Q-S曲线法、“大井法”在井工三矿涌水量预测中的应用

Q-S曲线法、“大井法”在井工三矿涌水量预测中的应用

苗成文

中煤平朔集团有限公司地质测量中心  山西省朔州市 036006

摘要：为保障煤矿安全生产，预防突水事故发生，采用“Q-S曲线法”、“大井法”计算井工三矿4#、9#煤层矿井涌水量，进而为今后防治水工作提供参考。

关键词：井工三矿；Q-S曲线法、“大井法”；涌水量预测

Abstract: In order to ensure the safe production of coal mine and prevent the occurrence of water inrush accidents, the "Q-S curve method" and "big well method" are used to calculate the water inflow of coal mine three mine 4# and 9# coal mine, and then provide reference for the future water prevention and control work.

Key words: The underground mine ;Q-S curve method、“big well method”;The prediction of water inflow.

井工三矿由于直接充水含水层为煤层顶板以上砂岩含水层，各含水层之间水力联系较好，在采煤过程中容易产生突水、涌水事故。因此，为保障矿井安全生产，必须充分考虑矿井涌水量的影响，所以利用水文地质补充勘查抽水资料，采用Q-S曲线法、“大井法”对矿井涌水量进行预测。

1.  煤层情况

井工三矿主要含煤地层为二叠系下统山西组、石炭系上统太原组。共含煤9层，编号为4-1、4（4-2）、5、6、7、8、9、10、11#煤。4-1、4（4-2）、9、11#为主要可采煤层，10#为局部可采煤层，6、7、8#煤层为零星赋存煤层，仅个别点可采；5#煤层极不发育（表2-1）。

表1    各煤层控制情况及稳定性评价一览表

2.   水文地质情况

2.1  含水层

平朔矿区井工三矿自上而下主要有第四系松散孔隙含水层，石炭-二叠系碎屑岩裂隙含水岩，奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层三套含水层组。

根据岩性组合及含水层的水力性质，井田内含水层细可分为7层，自下而上分别为奥陶系灰岩岩溶含水层、太原组下部T2砂岩裂隙含水层、太原组上部T3+4砂岩裂隙含水层、山西组K3砂岩裂隙含水层、下石盒子组K4砂岩裂隙含水层、上石盒子组K6砂岩裂隙含水层及第四系砂砾孔隙含水层。

2.2  隔水层

根据综合水文柱状图及有关资料，本区内主要隔水层有新近系红土隔水层，石炭-二叠系层间泥岩隔水层和11#煤底板隔水层[1]。

3.  利用抽水钻孔各煤层水平水位参指标

表2  各煤层水平水位降深参数一览表

4.  矿井涌水量计算

涌水量计算是防治水的基础，本次采用“Q-S曲线法”和“大井法”对井工三矿的涌水量进行了计算、分析研究。

4.1  Q-S曲线法

根据稳定井流理论，抽水井的涌水量Q与水位降深S之间可用Q-S曲线的函数关系表示。Q-S曲线就是利用稳定流抽（放）水试验的资料，建立涌水量Q与水位降深S的曲线方程，然后根据试验阶段与未来阶段水文地质条件的相似性，把Q-S曲线外推，以预测涌水量。常见的Q-S曲线类型可归纳为直线型、抛物线型、幂函数曲线型、对数曲线型4种形式[2]（表3）。

表4   Q-S关系曲线对照表

对数型曲线常出现在一些相对隔离的含水岩体和含水构造地区，其分布范围较大，地下水补给条件较差。

根据抽水试验水位降深S与抽水井涌水量Q资料，绘制Q-S曲线（图4-1~4-10）。本次采用了曲度值n来判别Q-S曲线类型，即通过公式 计算得到n值，若n=1，Q-S曲线方程为直线型；若12，Q-S曲线方程为对数曲线型；若n<1，则说明抽（放）水资料有错误。

判别曲线类型并拟合后，求得其对应的函数关系，利用各抽水孔（本次计算4煤涌水量所用钻孔抽水层位为4#煤以上砂岩层，计算9、11#煤涌水量所用钻孔抽水层位为石炭-二叠系砂岩相关参数（表2）估算涌水量（表4）。不同地段，含水层水文地质条件各异，地质构造不同，从而抽水试验所获得的参数也有所不同，从而导致计算所得涌水量值不同，本次取各煤层水平涌水量计算最大值作为该煤层涌水量。结果为4#煤正常涌水量为37.77 m3/h，最大涌水量是按照正常涌水量的1.3倍进行预测，即为49.01 m3/h；全井田开采9、11#煤正常涌水量分别为218.08 m3/h和249.95 m3/h，最大涌水量分别为283.50m3/h和324.94 m3/h。

表4  利用Q-S法计算各煤层水平涌水量

4.2大井法

解析法是是运用地下水动力学原理，对一定边界条件和初始条件下的地下水运动建立定解公式，然后运用定解公式来计算矿井涌水量。大井法是将巷道系统分布范围假设为一个理想的大井，该大井与巷道系统分布的面积相当，当矿井排水时，在矿井周围形成以巷道系统为中心的具有一定形状的降落漏斗，故可直接利用地下水动力学公式计算[2]。

