煤矿充水因素分析及涌水量预测探讨——以大湾煤矿为例

游桂芝，鲍大忠，代启先

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局二总队，贵州 六盘水 553004)

评价矿井充水特征和预测矿井涌水量是煤矿床水文地质勘查中一项重要和复杂的工作[1]，而煤矿相对其他固体矿产来说，水文地质更为复杂。这使得矿井涌水量的预测值与实际值往往存在较大的偏差，矿井涌水量的预测往往难以获得令人满意的结果[2]。准确识别矿坑涌水源、预测矿坑涌水量对于深入分析矿区水文地质特征以及指导矿山开采具有重要意义[3]。矿坑涌水量预测是矿产地质勘查综合研究的一项重要内容；是对矿坑充水条件的定量描述[4]；是对矿井充水条件的定量评价，也是对矿井需要排出水量的估计[5-6]。下面就大湾煤矿充水因素进行分析及涌水量预测，为矿山开采超前探水和抽排水设计提供参考。

1 矿区概况

大湾煤矿位于贵州六盘水市钟山区和毕节市威宁县境内；设计生产能力345万 t/a；准采标高2 050～1 300 m；为2015年兼并重组矿山，最早建井时间为1966年；由五个矿井组成，即盛远井区、大湾东井、大湾中井、大湾西井、盛荣井区。各矿井均以立井斜井联合开拓；采煤方式为走向长壁式和倾斜长壁后退式；综合机械化采煤；全部垮落法管理顶板；水泵排水。

2 矿区水文地质概况

矿区位于二塘向斜北东翼及轴部；地貌类型主要为山地地貌；位于长江流域乌江水系三岔河支流上游；属于以三岔河汇水、二塘向斜为储水构造的水文地质单元内；出露地层有二叠系上统龙潭组(P3l)、三叠系下统飞仙关组(T1f)和永宁镇组(T1yn)、第四系(Q)，其中龙潭组(P3l)、飞仙关组(T1f)广布于矿区。龙潭组(P3l)为含煤地层。(见图1)。

地下水类型主要为岩溶水和基岩裂隙水。岩溶水赋存于永宁镇组(T1yn)碳酸盐岩中，富水性强，为相对含水层，但其分布范围小(向斜轴部附近)，对采煤影响甚微；基岩裂隙水赋存于龙潭组(P3l)及飞仙关组(T1f)，富水性弱，为相对隔水层。

区内地下水补给主要来源大气降水。地下水流向总体由北西向南东，沿低洼或地形切割处排泄，最终汇入三岔河。(见图1)。

图1 大湾煤矿水文地质略图

区内主要煤层多数位于侵蚀基准面以下；地表水系发育；构造发育；采煤时地表水有可能沿裂隙、断层破碎带等渗入矿井；区内老窑、采空区较多且多数情况不明。水文地质条件属直接充水的裂隙充水复杂矿床(第二类第三型)。

3 矿床充水因素分析

3.1 充水水源

(1)地表水：矿区内地表水系发育，发育有三岔河主干河流及拱桥河、拖鲁河、格书河、木冲沟河、二塘河等常年性河流。三岔河为最低侵蚀基准面，海拔1 760 m。矿床大部分位于侵蚀基准面之下，煤系上覆较厚隔水层，但在地表水下采煤，顶板冒落后地表水体及大气降水极有可能沿冒落裂隙渗入地下，成为矿井充水水源。

(2)地下水：直接充水含水层为龙潭组，均厚234.32 m；间接充水含水层为飞仙关组。岩石风化裂隙浅部发育，其富水性随深度增加随之变弱。泉水流量一般为0.000 22～0.394 L/s，富水性弱。在自然条件下，地表水与龙潭组水力联系差，生产坑道大都无水，但矿区东界该组被三岔河切割，构成地表水与龙潭组有直接水力联系，给浅部煤层开采带来威胁。

(3)大气降水：是地下水的主要补给来源，据矿山多年观测表明：涌水量随大气降水强度变化而变化；未来采空塌陷影响至地表后，大气降雨会通过冒落裂隙补给矿井成为矿井直接充水水源。

(4)采空积水：根据资料[7]：至2021年11月，矿区已累计形成采空区10 657 161 m2。因该矿一直在疏排水，采空积水较少，对矿井充水影响较小。

(5)老窑积水：煤层露头处老窑较多(137处)，开采历史久远，历年累计采空面积2 263 468 m2，多数老窑具体情况不明。老窑积水对矿井安全生产存在一定的隐患。

