劉海先

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽110015）

礦山涌水是礦山生產(chǎn)安全的重大隱患，可靠的涌水量預(yù)測是礦山疏干排水設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，因此，實(shí)用且準(zhǔn)確的礦山涌水量預(yù)測方法一直是關(guān)注的熱點(diǎn)[1]，形成了很多礦山涌水量預(yù)測的方法。解析法、數(shù)值法、水均衡法、水文地質(zhì)比擬法和相關(guān)分析法是礦山涌水量預(yù)測的基本方法，其各有優(yōu)缺點(diǎn)[2]。水文地質(zhì)比擬法使用的前提條件是預(yù)測區(qū)的水文地質(zhì)條件與已知涌水量的礦山具有可比擬性，常應(yīng)用于開采條件基本相同的開采區(qū)域或同一礦井[3-4]。數(shù)值方法需要的數(shù)據(jù)較多，在實(shí)際實(shí)用中并不廣泛。而解析法，如大井法[5]和水平廊道法，由于其簡單、快速而得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中多采用完整大井法和完整水平廊道法，但經(jīng)常出現(xiàn)涌水量的高估。礦坑非均質(zhì)和各向異性是影響其不準(zhǔn)確的因素，另外由于礦山勘查程度較淺，含水層資料不充分，在預(yù)測時把非完整大井或非完整水平廊道簡單概化成了完整大井或完整水平廊道，這種簡單概化也是導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確的原因之一，但是這種誤差很少被系統(tǒng)地進(jìn)行論證[6]。

以謝爾塔拉露天煤礦為例，采用大井法、廊道法及比擬法分別計(jì)算礦坑地下涌水量。討論最適合謝爾塔拉露天礦疏干排水設(shè)計(jì)的涌水量依據(jù)，并以此為據(jù)布設(shè)疏干工程。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

謝爾塔拉露天煤礦首采區(qū)位于陳旗煤田境界內(nèi)，陳旗煤田為一向斜盆地，發(fā)育有古生界、中生界、新生界地層。首采區(qū)位于陳旗煤田向斜的一翼。露天礦設(shè)計(jì)規(guī)模7.0 Mt/a。

從區(qū)域上分析，謝爾塔拉露天區(qū)位于1 個完整的水文地質(zhì)單元內(nèi)；該單元南部邊界為海拉爾河，北部以地表分水嶺為界，東部邊界為東大溝，西北部以莫勒格爾河為界；單元內(nèi)北部和東部為補(bǔ)給區(qū)，西北部的莫勒格爾河和南部的海拉爾河構(gòu)成了單元的排泄邊界。

1.1 含水層

1.1.1 第四系松散巖類孔隙水

該含水層分布于全區(qū)，含水層一般厚度3.5～8.5 m，平均厚度6 m。其巖性主要以砂礫石為主，結(jié)構(gòu)松散，磨圓一次棱角狀或次棱狀，孔隙發(fā)育，賦含第四系孔隙潛水。滲透系數(shù)6.4 m/d，單井涌水量小于500 m3/d。區(qū)內(nèi)第四系含水層補(bǔ)給來源主要是每年7—9 月大氣降水以及4 月下旬至5 月雪融水垂直入滲補(bǔ)給第四系含水層。區(qū)域地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給也是含水層接受補(bǔ)給的主要方式。在區(qū)域露頭部位，形成地表徑流，并在煤系以及第四系地層中徑流，總體徑流趨勢是北西北東向西南方向徑流。排泄途徑有3 種：①側(cè)向徑流排泄；②在本區(qū)疏干排水工程形成后，第四系水通過井孔垂向補(bǔ)給碎屑巖、火山熔巖裂隙孔隙水；③地表蒸發(fā)，也是第四系含水層組的重要排泄方式。

1.1.2 裂隙孔隙含水層組

裂隙孔隙含水層平均滲透系數(shù)為5.05 m/d，單井涌水量為500～3 000 m3/d。煤層碎屑巖含水層組的富水性及導(dǎo)水性也呈規(guī)律性變化。含水層可分為3 層：

