华亭煤矿矿井涌水量预测研究

慕斌(甘肃煤电股份有限公司华亭煤矿，甘肃 平凉 744100)

1 矿井概况

华亭煤矿1962年4月正式开始建井，经过多次技术改造和改扩建，设计生产能力和核定生产能力均达到400万吨/年，后根据冲击地压防治要求，矿井产能核减为330万吨/年。矿井通风方式为中央分列抽出式通风。矿井采用立井、斜井联合开拓方式，开采水平为+840 m水平，布置一个采区(2501采区)和一个回采工作面(250107-1综放工作面)，工作面采用条带式布置、后退式俯斜开采，采煤方法为走向长壁倾斜分层综采低位放顶煤法，全部垮落法管理顶板。

华亭煤矿水文地质类型中等。矿井主要受影响含水层为煤层顶板第三含水层，该含水层由煤5层顶板以上的细砂岩-粗砂岩组成，为一复合含水层。单孔涌水量1.90～13.91 m3/d，单位涌水量0.000 47～0.003 73 L/s，渗透系数 0.00 170～0.00 653 m/d，该含水层底界距煤5层顶板0～25.6 m，平均距离9.0 m。根据中国矿业大学“两带”高度经验公式，工作面回采后形成的导水裂隙带进入第三含水层，但第三含水层渗透性和富水性差，所以顶板第三含水层可能会造成巷道淋水等现象。

2 矿井涌水量

矿井涌水量是指矿井在开拓及开采过程中，单位时间内流入矿井(包括井筒和开采系统)的水量，是开采及设计单位制订疏干措施，确定排水设备及其生产能力的主要依据[1]。现就华亭煤矿目前矿井涌水组成及涌水特征进行分析，对矿井正常涌水量和最大涌水量进行预测。

2.1 矿井涌水量组成

根据近年来对矿井涌水量的观测分析，矿井涌水量主要由生产用水、煤5层顶底板渗水、淋水组成。

2.2 近3年来矿井涌水量观测

根据矿井近3年平均涌水量观测数据可知，矿井涌水量未发生大的变化，自建井以来矿井未发生突水事故。2020年矿井正常涌水量为75.3 m3/h，最大涌水量为108.4 m3/h。

3 矿井涌水量预测

3.1 计算方法的选择

根据MT/T 1091—2008《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》附录，常用的矿井涌水量计算方法主要有：水文地质比拟法(富水系数法、单位用水量比拟法)、解析法(大井法、水平廊道法)等。论证本次采用解析法和水文地质比拟法分别对华亭煤矿矿井涌水量进行预算，再对各预算成果进行分析，以确定合理的矿井涌水水量。

3.2 矿井涌水量预测

(1)解析法预算矿井涌水量。计算方法：根据《基坑工程手册(第二版)》解释了的解析法中大井法和水平廊道法等两种方法适用范围：“长宽比值小于10的视为辐射流，即可将巷道系统假设为一个理想大井，采用大井法进行预算；比值大于10的视为平行流，即将其概化为水平廊道，采用水平廊道法进行预算”。华亭煤矿采区长宽比小于10，矿井涌水量预算采用大井法。

①煤5层顶板以上矿井涌水。根据导水裂隙带计算结果，煤5层顶板以上矿井涌水量为中侏罗统延安组第二段至第三段承压含水层(第三含水层)涌水量。

采用本井田及周边地区B405、B403、L1503、1406号水文孔相关资料计算第三含水层厚度、渗透系数、水头高度、降深，用大井法对煤5层顶板以上矿井涌水量预算结果为1 989.16 m3/d。

②煤5层底板以下矿井涌水。煤5层底板以下矿井涌水为中侏罗统延安组第一段—上三叠统延长群承压含水层(第一、二含水层)涌水量。

采用本井田及周边地区1406、B403、水1、水3号水文孔相关资料计算渗透系数、水头高度、降深等参数，采用大井法对煤5层底板以下矿井涌水量预算结果为1128.53 m3/d。

③大井法预算华亭煤矿矿井涌水量结果

Q总=1 989.16+1 128.53=3 117.69 m3/d。

(2)富水系数法预算矿井涌水量

①富水系数的计算公式为：

式中：Kp为富水系数(m3/t)；Q0为比拟煤矿的涌水量(m3/d)；P0为比拟煤矿的产量(t/d)。

②矿井涌水量的计算公式为：

式中：Q为本矿的涌水量(m3/d)；P为本矿的产量(t/d)。

根据2018年1月至2020年12月的矿井涌水量、实际产量计算的富水系数如表1所示。

表1 华亭煤矿涌水量统计和富水系数计算表

近年来华亭煤矿产量、矿井涌水水量较为稳定，综合平均富水系数Kp=0.197 m3/t。

③富水系数法预算涌水量结果。华亭煤矿核定产能为330万吨/年，年运行时间按330 d计算，平均日产量10 000 t，Kp=0.197 m3/t，则华亭煤矿开采后正常涌水量为1 970 m3/d。

4 矿井涌水量预测结果评述

4.1 解析法预算的矿井涌水量评述

(1)在矿井开采条件确定的情况下，涌水量的大小主要取决于补给条件。

在补给条件不利的情况下，含水层涌水量随水位降深的增大而增大到一定程度后，就不会随降深增大而再增大。但在矿井涌水量的计算中，合适的降深值S是无法确定的[2]。本次计算中，煤层顶板进水水位降深是按照水位降到含水层底板计算的，煤层底板进水水位降深是按照水位降到矿井底板以下30 m计算的。顶底板含水层的降深值都偏大，相应计算出的涌水量也较实际偏大。

(2)根据GB 15218—94《地下水资源分类分级标准》，本次大井法的计算结果精度相当于D级。预算值误差较大的原因主要有：

①因抽水井布置较少，计算结果有一定的误差；

②本次所采用的大井法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，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，与实际情况有较大的出入。

4.2 富水系数法预算的矿井涌水量评述

富水系数法是一个半经验计算法，这是因为矿井涌水量和开采量之间严格意义上不是线性关系，矿井涌水量除与矿井开采量有关外，还与开采方法及井田内部的水文地质条件有关[3]。从华亭煤矿已有开采资料分析，该区矿井涌水量和矿井开采规模基本上还是成正相关关系，所以本次用富水系数法计算的矿井涌水量总体上能够代表华亭煤矿未来矿井涌水量，因是半经验公式，所以计算的矿井涌水量的精度也应为D级。

5 矿井涌水量推荐值

从安全角度考虑，本次论证采用富水系数法预算的1 970 m3/d作为矿井未来五年正常涌水量，将大井法预算结果3 117.69 m3/d作为矿井涌水量的最大值。

6 结语

综上所述，煤矿矿井涌水量对开采活动的安全性具有重要影响，因此相关人员应当提高对矿井用水量预测的重视程度。结合华亭煤矿的实际情况，运用大井法和富水系数法进行预测，结果显示大井法预测值存在一定误差，富水经验法计算结果能够代表未来矿井用水量。基于此，综合考虑安全因素，在实际预测工作中，建议将富水系数预测数值作为矿井未来五年的正常用水量，将大井法预测结果作为矿井用水量的最大值，为水害防治管理提供依据，提高矿井生产安全性。