煤矿水文地质特征和矿井涌水量预测探讨

李小雷

（鹤壁中泰矿业有限公司，河南 鹤壁 458000）

我国具有较为丰富的煤炭资源，在我国社会经济发展中，煤炭能源起到了重要的推动作用。但就目前来看，在我国煤矿生产中，安全事故依然多有发生，矿井涌水是产生安全事故的重要因素。而水文地质特征会直接影响矿井涌水，只有对煤矿水文地质特征做到全面了解，对矿井涌水量进行有效预测，才能保证煤矿开采的安全性。

1 煤矿工程概况

A 煤矿工程位于我国北方某沙漠中部地区，其地势具有东部、中部低，西南高的主要特点，井田西南角为工程最高处，海拔高程约为1317m，东部为海拔最低处，高程约为1173m。该井田地下水资源丰富，水量相对较大，且具有较大的浅层水蕴含量。煤田总体面积约为10万km2，具有规整的形状，从东至西、从北至南的最长长度分别为410km、400km，构造形态总体为单斜构造，倾向北西西、走向北北东。在地质勘察过程中，没有发现较明显的断裂构造，没有岩浆岩侵入，煤田构造类型为简单[1]。

2 矿井水文地质特征

2.1 井田水文地质分区

依照水文地质分区与地貌情况，在含水层富水性方面，风沙区降水补给较为容易。风沙区具有平缓的地形，地表沙地、沙丘具有绵延性，经水平运移，可以在地形低洼处汇集，进而让富水地段得以形成。在河谷区，降水入渗补给、地表水入渗补给较为方便。河谷区具有平坦的地势，其水位埋藏相对较浅，井田东北有冲积层分布，该冲积层具有富水性强、沉积厚度大的特点[2]。

2.2 含水层水文地质特征

（1）在第四系孔隙潜水含水层方面，主要为冲洪积沙层、风积沙层以及冲洪积砂砾石层。其岩性主要为灰黄色与褐黄色粉细砂，下部具有夹粉土，整体具有松散结构。经过抽水试验，含水层厚度平均约为73.83m，其地下水位埋深为0.92 ～1.15m，水位标高约为1254m，钻孔最大涌水量约为0.63L/s，单位涌水量约为0.28L/s·m，渗透系数约为0.49m/d，水温约为12℃。地下水主要为HCO3-Ca 型，为低矿化度淡水，具有较好水质。

（2）在白垩系下K1zh 孔隙裂隙承压水含水层方面，具有全区分布特点，紫红色、棕红色各粒级砂岩为含水层岩性，整体具有疏松的地层结构，地下水储水空间相对较好。经过抽水试验，该地层地下水位具有2.3m 埋深、172.3m 含水层厚度，其标高主要为1258m，最大用水量、单位用水量分别为10.3L/s、0.48L/s·m，渗透系数约为0.52m/d。地下水主要为HCO3-Na 型，具有较好水质。

（3）在侏罗系J2z 孔隙裂隙承压水含水层方面，经过抽水试验，含水层厚度、地下水位埋深分别约为55m、2.8m，其水位标高约为1258m，钻孔涌水量与单位用水量分别为1.72L/s、0.047L/s·m，渗透系数约为0.13m/d。地下水主要类型为SO4-Na·Ca 型，水质相对较差。

（4）在侏罗系J2a 孔隙裂隙承压含水层方面，经过抽水试验，平均厚度约为45m，地下水位埋深为3.7 ～2.1m，水位标高约为1252m，钻孔最大涌水量以及单位涌水量约为1.74L/s、0.04L/s·m，渗透系数约为0.14m/d。地下水主要为SO4·HCO3-Na 型，水质相对较差。

2.3 井田地下水情况

第四系含水层补给主要为大气降水，径流方向具有多样性特点，潜水流向为西北至东南，河水和河谷区潜水之间具有互补关系。因构造、隔水层影响，基岩水会形成承压水，具有多层特点，且没有统一补给区，承压水主要为邻区承压水侧向径流补给与潜水渗入补给形成。在化学特征方面，随着含水层中水化学类型复杂程度的提升，矿化度也会增大，水质也会变差。

2.4 断层导水性影响

井田主要为单斜构造，倾向北西，断层不发育构造类型简。断层对矿井充水基本无影响。

2.5 老窑水与地表水影响

矿井周边没有老窑、小窑存在，但周边区域已经具有规划矿井，未来可能会有采空区，如果不留足边界安全煤柱，就有可能矿井安全生产，因此，需要在开采过程中对临近矿井情况予以密切关注。在地表水方面，沟谷、低洼处具有很多水汇集，各层中间存在稳定隔水层，很难有潜水进入矿井，但地表水通过钻孔、井口进入矿井。

