浅谈大同煤田某煤矿矿井涌水量预测方法的实际应用.pdf

摘要：矿井涌水量预测是矿井水文地质工程的主要环节。文章以大同煤田某煤矿为例，探讨了水文地质比拟法、地下水动力学解析法（大井法）、富水性比拟法等常用矿井涌水量预测方法的应用，进而准确计算出矿井涌水量，为矿井安全生产提供重要依据。关键词：涌水量；水文地质；预测方法；大同煤田中图分类号：P641 文 献标识码：A文章编号：2096-7519（2023）05-21-3杨春艳（山西省第十地质工程勘察院有限公司，山西 大同 037008）作者简介：杨春艳（1982），女，工程师，本科，毕业于中国地质大学（北京），主要从事地质勘查找矿工作。浅谈大同煤田某煤矿矿井涌水量预测方法的实际应用1 矿井水文地质概况1.1 矿区自然地貌研究区位于大同煤田西南部，四周为侵蚀型中高山区。井田范围属低山丘陵区，地表多为第四系黄土覆盖，东北部有基岩出露，地势呈中西部低，北、东、南三面高，地形最高点位于东部，地面相对高差297 m。1.2 矿井基本情况该矿南北长约4.5 km，东西宽约4.0 km，面积214.0586 km，开采深度13801050 m，生产规模120 万t/a，开采山西组山4以及太原组28号煤层。目3前，实测矿井正常涌水量为4080 m/d，最大涌水3量为128.16 m/d。1.3 矿井地质矿井发育地层由老到新为：奥陶系下马家沟组、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、第四系中、上更新统、全新统。矿内出露基岩有二叠系下统下石盒子组、上统上石盒子组，主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组地层。石炭系上统太原组地层厚99.80155.70 m，一般厚121.56 m，该煤矿内含18-1、18、19、22-1、22、23、25-1、25-2、26号煤层，其中22、25-1号煤层稳定，22号煤层全区可采，25-1号煤层大部可采，18、22-1号煤层局部可采，不稳定，本组煤层平均总厚13.20 m，含煤系数10.9%，可采煤层总厚11.30 m，可采含煤系数9.3%。二叠系下统山西组地层厚41.4062.80 m，平均52.50 m，含煤3层，即15、16、17号煤层，其中17号为大部可采的较稳定煤层，15、16号为不可采不稳定煤层。本组煤层平均总厚1.95 m，含煤系数3.7%，可采煤层厚1.55 m，可采含煤系数2.9%。该矿可采煤层为17、18、22-1、22、25-1号煤层。1.4 矿井含水层井田内根据含水层组成的岩性特征和储水空间性质，可划分为5个含水层：1）奥陶系岩溶裂隙含水层为石炭系煤系地层的基底，据煤矿B1-1、B4-3号水文孔奥灰抽水试验成果，B1-1号水文孔水位标高1186.315 m，涌水量0.2210.545 L/s，单位涌水量0.02250.0269 021总第116期052023年020华北自然资源地质勘探2023.5 杨春艳：浅谈大同煤田某煤矿矿井涌水量预测方法的实际应用参考文献：1 山西省144煤田地质勘探队.霍西煤田万安勘探 区详查地质报告R.1989.2 张淑云.地下水资源评价中水文地质参数的计算 R.河北省地质局水文地质大队邢台中队,1978.3 国家地质总局水文地质工程地质技术防范研究 院.井流流场特征与井流理论R.1978.式中：C 为参数计算中的斜率；a 为方程的系1-n1-n数；b 为方程的截距；r为观测孔距。1-n从这个关系找出不同孔距对参数计算影响的大小。由此式可看出，斜率的增长速率随着距离的增加而减少，选用的观测孔越远，斜率越小，得到的导水系数越大，反之观测孔越近，得到的导水系数越小，根据试验区水文地质条件和开采现状，计算的参数、用水量、均衡方程评价认为观测孔在700 m左右更合适。