矿井涌水量的预测方法分析与探讨

方 立，韩 鹏

（1.河南黄河水文勘测设计院，河南 郑州 450004；2.水利部海河水利委员会，天津 300170）

矿井涌水量主要是指矿山建设和生产活动中单位时间内井巷中所涌出的水量。在制订矿井防治水方案时，可以将涌水量作为主要的参考依据，也可以通过涌水量来判定矿井生产的安全性，涌水量预测也是采矿业取水项目水资源论证的重要内容。本文以A煤矿为例，进行矿井涌水量预测方法的分析与探讨。

1 基本情况

本次论证A煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市境内某煤田的中北部。矿井设计范围井田东西最长25.44 km，南北最宽15.69 km，矿区面积345.53 km2。

全井田共划分为10个盘区，其中3-1煤层5个盘区，即西一、西二、西三、东一、东二盘区；下部煤层与3-1煤层对应设5个盘区。本次开采范围是井田首采区的西一盘，位于井田的中西部，面积为40.51 km2。

2 地质条件

新生代地质营力作用在井田表现较为强烈，上部地层遭受剥蚀并被枝状沟谷切割破坏。区内地层由老至新发育有三叠系上统延长组（T3y），侏罗系中下统延安组（J1-2y），侏罗系中统（J2），白垩系下统志丹群（K1zh）和第四系（Q）。

该井田构造形态与区域含煤地层构造形态基本一致，总体为一向南西倾斜的单斜构造，地层产状沿走向及倾向均有一定变化，但变化不大。沿走向发育有宽缓的波状起伏，井田内未发现大的断裂和褶皱构造，亦无岩浆岩侵入，地质构造简单，即构造简单类型。

3 预测理论分析

3.1 计算范围分析

井田范围内发育有多个含、隔水层段。其中，含水层主要包含第四系（Q）松散层潜水含水层、白垩系下统志丹群（K1zh）孔隙潜水～承压水含水层、侏罗系中统-侏罗系中下统延安组（J2-J1-2y）裂隙孔隙承压含水层、三叠系上统延长组（T3y）碎屑岩类承压水含水层，隔水层主要包含侏罗系中统顶部隔水层、侏罗系中下统延安组（J1-2y）顶部隔水层、侏罗系中下统延安组底部隔水层。

对矿井充水影响最大的是侏罗系中统直罗组-侏罗系中下统延安组（J2z-J1-2y）裂隙孔隙承压水含水层。该含水层段厚度大，西一盘区范围内厚度80.56～217.33 m、平均158.29 m，地下水位为+1 337.14～+1 343.69 m，平均1 340.58 m，富水性弱到中等，渗透性中等。因埋藏较深，井田内地表无出露，该含水层段为井田的直接和主要充水含水层段。

综上所述，侏罗系中统-侏罗系中下统延安组（J2-J1-2y）裂隙孔隙承压含水层是矿井的直接和主要充水含水层，3-1煤底板含水层是矿井的直接充水水源；白垩系下统志丹群裂隙孔隙潜水-承压水含水层富水性弱，是矿井的间接充水水源。

经分析，计算范围确定为矿区首采区西一盘矿区。

3.2 水文地质参数选取

根据井田构造和水文地质条件综合分析，各计算参数确定如下：①含水层厚度H值。顶板以上含水层根据地质钻孔柱状图确定含水层厚度，底板以下含水层亦采用同样的方法确定含水层厚度。②含水层渗透系数K值。根据煤矿的水文地质勘探报告分析，在J1-2y-J2Z含水层段分别计算8个钻孔的水位标高、矿井涌水量和渗透系数数据，得出西一盘区的实际水文地质钻孔资料中的渗透系数平均值K=0.054 7 m/d。③降深值。为达到开采阶段疏干排水的目的，以疏干开采的水平标高作为降深值进行涌水量预测。

4 矿井涌水量预测计算

矿井的水文地质条件主要受区域地形、地貌及构造等影响，矿井涌水量一般很难准确预测。因此，合适的预测方法对矿井涌水量的合理评估尤为重要[1，2]。

预测矿井涌水量一般比较常用的方法有大井法、集水廊道法和水文比拟法，3种方法简单易懂，可操作性强，在矿坑涌水量计算预测中被普遍使用[3]。

4.1 大井法

将所有边界作为流量边界，将整个矿井的采煤区概化为一个理想的“圆形大井”，可以用稳定流解析法预测矿坑涌水量，采用地下水动力学法的“大井法”进行计算。

矿坑水位降深值采用矿井采煤区内的钻孔水位标高与计算范围内钻孔煤层底板标高平均值之差。含水层厚度采用矿井采煤区钻孔含水层平均值。根据区域的《水文地质手册》，确定引用半径及引用影响半径。