2.6 充水因素分析

结合上文，在矿井充水水源上，主要为大气降水、白垩系下承压水、松散岩类潜水以及煤层顶板基岩裂隙水等；在矿井充水通道上，该井田具有简单的构造，为新建矿井，没有不良钻孔、断层等充水通道；与此同时，煤层开采工作中，会有冒落带、弯曲带以及裂隙带形成，可能会让矿井突水情况出现。此矿井煤层开采主要利用顶板跨落法，在煤层开采工作完成后，顶板会自行跨落，在煤层开采工作完成后，顶板会有垮塌情况出现，需要计算导水裂隙带以及冒落带[3]；在矿井充水强度方面，地下水具有较差补给条件，开采煤层矿井充水强度相对较小，但随着开采层位的逐渐加深，其充水强度可能会减弱。

3 矿井涌水量预测主要措施

3.1 大井法

大井法计算首采面的南北宽度、东西长度分别为300m、2556m，其总面积约为77 万m2。分析矿井涌水量预测条件，井田煤层产状具有平缓性，在煤层顶板上部具有充水含水层，在计算涌水量中，需要对正常涌水量、最大涌水量进行有效预测，对煤层矿井涌水量开展预算工作。设渗透系数为K，水柱高度为H，含水层厚度为M，剩余水柱高度为h0，引用影响半径为R0，影响半径为R，引用半径为r0，开采面积为F，那么矿井涌水量：

结合公式（1），可以明确矿井涌水量情况[4]。在矿井生产疏干工作中，需要保证可以降低井孔中水位到煤层底板之下，进而让地下水承压得以形成，对此，可以利用解析法公式开展计算工作。利用解析法公式，计算出未来开采过程中具有481m3/h 的矿井正常涌水量。考量到实际情况，正常涌水量、最大涌水量之间具有线性关系，该地区二者之间比值通常是1.8，可以计算出865.8m3/h 的最大涌水量。

3.2 数值法

数值法主要是对矿井区域边界条件、计算范围进行全面考量。在该工程中，可以采用数值法构建模型，预测涌水量主要是首采面煤层顶板直罗组承压含水层。在该区域中，其南北宽度、东西长度分别为4.3km、4.7km，总面积约为19.3km2。在构建模型后，需要对其进行识别、校正等工作，对涌水量予以有效预测。承压含水层如图1 所示。

图1 承压含水层

结合图1，该结构隔水效果相对较好，应用GMS 软件，可以对承压含水层模型予以构建，在首采区中，含水层具有均匀分布。模型如图2 所示。

结合图2，含水层具有层流运动方式，所有项目要求均能和达西定律适用条件相符，经过计算，发现数值法计算最大涌水量是840m3/h。

3.3 数学模型和数值模拟

图2 模型情况

在数学模型上，可以概化直罗组承压含水层地下水流为承压水以及非均质多向异性三维流数学模型，利用有限差分方法，使用Modflow 可以计算各个单元水位。在对有限差分网格进行计算时，需要构建一结点和周围六结点之间的水量平衡关系，针对每一单元均构建水均衡方程，之后，可以利用共轭梯度法开展迭代工作，让水位得以求解[5]。

在数值模拟上，需要剖分渗流区域，划分区域为正方形网格，剖分此区域为小型规格网格，横纵各为40，总数量为1600 个。在参数设置中，考量到钻孔抽水试验无法表征地下水渗透性中各向异性，主要采用渗透张量对模拟工作中应用渗透系数进行选择。

3.4 模型识别和检验

针对模型结果，为让矿井涌水量得到准确预测，需要针对检验模型开展参数反演工作。在反演工作完成后，可以得到相应的含水层水文地质参数，分区中的水平渗透系数分别为0.13 ～0.23m/d、0.08 ～0.18m/d；在垂向渗透系数上，主要为0.01 ～0.02m/d；贮水率主要在1.4×10-5～3.5×10-5。

3.5 涌水量预测结果

就涌水量预测结果而言，结合数值法、大井法计算结果，遵循《煤矿安全规程》中就高不就低主要原则，为让矿井开采安全得到保证，在排水疏干设计矿井过程中，其设计依据主要为最大涌水量。因此，在文章中，正常涌水量取值为481m3/h、最大涌水量为840m3/h。

4 结束语

综上所述，在本工程中，通过对井田水文地质分区、含水层水文地质特征、井田地下水情况以及充水因素进行全面分析，并采用大井法、数值法，可以让煤矿井田水文地质特征得到有效分析，可以对涌水量进行有效预测，以此来提升煤矿开采工作安全性。