华丰煤矿砾岩水突水量特征及基于水量分割法的突水量计算

李延辉 张新霞 许进鹏 薛建坤

（1.安徽金黄庄矿业有限公司，安徽省宿州市，234000；2.中国矿业大学资源学院，江苏省徐州市，221116）

华丰煤矿砾岩水突水量特征及基于水量分割法的突水量计算

李延辉1张新霞2许进鹏2薛建坤2

（1.安徽金黄庄矿业有限公司，安徽省宿州市，234000；2.中国矿业大学资源学院，江苏省徐州市，221116）

分析了华丰煤矿砾岩突水特征，认为其突水量具有过程性，在此基础上，用分割法进行了计定水量和最大水量的突水量计算。通过对1409工作面突水量的计算并与实际对比表明，这种计算水量方法是相对准确的。

突水量 计算方法 特征 分割法

1 概述

华丰煤矿的煤系地层之上广泛分布有第三系砾岩，砾岩是一个巨大的含水层系，含水性复杂，富水性较强。同时，华丰煤矿还存在严重的冲击地压，特别是主采的4＃煤层具有强烈的冲击倾向性。巨厚的砾岩层和强冲击地压导致了导水裂隙带高度发育异常，形成斑裂线导水，由于斑裂线沟通了4＃煤层顶板的所有含水层，造成了侏罗系砾岩含水层的水和二叠系砂岩含水层的水在纵向上产生了较为密切的水力联系。4＃煤层14采区在开采过程中砾岩水不可避免地要进入工作面。

因此，华丰煤矿防治砾岩水的关键问题不是防止砾岩水下泄，而是要准确计算砾岩水突水量，特别是要准确预测砾岩水的最大突水量，以确定有足够的排水设施或提前进行疏放。

矿井的突水量预测目前仍未有相对成熟的方法。目前对矿井突水量的计算，还处于一个探索阶段，还有许多问题尚须解决。本文将从华丰煤矿砾岩水突水量特征出发，探索砾岩水突水量的计算方法，从而为华丰煤矿的防治水工作提供依据。

2 砾岩水出水的特征

2.1 砾岩含水层的富水性特征

华丰煤矿第三系砾岩覆盖于煤系地层之上，侵蚀面倾向为NE 50～62°，倾角一般为21～27°，砾岩层在本区由南往北加厚（800m以上），预计深部还要增厚，砾岩为钙质、泥质胶结，砾石以灰岩碎块为主，浅部砾石较大，砾径一般为0.02～0.05m，深部砾石变小。

砾岩段钻孔简易水文地质观测成果表明，孔深43m以内泥浆消耗量大，几乎所有钻孔在该段均有不同程度的漏水，漏失量一般为1.0m3／h以上，全泵量漏水者较多；100m以下钻孔消耗量逐渐减少，—般在0.5～1.5m3／h，个别层段达1.5m3／h以上，极少数钻孔全泵量漏失；420m以下一般不漏水。可见，第三系在垂向上的裂隙、岩溶发育具有明显的分段性。据此，可自上而下将砾岩划分为3个水文地质特征不同的层段，即底部为红色粘土岩或粘土岩与砾岩互层段，称红层；中部砾岩与砂质粘土岩互层段；上部巨厚层砾岩夹薄层粘土岩段。

砾岩含水层的含水性不仅具有垂向上的分带性，而且平面上也存在分区性。井下突水点多集中于井田中西部，除了红层不发育的因素外，也说明这些区域砾岩下部富水性较好。

2.2 砾岩突水机理及出水点特征

研究结果表明：顶板突水与顶板覆岩运动过程中形成的离层、冲击地压及斑裂线存在密切的因果关系，斑裂线和沿层离层是造成顶板水主要沿工作面下平巷涌出的主要因素，斑裂线是导致华丰煤矿顶板大量突水的主要导水通道。

经过对井下20余起大小顶板突水事故分析，顶板突水具有下列特点：

（1）突水点比较集中，大小突水点均分布在井田中西部。

（2）突水多发生在回采过程或回采之后，且多发生在初次来压后或周期来压前后。

（3）突水量变化有一定规律，主要表现为由小到大再缓慢减小。

（4）涌水量具有季节性变化特点，说明砾岩涌水的大小与大气降水有着直接的关系。

2.3 砾岩水突水量特征

华丰矿煤组开采受第三系砾岩水的严重影响，在开采过程中已发生大小突水事故20多起，单点突水量最大达7.5m3／min，尤其是主采的4＃煤层，由于浅部与第三系砾岩间距小，在开采过程中几乎每个工作面都发生过涌水现象，涌水量一般在0.5～2.0m3／min，最大涌水量达5.5m3／min。

为更好地分析工作面突水情况，现将几起典型突水案例及原因分析列表，见表1。

表1 华丰矿砾岩出水水量统计表

从表1中的案例可以看出，华丰煤矿砾岩出水水量具有明显的过程，即一开始水量较小，随后水量逐渐增大，然后水量又逐渐稳定，甚至部分出水点水量会减小到零。

3 砾岩层突水水量预测

3.1 基于水量分割的计算方法

如前文所述，目前突水量的计算特别是最大突水量的计算尚没有成熟方法。目前矿井涌水量计算的解析法——大井法，其公式是从地下水动力学中的裘布依公式演化而来的。裘布依公式是稳定流公式，所以无法计算突水点的最大水量。

