隆德煤礦下組煤開拓延深工程涌水量預(yù)測(cè)

米艷飛

(陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦涌水量的大小關(guān)系到礦井開拓方式的選擇和采掘系統(tǒng)的布置，從而影響到礦井的總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)。通過對(duì)礦井涌水量的預(yù)測(cè)為煤礦下組煤開拓延深工程可行性研究、工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。隆德煤礦位于陜西省神木市西南部，屬榆神礦區(qū)三期規(guī)劃[1]，行政區(qū)劃隸屬于神木市大保當(dāng)鎮(zhèn)及瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)管轄，礦區(qū)面積約44.489 6 km2，開采礦種為煤，規(guī)劃生產(chǎn)能力為500萬t/年。目前，井下生產(chǎn)布局是“一綜采、二連掘”，屬于典型的“高產(chǎn)、高效”礦井生產(chǎn)模式。工作面采用長(zhǎng)壁后退式(傾斜長(zhǎng)壁開采)、全部垮落法管理頂板，綜合機(jī)械化采煤。煤礦內(nèi)可采煤層10層[2]。其中全區(qū)可采煤層為2-2、3-1、4-3、5-2、5-3層，共5層；大部分可采煤層為5-2下、5-4層；局部可采煤層為1-1、5-3上、5-3下層。礦井目前主要開采2-2煤層，該層厚度0.85～6.60 m，平均厚度4.16 m，屬厚煤層，大部分可采，煤層厚度變化較大，規(guī)律性明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤類單一，屬穩(wěn)定型大部分可采煤層。3-1煤層全區(qū)可采，煤層厚度2.15～3.05 m，平均厚度2.68 m，煤層厚度變化小，屬穩(wěn)定型全區(qū)可采煤層。

隆德煤礦經(jīng)過幾年的開采，2-2煤層工作面212、210、209、208、207、206、205、203、202、201已經(jīng)采空，211工作面正在回采中。因此，需通過系統(tǒng)搜集、整理、分析隆德煤礦地質(zhì)及水文地質(zhì)資料以及煤礦前期實(shí)測(cè)礦井涌水量、各工作面采空區(qū)涌水量，分析、研究煤礦礦井充水特征以及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，預(yù)測(cè)礦井2-2煤層以及下組煤3-1煤層的涌水量。

1 礦井涌水分析

1.1 礦井充水特征分析

根據(jù)隆德煤礦已采205工作面DL2鉆孔東南部區(qū)域地表出現(xiàn)拉伸裂隙，以及2-2煤層205工作面施工3個(gè)“兩帶”觀測(cè)鉆孔資料分析成果[3-5]，得出裂采比為18.10～19.41，冒采比3.83～6.88倍，結(jié)合隆德煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及采煤方法等因素，考慮采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算

H冒=7M,H裂=20M

(1)

式中，H冒為冒落帶最大高度，m；H裂為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；M為累計(jì)采厚，m(按采高4.60計(jì)算)。通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，結(jié)果見表1。經(jīng)計(jì)算，2-2煤層冒落帶最大高度5.95～32.20 m，導(dǎo)水裂縫帶最大高度為17.00～69.89 m，而上覆基巖厚度為5.10～201.18 m。采煤時(shí)導(dǎo)水裂縫帶最大高度大部分發(fā)育在直羅組正?；鶐r里，部分發(fā)育至風(fēng)化基巖內(nèi)，部分甚至發(fā)育至松散層段內(nèi)，因紅土層部分缺失或厚度較薄，導(dǎo)水裂縫帶局部溝通松散層潛水。

表1 冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算結(jié)果

3-1煤層冒落帶高度15.12～21.35 m，導(dǎo)水裂縫帶最大高度43.20～61.00 m，而3-1煤層與上覆2-2煤層間距為30.91～44.53 m，采煤時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高度全部發(fā)育至上覆2-2煤層采空區(qū)，導(dǎo)水裂縫帶溝通上覆采空區(qū)積水。

1.2 礦井涌水量特征

隆德煤礦自建成投產(chǎn)以來，已回采101、102、212、210、209、208、207、206、205、203、202、201工作面，主要開采2-2煤層，2-2煤層采空區(qū)的面積為948.24萬m2。根據(jù)煤礦井下涌水量觀測(cè)數(shù)據(jù)[6]，隆德煤礦(含井下各采掘工作面、采空區(qū)涌水點(diǎn))正常涌水量950 m3/h，最大涌水量1 050 m3/h，其中回采工作面涌水量為170 m3/h，采空區(qū)涌水量為615 m3/h，掘進(jìn)面疏放水涌水量為250 m3/h，1-1煤掘進(jìn)順槽頂板淋水及疏放水9 m3/h，井筒、大巷涌水量為4 m3/h。礦井涌水量總體隨著開采面積逐漸擴(kuò)大呈緩增趨勢(shì)[7]，回采工作面、采空區(qū)以及2-2煤掘井巷道疏放水是礦井涌水的主要來源。

