基于水源构成的矿井涌水量预测

2022-12-09周莹

煤炭与化工 2022年10期

周莹

（中国煤炭地质总局第二水文地质队，河北邢台 054000）

1 概况

章村矿位于河北省沙河市白塔镇和武安市邑城镇接壤地带，北距邢台市36 km，东距沙河市政府驻地褡裢镇24 km，南至武安市27 km，区内交通运输条件便利。所在区域属于半干旱大陆性季风气候，全年的总体气候特征为雨量集中，光照充足，无霜期较长，光热资源丰富，雨热同期，昼夜温差大。根据邢台气象站近10 a的资料，年平均降水量537.6 mm，雨季主要集中在每年的7～9月份，多年平均气温13℃左右，多年平均蒸发量为1 794.9 mm。井田内地表水系主要包括养儿河、邑城南河及黑龙洞水库。目前，矿井主要开采煤层为2号、2下号煤，开拓方式为混合式开拓，共划分为2个水平，第一水平标高+32 m，已开采结束。第二水平标高-200 m，划分7个采区开采，规划生产地区为4226、4231采区。

1.1 矿井地质及水文地质条件

区内基岩出露很少，仅在鸽子沟、窑坡村南、朱金紫、邑城、丰里、紫罗附近的沟谷、山坡边一带有零星基岩露头出现，井田内地层主要有上古生界奥陶系中统，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组和下石盒子组，二叠系上统上石盒子组、上统石千峰组以及新生界新近系、第四系。含煤地层为二叠系下统山西组、石炭系上统太原组和中统本溪组。

章村矿属于邯邢水文地质单元的中单元-百泉水文地质单元。矿区内分布9个含水层（组），分别为第四系砂砾石孔隙含水层、下石盒子组砂岩裂隙含水层、2号煤顶板砂岩裂隙含水层、野青灰岩裂隙岩溶含水层、伏青灰岩裂隙岩溶含水层、大青灰岩裂隙岩溶含水层、本溪灰岩裂隙岩溶含水层、奥陶系中统灰岩裂隙岩溶含水层及闪长岩裂隙含水层。

1.2 矿井充水条件

依据章村矿矿井涌水量构成情况，矿井主要充水水源为老空水和2号煤顶板砂岩含水层水。

小煤矿关闭停产后，由于长期停止排水而使地下水聚集，主要分布在4222采区、4229采区。离规划的4226及4231采区较远，对未来生产影响不大。章村矿自身开采形成的采空区积水有9个，部分工作面采空区积水可成为规划开采工作面的充水水源。

2号煤顶板砂岩含水层为开采2号煤时的直接充水水源，矿井生产过程中的出水记录绝大部分都是该含水层出水；局部下石盒子组底部砂岩含水层也是开采2号煤时的充水水源。

2 矿井涌水量构成分析

2.1 矿井涌水量现状

章村矿矿井总涌水量介于544.00~658.00 m3/h，总体较平稳，但近年来有一定上升趋势，正常涌水量为583.11 m3/h，最大涌水量为658.00 m3/h，如图1所示。

图1 矿井近年总涌水量动态变化曲线Fig.1 Dynamic change curve of total mine water inflow in recent years

2.2 矿井涌水量构成分析

2.2.1 按水源进行分析

依据矿井提供的涌水量观测台账，章村矿四井矿井涌水量主要来源为老空水和2号煤顶板砂岩水。2016年1月—2016年4月，矿井主采2号煤层，矿井涌水量以2号煤顶板砂岩水为主，占矿井涌水量的61.95%；2016年5月—2018年5月，矿井主采2号煤层，矿井涌水量以老空水为主，占矿井涌水量的97.29%；2018年6月—2021年12月，矿井涌水量为老空水，如图2所示。

图2 涌水量构成示意Fig.2 Water inflow composition

可以看出，矿井涌水量构成由2号煤顶板砂岩为主逐渐变为老空水，主要原因为2号煤层开采过程中对其顶板含水层进行了疏放。156临时排水点离地面较近，浅部采空区积水主要通过156临时排水点排放至地面。24泵房主要排放4225采区水量，-350泵房主要排放26采区和31采区涌水量。

