甘肃靖远煤电股份有限公司红会第一煤矿矿井涌水量计算与分析

王玉合

（甘肃煤炭地质勘查院，甘肃 兰州 730000）

1 引言

矿井涌水量计算是对于煤矿水害防治中的一项重要前期工作。以甘肃靖远煤电股份有限公司红会第一煤矿为例，本文采用大井法和比拟法分别计算了矿井涌水量，并对计算结果进行对比和分析，最终以比拟法的计算作为预测结果，供矿井使用。

2 矿井水文地质条件

红会第一煤矿位于甘肃省白银市平川区红会矿区的南部，隶属于甘肃靖远煤电股份有限公司，属陇西黄土高原丘陵区，地貌类型属冲洪积平原，南有崛吴山，北有北掌山和黄家洼山，西北有青石山和老爷山。矿区为一小型洪积冲积平原，区内无经常性水流，由若干沙河所形成。依据以往地质资料[1]，与矿井建设相关的地层从老至新依次为：上三叠统南营儿群（T3n）、中侏罗统窑街组（J2y）、中侏罗统新河组（J2x）、上侏罗统苦水峡组（J3k）、第四系。

红会一矿东西宽约4.47 km，南北长约7.21 km，面积18.219 6 km2，开采标高+1 800 m～+600 m标高。开拓系统：井田浅部（+1 500 m水平以上）开拓方式为斜井多水平开拓，井田深部（+1 500 m水平以下）通过暗斜井延深集中开拓。主、副井及风井均为底板斜井，采用走向长壁、预先综合弱化、一次采全高综采放顶煤开采。目前该矿核定生产能力220万t/a。

2.1 大气降水及地表水对矿井充水影响

矿井西部边界煤系地层露头直接受大气降水可补给含水层，但矿区气候干旱，大气降水补给量极少；本区无地表河流，因此大气降水及地表水对矿井开采基本无影响。

2.2 含水层概况及其对矿井充水的影响

依据以往水文地质资料[2]，矿井主要含水层有第四系洪积潜水层、中侏罗统新河组含水层、煤层顶板含水层、一层煤底板含水层、煤系基底砂砾岩及三叠系顶部含水层等5个含水层。自上而下分别为：

（1）第四系洪积潜水层。主要依靠大气降水补给，厚度为2～35 m，一般在底部的砂砾卵石层中含水，渗透系数1.358 m/h。依据矿井生产地质资料，本含水层对矿井开采无影响。

（2）中侏罗统新河组含水层。中侏罗统新河组草黄色砂岩段，位于煤层顶板含水层之上，为含水较弱的含水层。单位涌水量0.002 8 L/s·m，为弱富水性含水层；渗透系数为0.002 65 m/d，含水层平均厚度102.02 m，导水系数0.270 4 m2/d。经计算，本区可采煤层开采后形成的导水裂隙带能够到达该含水层，是矿井涌水的来源之一。

（3）煤1层顶板含水层。为新河组底部砂砾岩段，为矿井主要充水含水层，平均厚度170.32 m，据生产资料，井巷穿越该含水层之后，突水最大值为50 m3/h。单位涌水量为0.003 L/s·m，为弱富水性含水层；渗透系数为0.001 36 m/d，导水系数0.254 5 m2/d，生产中亦作为洗煤用水、井下洒水及灌浆用水，是矿井涌水的来源之一。

（4）煤1层底板含水层。为窑街组煤1层顶板裂隙含水层。含水层平均厚度20.2 m，依据W1901水文孔资料，该含水层渗透系数K值为0.067 m/d，单位涌水量0.091 L/s.m，导水系数1.353 4 m2/d，属弱富水性含水层，是矿井涌水的来源之一。

（5）煤系基底砂砾岩及三叠系顶部含水层。一般厚度8 m，最大厚度33.14 m。井底车场穿越该层后最大涌水量为17 m3/h，释放静储量后则疏干，为弱富水性含水层，对矿井开采无影响。

2.3 矿井充水通道

矿井充水通道主要有开采时产生的冒落带和导水裂隙带、构造断裂带和封闭不良的钻孔。矿井内断裂构造多为落差2～5 m的小断层，以压性或压扭性为主，经钻孔与采掘实际揭露，断层及其断层破碎带富水与导水性均较差，除断层裂隙带附近有淋水外，未见突水与涌水现象，构不成对矿井充水威胁。