(6)断层水：井田及邻近地段共发现断层38条，均发育于碎屑岩弱含水层中。断层破碎带胶结较好；含水性和导水性较差。断层对矿井的充水影响较小，但F2、F3、F10、F11、F17、F20断层落差大，破碎带较宽，富水性较强，局部断层水对矿井充水有一定影响。

3.2 充水通道

节理裂隙：含矿层及上覆岩层浅表岩石节理裂隙较发育，随深度增加而减弱；浅表节理裂隙成为地下水向矿井充水的通道。

断层破碎带：区内F2、F3、F10、F11、F17、F20断层落差大，含水性和导水性较强，在这些断层及附近采煤，断层破碎带将成为矿井导水通道。

采矿冒落裂隙：区内含可采及局部可采煤层9层，累计均厚11.87 m，煤层倾角8°～35°，岩石类型为中硬岩：据规范[8]公式：

(1)

式中：HM为导水裂缝带最大高度(m)；∑M为累计采厚(m)。经代入计算，HM=75 m。煤层上覆地层厚度为0～640 m，故在煤层浅部或老采空区(个别采深达300 m)底部不足75 m地带进行采煤活动时，将产生一定的采矿冒落裂隙成为导水通道，使各类充水水源渗入或涌入矿井。未来采矿冒落裂隙可能成为主要充水通道。

已有巷道：区内采煤多年，巷道密布，老窑废弃采面或巷道有部分积水，当开采煤层与已有巷道连通时，已有巷道将成为矿井的充水充道。

封闭不良钻孔：据收集的资料表明，矿区内共有未封闭和封闭不良钻孔46个，其可能成为局部导水通道，尤其施工在三岔河洪水位线内的钻孔，应给予高度重视。

3.3 充水方式

目前矿井充水方式主要以滴水、线流及脉流。在未来开采深部及多层煤层时，随采空区及冒落裂隙的大量产生，使各类充水水源相互沟通，充水方式将变为涌入。

4 矿井涌水量预测

4.1 矿井涌水量现状

4.1.1 矿井涌水量与降水量动态变化关系

据收集实测涌水量资料表明：矿井涌水量的大小与降水量呈明显正比关系；动态变化特征与各年降水量的变化特征极为相关。

4.1.2 矿井涌水量与充水采空区面积、水位降深的关系

大湾西井2020年1月至2021年11月涌水量、充水面积、水位降深实测资料见表1。由表1可见，水位降深相同情况下，涌水量随采空区面积增加而增大。

表1 大湾西井矿井涌水量、采空区面积、水位降深实测数据表

4.2 涌水量预测的对象、开采水平、范围

预测对象是大湾煤矿的五个井区，即大湾东井、大湾中井、大湾西井、盛远井区、盛荣井区，其设计先期开采水平分别为1 500 m、1 300 m、1 300 m、1 700 m、1 396 m；范围为各矿井先期开采以平以上井田区域。

4.3 矿井涌水量预测

在实际矿井涌水量预测中，由于矿区的地质和水文地质条件复杂多变，要根据实际情况选择合适的方法[9-11]。经分析确定本矿区适合采用比拟法和解析法。

4.3.1 比拟法涌水量与实际值对比

据原报告[12]采用了比拟法，并经曲线拟合得公式：

(2)

式中：Q为预测各矿井先期开采地段涌水量(m3/d)；Q0为已开采矿井实际涌水量(m3/d)；F为未来各矿井先期开采地段内含水层充水面积(m2)；F0为已开采矿井含水层的充水面积(m2)；S为未来矿井疏排水至先期开采水平平均水位降深值(m) ，取平均静止水位(1 787.8 m)至先期开采水平的差值；S0为已开采矿井的平均水位降深值(m)，取平均静止水位(1 787.8 m)至其开采水平的差值。

