比拟法和解析法在采煤工作面涌水量预测中的应用

牛永强

平凉新安煤业有限责任公司 甘肃 平凉 744200

摘要：根据矿井已采工作面涌水量观测资料及矿井水文地质参数，采用水文地质比拟法与解析法对待采工作面涌水量进行预测计算，所得结果可作为工作面回采过程中防治水工作的依据；将两种方法进行分析比较，为矿井工作面涌水量预测提供一种借鉴方法。

关键词：解析法；比拟法；涌水量预测

中图分类号：TD12 文献标识码：A

工作面涌水量不仅是确定矿井水文地质条件复杂程度的重要指标之一，也是确定排水设备及防治水工作的主要依据。预测工作面涌水量的方法很多，本文以新安井田北翼1204工作面为研究对象，依据北翼相邻1206、1208两个工作面在回采过程中实际涌水量，根据所采煤层上覆岩层水文地质参数，采用水文地质比拟法与解析法预测计算1204工作面回采过程中的涌水量。

1 工作面及水文地质条件

1.1 工作面概况

1204工作面为工作面，煤层厚度2.4m，俯采角度12°。工作面平均倾角10°，新窑向斜斜穿整个工作面，掘进期间无顶板淋水及底板涌水现象，工作面西侧为已采1206、1208工作面，掘进及回采过程中均无底板涌水现象，两工作面回采至180m时顶板开始淋水，说明形成地下水降落“漏斗”并开始疏干上部导水裂隙带范围内在“漏斗”范围内的水量。工作面位置如图1。

图1 工作面位置关系图

Fig.1 Working face location diagram

按照三带高度理论计算，开采1煤形成的导水裂隙带最大约40m，上覆含水岩层单位涌水量0.0247~1.5×10^-6 l/s.m，渗透系数0.0263~0.0276 m/d，富水性弱，距1煤300~400m，不在开采裂带发育高度范围内，与煤系地层也无直接水力联系，因此，上覆含水层不会对开采煤层构成影响^[2]。1煤顶板侏罗统隔水层为泥质粉砂岩及粉砂岩，富水性弱，渗透系数为0.00132~0.0123m/d。因此，开采1煤过程中工作面涌水主要来自1煤顶板延安组隔水层中的少量孔隙水及裂隙水，水量有限。

1.2 水文地质条件

新安井田地层为近南北走向的向斜构造―新窑向斜，向斜东翼倾角达到35°，西翼倾角5°。区内主要为白垩统孔隙裂隙承压水。白垩统孔隙裂隙承压水主要赋存于下白垩统志丹群砾岩、砂砾岩中，含水层平均厚200m，来源为地表水和大气降水的垂直渗入，水化学类型以HCO3-Na·Ca型和CO3-Na型为主；矿化度一般在0.5-1.0g/l，总硬度73.34-411.18mg/l。主要隔水层为下白垩统志丹群下部岩层，厚度达140m，主要为侏罗纪地层，平均厚度达到260m左右。

2 涌水量预测

2.1 解析法计算

将工作面概化为一个具有等效半径的“大井”的涌水量，从而使地下水动力学理论中裘布依稳定流理论来近似计算，此处选取地下水的承压―无压的井流公式^[1]，计算1204工作面顶板涌水量。

， ， ，R₀= r₀+R

式中：Q―地下水涌入矿井的水量(m³/d)；

M―含水层厚度(m)，取导水裂隙带最大40m计算；

K―渗透系数(m/d)，取均值0.005535；

H―水头高度(m)，取至地面，400m；

hw―地下水疏干过程中含水层剩余厚度(m)，计算时取0；

R₀―计算区域巷道系统影响半径(m)；

r₀―计算区域巷道系统引用半径(m)；

F―矿坑面积(m²)，根据1208、1206工作面在回采180m时出现淋水，此处概化为地下水降落漏斗形式，开始疏干上部裂隙带范围内水量，取180²=32400 m²；

