巴拉素井田煤层富水性分区及水量预测

方 刚

（1.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077）

陕北侏罗纪煤田榆横北区内的多个矿井受到2 号煤层水害威胁[1-3]，但该2 号煤层在区内的富水性极不均一，表现为：开采同一2 号煤层，相邻的2 个井田，煤层则具有富水（巴拉素井田）和非富水（大海则井田）2 种截然不同的结果[3-4]。为此，对于区内2 号煤层水问题，需开展大量的基础性研究工作；而关于煤层水资源量的分布估算、煤层富水性的预测分区、有煤层水参与的矿井涌水量预测等方面的研究，始终关联着矿井防治水工作，也直接影响着矿井安全生产。

多年来，业内学者对地下含水层开展了大量研究工作，根据含水层水文地质参数、赋存条件和形式，从含水层可释放出水的能力进行定量预测，目前主要方法有类比法、解析法、数值法、统计学方法等[5-6]。虎维岳[7]、李超峰等[8]、周振方等[9]从静态水释放、动态水补给等方面考虑，对含水层水量预测进行研究；CHENG 等[10]针对渗透系数非线性变化的特征，对涌水量预测的方法进行探索；来永伟等[11]提出利用非稳定流定降深法预测煤层顶板含水层涌水量；刘英锋等[12]建立基于达西定律和Dupuit 理论的顶部进水型涌水量预测模型进行水量预测；此外，王猛等[13]、李建林等[14]、连会青等[15]、李涛等[16]分别基于ARIMA 季节乘积模型、灰色系统、广义回归神经网络、钻孔显微高速摄像等方法技术的改进应用，对含水层的富水性及涌水量均进行了预测和探索[17-18]。

综上所述，关于地下含水层的水量估算、富水性分区研究及矿井涌水量预测等方面均取得了较好的成果，但就陕北侏罗纪煤田榆横北区内的2 号煤层水而言，相关研究工作尚为不足。为此，将采用理论分析、计算预测、模拟实验等方法，探索区内2 号煤层水赋存变化等主要特征，为矿井后期防治水工作提供基础依据。

1 研究背景

巴拉素井田位于陕北侏罗纪煤田榆横北区内，矿井首采的2 号煤层平均埋深约498 m，煤厚2.2～5.2 m。矿井在建设期间发现其2 号煤层富（含）水（ϕ75 mm 钻孔单孔涌水量约200 m3/h，水压约3.6 MPa）[19-20]。根据以往开展的研究工作，2 号煤层水主要源于漫长的地质历史时期中煤层顶板的侏罗系直罗-延安组含水层水垂向入渗，且由于顶板含水层富水性弱，该煤层水以静储量为主，动态补给有限[20]。

区内2 号富水煤层作为承载地下水的介质体，与一般地下含水层有相似之处，也有所区别；为此，以巴拉素井田先期开采地段为研究区，针对2 号煤层水开展水资源量估算、富水性预测分区和矿井涌水量预测，探究其煤层水的赋存及水体变化特征。

2 煤层水资源量估算

2.1 估算范围及条件

在巴拉素井田研究区内估算2 号富水煤层的水资源量，由于2 号煤层平均埋深约500 m，区内无露头及火烧区，因此，将其煤层水视为承压含水层水对待，并认为煤层内的孔裂隙均已充满水，呈饱和状态。根据《供水水文地质》中地下水资源的分类要求，将地下水分为补给量、储存量和消耗量[21]，本次估算的巴拉素井田2 号煤层水资源量主要为储存量和补给量，即为赋存于2 号煤层孔隙、裂隙内的煤层静态储存水量（静储量水）和煤层采掘后的动态补给水量（动储量水），其动态补给水量源于2 号煤层同层水补给和围岩含水层补给（煤层上覆的侏罗系直罗组、延安组含水层）。

结合中煤科工西安研究院（集团）有限公司自主研发的TIM-3D 三维地质建模软件，对研究区各主要地层进行模型构建。计算模型中研究区整体平面面积约60 946 389.01 m2。根据统计研究区范围内以往施工的各钻孔资料，确定2 号煤层厚度在2.20～5.21 m 之间，平均煤厚约3.69 m，计算得出研究区2 号煤层体积约224 892 175.45 m3。

