东欢坨矿水文地质特征分析及涌水量计算

陈崇域 刘 刚 冯光俊

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；(2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116)



★ 煤矿安全 ★

东欢坨矿水文地质特征分析及涌水量计算

陈崇域 刘 刚 冯光俊

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；(2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116)

为明确东欢坨矿水文地质特征并对矿井涌水量的预测，基于煤田地质勘探资料、采掘及钻孔数据，系统研究了研究区整体的井田水文地质特征、充水水源及充水通道特征。对矿井的涌水量分别用改进的大井法和灰色模型进行预测，其中灰色模型涌水量预测结果与矿井往年涌水量相近，符合矿井实际涌水量情况。

矿水文地质特征 矿井涌水量 大井法 灰色模型 东欢坨矿

1 煤矿概述

东欢坨矿井于1988年4月正式开工建设，1997年矿井简易投产，2015年产量达222万t/a。现矿井生产水平为-500 m水平和-690 m水平，开拓延伸水平为-950 m水平。矿井核定生产能力为450万t/a，生产采区为-500 m水平中央、北二采区和南一采区、-690 m水平中央下采区、-690 m水平南一采区，同时生产的回采工作面3个，采用走向长壁后退式采煤方法，全部为综合机械化开采。

东欢坨矿水文条件极其复杂，矿井施工以来已发生多次突水事件，随着开采深度不断加深，面临的水地质条件更加复杂。本文通过对东欢坨矿的水文地质条件进行总结分析，并对矿井水涌出量进行预测，有助于合理确定东欢坨矿水处理设施的建设规模，有效利用建设资金，减少或避免安全生产事故的发生。

2 井田水文地质

东欢坨矿位于开平煤田的西北部，构造位置位于轴向北东方向隐伏向斜的车轴山向斜的东南翼，研究区上部为第四系冲积层，北部平缓，厚度较薄，向南变厚，最高厚度达650 m。其底部的卵砾石层含水量较大，形成了较强的水源补给。位于冲积层之下的石炭二叠系含水层中的水主要赋存于砂岩裂缝中，其下伏奥陶系灰岩含水量也较为丰富。

2.1 主要含水层及其特征

(1)第四系冲积层孔隙承压含水层(Ⅶ)。第四系冲积层全区分布，与下伏古生代地层呈不整合接触，由北部最小厚度180 m逐渐均匀变厚到南部650 m，其孔隙含水量不均匀，但总量较大。单位涌水量0.275～2.258 L/s·m，渗透系数0.371～4.846 m/d，水温12～18.5℃，水质类型为HCO3--Ca2+Na+Mg2+型或HCO3--Ca2+Mg2+Na+型，富水性强，为煤系含水层的补给水源，但如有构造导通，则该含水层也有可能成为矿井涌水的直接水源。目前该含水层水位在-19～-24 m之间。

(2)石炭-二叠系砂岩裂隙承压含水层(Ⅱ～Ⅵ)。东欢坨矿的石炭-二叠系含水层位于独立的倾伏向斜之中，由于研究区石炭-二叠系砂岩的胶结和矿物质组成差异较大，其构造导致裂隙发育差异性也较大。以含水层水文参数为依据，将本区含煤地层划分为五组十段，如表1所示。

表1 东欢坨矿区含水层特征表

(3)奥陶系灰岩含水层(I)。奥陶系灰岩含水层位于于石炭-二叠系地层之下，呈不整合接触，其顶部灰岩有较多的裂缝和溶洞发育且被砂砾等物质充填。单位涌水量为0.799～1.794 L/s·m，渗透系数3.405～10.385 m/d，水质类型为HCO3--Ca2+Mg2+型，水温19.5℃。本层富水性强，对矿井的安全生产构成较大威胁。目前本含水层水位标高为-20 m左右。

