神南礦區(qū)張家峁礦井涌水量預(yù)測(cè)與分析

楊 帆

（陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司）

國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，我國煤炭工業(yè)產(chǎn)量每年都在以前所未有的速度增長(zhǎng)，煤炭開采面臨的水文地質(zhì)問題日益突出［1］，然而，近年來我國西北侏羅紀(jì)煤田弱富水軟巖水—沙混合型間歇式突水事故多發(fā)，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。紅柳煤礦首采工作面初采186 m范圍內(nèi)發(fā)生了4次較大規(guī)模的突水，最大突水量達(dá)到3 000 m3/h，工作面2次被迫停產(chǎn)；2016年陜西銅川照金煤礦發(fā)生重大頂板水害事故，造成11人死亡［2］。無論在煤田水文地質(zhì)勘查階段還是礦井生產(chǎn)建設(shè)階段，礦井涌水量預(yù)測(cè)不僅是對(duì)礦井建設(shè)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、合理開發(fā)的重要指標(biāo)，更是煤礦生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門制定采掘方案、確定礦井排水能力、制定疏干措施、防止重大水害和利用地下水資源的重要依據(jù)［3］。

目前礦井涌水量預(yù)測(cè)大體上可以分為確定性分析方法和不確定性分析方法兩類［4］。確定性分析包括解析法、模擬法、數(shù)值法、水均衡法；非確定性分析法包括水文地質(zhì)比擬、相關(guān)分析、模糊數(shù)學(xué)模型、灰色系統(tǒng)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間序列分析等。但這些方法在實(shí)際使用過程中其科學(xué)性、準(zhǔn)確性確一直不太理想［3］。沒有針對(duì)礦井涌水量的組成部分進(jìn)行剖析，是導(dǎo)致上述問題的重要因素之一。鑒于此，本研究以張家峁礦井為研究對(duì)象，剖析礦井涌水量構(gòu)成，對(duì)涌水量各組成部分分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終得到張家峁礦井未來5 a分年度礦井涌水量大小，旨在為礦井涌水量預(yù)測(cè)提供一種新思路。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶，地處干旱半干旱地區(qū)，水資源貧乏，與豐富的煤炭資源形成了鮮明對(duì)比［5］。地形總的趨勢(shì)為西南、西北高，中東部低。礦井北界附近最大海拔高程為1 319.70 m，最低1 088.0 m，一般在1 150~1 260 m。地貌類型可分為風(fēng)沙灘地區(qū)、河谷區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)。構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體構(gòu)造面貌是褶皺包絡(luò)面向北西緩傾斜的單斜構(gòu)造。主要開采煤層為2-2、3-1、4-2和5-2煤。礦區(qū)直接充水含水層為第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q3s）含水層、侏羅系中統(tǒng)（J2z+y）基巖裂隙含水層和燒變巖含水層。目前礦井涌水量為181.6 m3/h。截至2020年底，張家峁礦井共發(fā)生突水事故5次，均對(duì)工作面的正常開采造成了影響，嚴(yán)重影響了礦井生產(chǎn)安全。因此，有必要對(duì)張家峁礦井未來5 a的礦井涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，為礦井的防治水工作提供指導(dǎo)。

2 礦井涌水量構(gòu)成分析

對(duì)涌水量的預(yù)測(cè)根據(jù)張家峁礦井的生產(chǎn)接續(xù)進(jìn)行，根據(jù)對(duì)張家峁礦井水文地質(zhì)條件和近3 a該礦井涌水量觀測(cè)臺(tái)賬的分析可知，礦井涌水量不單單只是在礦井進(jìn)行回采過程中工作面的涌水量，還包括礦井在掘進(jìn)過程中的涌水量以及其他出水點(diǎn)的涌水量。

根據(jù)張家峁礦井的實(shí)際開采情況，將整個(gè)礦井涌水量構(gòu)成分為5個(gè)部分：①回采工作面涌水量（以風(fēng)化帶基巖涌水量為主）；②待采工作面涌水量（探放水和掘進(jìn)出水）；③已采工作面涌水量（新增老空水和原有老空水）；④其他水（井筒水等）；⑤采掘系統(tǒng)生產(chǎn)地面供水量（井下生產(chǎn)用水）。

其中，頂板風(fēng)化基巖涌水量為礦井主要涌水水源，月平均涌水量與頂板風(fēng)化基巖含水層的涌水量占比有很強(qiáng)的正相關(guān)性。這說明，對(duì)于張家峁礦井各充水含水層來說，最主要的充水含水層是頂板風(fēng)化基巖含水層。

3 礦井涌水量預(yù)測(cè)

3.1 涌水量預(yù)測(cè)基本思路

通過對(duì)礦井涌水量構(gòu)成分析，本次涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算公式為

式中，Q為礦井涌水量大小，m3/h；Q1為回采工作面涌水量，m3/h；Q2為待采工作面涌水量，m3/h；Q3為已采工作面涌水量，m3/h；Q4為其他水涌水量，m3/h；Q5為采掘系統(tǒng)生產(chǎn)地面供水量，m3/h。

回采工作面涌水量采用類比法進(jìn)行預(yù)測(cè)；其余四部分根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行賦值：①采掘系統(tǒng)生產(chǎn)地面供水量取100.0 m3/h；②其他水以井筒涌水量為主，且其涌水量近3 a來較穩(wěn)定，水量為10.7 m3/h；③待采工作面涌水量取探放水水量和掘進(jìn)面出水水量之和，為35.4 m3/h，其中探放水水量取2020年礦井探放水水量最大值10.4 m3/h，掘進(jìn)面正常涌水量取25 m3/h；④采空區(qū)涌水以每年50%的速度遞減。

