基于產流-匯流-滲流充水模式的黃土梁峁區(qū)過溝開采涌水量預測

李濤，高穎，郭亮亮，馮海

(1.六盤水師范學院 礦業(yè)與土木工程學院，貴州 六盤水 553004；2.礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710065；3.西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西 西安 710065;4.陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西 榆林 719000；5.陜西煤業(yè)化工技術研究院，陜西 西安710065)

0 引 言

我國黃土覆蓋區(qū)煤炭資源豐富，其中晉、陜、寧、蒙等省(自治區(qū))更是我國目前最主要的產煤基地[1-3]。黃土覆蓋區(qū)年降雨量多在400 mm以上，主要集中在雨季以暴雨形式降落。由于黃土梁峁區(qū)溝壑縱橫，在雨季該區(qū)淺埋煤層過溝開采時有突水潰沙的危險[4-6]。因此，開展黃土梁峁區(qū)過溝開采工作面涌水量預測研究意義重大。

目前，國內對過溝開采的研究較多，如蔣澤泉等[1]、楊俊鵬等[2]、王啟慶[3]對煤炭開采上覆巖土層破壞規(guī)律進行了研究；方剛等[4]、李建文[5]、于杰凱等[6]、于云飛等[7]、王振榮[8]通過超前探放水、采動裂隙充填、地表水系攔截、煤炭限高開采、注漿封堵、調整采礦參數(shù)以及綜合方法研究了過溝開采水害防治技術，但在過溝開采采煤工作面涌水量預測方面的研究還以傳統(tǒng)的“大井法”、“比擬法”為主[9-12]。實踐表明，這些方法由于各種原因，很難準確預測采煤工作面涌水量，這不利于井下排水系統(tǒng)設置。

本文在分析黃土梁峁區(qū)過溝開采充水模式的基礎上，建立過溝開采工作面涌水量預測模型，并通過實踐檢驗模型的合理性，以期為相似采礦地質條件安全過溝開采提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)過溝開采

以陜北神南礦區(qū)張家峁煤礦為研究區(qū)，該礦開采的區(qū)域屬于黃土覆蓋區(qū)域，且以梁峁地形為主，受地表溝道洪水影響嚴重，地質概況如下。

(1)溝道概況。研究區(qū)地形支離破碎，坎陡溝深，梁峁相間，地表侵蝕強烈。黃土覆蓋厚度一般為50～100 m，溝肩至溝底落差一般約20 m，最大達50 m。該類地形對大氣降水的匯集作用顯著，研究區(qū)的17個主要溝道調查結果如表1所示。由表1可見，研究區(qū)溝道匯水面積大、延伸范圍廣、溝道比降較大。

表1 研究區(qū)主要溝道調查結果

(2)氣象概況。研究區(qū)多年平均降雨量為434.1 mm，年最大降雨量553.1 mm，日最大降雨量141.1 mm，降雨主要集中在6—9月，多年平均蒸發(fā)量為1 712.0 mm?？梢姾导具^溝開采一般無水害。但在雨季溝道匯水量巨大，對工作面威脅不容忽視。因此，研究區(qū)多在旱季推過溝道，并在溝道底部進行地表裂縫充填。需要預測的涌水量是地裂縫處理后的雨季涌水量。

(3)采煤概況。研究區(qū)主要開采的煤層有7層，其中正在開采的5-2煤層采厚5～6 m，其上覆基巖厚度50～110 m。依據(jù)研究區(qū)大量導水裂隙帶發(fā)育高度實測結果(裂采比約27)，研究區(qū)采煤必然導致裂縫發(fā)育至地表，且主要表現(xiàn)為臺階性切落，有突水潰沙的危險。

