矿井涌水量解析计算及其适用性对比【摘要】矿井涌水量计算是煤矿水文补勘工程中的一项 重要任 务，目前矿井涌水量预测主要以“大井法”、“集 水廊道 法”为主，计 算过程往往简单、机械，不注重矿区水 文地质条件 及公式适用条件的分 析。本文在分析红一煤矿地质及水文地质条 件的基础上，对研究区水文地 质条件进行了概化，最终选用具有 一个隔水边界的稳定流承压转无压的 Dupuit 公式的推导式进行基 岩段涌水量计算。【关键词】大井法；集水廊道法；涌水量；水文地质补充勘 探1 地质及水文地质概况1. 1 井田地质及构造井田内地层由老至新依次有：奥陶系克里摩里组(Ok)；石炭系上统 土坡组(Ct)；石炭二叠系太原组(CPt)；二叠系 下 统山西组(Ps)、石盒子组 (Psh);古近系(E)和第四系(Q ) o红一井田总体构造为一走向北北东向、西翼陡东翼缓的不对 称背 斜，即红墩子三道沟背斜，其西部发育有红墩子向斜，再向 西被黄河断裂 所断。红墩子三道沟背斜西翼受红墩子断层切割， 红墩子断层落差 30m 180m。井田内煤层大部 赋存于红墩子三道沟 背斜东翼。1. 2 井田水文地质1. 2. 1 含水层划分及其特征 井田含水层划分为：第四系孔隙 潜水 层、古近系及基岩风化带孔隙裂隙含水层组、二叠系孙家沟 组、石盒子组 裂隙含水层组、山西组裂隙含水层组、太原组砂 岩裂隙含水层组、土坡组 砂岩裂隙含水层组、奥陶系裂隙含水层 组。其中山西组裂隙含水层、太原组砂岩裂隙含水层组为直接充 水含水 层，石盒子组裂隙含水层组为间接充水含水层。下面简述 以上三个含水层 特征。二叠系孙家沟组、石盒子组裂隙含水层：属直接充水含 水层，在全 区较广泛分布，厚度约在40360m 左右，含多个子含水层，为复合含水层。由粗粒砂岩、中粒砂岩及细粒 砂岩 构成， 分选磨圆中等，颗粒支撑，泥钙质胶结，裂隙欠 发育。根 据抽水试验， 本含水层天然静水位埋深43.96m,钻孔涌水量0. 185L/S，单位涌水量0. 0011L/m?s，渗透系数0. 0034m/d，为弱 富水含水层。山西组裂隙含水层：属直接充水含水层，该含水层组在 全区 广泛分 布，厚度约在530m,含3-9个子含水层。由陆相碎屑 岩系的粗粒、中 粒、细粒砂岩构成，分选磨圆中等，颗粒支 撑，泥钙质胶结，裂隙发育不 均匀。根据抽水试验，本含水层天 然静水位埋深58. 2373. 09m，钻孔涌水量0.510-2. 396L/S，单位涌水量 0. 0697-0. 1008L/m?s,渗透系数 0. 1407-0.2283m/d,为弱富水中等富水含水层。太原组裂隙含水层：属直接充水含水层，在全区广泛分 布，厚度约 在1035m,含6个以上的子含水层。由碎屑岩、碳酸盐岩的海陆互交相 岩系的粗粒、中粒、细粒砂岩、灰岩构 成，分选磨圆中等，颗粒支撑，泥 钙质胶结，裂隙发育不均匀。 根据抽水试验，本含水层天然静水位埋深 70. 1773.39m,钻孔涌水量0. 039-4. 571L/S，单位涌水量0.00060. 2681L/m?s，渗透系数0. 0015-1. 4479m/d,含水层天为弱 富水 含水层。1. 2. 2 隔水层隔水层主要有：古近系粘土隔水层；二叠系上部的粉砂岩、 泥岩隔 水层；二叠系石盒子组底部山西组顶部的煤层、泥岩、粉 砂岩隔水层；二 叠系山西组底部石炭系太原组顶部隔水层；石炭 系太原组底部土坡组顶部 的煤层、泥岩、粉砂岩隔水层。1. 2. 3 地下水的补给、径流及排泄条件矿区地下水在浅部受古近系隔水层的影响补给条件差，径流 及排泄 条件较好；深部由于古近系及基岩风化裂隙带含水层在煤 层露头区超覆于 煤层之上，地下水补给条件相对较 好，径流、排 泄条件受岩层渗透性及 阻水断层等影响相对较差。2 矿井涌水量预计2. 1 参数的选取利用本次所有补充勘探钻孔渗透系数资料，正常取值为所有该含水层所有渗透系数算术平均值。整理结果见lo表 1 各含水层渗透系数统计结果表2 2 矿井涌水量预计 2. 2. 1 涌水量计算择(1)集水廊道法式中：Q矿井涌水量，m3/d ;K渗透系数，m/d ；B集水廊边邦道总长，叫H潜水含水层厚度或承压水头高度，m； S 水位降深， m； R 影响半径， m;M 承压含水层 厚度， m ； hO 剩 余水柱厚度， m ；(当水位降至含水层底板 时 h0=0) o集水廊道法计算矿井最大涌水量 12240. 03m3/d ,即510. 00m3/h ；矿井正常涌水量 7147. 76m3/d ,即 297. 