榆神矿区曹家滩井田首采工作面涌水量预测

方 刚， 梁向阳， 黄 浩

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，西安 710077；3.西安科技大学地质与环境学院，西安 710054)

榆神矿区位于中国陕北地区侏罗纪煤田中部，区内现有锦界、凉水井、小壕兔、小保当、曹家滩、杭来湾、榆树湾、郭家滩、大保当、金鸡滩等多个大型井田，其煤质优良、资源丰富，是西北地区重要的原煤生产地之一。鄂尔多斯盆地内的侏罗纪煤田普遍存在顶板含水层水害问题[1-2]，区内各矿井在多年开发、采掘过程中，均不同程度地遭受其煤层上覆含水层水的影响[3- 4]。在矿井工作面回采前，能够科学、合理、准确地预测涌水量，将有助于后期生产过程中的水文地质及矿井防治水工作高效开展。

近年来，诸多学者对矿井涌水量预测问题进行了一定的分析研究。谢道文等[5]提出一种既考虑模糊性又考虑随机性的云加权马尔可夫预测模型，具体通过概念云划分，确定各情形出现的频数权重，计算预测样本所属状态的概率矩阵，根据最大隶属度建立模型，最后进行矿井涌水量预测及与实际对比验证。汪伟等[6]收集矿山日涌水量时间序列，运用联合算法确定其重构参数，对其进行相空间重构，以定性和定量方法结合辨识重构序列的混沌特征，并根据加权一阶局域法建立矿井涌水量预测模型。罗安昆等[7]建立导水断裂带未能贯穿含水层的水文地质概化模型，将含水层概化为垂直方向上互不影响的两元结构，提出倒置非完整大井法，得出相应的数学模型。李铎等[8]针对岩溶地区金属矿床地下水多个渗流方向的各向异性，建立三维渗流模型，采用通用水头边界，随着降深变化边界流入量依据水位值计算得到，并利用群孔抽水试验和长观资料对模型进行识别验证。来永伟等[9]提出利用非稳定流定降深法预测煤层顶板含水层的涌水量，该方法可充分利用非稳定流抽水试验求得水文地质参数，较传统的稳定流解析法、数值法更为直观简单。王猛等[10]基于ARIMA(auto regressive integrated moving average)季节乘积模型，提出一种矿井涌水量预测方法，通过普通差分和季节差分保证矿井涌水量时间序列的平稳化，以模型定阶、参数估计和假设检验等过程建立合适的乘积季节模型ARIMA(2,1,1)(1,1,1)12。李建林等[11]基于矿井涌水量序列具有明显的随机性和灰色特征，建立涌水量GM(1,2)预测模型(grey model)，以克服灰色GM(1,1)模型对于随机波动大的长序列预测效果差的缺点；李建林等[12]还提出在确定Hurst指数和平均循环周期的基础上，将R/S(rescaled range analysis)分析与灰色系统理论相结合以预测矿井涌水量。连会青等[13]采用数值法实时预测采掘进程中矿井涌水量动态变化，发现与以往采区范围固定不变的模拟方法相比，考虑按工作面开采时间先后顺序进行水量预测，实时调整新采区内的虚拟开采井，其预测结果更为接近实际。王雪冬等[14]提出采用广义回归神经网络(GRNN)引入到矿井涌水量预测中，将大气降水、采空区面积、底板构造断裂和采动裂隙等3个影响因子作为网络输入，涌水量作为预测输出，采取交叉验证方法获得光滑因子来建立预测模型。

前人关于矿井涌水量预测方面的研究观点、内容均取得了一定的成果，但可能由于地域限制、开采时限等原因，对于陕北侏罗纪煤田榆神矿区内矿井的涌水量预测方面的实际研究与应用成果尚不多见，后期还需继续更进一步的开展研究。为此，以榆神矿区曹家滩井田122106首采工作面为例，通过多种方法进行涌水量预测，并分析对比各自结果，最终结合矿井实际，提出相对最适用于本矿井的涌水量预测方法。

1 研究区水文地质概况

1.1 井田概况

曹家滩井田位于陕西省榆林市北部，地处榆神矿区中部(图1)。井田面积约108.5 km2，含煤地层延安组，有可采煤层11层，其中全区可采煤层4层，分别为2-2上、2-2(2-2下)、3-1、4-3煤层，大部可采煤2层，分别为4-2、5-3(5-3上)；局部可采煤层5层，分别为1-1、1-2、5-2、5-3下、5-4煤层，矿井首采2-2煤层，达产设计生产能力为15 Mt/a。