2.2 水资源量估算

2.2.1 煤层水的储存量

研究区2 号煤层为承压含水层，地下水静储量（Wj）应包括弹性释水（Wt）和重力给水（Wz），煤层水的静储量表达式为[22]：

式中：Wj、Wt、Wz分别为研究区地下水静储量、地下水弹性释放量、地下水重力给水量，m3；μ*为研究区2 号煤层弹性释水系数，取最大值9.99×10-4；F为研究区面积，m2，取60 946 389.01 m2；h为研究区2 号煤层顶面算起的水头高度，取478.69 m；μ为研究区2 号煤层重力给水度（取煤层的平均给水度），取0.166；V为研究区2 号煤层体积，m3，取224 892 175.45 m3。

将各参数值代入式（1）可以计算得出：Wj≈0.665 亿 m3。

截至2022 年9 月底，矿井疏放水量约900万 m3（含顶板含水层疏放水70 万m3）。其中，2 号煤层水约830 万m3，井下2 号煤层采掘面积约460 万 m2，通过与研究区面积进行比拟计算，得出整个研究区应释放的2 号煤层水量约1.100亿m3，两者计算结果数量级基本一致，估算水量数据较为可靠。考虑到2 号煤层的富水性不均一性，本次煤层水静储量估算值以公式计算得出数值为准，即Wj约为0.665 亿 m3。

2.2.2 煤层水的动储量

根据前期研究成果[20]，研究区2 号煤层水主要源于其煤层上覆的侏罗系延安组、直罗组含水层垂向下渗，而在煤层经历人工采掘影响后，原有的稳定平衡状态被打破，煤层内静储量水进行释放，在此过程中，煤层孔裂隙内的水和顶板含水层水均将对其进行补给，因此，本处估算的煤层水动态补给水量则为上述地下水的混合值；同时，由于煤层水整体水量有限，而煤层顶板含水层富水性相对较弱，在矿井研究区采掘范围不断扩大的过程中，煤层水消耗释放远远大于其受补给的水量，估算得出的煤层水动态补给水量数值为其最大水量；后期在区域内煤层水全部释放完毕，井下煤层动态补给水量将会逐渐减小，并将基本稳定在其仅受顶板砂岩含水层水补给的数量值范围。由此，本处采用数值模拟方法求解该动态补给水量，应用Visual Modflow 软件构建相关立体模型，通过设置其边界条件、地层结构、渗透特性及水力联系等特征，开展数值模型计算，得出研究区2 号煤层水的动态补给水量[23]。

由于整个研究区面积较大，从实际矿井开采角度出发，不可能计算研究区全部采空时的动态补给水量，因此，根据矿井采掘接续，对2 号煤层首采的2102 工作面和2101 工作面回采时的动态补给水量进行预测。其计算结果为：2101 工作面回采时涌水量为3 908 m3/d，约163 m3/h；2102工作面回采时涌水量为4 765 m3/d，约为199 m3/h；合计约362 m3/h。该水量预测数据为煤层水动态补给最大值（为2 号煤层原始状态下估算量，未考虑矿井实际生产中煤层水超前疏放水量），后期将逐渐减小至稳定。

综上所述，研究区2 号富水煤层具有较大的静储量，但整体水量有限，遭受采掘活动后，煤层及围岩原有的稳定状态被打破，煤层自身的同层煤层水和顶板砂岩水动态补给研究区煤层水，该水量相对稳定；考虑到2 号煤层富水性的不均一性，结合预测其静储量和动储量情况，预计巴拉素井田2 号煤层水疏放将是矿井未来5～10 年内的主要防治水工作。

3 煤层富水性预测分区

选取与富水煤层关联紧密的相关因素，应用多元地学信息复合叠加，结合ArcGIS 地理信息系统和层次分析法（AHP），对巴拉素井田2 号煤层进行富水性预测分区[24]。选取的主要控制2 号煤层水富水性的信息因素有煤层厚度、煤心采取率、煤层孔隙度、煤层顶底板厚度共5 项。