但是在实验中，为排除外界干扰，只有把观测孔设在距孔主孔较近点，而又不使参数偏小，这样只能把观测孔设在距主孔远一点。限于客观条件，难于满足上述要求，但有了方程（7），可以用主孔和1个观测孔建立2个方程求解：即：C=alogr+b；C=alogr+b1122a、b确定之后，把预想的孔距r带入方程，求出C 后带入公式（2）求出寻水系数，并求得压力传导1-n*系数a和试水系数S。例如：K2抽水时已知：C=2.95，r=0.1，C=0.19，r=750，1122Q=40.35方程：2.95=alog0.1+b （1）0.19=alog750+b （2）解二元一次方程组（1）（2）得：a=0.71代入（1）得：b=2.24根据关系式（7）,观测孔的选择是任意的，但根据裘布依公式和泰斯公式的建立条件都属于三维流运动。建立在达西定律基础上，利用拐点以前的观测资料计算参数有一定误差，因为在拐点以前或是渗流场的中心，水流坡度较大，不能排除三维流和紊流运动的可能性。即使拐点以前仍符合达西定律，那么实测降深还要经过换算才能使用，因为主孔抽水时，由于热能、动能、惯性等造成水头损失给参数计算带来不便。为减小误差，尽量选择拐点以后的观测孔，由此确定观测孔r的取值。需要说明的是，所谓拐点，就是降落漏斗或者是S-r曲线曲率最大点，可以通过做图取得，也可以按照曲率公式对公式进行一阶求导取极值，但r不易解出。4 结束语本文通过讨论水文地质参数计算中稳定流与非稳定流计算参数之间的差值问题及在不同孔距上参数计算影响规律问题发现，不论是稳定流还是非稳定流计算参数，产生的差值有一定的人为因素，且与观测孔的选择取值有关。今后，主孔观测资料要经过换算后再使用；利用观测孔的观测资料计算时，尽量选择拐点以后的观测孔和距主孔较近的观测孔资料。2代入公式（2）T=33.55m/h=3805.2m表2 试3号抽水孔及观1、K2、观3观测孔计算参数结果表 主孔号观测孔号/m导水系数T（m2/h）导压系数a/（m2/h）给水度/S*斜率/C孔距/m备注试 3观 110.2910680.00960.7352.96试 3Q=41.05t/hK246.94136660.00340.16750观 350.07232580.00220.15770将a=0.71、b=2.24代入公式（7）：当r=700 m时，斜率C=0.71log700+2.24=0.221-n023总第116期052023年022华北自然资源地质勘探2023.5L/sm，渗透系数0.06640.0677 m/d，富水性弱。2）太原组砂岩裂隙含水层是太原组煤层的直接充水含水层，砂岩总厚2050 m，因含水层与相对隔水层呈互层，为层状分布，具承压性，据煤矿B1-1水文孔太原组抽水试验成果，水位标高1438.105 m，涌水量0.155 L/s，水位降深68.76 m，单位涌水量0.00225 L/sm，渗透系数0.00395 m/d，富水性弱。3）山西组砂岩裂隙含水层岩性以灰色砂质泥岩、泥岩夹灰白色粗粒砂岩为主，局部分布棱角状砾岩，但厚度不大，中、粗粒砂岩总厚度12.0035.00 m，据煤矿B4-3号水文孔山西组含水层抽水试验成果，水位标高1522.411 m，含水层厚度22.0 m，涌水量0.040 L/s，水位降深99.58 m，单位涌水量为0.0004 L/sm，渗透系数为0.00165 m/d，富水性弱。4）石盒子组砂岩裂隙含水层岩性由泥岩、砂质泥岩、砂岩组成，地层总厚160 m，地层岩性以泥岩、砂质泥岩为主，薄层中、粗粒砂岩夹层，砂质泥岩总厚1050 m，据煤矿B1-1号水文孔山西组及以上地层抽水试验结果，水位标高1498.975 m，含水层厚度34.52 m，涌水量0.260 L/s，水位降深47.57 m，单位涌水量0.005466 L/sm，渗透系数0.00505 m/d，富水性弱。5）第四系孔隙含水层分布在煤矿沟谷内，岩性由砂、砂砾、碎石组成，多为山区季节性流水侵蚀后堆积物，因储水空间有限，富水性弱。