尔林兔二号井田矿坑涌水量预测研究

•地质与矿业工程•
尔林兔二号井田矿坑涌水量预测研究
李鹏飞"，陈小军，惠鹏，张林
(陕西省煤层气开发利用有限公司地质研究院分公司，陕西西安710065)
摘要：矿井涌水量是矿井排水系统设计和防治水重要依据以陕北侏罗纪煤田尔林兔二号井田为例，采用解析法和水文地质比拟法对研究区矿坑涌水量进行预测，并进行对比分析。

对比结果表明，解析法与水文地质比拟法计算的矿坑涌水量比较接近，说明涌水量预算参数选择合理，计算方法正确，水文地质比拟恰当，预算结果可以作为煤矿设计和建设的依据。

关键词:尔林兔二号井田；涌水量预测；解析法；水文地质比拟法
中图分类号：P64文献标识码：A文章编号:1()()4-5716(2019)()1-0080-04
矿井涌水量预算，是井田水文地质工作的主要任务之一，但因为自然因素的错综复杂.开拓方式的不同，地下水在开拓过程中又随时间在不断变化.所以至今还没有一个较完善的计算方法。

目前矿井涌水量预测方法较多，主要有水文地质比拟法、Q—S曲线方程法、相关分析法、水均衡法、解析法和数值法等，每种方法都有其使用条件.只有选择恰当的方法,预测的矿坑涌水量才有较高的可信度。

由于各种计算方法适用范围存在差异，因此计算时应充分考虑矿区的地质及水文地质条件’依据本区水文地质实际条件，采用解析法和水文地质比拟法对矿井涌水量进行预计。

1井田水文地质条件
尔林兔井田位于地处陕北黄土高原北部与毛乌素沙漠东南缘的接壤地带，地形地貌以风积沙丘及风沙滩地为主。

地表水主要有有理河、绘丑沟河和少量海子。

有理河在井田中部由南向北流出，最终汇入红碱淖湖区，属小内陆河流，实测流量641.52m7h o吃丑沟河位于井田东南部，属黄河水系秃尾河流域，井田内流长约8km,平均流量3038mVh o井田内仅存少量海子和人工挖掘形成的小水塘.蓄水面积和蓄水量均小、区内地下水可划分为2种类型:松散岩类孔隙含水层与碎屑岩类孔隙、裂隙含水层2大含水岩系;共包含6个含水岩层(组)：第四系沙层孔隙潜水含水层、第四系中更新统离石组孔隙裂隙潜水含水层、白垩系下统洛河组孔隙裂隙潜水一承圧水含水层、侏罗系中统安定组裂隙承压水含水层、侏罗系中统直罗组裂隙承压水含水层、侏罗系中统延安组裂隙承压水含水层。

第四系萨拉乌苏组冲湖积层孔隙潜水、白垩系洛河砂岩孔隙裂隙潜水补给条件优越，地下水的赋存条件好，富水性中等至强；其余各组段富水性弱。

根据《煤矿床水文地质、工程地质环境地质勘查评价标准》及《煤、泥炭地质勘查规范》中有关规定.把本区水文地质勘查类型应划为二类一型，即以裂隙含水层充水为主的水文地质条件简单的矿床。

2解析法矿坑涌水量预算
井田地质构造简单，岩层产状平缓,煤系及其上覆直罗组下部砂岩承压含水层与洛河组含水层之间均存在稳定的隔水层一一安定组中上部泥岩和直罗组上部泥岩隔水层.自然条件下,地表水、浅层承压水(洛河砂岩水)与含煤地层水之间无明显水力联系,采矿影响范围内无补(隔)水边界，属无界承压含水层，因而可以用地下水动力学公式计算矿井涌水量。