2.2.2 按水平进行分析

章村矿共分为两个水平，即+32 m水平和-200 m水平。-200 m水平涌水量为矿井主要涌水量构成，占比77.12%，其主要来源老空水和2号煤顶板砂岩水；+32 m水平涌水量占矿井总涌水量的22.88%，其主要来源为老空水，如图3所示。

由图3可以看出，+32 m水平矿井涌水量总体呈上升趋势，与降水量总体趋势较一致，且在每年雨季过后矿井涌水量有明显增加现象，而-200 m水平涌水量基本没变化。由此说明降水量对+32 m水平涌水量影响较大，而-200 m水平涌水量受降水量影响较小。

图3 各水平涌水量与降水量关系曲线图Fig.3 The curve of the relationship between water inflow at each level and precipitation

-200 m水平涌水量自2016—2019年逐渐降低，2019年年初降至最低值，分析认为2016—2019年4226、4231采区内回采的工作面已基本达到了各自采区的最大采深，对采区内顶板含水层水已充分揭露，顶板砂岩含水层水大部分已被疏排。-200 m水平涌水量在2020—2021年又有所回升，分析认为一方面是由于这两年4226、4231采区内新回采了2下煤层多个工作面，其开采时导水裂隙带大部分能够导通至2号煤采空区，原本残存于2号煤采空区低洼处的老空水通过裂隙进入到2下煤工作面水平，导致其涌水量增加；另一方面，统计分析了4226、4231采区内及周边10个钻孔2下煤的顶板岩性，结果显示大多数钻孔顶板岩性中有厚度为2.00～24.16 m的中粒、细粒砂岩，从侧面反映出2下煤顶板砂岩中含水，在回采2下煤工作面期间，2下煤顶板砂岩水经过开采扰动后进入到-200 m水平，导致其涌水量增加。

3 矿井涌水量预测

章村矿四井已开采多年，区内有大量采空区，2019—2021年矿井生产区位于4226采区和4231采区，规划生产地区仍为4226采区和4231采区，水文地质条件相似，因此此次拟采用统计分析法进行矿井涌水量预测。

3.1 +32 m水平

降水量对+32 m水平涌水量影响较大，此次采用近2 a的平均涌水量作为该水平的正常涌水量，即168.59 m3/h；2021年降水总量居历年全年总降水量排名第一位，因此近2 a的最大涌水量可以作为该水平的最大涌水量，即206.7 m3/h。

3.2 -200 m水平

在分析了2号煤、2下煤涌水量来源的基础上对-200 m水平涌水量进行预测。

（1）2号煤。

4226采区以往年度开采标高已达-350 m，未来规划开采的2号煤开采标高为-350—-600 m，其深部的2号煤层顶板砂岩水仍为4226采区开采2号煤时的主要涌水量来源，其次为浅部采空区积水。根据相关资料，2号煤层顶板砂岩出水量为25～30 m3/h。

4231采区规划开采的2号煤标高与往年度开采标高基本一致，且2号煤层顶板砂岩水在往年开采时已基本疏放完，故推测其涌水量来源主要为2号煤浅部采空区积水。

（2）2下煤。

2019—2020年4226采区及4231采区主要开采2下煤层，其涌水量主要来源为老空水，推测未来规划开采2下煤层时涌水量主要来源仍为老空水。且近2 a矿井-200 m水平涌水量为有一定的增加趋势，年增幅约为10.0 m3/h。

3.3 涌水量预测

经上述分析，未来规划开采2号煤、2下煤时，矿井涌水量主要为老空水和4226采区深部的2号煤层顶板砂岩水，且老空水以年增幅10.0 m3/h递增。按年产75.0万t计算，矿井服务年限剩余8.9 a。经计算，-200 m水平矿井正常涌水量为424.55+10×8.9+30=543.55 m3/h，最大涌水量为444.70+10×8.9+30=563.70 m3/h。则整个章村矿预测正常涌水量为168.59+543.55=712.14 m3/h，最大涌水量为206.7+563.70=770.40 m3/h。