1.5 相邻矿水文地质情况相邻矿位于煤矿北侧，井田东西长约20.087 km，南北宽约12.575 km，开采石炭系2、3、5、8煤层，水文地质条件与该矿基本相似，实测矿井涌水3量为2000 m/d。2 矿井涌水量预测矿井涌水量预测采用水文地质比拟法、地下水动力学解析法（大井法）、富水性比拟法3种方法，通过比较，选择了最接近实际情况的作为矿井未来涌水量预测结果。2.1 水文地质比拟法利用区内水文地质条件相似的已开采区矿井实际涌水资料对矿井开采涌水量进行预测，采用公式 计 算。其中：Q、Q 分别为新03老矿井涌水量（m/d）；F、F 分别为新老矿开采面02积（km）；S、S 分别为新老矿水位降深（m）。0由邻近煤矿在先期开采地段首采区建井期间统2计数据可知：首采区面积3.5 km，5（3-5）号煤层3实测矿井涌水量为2000 m/d，水位降深450 m，本2矿开采地段面积0.95 km，水位降深93.45 m。将上述数据带入公式，计算得出矿区涌水量为474.96 3m/d。2.2 地下水动力学解析法（大井法）利用该矿补勘钻孔B1-1、B4-3采集太原组的抽水试验数据，采用地下水动力学解析法中承压转无压完整井的稳定流计算公式对矿井涌水量进行预测，见表1。3式中，Q为预算矿井涌水量（m/d）；K为渗透系数（m/d），根据各钻孔抽水试验求参计算值；H为水柱高度，自然水位标高至含水层最低底板标高（1330 m）的距离；h为疏干标高至含水层底板的距离，取0 m；M为含水层的厚度（m）；S为水位降深，为自然水位标高至疏干标高的距离；R为引2用影响半径（m）；F为区域面积（m）。本报告采用一个工作面面积进行计算，F=200 2m1500 m=300000 m，其中，r 为引用半径（m）,0采用公式 计算。由表1计算结果可以得出，矿井涌水量预测为3428.14534.37 m/d。最大涌水量的计算采用经3 验比值1.5进行计算，为801.56 m/d。2.3 富水性比拟法该矿从2009年11月1日开始组织施工，2012年6月矿井形成通风、供电、给排水、运输等各大系统。矿井目前仅开采5号煤层，设计产量120 万t/年，实际近三年产量分别为48.5 万t、61.6 万t、84.3 万t。收集矿井近三年平均涌水量情况分别为33380.67 m/d、253.08 m/d、273.82 m/d；最大涌水333量分别为98 m/d、478 m/d、350 m/d。可以看出，井下生产时的涌水量与产量相关，因此用生产时涌水量产量求取含水系数。矿井涌水量预测公式：Q=PKp3式中，Q为矿井未来的涌水量（m/d）；P为原3煤产量（t/d），K 为含水系数（m/t）。p近三年的涌水量和产量求取含水系数见表2。随着矿井各项系统的完善，产能释放，当该矿达到生产能力120 万t/a时，日产量为1200000330=3636 t/d。矿井正常涌水量Q=36360.09327.24133m/d；矿井最大涌水量Q=36360.14509.04 m/d。22.4 涌水量预测结果依据该矿实际情况，矿井涌水量采用比拟法计3算结果较可靠。因此，矿井正常涌水量327.24 m/d，3矿井最大涌水量509.04 m/d。3 结论本次矿坑涌水量预算采用水文地质比拟法、地下水动力学解析法（大井法）、富水性比拟法。水文地质比拟法、地下水动力学解析法（大井法）计算的影响半径属经验公式，由此计算的承压水影响半径一般偏小，矿井涌水量可能偏大，预算结果达到国家标准地下水资源分类分级标准（GB/T152181994）的D级，可信度为0.3。根据煤矿实际，用比拟法计算的矿井涌水量结果较可靠。但随着井巷系统的形成、工作面的回采，煤层顶板大面积冒落，裂隙带充分发育，矿井涌水量会随之增大，有可能达到或超过本次预计的矿井涌水量。参考文献：1 马洪超,林立新.