陳銘岳，許進(jìn)鵬，任鄧君，胡華庭，李龍飛

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.陜西正通煤業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713699)

0 引 言

礦井涌水量的大小是合理設(shè)計(jì)礦井建設(shè)與生產(chǎn)方案、設(shè)計(jì)礦井防排水系統(tǒng)、制定礦井防治水措施的主要依據(jù)。因此礦井涌水量的計(jì)算是礦井水文地質(zhì)工作的重要任務(wù)，然而礦井涌水量普遍存在水文地質(zhì)參數(shù)難以準(zhǔn)確確定的難題，導(dǎo)致涌水量與實(shí)際相差甚大[1]。目前，礦井涌水量計(jì)算方法繁多，有解析法[2-3]、比擬法[4]、數(shù)值法[5-6]、水均衡法[7]、灰色理論[8-9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1,3,10]和層次分析法[11]等。如何選擇一種合適的涌水量計(jì)算模型至關(guān)重要，特別是針對(duì)富水礦區(qū)。本文將通過(guò)收集高家堡煤礦已開(kāi)采工作面煤層頂板的出水資料，通過(guò)涌水量資料分析建立兩種情況下井壁進(jìn)水的非完整井以及越流三種涌水量計(jì)算模型的正確性，確立一個(gè)合適的模型來(lái)計(jì)算涌水量。

1 研究區(qū)概況及存在問(wèn)題

1.1 研究區(qū)概況

高家堡井田位于陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)，鄂爾多斯盆地南部渭北撓折帶北緣的廟-彬凹陷內(nèi)北部，基底隆起與煤系、煤層的沉積分布及其厚度變化關(guān)系密切。區(qū)內(nèi)主要可采煤層為4煤層，發(fā)育于延安組。煤層的直接充水水源是侏羅系延安組、直羅組含水層。延安組含水層平均厚度41.1 m，滲透系數(shù)為0.0116 m/d；直羅組含水層平均厚度19.6 m，滲透系數(shù)為0.0069 m/d，總體來(lái)看，侏羅系含水層裂隙不發(fā)育，且補(bǔ)給條件差，富水性弱。間接充水水源為白堊系洛河組含水層，平均厚度393.68 m，滲透系數(shù)為0.04385～1.321521 m/d，接受大氣降雨補(bǔ)給條件好，富水性強(qiáng)，對(duì)煤礦的開(kāi)采造成很大的威脅，見(jiàn)圖1。

圖1 4煤層煤頂板地層柱狀圖Fig.1 Simplified overlying geological column of No.4 coal seam

1.2 出水水源分析及存在問(wèn)題

工作面的主要出水水源是洛河組含水層和侏羅系延安直羅組含水層。侏羅系的兩個(gè)含水層，距離4煤層較近，在開(kāi)采過(guò)程中，導(dǎo)水裂縫帶必然會(huì)波及到這兩個(gè)含水層導(dǎo)致出水；在精細(xì)探查報(bào)告中，洛河組根據(jù)滲透系數(shù)的差異性分為上下段，上段含水層和下段含水層水文地質(zhì)特征差異較明顯，但上下段之間無(wú)明顯的隔水層。根據(jù)涌水量的水質(zhì)分析可知，洛河組上段的水已經(jīng)進(jìn)入工作面。

由于地下水的壓力高達(dá)5 MPa，注水試驗(yàn)很難進(jìn)行，所以導(dǎo)水裂縫帶高度難以確定，也就不能確定導(dǎo)高是否溝通洛河組上段。所以工作面出水可能存在以下三種情況：①導(dǎo)高直接溝通上段含水層造成涌水；②導(dǎo)高溝通下段含水層后上段含水層越流補(bǔ)給下段從而進(jìn)入工作面；③洛河組上下段之間并不存在明顯的隔水層，工作面涌水直接來(lái)自洛河組含水層，不需要考慮分段問(wèn)題。

2 模型的建立

2.1 侏羅系含水層的水量計(jì)算模型

根據(jù)資料分析，導(dǎo)水裂縫帶必然會(huì)波及到侏羅系兩個(gè)含水層，因此采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓公式計(jì)算即可。

2.2 洛河組含水層的水量計(jì)算模型

根據(jù)前文分析得出工作面出水的三種情況，可以建立三種不同的洛河組水量計(jì)算模型。

2.2.1 分段進(jìn)水非完整井模型(對(duì)應(yīng)情況1)

洛河組上下段之間可能存在明顯隔水層，且導(dǎo)高直接溝通上段含水層造成涌水，如圖2(a)所示，用式(1)～(4)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