1.3 采空區(qū)涌水量特征

根據(jù)隆德煤礦212、210、208、206、202、201工作面采空區(qū)涌水量觀測(cè)資料，涌水量觀測(cè)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 隆德煤礦采空區(qū)涌水量觀測(cè)統(tǒng)計(jì)

212工作面回采完畢時(shí)涌水量為110 m3/h，穩(wěn)定時(shí)涌水量15 m3/h，涌水量衰減周期約30個(gè)月；210工作面回采完畢時(shí)涌水量為340 m3/h，穩(wěn)定時(shí)涌水量140 m3/h，涌水量衰減周期約31個(gè)月；208工作面回采完時(shí)涌水量為248 m3/h，穩(wěn)定時(shí)涌水量125 m3/h，涌水量衰減周期約34個(gè)月；206工作面回采完時(shí)涌水量為58 m3/h，穩(wěn)定時(shí)涌水量26 m3/h，涌水量衰減周期約28個(gè)月；202工作面回采完畢時(shí)涌水量為170 m3/h，穩(wěn)定時(shí)涌水量90 m3/h，涌水量衰減周期約18個(gè)月；201工作面回采完畢時(shí)涌水量為320 m3/h，穩(wěn)定時(shí)涌水量180 m3/h，涌水量衰減周期約24個(gè)月。從表2中統(tǒng)計(jì)資料可以看出工作面在回采結(jié)束后30個(gè)月左右采空區(qū)上覆靜儲(chǔ)量水基本疏放完，采空區(qū)涌水量衰減趨于穩(wěn)定。對(duì)隆德煤礦6個(gè)采空區(qū)涌水量變化情況分析統(tǒng)計(jì)，見表3。采空區(qū)涌水量基本穩(wěn)定后，較工作面回采完畢時(shí)涌水量衰減率在44%～86%，平均57%。

表3 采空區(qū)涌水量衰減率統(tǒng)計(jì)

2 涌水量預(yù)測(cè)

2.1 計(jì)算條件說明

預(yù)測(cè)全礦井開采2-2、3-1煤層的正常涌水量，其中2-2煤層北部盤區(qū)預(yù)測(cè)范圍約24.02 km2，3-1煤層全礦井預(yù)測(cè)范圍為44.489 6 km2，如圖1所示。參與本次涌水量計(jì)算的各含水層為承壓水，采用承壓水經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。按《關(guān)于陜西省陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)總體規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告書的審查意見》(環(huán)審〔2013〕285號(hào))以及保水采煤要求[8-10]，隆德煤礦采煤導(dǎo)水裂縫帶切穿土層隔水層區(qū)禁止采煤，一次采全高，采煤導(dǎo)水裂縫切穿土層隔水層區(qū)波及至松散沙層區(qū)域(北部盤區(qū)東部及218工作面)需進(jìn)行限厚或填充開采[11-13]，以降低導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度避免采煤導(dǎo)水裂隙波及至松散沙層，限厚開采區(qū)松散沙層含水層不參與計(jì)算。根據(jù)煤礦水文地質(zhì)條件，2-2煤層上覆直接充水含水層為煤層上覆正?；鶐r、風(fēng)化基巖含水層段，3-1煤層的直接充水含水層為2-2煤層采空區(qū)積水以及3-1煤層與2-2煤層之間基巖含水層，故采用“大井法”“水平廊道法”[12-13]，對(duì)2-2煤層、3-1煤層的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.2 計(jì)算方法

大井法將開采地段的整個(gè)坑道系統(tǒng)視作一大的集水井，采用承壓轉(zhuǎn)無壓公式計(jì)算，見式(2)。水平廊道法將開采地段視為一狹長(zhǎng)廊道，形狀近似為矩形，計(jì)算公式見式(3)

(2)

(3)

式中，Q為礦井正常涌水量,m3/h；K為滲透系數(shù)，m/d；H為水柱高度，m；M為含水層厚度，m；S為水位降深，m；R0為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m；B為巷道進(jìn)水水平長(zhǎng)度，m；h0為剩余水柱厚度，m；R為影響半徑，m。

礦坑所在含水層均質(zhì)無限分布，天然水位近似水平，因此引用影響半徑R0可采用式(4)計(jì)算

(4)

式中，η取1.18；a，b為計(jì)算區(qū)的長(zhǎng)和寬，m；采空區(qū)涌水量衰減率取6個(gè)工作面統(tǒng)計(jì)平均值57%。

