園子溝煤礦水文地質(zhì)分析及礦井涌水量預(yù)測

邵新風(fēng)，張國成

（1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710016；2.陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限公司，陜西 寶雞 721599）

0 引言

礦井涌水量是指礦山開拓及開采過程中，單位時間內(nèi)涌入礦井（包括井、巷和開采系統(tǒng)）的水量［1］。它是確定礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)之一，關(guān)系到礦山的生產(chǎn)安全與成本，對礦井的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價有很大的影響；也是設(shè)計與開采部門選擇開采方案、開采方法，制訂防治疏干措施，設(shè)計水倉、排水系統(tǒng)與設(shè)備的主要依據(jù)。正確預(yù)計礦井涌水量至今仍是一項復(fù)雜和困難的工作，原因在于人們對復(fù)雜的自然條件（地質(zhì)、水文地質(zhì)條件）認(rèn)識有局限性、對開采活動引起地下水天然的動態(tài)變化認(rèn)識不足，地下水向井巷運動過程中，無論在空間上還是時間上均呈現(xiàn)出復(fù)雜的運動形式，且在計算方法上常將自然條件理想化和簡單化，因而影響計算結(jié)果的精度［2］。礦井涌水量預(yù)測方法多種多樣，國內(nèi)有學(xué)者對眾多計算方法進(jìn)行了分類：以滲流理論為基礎(chǔ)的方法（如解析法、數(shù)值法）；以統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的方法（如相關(guān)外推法、Q-S曲線外推法）；以水均衡理論為基礎(chǔ)的方法（如水均衡法、單項補(bǔ)給量計算法、綜合補(bǔ)給量計算法）；以相似比擬理論為基礎(chǔ)的方法（如水量比擬法、水文地質(zhì)參數(shù)比擬法）。目前礦井涌水量預(yù)測大體上可分為確定性分析法和不確定性分析法。確定性分析法包括水均衡法、解析法、數(shù)值法等，不確定性分析法包括水文地質(zhì)比擬法、回歸分析法、灰色系統(tǒng)等［3-4］。礦井水害直接制約著煤炭資源的開采，通過對煤礦涌水量及其相關(guān)問題的研究，加強(qiáng)煤礦的井下安全防范，減少生命財產(chǎn)的損失［5］。本次在充分分析園子溝煤礦水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，采用“大井法”“集水廊道法”和“比擬法”對礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測，并對礦區(qū)普遍存在的離層水突（涌）水量進(jìn)行了預(yù)測，提高了礦井涌水量預(yù)測的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 礦井概況

園子溝煤礦位于陜西省寶雞市麟游縣西北部，行政區(qū)劃屬酒房鄉(xiāng)、兩亭鎮(zhèn)、天堂鎮(zhèn)管轄。其范圍為：東經(jīng)107°23′45″～107°37′26″，北緯34°48′00″～34°57′45″，面積237.17 km2。礦區(qū)地層由老至新依次為：三疊系中統(tǒng)銅川組（T2t），侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f）、中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)宜君組（K1y）、洛河組（K1l）、華池組（K1h），新近系（N）及第四系中上更新統(tǒng)（Q2+3）、全新統(tǒng)（Q4）。園子溝煤礦位于兩亭背斜以北，屬彬長坳陷Ⅲ級構(gòu)造單元。礦區(qū)地表大面積為黃土層所覆蓋，溝谷中出露白堊系地層，產(chǎn)狀較為平緩，總體為一東南高、西北低的單斜構(gòu)造，走向NE，傾向NW，傾角小于5°。本區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，含煤4層，自下而上分別為3煤、3-1煤、2煤和2-1煤，其中2-1煤和2煤為大部可采煤層，3-1煤和3煤為局部可采煤層。2-1煤層厚度0～13.30 m，自然平均厚度2.28 m，可采平均厚度3.62 m；2煤厚度0～15.86 m，自然平均厚度6.42 m，可采平均厚度7.03 m；3-1煤厚度0～12.74 m，自然平均厚度0.74 m，可采平均厚度4.31 m；3煤厚度0～11.10 m，自然平均厚度1.90 m，可采平均厚度4.27 m。