R0=R+r0

(4)

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；Ma為含水層有效厚度，m；S為疏降水頭高度，m；R0為引用半徑，m；r0為預(yù)測(cè)區(qū)折算半徑，m；L為影響深度，m；R為影響半徑，m；η系數(shù)，查表求得；a、b為計(jì)算區(qū)的邊長(zhǎng)，m。

圖2 分段出水水源及出水途徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of segmented effluent water source and water outlet

2.2.2 越流模型(對(duì)應(yīng)情況2)

當(dāng)導(dǎo)水裂縫帶波及到洛河組下段時(shí)，由于洛河組下段與洛河組上段之間沒(méi)有明顯的隔水層，洛河組上段水必然會(huì)補(bǔ)給洛河組下段水，所以越流模型也適合用于計(jì)算此種情況，如圖2(b)所示，用式(3)和式(5)進(jìn)行計(jì)算。

(5)

式中：K為洛河組下段的滲透系數(shù)，m/d；M為已被導(dǎo)通的洛河組下段厚度，m；S為洛河組下段降深，m；r為觀測(cè)孔距離，m；B為越流系數(shù)，查表求得；K1(r0/B)為一階第二類(lèi)虛宗量Bessel函數(shù)；K0(r/B)為一階第一類(lèi)虛宗量Bessel函數(shù)。

2.2.3 井壁進(jìn)水非完整井模型(對(duì)應(yīng)情況3)

洛河組不存在分段問(wèn)題，工作面涌水直接來(lái)自洛河組含水層。如圖3所示，可選用井壁進(jìn)水的非完整井模型，用式(1)～(4)進(jìn)行計(jì)算。

3 模型的出水量計(jì)算及分析

3.1 不同模型的涌水量計(jì)算

根據(jù)本礦井104工作面實(shí)際情況，采用不同模型計(jì)算涌水量，首先利用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓公式得到104工作面侏羅系涌水量為23.84 m3/h，104工作面實(shí)測(cè)侏羅系涌水量為21.68 m3/h，二者相差不大，表明侏羅系采用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓模型計(jì)算是可靠的。

洛河組涌水量分別采用分段井壁進(jìn)水的非完整井模型、整體井壁進(jìn)水的非完整井模型、越流模型三種模型進(jìn)行計(jì)算。

1) 分段井壁進(jìn)水的非完整井模型。Ma=M為整個(gè)含水層厚度，影響深度就導(dǎo)水裂隙發(fā)育到洛河組下段的高度，因?yàn)楣ぷ髅骈_(kāi)采過(guò)程采高不同，因此分別取不同數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。據(jù)104工作面資料，洛河組下段最大降深95 m，洛河組上段降深為20 m。參數(shù)取值見(jiàn)表1和表2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 整體不分段出水水源及出水途徑示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overall non-segmented water source and water outlet

表1 洛河組含水層參數(shù)表Table 1 Luohe formation aquifer parameters table

表2 參數(shù)計(jì)算成果表Table 2 Parameter calculation results table

表3 洛河組總涌水量計(jì)算成果表(分段井壁進(jìn)水的非完整井模型)Table 3 Calculation results of total water inflow in Luohe formation

2) 越流模型。根據(jù)一盤(pán)區(qū)T1孔的水位資料可知,降深S約438 m，r取T1孔距中心位置距離415 m。二盤(pán)區(qū)根據(jù)越流補(bǔ)給模型的規(guī)律，降深S應(yīng)為洛河組上、下段的水位差，取300 m。r取觀測(cè)孔GL-1下到各工作面平均距離721 m。

在式(6)中，越流系數(shù)B可以通過(guò)前期的出水進(jìn)行反算。根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)關(guān)于越流的相關(guān)公式，側(cè)向流入量與總水量的關(guān)系見(jiàn)式(6)。

(6)

式中：Qr為側(cè)向流入量，當(dāng)r=R0，Qr是洛河組下段的穩(wěn)定水量；Q為總涌水量。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，102+103工作面水量中，最后洛河組下段水量占14.31%，即：Qr/Q=0.1431，查表求得R0/B=2.8，一盤(pán)區(qū)r取T1孔的距離415 m。由此可求得一盤(pán)區(qū)B=148，同理可求二盤(pán)區(qū)B=258。

根據(jù)《高家堡礦井首采區(qū)白堊系含水層精細(xì)探查研究成果報(bào)告》及統(tǒng)計(jì)資料，參數(shù)取值見(jiàn)表1和表4。

