新安煤矿矿井涌水量预测研究

刘小满赵明坤王泽轩

(1.河南理工大学资环学院,河南省焦作市,454003; 2.河南省煤炭地质勘察研究院,河南省郑州市,450000)

★煤矿安全 ★

新安煤矿矿井涌水量预测研究

刘小满1赵明坤2王泽轩2

(1.河南理工大学资环学院,河南省焦作市,454003; 2.河南省煤炭地质勘察研究院,河南省郑州市,450000)

分析了1987-2008年新安煤矿的逐月涌水量,指出其矿井涌水量随着开采范围的扩大总体量增长趋势,而枯水期和丰水期矿井涌水量并没有明显的变化;并从理论上证明了小浪底水库蓄水将对本矿矿井涌水量产生重要影响。

矿井涌水量 地下水流动力学法 过水断面法 预测 新安煤矿

AbstractOn the basis of an analysis of mine month to month water inflow in Xin’an Coal Mine during 1987-2008,it is pointed out by this paper that mine water inflow increases with the extension of the total area of coal mining while on the other hand no obvious differences are seen between the mine water inflow between dry seasons and water affluent seasons.Moreover, this paper provides a theoretical proof that the water storage in Xiaolangdi reservoir impacts significantly on mine water inflow rate in Xin’an Coal Mine.

Key wordsmine water inflow,underground water dynamic method,water carrying section method,forecast,Xin’an Coal Mine

义马煤业 (集团)有限责任公司新安煤矿位于新安县城以北15 km处,石寺镇境内。流经本井田的河流有畛河、石寺河和北冶河,其中畛河为流经该井田的主要河流,属黄河水系。畛河发源于青野地,最终流入小浪底库区。河床宽度 200～500 m,河道宽度20～30 m。石寺河流入本井田后,在石寺村附近汇入畛河,河床宽度100～200 m,河道宽度10～20 m。北冶河从井田东部流入库区。流向与地层走向斜交,河床平坦,一般旱季干涸,雨季山洪暴发,洪流量可达 368.58 m3/s (1958年7月1日测),淹没宽度150 m左右。畛河、石寺河和北冶河流量随季节变化显著,雨季水位高,流量大,干旱季节断流。由图1可以看出,在一年之中,新安矿矿井涌水量没有明显的季节变化,所以,地表河水暂对开采影响不大,只有当采空区形成一定规模后,地面塌陷形成的地裂缝与河流贯通时,河水在雨季可能通过地裂缝进入矿井,对煤矿生产影响较大。

1 矿井涌水量

自1987年1月至2008年1月新安煤矿矿井月平均涌水量变化趋势见图1,观测值见表1。

图1 涌水量和时间关系曲线图

表1 1987年1月～2008年1月矿井涌水量月平均观测值 m3/h

由表1和图1可以看出:矿井涌水量基本上呈逐年缓慢上升趋势,表明随着巷道掘进长度的增加,采空区范围扩大,含水层揭露面积的加大,突水点增多,矿井涌水量增大;矿井涌水量在一年之中变化不大,说明本矿涌水量和降雨关系不显著。矿井的主要涌水水源为常年性稳定的地表下渗水和地下水。

小浪底水库位于黄河中游,设计最高蓄水水位为+275 m,到达设计水位后将覆盖新安井田面积的40%,通过对矿井涌水量特征的分析,认为小浪底水库对新安煤矿的矿井涌水量产生巨大影响。

2 矿井涌水量计算模型

2.1 比拟法

(1)模型方程:

式中:Q、Q′——拟求、已知矿井涌水量,m3/h;

S、S1——拟求、已知水位降深,m;

F、F1——拟求、已知开采面积,km2

2.2 地下水动力学方法 (大井法)

承压-无压稳定流公式:

承压稳定流公式:

式中:Q1——煤层顶板砂岩含水层涌水量,m3/h;

Q2——煤层底板灰岩含水层涌水量,m3/h;

M1、M2——承压含水层厚度,m;

K——含水层渗透系数,m/d;

H——承压水头高度,m;

S——水位降深,m;

F——采空区面积,m2;

R——影响半径,m;

R0、R01、R02——矿井排水的引用半径,m;

r0——引用半径,即假想大井的半径,m。

2.3 过水断面法

模型公式:

式中:Q——矿井涌水量,m3/h;

Sm——过水断面面积,m2;

q——通过过水断面的水流渗透速度,m/h;

3 新安煤田涌水量构成特征

以矿井水来源地点划分,总涌水量由西部采区涌水量、东部采区涌水量、井底车场涌水量和井筒涌水量4部分组成。在目前生产条件下,枯水期矿井排水总量450～550 m3/h,其中西部采区水量占矿井排水总量的30%～40%,东部采区水量占矿井排水总量的40%～50%,井筒水量和井底车场水量占总排水量的10%～15%。