R―按公式计算得出的影响半径(m)；

S―疏干降深(m)，计算时取H。

1204工作面可采面积F=32400m²，则r₀=(F/π)^1/2=101.56m，R=2S(KM)^1/2=376.4m，R₀=r₀+R=478m；将上述参数代入公式（1），得到涌水量：Q=89.24m³/d(3.72m³/h)。

承压―无压的井流公式计算涌水量时，矿坑面积F(m²)概化为顶板开始淋水时的采空面积32400m²，认为上部岩层形成地下水降落“漏斗”，开始疏干上部裂隙带范围内水量。随着回采推进，逐渐疏干1煤上部隔水层中的地下水，降落“漏斗”向前移动，最后疏干上部裂隙带影响范围内的地下水。

2.2 水文地质比拟法

相邻1206工作面回采期间涌水量4~6m³/h，回采至10m时工作面采空区涌水量开始缓慢增大至5m³/h；最大达到8m³/h，之后稳定在5m³/h，回采面积151200m²。1208工作面回采至40m时采空区出水，涌水量3m³/h；最大涌水量13m³/h，正常涌水量4m³/h。

比拟法是根据涌水量随开采量的增大而增加的规律建立的。富水系数是指一定时期内排出水量(

Q)与采矿量(P)之比，以K_F表示。

K_F=Q/P

式中：K_F―富水系数。指同一时期（通常为一年）矿井的排水量Q与开采量P之比。

可见，富水系数法预测涌水量时，将K_F与拟开采量P相乘，即得到比拟涌水量Q。为了使预计的结果尽可能接近实际，生产实践中，常采用其他富水系数进行预计^[2]，如采空面积、采空体积、巷道长度等；在此，采用采空面积富水系数K_F来比拟1204工作面涌水量。已采1204、1208工作面水文地质参数如下表1。

表1 1206及1208工作面相关参数表

Tab.1 Relevant parameters of 1206 & 1208 working faces

1204工作面采空面积151200 m²，代入Q=K_F×P，得到：Q_拟1206=11.6m³/h，Q_拟1208=5.1m³/h。

1206工作面为矿井第1个工作面，1208工作面因1206工作面采空导致顶板部分水量疏干，导致两者K_F数据相差较大，以上计算涌水量可做为1204工作面涌水量参考。

3 对比分析

利用比拟法预计1204工作面涌水量时，Q_拟1206=11.6m³/h，Q_拟1208=5.1m³/h，利用解析法计算得到涌水量为3.72m³/h。比拟法受限于实测资料的积累程度，在实践过程中不具有相似性的工作面或矿井则不能使用；而解析法是将工作面概化为一个具有等效半径的“大井”的涌水量，来近似计算涌水量。在本实例中，解析法计算过程中忽略了1204工作面西侧1206、1208两个采空工作面形成的“漏斗”将部分水量“夺走”的影响，可作为工作面涌水量来参考使用^[3]。

1204工作面于2015年11月回采，工作面推进至190m左右时工作面最低点顶板出现淋水，经测量，每小时淋水量稳定在2 m³/h，且淋水量与周期来压密切相关。

4 结论

1204工作面所在矿井北翼水文地质条件简单，1煤上覆岩层富水性弱，计算的1204工作面回采期间正常涌水量为在3.72m³/h，最大涌水量11.6m³/h。受1206、1208两个工作面的采空影响，1204工作面顶板水补给来源受到影响，回采过程观测到实际淋水量为2m³/h，与解析法计算结果相近，可作为工作面正常涌水量，比拟结果可做为最大涌水量采用。

参考文献：

[1] 吴吉春，薛禹群.地下水动力学[M].北京：中国水利水电出版社，2009

[2] 温文富，曹丽文.比拟法和解析法在某矿井涌水量预测中的分析比较[J].煤炭科技，2011，37(7)：38~40

[3] 杜敏铭，邓英尔，许模. 矿井涌水量预测方法综述[J].地质学报，2009，29(1)：70~73

作者简介：牛永强（1985—），男，甘肃定西人，硕士研究生学历，工程师，从事煤矿水文地质技术管理工作。