2 礦井水文地質(zhì)特征

2.1 地表水

區(qū)內(nèi)地表水均屬涇河三級支流。常年流水的河流有酒房河、李家河、兩亭河、長益河、天堂河及庵川河，流量小，均小于0.1 m3/s。其它支流呈樹枝狀分布，均為季節(jié)性流水。主河道春冬季節(jié)流量小，夏秋季節(jié)流量大，洪水期為每年的7、8、9月。

2.2 含（隔）水層水文地質(zhì)特征

園子溝煤礦為新生界松散層覆蓋下的全隱蔽礦床，根據(jù)礦區(qū)地下水賦存條件、含水層時代及水力特征，將礦區(qū)含（隔）水層劃分為新生界松散層含（隔）水層（Q+N），白堊系宜君組、洛河組、華池組砂礫巖孔隙裂隙含水層（K1y、K1l、K1h），侏羅系安定組泥巖隔水層（J2a），侏羅系直羅組砂巖裂隙含水層（J2z），侏羅系延安組砂巖裂隙含水層（J2y），侏羅系富縣組泥巖隔水層（J1f）和三疊系銅川組砂巖裂隙含水層（T2t）。

新生界松散層含（隔）水層（Q+N）：①第四系全新統(tǒng)沖、洪積層孔隙潛水含水層呈條帶狀展布于酒房河、李家河、天堂河、小庵川、兩亭河及長益河河谷中，厚5～8 m。為河流階地、河漫沖積層及溝谷坡積堆積物，具典型的二元結(jié)構(gòu)特征，上部以沙質(zhì)粘土、粘土及粉沙為主，下部為含水的沙及沙卵礫石層。含水層為沙卵礫石，地下水位埋深為1.50～12.30 m，含水層厚度0.30～11.60 m。泉流量0.01～0.04 L/s。根據(jù)井筒檢查孔抽水試驗：單位涌水量0.502 5～0.761 L/s·m，平均0.631 8 L/s·m，滲透系數(shù)4.018 6～5.588 8 m/d，平均4.803 7 m/d，為富水性弱的含水層；②第四系中上更新統(tǒng)黃土孔隙、裂隙潛水含水層分布廣泛，谷地山坡均可見到，厚度因地而異，梁峁區(qū)厚5～10 m，殘塬區(qū)厚度可達(dá)150 m。主要由黃土、沙黃土、古土壤組成，底部有一層厚度變化較大的沙礫石層，屬孔隙-裂隙含水層。于溝谷地帶普遍出露，泉流量0.054～0.544 L/s，平均0.216 L/s。水位埋深3.0～6.0 m，含水層厚度0.6～2.0 m，平均厚度1.28 m，屬富水性弱的含水層；③新近系黏土隔水層于梁峁殘塬區(qū)廣泛出露。區(qū)內(nèi)無完整剖面，最大厚度80 m，平均35 m。上部為淺棕紅色、棕紅色粘土、亞粘土，致密，團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)，并為Fe、Mn質(zhì)所浸染，富含零散鈣質(zhì)結(jié)核，下部為棕紅色粘土，鈣質(zhì)成分高，并含有數(shù)層鈣質(zhì)結(jié)核層?？傮w而言，本層段巖性穩(wěn)定，隔水性強(qiáng)，為礦區(qū)松散巖類與基巖含水層之間穩(wěn)定隔水層；④新近系砂卵礫含水層斷續(xù)分布于紅土層底部，于溝谷中零星出露，一般厚度為3～5 m。巖性以淺棕色-淺灰褐色半固結(jié)中粗碎屑堆積物為主。含水層厚度為1.80～3.00 m，平均為2.23 m；水位埋深17.00～18.60 m，泉流量小于0.1 L/s，屬富水性弱的含水層。