井工三矿充水水源主要为煤层顶板砂岩裂隙水，随着井巷开拓及矿坑水的疏排，承压水头降至含水层顶板以下，井巷附近出现无压区，而远离井巷周围仍保持承压状态。根据水文地质条件。因此，本次选用潜水—承压水完整井的涌水量公式（公式4-1）计算矿井涌水量：

       (4-1)

式中：Q—矿井涌水量，m3/d；K—渗透系数，m/d；M—含水层（出水段）厚度，m；S—疏排设计降深，为自然水位至疏干标高的距离，m；H—初始水位（以含水层底板为基准），m；h—疏干井的井中水位（以含水层底板为基准），m；R0—含水层的引用影响半径，m，； r0—引用半径，m；r0 = (F/π)1/2，F为先期开采地段面积（km2）。

（一）4#煤顶板涌水量计算

通过对矿区内4煤以上顶板砂岩含水层抽水试验数据统计可知， 4煤以上含水层及二叠系砂岩抽水试验钻孔主要有水补9、水补13、水补14、水补15、水补18及水补19，取各钻孔抽水试验所得到的渗透系数K的平均值，得K=0.2551 m/d；取煤顶二叠系含水层自然水位标高（以含水层底板为基准）的平均值：得H=125.02m；含水层厚度取4煤主要含水层K

3、K4和K6含水层累计厚度的平均值M=35.37m；平均自然水位标高至目的煤层顶板含水层底板标高的距离平均值作为疏排设计降深S，得S=125.02m；本次4煤计算涌水量，采煤区面积8.90km2，引用半径，取=1.18，a、b分别为采煤区长宽，算得=1737.69m；含水层的引用影响半径，，=2425.20m（各相关参数见表5）。

将各相关参数代入公式4-1，计算得到4#煤矿井正常涌水量为760.84m3/h。根据经验，最大涌水量按照正常涌水量的1.3倍进行预测，以此计算最大涌水量为989.10m3/h。

表5 “大井法”4#煤涌水量计算表

（二）9#煤顶板涌水量计算

通过对矿区内4~9#煤层间顶板砂岩含水层抽水试验数据统计可知， 4~9#煤层间含水层砂岩抽水试验钻孔主要有水补10、水补14、水补15、水补18、水补20，取各钻孔抽水试验所得到的渗透系数K的平均值，得K=0.1022m/d；取煤顶二叠系含水层自然水位标高（以含水层底板为基准）的平均值：得H=136.33m；含水层厚度取9煤主要含水层T3+4、K3、K4和K6含水层累计厚度的平均值M=29.51m；平均自然水位标高至目的煤层顶板含水层底板标高的距离平均值作为疏排设计降深S，得S=136.33m；本次9煤计算涌水量，采煤区面积8.90km2，引用半径，取=1.18，a、b分别为采煤区长宽，算得=1737.69m；含水层的引用影响半径，，=2425.20m（各相关参数见表6）。

将各相关参数代入公式4-1，计算得到9煤正常涌水量为288.05 m3/h。最大涌水量按照正常涌水量的1.3倍进行预测，以此计算最大涌水量为374.47m3/h。

表6 “大井法”9#煤涌水量计算表

（三）11#煤顶板涌水量计算

目前，由于缺少11#煤层顶板砂岩含水层抽水试验数据，故在此不对11#煤涌水量进行计算。

5.   结论

利用Q-S曲线法和“大井法”预测井工三矿涌水量，Q-S曲线法预测4#煤正常涌水量为37.77 m3/h，最大涌水量是按照正常涌水量的1.3倍进行预测，即为49.01 m3/h； 9、11#煤正常涌水量分别为218.08 m3/h和249.95 m3/h，最大涌水量分别为283.50m3/h和324.94 m3/h。利用“大井法”计算矿井4#煤正常涌水量和最大涌水量分别为760.84 m3/h和989.10 m3/h； 9#煤正常涌水量和最大涌水量分别为288.05m3/h和374.47m3/h。参照井工三矿井下9号煤涌水量统计最大为475.51m3/h，最小为216.3m3/h，平均涌水量为261.52 m3/h。与两种方法计算结果相近，从煤矿生产安全出发，建议井工三矿在煤矿防治水工作中参考“大井法”计算的涌水量。

由于Q-S曲线法及“大井法”都是采用抽水试验取得的数据，受抽水试验降深及时间的制约，其预测结果均与实际观测数据有差距。因此，用Q-S曲线法及“大井法”所计算矿井涌水量仅供参考，要结合实际观测的涌水量资料安排排水设施。

参考文献：

[1] 武强,曾一凡,张维.《山西省中煤平朔集团有限公司井工三矿水文地质类型划分报告》.

[2]郑世书，陈江中，刘汉湖．专门水文地质学[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1999．

作者简介：苗成文 （1977-） 男  山西朔州人， 工程师  1997年毕业于云南省昆明地质学校  现在中煤平朔集团公司地质测量中心从事煤矿地质工作

1