1）上部砂礫巖含水層。含水層巖性為砂礫巖、粗砂巖、細(xì)砂巖，灰白色，分布于全區(qū)。含水層埋深在37～41 m，厚度3～10 m。其頂部為泥巖，為良好的隔水層，其底部為泥巖，在個別地段與下伏的砂礫巖含水層連通。該類水主要接受區(qū)外地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流方式流出區(qū)外。

2）中部砂礫巖、粗砂巖、火山熔巖裂隙孔隙水含水層。厚度變化大，其底部地層為薄層的泥巖或褐煤，火山熔巖含水層分布在首采區(qū)西側(cè)及西南角。含水層深度為30～50 m，平均厚度為10 m。該含水層在東側(cè)與下伏的褐煤含水層連通，在這類地段二者存在密切的水力聯(lián)系。

3）下部為褐煤含水層。煤層含水層主要發(fā)育于全區(qū)，分布連續(xù)，深度為80～100 m，平均厚度15 m。其下伏地層為泥巖，為良好的隔水層；上覆地層大多數(shù)地段為泥巖，與上覆含水層無水力聯(lián)系，但個別地段為火山熔巖及砂礫巖，導(dǎo)致上覆含水層與該含水層存在明顯的水力聯(lián)系，本含水層為承壓含水層。

1.2 隔水層

1）第四系隔水層。第四系底部普遍沉積粉質(zhì)黏土，煤系地層頂部發(fā)育有泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，因而兩者構(gòu)成較穩(wěn)定的隔水層，在總體上反映第四系含水層組與煤系含水層之間無水力聯(lián)系。

2）煤層碎屑巖含水層組頂、底板隔水層。由泥巖、粉砂巖或細(xì)砂巖組成，分布連續(xù)，厚度穩(wěn)定，隔水性能良好，由此可知本礦區(qū)隔水層發(fā)育穩(wěn)定，隔水性能好。

1.3 地下水的補(bǔ)給與排泄

第四系含水層主要接受來自大氣降水的垂直入滲及區(qū)外地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，含水層上下各覆粉質(zhì)黏土，形成含水層隔水頂?shù)装?。第四系含水層中水的徑流以順層徑流為主。第四系含水層的主要排泄途徑為蒸發(fā)和側(cè)向徑流。

裂隙孔隙含水層的補(bǔ)給主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給以及第四系含水層通過降水井的垂向補(bǔ)給。本層地下水以徑流形式向區(qū)外排泄，首采區(qū)內(nèi)未見其直接排泄露頭。當(dāng)疏干排水系統(tǒng)運(yùn)行后，人工排水為其主要的排泄方式。

2 礦坑地下涌水量計(jì)算

現(xiàn)場已經(jīng)施工了43 口疏干井，并進(jìn)行了抽水試驗(yàn)。根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合以往地質(zhì)勘探成果選取水文地質(zhì)參數(shù)。礦坑地下涌水量計(jì)算主要水文地質(zhì)參數(shù)為滲透系數(shù)、含水層厚度及水位等參數(shù)。

2.1 大井法

將露天礦概化為一口大井，采用遠(yuǎn)離地表水體與隔水邊界公式[7]。對第四系孔隙含水層和裂隙孔隙含水層組達(dá)產(chǎn)時期涌水量進(jìn)行分別估算。第四系潛水含水層公式為：

式中：Q 為礦坑地下涌水量，m3/d；M 為含水層厚度，m；K 為含水層滲透系數(shù)，m/d；S 為水位降深，m；R0為引用影響半徑，m；r0為露天采場引用半徑，m；F 為采礦場面積，m2。

