赵各庄矿井高倾斜煤层深部开采矿井涌水量预测研究

连会青，冉 伟，夏向学，晏 涛

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601;2.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

0 引言

矿井涌水量是煤矿开采中非常重要的一项基础工作。在多年开采中，积累了大量涌水量预测的理论与数学模型，提出了很多有效的预测方法，目前常用的预测矿井涌水量的方法主要有相关比拟法［1］、解析法［2］、水均衡法［3］、数值法［4］和时间序列分析［5］等方法。但是在高倾斜煤层深部开采条件下，预测过程中由于水文地质条件复杂化、水文地质参数缺乏代表性以及所建立的数学模型不恰当等原因，很容易导致计算误差偏大［6－8］，不能提供准确的涌水量预测数据。因此，开展急倾斜煤层深部开采矿井涌水量预测是值得关注的课题，也为下组煤的安全生产提供借鉴。

1 研究区概况

1.1 3839工作面概况及开采情况

赵各庄井田位于河北省唐山市东北古冶区，开平煤田开平向斜东北端。3839工作面位于13水平西翼8石门，上至12水平，12水平以上2137工作面已于2007年回采完毕;下至13水平，以下无采掘工程;东至F2断层，以东3639工作面2012年回采完毕，西至13西8石门，以西无采掘工程。

为更好地认识本区域工作面涌水规律，对距离3839工作面最近的九水平9037工作面、十水平0033工作面、十一水平1237工作面和十二水平2137工作面曾经发生过的出水情况进行了系统分析，各工作面与3839工作面的空间关系如下图1所示:

图1 3839研究区及以上工作面位置示意图

如果从立面图上看，开采范围位于12西11石门东翼，12西10石门两翼，东至F2断层，西至西II断层。地面标高+62 m，工作面标高－971.9～－1087.3 m，走向长395 m，倾向长124 m，面积48980 m2。

1.2 3839工作面涌水量动态

12水平西10石门和11石门掘进期间涌水量变化曲线图(图2)，可以看出自2012年9月以来，12水平石门和3839风道涌水量同时开始增大，一直持续到2013年1月底。期间，在2012年10月20日10石门小井被冲开，10石门当时涌水量为4.11 m3·min－1，在 2012年 10月25日 10石门以东底回风道见大水，10石门当时涌水量为3.14 m3·min－1，11石门涌水量变化不大。最大值出现在2013年1月17日，12水平10和11石门总涌水量达到6.44 m3·min－1。之后开始下降，到2013年4月18日，12水平10和11石门总涌水量已下降至2.38 m3·min－1。

图2 12西10石门和11石门涌水量变化曲线图

同期，13水平7石门和8石门涌水量数值一直不大(图3)，个别时间有涌水现象，二者比较，8石门要比7石门水量要大，但都小于0.35 m3·min－1。2013年以来，8石门基本没有涌水现象，7石门则仅在2013年3月1日有过一次涌水，水量为 0.16 m3·min－1。

图3 13西7石门和8石门涌水量变化曲线图

1.3 3839工作面充水因素分析

1.3.1 老塘水

随着矿井开采水平的不断向下延深，采区的主要充水因素虽仍是奥灰水，但直接充水因素却是上方的老塘水。奥灰水成为老塘水的稳定补给源，造成老塘内长期涌水，并随着水平延伸，而逐步向下转移。

根据上巷开采中出水工作面的位置分析，区域老塘水的来源一部分来自12西11石门西侧上部，即上方0033、1237、2137工作面老塘的垂直下渗。另一部分来自金庄反山区，即上方的0235、0335工作面老塘，由于在11水平之后，大巷未进入金庄反山区区域，9、12煤层均未开采。该区域10水平以上涌水向下已无通道，只能向东转移。

1.3.2 降雨强度

区域涌水量的大小与降雨强度和奥灰水位的上升幅度关系密切，而与奥灰水位高低关系不甚明显。77年7月、84年8月、87年8月、94年7月均有一次100mm以上的集中降雨，结果近一个月之后，该区域涌水量发生明显变化;而77年6月、87年7月奥灰水位在－120 m时，区域涌水量无增大现象，94年8月奥灰水位在－170 m时区域涌水量发生明显变化。

