礦井首采工作面水文地質(zhì)條件分析及涌水量預(yù)測(cè)

摘 要：為了降低涌水對(duì)煤炭開采影響，針對(duì)3101首采工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜問(wèn)題，在對(duì)該采面水文地質(zhì)資料分析基礎(chǔ)上，采用理論法確定采面開采后導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度，并通過(guò)動(dòng)靜儲(chǔ)量法預(yù)測(cè)采面推進(jìn)不同距離時(shí)正常涌水量、最大涌水量，后將預(yù)測(cè)值與實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果表明預(yù)測(cè)到的最大涌水量與實(shí)際涌水量誤差小于10%，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度較高。

關(guān)鍵詞：首采工作面;礦井涌水;含水層;導(dǎo)水裂隙;涌水量

1 工程概況

某礦主采煤層為3、8、11號(hào)三層煤，其中主采3號(hào)煤層的3101綜采工作面為該礦首采工作面。該采面，北側(cè)為采區(qū)、南側(cè)、東側(cè)、分別為礦井邊界、3煤集中運(yùn)輸巷、采區(qū)邊界及采面運(yùn)輸巷。3101采面設(shè)計(jì)走向推進(jìn)長(zhǎng)度2850m、斜長(zhǎng)260m，采高平均5.70m。礦井前期地質(zhì)勘探資料表明3號(hào)煤層開采時(shí)涌水水源煤層底板中粗砂巖裂隙水承壓含水層，水頭壓力達(dá)到6MPa，具有較強(qiáng)富水性。施工的探放水鉆孔涌水量達(dá)到63m3/h。在3號(hào)煤層布置的回采巷道以及回采工作面容易受到含水層涌水影響，從而使得井下布置的排水系統(tǒng)遭受顯著沖擊，給煤炭正常開采帶來(lái)不利影響。

2 3101采面水文地質(zhì)條件分析

2.1 含水層、隔水層特征

①本井田開采過(guò)程中上覆第四系松散層潛水孔隙含水層、志丹群（K1zh）孔隙水含水層是煤炭開采過(guò)程中的主要供水水源。該孔隙水含水層富水性中等，厚度136.7～193.6m，滲透系數(shù)0.123～0.378m/d，單位涌水量0.2126～0.6236L/（m·s）;②侏羅系中統(tǒng)碎屑巖承壓含水層巖性以中粗砂巖為主，夾雜有砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，該承壓含水層在井田范圍內(nèi)分布廣泛。含水層富水性中等、厚度20.98～69.23m、滲透系數(shù)0.003695～0.07653m/d，單位涌水量介于0.0312～0.05968L/（m·s）;③侏羅系中下統(tǒng)裂隙含水層巖性為粒級(jí)砂巖、砂質(zhì)泥巖等。該含水層厚度在44.32～119.97m，富水性中等、滲透系數(shù)0.00432～0.0815m/d、單位涌水量介于0.0312～0.05968L/（m·s）;④侏羅系下統(tǒng)存在一層分布穩(wěn)定隔水層，巖性以致密的粉砂巖、泥巖為主，厚度介于22.56～24.98m，在井田范圍內(nèi)分布較為均衡，隔水性能優(yōu)越。

2.2 導(dǎo)水通道

3號(hào)煤層回采巷道以及掘進(jìn)工作面開采時(shí)主導(dǎo)的導(dǎo)水通道為頂板冒落帶及裂隙帶，具體3號(hào)煤層開采后的頂板裂隙帶發(fā)育高度可通過(guò)下式計(jì)算：

其中：Hli為3號(hào)煤層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度（m）;M為3號(hào)煤層開采厚度，取值5.70m。

經(jīng)過(guò)計(jì)算求得Hli=124.0m。

通過(guò)對(duì)3101綜采工作面水位地質(zhì)條件分析得知，3號(hào)煤層上覆延安組砂巖裂隙含水層厚度分布介于13.68～44.29m，與3號(hào)煤層頂板間距在1.3～8.93m;2號(hào)煤層頂板含水層（厚度介于5.36～91.23m）與3號(hào)煤層頂板間距78.96～99.12m;侏羅系中下統(tǒng)碎屑巖裂隙含水層與3號(hào)煤層頂板間距最小為129.6m，同時(shí)該含水層上覆存在有一層隔水效果明顯的泥巖、砂質(zhì)泥巖隔水層。