2.2 主要隔水层及其特征

(1)A层附近(含A层)铁铝质粘土岩，A层附近(含A层)铁铝质粘土岩为煤系地层最上部的一个标志层，紫红色，质硬性脆，有鲕状结构，节理发育。与A0层相比，颜色较深、密度较大、含铝质成分多、断口参差状。根据该矿水文观测孔东观33孔A层下80 m抽水(Q=0.446 m3/min，S=30.46 m)，水文观测孔东观26、38孔的抽水试验表明该层为弱透水层。

(2)5#～12-2#煤层间为沉凝灰岩、各类泥岩及高岭土质砂岩，特别是8#、9#煤层附近、12-1#～12-2#煤层之间是由沉凝灰岩和高岭土质砂岩组成，隔水性较好，随采掘工程推进隔水性易遭破坏。

(3)G层铝土质粘土岩组，主要岩性为粉砂岩，细砂岩及泥岩次之，以浅灰及灰白色为主，底部为灰或灰褐色铝质泥岩，含有植物碎片和植物根化石及动物化石，一般厚度10 m。

3 充水条件及充水因素

统计东欢坨矿2011—2015年大气降水量数据，与对应年份矿井涌水量进行对比，能直观表现出大气降雨对下部含水层及矿井涌水量不会造成明显影响。井田范围内又无地表水系存在，因此大气降水、地表水对矿井涌水量影响甚小。

当东欢坨矿上方采空区或老巷道存有积水、动水时，这些积水、动水会顺裂隙进入工作面，成为突水水源。但由于该矿开采时间不长，水文资料保存相对完整详细，因此积水位置、范围、水量等积水条件清楚可靠，在具体的防治过程中，对有积水隐患的地点均进行了探放老空水工作，有力保证了工作面的掘进及回采安全，多年来未出现透老空水事故。

通过十几年的生产实践，东欢坨井田范围内充水通道主要有以下方式：

(1)直接揭露含水层，主要为A0～A之间含水层、A～5#煤层顶之间含水层、12-2#～14-1#煤层含水层组直接充水水源。

(2)断裂带导水，本井田构造发育，通过井巷延伸工程及生产区域来看，大部分断层未与含水层导通或不导水，然而有些断层天然条件下是隔水的，但是当开采煤层时，采场内的断层会由于开采造成的矿山压力的变化而活化，从而引发突水。

(3)采动导水裂缝带对矿井充水的影响。含水层或其他水源的水会顺着矿井巷道掘进和工作面回采时产生的导通到含水层或其他水源的裂隙进入矿井。

4 涌水量预测

矿井涌水量预测方法大体上有非确定性分析法和确定性分析法。非确定性分析法有水文地质比拟法、回归分析法、灰色系统法等；确定性分析法包括水均衡法、解析法、数值法等。解析法预测矿井涌水量时，以井流理论和用等效原则构造的大井为主。矿井涌水量计算方法种类繁多，预测方法不尽相同，需选择适当的计算方法来预计不同出水点的矿井涌水量，同时在矿井涌水量预测过程中应考虑采掘过程及采动影响效应。本文选取灰色模型和大井法进行涌水量预测并进行对比。

4.1 灰色模型

利用灰色理论建立的GM(1，1)预测模型对矿井水的预测，可以避免矿井水涌水量的无规律性、随机性和波动性特征的影响；通过灰处理生成，使得计算简单灵活，结果较为准确。

基于全矿各水平所积累的涌水量数据，利用灰色理论所建立的GM(1，1)模型对-500 m、-690 m水平进行涌水量预测。

灰色GM(1，1)模型的基本公式为：

(1)

a，u——待求参数。

预测结果根据预测参数平均相对精度P和平均相对误差C对其进行等级评价，从而确定预测精度，精度评价等级如表2所示。

表2 精度评价等级

在MatLab软件支持下，将GM(1，1)模型写入函数文件，将该矿井历年各水平的涌水量数据代入，得出-500 m、-690 m水平涌水量灰色预测公式、平均相对精度P和平均相对误差C。对-500 m水平涌水量预测参数和-690 m水平涌水量预测参数平均相对精度P和平均相对误差C结果及对其进行评价如表3所示。