1.3.3 奥灰水动态特征分析

为了解放井田内受奥灰威胁的区域，赵各庄矿实施了疏水降压工程，自1989年始，以7水平(－557m)为疏水基地，共完成疏水降压井巷工程2125.2 m，打奥灰放水钻孔 37眼，共钻进7850.06 m，放水能力 40 ～45 m3·min－1，使奥灰水位由0 m疏降到－150 m以下。

区内奥灰水位在每年的汛期受降水影响会较快速抬升。2012年降水量丰富，区内奥灰水位一度逼近警戒水位－150 m;但随着雨季过后，补给减少，截止2013年4月5日，奥灰水位已降至－250.29 m(图4)，且奥灰水位还在持续下降，接近2008年的低值，缓解了底板奥灰突水的威胁。

图4 开滦赵各庄井田疏水后奥灰水位降落漏斗图

1.3.4 小煤窑

在不考虑降雨的情况下，单独就小煤窑而言，小煤窑关闭后基本上对矿井涌水无影响。2008年9月地方煤矿停产整顿后，曾对矿井涌水影响结果进行了分析，分析认为:地方煤矿的停产整顿对赵各庄矿的涌水量影响不大，甚至使矿井涌水量有所减少。

2 多元线性回归法预计涌水量

2.1 研究区涌水量预测公式确定

1)根据正常涌水量(Q)与开采面积(S)、降水量(P)、奥灰水位(H0)和开采深度(S0)拟合公式，建立多元线性回归方程(相关数据见表1)。

表1 涌水量与各相关因素的数据统计表

因涌水量和开采面积、降水量、奥灰水位和开采深度的四元回归方程最少需要五组数据才能拟合，但每一水平只有三组完整数据(8水平有4组数据)，所以将相邻两个水平数据组合进行模拟。其中回归性较好的方程有三个:

根据9－10水平数据拟合涌水量和开采面积、降水量、奥灰水位和开采深度之间的多元线性回归方程为:

该多元线性回归方程的R2=0.99655，相关性很高，说明该方程拟合的比较好。

根据11－12水平数据拟合涌水量和开采面积、降水量、奥灰水位和开采深度之间的多元线性回归方程为:

该多元线性回归方程的R2=0.98，相关性很高，说明该方程拟合的比较好。

根据12－13水平数据拟合涌水量和开采面积、降水量、奥灰水位和开采深度之间的多元线性回归方程为:

该多元线性回归方程的R2=0.9987，相关性很高，说明该方程拟合的比较好。

在拟合公式中，8－9水平和10－11水平拟合效果不好，9－10水平、11－12水平、12－13水平拟合效果非常好。所以在此使用这三个拟合公式进行涌水量预测。

2)根据正常涌水量(Q)与老空积水量(q)、降水量(P)、奥灰水位变幅(H0)和开采深度(S0)拟合公式，建立多元线性回归方程 (相关数据见表1)。

根据11－12水平数据拟合正常涌水量和老空积水量、降水量、奥灰水位变幅和开采深度之间的多元线性回归方程为:

该多元线性回归方程的R2=0.9996，相关性非常高，说明该方程拟合的非常好。

2.2 公式的验证

上述公式一采用12－13水平的拟合方程，公式2采用11－12水平的拟合方程分别对12水平和13水平的涌水量进行预计。并利用2010～2012年的实测涌水量数据对方程进行验证，见表2。

表2 实测值和预测值比较结果单位:m3·min－1

从以上两种方法预测不同水平涌水量比较来看，第一种方法得到的预测值更接近实测值，。所以采用正常涌水量(Q)与开采面积(S)、降水量(P)、奥灰水位(H0)和开采深度(S0)拟合方程进行工作区涌水量预测。

2.3 研究区涌水量预测

根据以上计算方法确定采用以下四元线性回归方程进行2013年13水平工作区涌水量预测。

其中，降水量、水位值的预测值采用2010－2012年3年每月平均值预测每月正常涌水量，最大值预测每月最大涌水量。其余参数取值，开采面积974.654 m2，开采深度1100 m。

预测得2013年13水平正常涌水量和最大涌水量见表3。

表3 2013年涌水量预测数据表单位:m3·min－1

3 比拟法预计涌水量

3.1 涌水量与开采深度比拟

根据矿井已采水平的历史涌水量与开采深度的统计分析，确定八水平以下各水平涌水量高峰期内的正常涌水量(把每个水平高峰涌水量期间内的平均值称作该水平高峰期内的正常涌水量)与开采深度的相关关系(即非线性关系)，方程为:

