煤矿水文地质特征和矿井涌水量预测探讨

煤矿水文地质特征和矿井涌水量预测探讨

杜继国魏修立

皖淮南市淮浙煤电公司顾北煤矿顾北煤矿调度信息中心安徽淮南232151

摘要：随着时代的不断前进，我国科技在不断的发展，煤矿生产安全一直受到矿井涌水的威胁，对煤矿的正常生产造成非常大的影响。基于此，需要切实加强对煤矿水文地质特征的分析，并积极预测矿井涌水量，这是不容忽视的，也是非常重要的。本文主要探讨了煤矿的水文地质特征，并对几种矿井涌水量预测方法进行分析探讨，以便显著提高煤矿开采的安全性和高效性，更好地促进煤矿的发展。

关键词：煤矿；水文地质特征；矿井涌水量；大井法

引言

矿井涌水量是指矿井开拓与开采过程中，单位时间内涌入矿井（包括井巷和开采系统）的水量，它不仅是一个表征了矿井充水强度和矿井水文地质条件复杂程度的重要指标，同时也是矿井排水系统设计的重要依据。矿井涌水的组成十分复杂，体现在突水水源和通道的复杂性上。目前矿井涌水量预测大体上可以分为确定性预计方法和非确定性（随机）预计方法两类。其中确定性预计方法主要包括解析法、模拟法、数值法与水均衡法；非确定性预计方法主要包括水文地质比拟法、回归分析法、模糊数学法、灰色关联法、神经网络法、时间序列分析法和混沌模型法等。

1井田水文地质特征

上部含水层（组），含水层段厚度72.54～122.89m，矿化度0.469～0.675g/L，水质类型为HCO3-Na及HCO3·SO4-Na型。该含水层中等～强富水性。矿区水量充沛，水质良好，为生活饮用水主要水源。中部含水层（组），含水层段厚度22.82～224.81m，矿化度1.388～2.571g/L，水质类型Cl-Na、Cl·SO4-Na和SO4·Cl-Na型。该含水层中等～强富水性。由于上部隔水层隔水性不稳定，厚度变薄地段，上含与中含可产生水力联系。下部含水层（组），含水层组厚度0～68.90m，矿化度1.319～3.059g/L，水质为Cl-Na、Cl·SO4-Na型。下含于东北方向最厚逐渐向西南方向变薄至缺失。该含水层弱～强富水性。中部隔水层岩性主要由厚层粘土、砂质粘土和薄层细砂组成。粘土质细、纯，可塑性较强，具有膨胀性，厚度大，分布稳定等特点，阻止了中部含水层（组）及以上含水层与下部含水层（组）之间的水力联系。底部“红层”含水层，厚度为0～15.20m，矿化度1.768～2.301g/L，水质为Cl-Na型；主要零星分布，为弱富水性。下部隔水层平均厚度13.71m。岩性主要由固结粘土、砂质粘土、固结砂质粘土混和构成。固结粘土和固结砂质粘土中富含钙质，具良好隔水作用。下部隔水层在井田内总体上分布较稳定，下含对基岩不产生直接补给，但局部存在缺失区。

1.2充水因素分析

1）大气降水大气降水会对新生界松散层孔隙含水层进行补给，大多数时候由于受到诸多因素的影响，要想让大气降水向煤系含水层渗透，难度是非常大的。除此之外，由于下部隔水层分布稳定，且有着非常强的隔水性，因此在下部隔水层的作用之下，大气降水与煤系含水层之间并没有较大的关系。2）断裂构造带煤矿内的大多数断层处于天然状态，并没有较好的富水性和较强的导水性。在井巷施工的过程中将断层穿通，这样断层裂隙带的地下水就会进入到煤矿中，只是并没有很大的水量。但是因为已经破坏了天然的平衡状态，断层的导水性会相应地增强。一旦主采煤层对口，或者沟通富水层，就极有可能发生突水的状况。3）石灰岩岩溶裂隙水不管是太原组，还是奥陶系石灰岩岩溶裂隙水，一般情况下都不会对煤层开采造成直接的充水影响。但是当发生断层或者出现陷落柱的时候，煤层就开始与石灰岩对口接触，缩短了两者之间的距离，这会直接对矿坑造成充水影响，或者使巷道发生底鼓的情况，进而间接地使得该煤层成为充水含水层。