表3 东欢坨矿灰色模型涌水量预测参数表

-500 m水平涌水量灰色预测公式为：Q(1)(t+1)= -1059.79e-0.0224t+1084.94。

-690 m水平涌水量灰色预测公式为：Q(1)(t+1)= 201.83e0.0505t-193.90。

综上所述，利用灰色理论建立的GM(1，1)预测模型对东欢坨矿2016-2020年矿井涌水量进行预测，预测结果如表4所示。

4.2 大井法预测涌水量

利用稳定流大井法预测-500 m、-690 m水平开采时矿井涌水量增量。

假设：(1)井田-500 m、-690 m水平各直接充水含水层富水程度和充水程度较稳定；(2)各含水层的水文地质参数稳定、变化较小；(3)忽略工作面短时间非稳定充水过程；(4)概化-500 m、-690 m水平规划开采区开采时的矿井充水过程为近似稳定流井。

表4 2016-2020年矿井涌水量GM(1，1)模型预测表

大井法矿井涌水量预测计算方法属于稳定流解析方法，具有简单方便的特点，但目前在利用大井法预测矿井涌水量方面仍存在不足，需要对计算公式进行改进。改进的大井法将导水裂缝带高度影响范围内含水层的累计总厚度视为M值；改进型大井法首次提出构造分形维数对渗透系数K值的修正。由抽水试验取得的渗透系数是含水层平均值，反映的是含水层孔隙度、裂隙率、连通性能的综合水平，地质构造对K值影响未考虑，同一含水层，由于构造特征等因素的不同，导致渗透系数存在较大的差异，为此，结合地质构造分形维数的影响，用修正系数∂对K值进行修正。将大井法计算公式进一步改进，得出大井法修正公式：

(2)

式中：Q——大井涌水量，m3/d；

K——含水层渗透系数，m/d；

H——抽水前大井的水柱高度(从含水层底板到初始静止水位)，m；

M——承压含水层厚度，m；

r0——大井的引用半径(等效半径)，m；

F——水平或采区开采面积(参考-690 m水平未来五年年均开采面积)，m2；

R0——引用影响半径；

R——影响半径，取5333.17 m；

s——大井中的水位降深，即s=H=390 m；

k——渗透系数，m/d；

K*——渗透系数K值的修正值；

α——容量维D与K值相关性曲线的斜率；

M*——M的修正值，若导水裂缝带未完全导通顶部第i含水层，mi值应取第i个含水层整个厚度。

综上所述，根据研究区用构造分维值测算方法得出的构造复杂程度分维值特征，结合研究区渗透系数资料，根据容量维D与渗透系数的关系，对K值进行修正。构造容量维与渗透系数关系如图1所示。

图1 构造容量维与渗透系数关系图

矿井涌水量主要考虑5#煤层顶板含水层水及8#、9#、11#、12-1#煤层顶底板裂隙水。各水平涌水量预计包括5#煤层顶板水(Q5煤)、主采煤层(8#、9#、11#)、顶底板水(Q8～11#煤层)及12-1#煤层底板运输大巷水(Q岩)。其中主采煤层(8#、9#、11#)、顶底板水(Q8～11#煤层)根据已回采区域经验值，各主采煤层顶底板水最大水量0.5 m3/min，合计顶底板水(Q8～11#煤层)为1.5 m3/min。12-1#煤层底板运输大巷水比照中央、北一运输大巷(长度2070 m，水量6.69 m3/min)，预计12-1#煤层底板运输大巷水(Q岩)为4.5 m3/min。矿井正常水量按最大涌水量的70%计算。

根据改进的大井法计算公式，结合东欢坨矿2016-2020年回采衔接表及抽放水试验结果，对东欢坨矿-500 m、-690 m水平涌水量进行预测，各计算参数及预测结果如表5所示。