本文根据华丰煤矿砾岩水突水量变化的特点，认为砾岩突水水量由两部分组成，突水量构成见图1，一部分是工作面顶板冒裂带以外区域横向径流而来，即图1中所示Q1，另一部分是冒裂区域内的砾岩水下泄，即图中所示Q2。计算突水量时，首先对突水量进行水量分割，即根据突水流量的过程线，将流量分割成两部分。Q1部分主要是稳定流量，可用解析法（大井法）计算，Q2部分为变化最大的流量，可根据矿井突水量曲线进行比拟。

图1 突水量构成示意图

具体方法：选择一个典型突水过程线图，华丰煤矿2405、2406上涌水量变化曲线见图2。首先将这个流量过程线加以分割，采用直线分割法，分割线以下流量为Q1，Q1用大井法计算，在此不再叙述。分割线以上的部分为Q2，可以将流量过程线概化成一个三角形，则总水量V就是三角形的面积，根据三角面积公式，可得到：

式中：Qmax——Q2部分的最大流量；

Δt——流量从增大到平衡阶段的时间；

V——Q2部分的总水量。

公式（1）即为Q2部分的最大流量求法。

图2 2405、2406上涌水量过程线及分割图

3.2 计算方法实例

以华丰煤矿1409工作面为例进行计算。

（1）稳定水量预计（用大井法计算）。

单个出水点的最大范围应为一边长等于工作面斜长的正方形。

即引用半径ro：

式中：a——工作面倾斜长；

s——降深，m；

k——渗透系数，m／d。

据井下－679石门实测砾岩水压力推算，砾岩底界水压P＝3.6MPa，相当于砾岩水头高360m，若出水后水头为0，则降深s＝360m，k＝0.229 m／d（据No.5孔抽水试验）。则ro＝88.5m，Ro＝1811.2m。

据99－1孔资料，含水层厚度M＝16.35m。依据公式计算水量为：

则Q1＝1.91m3／min。

（2）最大涌水量预测。

以上计算的只是稳定水量Q1，在水量稳定之前，在ro范围内尚有一定水量需短时间排出，即图1中Q2。这部分水量总量V为：

式中：a——工作面斜长，取150m；

L——推采距离，此处据经验取充分垮落长度180m；

M——含水层厚度，取16.35m；

u——给水度，一般砾石取0.30。

则V＝132425m3。

据3601工作面资料及4403工作面资料，大水量时间预计约为20d，代入公式（1）得Qmax＝9.20m3／min。

同时考虑Q1和Q2两部分水量，则：

以上预测尚未考虑上阶段采空区水的影响。若考虑采空区水2.0m3／min，则最大水量达13.53 m3／min。

3.3 结果对比

1409工作面从2003年11月4日开始推采，推采过程中发生了突水，具体水量见表2。

从实际出水情况看， 该工作面最大出量13.7m3／min，与预测结果13.11m3／min相差较小。而从实际出水情况看，推采距离越长，出水量越大，当达到充分垮落长度，出水量达到最大值。

表2 1409工作面突水量统计表

4 结论

（1）华丰煤矿防治砾岩水的关键问题不是防止砾岩水下泄，而是要准确计算砾岩水突水量，特别是要准确预测砾岩水的最大突水量，以确定足够的排水设施或提前进行疏放。

（2）华丰煤矿砾岩出水水量具有明显的过程，即一开始水量较小，随后水量逐渐增大，然后水量又逐渐稳定，甚至部分出水点水量会减小到零。

（3）华丰煤矿的顶板突水量可以分割成工作面顶板冒裂带以外区域横向径流而来水量和冒裂区域内的砾岩水下泄水量两部分。

（3）冒裂区域内的砾岩水下泄水量的最大量可通过流量过程线形态概化一定标准形状后，用几何形态推导出计算公式。

（4）通过实例计算对比表明，本文所采用的计算方法是可靠的。

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［3］ 虎维岳.矿山水害防治理论与方法［M］.北京：煤炭工业出版社，2005

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［8］ 薛禹群.地下水动力学［M］.北京：地质出版社，2005

Water inrush characteristics of conglomerate in Huafeng coal mine and water quantity calculation based on segmentation method

Li Yanhui1，Zhang Xinxia2，Xu Jinpeng2，Xue Jiankun2
（1.Anhui Jinhuangzhuang Mining Co.，Ltd.，Suzhou，Anhui 234000，China；2.School of Resources and Earth Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Based on the analysis of water inrush characteristics of conglomerate in Huafeng coal mine and water inrush having aprocess，the paper puts forward the water inrush calculation method of segmenting the water quantity and then respectively calculating the stable and maximum water quantity.By comparing the calculated water inrush quantity with the actual quantity in No.1409working face，this method of calculating the water quantity is relatively accurate.

water inrush quantity，calculation method，characteristics，segmentation method

TD742.1

A

影响半径Ro：

李延辉（1970－），男，山东泰安人，毕业于山东科技大学地质测量专业，现为安徽金黄庄矿业有限公司副总工程师。

（责任编辑 张艳华）