白堊系宜君組、洛河組、華池組砂礫巖含水層（K1y、K1l、K1h）：①白堊系下統(tǒng)華池組砂巖裂隙含水層出露于酒房河、李家河、兩亭河及其支流溝谷，鉆探揭露地層厚度31.85～415.70 m，平均174.83 m。巖性以紫紅色、灰紫色、灰綠色泥巖為主，夾砂質(zhì)泥巖及粉-細(xì)砂巖薄層。砂巖夾層在裂隙發(fā)育地段可形成局部含水層段，泉流量0.014～0.170 L/s，平均0.057 L/s。水位埋深1.20～20 m，含水層厚度1.00～143 m，一般厚度7.90 m，屬富水性弱含水層；②白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙、裂隙含水層于酒房河、李家河及兩亭河等較大河谷中出露。由各粒級砂巖、砂礫層組成，含水層厚度61～686.20 m，其中礦井西北及西南部厚度一般大于350 m，中部250～350 m，東部厚度一般小于200 m。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗資料：單位涌水量0.070 6～0.263 3 L/s·m，平均0.133 1 L/s·m，滲透系數(shù)0.017 5～0.224 8 m/d，平均0.092 3 m/d，屬富水性不均一的弱-中等含水層；③白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層零星出露于小庵川，巖性為紫雜色塊狀礫巖，礫石成分以石英、燧石為主，礫徑3～7 cm。礫石多為渾圓狀，砂泥質(zhì)充填，鈣鐵質(zhì)膠結(jié)，含水層厚度8.25～179.95 m，其中礦井西南部厚度一般大于50 m，東北部厚度40～70 m，中部厚度一般30 m左右，局部僅為8.25 m。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗資料：單位涌水量0.001 0 L/s·m，滲透系數(shù)0.002 3 m/d，屬富水性弱含水層。

侏羅系安定組泥巖隔水層（J2a）：區(qū)內(nèi)無出露，巖性以棕色、紫紅色、灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾中粗粒砂巖，底部有一層厚度較大的淺紫色砂礫巖，其底部砂巖含水甚微，故視為煤系地層與上覆白堊系地層之間的穩(wěn)定隔水層。

侏羅系直羅組砂巖裂隙含水層（J2z）：區(qū)內(nèi)無出露。上部為灰綠色、暗紅色、紫灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與中細(xì)粒砂巖互層，下部為灰綠色中粗粒砂巖與砂質(zhì)泥巖、粉砂巖互層，底部有一層灰白色含礫中粗粒砂巖。礦區(qū)北部及西南部厚度一般大于60 m，局部地段可達(dá)92.37 m，中部厚度一般40～80 m，局部地段不足20 m，其余地段厚度小于40 m。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗資料：單位涌水量0.000 5～0.000 9 L/s·m，平均0.000 7 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 2～0.006 4 m/d，平均0.002 3 m/d，屬富水性弱的含水層。

侏羅系延安組砂巖裂隙含水層（J2y）：區(qū)內(nèi)無出露。含水層為煤層及其頂板砂巖、砂礫巖。礦井的中部、東部及北部局部地段含水層厚度20～40 m，東南部厚度不足10 m，西南部很薄、部分地段缺失。據(jù)鉆孔抽水試驗資料：單位涌水量0.000 2～0.001 5 L/s·m，平均0.001 0 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 4～0.005 0 m/d，平均0.002 6 m/d，屬富水性弱的含水層。

侏羅系富縣組泥巖隔水層（J1f）：地表未出露。發(fā)育不穩(wěn)定，鉆探揭露地層厚度0～22.50 m，平均9.25 m。巖性多為紫雜色花斑狀鋁土質(zhì)泥巖，夾有角礫薄層，局部地段為褐灰色含鈣質(zhì)泥巖，是良好的隔水層。

三疊系銅川組砂巖裂隙含水層（T2t）：地表未出露，鉆孔亦未揭穿，鉆探揭露最大厚度49.15 m，未見底。巖性為灰-深灰色泥巖與淺灰白色中細(xì)粒砂巖互層，夾灰綠色中-粗粒砂巖，據(jù)區(qū)域資料為富水性弱的含水層。

2.3 地下水補(bǔ)給、徑流及排泄條件

礦區(qū)地下水因所處地形、含水層巖性等水文地質(zhì)條件的差異，其補(bǔ)給、徑流及排泄條件明顯有別。

松散層類孔隙潛水，以大氣降水補(bǔ)給為主，局部地段接受下伏基巖含水層側(cè)向補(bǔ)給，并與地表水系有互補(bǔ)關(guān)系（洪水期河水補(bǔ)給地下水，枯水期地下水補(bǔ)給河水）。地下水流向受地形控制，一般由分水嶺地段向河谷區(qū)運移，最終向河流排泄，流出區(qū)外?；鶐r孔隙、裂隙水一般以區(qū)域側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，大氣降水補(bǔ)給次之。地下水徑流方向受地質(zhì)構(gòu)造及地形控制，具多向性。侵蝕基準(zhǔn)面以上地下水一般由地勢較高的分水嶺地帶向溝谷方向運移，以泉的形式排泄；深層地下水受區(qū)域地下水系統(tǒng)動力場控制，總體呈由南西向北東緩慢運移流向區(qū)外。

