摘要
矿井涌水量是煤矿开发建设的重要技术条件之一，对煤矿的设计开采、确定防排水措施及设备选型至关重要。本文主要针对煤矿矿坑涌水量预算方法进行探讨，通过对大井法与比拟法预算结果的分析对比，综合认为大井法预算涌水量结果更合适。研究结果可为矿井防排水措施及设备选型提供依据，同时为周边同类型矿井涌水量预测提供参考。
Abstract
The water inflow of mines is one of the important technical conditions for coal mine development and construction， which is crucial for the design and mining of coal mines， the determination of waterproof and drainage measures， and equipment selection. This article mainly discusses the budgeting method for water inflow in coal mines， analyzes and compares the budgeting results of the large well method and the comparative method， and finds that the large well method is more suitable for estimating water inflow. Provide a basis for mine waterproofing and drainage measures and equipment selection， as well as a reference for predicting water inflow in surrounding mines of the same type.
Keywords
0 引言
矿井涌水量是指矿井开采期间，单位时间内流入矿井的水量（陈酩知等，2009；国家安全生产监督管理总局，2011；虎维岳和闫丽，2016），作为煤矿水文地质条件评价的一个重要指标，矿井涌水量的预测显得尤为重要，本文以新疆某煤矿为例，对矿井涌水量预测方法（陈书客等，2018；张明燕等，2020；王玉合，2022；孙先立等，2023；王俊力等，2024）探讨，选择合适的涌水量预测结果，以便于煤矿选择更合适的防排水措施及设备来开展井下水文地质工作，从而保障煤矿安全生产。
1 井田水文地质特征
1.1 第四系（Q）透水不含水层（含水层代码Ⅰ）
广泛分布于井田北部，为上更新统—全新统洪积物和少量风积物。由砾石、砂及亚砂土组成，洪积物、风积物为黄土。井田内 13 个钻孔控制该地层。该段地层总厚度 2.40～39.29 m，平均厚度 18.11 m。由于该含水层位于地下水位以上，储水条件差，划为透水不含水层。
1.2 上白垩统红砾山组（K2h）孔隙裂隙不含水段（含水层代码Ⅱ）
该组地层分布于井田的中部，呈条带状展布，为河流相、湖滨相的碎屑沉积。主要岩性为紫红色、灰白色石英砂岩，底部为巨厚层状灰黄色石英质底砾岩。该地层不整合超覆于侏罗系头屯河组地层之上，在井田内 2 个钻孔控制该地层。该段地层总厚度 15.12～48.21 m，平均地层厚度 31.67 m。红砾山组出露于井田地表，岩性以粗砂岩为主，受大气降水入渗补给，因位于地下水位以上，因此划为不含水段。
1.3 中侏罗统头屯河组（J2t）孔隙裂隙弱含水层（含水层代码Ⅲ）
该组地层发育于井田的南部，沉积特征以河流相、湖泊相为主。岩性多以砾岩、粗砂岩、粉砂岩、泥岩互层，局部含薄煤层，其上部主要为粗砂岩、中粗砂岩、细砂岩与粉砂岩互层；下部主要为砾岩、砂砾岩、粗砂岩、细砂岩夹粉砂岩、泥岩，砂岩、砾岩胶结松散。总体特征是由下向上，粒度由粗变细。
该组地层平行整合于下伏西山窑组上含煤段 （J2x3）之上，其上被白垩系红砾山组（K2h）超覆不整合。在井田内 15 个钻孔控制该地层。该段地层总厚度 29.31～194.40 m，平均厚度 115.39 m。泥质含量高，胶结较差，缺乏水源补给，据邻区井田沙吉海煤业有限公司煤矿对头屯河组含水层注水试验成果显示，单位涌水量 0. 00513 l/（s·m）（q<0.1 l/s· m），定为孔隙裂隙弱含水层。据垮落带及导水裂隙带计算值，判定该含水层为间接充水含水层。
1.4 中侏罗统西山窑组（J2x）孔隙裂隙弱含水层（含水层代码Ⅳ）
在井田南部呈北东—南西向展布，为库伦铁布克背斜两翼地层，是井田含煤地层，沉积特征为河流相、湖泊相沉积。岩性多以砂岩、泥岩及煤层互层。在井田范围内施工的钻孔，其中19个钻孔控制全该地层。地层厚 298.68～408.74 m，平均 360.73 m。含水层岩性多为粗砂岩、细砂岩等，颗粒直径由上至下有逐渐变细的趋势，上部含泥质成分多，结构松散，下部胶结较致密，底部多为粉砂岩和泥岩，构成了相对隔水层。据垮落带及导水裂隙带计算值，判定该含水层为直接充水含水层。
此含水层主要受大气降水、雪融水顺层补给。据以往水文钻孔 ZKJ201、ZK102 抽水试验成果资料，渗透系数（K）为 0. 0020～0. 004277 m/d，钻孔单位涌水量（q）为 0. 00337～0. 00690 l/s·m（q<0.1 l/s· m）。由此可知，该含水层富水性弱。
1.5 下侏罗统三工河组（J1s）相对隔水层（含水层代码V）