圖1 2-2煤層涌水量預(yù)算范圍示意Fig.1 Prediction area of water inflow in No.2-2 coal seam

2.3 2-2煤層涌水量預(yù)算

全礦井2-2煤層涌水量由采空區(qū)的涌水量、2-2煤層規(guī)劃開采區(qū)域涌水量及北部盤區(qū)涌水量構(gòu)成。根據(jù)煤礦資料，將各參數(shù)代入到計(jì)算公式，采用“大井法”計(jì)算得出北部盤區(qū)2-2煤層正常涌水量為1 000 m3/h；采用“水平廊道法”計(jì)算得出北部盤區(qū)2-2煤層正常涌水量為628 m3/h。同樣，將各參數(shù)代入到計(jì)算公式，采用“大井法”計(jì)算得出211、213、215、216、217工作面涌水量為278 m3/h，“水平廊道法”計(jì)算得出211、213、215、216、217工作面涌水量為182 m3/h。采用“大井法”計(jì)算得出218工作面涌水量為110 m3/h，“水平廊道法”計(jì)算得出218工作面涌水量為96 m3/h。

根據(jù)前文分析統(tǒng)計(jì)，目前礦井正常涌水量為950 m3/h，工作面回采完畢后約30個(gè)月后采空區(qū)涌水量趨于穩(wěn)定，扣除57%涌水量衰減率，采空區(qū)正常涌水量按409 m3/h，參與累計(jì)預(yù)測(cè)全礦井開采2-2煤層涌水量。全礦井2-2煤層涌水量為隆德煤礦2-2煤層采空區(qū)涌水量(扣除衰減量后)、隆德煤礦2-2煤層規(guī)劃開采區(qū)域預(yù)算涌水量及北盤區(qū)2-2煤層可采區(qū)域預(yù)算涌水量之和。“大井法”預(yù)算開采2-2煤層全礦井涌水量：Q2-2大井法=Q北盤區(qū)+Q計(jì)劃采區(qū)+Q已采=1 000+278+110+409=1 797 m3/h?！八嚼鹊婪ā鳖A(yù)算開采2-2煤層全礦井涌水量：Q2-2廊道法=Q北盤區(qū)+Q計(jì)劃采區(qū)+Q已采=628+182+96+409=1 315 m3/h。

2.4 3-1煤層涌水量預(yù)算

采用“大井法”計(jì)算得出全礦井2-2煤層正常涌水量為1 797 m3/h。采用“水平廊道法”計(jì)算得出全礦井2-2煤層正常涌水量為1 315 m3/h。根據(jù)2-2煤層已采區(qū)域在回采期間涌水量衰減規(guī)律，采面在回采結(jié)束平均30個(gè)月后，上覆含水層水的動(dòng)、靜儲(chǔ)量逐漸衰減并趨于穩(wěn)定，按照已采6個(gè)工作面涌水量資料分析統(tǒng)計(jì)，回采結(jié)束至涌水量趨于穩(wěn)定，涌水量衰減率平均為57%?；诒镜V井采區(qū)涌水量變化特征，本次2-2煤層采空區(qū)涌水量按預(yù)測(cè)的正常涌水量扣除衰減量，作為2-2煤層采空區(qū)涌水量參與3-1煤層涌水量預(yù)測(cè)。Q采空大井法=(1-0.57%)Q大井法=0.43×1 797=773 m3/h，Q采空廊道法=(1-0.57%)Q廊道法=0.43×1 315=565 m3/h。

根據(jù)煤礦資料分析，將各參數(shù)代入到計(jì)算公式，采用“大井法”計(jì)算得出全礦井3-1煤層與2-2煤層之間基巖正常涌水量為74 m3/h。采用“水平廊道法”計(jì)算得出全礦井3-1煤層與2-2煤層之間基巖正常涌水量為61 m3/h。全礦井3-1煤層涌水量由3-1煤層與2-2煤層之間基巖涌水量及上覆2-2煤層采空區(qū)涌水量構(gòu)成。經(jīng)計(jì)算“大井法”預(yù)算開采3-1煤層全礦井正常涌水量847 m3/h?！八嚼鹊婪ā鳖A(yù)算開采3-1煤層全礦井正常涌水量626 m3/h?！按缶ā鳖A(yù)算開采3-1煤全礦井涌水量為Q3-1大井法=Q煤層間+Q采空區(qū)正常=74+773=847 m3/h?！八嚼鹊婪ā鳖A(yù)算開采3-1煤全礦井涌水量為Q3-1廊道法=Q煤層間+Q采空區(qū)正常=61+565=626 m3/h。

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)隆德煤礦礦井充水特征分析，礦井充水途徑主要為導(dǎo)水裂縫帶，礦井涌水量隨著開采面積逐漸擴(kuò)大呈緩增趨勢(shì)。

(2)詳細(xì)分析并歸納采空區(qū)涌水量，得出各工作面采空區(qū)涌水量的衰減率為57%。

(3)采用“大井法”預(yù)測(cè)出隆德煤礦2-2煤層涌水量為1 797 m3/h，3-1煤層的涌水量為847 m3/h；采用“水平廊道法”預(yù)測(cè)出隆德煤礦2-2煤層涌水量為1 315 m3/h，3-1煤層的涌水量為626 m3/h。