1.2 過溝開采充水模式

1.2.1 傳統(tǒng)過溝開采充水模式存在的問題

傳統(tǒng)過溝開采溝道洪水的充水模式很簡單，是在最大降水強度條件下溝道所有匯水面積內的降水全部涌入采煤工作面。這種模式存在問題：

(1)最大降水量是用于預測最大洪水量的參數(shù)，而正常洪水量的預測需要正常降水量。

(2)黃土地區(qū)降水全部轉化為地表徑流是不準確的。黃土包氣帶有一定的儲水能力，在降雨的時候會吸收一定的降水，減少一定地表產流。

(3)地表徑流全部通過裂隙進入采煤工作面也是與實際不符的，野外調查研究發(fā)現(xiàn)，溝谷采動地表裂隙在填埋處理之后，地表水不會全部滲入采煤工作面。

(4)過溝道的采煤工作面存在多個，上游的采煤工作面對溝道洪水有攔截作用，即采煤工作面的匯水面積參數(shù)選取往往偏大。

1.2.2 產流-匯流-滲流充水模式

依據(jù)研究區(qū)采礦地質條件，繪制圖1所示的過溝開采充水模式，即產流-匯流-滲流模式。

圖1 黃土梁峁區(qū)過溝開采充水模式示意圖

(1)產流階段。如圖1右邊A-B線剖面圖，大氣降水產生的水一小部分在黃土梁峁地區(qū)入滲(研究區(qū)雨季產流方式主要是超滲產流，所以入滲量較小)，另一部分產生地表徑流。

(2)匯流階段。如圖1左邊平面圖，降水產生的地表徑流由溝道上游匯集成溝道洪流。由于上游先開采的工作面(圖1中采煤工作面1)對下游采煤工作面(圖1中采煤工作面2)有攔截作用。匯集的流量應減去上游采煤工作面(圖1中采煤工作面1)的涌入量。

(3)滲流階段。如圖1右邊A-B線剖面圖，采煤工作面一般在旱季通過溝道，并對溝道的裂縫進行一定厚度的土層充填。匯集到河道的洪流，通過一定厚度的人工填土層進入采煤工作面。

2 過溝開采工作面涌水量預測

據(jù)上述研究區(qū)過溝開采工作面產流-匯流-滲流充水模式，采煤工作面涌水量預測方法如下。

2.1 產流階段模型

依據(jù)地表徑流系數(shù)，可以計算出正常降水量的地表徑流強度和最大降水量的地表徑流強度，如式(1)和(2)所示。

h=ah1，

(1)

hmax=ahmax′，

(2)

式中：h為正常降水量的地表徑流強度，m/h；a為地表徑流系數(shù)，為—常數(shù)項，研究區(qū)取0.7～0.8；h1為正常降水強度，研究區(qū)一般為10～30 mm；hmax為最大降水量的地表徑流強度，m/h；hmax′為最大降水強度，研究區(qū)取4.17×10-3m/h。

正常涌水量和最大涌水量主要在降雨強度上存在差異，因此,后面兩個階段僅以正常涌水量為例推導。

2.2 匯流階段模型

產流階段獲取了研究區(qū)正常降雨量的地表徑流強度，任一溝道正常降雨量下的匯流量，可以由式(3)計算獲得，即

Q=hF-∑Q′，

(3)

式中：Q為溝道匯流總量，m3/h；F為采煤工作面與溝道交叉處上游的匯水面積，m2； ∑Q′為上游其他采煤工作面的洪水涌入量之和，m3/h。

2.3 滲流階段模型

依據(jù)達西定律，在工作面開采通過溝道且溝道地表處理裂縫后，通過溝道滲入采煤工作面的洪水量計算式為

Q′=kAΔH/N，

(4)

式中：Q′為涌入采煤工作面的涌水量；k為采動后溝道人工填土的滲透系數(shù)，采用雙環(huán)注水試驗獲取(由于人工填土的厚度有限，大量雙環(huán)注水試驗顯示，人工填土層滲流快，很快由非飽和土滲流變?yōu)轱柡屯翝B流，因此，這里采用飽和土的滲透系數(shù)計算采煤工作面涌水量)；A為工作面與溝道的交叉區(qū)域面積；ΔH為溝道洪水位與人工填土厚度的疊加，即ΔH=N+H，洪水位H采用式(5)計算，N為溝道人工填土的厚度。

(5)

式中：L為溝道的過水寬度，m；d為溝道摩擦折減系數(shù)，無量綱；g為重力加速度，m/s2；B為溝道從源頭到采煤工作面區(qū)域的長度，m；b為溝道的比降，無量綱。