大井法预测矿坑涌水量J.采 矿技术,2009,9(2):53-54.2 昝雅玲.用水文地质比拟法预算矿井涌水量J.华北国土资源,2011(1):52-54.3 山西省地质勘查局二一七地质队.山西省大同煤 田左云县马道头井田煤炭勘探报告R.2017.4 管思太,武强.矿井涌水量预测评述J.中州煤 炭,2005(1):7-9.表1 矿井涌水量预测表 表2 近三年矿井含水系数计算表 预测钻孔计算采用数据预测水量K/（m/d）H/mM/mh/mS/mr0/mR/mQ/（m3/d）B4-30.005378.79135.94078.791309.10366.46428.14B1-10.00395108.10552.070108.105309.10377.05534.37 杨春艳：浅谈大同煤田某煤矿矿井涌水量预测方法的实际应用年份平均水涌量/（m3/d）最大涌水涌/（m3/d）产量/（万t/年）正常含水系数/（m3/t）最大含水系数/（m3/t）第一年80.679848.50.050.06第二年253.0847861.60.120.23第三年273.8235084.30.090.12平均0.090.14023总第116期052023年022华北自然资源地质勘探2023.5L/sm，渗透系数0.06640.0677 m/d，富水性弱。2）太原组砂岩裂隙含水层是太原组煤层的直接充水含水层，砂岩总厚2050 m，因含水层与相对隔水层呈互层，为层状分布，具承压性，据煤矿B1-1水文孔太原组抽水试验成果，水位标高1438.105 m，涌水量0.155 L/s，水位降深68.76 m，单位涌水量0.00225 L/sm，渗透系数0.00395 m/d，富水性弱。3）山西组砂岩裂隙含水层岩性以灰色砂质泥岩、泥岩夹灰白色粗粒砂岩为主，局部分布棱角状砾岩，但厚度不大，中、粗粒砂岩总厚度12.0035.00 m，据煤矿B4-3号水文孔山西组含水层抽水试验成果，水位标高1522.411 m，含水层厚度22.0 m，涌水量0.040 L/s，水位降深99.58 m，单位涌水量为0.0004 L/sm，渗透系数为0.00165 m/d，富水性弱。4）石盒子组砂岩裂隙含水层岩性由泥岩、砂质泥岩、砂岩组成，地层总厚160 m，地层岩性以泥岩、砂质泥岩为主，薄层中、粗粒砂岩夹层，砂质泥岩总厚1050 m，据煤矿B1-1号水文孔山西组及以上地层抽水试验结果，水位标高1498.975 m，含水层厚度34.52 m，涌水量0.260 L/s，水位降深47.57 m，单位涌水量0.005466 L/sm，渗透系数0.00505 m/d，富水性弱。5）第四系孔隙含水层分布在煤矿沟谷内，岩性由砂、砂砾、碎石组成，多为山区季节性流水侵蚀后堆积物，因储水空间有限，富水性弱。1.5 相邻矿水文地质情况相邻矿位于煤矿北侧，井田东西长约20.087 km，南北宽约12.575 km，开采石炭系2、3、5、8煤层，水文地质条件与该矿基本相似，实测矿井涌水3量为2000 m/d。2 矿井涌水量预测矿井涌水量预测采用水文地质比拟法、地下水动力学解析法（大井法）、富水性比拟法3种方法，通过比较，选择了最接近实际情况的作为矿井未来涌水量预测结果。2.1 水文地质比拟法利用区内水文地质条件相似的已开采区矿井实际涌水资料对矿井开采涌水量进行预测，采用公式 计 算。其中：Q、Q 分别为新03老矿井涌水量（m/d）；F、F 分别为新老矿开采面02积（km）；S、S 分别为新老矿水位降深（m）。0由邻近煤矿在先期开采地段首采区建井期间统2计数据可知：首采区面积3.5 km，5（3-5）号煤层3实测矿井涌水量为2000 m/d，水位降深450 m，本2矿开采地段面积0.95 km，水位降深93.45 m。将上述数据带入公式，计算得出矿区涌水量为474.96 3m/d。