现将大湾东井、大湾西井2021年实际充水面积、降深代入前述拟合比拟公式，得相同条件下的预测涌水量，并与2021年实测涌水量进行对比，结果见表2。

表2 矿井采用比拟法计算涌水量预测值与实际值对比表

4.3.2 解析法涌水量与实际值对比

原报告还采用了入渗系数法预测涌水量，但由于深部采矿，此方已不适用。下面根据现状及未来开采情况重新选择解析法。

因龙潭组(P3l)、飞仙关组(T1f)为未来矿井充水含水层，自然情况下为相对隔水层，但在受采动影响时，透水性将增强，水文地质特征与含水层接近一致。因此考虑到未来采动的影响，把T1f-P3l视为含水层，未来矿井疏排水可视为潜水完整井。井田北东部煤层露头区为有限补给边界，其余部分及深部为无限补给边界。矿井疏排水模型处于半无限含水层中，数学模型选用潜水完整井模型。

根据矿坑涌水量预测计算规程，计算公式：

(3)

R0=r0+R

(4)

(5)

(6)

Q最大=αQ正常

(7)

式中：Q正常为矿坑正常涌水量(m3/d)；Q最大为矿坑最大涌水量(m3/d)；K为渗透系数(m/d)；取抽水试验均值0.017 381 m/d；H为含水层饱水带厚度(m)；S为先期开采地段地下水位降深(m)；r0为未来矿井“大井”半径(m)；F为充水面积(m2)，采用11号煤层在先期开采地段内的资源储量分布面积(m2)；R为影响半径(m)；R0为“大井”引用影响半径(m)；α为雨季、旱季涌水量变化系数，α=1.76。

现将大湾东井、大湾西井2021年实际采空面积、降深代入前述拟合的比拟公式，得上一次(2015年)降低至设计开采水平的预测涌水量，并与2020年12月至2021年11月实际矿井涌水量进行对比，结果见表3。

表3 矿井采用解析法计算涌水量预测值与实际值对比表

4.3.3 比拟法、解析法预测涌水量与实际涌水量对比探讨

由表2和表3可看出大湾东井实测涌水量数据比用两种方预测涌水量值均明显偏大，这说明与该水平段节理裂隙较发育或与大气降水、地表水、含水层水等有水力联系有关；大湾西井实测涌水量数据比2015年经比拟法预测涌水量值明显偏小，这说明与深部节理裂隙不发育或大气降水、地表水、含水层水等联系减弱有关。

两种方法预测涌水量值同时与2021年实测涌水量值进行差值对比结果见表4。由表4可知,两种方预测涌水量与实测涌水量偏差均较大，但相对比拟法涌水量与实测涌水量更为接近。这是因为解析法采用的是浅部钻孔抽水试验获得的平均渗透系数。从钻孔抽水资料看，地层含水性随埋藏深度增加显著减小。而比拟法是利用矿井涌水量实测资料，大气降水及老窑采空水、地表水等通过采动冒裂带等途径直接进入矿井，反映岩石综合渗透性能，故更加接近矿山实际情况。

表4 两种方法预测涌水量值与实测涌水量差值对比表

4.3.4 本次涌水量预测公式选择及计算

由4.3.3，比拟法涌水量与实测涌水量更为接近，故下面采用比拟法预测矿井先期开采水平涌水量。由表4可知，涌水量预测与实测涌水量存在较大偏差，故采用4.3.1节公式计算后按修正系数(实际值/预测值)进行修正。修正系数见表5。

表5 各矿井先期开采地段比拟法修正系数表

本次矿井涌水量计算结果见表6。

表6 各矿井先期开采地段比拟法涌水量预测结果表

5 结语

(1)矿床充水水源有大气降水、老窑水、局部地下水和断层水、地表水等；充水通道主有节理裂隙、断层破碎带、采矿冒落裂隙、已有巷道、封闭不良钻孔等；充水方式目前为滴水、线流及脉流，未来可能为涌入。

(2)原矿山采用了比拟法和入渗系数法求涌水量，但本次采用了比拟法和解析法，故当水文地质条件发生变化时，要重新选用适合现状条件的涌水量计算方法。

(3)采用比拟法和解析法分别对2021年实测涌水量降深、充水面积条件下的预测涌水量与实测涌水量值进行了对比，认为比拟法涌水量更接近实际情况，推荐采用比拟法。

(4)针对比拟法预测涌水量与实测涌水量存在偏差情况，建议采用修正系数修正，修正后的涌水量更接近实际。

(5)实际上矿山水文地质条是复杂多变、动态变化的[12]。矿坑涌水量也是动态变化的，建议矿山定期或定中段地对预测涌水量值进行反复验证和修正，使其更符合采区水文地质条件，为矿山防治水管理提供有用的水文地质资料。