一小部分在黄土梁峁地区入渗(研究区雨季产流方式主要是超渗产流，所以入渗量较小)，另一部分产生地表径流。

(2)汇流阶段。如图1左边平面图，降水产生的地表径流由沟道上游汇集成沟道洪流。由于上游先开采的工作面(图1中采煤工作面1)对下游采煤工作面(图1中采煤工作面2)有拦截作用。汇集的流量应减去上游采煤工作面(图1中采煤工作面1)的涌入量。

(3)渗流阶段。如图1右边A-B线剖面图，采煤工作面一般在旱季通过沟道，并对沟道的裂缝进行一定厚度的土层充填。汇集到河道的洪流，通过一定厚度的人工填土层进入采煤工作面。

2 过沟开采工作面涌水量预测

据上述研究区过沟开采工作面产流-汇流-渗流充水模式，采煤工作面涌水量预测方法如下。

2.1 产流阶段模型

依据地表径流系数，可以计算出正常降水量的地表径流强度和最大降水量的地表径流强度，如式(1)和(2)所示。

h=ah1，

(1)

hmax=ahmax′，

(2)

式中：h为正常降水量的地表径流强度，m/h；a为地表径流系数，为—常数项，研究区取0.7～0.8；h1为正常降水强度，研究区一般为10～30 mm；hmax为最大降水量的地表径流强度，m/h；hmax′为最大降水强度，研究区取4.17×10-3m/h。

正常涌水量和最大涌水量主要在降雨强度上存在差异，因此,后面两个阶段仅以正常涌水量为例推导。

2.2 汇流阶段模型

产流阶段获取了研究区正常降雨量的地表径流强度，任一沟道正常降雨量下的汇流量，可以由式(3)计算获得，即

Q=hF-∑Q′，

(3)

式中：Q为沟道汇流总量，m3/h；F为采煤工作面与沟道交叉处上游的汇水面积，m2； ∑Q′为上游其他采煤工作面的洪水涌入量之和，m3/h。

2.3 渗流阶段模型

依据达西定律，在工作面开采通过沟道且沟道地表处理裂缝后，通过沟道渗入采煤工作面的洪水量计算式为

Q′=kAΔH/N，

(4)

式中：Q′为涌入采煤工作面的涌水量；k为采动后沟道人工填土的渗透系数，采用双环注水试验获取(由于人工填土的厚度有限，大量双环注水试验显示，人工填土层渗流快，很快由非饱和土渗流变为饱和土渗流，因此，这里采用饱和土的渗透系数计算采煤工作面涌水量)；A为工作面与沟道的交叉区域面积；ΔH为沟道洪水位与人工填土厚度的叠加，即ΔH=N+H，洪水位H采用式(5)计算，N为沟道人工填土的厚度。

(5)

式中：L为沟道的过水宽度，m；d为沟道摩擦折减系数，无量纲；g为重力加速度，m/s2；B为沟道从源头到采煤工作面区域的长度，m；b为沟道的比降，无量纲。

将式(3)和(5)带入式(4)，则黄土梁峁区沟道洪水量预测公式为

(6)

3 工程实践

3.1 工程概况

如图2所示，研究区N15201综采工作面位于一盘区的东北部。该采煤工作面开采的5-2煤层整体赋存较稳定，埋藏深度51.5～164.8 m。煤层倾角1°～3°，厚度变化幅度相对较小，在5.0～6.2 m，平均厚度5.6 m。

图2 工作面过沟开采工程示意图

N15201地表植被稀疏，有种植的农作物，部分区域栽植有人工林。该工作面所属地貌为典型的陕北黄土高原地貌，梁、峁发育(图3)。在工作面中东部有一条沟(南沟)，旱季该沟处于干涸状态，雨季则有沟道洪水通过，且南沟上游无其他已经开采的工作面。在旱季N15201综采工作面通过了南沟，并在沟底地表裂缝处人工充填了2 m厚的黄土层。南沟对N15201采煤工作面的汇水面积为819 502 m2，正常降雨量按5.83×10-4m/h计，最大降雨量按3.33×10-3m/h计。双环注水试验显示，该沟人工填土的渗透系数为1.68×10-4cm/s，沟道径流宽度为10 m。采煤工作面与沟道的叠加面积约为4 500 m2。

图3 研究区黄土梁峁区地形

3.2 结果与分析

将上述各参数带入式(6)，对该工作面的正常涌水量和最大涌水量进行计算。通过计算，预测该工作面的正常涌水量为70.2 m3/h，最大涌水量为272.7 m3/h。工作面过沟后的第一个雨季降水量属于正常降水量范围，在雨季观测到的工作面涌水量约为68 m3/h。本次预测结果与实际观测结果相吻合，误差率仅为3.2%。

需要指出的是，预测结果与实际相吻合主要采取了以下两个关键措施。

(1)加强采煤裂缝的人工充填。由采动沟道雨季涌入工作面水量的预测模型可以看出，一旦贯通性裂隙存在，沟道产流和汇流的所有水量会全部或几乎全部涌入采煤工作面。此时采煤工作面涌水量会大幅提高，因此，必须对地表裂缝进行充分处理。另外，通过预测式可以看出，人工回填土层的厚度N越大，采煤工作面的涌水量越小。另外，人工回填土体的渗透系数k也决定了采煤工作面的涌水量。综上，采用隔水性好的土层进行大厚度回填，是有效降低采煤工作面涌水量的一个有效途径。

(2)加强沟道边坡治理。黄土梁峁区煤炭开采后地表边坡常常不稳定(图4)，若不治理，在雨季或其他工程扰动时会诱发边坡失稳，进而堵塞沟道。依据预测式可以看出，若沟道所有的产流-汇流的水量全部涌入采煤工作面，张家峁N15201综采工作面的正常涌水量(正常降雨强度)将达到477.77 m3/h，是式(6)预测结果(70.2 m3/h)的6.81倍。按照预测涌水量设计的井下排水能力将严重不足，必然造成采煤工作面水灾。因此，采动区的边坡需要充分治理，防治堰塞沟道。

图4 采动后不稳定的黄土边坡

综上，N15201采煤工作面常备100 m3/h的排水能力，应急300 m3/h的排水能力，并有极端涌水量的应急预案。采用这样排水设计，工作面顺利完成了回采。

4 结 论

(1)依据研究区过沟采煤充水模式提出的产流-汇流-渗流计算模型，可较好预测采煤工作面的沟道雨季涌水量，工程应用误差率仅为3.2%。

(2)过沟开采工作面涌水量预测模型使采煤地裂缝得到了充分回填，且沟道边坡得到了充分治理。不满足假定条件时，采煤工作面涌水量的预测则大幅失准，实际涌水量甚至达到预测值的6.81倍。