2.2 地下水动力学解析法（大井法）利用该矿补勘钻孔B1-1、B4-3采集太原组的抽水试验数据，采用地下水动力学解析法中承压转无压完整井的稳定流计算公式对矿井涌水量进行预测，见表1。3式中，Q为预算矿井涌水量（m/d）；K为渗透系数（m/d），根据各钻孔抽水试验求参计算值；H为水柱高度，自然水位标高至含水层最低底板标高（1330 m）的距离；h为疏干标高至含水层底板的距离，取0 m；M为含水层的厚度（m）；S为水位降深，为自然水位标高至疏干标高的距离；R为引2用影响半径（m）；F为区域面积（m）。本报告采用一个工作面面积进行计算，F=200 2m1500 m=300000 m，其中，r 为引用半径（m）,0采用公式 计算。由表1计算结果可以得出，矿井涌水量预测为3428.14534.37 m/d。最大涌水量的计算采用经3 验比值1.5进行计算，为801.56 m/d。2.3 富水性比拟法该矿从2009年11月1日开始组织施工，2012年6月矿井形成通风、供电、给排水、运输等各大系统。矿井目前仅开采5号煤层，设计产量120 万t/年，实际近三年产量分别为48.5 万t、61.6 万t、84.3 万t。收集矿井近三年平均涌水量情况分别为33380.67 m/d、253.08 m/d、273.82 m/d；最大涌水333量分别为98 m/d、478 m/d、350 m/d。可以看出，井下生产时的涌水量与产量相关，因此用生产时涌水量产量求取含水系数。矿井涌水量预测公式：Q=PKp3式中，Q为矿井未来的涌水量（m/d）；P为原3煤产量（t/d），K 为含水系数（m/t）。p近三年的涌水量和产量求取含水系数见表2。随着矿井各项系统的完善，产能释放，当该矿达到生产能力120 万t/a时，日产量为1200000330=3636 t/d。矿井正常涌水量Q=36360.09327.24133m/d；矿井最大涌水量Q=36360.14509.04 m/d。22.4 涌水量预测结果依据该矿实际情况，矿井涌水量采用比拟法计3算结果较可靠。因此，矿井正常涌水量327.24 m/d，3矿井最大涌水量509.04 m/d。3 结论本次矿坑涌水量预算采用水文地质比拟法、地下水动力学解析法（大井法）、富水性比拟法。水文地质比拟法、地下水动力学解析法（大井法）计算的影响半径属经验公式，由此计算的承压水影响半径一般偏小，矿井涌水量可能偏大，预算结果达到国家标准地下水资源分类分级标准（GB/T152181994）的D级，可信度为0.3。根据煤矿实际，用比拟法计算的矿井涌水量结果较可靠。但随着井巷系统的形成、工作面的回采，煤层顶板大面积冒落，裂隙带充分发育，矿井涌水量会随之增大，有可能达到或超过本次预计的矿井涌水量。参考文献：1 马洪超,林立新.大井法预测矿坑涌水量J.采 矿技术,2009,9(2):53-54.2 昝雅玲.用水文地质比拟法预算矿井涌水量J.华北国土资源,2011(1):52-54.3 山西省地质勘查局二一七地质队.山西省大同煤 田左云县马道头井田煤炭勘探报告R.2017.4 管思太,武强.矿井涌水量预测评述J.中州煤 炭,2005(1):7-9.表1 矿井涌水量预测表 表2 近三年矿井含水系数计算表 预测钻孔计算采用数据预测水量K/（m/d）H/mM/mh/mS/mr0/mR/mQ/（m3/d）B4-30.005378.79135.94078.791309.10366.46428.14B1-10.00395108.10552.070108.105309.10377.05534.37 杨春艳：浅谈大同煤田某煤矿矿井涌水量预测方法的实际应用年份平均水涌量/（m3/d）最大涌水涌/（m3/d）产量/（万t/年）正常含水系数/（m3/t）最大含水系数/（m3/t）第一年80.679848.50.050.06第二年253.0847861.60.120.23第三年273.8235084.30.090.12平均0.090.14