3 礦井涌水量影響因素分析

3.1 礦井充水水源分析

礦井充水水源有大氣降水、地表水、地下水、老窯積水，這些水源都直接或間接地影響著礦井充水。

大氣降水：據(jù)麟游縣氣象局提供的資料，礦井多年平均降水量651 mm。年降水主要集中于7、8、9月，歷年4～10月總降雨量占全年降水量的81.1%～97.0%。降水多以地表徑流形式匯入河谷，流向區(qū)外，加之礦井直接充水含水層埋藏較深，間接含水層出露于谷坡局部地段，且多呈陡坎而不利于降水滲入補(bǔ)給。因此，大氣降水對未來礦坑充水影響不大，鄰區(qū)生產(chǎn)礦井排水量不隨季節(jié)變化即為佐證。

地表水：煤礦地表水屬涇河三級支流，自南向北流入一、二級支流黑河及達(dá)溪河，最終匯入涇河，流量0.012～0.060 m3/s。河流切割深度僅達(dá)白堊系，根據(jù)礦井導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算分析，煤層回采形成的導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通至白堊系宜君組下部，而宜君組地層在小庵川溝谷中零星出露，故在此區(qū)域地表水可能對礦井充水造成影響。

地下水：在煤礦井巷開拓過程中，礦井直接充水含水層為侏羅系延安組、直羅組砂巖裂隙含水層，其富水性弱，裂隙不甚發(fā)育，充水方式為頂板進(jìn)水型。礦井主要含水層為白堊系洛河組砂礫含水層，其水量大，富水性弱-中等，隨著煤層回采，白堊系宜君組底部與侏羅系安定組上部的離層空間逐步形成，白堊系砂礫巖水會滲透匯集在離層中形成離層水，隨著工作面的進(jìn)一步回采，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度不斷增加，最終導(dǎo)通至離層空間，離層水會通過導(dǎo)水裂隙帶涌入礦井，釀成突水事故。礦井內(nèi)及周邊未發(fā)現(xiàn)老窯，不存在老窯積水。

3.2 充水通道分析

礦井充水通道主要有導(dǎo)水裂隙帶、斷層和封閉不良鉆孔。

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分析：煤礦采空區(qū)上覆巖層在采后將會發(fā)生較為復(fù)雜的移動和變形［6］。根據(jù)采后巖體的破壞程度，可將覆巖層自垂直方向大致分成3個區(qū)域，即冒落帶（垮落帶）、斷裂帶（裂隙帶）和彎曲下沉帶，如圖1所示。冒落帶和斷裂帶合起來稱為導(dǎo)水裂隙帶，也稱為“兩帶”，若兩帶發(fā)育高度涉及上覆含水層，會使頂板水潰入井下，嚴(yán)重威脅煤礦安全［7］。因此，準(zhǔn)確預(yù)測兩帶發(fā)育高度對礦井安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

圖1 煤層開采后上覆巖層“三帶”分布

參考理論公式計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度：采區(qū)煤層頂板巖性主要為中細(xì)粒砂巖、泥巖，抗壓強(qiáng)度為29～78 MPa，屬中硬巖類。根據(jù)《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標(biāo)準(zhǔn)》（MT/T 1091—2008）和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》（2017）中給出的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算公式如下

式中：Hli—導(dǎo)水裂隙帶高度，m；∑M—累計采高，m；n—煤分層層數(shù)。

園子溝煤礦1012001工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，平均綜采高度10.37 m，根據(jù)公式（1）計算導(dǎo)水裂隙帶高度為45.76～56.96 m，根據(jù)公式（2）計算導(dǎo)水裂隙帶高度為151.16 m。