2矿井涌水量的预测

2.1选取计算方式

如果矿坑在疏干当中有着比较稳定的涌水量，就可以认为地下水辐射流场是以矿坑为中心点形成的，与稳定井流的条件相符。因为矿坑的形成并不具有一定的规则，尤其有着广泛的坑道系统分布，所以使得其边界构建非常复杂，这就需要对其进行理想化处理。从理论层面来看，可以将具有复杂形状的坑道系统看成是一个工作的大井，而将不具有规则性的坑道系统圈定的面积看成是大井的面积，那么整个系统的涌水量就接近于大井的涌水量。在对涌水量进行计算的过程中，可以采用稳定流基本方程的方法进行计算。此种方法也被称为“大井法”。具体的计算方式就是通过对坑道系统长度（A）和宽度（B）大小的测量，确定半径R，最后在预测涌水量时再采用大井法进行预测[3]。实际中，在对矿井的涌水量进行预测时，需要充分考虑选择何种计算方式。“大井法”详细的计算方式分析如下。

2.2计算方式分析

可以选用承压转无压水的方法对矿坑的涌水量进行计算，即：

式（1）中，Q为拟建新矿井的涌水量，m3/d；K为渗透系数，m/d；M为承压含水层所具有的厚度，m；H为承压水由井底开始到水头的平均高度，m；h0为含水层底板至井中动水位的高度，m；R0为引用影响半径，m；r0为引用半径，m。

2.3数值模型

根据本区渗透介质空间分布特点，为了尽可能真实地反映岩层中地下水的渗流状况，在满足模拟精度的前提下，模型剖分初期以100m×100m等间距剖分。考虑了采掘后出现的冒落带和导水裂缝带情况，经过初期剖分和后期加密剖分，模型横向上共剖分成263个单元格，纵向上共剖分成253个单元格，且工作面区域以剖分线与工作面边界线重合为原则剖分；垂向上共剖分成9层，模型最终剖分成263×253×9个单元体，每层平面上共剖分成67045个单元格，单元格总计603405格。

2.4分析预测结果

对于一些水文地质条件相对比较简单的矿区，可以采用大井法对矿井的涌水量进行预测，通过此种方法对用水量进行计算是比较合理的。但是因为大井法在地下水动力学当中属于一种比较理想的模型，其有关的计算公式大多用于各向同性含水层，或者是均质上，应用范围相对来说具有一定的局限性。而对于各向异性、不完全均质的裂隙含水带，在进行计算时也把其视为均质层，进而获取到一些渗透系数等。除此之外，因为在实际抽水的过程当中，含水层厚度、水头还有井中动水位会发生一定的变化，这就会对所选用的这些常量数据的计算造成一定的影响，而最后所预测出来的结果和实际相对比就会有非常大的误差存在。同时，因为含矿破碎带的含水带是一种弱含水带，在对其进行勘探或者是揭露时，会发现其有着比较大的涌水量，之后会开始慢慢地呈现下降的趋势。在矿床开采到一定程度后，矿井储水量为静储量，越向深处挖掘，水量不但不会呈现出增大的趋势，反而会呈现出不断下降的趋势。因此，当最后的预测计算结果出来之后，就会发现其实与实际对比存在较大的差异。鉴于此，在对矿坑涌水量进行预测的过程中，需要全面地分析有关的影响因素，多种方法相互验证，只有这样，才能够确保预测的结果与实际更加接近，充分保证煤矿生产的安全。

结语

综上所述，只有充分分析并研究矿井的涌水量及其所具有的水文地质特征，才能够保证煤矿开采工作的安全，提高实际开采工作的效率，帮助煤矿企业获得更好的发展，并为其发展提供强大的后盾和支持。在此次的研究中，主要对矿井涌水量的两种计算方法进行了探究，包括大井法和水文地质比拟法。对这两者进行研究，结果显示，在实际中应用大井法进行计算时存在较大的局限性，而水文地质比拟法的预测结果有着更高的准确性。不过需要重视的是，不管采用何种方法，都需要充分考量相关的影响因素。

参考文献：

［1］虎维岳，闫丽．对矿井涌水量预测问题的分析与思考［J］．煤炭科学技术，2016，44（1）：13－18．

［2］沈慧珍，许光泉．多元统计方法在矿井地下水中的应用［J］．安徽理工大学学报（自然科学版），2004（S1）：1－5．

［3］尹尚先．煤矿水害防治基础科学发展思考［J］．煤炭工程，2016，48（S2）：96－100．

［4］田洪胜．浅析矿井涌水量预测中的常用方法［J］．地下水，2013，35（3）：19－21．