將式(3)和(5)帶入式(4)，則黃土梁峁區(qū)溝道洪水量預測公式為

(6)

3 工程實踐

3.1 工程概況

如圖2所示，研究區(qū)N15201綜采工作面位于一盤區(qū)的東北部。該采煤工作面開采的5-2煤層整體賦存較穩(wěn)定，埋藏深度51.5～164.8 m。煤層傾角1°～3°，厚度變化幅度相對較小，在5.0～6.2 m，平均厚度5.6 m。

圖2 工作面過溝開采工程示意圖

N15201地表植被稀疏，有種植的農作物，部分區(qū)域栽植有人工林。該工作面所屬地貌為典型的陜北黃土高原地貌，梁、峁發(fā)育(圖3)。在工作面中東部有一條溝(南溝)，旱季該溝處于干涸狀態(tài)，雨季則有溝道洪水通過，且南溝上游無其他已經開采的工作面。在旱季N15201綜采工作面通過了南溝，并在溝底地表裂縫處人工充填了2 m厚的黃土層。南溝對N15201采煤工作面的匯水面積為819 502 m2，正常降雨量按5.83×10-4m/h計，最大降雨量按3.33×10-3m/h計。雙環(huán)注水試驗顯示，該溝人工填土的滲透系數(shù)為1.68×10-4cm/s，溝道徑流寬度為10 m。采煤工作面與溝道的疊加面積約為4 500 m2。

圖3 研究區(qū)黃土梁峁區(qū)地形

3.2 結果與分析

將上述各參數(shù)帶入式(6)，對該工作面的正常涌水量和最大涌水量進行計算。通過計算，預測該工作面的正常涌水量為70.2 m3/h，最大涌水量為272.7 m3/h。工作面過溝后的第一個雨季降水量屬于正常降水量范圍，在雨季觀測到的工作面涌水量約為68 m3/h。本次預測結果與實際觀測結果相吻合，誤差率僅為3.2%。

需要指出的是，預測結果與實際相吻合主要采取了以下兩個關鍵措施。

(1)加強采煤裂縫的人工充填。由采動溝道雨季涌入工作面水量的預測模型可以看出，一旦貫通性裂隙存在，溝道產流和匯流的所有水量會全部或幾乎全部涌入采煤工作面。此時采煤工作面涌水量會大幅提高，因此，必須對地表裂縫進行充分處理。另外，通過預測式可以看出，人工回填土層的厚度N越大，采煤工作面的涌水量越小。另外，人工回填土體的滲透系數(shù)k也決定了采煤工作面的涌水量。綜上，采用隔水性好的土層進行大厚度回填，是有效降低采煤工作面涌水量的一個有效途徑。

(2)加強溝道邊坡治理。黃土梁峁區(qū)煤炭開采后地表邊坡常常不穩(wěn)定(圖4)，若不治理，在雨季或其他工程擾動時會誘發(fā)邊坡失穩(wěn)，進而堵塞溝道。依據(jù)預測式可以看出，若溝道所有的產流-匯流的水量全部涌入采煤工作面，張家峁N15201綜采工作面的正常涌水量(正常降雨強度)將達到477.77 m3/h，是式(6)預測結果(70.2 m3/h)的6.81倍。按照預測涌水量設計的井下排水能力將嚴重不足，必然造成采煤工作面水災。因此，采動區(qū)的邊坡需要充分治理，防治堰塞溝道。

圖4 采動后不穩(wěn)定的黃土邊坡

綜上，N15201采煤工作面常備100 m3/h的排水能力，應急300 m3/h的排水能力，并有極端涌水量的應急預案。采用這樣排水設計，工作面順利完成了回采。

4 結 論

(1)依據(jù)研究區(qū)過溝采煤充水模式提出的產流-匯流-滲流計算模型，可較好預測采煤工作面的溝道雨季涌水量，工程應用誤差率僅為3.2%。

(2)過溝開采工作面涌水量預測模型使采煤地裂縫得到了充分回填，且溝道邊坡得到了充分治理。不滿足假定條件時，采煤工作面涌水量的預測則大幅失準，實際涌水量甚至達到預測值的6.81倍。