矿井涌水量预测及防治水建议

崔耀明

（山西乡宁焦煤集团通合煤业有限公司，山西 临汾 042100）

0 引言

煤炭资源在推进国家经济发展过程中扮演至关重要的角色，然而伴随着多年的开采，开采难度越来越大，赋存地质构造也越来越复杂。含水层、老窖水以及采空区积水等水源对煤矿安全生产带来巨大隐患，影响到煤炭资源的开采生产工作[1-2]。准确地预测矿井涌水量，是后期生产中的排水防水设施进行合理安排、制订相应排水方案的前提条件，也是煤矿安全生产和提高经济效益的重要保证。本文结合山西省某煤矿进行实例分析，为今后水治理提供了针对性意见。

1 工程概况

1.1 地质构造情况

山西省某煤矿14152（以下简称14152）综放工作面位于太行山脉西侧，煤层顶板到地面的垂直厚度约为180～152 m，井下与地面相较于基础面标高分别为739～809 m、919～968 m，地面无水体、建筑等，均为植被覆盖区与耕种区。14152 工作面南侧为运输巷道，北侧为安全煤柱，东侧采空区，西侧为基础工作面。该工作面长为302.7 m，区段运输平巷长1 235 m，区段回风平巷可采长度1 209 m，15 号煤层平均长度为1 222 m，平均煤层厚度为3.0 m，夹矸总厚度为0.34 m；最低倾角为2°，最高倾角7°，煤层平均倾角3°，煤层顶部部分区域存在溶洞及破碎现象，已探明可采煤炭储量约209 万t。14153 工作面回风平巷断面为4 m×3.5 m 的矩形，方位角92°，巷道掘进作业中每间隔150 m 布设一个规格为4 m×4 m×3 m的钻场。14153 工作面回风平巷与14152 工作面运输平巷两巷道之间净煤柱约20 m。该工作面顶板、底板围岩情况见表1。

表1 某煤矿14152 工作面围岩情况表

1.2 水文情况

14152 工作面地表为荒山、荒沟、荒丘等地貌特征，无水体存在，平均厚度约为168 m。进入雨季后，因地面持续积水渗水，同时采空区雨水积聚，导致15号煤层上部含水层富水性加强，出现部分煤层老顶K2 灰岩富水情况，矿井水文地质条件中等（受采掘破坏或影响的孔隙裂隙，溶隙含水层补给条件一般，且有一定的补给水源）[3]。预计该工作面正常水流量为3 m3/h。

2 矿井涌水量预测与分析

常用的矿井涌水量预测方法有富水系数比拟法、垂直渗流-侧向径流法、地下水数值模型法、灰色系统理论、时序分析法等，目前富水系数比拟法研究进展迅速，且预测准确率高[4-5]。本文结合14152 工作面冒落带与导水裂隙带测量参数，利用富水系数比拟法对该矿井涌水量进行预测分析。

2.1 导水裂隙带与冒落带观测方案设计

根据14152 工作面现场实际条件以及此次观测的时间要求，确定导水裂隙带高度观测点设置在该工作面附近14153 工作面回风平巷中。

2.1.1 导水裂隙带观测孔

14152 工作面15 号煤层平均厚度3 m，根据现场分析，在14153 工作面回风平巷观测点设置了2 个导水裂隙带，在实际观测中，必须严格控制观测流速和精确度；通过对钻孔观测数据分析，可以计算出导水裂隙带高度。如果所观察到的数据错误或误差较大，则必须重新观测。

2.1.2 导水裂隙带对比孔

若已布设的导水裂隙带观测孔获取的观测数据无法反映出其发育高度，则应在尚未掘进的位置重新设置观测孔洞，作为导水裂隙带观测对比孔。最后，结合导水裂隙带观测孔与对比孔数据，可推算得出较为准确的导水裂隙带高度。

2.1.3 冒落带观测孔

沿14153 工作面回风平巷到14152 工作面钻冒落带观测孔2 个，要求两孔倾斜。因钻孔需要穿越14152 工作面采空区上部的破碎岩层，所以在完成钻孔后需用高压水冲孔，并在钻具撤离后尽快开展观测工作，以避免出现破裂的岩体和不规则孔壁对观测造成影响。在钻井过程中，对钻机的卡钻、钻速等也需进行详细的记录。

导水裂隙带观测孔、对比孔与冒落带观测孔相关参数如表2 所示。

表2 14153 工作面导水裂隙带与冒落带观测孔参数表

导水裂隙带观测孔、对比孔与冒落带观测孔布设刨面示意图如图1 所示。

图1 14153 工作面导水裂隙带与冒落带观测孔布设刨面图

2.2 观测结果分析

将观测孔观测数据通过GMS 软件分析可得，该导水裂隙带发育高度为41.99 m，因该工作面15 号煤层平均厚度3 m，计算可知裂采比为13.99。对冒落带高度观测两钻孔（4 号钻孔与5 号钻孔）孔壁微观分析，发现两钻孔中岩层都存在着明显的断裂分区，并且两个钻孔的断裂区域对比明显。根据冒落带高度观测两钻孔全长测段孔壁裂隙分布，计算得出冒落带上部边界分别为4 号钻孔孔深35.7 m，5 号钻孔孔深30.3 m。结合现场测量钻孔轨迹，两钻孔实际倾角为：4 号钻孔21.83°，5 号钻孔27.42°。计算可得14152工作面两钻孔冒落带距煤层垂直距离：H4=35.7 m×sin21.83°=13.28 m，H5=30.3 m×sin27.42°=13.95 m。

由上述计算结果可知，冒落带发育高度实际值约为13.95 m。

结合上述14152 工作面冒落带与导水裂隙带测量数据分析结果，利用水文地质比拟法进行涌水量预测计算：

式中：Q 为矿井涌水量；P 为同时期内矿井开采量，Kp为裂采比拟系数。

计算可得结论：该煤矿14152 工作面正常生产情况下，15 号煤层产量为每小时90 万t，此时矿井平均涌水量预测值为10.13 m3/h，最大涌水量预测值为12.96 m3/h。

3 矿井防治水建议

通过对14152 工作面冒落带与导水裂隙带观测数据分析，结合矿井涌水量的预测结果，提出下列防治水措施保障该工作面安全生产：

1）加强地面监测，并安排专业人员及时对塌陷裂缝特别是沟壑内裂隙进行填充，防止地表积水渗入。

2）定期开展矿井及周围区域内采空区积水调查与治理工作。

3）配备符合工作要求的防治水技术人员并配置专业探放水设备，加强培训，提高其防治水技术水平。严格落实“有掘必探、先探后掘”原则，坚持掘进作业前进行探放水，防止透水事故发生。严格按照矿井设计留设防水煤柱。

4）对主排水系统、抗灾排水系统和工作面排水系统进行定期维护，确保排水作业可以正常进行。用于排水的电力输送线路，也须定期进行检修。

5）矿方应按照应急管理部2022 年《煤矿安全规程》相关要求，对该煤矿14152 工作面15 号煤层因开采产生对导水裂隙带高度开展实测。同时应制定水灾事故应急预案。

4 结语

含水层、老窖水以及采空区积水等水源对煤矿安全生产带来巨大隐患。根据统计表明，在煤矿井下水灾害事故发生频率仅低于瓦斯爆炸与顶板塌陷事故，而因水灾害事故导致的伤亡人数大于瓦斯或顶板事故。本文对某煤矿14152 工作面导水裂隙带与冒落带相关数据进行实测，预测涌水量并针对该煤矿实际提出防治水建议，对综采工作面安全生产具有重要意义。