井田位于鄂尔多斯高原东北部，陕北黄土高原北部，为沙丘沙地、风沙滩地和黄土梁峁地貌，地形总体北高东低。井田范围内水系不发育，仅井田东南有野鸡河、高羔兔沟这2条小型季节性沟流，另外井田内有个别水库分布。

井田含水层主要为新生界松散层孔隙潜水含水层和中生界碎屑岩裂隙承压水及潜水含水层，具体为：第四系松散层潜水含水层[单位涌水量q=0.116～1.2 L/(s·m)，渗透系数K=1.27～14.822 m/d]富水性中等-强；侏罗系中统安定组裂隙承压含水层[q=0.004 1～0.056 4 L/(s·m)，K=0.005 6～0.205 m/d]富水性弱；侏罗系中统直罗组裂隙承压含水层[q=0.000 502～0.093 3 L/(s·m)，K=0.002 807～0.35 m/d]富水性弱；侏罗系中统延安组裂隙承压含水层[q=0.000 7～0.046 61 L/(s·m)，K=0.000 72～0.014 4 m/d]富水性弱[15-16]。

图1 井田位置及四邻关系示意图Fig.1 Schematic diagram of mine field location and neighborhood relationship

1.2 首采工作面概况

曹家滩煤矿122106首采工作面开采2-2煤层，地面位置位于矿井工业广场东南侧，井下工作面北部是为整个矿井服务的三条大巷，南部为矿井规划13盘区。工作面南部接续122108工作面，北部紧邻122104工作面；西部为122109工作面。工作面长 6 300 m，宽350 m，开采煤层厚度为6 m，采用综合机械化一次性采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板。

根据矿井导水裂隙带高度预计[16]，首采面2-2号煤导水裂缝带高度为162 m(裂采比27倍计算)。由工作面附近以往钻孔资料可知，2-2号煤回采后顶板产生的导水裂隙带不会穿透全部基岩(基岩全厚183.54～219.5 m)，届时煤层上覆延安组含水层及直罗组层含水层均处于导水裂隙带范围之内，部分区域还包括风化基岩裂隙孔隙含水层，区内的保德组相对隔水层厚度约50～130 m，且未发现有缺失的“天窗”地带，因此2-2号煤层开采时，其上覆的延安组含水层和直罗组含水层为主要充水水源，还包括部分区域的风化基岩裂隙孔隙含水层水，当进行2-2号煤层回采阶段涌水量预测时主要考虑这3个含水层。

2 涌水量预测方法介绍

根据第1节分析叙述的首采工作面充水水源及充水方式，各类涌水量预测方法和公式如下。

2.1 大井法

矿井排水时，在矿井周围含水层中形成以巷道系统为中心的具有一定形状的降落漏斗。这与钻孔抽水所形成的降落漏斗十分相似，因此，可以将巷道系统分布范围假设为一个理想的“大井”，其截面积与巷道系统的分布面积相当，利用地下水动力学的井流公式来计算巷道系统的涌水量[17]。其计算公式为

(1)

R0=r0+R

(2)

(3)

式中：Q为涌水量，m3/h；K为渗透系数，m/d；H为水头高度，m；M为含水层厚度，m；S为水位降深，m；R为影响半径，m；R0为引用影响半径，m；r0为引用半径，m。

2.2 廊道法

将矿井122106首采工作面视为一狭长的坑道，其边界为一矩形区域，水平廊道法承压转无压水完整井(两侧进水)[18]，计算公式如式(4)所示：

(4)

式(4)中：B为巷道水平长度，m；h为动水位至底板隔水层水柱高度，m。

2.3 动静结合法

在进行工作面涌水量预计时需包含导水裂隙带周边的侧向补给水量和导水裂隙带内含水层的水量，根据有无补给源可称其为动态水和静态水。动态水主要指垮落后，导水裂隙带波及到的周边含水层以断裂面为通道，对采空区进行源源不断侧向补给，这部分水因为有补给源所以称为动态补给水，简称动态水；静态水补给主要指垮落后，导水裂隙带内波及的含水层以密集裂隙为通道，将其内部包含的水释放出来流入到工作面内，这部分水因为没有补给源称之为静态释放水，简称静态水。在进行水量预计时须分开计算[19-20]。

动态水计算方法同2.1节大井法计算公式，即

(5)

静态水包括含水层弹性释水和重力释水两部分，即

Qj=Qt+Qz

(6)

(7)

Qz=μdFm

(8)

式中：Qd为动态水涌水量，m3/h；Qj为静态水涌水量，m3/h；qt为弹性释水量，m3/h；Qt为弹性释水造成工作面涌水量，m3/h；Qz为重力释水造成工作面涌水量，m3/h；S′为储水系数；F为采空区面积，m2；b为采空区宽度，m；l为工作面推进长度，m；v为工作面推进速度，d/m；ΔH为采空区内顶板含水层承压水位降深，m；μd为含水层重力给水度(一般为0.007～0.018)；F为疏干面积，m2；m为含水层厚度，m。