式中:s为各水平的采深(m)，Q为单位时间涌水量(m3·min－1)。

依据此公式对14水平的涌水量进行了预测。通过生产区域的分析发现，11、12和13水平都没有对水文地质条件复杂的区域进行开采，而根据十水平以上各水平开采涌水资料统计，水文地质条件复杂区域涌水量要占整个水平涌水量的40%，如果11、12和13水平也对反山区进行开采，其涌水量将远远高于实测水平，因此，对十四水平涌水量预测分析中，使用11、12和13水平数据，模拟其开采反山区的情况。

因此，取近10年矿井正常涌水量平均值、矿井涌水量最大值作为矿井正常涌水量、矿井最大涌水量。本次矿井涌水量的预计未考虑奥灰底板突水等灾变因素。矿井及各水平涌水量结果见表4。

表4 比拟法矿井涌水量预测结果单位:m3·min－1

3.2 涌水量与开采面积、降深比拟

本次采用的计算方法将涌水量大小与主要影响因素开采面积大小、开采降深联系，能更好计算涌水量的值。根据已有历史实测涌水量值、每年开采面积和水位降深值数据的详细程度，确定采用9水平－11水平矿井实测历史涌水量与开采面积、水位降深的统计数据，计算出矿井单位涌水量比拟公式，然后再采用比拟式预测出不同开采面积、不同开采水平的涌水量大小。具体计算公式如下:

式中:Q—新水平预计涌水量(m3/min);F—新水平设计开采面积(m2);S—新水平水位降深(m);Q0—生产水平实际涌水量(m3·min－1);F0—生产水平实际扩采面积(m2);S0—生产水平实际水位降深(m);m，n—系数。

计算得到 12 水平 Q=2.01 m3·min－1，13 水平 Q=2.73 m3·min－1。

用上述公式计算得到的水平涌水量值与实测正常涌水量值比较接近，见表5。在预测更深层的涌水量时，可参考使用该公式。

表5 研究区比拟法预测与实际涌水量对比表单位:m3·min－1

现阶段，因未得到14水平设计资料，所以未知开采面积，暂未进行预测。若已知14水平设计开采面积，可代入公式，得到对应开采面积、降深下的涌水量值。

4 解析法计算涌水量

以井流理论和用等效原则构造的“大井”为主的大井法来预测涌水量。矿井充水含水层为承压水，矿井开采排水过程中，必然会形成以坑道系统为中心的降落漏斗，在漏斗中心的一定范围内，承压水降至隔水顶板以下，含水层性质由承压转无压，地下水流状态为稳定流，所以预测涌水量的计算公式采用承压转无压的完整井公式:

式中，Q为预计矿井涌水量(m3·min－1);K为渗透系数(m·d－1)H0为水柱高度(m);M为含水层厚度(m);hw为含水层底板以上动水位高度(m);R“大井”引用影响半径(m)，其计算公式为“大井”引用半径(m)。

此次计算，渗透系数取工作面范围内渗透系数平均值0.1166，hw取0，旨在计算水位降到含水层底板。计算得十三水平坑道系统涌水量为2.53 m3·min－1。对比数据见表 6。

表6 预测与实际涌水量对比表单位:m3·min－1

5 结论

综合以上计算结果，回归法、比拟法和解析法三种方法预测的13水平涌水量在2.06 m3·min－1～2.73 m3·min－1之间，平均值为 2.395 m3·min－1与实测值比较接近(见表7)，待进一步获取14水平详细的开采参数，预测14水平相应工作面涌水量。

表7 研究区不同方法的预测值与实际涌水量单位:m3·min－1

综上所述，可以得出以下结论:

1)涌水量预测过程中，可以采取多种方法预测，综合对比后确定。

2)总体看，“大井法”和考虑“开采面积－降深”的比拟公式预测结果接近实际值;

3)多元回归法预测结果偏小，主要是由于上部采空区积水量的预测难度较大，导致最终预测结果误差较大，但不能否认上部采空区积水量对深部开采的重要影响。

4)所建立多元回归模型涌水量预测误差在15%左右，远小于生产实际中常见的50%的误差范围，可见模型具有一定的可行性，随着对各因素研究的深入，模型精度将逐步提高，为生产设计需求可提供参考数据。

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