參考鄰近煤礦裂采比計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度：臨近郭家河煤礦、崔木煤礦為生產(chǎn)礦井，與園子溝煤礦同屬黃隴侏羅紀(jì)煤田永隴礦區(qū)，煤層開采高度、開采深度與開采方式接近，可作為相似礦井進(jìn)行比擬。郭家河煤礦1305工作面綜采高度14.8 m，裂采比為11.08倍［7］；崔木煤礦開采工作面平均采厚10.8 m，裂采比取實測平均值為21.49倍［8］。為準(zhǔn)確研究裂采比與采高關(guān)系，通過郭家河煤礦和崔木煤礦煤層實際采高及對應(yīng)的裂采比數(shù)據(jù)擬合，如圖2所示，可知裂采比與煤層采高呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

圖2 裂采比與采高擬合曲線

由圖2可知，裂采比K隨著煤層采高M(jìn)增大而逐步減小，其擬合曲線表現(xiàn)為一次線性關(guān)系，因此裂采比與采高的關(guān)系式如下

園子溝煤礦1012001工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，平均綜采高度10.37 m，根據(jù)公式（3）計算裂采比為22.61，由此計算導(dǎo)水裂隙帶最大高度為234.47 m。

導(dǎo)水裂隙帶計算結(jié)果分析：通過理論公式和參考周圍煤礦實際生產(chǎn)過程中觀測的裂采比數(shù)據(jù)分別計算了開采2煤形成的導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，見表1。理論公式是在特定條件下總結(jié)出來的，對目前礦井采用的綜采放頂煤開采技術(shù)也大大適用，故采用周圍煤礦的裂采比數(shù)據(jù)，即導(dǎo)水裂隙帶最大高度為234.47 m。

表1 1012001工作面導(dǎo)水裂隙帶高度計算統(tǒng)計表

根據(jù)表1可知，在1012001工作面中西部區(qū)域（包含鉆孔K14-3、2-3、1-2）導(dǎo)水裂隙帶未導(dǎo)通至白堊系地層；在工作面東部區(qū)域（包括鉆孔Z15-3、Z18-5）導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通至白堊系宜君組地層，但尚未導(dǎo)通至白堊系洛河組地層。據(jù)此判斷，在工作面回采至東部區(qū)域時導(dǎo)水裂隙帶將會導(dǎo)通至白堊系宜君組含水層，故侏羅系延安組、直羅組含水層和白堊系宜君組含水層為礦井直接充水含水層，充水方式為頂板進(jìn)水。

斷層：礦井在開拓過程中共遇到9個小斷層，均為落差不超過9 m的正斷層，都不導(dǎo)水，其原因為巷道開拓形成的圍巖松動圈范圍小，未來隨著煤層回采，松動圈范圍增大，不導(dǎo)水?dāng)鄬涌赡軙患せ疃袑?dǎo)水的可能。根據(jù)地質(zhì)勘探和三維地震資料，1012001工作面有1個斷層DF12，為落差不超過5 m的正斷層。采場小斷層對導(dǎo)水裂隙帶高度的影響規(guī)律為：采區(qū)工作面由下盤向上盤推進(jìn)至正斷層附近時，下盤巖塊回轉(zhuǎn)導(dǎo)致煤壁前上方的斷層面擠壓閉合，煤壁后上方的斷層面則處于張開狀態(tài)，隨工作面推進(jìn)，斷層面經(jīng)歷張開→閉合→張開→閉合的過程，斷層面導(dǎo)水裂隙高度比上、下盤豎向采動導(dǎo)水裂隙高度分別增大40%和61%，即斷層導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度增大［9］。斷層不僅是導(dǎo)水通道，還會導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度增大，因此在巷道開拓或工作面回采時遇到斷層要做好應(yīng)對措施。

封閉不良鉆孔：封閉不良鉆孔是人為的點狀垂向?qū)ǖ?，隱蔽性強(qiáng)，垂向?qū)〞?，而且往往溝通上下多個含水層，一旦發(fā)生導(dǎo)水突水事故，不僅初期水量大，而且有比較穩(wěn)定的補(bǔ)給水量。園子溝煤礦1012001工作面西側(cè)有鉆孔3-3，該鉆孔在深度482.60～745.07 m之間遺留有鉆具，可能會導(dǎo)致鉆孔封閉不良，是潛在的導(dǎo)水通道，在礦井生產(chǎn)中要引起注意。