2.1公式选择
(1)大井法：
承压转无压公式:
Q=1.366K
2加_耐2_护
lg^.-lgro
当矿井疏干排水时，在矿井周围便形成以巷道系统为中心的具有一定形状的漏斗，这与钻孔抽水时在钻孔周围形成降落漏斗的情况十分相似，因而可将巷道系统抽象为一个理想的大井，而这个大井的横断面积与巷道系统分布的面积相当，因此可以用“大井法”
*收稿日期:2018-05-17
第一作者简介:李鹏飞(1982-).男(汉族),陕西洛南人，丁•程师，现从事煤炭及煤层气地质勘探和开发研究丁作
计算巷道系统的涌水量。

当水位降至煤层顶板以下时，即由承压转为无压，因此选用裘布依承压转无压公式。

（2）集水廊道法：
0=（一侧进水）
井下水平巷道排水时.沿巷道的两侧含水层中水位下降，此情况与地下水流向水平集水建筑物类似，假设此水平巷道沿井田的周围布置.便形成了以井田为中心的水平集水建筑物，因而也可以用“集水廊道”公式计算矿井涌水量。

式中:Q---预计矿井涌水量,m3/d；
K渗透系数,m/d；
M—
—承压含水层的厚度,m；
H---水柱高度,m;
L---水平巷道的总长,m；
R“——矿井疏干排水时的引用影响半径
r0;
R—
—影响半径,m，采用经验公式进行计算:承压水R=10S4K；潜水R=2S/KH；
S——水位降深,m,矿井疏干排水时,水位降至煤层底板，故S=H；
—
—假想大井的半径，m；尔林兔二号井田先期开采地段形状为一个矩形,长/宽=2,故/0=1.17x（«+ 6）/4=3837.60（m）；
h—
—动水位到含水层底板的距离,矿井排水后,水位将降至煤层底板，故/?=0。

2.2预算方法及参数确定
（1）预算方法。

针对本井田面积大、抽水试验层段不一（分段、分组及混合抽水）的特点，本次仅对先期开采地段进行涌水量预算，选用分段计算与分组及混合计算相结合的方法，然后再根据导水裂隙的发育高度及与上覆含水层的连通情况综合分析.最终确定出矿井正常涌水量和最大涌水量。

未来煤层开采的充水水源主要为延安组裂隙承压水（直接充水）及直罗组裂隙承压水（通过采矿冒裂带间接充水），充水方式以顶板进水为主。

2-号煤层的直接充水會水层为延安组第五段裂隙承压含水层，间接充水含水层为直罗组下部砂岩裂隙承压含水层。

煤层的直接充水含水层为延安组第四段裂隙承压含水层.由于3"煤层导水裂隙与上部2-号煤层采空区沟通，故2乜号煤层采空区水为煤层的间接充水水源。

4^煤层的直接充水含水层为延安组第二段裂隙承压含水层，按照《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准XMT/T1091-2008）推荐的公式计算，开采4_号煤层所产生的导水裂隙不会与上部沪号煤层采空区沟通。

5宀号煤层的直接充水含水层为延安组第二段裂隙承斥含水层，由于开采5弋号煤层产生的导水裂隙带均与4"号煤层采空区贯通，故4~号煤层采空区水为5一煤层的间接充水水源。

（2）参数确定。

直罗组下部砂岩与延安组第五段呈冲刷接触关系.两者水力联系密切.抽水试验时把两者作为一个含水体考虑（直罗组下部砂岩至号煤
层）,静止水位标高取SK6-2孔该组静止水位标高,含水层厚度（M）选取涌水量计算范围内所有钻孔该组段煤层及细粒砂岩（含细粒砂岩）以粗岩层累计厚度的平均值.含水层底板标高选用涌水量计算范围内所有钻孔2«煤底板标高的算术平均值,静止水位标高减去煤层底板标高即为矿坑排水时该含水岩组的水位降深（S）,渗透系数选取SK6-2孔对该段抽水试验所获得的渗透系数，
延安组第四段裂隙承压含水层（2~号煤层底〜3"号煤层底）参数选择SK6-5孔对该段抽水试验所获得的渗透系数和静止水位标高，其它参数选择方法同前，延安组第三段（3T号煤层底〜4七号煤层底）、第三段+第二段（3"号煤层底〜5-2号煤层底）裂隙承压含水层参数选择R9-5孔对该段抽水试验所获得的渗透系数和静止水位标高，其它参数选择方法同前。