3.2 未來5 a回采工作面涌水量預(yù)測(cè)

3.2.1 類比法基本原理

類比法屬于水文地質(zhì)比擬法的一種，是根據(jù)相似性原理，選用已經(jīng)開采過工作面的涌水量，選取合適的類比因素，對(duì)未開采但地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相似的工作面進(jìn)行類比，來計(jì)算工作面涌水量，計(jì)算公式為

式中，Q01為比擬工作面實(shí)際涌水量，m3/h；Q02為預(yù)計(jì)工作面涌水量，m3/h；A01為比擬工作面類比因素；A02為預(yù)計(jì)工作面類比因素。

根據(jù)張家峁礦井實(shí)際生產(chǎn)狀況，在相同的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，回采面積、產(chǎn)量、工作面傾向長(zhǎng)度3個(gè)因素與工作面涌水量之間相關(guān)性較強(qiáng)，且在礦井實(shí)際開采中預(yù)測(cè)結(jié)果較符合實(shí)際。

3.2.2 類比法計(jì)算礦井回采工作面涌水量

利用與回采工作面涌水量相關(guān)因素較大的回采面積、產(chǎn)量、工作面傾向長(zhǎng)度3個(gè)因素，對(duì)張家峁礦井未來5 a內(nèi)的回采工作面分別計(jì)算涌水量。

傾向長(zhǎng)度反映了工作面寬度對(duì)涌水量變化的影響，面積富水系數(shù)法類比反映工作面涌水量涌出的變化，產(chǎn)量類比結(jié)果反映了工作面產(chǎn)量變化與實(shí)際涌水量為基礎(chǔ)下的各工作面噸煤涌水量，各種類比因素均可作為影響工作面涌水量的因素之一。在取值時(shí)，以3種類比結(jié)果的平均值作為礦井涌水量預(yù)測(cè)的數(shù)值，而最大值取3個(gè)影響因素類比結(jié)果的最大值。計(jì)算結(jié)果見表1。

?

3.3 未來5 a礦井涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)式（1），將待采工作面涌水量、已采工作面涌水量、其他水、采掘系統(tǒng)生產(chǎn)地面供水量4部分的賦值結(jié)果與類比法計(jì)算的開采工作面涌水量相加，得到張家峁礦井未來5 a礦井涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果，見表2。待采工作面涌水量、已采工作面涌水量、其他水、采掘系統(tǒng)生產(chǎn)地面供水量這四部分的取值，是對(duì)礦井涌水量觀測(cè)臺(tái)賬的分析所取得，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，故本次預(yù)測(cè)結(jié)果可以為礦井防治水工作提供一定的依據(jù)。

由表2可知，張家峁礦井未來5 a涌水量在2021年至2023年開始增大，到2023年增加到最大后開始減小，究其原因，主要是由于從2022年開始，礦井開采西部邊界2-2煤，其中2023年將在西部邊界集中開采3個(gè)2-2煤工作面，這3個(gè)工作面均與檸條塔南翼S1210工作面接壤，且都屬于頂板風(fēng)化基巖厚度大、水位高的地區(qū)。檸條塔礦井在開采S1210工作面時(shí)，曾瞬時(shí)突水1 200 m3/h，造成突水淹面事故發(fā)生，因此礦井在開采該區(qū)域2-2煤層時(shí)，應(yīng)該提前對(duì)2-2煤層頂板風(fēng)化基巖富水性進(jìn)行探查，在條件允許的情況下，考慮在該區(qū)域提前布設(shè)強(qiáng)排水系統(tǒng)，防止突水淹面事故的方法。

在后續(xù)開采過程中，當(dāng)?shù)V井開采條件發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果相差較大。對(duì)礦井涌水量劃分不同組成來預(yù)測(cè)礦井涌水量，便于對(duì)礦井實(shí)際生產(chǎn)狀況進(jìn)行修正，重新賦值，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修改，避免預(yù)測(cè)結(jié)果偏差太大。

4 結(jié) 論

（1）通過對(duì)張家峁礦井水文地質(zhì)條件和礦井涌水量觀測(cè)臺(tái)賬進(jìn)行剖析，總結(jié)提出了一種利用礦井涌水量構(gòu)成來計(jì)算礦井涌水量的簡(jiǎn)便方法，該方法主要將礦井涌水量分為5個(gè)部分，分別做出預(yù)測(cè)。

?

（2）預(yù)測(cè)了張家峁礦井未來5 a礦井涌水量，在2023年礦井涌水量達(dá)到最大值。原因是2023年張家峁礦井將開采西部靠近檸條塔礦界的2-2煤的3工作面，煤層深度大，同時(shí)煤層頂板基巖風(fēng)化帶含水層水位高，預(yù)計(jì)該區(qū)域工作面涌水量較大。因此，在開采該部分煤層時(shí)，應(yīng)提前制定相關(guān)頂板疏放水、超前探放水方案，確保煤層安全回采，加強(qiáng)對(duì)排水系統(tǒng)的維護(hù)、檢修工作。

（3）考慮涌水量構(gòu)成來預(yù)測(cè)礦井未來涌水量，是一種基于現(xiàn)階段礦井采掘情況的涌水量預(yù)測(cè)方法，礦井應(yīng)該根據(jù)實(shí)際采掘情況，在未來對(duì)涌水量構(gòu)成部分進(jìn)行修正，優(yōu)化礦井排水系統(tǒng)，保障礦井安全回采。