煤層碎屑巖含水層組采用承壓轉(zhuǎn)無壓公式，其公式為：

式中：H 為承壓含水層有含水層底板算起的水頭值，m；h 為有含水層底板算起的動水位高度，m。

大井法計(jì)算結(jié)果：第四系潛水含水層地下涌水量為9 635.47 m3/d，煤系地層孔隙裂隙含水層組地下涌水量為40 588.52 m3/d，總計(jì)50 224 m3/d。

2.2 廊道法

《露天采礦手冊》中說明，當(dāng)露天采礦場長寬比大于10 時，視其為集水廊道。本次計(jì)算把露天采礦場一側(cè)邊幫概化為廊道的單側(cè)補(bǔ)給邊界。因此將原手冊中提供的公式下面除以2，視為單側(cè)補(bǔ)給量。采礦場4 個幫分別計(jì)算2 層含水層的側(cè)向補(bǔ)給量之和即為礦坑地下涌水量。第四系潛水含水層廊道法公式：

式中：B 為水平巷道長度，m；H1、H2為補(bǔ)給邊界及排泄邊界上的水位，m；R1、R2為廊道至補(bǔ)給邊界及排泄邊界的距離，m；R 為影響半徑，m。

煤層碎屑巖含水層組采用廊道法承壓轉(zhuǎn)無壓公式。其公式為：

廊道法計(jì)算側(cè)向補(bǔ)給量結(jié)果：第四系潛水含水層涌水量為9 996.29 m3/d，煤系含水層組涌水量為29 136.4 m3/d，總計(jì)39 132.68 m3/d。

2.3 比擬法

比擬法計(jì)算混合含水層涌水量，根據(jù)不同時期的疏干排水量可以分析露天礦地下涌水量的變化特征。礦區(qū)西部15 km 的寶日希勒露天礦，主要開采的12煤層。寶日希勒露天礦12煤層開采基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 寶日希勒露天礦12 煤層開采基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

該露天礦與本勘探區(qū)同屬于陳旗煤田，在區(qū)域水文地質(zhì)單元的徑流區(qū)；謝爾塔拉露天礦外圍區(qū)主采煤層Ⅱ、Ⅲ煤層，在區(qū)域水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給區(qū)。受第四系含水層及煤系含水層靜儲量逐步釋放的影響，整體上體現(xiàn)了礦床疏干涌水量的基本特征即從涌水量小到大再變小。

比擬法不同時期的噸煤含稅系數(shù)體現(xiàn)的是不同時期的地下水涌水量，采礦后期主要為含水層疏干穩(wěn)定后側(cè)向補(bǔ)給量。計(jì)算公式：

式中：A 為井田設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，取700 萬t/a；t為噸煤含水層系數(shù)，取值1.64（2005 年度的含水系數(shù)）。

井田預(yù)計(jì)生產(chǎn)能力為700 萬t/a，由于噸煤系數(shù)隨時間呈降低的趨勢，使用寶日希勒露天礦逐年噸煤含水系數(shù)來比擬計(jì)算謝爾塔拉露天礦的涌水量結(jié)果為1 148～13 965 m3/h。開采前期地下水靜儲量較大，后期靜儲量消耗殆盡，疏干水量主要為側(cè)向補(bǔ)給量，約27 552 m3/h。此時補(bǔ)給量僅為煤系含水層補(bǔ)給量。第四系潛水含層呈季節(jié)性少量補(bǔ)給。

2.4 靜儲量

含水層穩(wěn)定降落漏范圍內(nèi)巖土孔隙、裂隙中地下水中之重力水部分的水量即為靜儲量，第四系潛水含水層靜儲量計(jì)算公式為：

其中：QJ為靜儲量，m3；μ 為給水度。

煤層系含水層靜儲量分為2 部分:①徑流量：以水體積形式運(yùn)動在全部含水層中；②彈性調(diào)節(jié)量，即在巨大水頭壓力下使含水層發(fā)生彈性變形，比它在1 個大氣壓下所多容納的地下水水量。計(jì)算公式為：