2.3预算结果
涌水量预算范围为先期开采地段。

因为对煤层开采有充水意义的含水层均为承压含水层，埋藏较深，大气降水及潜水的季节性变化对矿坑涌水量影响不大，故矿坑最大涌水量根据导水裂隙发育高度和煤层间距、岩性组合特征、富水性等因素综合考虑。

各含水层段涌水量计算结果见表1、表2。

表1、表2相比较可以看出,2种方法计算的矿坑涌水量相差甚微.说明公式的使用和参数的选择是合理的；综合考虑各种因素.决定选用“大井法”的计算结果，
2~号煤层矿坑涌水量：
正常涌水量忆—2^煤=566（m7h）o
井田最上一层全区可采煤层为2弋号煤层，其导水
表1“大井法”预算矿井涌水量成果表
范围含水
岩组
含水层厚度M
(m)
假想大井半
径r0(m)
影响半径
R(m)
引用影响半径水柱高度
H(m)
渗透系数K
(m/d)
涌水量
Q(m：7h)
先期开采地段J2Z-2-268.453837.601341.605179.20322.580.03281566 2J3|18.293837.6060.673898.27362.560.0002830 3|—4216.893837.60159.853997.45414.120.0014966 3!-5232.183837.60181.504019.10470.190.00149123
表2“集水廊道法”预算矿井涌水量成果表
范围含水岩组含水层厚度
M(m)
边帮长度
L(m)
影响半径
R(m)
水位降深
S(m)
渗透系数K
(m/d)
涌水量
Q(m7h)
先期开采地段JvZ-2268.45262401341.60322.580.03281528 27118.292624060.67362.560.0002833 3」4216.8926240159.85414.120.0014970 3'-5232.1826240181.50470.190.00149131
裂隙带最大高度无论用《煤矿床水文地质、丁程地质及环境地质勘查评价标准》(MT/T1091-2008)推荐的计算公式还是用中煤科工集团西安研究院在陕西省黄陵矿区的研究成果进行计算,均大于2一号煤层至直罗组底的距离,但全小于旷号煤层至安定组底的距离，说明开采2^号煤层时,导水裂隙带均能沟通直罗组含水层,但不能沟通安定组含水层,所以号煤层开采时的正常涌水量为J比-2-2煤层含水岩组的涌水量；最大涌水量为(隐蔽断裂或其它人为通道)沟通上覆含水层时的涌水量，暂时无法预测。

3T号煤层矿坑涌水量：
正常涌水量Q煤-煤=30(m：i/h)
最大涌水量6=(2^煤-3^煤)+煤采空区水—596(m3/h)
4乜号煤层矿坑涌水量：
正常涌水量Q e=37煤-4宀煤=66(m!/h)
5乜号煤层矿坑涌水量：
正常涌水量Q『=3T煤-煤=123(mVh)
最大涌水量煤-5-2煤)+3-’煤采空区水= 720(m7h)o
需要说明的是，用《煤矿床水文地质、丁-程地质及环境地质勘查评价标准XMT/T1091-2008)推荐的公式计算,5七号煤层导水裂隙带均与4勺号煤层采空区贯通,但…般情况下不会与37号煤层采空区发生水力联系，所以用3T煤-5-煤层间含水层向矿坑的充水量作为开采5弋煤层时的矿坑正常涌水量;用中煤科工集团西安研究院在陕西省黄陵矿区的研究成果进行计算，开采5一号煤层所产生的导水裂隙在大部分地段都与3-'号煤层采空区贯通，故5七号煤层矿坑最大涌水量加上了3T号煤层采空区水。