3.1 评价指标体系

3.1.1 富水性影响因素

1）煤层厚度。巴拉素井田2 号煤层水以煤层内部的孔隙、裂隙为赋存介质[20]，煤层的富水性与其厚度呈正比关系。煤层在研究区内东北部厚度相对较大，向西南部逐渐变小。煤层厚度归一化专题图如图1。

图1 煤层厚度归一化专题图Fig.1 Thematic map of coal seam thickness normalization

2）煤心采取率。巴拉素井田2 号煤层裂隙发育，裂隙发育程度对煤层水的存储、运移有着决定性作用，但由于区内以往施工钻孔时的煤层裂隙数据无法收集，本处采用煤心采取率作为评价2 号煤层裂隙发育的指标，裂隙越发育、煤心的采取率就越差。在研究区北部的煤心采取率相对较高，南部相对较低。煤心采取率归一化专题图如图2。

图2 煤心采取率归一化专题图Fig.2 Thematic map of core rate normalization

3）煤层孔隙度。与煤层裂隙发育情况类似，巴拉素井田2 号煤孔隙度也直接影响煤层水的富水性。在研究区西南部的煤层孔隙度相对较大，东北部的相对较小。煤层孔隙度归一化专题图如图3。

图3 煤层孔隙度归一化专题图Fig.3 Thematic map of coal seam porosity normalization

4）直接顶含水层厚度。巴拉素井田2 号煤层水来源于上覆侏罗系砂岩含水层水下渗补给[20]。通过分析，认为煤层直接顶含水层的厚度与其富水性呈正相关关系，因此，直接顶含水层厚度将决定其向下伏煤层补给水量的多少研究区直接顶含水层厚度表现为中部及北部相对较大，东西两侧相对较小。直接顶含水层归一化专题图如图4。

图4 直接顶含水层归一化专题图Fig.4 Thematic map of direct roof aquifer normalization

5）直接底隔水层厚度。直接底隔水层厚度将决定着2 号煤层水底部是否具有良好的隔水性，隔水层厚度越大，2 号煤层水的富水性相对越好。研究区2 号煤直接底隔水层厚度表现为南北两侧局部较小，其他区域相对较大。直接底隔水层归一化专题图如图5。

该地区建造时遭遇连续暴雨天气，7月平均降雨量172.5 mm，8月平均降雨量209.5 mm，雨水汇集到基坑中，导致基坑内地下水位迅速上涨.发现时地下车库已出现整体积水现象，积水最大深度为1 m.此时地下车库及网点主体结构施工已完成，地下车库侧面回填土已完成，但顶板回填土及底板回填土未进行.由于主楼及网点结构已足够抵抗上浮的抗浮水头，仅地下车库部分产生抗浮破坏，需进行加固处理.

图5 直接底隔水层归一化专题图Fig.5 Thematic map of direct floor aquiclude normalization

3.1.2 富水性指数法

1）建立层次结构分析模型。综合分析影响巴拉素井田2 号煤层富水性的多元地学信息，将其划分为3 个层段。其中，2 号煤层富水性评价为目标层段（A层段），围岩厚度、煤层厚度、和空间条件为准则层段（B层段），上述的5 项地学信息则为决策层段（C层段），以此进行2 号煤层的富水性预测分区[24]。2 号煤层富水性评价层次分析结构图如图6。

图6 2 号煤层富水性评价层次分析结构图Fig.6 Hierarchy analysis structure of No.2 coal seam water richness evaluation

2）构建判断矩阵。根据SAATY T L 创立的1～9 标度方法，对上述影响因素所起作用的多少进行相对重要性评价，对各因素信息进行量化分值，构建2 号煤层富水性层次分析法评价判断矩阵[24]。