2.4 比拟法

水文地质比拟法是利用地质、水文地质条件类似、开采方法基本相同的生产矿井(采区或工作面)的排水或涌水量观测资料，来预测新建矿井的涌水量[21-22]。比拟法应用的前提是新建矿井(采区或工作面)与老矿井(采区或工作面)的条件应基本相似，老矿井要有长期的水量观测资料，以保证涌水量与各影响因素之间数学表达式的可靠程度。但水文地质条件完全相似的矿井少见，再加上开采条件也有差异，因此它只是一种近似的计算方法。

(9)

式(9)中：Q1、Q2分别为比拟矿井、预计矿井的涌水量，m3/h；F1、F2分别为比拟矿井、预计矿井的采掘面积，m2；m为待定系数，可由最小二乘法求得，取m=0.5。

2.5 数值法

采用Visual MODFLOW软件作为地下水模拟工作的工具[23-24]，建立122106首采工作面2-2号煤顶板第四系松散岩类孔隙及孔隙裂隙潜水、风化基岩、直罗组与延安组基岩裂隙承压水含水层组的三维数值模型(图2)，通过计算分析2-2号煤层开采形成导水裂隙带计算成果，预测工作面开采时的涌水量。

3 涌水量预测结果

根据矿井在122106首采工作面开展的物探及钻探工作范围，工作面回采涌水量预测以工作面开切眼以外2.7 km2面积为准，其计算边界以工作面开采区域为界，预测结果是对该工作面进行全面疏干所得。

矿井首采工作面2-2号煤开采后顶板导水裂隙带波及的上覆含水层有3层，综合选取曹家滩井田以往地质、水文地质勘探钻孔资料可知：风化基岩裂隙孔隙含水层涉及7个钻孔，具体为检1、检5、DCC-2、DCC-3、FHG-1、FHG-2、FHG-3；直罗组含水层涉及8个钻孔，具体为补51、检3、检4、DCC-1、DCC- 4、ZLG-1、ZLG-2、ZLG-3；2-2号煤上覆延安组含水层涉及8个钻孔，具体为C7、C12、D6、检4、补7、补51、DCC-2、DCC-3。因此工作面涌水量预测参数均来源于以上钻孔数据。

3.1 大井法

工作面涌水量预算各参数如表1所示，其中，疏干水位降深为平均自然水位标高至疏干含水层底板标高的距离，与水柱高度同值；各方法预测结果均为工作面正常涌水量，最大涌水量为正常开采条件下雨季期间的最大涌水量，取值为正常涌水量的1.2倍(区内矿井多年观测实际及经验值参考)。

各参数代入式(1)，在顶板含水层静储量充分预疏放的情况下，矿井122106首采工作面开采2-2号煤正常涌水量404 m3/h；最大涌水量为 485 m3/h。

3.2 廊道法

由于风化基岩裂隙含水层波及面积较小，水平廊道法无法对其涌水量进行预计，因此含水层仅针对直罗组及延安组五段含水层进行预测(表2)。

表2 廊道法预计工作面涌水量参数Table 2 Parameter of water inflow predicted by corridor method

经计算，利用水平廊道法预测的矿井涌水量为570 m3/h，矿井最大涌水量为684 m3/h。

3.3 动静结合法

工作面动储量计算采用大井法计算公式，但由于该工作面为首采面，根据区内经验，首采面回采后释放的基本为上覆含水层静储量，因此对工作面静储量主要进行预测。

根据井田水文补勘期间的抽水试验参数，储水系数S′的取值约为10-6，因此在静储量计算时将各含水层弹性释水水量可忽略，故取重力给水的涌水量值。

由于风化基岩含水层受采动影响范围有限(仅0.2 km2)，因此计算时不将其作为静储量计算考虑含水层。同时，根据区内相似条件矿井实测取值，延安组-直罗组砂岩含水层重力给水度正常为0.018 9，通过计算，曹家滩井田122106首采工作面开采2-2号煤可能波及的含水层储量约为1 852.2×104t，根据矿井全年工作日为330 d，矿井生产能力为 15×106t/a，经计算得到，曹家滩井田122106首采工作面静储量造成的矿井涌水量为617 m3/h，最大涌水量740 m3/h。

3.4 比拟法

榆树湾煤矿位于曹家滩井田东南部，开采2-2号煤，埋深一般为254.85～312.21 m，2-2号煤平均厚度为11.68 m，上覆基岩厚度为90.15～167.89 m，土层厚度95.08～188.50 m，砂层厚度0～35.21 m，一般14 m左右，水位埋藏较浅，一般为0.73～2.86 m，富水性中等-弱。实际生产规模达8×106t/a，该矿井正常涌水量为470 m3/h，最大涌水量为530 m3/h，不均衡系数约为1.13。