式中：Ss為彈性釋水系數(shù)。

由式（8）和式（9）計(jì)算得，第四系潛水含水層靜儲量為195 萬m3，煤系含水層組靜儲量為358.41 萬m3，總計(jì)553.41 萬m3。項(xiàng)目建設(shè)期20 個月，疏干要求提前3 個月超前降深，因此疏干工程運(yùn)行期僅510 d。假設(shè)靜儲量平均分配，則日消耗靜儲量為：第四系潛水含水層3 823 m3/d，煤系含水層日消耗靜儲量約10 851 m3/d。

2.5 校核涌水量

采用《水文地質(zhì)手冊》采礦場涌水量計(jì)算公式對涌水量進(jìn)行校核驗(yàn)算[8]。露天采礦場開采時期，考慮消耗地下水貯存量及徑流量時的計(jì)算公式：

式中：α 為與水力動態(tài)有關(guān)的系數(shù)（潛水時，α=1；承壓水時，α=0.5）；T 為采礦場基本建設(shè)時間，510 d。

計(jì)算得，第四系含水層涌水量為18 457 m3/d，煤系裂隙含水層組涌水量為24 240 m3/d，總計(jì)42 697 m3/d。

2.6 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)不同計(jì)算方法得出計(jì)算結(jié)果，涌水量計(jì)算匯總見表2。

表2 涌水量計(jì)算匯總

通過大井法、廊道法及比擬法在計(jì)算過程中都為考慮到靜儲量，因計(jì)算的適用條件不同，概化模型及邊界條件等原因?qū)е掠?jì)算結(jié)果不盡相同。總體來看，廊道法與比擬法在計(jì)算煤系含水層側(cè)向補(bǔ)給量時計(jì)算結(jié)果相近，再加上日消耗的靜儲量，與大井法計(jì)算結(jié)果相近。用《水文地質(zhì)手冊》中考慮靜儲量的地下涌水量公式計(jì)算總量接近于大井法與廊道法計(jì)算的平均值。因此，在露天礦疏干排水設(shè)計(jì)中，采用降水孔超前疏干的方式疏降地下水位（水壓）時，應(yīng)充分考慮靜儲量。

3 地下水控制方式

1）疏干方案。設(shè)計(jì)前對幾種疏干方案進(jìn)行了比較，疏干降水孔施工簡單、安全、工期較短，疏干工程布置靈活，初期投資較少。經(jīng)綜合對比分析，最后選擇地面降水孔超前疏干方案。根據(jù)含水層的產(chǎn)狀、空間相對位置以及國內(nèi)露天礦疏干的經(jīng)驗(yàn)。初步設(shè)計(jì)采用地面降水孔超前疏干截取部分補(bǔ)給量，在平盤開挖集水溝、集水坑疏排靜儲量的聯(lián)合疏干方式疏降含水層地下水。

2）工程布置。目前，露天礦已施工了43 口疏干降水孔。通過對已施工降水孔的出水量核算，出水能力無法滿足設(shè)計(jì)的疏干排水量。為了保證疏干效果及采掘工作的安全進(jìn)行，在露天礦建設(shè)過渡期額外增加16 個過渡期疏干排水井，用來疏放靜儲量。同時，在采掘場平盤上開挖集水溝、集水坑，利用排砂潛水泵將平盤積水排至采掘場排水泵站或直接排至疏干水處理間。

4 結(jié) 語

1）采用解析法中大井法和廊道法計(jì)算的礦坑地下涌水量均為疏干漏斗形成后的側(cè)向徑流補(bǔ)給量。大井法與廊道法計(jì)算得出的第四系潛水含水層涌水量相近，但煤系地層含水層組涌水量相差較大。

2）露天礦礦坑地下涌水量受疏干漏斗內(nèi)靜儲量影響，疏干排水量變化趨勢是由小變大再變小，最后趨于穩(wěn)定。

3）謝爾塔拉露天煤礦依據(jù)大井法計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)疏干降水孔工程，為控制地下水位快速降深及疏放靜儲量，過渡期增設(shè)16 個疏干降水孔。