82m3/h。(2) “大井法”根据地质、水文地质资料，古近系段含水 层水文地质条件概化为近似水平的无限承压含水层，不考虑 隔水边界的影 响，稳定流承压转无压的 Dupuit 公式(式2、式 3) o式中：Q “大井”涌水量，m3/d ; HO天然水柱高度，m ；Hw 一剩余水柱高度， m ； F 一钻孔分布范围所圈定的面积， m2 ； rw 一大井的引用半径， m ； L、B 一钻孔分布系统的长和 宽， m； n 一与B/L 有关的系数。根据前期勘探资料，井田东部边界的黑梁断层为逆断层，为 压性断层，可视为隔水边界。因此，基岩段各含水层涌水量计算 时将水文 地质条件概化为一侧隔水，含水层近似水平的承压含水 层，采用具 有一个隔水边界的稳定流承压转无压的 Dupuit 公式 的推导式（4 ） 进行基岩段涌水量计算。式中：Q“大井”涌水量，m3/d ; HO天然水柱 高度，m;Hw剩余水柱高度， m; d大井”距隔水边界的距离， m； rw 大井的引用半径， m。大井法计算矿井最大涌水量 24895. 69m3/d ,即1037. 32m3/h ;矿井正常涌水量 14466. 41m3/d ,即 602. 77m3/h 2）计算 方法对比及矿井涌水量预计以上计算过程中，各含水层厚度釆用先期开采地段各钻孔揭 露厚度 的平均值，天然水柱高度取天然静水位至隔水层底板的距 离，剩余水柱高 度取 0oo从以上两种方法适用条件来看：井田内各含水层均属承 压含 水层， 当水位降至隔水层顶板以下时，充水含水层由承压转为无 压，无限含水层 的完整井的承压转无压条带基坑涌水量计算公式 既为“集水廊道法”。在 矿坑疏干过程中，当矿坑及矿坑周围的 水位降低呈现相对稳定的状态时， 即可以认为以矿坑为中心形成 地下水辐射流场基本满足稳定井流的条件。 理论上可将形态复杂 的坑道系统看成一个大井在工作，整个坑道系统的涌水量就相当 于大井的涌水量，从而可 以近似应用 Dupuit 的稳定流基本方程 计算矿坑涌水量既为“大井法”。从适用条件看，大井法中疏干排水、坑道涌水量的计算更为切合实际，较为准确。本次“大井法”考虑边界条件及含水层的影响，选用具有一 个隔水 边界的稳定流承压转无压的 Dupuit 公式的推导式进行计 算。由于“集水 廊道法”相对“大井法”未考虑隔 水边界的影 响，局限性较大。因此， 认为利用“大井法”计算的先期开采地 段的正常涌水量与最大涌水量与实际较为接近。另外，根据周边 矿井涌水量计算与实际涌水量的对比, 也证实了这一点。红一煤矿矿井涌水量采用大井法计算结果，矿井最大涌水量24895. 69m3/d ,即 1037. 32m3/h ；矿井正常涌水量14466. 41m3/d , 602. 77m3/h。根据前期勘探报告中，先期开采 地段矿井正常涌水量 482. 30m3/h ,矿井最大涌水量按 750m3/h ,与本次矿 井涌水量计算结果差别较大。通过对比分析，首先勘探报告中石盒子组裂隙含水层组、 山西组裂隙含水层组渗透系数 K 分别为 0. 0463m/d.0. 0235m/d，而本次所采用的渗透系数K分别为0. 2305m/d、0. 1625m/d o 本次抽水试验均采用了带有观测孔的孔组抽水试验 方法，另 外参数采用了稳定流和非稳定流的两类四种方法进行计 算，计算结果更接 近实际。3 结论及建议 矿井涌水量的计算是一项重要而复杂的工作，不能简单、机械 地使 用公式，应充分分析前期所取得的水文地质资料，采用更加适 合该矿井水 文地质条件的方法计算用水量。本次采用“大井法”进行矿坑涌水量预计，对水文地质边界条 件进了 了合理概化，并根据概化后的水文地质条件选用了适合的计 算公式，计算 结果较为可靠。矿井在煤层开采过程中，除直接充水含水层外，由于煤层开采 产生的 导水裂缝带会导通上部含水层，尤其是山西组裂隙含水层以 及二叠系孙家 沟组、石盒子组裂隙含水层组，该含水层组虽富水性 弱，但该矿为红墩子 矿区首采矿井，地 下水赋存还处于天然状态, 水头压力大，静储量较大， 充水强度会比较大，对煤层开采有较大 影响。此外，在井田西部靠近煤层 风氧化带区域及红墩子向斜轴部 附近，导水裂隙会与古近系及基岩风化带 孔隙裂含水层导通，该含 水层厚度大，富水性中等，充水强度较大，对矿井 威胁较大。【参考文献】1河北省地质局水文地质四大队水文地质手册M.北 京： 地质出版社，1978. 2 宁夏红一煤矿水文地质补充勘探报告 R .2O12, 09.责任编辑：刘展