曹家滩矿井涌水量预计采用相邻矿井面积比拟法，即利用榆树湾煤矿已开采的20104、20106工作面来预计曹家滩122106工作面涌水量，其中榆树湾煤矿20104、20106工作面合计开采面积为2 628 320 m2。

根据比拟法计算公式[式(9)]，可得曹家滩煤矿122106首采工作面正常涌水量为464 m3/h，最大涌水量为557 m3/h。

3.5 数值法

根据矿井采掘规划，122106首采工作面可开采412 d，可分为13.54月(进度期)，工作面涌水量按照采掘规划进行动态预测(图3、表3)。

图3 工作面推进示意图Fig.3 Working face advance diagram

表3 廊道法预计工作面涌水量参数Table 3 Parameters for predicting water inflow of working face by corridor method

由表3可知，工作面回采的第一个月，涌水量为137 m3/h，随着推进距离的增加涌水量逐渐减小，后期减小为8.16 m3/h，采用数值模拟法预测的122106工作面正常涌水量约为589 m3/h，计算其最大涌水量约为707 m3/h。

4 涌水量预测评述

通过第3节5种方法预测了曹家滩井田122106首采工作面正常、最大涌水量，各方法预测涌水量结果对比如表4所示。

表4 各方法预测涌水量结果对比Table 4 Comparison of the results of water inflow predicted by each method

大井法是早期矿井计算涌水量时的常用预测方法，其需要考虑的参数较多，矿井涌水量预测使用的参数是由井田水文地质补充勘探期间多个单孔抽水试验共同确定的，虽具有普遍性及可靠性，但预测结果可能与实际涌水量存在一定偏差，同时由于近年来现行矿井生产过程中观测的涌水量数据与前期使用大井法预测涌水量偏差较大，故使用该方法计算值仅作参考。

水平廊道法采用的水文参数由井田水文地质补勘位于首采面的水文孔抽水试验资料提供，求得的渗透系数属于实测参数，真实可靠，基本能反映矿井真实的水文地质特征。但是在计算过程中，公式对工作面的跨度考虑因素不足，因此可能缺乏一定的准确性，其预测值相对实际涌水量可能存在较大的偏差。

动静结合法预测的首采工作面涌水量，动态涌水量采用的水文参数由井田水文地质补勘位于首采面的水文孔抽水试验资料提供，求得的渗透系数属于实测参数，基本能反映矿井真实的水文地质特征。但是由于矿井工作面首次开采，仅使用的静储量计算参数可为后期涌水量预计提供借鉴参考，其适用性可能存在一定的精度偏差，需后期验证。因此，使用动静结合法计算所得首采面矿井涌水量与真实工作面涌水量可能存在一定的偏差。

数值法选用参数为井田水文补勘钻孔数据，但在模型构建及后期计算过程中，可能涉及地层划分不细致、部分地层参数调整等因素影响，造成计算结果与实际偏差较大。

由于曹家滩井田与榆树湾煤矿开采位置相邻、煤层相同、方法一致，各含水层性质及富水性虽有所差异，但差别不大；且榆树湾煤矿在巷道掘进过程中对矿井涌水做了大量的统计及资料整理工作，利用榆树湾煤矿涌水量资料进行比拟法预计的曹家滩井田122106首采工作面涌水量可能也会存在一定的偏差，但该预测值应最为接近矿井实际。

综上分析，结合相邻矿井涌水情况，采用比拟法预测曹家滩煤矿首采工作面矿井涌水量，即在开采122106首采工作面时的正常涌水量为464 m3/h，最大涌水量为557 m3/h。

5 结论

(1)曹家滩井田122106首采工作面开采2-2号煤顶板导水裂隙带预计高度为162 m，为工作面开采过程中的主要充水通道，工作面回采期间的主要充水水源为煤层上覆的侏罗系延安组含水层、直罗组层含水层，以及部分风化基岩裂隙孔隙含水层。

(2)采用大井法、廊道法、动静结合法、比拟法、数值法这5种方法对122106首采工作面未来正常涌水量进行预计，其计算值分别为404、570、617、464、589 m3/h；最大涌水量取正常涌水量的1.2倍系数进行计算。

(3)通过对各预计方法优缺点讨论对比，认为比拟法的计算值最能够接近矿井生产实际，故选取比拟法预测的曹家滩井田122106首采工作面涌水量结果，即工作面开采2-2号煤的正常涌水量为464 m3/h，最大涌水量为557 m3/h。