4 礦井涌水量預(yù)測

根據(jù)開采規(guī)劃，園子溝煤礦首先開采1012001工作面，開采2煤，故預(yù)測首采區(qū)1012001工作面涌水量。涌水量計算方法選擇“大井法”“集水廊道法”和“水文地質(zhì)比擬法”。

含水層厚度采用首采區(qū)內(nèi)各水文孔揭露的含水層厚度算術(shù)平均值；滲透系數(shù)采用相應(yīng)含水層段的平均值，水位降深為首采區(qū)內(nèi)水文孔相應(yīng)含水層水柱高度的平均值。根據(jù)臨近郭家河煤礦實際經(jīng)驗，其平均涌水量為110 m3/h，最大涌水量145 m3/h，即最大涌水量為正常涌水量的1.3倍。

4.1 大井法預(yù)測礦井涌水量

1012001工作面回采期間，直接充水含水層為延安組和直羅組砂巖裂隙含水層，通過導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分析得出回采期間導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通至白堊系宜君組含水層，因此大井法預(yù)測工作面涌水量主要考慮充水來源為侏羅系延安組、直羅組含水層和白堊系宜君組含水層。隨著礦坑水的疏排，承壓水頭降至含水層頂面以下，表現(xiàn)為承壓轉(zhuǎn)無壓，故選用承壓轉(zhuǎn)無壓公式如下

式中：Q—礦井涌水量，m3/d；H—疏降水頭高度，m；K—滲透系數(shù)，m/d；M—含水層厚度，m；S—水位降深，m；R—影響半徑，m；r0為預(yù)測區(qū)折算半徑，m，1012001工作面呈長方形狀，因此r0=R0—引用影響半徑，m，R0=R+r0。

1012001工作面走向長度1 470 m，寬度200 m，因此b/a的值為0.136，介于0～0.2之間，因此η取值1.08，r0=451 m。1012001工作面涌水量及礦井涌水量計算結(jié)果，見表2。

表2 大井法計算1012001工作面涌水量結(jié)果

4.2 集水廊道法計算礦井涌水量

1012001工作面開采邊界為集水廊道進(jìn)水?dāng)嗝?，?dāng)水位降至隔水頂板以下時，充水含水層由承壓轉(zhuǎn)為無壓，故選用承壓轉(zhuǎn)無壓公式如下

式中：R—影響半徑，m；B—集水廊道邊幫總長，m。礦井涌水量計算結(jié)果，見表3。

表3 集水廊道法計算1012001工作面涌水量結(jié)果

4.3 水文地質(zhì)比擬法計算礦井涌水量

郭家河煤礦與園子溝相鄰，煤層上覆含（隔）水層及其特征基本一致，主采煤層距離白堊系底部距離相近，即水文地質(zhì)條件基本一致，二者均采用綜采放頂煤開采工藝，運用水文地質(zhì)比擬法中的富水系數(shù)法計算礦井涌水量，公式如下

式中：Q—礦井涌水量，m3/h；KB—富水系數(shù)，m3/t；P—擬建礦井產(chǎn)量，t/h。

郭家河煤礦2011—2016年原煤產(chǎn)量為257.7～500 t/a，礦井涌水量2 880～2 640 m3/d，富水系數(shù)0.336～0.193，平均富水系數(shù)0.240。園子溝煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力6.0 Mt/a，計算得出礦井正常涌水量164 m3/h，最大涌水量為214 m3/h。

4.4 計算結(jié)果評價

運用大井法、集水廊道法和水文地質(zhì)比擬法對礦井涌水量分別進(jìn)行了計算，結(jié)果相差較大。大井法和集水廊道法計算結(jié)果偏小；水文地質(zhì)比擬法是在充分考慮了礦井開采方式、開采強(qiáng)度和礦井涌水量變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)水文地質(zhì)條件相似的相鄰礦井生產(chǎn)實際情況并結(jié)合煤礦自身水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上計算礦井涌水量，比較符合實際，結(jié)果較為可靠。即礦井正常涌水量為164 m3/h，最大涌水量為214 m3/h。