井田内没有出露，呈面状分布于西山窑组含水岩层的下部，该地层岩性以灰绿色、灰色、黄灰色泥岩、粉砂岩为主，泥质胶结，夹少量细砂岩，为良好的隔水层。由于该层的存在，隔断了下部地层中地下水对中侏罗统西山窑组（J2x）裂隙孔隙弱含水段 （Ⅳ）的补给途径。
1.6 烧变岩潜水含水层（含水层代码Ⅵ）
主要分布于井田南部，近东西向带状展布。主要为B10、B9煤层浅部煤层露头火烧，其中B10煤层火烧程度最深，烧变岩宽25～130 m，分布范围J1线西 280 m 至 12 线附近，火烧深度 59.54～155 m，平均 98.17 m。火烧深度由西向东加深，J3 线附近火烧深度最深，可达 155 m。由于岩石受火烧烤体积膨胀，裂隙发育，成为地下水的良好赋存场所，受大气降水、雪融水的补给形成烧变岩裂隙潜水，将是矿床开采的主要隐患。
2 矿井涌水量预算
2.1 预算原则
根据工作阶段的要求，本文矿坑涌水量的预算范围为井田先期开采地段一水平+600 m 以上的范围。
井田煤系地层地下水类型为承压水，未来矿井在建设开采过程中，承压转为无压，因此预算时全部按无压对待（郑建文，2011）。
通过本次工作，井田内火烧及采空区存在一定的积水，本文矿井涌水量的预算暂不考虑火烧层及采空区积水涌入的因素。
由于本区大气降水甚微，地形地貌、地层岩性及构造等因素的制约，大气降水对地下水的补给量很小，预算时不予考虑。
2.2 预算方法
2.1.1 大井法
（1）计算方法：首先利用矿界周长P来计算引用半径 r0。矿界周长为 8826 m，利用公式 r0=P/2π（地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队， 1983），可得r0=1405 m。
（2）计算公式的选择：井田内地层倾角多小于 10°，可以按水平岩层处理。选用计算公式：
(1)
式（1）中：Q为未来新矿井的涌水量（m3 /d）；K为渗透系数（m3 /d）；H 为水头高度（m）；M 为含水层厚度（m）；r0为引用半径（m）；R0为引用影响半径（m）。
（3）计算参数的选用
①渗透系数（K）：采用钻孔ZKJ201、ZK102抽水试验的结果 0. 0020 m/d、0. 004277 m/d 两个数值平均为0. 00314 m/d。
②水头高度（H）：采用水位平均标高值 841.67 m（ZKJ201孔水位标高843.93 m、ZK102孔水位标高 839.41 m）与预算标高600 m之差，得241.67 m。
③承压含水层厚度（M）：含水层厚度为第Ⅳ含水层中粗砂岩与细砂岩的真厚度之和（尹尚先等， 2015）（67.60 m、23.32 m），为45.46 m。
④引用半径（r0）：r0=P/2π；r0=1676 m。
⑤引用影响半径（R0）：R0=r0+R
∵疏干后S=H=241.67 m
∴R=2×241.67×=421 m
R0=1676+421=2097 m
（4）计算结果：已知 K=0. 00314 m/d，H=241.67 m，M=45.46 m，r0=1676 m，R0=2097 m，代入式（1）= 1.366×0. 00314 =877 m3 /d
上述结果为井田的正常涌水量，根据《数值修约规则与极限数值的表示与判定（GB 8170— 2008）》将大井法计算的结果修约为 900 m3 /d；矿井最大涌水量为Qmax=1.5×900=1350 m3 /d。
2.1.2 比拟法
（1）富水系数法：利用井田以往开采量、排水量，预测未来矿井达产时的涌水量，其计算公式如下：
(2)
(3)
式（2~3）中：Kp为富水系数，Q0为井田以往开采时的排水量（据收集到的以往资料，183团煤矿一号主井开采时排水量为 17.20 m3 /d），P0为井田以往生产规模（9万t/a），Q为未来矿井达产时的排水量（m3 / d），P为未来矿井达产规模（120万t）。
将以上数据代入式（2~3）得出：
Kp=Q0/P0=17.2/9=1.9111
Q=Kp×P=1.9111×120=229 m3 /d
根据《数值修约规则与极限数值的表示与判定 （GB 8170—2008）》将计算的结果修约为 230 m3 /d； 最大涌水量Q=230×1.5=345 m3 /d
3 预算结果评述及结论
利用大井法进行矿井涌水量的预算是依据井田的平均地下水位计算至一水平 600 m 标高形成的，其预算结果为900 m3 /d，此结果是利用地层的渗透性综合得出的井田矿井涌水量的结果；比拟法是利用以往开采规模时的排水量来计算矿井未来达产后的涌水量，预算结果为 230 m3 /d。大井法预算结果偏大的原因可能有以下几点：（1）采用的参数渗透系数为单孔抽水试验成果，本身存在较大的误差；（2）影响半径由经验公式计算得来，可能导致误差进一步偏大；（3）大井法的应用条件是地下水的补给条件充足，影响半径边界上的水头高度也要始终不变。矿井以往开采水平临近地下水位，涌水量都很小，甚至无水，水文地质条件简单，邻区矿井在地下水位以下开采水平的涌水量也不大，最大为 150～200 m3 /d，未来矿井向深部开采延深时，地质及水文地质条件较浅部势必变得复杂（白建军等， 2023），水位降深增大势必会造成矿井涌水量增大，大井法中采用的参数之一渗透系数为钻孔单孔抽水试验计算的结果，水文钻孔分布在先期开采地段内，且分布合理，因此参数具有代表性，预算的结果可作为矿井开发设计的依据，因此矿井涌水量建议采用大井法预算结果，正常涌水量900 m3 /d，最大涌水量 1350 m3 /d。为了井田今后矿井抽水设备的选型，也为周边同类型矿井涌水量预测提供参考，建议矿业权人在井田正式投入生产的过程中，仍应加强对井下抽排水的观察和记录工作，以便能与相邻矿井进行对比，并最终为矿井开发提供更好的理论依据。