3水文地质比拟法
尔林兔二号井田范围内及四邻既无生产矿井、又无老窑。

其东南方30km外的锦界煤矿矿坑涌水量为2000~3000m7h,充水水源为沙层水和基岩风化带水，但二者的水文地质条件不同。

锦界煤矿位于榆神矿区浅部,煤层埋藏较浅，煤矿开采产生的导水裂隙与基岩风化带相连通,有的地段与沙层水直接发生水力联系，导致上层潜水进入矿坑,又有秃尾河及其支流青草界溪流水的补给，因而涌水量大。

尔林兔二号井田位于榆神矿区中深部,煤层埋藏较深,煤矿开采产生的导水裂隙不易与浅层基岩水和沙层水发生水力联系，因而涌水量较小。

井田以西15km外的葫芦素矿井(内蒙古)设计生产能力1300xl04t/a,立井开拓方式，开采面积1.53km2,开采煤层为号煤层，煤层平均埋深640m,矿坑排水量261m7h(其中采区排水量100m7h，巷道排水量152m3/h.井筒排水量&7m：7h)；井田西南25km以外的 巴彥高勒矿井(内蒙古)设计生产能力400xl04t/a,立井开拓方式,开采面积2.52km2,开采煤层为3T号煤层,煤层平均埋深660m,矿坑排水量371m7h(其中采区排水量215m7h,巷道排水量146m3/h,井筒排水量10m3/h)；本井田先期开采地段范围内煤层平均埋深364.65(2'2号煤层)〜510.31m(5「2号煤层)，地质及水文地质条件与上述两矿井十分相似，只是煤层埋藏深度较浅，因此可以
参照上述2矿井的实际排水量比拟本井田先采地段的矿坑涌水量。

由葫芦素矿井和巴彥高勒矿井的排水量资料(见表3)相比较可以看出，矿井采区排水量与开采面积呈正相关关系(大约呈对数关系),开采面积越大则矿坑排水量越大;与矿井设计生产能力没有直接的相关关系O
上述2矿井采区排水量与开采面积基本符合对数
表3邻近生产矿井排水量资料一览表
矿井名称
设计
生产能力
(Mt/a)
开拓
方式
开采面积
(km2)
采区
排水量(m7h)开采
煤层
煤层
平均埋深
(m)
开采面积与
排水量的关系
巷道井筒总计
葫芦素矿井13立井开拓 1.541001528.726122煤640采区排水量与开采面积约是巴彦高勒矿井4立井开拓 2.52215146103713■煤660对数关系
关系，即:
lgFi_lgF2
尔林兔二号井田先期开采地段面积37.4km2o以葫芦素矿井和巴彥高勒矿井开采面积和排水量确定的对数关系式计算.预测本井田先期开采地段矿坑涌水量为840m7h,巷道涌水量为150mVh，井筒涌水量为10m3/h，总计1000m7h。

4结论
上述预算结果显示，“水文地质比拟法”计算的矿坑涌水量和“大井法”计算的矿坑涌水量比较接近，说明涌水量预算参数选择合理，计算方法正确，水文地质比拟恰当，预算结果可以作为煤矿设计和建设的依据。

综合各种因素全面考虑，建议采用“大井法”的计算结果作为各煤层回采时的涌水量，“水文地质比拟法”的预算结果作为矿坑系统总的涌水量，即:矿坑总涌水量为1000m3/h?
根据经验予以经验系数1.36.计算出矿坑最大总涌水量为1360m3/h,
在不沟通洛河砂岩水和沙层水的前提下，一般来讲，煤矿开采初期涌水量较小，随着开采面积的增加涌水量将不断增大。

当隐蔽断裂或其它人为通道沟通洛河砂岩水和沙层水时,矿坑涌水量将增大,甚至发生突水事故.煤矿生产中应给予高度重视,确保人员生命安全。

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(1)给岀了泥浆帽钻井的3种技术形式、各自优缺点和选择条件。

(2)加压泥浆帽钻井技术可成功解决沥青侵造成的漏涌同存地层的钻井难题，
(3)建议对加压泥浆帽钻井技术中的压力波动进行更深入的分析,找出变化规律，以便用于指导现场施_L.o
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