5 離層水突（涌）水量預(yù)測

所謂離層是工作面開采過程中頂板特有的下沉開裂現(xiàn)象，并伴隨工作面開采全過程，即在煤層開采后，上覆巖層下沉過程中，上、下層狀巖層撓曲不同步形成的離層空間。離層空間中積存的地下水即為離層水［10］。關(guān)鍵層理論［11］認(rèn)為覆巖離層主要出現(xiàn)在各關(guān)鍵層下，覆巖離層最大發(fā)育高度止于覆巖主關(guān)鍵層。高延法［12］則將采后覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分為“四帶”，分別為破裂帶、離層帶、彎曲帶和松散層帶，即在原“三帶”模型基礎(chǔ)上將破裂帶之上彎曲帶底部的巖層重新劃為離層帶。

5.1 離層水突（涌）機(jī)理分析

在煤層回采過程中，由于泥巖層抗張強(qiáng)度較大，彎曲下沉量大，而其上的砂巖含水層只發(fā)生微弱的下沉，從而在砂巖和泥巖之間形成離層儲水空間；頂板含水層中的水滲流并聚集在該空間中；之后，隨著工作面進(jìn)一步回采，頂板泥巖隔水層在自身重力、礦壓和水體劈裂作用下持續(xù)變形下沉，直至位移達(dá)到極限，進(jìn)而發(fā)生破裂，使得離層空間中的水體瞬間突出，之后逐漸減?。浑S著離層儲水空間中水量的減小，其裂隙空間逐漸縮小直至愈合，隨著工作面的繼續(xù)回采，離層空間位置前移，繼而再次形成封閉的離層儲水空間，重復(fù)之前過程，泥巖破裂位置前移導(dǎo)致周期性突水。離層水涌突機(jī)理如圖3，圖4所示。

圖3 離層水形成示意圖

5.2 離層水突（涌）水量預(yù)測

離層空間被積水充滿時，離層水的體積即為離層空間的總體積。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和淮南礦區(qū)對離層裂隙發(fā)育情況監(jiān)測資料整理分析，發(fā)現(xiàn)離層空間體積V與煤層回采體積Ve呈正比例關(guān)系［13-15］，即

圖4 離層水突（涌）水示意圖

式中：γ—比例系數(shù)，根據(jù)鄰區(qū)崔木煤礦統(tǒng)計資料，可取1.8%。園子溝煤礦1012001工作面走向長度1 470 m，寬200 m，平均綜采高度10.37 m，煤層開采體積3 048 780 m3，帶入式（8）得出離層水體積54 878 m3。即1012001工作面如發(fā)生離層水突（涌）水事故，累計最大出水量為54 878 m3。

鄰近的郭家河煤礦與本井田水文地質(zhì)條件基本一致，其1303工作面走向長1 520 m，傾向?qū)?35 m，平均綜采高度14 m，于2012年8月24日工作面推進(jìn)至570 m處時發(fā)生突水事故，突水期間的正常涌水量為1 340 m3/h，最大涌水量為2 300 m3/h，累計出水量為28 900 m3，后經(jīng)事故調(diào)查組調(diào)查，為離層水突水事故。園子溝煤礦1012001工作面走向長度1 470 m，寬200 m，平均采高10.37 m，較郭家河煤礦1303工作面煤層走向長度、寬度及采高均較小，出于安全考慮，預(yù)測1012001工作面回采期間突（涌）水量與郭家河煤礦1303工作面的突（涌）水量一致，即正常涌水量1 340 m3/h，最大涌水量2 300 m3/h。

6 結(jié)論

（1）運用大井法、集水廊道法和水文地質(zhì)比擬法計算了礦井涌水量，發(fā)現(xiàn)大井法和集水廊道法計算結(jié)果偏小，水文地質(zhì)比擬法是根據(jù)相鄰礦井生產(chǎn)情況并結(jié)合自身水文地質(zhì)條件預(yù)測涌水量，較為符合實際。故預(yù)測礦井正常涌水量164 m3/h，最大涌水量為214 m3/h。

（2）分析了離層水突水機(jī)理，預(yù)測了1012001工作面如發(fā)生離層水突水事故，正常涌水量1 340 m3/h，最大涌水量2 300 m3/h，累計最大出水量為54 878 m3。