基于涌水量探采对比的“大井法”公式修正

牟兆刚，唐朝苗，梁叶萍，杜金龙

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

矿井涌水量预测方法多样，“大井法”是工程实践中常用的方法之一。它是把复杂的矿井采掘系统分布的范围假设为一个理想的大井，利用地下水动力学公式来计算矿井涌水量。该方法因简单快速、适用范围广而得到水文地质人员的青睐；但是研究表明，其预测涌水量比实际涌水量偏大，最大达30多倍，平均偏大3.21倍[1]，预测精度只达到D级[2]。因此，本文将通过潞安矿区涌水量探采数据的对比分析，采用地质和数学研究方法来求取“大井法”的修正公式，验证其合理性与预测精度。

1 地质与水文地质

潞安矿区位于沁水复式向斜东翼、晋-获褶断带西侧，总体上为一向西倾斜的单斜构造，其上叠加了次一级的褶皱和断裂构造。区域地层自东往西，由老至新，有上元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系，新生界新近系、第四系。含煤地层山西组平均煤厚6.04m，太原组平均煤厚3.08m。

矿区含水层主要为新生界松散层孔隙含水层、石炭-二叠系碎屑岩裂隙夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层、奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。

2 煤矿床充水因素分析

潞安矿区成煤时代主要为二叠系和石炭系。二叠系山西组上组煤的直接充水水源为裂隙水，间接充水水源为第四系孔隙水；石炭系太原组下组煤，煤层顶板为太原组薄层灰岩，煤层底板为奥陶系灰岩，并且大部分地段煤层位于奥陶系岩溶水位以下，属于带压区，因煤层底板距奥陶系灰岩较近，带压高度大、突水系数大，在水头压力作用下，使奥陶系岩溶水向上进入矿井，形成矿井突水。故开采石炭系煤矿井主要充水水源顶板为岩溶-裂隙水、底板为岩溶水[3]。含水层与煤层叠置关系见图1。

3 涌水量探采数据对比

收集整理潞安矿区煤矿井山西组3号煤层的涌水量探采数据见表1[1]。经统计，预算值比实测值平均偏大2.21倍。

表1 矿井涌水量探采数据对比

经过矿井涌水量探采对比分析，总结影响矿井涌水量预算的因素主要有以下三方面：1)水文地质勘探程度不足，施工抽水钻孔数量少，抽水试验次数少，且多为单孔抽水，导致水文地质条件未彻底查清。2)数学模型计算公式选择不当，水文地质参数不具有代表性。参数取值是通过实测、半实测、反算或者采用经验值，都会对涌水量预测结果产生较大影响。3)“大井法”未考虑煤层采动影响及工作面岩层释水。

如何解决以上问题，提高涌水量预算精度，水文地质工作者进行了多方面研究。从效果来看，通过实际涌水量反算影响半径R，再预算涌水量是一个较好的方法。通过实例可知，采用反算的R计算矿井涌水量与实测涌水量的误差减小到平均35%[4]。而目前，在综合考虑影响涌水量的各种因素的前提下，尚未提出一种较好的预算方法。我们以此思路为出发点，从探采数据着手，提出一种减小“大井法”涌水量预算误差的方法。

4 “大井法”公式修正

4.1 修正方法

1)对同一矿区而言，水文地质条件、煤层赋存条件、开采施工工艺基本相似，每座矿井充水条件也基本相似，即同一煤层充水含水层是均质、等厚、各向同性的承压含水层，符合裘布依公式假定条件，采用“大井法”的承压转无压水完整井和吉哈尔特经验公式预算的涌水量只与“大井”半径相关，也就是只与预算面积相关。

3)采用“大井法”公式

(1)

计算出Q预后，代入修正公式即可求得最终结果。

4.2 修正公式求取

以每个矿区为对象，矿区内每座矿井的“大井法”预算涌水量作为自变量，实际涌水量作为因变量，采用最小二乘法进行回归分析，求出两组数据之间的函数关系式，该线性函数关系式即为修正公式。

以潞安矿区涌水量探采数据(表1)为例，制作散点图进行回归分析，可求得回归系数b0、b1，其拟合函数如图2所示。

图2 潞安矿区涌水量探采数据散点图Figure 2 Scatter plot of Lu’an mining area water inflow data from exploration and mining

拟合优度均在0.96以上，我们采用y=0.479 2x-8.519 9。因此，“大井法”修正公式为Q井=0.479 2Q预-8.519 9。

5 修正公式验证

以潞安矿区常村煤矿为例，采用富水系数法和“大井法”修正公式分别预算3号煤层矿井涌水量，验证“大井法”修正公式的准确度。

5.1 富水系数法

富水系数比拟法公式为：Q=Kp·P

常村矿井目前只开采3号煤层，根据2010—2016年矿井涌水量和产量统计(表略)，矿井正常涌水量352.20m3/h，最大涌水量为470.4m3/h。矿井正常涌水量时富水系数(Kp)为0.37m3/t，最大矿井涌水量时富水系数(Kp)为0.56m3/t。

按照设计2017年产量800万t/a，每年330个工作日计算，日产量(P)为1 010.1t/h。根据选取的参数，经计算，矿井正常涌水量为373.74m3/h，最大涌水量为565.66m3/h。

5.2 “大井法”修正公式

采用潞安矿区“大井法”修正公式：

Q井=0.479 2Q预-8.519 9，

计算后3号煤层正常涌水量为328.50m3/h。

5.3 计算结果评价

采用富水系数法计算2017年矿井涌水量，与比拟地段的水文地质条件相近，预测结果基本可靠，可达到C级精度[2]。

采用”大井法”比较符合本矿实际情况，但由于2017年开采工作面不集中，水文地质条件变化较大，参数采取可能偏差。经过修正后，计算结果与富水系数法计算结果、往年实测涌水量比较接近，计算误差分别为12.1%、6.7%，结果较为准确，精度达到C级。

6 结语

通过潞安矿区煤矿井勘探阶段与开采阶段涌水量资料的对比研究，分析了影响“大井法”预测精度的因素，介绍了“大井法”公式修正的方法，得出了潞安矿区“大井法”修正公式。经验证，所计算的涌水量与富水系数法计算正常涌水量、往年实测正常涌水量比较接近，计算误差均小于15%，结果较为准确，预测精度由D级提高到C级。因此，基于涌水量探采对比的“大井法”公式修正，方法简单易行，运用效果较好，可为矿井涌水量研究提供一些借鉴。

致谢：本文得到我院首席专家傅耀军教授的悉心指导，程爱国总工程师的鼎力支持，在此致以诚挚的谢意！