3）层次单排序及一致性检验。评价判断矩阵计算出各层段单排序权值（W），由各矩阵计算得出最大特征值（λmax）、随机性与一致性比值（CR）。

经计算，CR 小于0.1，具有较明显的一致性。由此可得多元地学信息在富水性分区研究过程中的叠加权重值[24]，其中，直接顶含水层厚度权重值（W1）为0.085 8；直接底隔水层厚度权重值（W2）为0.051 5；2 号煤层厚度权重值（W3）为0.239 5；2 号煤心采取率权重值（W4）为0.346 2；2 号煤层孔隙度权重值（W5）为0.277 0。

引入富水性指数WI 的初始模型对2 号煤层富水性进行预测评价，关系式为：

式中：WI 为富水性指数；Wk为地学信息权重；fk（x,y）为归一化之后的单信息影响值函数（已考虑相关指标的正负相关因素；x,y为地理坐标；n为多元信息的个数[24]。

负相关因素归一化公式为：

式中：fk（x,y）为第k个地学信息数据归一化后的值。

结合上式，可得出巴拉素井田2 号煤层富水性评价模型为：

3.2 富水性预测分区结果及验证

1）分区结果。在已构建的层次分析法（AHP）2号煤层富水性评价模型的基础上，应用地理信息系统（ArcGIS）的空间数据分析功能，生成各地学信息等值线图，而后计算叠加后各单元的富水性指数值大小，各单元内各地学信息量化后的归一值是一致的[24]。形成巴拉素井田2 号煤层富水性指数分布图后，通过对富水性指数进行预测分级，得到分区阈值分别为0.341 6、0.362 9、0.401 0、0.427 6。根据分级阈值，将巴拉素井田2 号煤层划分为5 个区域，即：①WI＞0.427 6，为相对强富水区；②0.401 0＜WI≤0.427 6，为相对较强富水区；③0.362 9＜WI≤0.401 0，为相对中等富水区；④0.341 6＜WI≤0.362 9，为相对较弱富水区；⑤WI≤0.341 6，为相对弱富水区。由此得到的巴拉素井田2 号煤层富水性预测分区图如图7。

图7 巴拉素井田2 号煤层富水性预测分区图Fig.7 Prediction zoning map of water richness of No.2 coal seam in Balasu Mine Field

2）现场验证。由于巴拉素煤矿暂未正式投产，井下巷道多处于建设掘进阶段，现场可供验证2号煤层富水性的仅为超前疏放水钻孔。具体在研究区东侧的2101 工作面、西侧的2102 工作面、井底车场及北翼大巷延伸掘进地段。上述区域大部分处于相对中等富水区，较少区域处于相对较弱富水区，极少区域处于相对较强富水区和相对强富水区。通过计算，得出井下相关区域的136个2 号煤层超前疏放水钻孔中，有89 个钻孔的单位涌水量在0.1～1 L/（s·m），基本对应相对中等富水区；有21 个钻孔的单位涌水量在1～1.5 L/（s·m），基本对应相对较强富水区；其余钻孔的单位涌水量均在0.01～0.1 L/（s·m）之间，基本对应相对较弱富水区；暂未发现钻孔单位涌水量在1.5 L/（s·m）以上的区域。煤层揭露基本均有水涌出（初期揭露情况作为依据，后期衰减情况暂不计），认为对钻孔单位涌水量在0.01 L/（s·m）以下的区域应相对弱富水区。

根据本次研究区内2 号煤层富水性预测分区情况来看，未来矿井向北部开展采掘工程，将有可能面临更为严峻的煤层水害，届时需提前做好相关防治水工作，确保安全生产。

4 矿井涌水量预测

采用Visual Modflow 软件进行相关的数值模拟工作[18,23]。以研究区范围建立地下水数值模型，对矿井采掘面临的2 号煤层水及顶板砂岩水系统实体进行含水层结构、边界条件和水动力状态概化。通过收集相关钻孔数据，进行地层结构剖分，将白垩系洛河组至侏罗系3 号煤之间共剖分为7个单元层。模型自上而下分别为洛河组、安定组、直罗组、延安组至2 号煤顶、2 号煤、2 号煤底至3 号煤顶、3 号煤层。矿井掘进阶段的充水水源为2 号煤层水，回采阶段的充水水源为2 号煤上覆直罗组、延安组含水层水。在平面上剖分结点175×98 个，每个单元格的长宽基本相等，约为100 m，整个模型共计剖分单元17 150 个。

