矿井首采工作面水文地质条件分析及涌水量预测

摘 要：为了降低涌水对煤炭开采影响，针对3101首采工作面水文地质条件复杂问题，在对该采面水文地质资料分析基础上，采用理论法确定采面开采后导水裂隙发育高度，并通过动静储量法预测采面推进不同距离时正常涌水量、最大涌水量，后将预测值与实际值进行比对。结果表明预测到的最大涌水量与实际涌水量误差小于10%，预测结果准确度较高。

关键词：首采工作面;矿井涌水;含水层;导水裂隙;涌水量

1 工程概况

某矿主采煤层为3、8、11号三层煤，其中主采3号煤层的3101综采工作面为该矿首采工作面。该采面，北侧为采区、南侧、东侧、分别为矿井边界、3煤集中运输巷、采区边界及采面运输巷。3101采面设计走向推进长度2850m、斜长260m，采高平均5.70m。矿井前期地质勘探资料表明3号煤层开采时涌水水源煤层底板中粗砂岩裂隙水承压含水层，水头压力达到6MPa，具有较强富水性。施工的探放水钻孔涌水量达到63m3/h。在3号煤层布置的回采巷道以及回采工作面容易受到含水层涌水影响，从而使得井下布置的排水系统遭受显著冲击，给煤炭正常开采带来不利影响。

2 3101采面水文地质条件分析

2.1 含水层、隔水层特征

①本井田开采过程中上覆第四系松散层潜水孔隙含水层、志丹群（K1zh）孔隙水含水层是煤炭开采过程中的主要供水水源。该孔隙水含水层富水性中等，厚度136.7～193.6m，渗透系数0.123～0.378m/d，单位涌水量0.2126～0.6236L/（m·s）;②侏罗系中统碎屑岩承压含水层岩性以中粗砂岩为主，夹杂有砂质泥岩、粉砂岩，该承压含水层在井田范围内分布广泛。含水层富水性中等、厚度20.98～69.23m、渗透系数0.003695～0.07653m/d，单位涌水量介于0.0312～0.05968L/（m·s）;③侏罗系中下统裂隙含水层岩性为粒级砂岩、砂质泥岩等。该含水层厚度在44.32～119.97m，富水性中等、渗透系数0.00432～0.0815m/d、单位涌水量介于0.0312～0.05968L/（m·s）;④侏罗系下统存在一层分布稳定隔水层，岩性以致密的粉砂岩、泥岩为主，厚度介于22.56～24.98m，在井田范围内分布较为均衡，隔水性能优越。

2.2 导水通道

3号煤层回采巷道以及掘进工作面开采时主导的导水通道为顶板冒落带及裂隙带，具体3号煤层开采后的顶板裂隙带发育高度可通过下式计算：

其中：Hli为3号煤层导水裂隙带发育高度（m）;M为3号煤层开采厚度，取值5.70m。

经过计算求得Hli=124.0m。

通过对3101综采工作面水位地质条件分析得知，3号煤层上覆延安组砂岩裂隙含水层厚度分布介于13.68～44.29m，与3号煤层顶板间距在1.3～8.93m;2号煤层顶板含水层（厚度介于5.36～91.23m）与3号煤层顶板间距78.96～99.12m;侏罗系中下统碎屑岩裂隙含水层与3号煤层顶板间距最小为129.6m，同时该含水层上覆存在有一层隔水效果明显的泥岩、砂质泥岩隔水层。

3 采面涌水量计算

在3号煤层回采过程中采面涌水量直接决定井下排水系统规模及布置。3号煤层回采过程中涌水一方面来至于顶板导水裂隙带影响范围内的孔隙水、裂隙水，此部分涌水量与裂隙带分布范围、降落漏斗分布形态有关;同时受到开采裂隙水头压力降低影响附近含水层内的水会向采空区流动。在确定3101采面涌水量时静储量关键是确定给水度、动态补给量关键是确定岩层透水系数。

煤层开采时动态补给的涌水量可通过下述公式计算：

当进行疏排排水时中心位置处水头压力h=0，则公式（2）可简化为：

其中：Qd表示3号煤层开采时涌水量（m3/d）;K表示透水性系数（m/d）;H表示水柱高度（m）;M0表示含水层厚度（m）;R0、r0分别为引用影响半径、引用半径（m）。

根据3101采面水位地质实际情况，确定K=0.0372m/d、H=580m、M0=45.87m、R0=2763.5m、r0=181.2m，将上述参数带入公式（3）求得3101工作面在前300m开采范围内的涌水量为92.1m3/d。

煤岩开采时井下涌水量现场实测发现，3101综采工作面涌水主要为回采巷道、切眼以疏排水钻孔三部分组成，具体涌水量分别为10.2m3/d、9.3m3/d、66.9m3/d。采面开采时实际涌水量为86.3 m3/d，实际涌水量较预测到的涌水量（92.1m3/d）低4.8 m3/d，误差率仅为5.56%。

根据3号煤层顶板岩层厚度及渗透性系数，计算得到3101综采工作面推进至300m位置时采面正常涌水量在93.2m3/d;依据本段上覆顶板含水层最大厚度及岩层最大渗透性，计算得到采面推进至300m时最大涌水量为330.5m3/d。同理，根据上述计算方法确定到的采面推进至600m、900m、1000、1500、2000以及回采結束时（推进2600m）正常涌水量、最大涌水量计算结果见表1。

4 采面实际涌水量与预计涌水量对比分析

将采面回采过程中监测到的实际涌水量与计算获取到的预计涌水量进行比对分析，对预测结果进行判定。具体在3101实际涌水量与预计涌水量对比分析对比结果见图1。

从图1中可看出，预测正常涌水量与实际涌水量间偏差较大，但是预测的最大涌水量与实际涌水量间绝对值相差较小，一般在5～58m3/d，误差率控制在10%以内。如采面推进至300m、1000m、2000m位置时实际涌水量与预测到的最大涌水量间误差率分别为1.2%、7.6%、7.5%。

5 总结

①对矿井3101首采工作面水文地质特征进行分析，并采用理论计算法对3101采面开采后覆岩导水裂隙发育高度，导水裂隙带高度为124.0m，导水裂隙会直接导通侏罗系中下统碎屑岩裂隙含水层;②依据3101首采工作面水文地质条件及充水特征对采面开采过程中正常涌水量、最大涌水量进行预测，并将预测结果与实际涌水量进行比对，预测到的最大涌水量与实际涌水量间误差率均在10%以内，涌水量预测结果较为准确。

参考文献：

[1]高鹏浩，周友清，陈新攀.内蒙古三贵口矿区水文地质特征分析及涌水量预测[J].矿产与地质，2019，33（05）：891-898+904.

作者简介：

冯聪聪（1987- ），男，山西省洪洞县人，2014年1月毕业于太原理工大学，采矿工程专业，本科，现为工程师。