已經(jīng)導(dǎo)通的洛河組下段厚度不確定，此處分段計(jì)算不同M值的工作面涌水量大小，將以上數(shù)值帶入公式即可得到各工作面涌水量，見(jiàn)表5。

3) 整體井壁進(jìn)水的非完整井模型。把洛河組含水層作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算，影響深度根據(jù)導(dǎo)水裂縫帶的不同階段取值，具體的參數(shù)見(jiàn)表1和表2，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表4 越流模型計(jì)算參數(shù)表Table 4 overflow model calculation parameters table

表5 洛河組涌水量計(jì)算成果表(越流模型)Table 5 Results of calculation of water inflow in Luohe formation

3.2 模型的選擇及合理性分析

根據(jù)104工作面侏羅系涌水量的計(jì)算結(jié)果和洛河組三種涌水量模型的計(jì)算結(jié)果可以得出不同影響深度下工作面的總涌水量。導(dǎo)水裂縫帶高度即為影響深度加上4煤層頂板至洛河組下段底界的間距，根據(jù)數(shù)據(jù)可以做出工作面在不同導(dǎo)水裂縫帶高度下總涌水量變化圖(圖4)。

表6 洛河組涌水量計(jì)算成果表(整體井壁進(jìn)水的非完整井模型)Table 6 Results of calculation of water inflow in Luohe formation

圖4 涌水量變化曲線圖Fig.4 Curve of water influx

由圖4可知，三種模型的涌水量變化曲線差異較大，可以通過(guò)其與實(shí)測(cè)涌水量和導(dǎo)高曲線形態(tài)的相似性來(lái)分析判別模型的準(zhǔn)確程度。

我們發(fā)現(xiàn)104工作面實(shí)測(cè)涌水量曲線圖與分段進(jìn)水非完整井模型涌水量曲線圖一樣都存在一個(gè)明顯的突變情況。根據(jù)已有的工作面水量變化情況及水源分析資料，能夠確定水量突變前工作面涌水中已經(jīng)有洛河組水的參與，可以推斷是導(dǎo)水裂縫帶溝通洛河組上段含水層時(shí)滲透系數(shù)變化引起的水量突變，即得出結(jié)論：洛河組存在分段情況且導(dǎo)水裂縫帶溝通了上段含水層。所以在礦井工作面涌水量計(jì)算中應(yīng)該采用分段井壁進(jìn)水的非完整井模型。

4 模型檢驗(yàn)

通過(guò)分段井壁進(jìn)水非完整井模型可以反算已采工作面的導(dǎo)水裂縫帶高度，確定裂采比，許進(jìn)鵬等[12]已經(jīng)計(jì)算得出裂采比為21.6，通過(guò)裂采比和已采工作面資料進(jìn)行涌水量計(jì)算并驗(yàn)證，見(jiàn)表7，誤差為預(yù)測(cè)涌水量與實(shí)測(cè)涌水量的差值和實(shí)測(cè)涌水量之比。

表7 工作面預(yù)測(cè)涌水量與實(shí)際涌水量對(duì)比成果表Table 7 Comparison results of predicted water inflow and actual water inflow in each working face

分析可知，已采工作面的實(shí)測(cè)涌水量和預(yù)測(cè)涌水量整體差異不大，101工作面、201工作面準(zhǔn)確性較高，因?yàn)檫@兩個(gè)工作面是一盤(pán)區(qū)、二盤(pán)區(qū)的首采面，涌水量與導(dǎo)高有著明顯的關(guān)系，其他工作面由于在開(kāi)采時(shí)已經(jīng)受到了附近工作面的影響，所以預(yù)測(cè)涌水量與實(shí)測(cè)涌水量存在一定的差異，但誤差在允許范圍內(nèi)，所以用該模型預(yù)測(cè)涌水量是可靠的。

5 結(jié) 論

1) 對(duì)高家堡的出水水源進(jìn)行分析，將工作面出水分為3種情況，并分別建立三種涌水量計(jì)算模型：①分段井壁進(jìn)水的非完整井模型；②整體井壁進(jìn)水的非完整井模型；③越流模型。

2) 對(duì)104工作面進(jìn)行不同模型的涌水量計(jì)算，畫(huà)出三種模型的涌水量曲線圖，與實(shí)測(cè)涌水量曲線圖對(duì)比，得出分段進(jìn)水的非完整井模型最適合高家堡工作面涌水量計(jì)算。

3) 用已確定的模型預(yù)測(cè)其他工作面的涌水量，將預(yù)測(cè)涌水量與實(shí)測(cè)工作面涌水量進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明該模型適合本礦井的涌水量計(jì)算。