根据矿井建设、生产实际进行模拟，初始流场依据井田水文补勘钻孔的水位标高插值得出，结合矿井水文长观数据进行识别和校正[25-26]。

本次涌水量的预测采用模型中的Drain 子模块和Zone budget 子模块联合进行，根据矿井建设的采掘接续情况，在相应时间段内将井筒和巷道掘进时的水位由2 号煤层的水位降至煤层底板；再将开采区段的主要顶板充水含水层的水位降至2号煤层底板，计算工作面回采时的涌水量。通过水均衡计算预测各阶段掘进、回采工作面的涌水量。

1）井筒掘进涌水量预测。井筒掘进过程中主要为2 号煤层涌水，将Drain 设置在4 个井筒的位置。通过模拟计算，得出井筒掘进时涌水量（Drain）为30 184 m3/d，即为1 257.7 m3/h。该区域富水性评价为中等富水区域，与现场实际基本吻合。

2）岩巷掘进揭煤涌水量预测。岩巷掘进期间工作面涌水量极小（1 m3/h 以下，忽略不计），当其揭露2 号煤及进入煤层后将出现大量涌水，同样采用Drain 来预测揭露2 号煤后巷道掘进工作面涌水量。通过模拟计算，得出岩巷掘进揭露2 号煤时涌水量（Drain）为18 535 m3/d，约为772.3 m3/h。该区域富水性评价为中等富水区域，与现场实际揭露出水情况基本一致。

3）煤巷掘进期涌水量预测。煤巷掘进期的主要充水水源为2 号煤层水，Drain 设置在2101、2102 工作面的切眼和两巷部位。通过模拟计算，得出煤巷工作面掘进时涌水量（Drain）为14 124 m3/d，约为588.5 m3/h。该区域富水性评价为较弱～中等富水区域，基本符合现场实际。

4）回采期涌水量预测。2102 工作面长6 000 m、宽300 m、煤厚3.5 m；2101 工作面长6 000 m、宽350 m、煤厚3.5 m。通过模拟计算，得出2102工作面回采时涌水量为23 824 m3/d，约为992.7 m3/h；2101 工作面回采时涌水量为19 541 m3/d，约814.2 m3/h，该区域2 号煤层富水性评价为较弱-中等富水区域。

通过对矿井不同工况条件下采掘2 号富水煤层时的涌水量进行预测，发现其预测水量与现场实际接近，同时与前文预测煤层富水性分区成果具有一定的关联性，相关预测基本符合矿井水文地质及地下水运移的一般规律。

5 结语

1）通过理论公式、数值模拟等方法，计算其静态存储水量和动态补给水量，得出研究区2 号煤层水静储量约0.665 亿m3，动态补给水量约362 m3/h，煤层水整体呈衰减趋势。结合矿井涌水情况，预计未来5～10 年矿井防治水工作主要为疏放2 号煤层水。

2）根据影响富水煤层的5 项主控指标，结合ArcGIS 软件和层次分析法（AHP）对研究区2 号煤层进行富水性预测分区，得出相对强、较强、中等、较弱和弱共5 类富水区。

3）利用Visual Modflow 软件构建相关数值模型，并对不同工况条件的井下掘进、回采工作面的涌水量进行预测，预测井筒掘进时涌水量约1 257.7 m3/h，岩巷掘进揭煤时涌水量约772.3 m3/h，工作面煤巷掘进时涌水量约588.5 m3/h，各工作面回采时涌水量约800～900 m3/h。

4）本次研究成果为陕北侏罗纪煤田榆横北区内2 号富水煤层的初步认识和浅显探索，后期还需对2 号煤层水及相关含水层水变化情况持续关注，并完善相应的富水性预测分区评价指标参数及涌水量预测数据，力求为区内富水煤层矿井的水文地质及防治水工作提供理论依据。