4 矿井涌水量预测

预测方式分两种情况进行:其一,不考虑小浪底水库蓄水,利用+25水平的涌水量来预算-200水平的矿井正常涌水量;其二,考虑小浪底水库蓄水,预测水库蓄水高度达到+275 m时的矿井正常涌水量。

4.1 -200水平的矿井正常涌水量

根据矿井涌水量长期观测结果及钻孔抽水试验成果,结合矿井充水条件及开拓方式,选择比拟法及地下水动力学法对矿井涌水量进行预测。

4.1.1 比拟法

(1)公式选择:根据现在新安煤矿矿井涌水量的调查,矿井涌水量与开采面积和水位降深具有一定的关系,但不是线性关系,因此选用比拟法的经验公式即公式 (1)计算。

新安煤矿目前开采水平为+25 m,涌水量Q1 =480 m3/h,水位降深S1=251.68 m,采空区面积F1=8.75 km2,拟求未来-200 m水平的采空区面积F=55.21 km2,水位降深S=476.68 m (顶底板含水层水位降深的平均值)。

(2)计算结果:利用比拟法,对-200m水平对应的矿井正常涌水量进行预测,其结果为1046.22 m3/h。矿井目前的最大涌水量是正常值的1.2倍,经计算最大涌水量为1255.46 m3/h。

4.1.2 地下水动力学法(大井法)

(1)由前述充水因素分析及矿井涌水量构成分析,矿井的直接充水含水层为煤层顶板砂岩裂隙承压含水层和底板灰岩裂隙岩溶承压含水层。矿井开采过程中,随井巷开拓及矿坑水疏排,砂岩裂隙承压含水层将由承压转为无压,故可用承压-无压稳定流公式 (公式 (2))进行砂岩裂隙水涌水量计算;煤层底板灰岩裂隙岩溶水矿井涌水量则用承压稳定流公式 (公式 (3))进行计算。

(2)根据钻孔抽水试验资料,含水层厚度及渗透系数分别选用各水文孔的算术平均值及加权平均值。采空区面积选用开采水平的采空区整体范围面积。水头高度选择钻孔揭露平均值,水位降深选择钻孔平均水位标高与-200 m水平的差值。参数选择详见表2。

表2 水文地质参数选择一览表

(3)计算结果:运用地下水动力学法 (公式2、3)求得顶板涌水量为607.01 m3/h,底板涌水量为888.25 m3/h,总量为1495.26 m3/h;运用比拟法 (公式1)求得涌水总量为1046.22 m3/h,故推荐涌水量为1050 m3/h。

4.1.3 矿井涌水量预测结果评价

本次分别采用比拟法和大井法对矿井正常涌水量和最大涌水量进行了预测,两项结果略有偏差。大井法是根据抽水资料和矿井涌水资料求得的渗透系数,具有一定的局限性,也有一定的灵活性,由于考虑寒武-奥陶系灰岩水及其他水源对矿井充水的影响,其结论可能与实际存在一定偏差;而比拟法是根据多年开采实践所得矿井涌水量基础上进行的深部类推,其含水层暴露充分,故其计算值更接近实际,因此推荐矿井正常涌水量为1050 m3/h、最大为1300 m3/h作为今后矿井开拓设计的依据。参照《地下水资源分类分级标准》,计算的矿井涌水量属于C级的精度,它的误差大体在50%以内。

4.2 水库蓄水至+275 m后矿井正常涌水量预测

义马煤业集团、黄河水利委员会勘察规划设计院及河南理工大学等单位,对水库蓄水后新安煤矿涌水量采用断面法 (采用公式 (4))进行过计算。故本文不对此问题重新计算,直接引用前人研究成果。即:小浪底水库蓄水到275 m高程时,新安矿井涌水量将达到4954.16 m3/h。

5 结论

新安煤矿矿井涌水量预测结果为正常涌水量1050 m3/h、最大涌水1300 m3/h,当小浪底水库蓄水到275 m高程时,采用义马煤业集团、黄河水利委员会勘察规划设计院及焦作工学院 (现河南理工大学)等单位的研究成果,正常情况下新安煤矿矿井涌水量届时将达到4954.16 m3/h。说明小浪底水库的蓄水将会对矿井涌水量产生巨大影响。

[1]王泽轩.河南省新安煤田新安煤矿煤炭资源储量核实报告 [R].2007

[2]房佩贤,卫中鼎等.专门水文地质学 [M].北京:地质出版社,1996(11)

(责任编辑 梁子荣)

On Xin’an Coal Mine water inflowforecasts

Liu Xiaoman1,Zhao Mingkun2,Wang Zexuan2
(1.College of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan province 454003,China; 2.Henan Provincial Coal Geological Survey Institute,Zhengzhou,Henan province 450000,China)

TD742

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刘小满 (1974-),男,陕西泾阳人,讲师,长期从事水文地质研究工作。