3 采面涌水量計(jì)算

在3號(hào)煤層回采過(guò)程中采面涌水量直接決定井下排水系統(tǒng)規(guī)模及布置。3號(hào)煤層回采過(guò)程中涌水一方面來(lái)至于頂板導(dǎo)水裂隙帶影響范圍內(nèi)的孔隙水、裂隙水，此部分涌水量與裂隙帶分布范圍、降落漏斗分布形態(tài)有關(guān);同時(shí)受到開采裂隙水頭壓力降低影響附近含水層內(nèi)的水會(huì)向采空區(qū)流動(dòng)。在確定3101采面涌水量時(shí)靜儲(chǔ)量關(guān)鍵是確定給水度、動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量關(guān)鍵是確定巖層透水系數(shù)。

煤層開采時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給的涌水量可通過(guò)下述公式計(jì)算：

當(dāng)進(jìn)行疏排排水時(shí)中心位置處水頭壓力h=0，則公式（2）可簡(jiǎn)化為：

其中：Qd表示3號(hào)煤層開采時(shí)涌水量（m3/d）;K表示透水性系數(shù)（m/d）;H表示水柱高度（m）;M0表示含水層厚度（m）;R0、r0分別為引用影響半徑、引用半徑（m）。

根據(jù)3101采面水位地質(zhì)實(shí)際情況，確定K=0.0372m/d、H=580m、M0=45.87m、R0=2763.5m、r0=181.2m，將上述參數(shù)帶入公式（3）求得3101工作面在前300m開采范圍內(nèi)的涌水量為92.1m3/d。

煤巖開采時(shí)井下涌水量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，3101綜采工作面涌水主要為回采巷道、切眼以疏排水鉆孔三部分組成，具體涌水量分別為10.2m3/d、9.3m3/d、66.9m3/d。采面開采時(shí)實(shí)際涌水量為86.3 m3/d，實(shí)際涌水量較預(yù)測(cè)到的涌水量（92.1m3/d）低4.8 m3/d，誤差率僅為5.56%。

根據(jù)3號(hào)煤層頂板巖層厚度及滲透性系數(shù)，計(jì)算得到3101綜采工作面推進(jìn)至300m位置時(shí)采面正常涌水量在93.2m3/d;依據(jù)本段上覆頂板含水層最大厚度及巖層最大滲透性，計(jì)算得到采面推進(jìn)至300m時(shí)最大涌水量為330.5m3/d。同理，根據(jù)上述計(jì)算方法確定到的采面推進(jìn)至600m、900m、1000、1500、2000以及回采結(jié)束時(shí)（推進(jìn)2600m）正常涌水量、最大涌水量計(jì)算結(jié)果見表1。

4 采面實(shí)際涌水量與預(yù)計(jì)涌水量對(duì)比分析

將采面回采過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的實(shí)際涌水量與計(jì)算獲取到的預(yù)計(jì)涌水量進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行判定。具體在3101實(shí)際涌水量與預(yù)計(jì)涌水量對(duì)比分析對(duì)比結(jié)果見圖1。

從圖1中可看出，預(yù)測(cè)正常涌水量與實(shí)際涌水量間偏差較大，但是預(yù)測(cè)的最大涌水量與實(shí)際涌水量間絕對(duì)值相差較小，一般在5～58m3/d，誤差率控制在10%以內(nèi)。如采面推進(jìn)至300m、1000m、2000m位置時(shí)實(shí)際涌水量與預(yù)測(cè)到的最大涌水量間誤差率分別為1.2%、7.6%、7.5%。

5 總結(jié)

①對(duì)礦井3101首采工作面水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析，并采用理論計(jì)算法對(duì)3101采面開采后覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度，導(dǎo)水裂隙帶高度為124.0m，導(dǎo)水裂隙會(huì)直接導(dǎo)通侏羅系中下統(tǒng)碎屑巖裂隙含水層;②依據(jù)3101首采工作面水文地質(zhì)條件及充水特征對(duì)采面開采過(guò)程中正常涌水量、最大涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際涌水量進(jìn)行比對(duì)，預(yù)測(cè)到的最大涌水量與實(shí)際涌水量間誤差率均在10%以內(nèi)，涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1]高鵬浩，周友清，陳新攀.內(nèi)蒙古三貴口礦區(qū)水文地質(zhì)特征分析及涌水量預(yù)測(cè)[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2019，33（05）：891-898+904.

作者簡(jiǎn)介：

馮聰聰（1987- ），男，山西省洪洞縣人，2014年1月畢業(yè)于太原理工大學(xué)，采礦工程專業(yè)，本科，現(xiàn)為工程師。