3 矿井涌水量预测

3.1 计算方法的选择

根据本区水文地质条件及已取得的水文地质参数，矿井涌水量拟用大井法计算。由于导水裂隙可达下白垩系新河组含水层，故涌水量计算需对中侏罗统新河组承压含水层、中侏罗统窑街组煤层顶板承压含水层、中侏罗统窑街组煤层底板承压含水层分层计算，参数是选择区内水文地质钻孔实际抽水试验所得参数。

3.2 计算公式的选择

1.顶板进水

采用承压转无压顶板进水：

2.底板进水

上述公式中：

R0-计算区域坑道系统影响半径（m）；r0为计算区域坑道系统引用半径（m）；R为依据抽水试验结果求出的影响半径（m）；F为矿井面积（m2）；Q为地下水涌入坑道流量（m3/d）；M为含水层平均厚度（m）；S为含水层水位降低值（m）；K为含水层渗透系数（m/d）；H为承压水头高度（m）；hw为动水位至底板隔水层水柱高度（m）；Ma为坑道顶板至底部含水层的有效厚度（m）；t为坑道底板内含水层的平均厚度（m），取3.5 m。

3.3 大井法计算矿井涌水量

3.3.1 中侏罗统新河组涌水量的计算

（1）含水层水文参数的选取。采用以往水文孔资料，渗透系数K取0.002 65 m/d，含水层厚度M取102.02 m，水头高度H取396.71 m，水位降深S取396.71 m。

含水层引用影响半径R0：矿区有效面积为可采区面积，呈多边形，面积13 477 799 m2，坑道系统半径

含水层影响半径：

含水层引用影响半径：

动水位至底板隔水层水柱高度hw：由于长期开采过程中的疏干排水，承压水位下降至新河组含水层底板以下，在矿井范围内已无承压水头，故取hw=0 m。

（2）中侏罗统新河组涌水量的计算结果：Q新河=3 237 m3/d。

3.3.2 中侏罗统窑街组煤层顶板涌水量的计算

（1）计算参数。采用以往水文孔资料，渗透系数K取0.001 36 m/d，含水层厚度M取170.32 m，水头高度H取444.57 m，水位降深S取444.57 m。

含水层引用影响半径R0：坑道系统半径同上，r0=2 071.26 m；

含水层影响半径：

含水层引用影响半径：

动水位至底板隔水层水柱高度hw：由于长期开采过程中的疏干排水，承压水位下降至煤层底板以下，在矿井范围内已无承压水头，故取hw=0 m。

（2）矿区煤层顶板含水层涌水量计算结果：Q顶板=2 789 m3/d。

3.3.3 矿区中侏罗统窑街组煤层底板涌水量的计算

（1）计算参数。采用以往水文孔资料，渗透系数K取0.067 m/d，含水层厚度M取20.2 m，水头高度H取524.5 m，水位降深S取524.5 m。

含水层引用影响半径R0：坑道系统半径同上，r0=2 071.26m；

含水层影响半径：

含水层引用影响半径：

含水层有效厚度Ma：矿坑顶板以下含水层厚度影响范围取周边矿井的经验资料，依据钻孔资料，取Ma=20.2 m；

坑道底板内含水层的平均厚度t：因坑道巷高平均不超过3.5 m，取t=3.5 m；

（2）矿区煤层底板含水层涌水量计算结果：Q底板=4 662 m3/d。

矿区总涌水量=Q新河+Q顶板+Q底板=3 237+2 789+4 662=10688m3/d。

考虑到煤层顶板、煤层底板含水层的渗透系数K分别为0.001 36、0.067，后者约为前者的50倍，差值太大，这与含水层的厚度、孔隙度、透水性等性质分布不均有关，在计算时不宜直接采用。故利用矿区2007—2017年涌水量观测数据平均值231 m3/h，以往水文孔新河组及煤层顶底板含水层的混合抽水试验参数的综合值，反算新河组含水层、煤层顶板含水层、煤层底板含水层的综合渗透系数K值，计算公式如下：