表5 2016-2020年-500 m水平和-690 m水平涌水量计算参数

利用大井法对东欢坨矿2016-2020年总的涌水量进行预测，预测结果如表6所示。

表6 2016-2020年涌水量预测表

4.3 矿井总涌水量预计与结果讨论

东欢坨矿水文地质条件较为复杂，根据近些年来的涌水量变化情况可以看出，虽然在建井初期，矿井涌出量大小有所波动，但随着开采的进行及水文地质工作的深入，矿井水涌出量趋于稳定，近5年矿井平均涌水量为34.11 m3/min。本次研究基于矿井积累的涌水量数据，分别利用灰色模型及大井法对矿井未来5年的涌水量进行了预计。矿井年涌水量变化趋势及涌水量预测如图2所示。

由图2可以看出，大井法预计矿井未来5年涌水量介于36.88～42.27 m3/min之间，年平均涌水量为38.18 m3/min。通过对比分析矿井往年涌水量数据可以看出，本次研究虽然对大井法涌水量预测公式进行了改进，增强了预测结果的准确性，但由于大井法概化时，忽略了非稳定流含水层疏干过程的涌水量衰减现象和疏干漏斗形成过程、影响半径与实际差异很大，而且一般要求含水层为均质各向同性，实际条件不太满足时，导致预测结果偏大。

灰色模型涌水量预测结果显示，矿井未来5年涌水量介于34.25～35.28m3/min之间，年平均涌水量为34.72 m3/min，该预测结果与矿井往年涌水量相近，符合矿井涌水量情况，因此本次涌水量预测采用灰色模型。综上所述，在有充分矿井涌水量资料的前提下，灰色模型预测矿井涌水量较为准确，符合矿井涌水量特征。

图2 矿井年涌水量变化趋势及涌水量预测图

5 结论

(1)从东欢坨矿开采区域看，直接充水水源为以A0～A、A～5#煤层顶、12-2～14-1煤层含水层组为代表的石炭-二叠系砂岩裂隙承压含水层，其中5#煤层上方100 m为强含水层，单位涌水量以及渗透系数相对较大，对5#煤层以下8#、9#等主采煤层的开采存在安全隐患，回采之前应对其进行打钻疏水降压。

(2)本次研究虽然对大井法涌水量预测公式进行了改进，增强了预测结果的准确性，但由于大井法概化时，忽略了非稳定流含水层疏干过程的涌水量衰减现象和疏干漏斗形成过程，以及大井法模型的概化不可避免带有一定误差，导致预测结果偏大。

(3)灰色模型涌水量预测结果显示，矿井未来5年涌水量介于34.25～35.28 m3/min之间，年平均涌水量为34.72 m3/min，该预测结果与矿井往年涌水量相近，符合矿井涌水量情况，因此本次涌水量预测采用灰色模型。在有充分矿井涌水量资料的前提下，灰色模型预测矿井涌水量较为准确，符合矿井涌水量特征，可以作为东欢坨矿井排水设备能力设计的依据。

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(责任编辑 张艳华)

Hydrology characteristics analysis and water inflow calculation of Donghuantuo Mine

Chen Chongyu， Liu Gang， Feng Guangjun

(1. School of Resources and Geoscience, China University of Mining and Technology,Xuzhou, Jiangsu 221116, China;2.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

In order to explicit hydrology characteristics of Donghuantuo Mine and forecast mine water inflow amount, based on coalfield geology exploration data, mining and driving files and drilling boreholes profiles, systematically studied coalfield hydrology characteristics, water filling sources and water filling channel characteristics of the whole research area. Improved large well method and grey models were used respectively to predict mine water inflow amount, however, the water inflow result achieved by grey models was close to that in former years, which conforms to the condition of mine water inflow.

mine hydrology characteristics, mine water inflow, large well method, grey model, Donghuantuo Mine

国家自然科学基金资助项目(41472135)

陈崇域，刘刚，冯光俊. 东欢坨矿水文地质特征分析及涌水量计算[J].中国煤炭，2017,43(5)：105-109，117. Chen Chongyu，Liu Gang，Feng Guangjun. Hydrology characteristics analysis and water inflow calculation of Donghuantuo Mine[J]. China Coal, 2017，43(5):105-109，117.

TD742.1

A

陈崇域(1992-)，内蒙古包头人，硕士研究生在读，研究方向为煤与油气地质。