在矿井开采抽水期间，当水位降至含水层底板时，地下水类型成为承压转无压，故采用大井法承压—无压公式核算矿井涌水水量。其计算公式为：

式中：Q为矿井涌水量（m3/d）；K为渗透系数（m/d）；H为承压水静水位高度（m）；M为承压水含水层厚度（m）；h为动水位高度（m）；R0为引用影响半径（m），R0=R+r0，其中R为影响半径（m）、r0为引用半径（m）。按照所确定的计算公式及各项参数，得出涌水量的预测结果和所选参数值，详见表1。

表1 开采涌水量计算参数及成果（大井法）

4.2 集水廊道法

集水廊道法和大井法都属于解析法的范畴，是基于稳定流理论推导的地下水动力学计算公式。它要求地下水有比较充分的补给条件，同时要求在该水平开采的几年到几十年内，矿井排水计算的地下水影响半径边界上的水头高度永远稳定在计算采用的高度上。

按照集水廊道法预计矿井涌水量，其计算公式如下：

式中：H为水柱高度（m）；B为巷道长度（m），取西一区域工作面长度5 126 m；h0为含水层剩余水柱高度（m），h0=H-Smax，含水层疏干时H≈Smax，因此h0≈0；其余变量含义同上。根据《水文地质手册》中公式R=10S计算R值，S为水位降深值（m）。

按照所确定的计算公式及各项参数，得出涌水量的预测结果和所选参数值，详见表2。

表2 开采涌水量计算参数及成果（集水廊道法）

4.3 水文比拟法

水文比拟法是根据已生产矿坑的排水资料预测水文地质条件与其相似的新的或扩建矿坑的涌水量。该方法前提是新建或扩建矿坑的地质、水文地质条件与已开采的矿坑基本相似。一般来讲，水文地质比拟法主要适用于条件比较简单、充水岩层透水性比较均一的孔隙或裂隙充水矿床，是一种近似的计算方法[4]。其计算公式如下：

式中：Q为设计矿井疏干水量（m3/d）；K为富水系数（m3/t）；P为设计矿井产量（104t/a）；Q1为生产矿井疏干水量（m3/d）；P1为生产矿井煤产量（t/d）。

B煤矿位于A煤矿矿区的东南，与A煤矿同属鄂尔多斯某煤田区域范围内，主要含煤地层均为侏罗系中下统延安组（J1-2y），其中3-1煤层等为主要可采煤层，2个煤矿的设计原煤产量规模基本一致。因此，采用B煤矿的矿井富水系数比拟本项目达产时矿井涌水量。

目前，B煤矿已经按达产规模生产运行，根据2013—2018年矿井涌水排水记录分析可知，矿井涌水量呈逐年增大趋势，2017—2018年趋于稳定，监测值平均为8 352 m3/d。基于相邻煤矿富水系数为0.70 m3/t，推算出本次计算煤矿矿井涌水量为13 548.26 m3/d。

5 分析与探讨

5.1 结果分析

矿井开采疏干水量主要与水文地质条件、地下水补给量、地质构造等因素有关，同时还取决于矿坑的大小、形状、挖掘深度（产量）、降水量等。

3种矿井涌水量的预测方法主要区别在于勘查研究程度、计算方法及精度级别等级不同。当矿井具有第一开采水平或第一开采中段实测的矿井涌水量或邻近水文地质条件近似矿井的矿井涌水量，一般采用水文比拟法，计算精度级别为C级。当矿井具有单孔或者多孔抽水试验资料，利用抽水试验求取渗透系数，一般采用大井法和集水廊道法计算矿井涌水量，计算精度级别为D级[5]。

对于本次论证的煤矿，3种方法都适用。由于论证的矿井涌水量是作为矿区生产用水供水水源，为保证供水的可靠性和安全性，涌水量应以最不利条件下最小的水量作为供水依据，因此涌水量采用集水廊道法的计算结果，详见表3。

5.2 探讨

矿井涌水量计算是一项重要而复杂的工作，不能简单、机械地使用公式，应充分分析前期水文地质资料，采用更加适合该矿井水文地质条件的方法计算水量。

表3 不同方法计算涌水量成果m3/d

为了尽可能降低矿井涌水量预测误差，一般矿井开采之前需要做大量的区域内水文地质勘探、井田煤炭勘探等工作，这些前期工作对矿井涌水量计算方法的确定和矿井涌水量的预测是一个理论性支撑。同时，要进行实地踏勘和搜集煤矿区域内的井田水文地质及近期煤田地质详细勘探报告，详细了解周边已经开采煤矿的涌水量大小，这对矿井涌水量预测工作会有一定的参考价值。

后期矿井涌水量如果已经趋于稳定或者变化幅度不大，矿坑涌水量预测应当按照实际情况进行分析。矿井涌水量预测过程中，要坚持实事求是的原则，既可以确定一个矿井涌水量的范围数据，也可以提出一种极端情况下的矿井涌水量的利用方案。