主要参数取值如下：含水层水头高度H取438.22 m，含水层厚度M取118.59 m，水位降深S取438.22 m，hw取0。求得综合K=0.006 928 m/d，R=794.42 m。

r0为采空区半径，矿区目前有2处采区尚在生产，其余范围全为采空区，经计算采空区面积为13 477 799 m2，

将上述数据带入下式：

其中，hw=0，求得全矿区涌水量为6 032 m3/d。

3.4 比拟法计算涌水量

（1）涌水量-开采量比拟法（含水系数法）。

含水系数：Kp=Q/P

式中：Kp为含水系数（矿井的相对涌水量）；Q为年从矿井中排出的水量（m3）；P为相应一年的煤炭开采量（t）。

根据已有的数据[3]，计算2009—2020年的含水系数如表1。

表1 红会第一煤矿2009—2020年含水系数计算表

对含水系数与煤炭开采量2个数值进行线性拟合，拟合结果如图1所示。

图1 2009—2020年煤炭年产量、含水系数曲线图

二者之间关系为：

Kp=-0.001 3P+1.054，P为煤炭年开采量，单位万t。

根据《红会第一煤矿2021—2025年采掘接续计划》，2021—2025年计划煤炭年开采量P分别为210.0万t、197.0万t、197.0万t、197.0万t、184.0万t，求得2021—2025年含水系数Kp分别为0.844、0.857、0.857、0.857、0.87，矿井全年涌水量预测值分别4 856 m3/d、4 625 m3/d、4 625 m3/d、4 625 m3/d、4386 m3/d。

（2）涌水量与采掘进尺比拟法。2015—2020年总采掘进尺见表2。

表2 2015—2020年采掘进尺、涌水量统计表

对涌水量与总采掘进尺2个数值进行线性拟 合，拟合结果如图2所示。

图2 历年采掘进尺、涌水量曲线图

二者之间关系为：Y=0.607X1.0282

其中Y为年度涌水量，单位m3/d；X为年度采掘进尺，单位m。

根据《红会第一煤矿2021—2025年采掘接续计划》，2021—2025年计划采掘进尺分别为5 930 m、5 150 m、6 640 m、5 710 m、3 800 m，求得2021—2025年矿井全年涌水量预测值分别为4 599 m3/d、3 978 m3/d、5 166 m3/d、4 423 m3/d、2 910 m3/d。

4 涌水量可靠性评价及最终涌水量推荐值

矿井涌水量计算采用了大井法、比拟法分别对全矿井、七采区、南翼井田的未来用水量分别进行了计算，结果汇总见表3。

表3 红会第一煤矿涌水量预测值

4.1 大井法预测的涌水量可靠性分析

目前规范推荐预测矿井涌水量的“大井法”是理论计算公式，适用的水文地质模型是地下水补给充分、水文地质参数均一的条件，实际中很少有这样的水文地质条件[4]；其次水文地质参数是利用抽水试验成果反算的值，属半实测值。由于水文参数点少（本矿井只有三个水文孔），数据的代表性一般，由此可以确定“大井法”估算的矿井涌水量的精度为D级，误差大体在60%～80%。

4.2 比拟法预测的矿井涌水量可靠性分析

“比拟法”是一个半经验计算法，这是因为矿井涌水量和开采量、采掘进尺之间严格意义上不是线性关系，涌水量还与开采方法及矿井内部的水文地质条件有关。因是半经验公式，所以比拟法估算的矿井涌水量的精度也应为D级。

4.3 矿井涌水量推荐值

以2009—2020年全矿井的逐月涌水量观测平均值5 427 m3/d为参考基准，采用大井法（煤层顶底板含水层分别计算）求得涌水量10 688 m3/d接近观测平均值的2倍，水量偏大；采用含水系数法、涌水量-采掘进尺比拟法计算的全矿井涌水量分别为4 856 m3/d、4 599 m3/d，低于观测平均值，水量偏小；采用大井法（煤层顶底板含水层综合计算）求得的涌水量6 032 m3/d与其最为接近，所以推荐以此预测的涌水量为矿井正常涌水量，故未来全矿井涌水量约6 032 m3/d。